降低精煉鋼鋼中夾雜物的研究

董 立 王亞明 王曉燕 高 軍 劉建軍

(內(nèi)蒙古北方重工集團(tuán)，內(nèi)蒙古014033)

北方重工特殊鋼分公司主要生產(chǎn)一些特殊用途的鋼，如機(jī)車用曲軸鋼、超高壓鍋爐用無縫鋼管、風(fēng)機(jī)主軸、核電產(chǎn)品用鋼等特殊鋼。這些特殊鋼鋼錠作為關(guān)鍵件應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備。因此對(duì)鋼錠的質(zhì)量有較高的要求。精煉鋼錠的質(zhì)量主要取決于鋼中的夾雜物含量。

鋼中夾雜物(主要是氧化物)是降低精煉鋼疲勞壽命最主要的冶金因素。因此，最大限度地去除精煉鋼中夾雜物或者通過夾雜物變性以降低其危害，是提高精煉鋼疲勞壽命的有效途徑。因此，本文結(jié)合精煉鋼的生產(chǎn)工藝，對(duì)如何控制鋼中夾雜物展開研究。

1 曲軸、風(fēng)機(jī)軸、無縫鋼管生產(chǎn)工藝流程

目前我公司重點(diǎn)民品鋼的生產(chǎn)工藝流程為：50 t電弧爐(EBT)冶煉→精煉爐(LF)冶煉→真空處理(VD)→模鑄→熱送→鍛造→退火→機(jī)械加工→無損檢測(cè)。

煉鋼是關(guān)鍵工序，精煉鋼錠內(nèi)部質(zhì)量取決于冶煉、精煉、澆注各個(gè)環(huán)節(jié)的操作。下道工序加工出現(xiàn)的冷彎裂紋、無損檢測(cè)夾雜物超標(biāo)、鋼錠縮孔、偏析等都與煉鋼有關(guān)。

2 存在的質(zhì)量問題

用戶對(duì)特殊鋼的使用性能提出了苛刻的要求，要求具備較高的疲勞強(qiáng)度、彈性強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和韌性，較高的耐磨性能，較高且均勻的硬度，一定的抗腐蝕能力。鋼的冶煉水平是鋼錠內(nèi)在質(zhì)量好壞的先決條件，鋼中的氧含量、成分偏析、夾雜物數(shù)量及分布是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要冶金因素。

這些要求歸結(jié)到兩個(gè)相關(guān)的冶金因素，即精煉鋼錠的純潔度和均勻性。當(dāng)前曲軸鋼、風(fēng)機(jī)軸鋼出現(xiàn)的質(zhì)量問題主要集中在鋼中夾雜物超標(biāo)上。無縫鋼管用鋼主要存在冷彎裂紋問題，另外有些鋼錠還存在成分偏析、鋼錠縮孔問題。

鋼錠內(nèi)部夾雜物直接影響著精煉鋼錠的無損檢測(cè)合格率。對(duì)夾雜物進(jìn)行電鏡、能譜分析可知，內(nèi)部夾雜主要是氧化物夾雜，也存在硫化物、碳化物等夾雜。而產(chǎn)生夾雜物的冶煉因素主要是：

(1)出鋼和爐外精煉過程中向鋼液加入脫氧劑時(shí)發(fā)生脫氧反應(yīng)，其產(chǎn)物未得到及時(shí)上浮，存留在鋼中，成為脫氧產(chǎn)物的夾雜，如圖1所示。

(2)在鋼水凝固過程中，硫的溶解度低時(shí)殘留在鋼中的硫含量較高，鋼中的S與Mn反應(yīng)生成MnS，MnS的直徑隨著凝固時(shí)間的增加而增大，如圖2所示。

(3)未能上浮而存留于鋼中的爐渣、耐火材料、保護(hù)渣及鋼液二次氧化產(chǎn)物等夾雜物，形狀不規(guī)則，成分和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，分布沒有規(guī)律，且與鋼液成分沒有直接關(guān)系，如圖3所示。

(4)鋼錠澆注過程中，注溫注速控制不當(dāng)，脫模入爐階段控制不當(dāng)，鋼錠表面易出現(xiàn)縮孔、裂紋等缺陷，如圖4、圖5所示。

圖1 脫氧產(chǎn)物夾雜Figure 1 Inclusion of deoxidation product

圖2 硫化物夾雜Figure 2 Sulphide inclusion

圖3 復(fù)合夾雜物Figure 3 Duplex inclusions

圖4 鋼錠縮孔Figure 4 Shrinkage hole of steel ingot

圖5 鋼錠裂紋Figure 5 Steel ingot crack

3 結(jié)果分析與討論

從提高鋼液純凈度出發(fā)，一是減少鋼中夾雜物的含量，二是控制夾雜物的化學(xué)成分，即改善夾雜物的性質(zhì)和形態(tài)。

3.1 電爐冶煉終點(diǎn)碳的控制

電爐終點(diǎn)氧含量直接關(guān)系到LF精煉控制全氧的難易。而控制終點(diǎn)氧和終點(diǎn)碳是有密切聯(lián)系的。控制電爐煉鋼終點(diǎn)碳含量在于控制鋼液和熔渣中的溶解氧含量，從而防止大量的鐵元素氧化，避免鋼中氧化物過多。

3.1.1 鋼液中溶解氧含量與碳含量的關(guān)系

鋼液中碳氧反應(yīng)的平衡常數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)自由能變化與溫度的關(guān)系式：

