摘要：鋼中夾雜物種類很多，包括硫化物、氧化物、氮化物、氫化物等，LF主要對(duì)鋼中氧化物夾雜進(jìn)行處理，氧化物夾雜主要來源于脫氧產(chǎn)物。從鋼中氧的來源和適合地脫氧方法、合適大小的底吹氬及攪拌軟吹時(shí)間、精煉渣工藝、鈣處理工藝等方面控制氧化物夾雜，減少夾雜物的總量和危害，從而達(dá)到生產(chǎn)潔凈鋼的目的。

　　A brief discussion on the control of inclusions during LF refinement

　　Shan Tianzi  Wang Chongjun  Li Lei  Kong Mingjiao

　　(Tang Shan Heavy Plate Co.Ltd. )

　　Abstract  There are many species of inclusions in steel, including sulfide, oxide, nitride, hydride, etc，LF mainly deals with oxide inclusion in steel，Oxide inclusions are mainly derived from deoxygenation products。Oxygen from steel sources and suitable deoxidization methods、Slag refining process、Calcium treatment process control oxide inclusion，Reduce the amount and hazard of inclusions，Thus the purpose of producing clean steel is achieved.

　　Keywords  inclusions control source  deoxidize  refining slag   calcium treatment

　　0 前言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各行各業(yè)對(duì)鋼材質(zhì)量和性能要求越來越高。對(duì)鋼鐵冶金行業(yè)帶來了極大的挑戰(zhàn)，潔凈鋼的生產(chǎn)技術(shù)越來越得到重視，對(duì)鋼中的非金屬夾雜氧化物控制提出了更嚴(yán)格的要求。非金屬夾雜造成鋼的組織不均勻，惡化鋼的加工性能，降低鋼的塑性、韌性和疲勞性能，氧化物夾雜主要是鋼中未上浮的脫氧產(chǎn)物和鋼中溶解氧凝固時(shí)析出的固體氧化物，LF生產(chǎn)中通過控制鋼中氧的來源、合適的脫氧和底吹氬以及精煉渣和鈣處理等有效手段控制鋼中夾雜物危害。

　　1 鋼中夾雜物

　　鋼中非金屬夾雜物主要是鋼的脫氧產(chǎn)物和二次氧化產(chǎn)物以及混入鋼中的耐火材料和爐渣。主要大型夾雜為氧化物和硫化物，其中氧化物主要是Al2O3,SiO2,CaO,MnO,FeO等，硫化物主要是MnS,CaS等。

　　為了觀察夾雜物的形貌，研究其組成，取樣進(jìn)行大樣電解試驗(yàn)，并對(duì)大型夾雜物進(jìn)行掃描電鏡觀察并對(duì)夾雜物成分進(jìn)行能譜分析。電鏡中夾雜物照片如圖1.

　　并對(duì)試樣中大型夾雜物進(jìn)行成分分析如圖2和表1.

　　圖2 大型夾雜物形貌

　　  FIG. 2 large inclusions

　　表1 圖2中各點(diǎn)夾雜物成分分析(wt%)

　　Table 1. Composition analysis of points inclusions in FIG. 2 (wt%)

　　由表知，夾雜物中O, Al，Ca，F(xiàn)e，Si占大比例，可知夾雜物中氧化物最多。

　　2 鋼中氧來源及控制

　　夾雜物中氧化物最多，研究氧化物就要研究氧的來源。

　　精煉過程氧主要來源于

　　1）上道工序-轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧

　　2）電極加熱破壞了AL-O平衡，使鋼液自由氧上升

　　3）精練過程中氬氣過大，裸露鋼水吸氧

　　2.1 轉(zhuǎn)爐出鋼攜帶氧及控制

　　圖3 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧位與終點(diǎn)碳關(guān)系圖

　　FIG. 3 carbon relationship between oxygen level and end point of converter

　　轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳對(duì)LF精煉脫氧有著重要影響，有關(guān)數(shù)據(jù)表明，鋼液中碳氧積在一定溫度下總保持一個(gè)常量^[1]。根據(jù)這個(gè)理論，終點(diǎn)碳低時(shí)，鋼中自由氧必定高。根據(jù)本廠生產(chǎn)情況，隨機(jī)抽取終點(diǎn)溫度在1645℃左右的十爐鋼進(jìn)行定氧和取樣分析，所得數(shù)據(jù)如圖3.

　　圖示數(shù)據(jù)也表示隨著終點(diǎn)碳降低鋼中自由氧升高，轉(zhuǎn)爐出鋼碳越低，鋼水含氧量越高，LF脫氧越困難?？梢?，提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳是降低鋼中氧含量，進(jìn)而降低氧化物夾雜的有效手段。

　　2.2精煉過程鋼水吸氧

　　LF目的降低鋼中自由氧和渣中不穩(wěn)定氧化物含量，盡快使脫氧產(chǎn)物上浮去除，用鋁完全脫氧，鋼中酸溶鋁達(dá)到0.03μ~0.05μ時(shí)，鋼液脫氧完全^[2]，這時(shí)鋼中自由氧幾乎變?yōu)锳l2O3，當(dāng)電弧加熱時(shí)，高溫破壞了AL-O平衡^[3]。根據(jù)反應(yīng)式1)，其反應(yīng)服從亨利定律

　　K=[μAL]2[μO]3                 1）

　　lgK=-64900/T+20.63         

　　高溫使K變大，鋼中鋁不變，為了維持平衡，鋼中氧就要上升，只要鋼水裸露就會(huì)吸氧。使鋼中氧含量升高。

　　其次，當(dāng)鋼水脫氧完全時(shí)，氬氣開的過大，使鋼水裸露過多或時(shí)間過長，鋼水會(huì)吸收空氣中的氧。在精煉中后期，渣子造好之后，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)白渣變黃甚至變黑，這種現(xiàn)象就是加合金或增碳時(shí)氬氣過大，鋼液吸氧導(dǎo)致，或者電弧高溫破壞AL-O平衡，鋼水吸氧導(dǎo)致。所以精練過程中要造好渣，關(guān)好爐門保證爐內(nèi)還原氣氛，埋好弧，控制氬氣大小。

　　3 脫氧方法對(duì)鋼中夾雜物的控制

　　脫氧劑主要有AL、Si、Mn及其他元素（Ca、Ba、Mg）的合金，強(qiáng)脫氧劑能顯著降低鋼中溶解氧，復(fù)合脫氧劑控制各元素比例能得到低熔點(diǎn)脫氧產(chǎn)物。AL為強(qiáng)脫氧劑，與氧親和力強(qiáng)，成本較低，形成的夾雜物易上浮。但為了確保脫氧時(shí)夾雜物迅速與鋼水分離避免二次氧化需要加入過量鋁，多余鋁溶于鋼中。許多研究結(jié)果證實(shí)：鋁脫氧反應(yīng)產(chǎn)物和殘留鋼中鋁會(huì)引起耐熱鋼的蠕變脆性，使鋼高溫強(qiáng)度降低，疲勞性能惡化^[4]。而且脫氧產(chǎn)物為高熔點(diǎn)Al2O3，澆注過程中容易造成水口堵塞。某些對(duì)鋁含量要求低和對(duì)Al2O3夾雜要求嚴(yán)格的鋼種，生產(chǎn)過程中應(yīng)避免采用鋁脫氧。

　　[Mn]+ [O]= (MnO)            2)

　　lgK=-12760/T+5.58

　　[Si]+ O]= 1/2(SiO2)          3)

　　lgK=-15500/T+6

　　2/3[Al]+[O]=1/3( Al2O3)         4)

　　LgK=-21600/T+6.88

　　采用含鋁、錳、硅等復(fù)合脫氧劑，其脫氧能力不及鋁(脫氧能力Al＞Si＞Mn)，但可以避免鋁脫氧帶來的一系列問題，生成低熔點(diǎn)復(fù)合脫氧產(chǎn)物，例如硅錳復(fù)合脫氧劑，硅鋇復(fù)合脫氧劑，硅鋁鋇鈣復(fù)合脫氧劑等，各有優(yōu)點(diǎn)。但成本略高于鋁脫氧。所以根據(jù)不同鋼種需要選擇合適脫氧劑。鋁脫氧要做好后續(xù)夾雜物的處理。

　　4 底吹氬對(duì)夾雜物的控制

　　吹氬是鋼液流動(dòng)并與渣層反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力，良好的氬氣是保證LF脫硫和去夾雜、脫氣的至關(guān)重要的因素。根據(jù)西華特定律，一定溫度下，氣體溶解度與該氣體在氣相中分壓力的平方根成正比。鋼中氣體不斷向氬氣泡內(nèi)擴(kuò)散，使氣泡分壓增大，但是氣泡上浮過程中受熱膨脹，氮?dú)狻錃?、氧氣分壓仍然保持在較低水平，繼續(xù)吸收鋼中氣體，隨氬氣泡逸出鋼液而去除^[5] 。鋼包吹氬條件下，鋼液中夾雜物去除主要依靠氣泡浮選作用，夾雜物與氣泡碰撞并黏附在氣泡壁上，隨氣泡上浮而去除。實(shí)踐證明，脫氧良好的鋼液經(jīng)鋼包底吹氬后，可去除鋼中氫15%~40%，氧30%~50%，夾雜物總量可減少50%，尤其大顆粒夾雜降低更明顯。而且利用氬氣保護(hù)作用，可避免和減少鋼液二次氧化。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，需要將精煉所用惰性氣體-氬氣通過透氣磚吹入到鋼包中，要保證鋼包的良好透氣性。在良好透氣性條件下，對(duì)本廠2#120tLF進(jìn)行底吹研究，之前工藝是送電加熱、合金化期間：500~600 NL/min，增碳、脫硫期間：1450~1550 NL/min。

　　現(xiàn)改變吹氬工藝為加熱時(shí)氬氣流量300NL/min~400NL/min,

　　合金化氬氣流量400NL/min~500NL/min，

　　增碳、脫硫流量800~900 Nl/min，

　　喂線期間流量80~100 Nl/min，

　　軟吹60NL/min~100NL/min,。

　　對(duì)軟吹期間不同氬氣流量設(shè)定進(jìn)行夾雜分析，得到夾雜物去除率與氬氣流量與隨時(shí)間變化的關(guān)系圖，如圖4、圖5。

　　由圖可知夾雜物去除率隨氣量增大呈先增大后減小規(guī)律，在60左右出現(xiàn)峰值?？梢姳狙芯織l件下，LF精煉時(shí)軟吹氣量設(shè)定為60 Nl/min時(shí)，夾雜物去除效果好。

　　表2   LF工藝優(yōu)化前后A類夾雜控制水平對(duì)比(Q235B)

　　Table 2 comparison of class A inclusion control before and after LF process optimization (Q235B)

　　表3   LF工藝優(yōu)化前后B類夾雜控制水平對(duì)比(Q235B)

　　Table 3 comparison of class B inclusion control before and after LF process optimization (Q235B)

　　表4   LF工藝優(yōu)化前后C類夾雜控制水平對(duì)比(Q235B)

　　Table 4 comparison of class C inclusion control before and after LF process optimization (Q235B)

　　   并對(duì)LF氬氣工藝調(diào)整前后的夾雜物進(jìn)行分析，得到對(duì)比表，如表2、表3、表4。根據(jù)鋼中夾雜物檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，一般認(rèn)為當(dāng)鋼中夾雜物尺寸不超過2.0級(jí)時(shí)，鋼的性能不會(huì)受到夾雜物影響^[6]。由表知?dú)鍤夤に噧?yōu)化后，夾雜物等級(jí)都控制在了2.0之下，顯著提高鋼的質(zhì)量。

　　在合適的軟吹流量條件下，想要保證鋼中夾雜物去除效果，還要考慮軟吹時(shí)間。如圖6，為夾雜物去除率在不同流量條件下隨軟吹時(shí)間的變化規(guī)律。由圖可知，夾雜物去除主要發(fā)生在前8min；吹氣12min可去除絕大多數(shù)夾雜，綜合考慮現(xiàn)場生產(chǎn)因素與成本，我廠將現(xiàn)場軟吹控制在8min即可滿足生產(chǎn)需要與質(zhì)量要求。

　　綜上，控制夾雜要加強(qiáng)對(duì)氬氣的控制，保證鋼包透氣良好，生產(chǎn)中選擇合適的氬氣流量和軟吹時(shí)間。 

　　圖6  在不同氬氣流量條件下隨軟吹時(shí)間的變化夾雜物去除率情況

　　FIG. 6 the removal rate of inclusions with soft blowing time under different argon flow conditions

　　6 精煉渣工藝

　　非金屬夾雜大部分能夠上浮進(jìn)入爐渣，精煉渣主要起到吸附上浮夾雜的作用，精煉過程中渣、鋼、夾雜物三者之間發(fā)生反應(yīng)，夾雜物會(huì)隨著反應(yīng)，形態(tài)、成分會(huì)變化，為了促進(jìn)反應(yīng)，改變夾雜物形態(tài)、減少危害，精煉渣要求有低熔點(diǎn)、良好流動(dòng)性、合適精煉渣成分的特點(diǎn)而且精煉過程中要有充足的渣量來吸附上浮的夾雜。

　　精煉渣通過渣-鋼間反應(yīng)對(duì)鋼液[Al]、[O]、[Ca]、[Mg]等進(jìn)行控制，進(jìn)而在通過鋼液[Al]、[O]、[Ca]、[Mg]等對(duì)夾雜物進(jìn)行穩(wěn)定控制，所以選用與夾雜物控制目標(biāo)成分相近的精煉渣系有助于控制夾雜物的形態(tài)^[7] 。有助于夾雜物的上浮和減少夾雜物對(duì)鋼的危害。本廠采用CaO- Al2O3- SiO2渣系，成分為:CaO40%~60%，Al2O315%~30%，SiO210%~20%，配加適量CaF2約6%，此渣系經(jīng)過長期實(shí)踐，取得不錯(cuò)的效果保證脫硫率達(dá)70%以上。

　　7 鈣處理工藝

　　鈣處理指在鋼水中加入鈣系合金對(duì)鋼中夾雜物進(jìn)行形態(tài)控制，根據(jù)實(shí)際情況我廠使用的鈣處理技術(shù)是喂線法，借助喂線機(jī)，以一定的速度將硅鈣包芯線穿過渣層打到鋼液中，達(dá)到對(duì)鋼液進(jìn)行脫氧，變質(zhì)處理等目的。鈣處理通過增加鋼中有效鈣含量對(duì)鋼中MnS夾雜Al2O3夾雜進(jìn)行改性。

　　7.1鈣處理對(duì)Al2O3夾雜控制

　　鈣處理使鋼中大顆粒Al2O3夾雜改性成低熔點(diǎn)復(fù)合夾雜物，促使夾雜物上浮，凈化鋼水，同事防止水口結(jié)瘤，改善澆注性，隨著鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加Al2O3夾雜將沿

　　Al2O3→CaO?6 Al2O3→CaO?2 Al2O3→CaO?Al2O3→12CaO?7 Al2O3→3CaO?Al2O3改變性質(zhì)^[8]， 鈣對(duì)夾雜物反應(yīng)式如下：

　　3[Ca]+( Al2O3)=2[Al]+3(CaO)                      5)

　　2[Al]+3(CaO)+3[S]=3（CaS）+( Al2O3)               6)

　　鈣對(duì)鋁變性作用實(shí)質(zhì)是：鈣加入能使Al2O3變質(zhì)為低熔點(diǎn)的鈣鋁酸鹽3CaO?Al2O3、12CaO?7 Al2O3、CaO?Al2O3、CaO?2 Al2O3和CaO?4 Al2O3等，其中前三者熔點(diǎn)比鋼低，凝固時(shí)呈球狀，尤其生成12CaO?7 Al2O3，可以有效避免水口結(jié)瘤。

　　7.2 鈣處理對(duì)硫化錳夾雜的控制

　　錳與硫有較強(qiáng)的親和力，當(dāng)鋼中硫含量較高時(shí)，錳會(huì)與[S]反應(yīng)生成高熔點(diǎn)MnS。反應(yīng)式如下：

　　[Mn]+[S]=[MnS]              7)

　　鋼水凝固過程中，形成的高熔點(diǎn)CaS質(zhì)點(diǎn)，可以抑制鋼水在此過程生成的MnS總量和聚集程度，并把MnS部分或全部改質(zhì)成CaS，形成細(xì)小單一的CaS相或CaS與MnS復(fù)合相^[9] ，提高鋼材性能均勻性。

　　8 結(jié)論

　　為了適應(yīng)發(fā)展的需要，優(yōu)勝劣汰，提高產(chǎn)品質(zhì)量，控制夾雜物對(duì)鋼的影響至關(guān)重要，其中減少夾雜物的數(shù)量和改變夾雜物的形態(tài)為主要手段，LF精煉過程中通過控制鋼中氧的來源從根本上減少鋼中氧化物、合適的脫氧方法和底吹氬以及結(jié)合精煉渣和鈣處理工藝，多管齊下，全方位控制鋼中夾雜物，達(dá)到提高鋼水質(zhì)量目的。

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　　來源： 冶金交流中心 2022-04-12 09:00