[C]+[O]=(CO)

△G=-22 000-38.34T

KP=PCOW[C].W[O]

KP=1W[C]W[O]=1fc·fo·[%C]·[%O]

溫度一定時(shí)，反應(yīng)平衡常數(shù)Kp是定值。電弧爐冶煉過程一般認(rèn)為Pco=1，若令m=[%C]·[%O]，fc·fo=1，則m=1/Kp。1 600℃時(shí)，Kp=400，m=0.002 5，m為碳氧濃度積。當(dāng)碳氧反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，m為一常數(shù)。

常壓下碳氧濃度之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 常壓下碳氧濃度關(guān)系圖Figure 6 The relationship chart of concentration between carbon and oxygen at atmospheric pressure

實(shí)際上m不是真正的平衡，因?yàn)樘己脱醯臐舛炔⒉坏扔谒鼈兊幕疃?。只有?dāng)[%C]→0時(shí)，fc·fo=1，此時(shí)m才接近平衡態(tài)。由于在煉鋼過程中存在著[Fe]+[O]=[FeO]，鋼中實(shí)際氧含量比碳氧平衡時(shí)氧含量高。

3.1.2 用碳控制熔池過氧化

如果電弧爐冶煉前期吹氧強(qiáng)度過高，爐料配碳量較低，則會(huì)使熔池中碳含量低，二次燃燒供氧量過大。熔清后升溫過程的后期熔池中溶解氧的活度過高，鐵氧化，造成金屬收得率低，導(dǎo)致電弧爐熔池的過氧化。

在實(shí)際操作中為解決富氧操作造成的熔池過氧化問題，結(jié)合泡沫渣技術(shù)的應(yīng)用，采用熔池噴吹碳粉。在采用富氧操作時(shí)，鋼中含有過剩氧，與噴吹的碳粉發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生CO被熔渣捕獲形成泡沫渣的同時(shí)，熔池中的溶解氧含量下降，繼續(xù)噴吹碳粉，則鋼中溶解氧的濃度接近C-O平衡曲線。

3.2 造渣制度及脫氧劑的選用

3.2.1 精煉脫氧

精煉爐操作必須做到白渣操作，采用沉淀脫氧和擴(kuò)散脫氧結(jié)合的方法快速脫氧。反應(yīng)式如下：

CaC2+3FeO=CaO+2CO+3Fe

2(FeO)+Si=2[Fe]+(SiO2)

3(FeO)+2(Al)=3[Fe]+(Al2O3)

沉淀脫氧產(chǎn)物主要是氧化夾雜物Al2O3，另外有少量的其它脫氧產(chǎn)物。冶煉工藝的沉淀脫氧通常選用鋁作為脫氧劑，但從后道工序出現(xiàn)的無損檢測(cè)夾雜物、冷彎裂紋分析可知，鋼錠產(chǎn)生凝固偏析是MnS夾雜物和Al2O3夾雜物造成的。為了減少Al2O3夾雜物，優(yōu)化脫氧工藝，選用復(fù)合脫氧劑硅鋁鋇鈣進(jìn)行脫氧。這種堿土金屬復(fù)合脫氧劑的脫氧能力強(qiáng)，脫硫速度快，并且可以優(yōu)化成分配比生成固態(tài)低熔點(diǎn)易上浮的夾雜物。另外在就位加熱后將粉狀脫氧劑如硅鐵粉、電石等加入渣面進(jìn)行脫氧，由于脫氧是在鋼渣界面上進(jìn)行，其產(chǎn)物進(jìn)入爐氣或被爐渣吸收，不會(huì)污染鋼液。

3.2.2 精煉脫硫

采用堿性白渣脫硫工藝，其反應(yīng)式如下：

(CaO)+[S]=(CaS)+[O]

硫化物夾雜主要來源于硫與鋼中硫化物形成元素Ca、Fe、Mn等的化學(xué)反應(yīng)。其中，MnS的危害較大，為減少M(fèi)nS夾雜物含量，待曲軸、風(fēng)機(jī)軸、無縫鋼管鋼中硫含量降至內(nèi)控要求范圍時(shí)添加錳鐵合金調(diào)整Mn含量。

特殊鋼精煉過程中脫硫情況見表1。

脫硫能力取決于渣中的堿度和渣中FeO含量，高堿度、低FeO含量有利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行，要求造渣過程中加入白灰，以保證渣的堿度，將硫降低至目標(biāo)范圍之內(nèi)。

表1 曲軸鋼精煉過程中脫硫情況(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The desulfurization situation during refining process of crankshaft steel (mass fraction,%)

3.3 內(nèi)生夾雜物的去除

高熔點(diǎn)脫氧產(chǎn)物Al2O3在煉鋼溫度下呈固態(tài)且體積較小，在煉鋼過程中不易上浮長大，造成鋼中Al2O3夾雜物偏高，至使鍛件檢測(cè)不合格。

因此，凈化鋼液及改變鋼中夾雜物形態(tài)、尺寸和分布量是改善產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。內(nèi)生夾雜物的去除手段主要有夾雜物球化處理和氬氣弱攪拌。

3.3.1 球化處理

鈣使鋼液脫氧的同時(shí)還能與溶于鋼中的硫反應(yīng)，降低鋼中硫化物的溶解度。鈣的沸點(diǎn)為1 492℃，密度僅為鋼液的1/5，在煉鋼溫度下，鈣不僅會(huì)漂浮在熔渣表面，而且會(huì)很快被氣化。硅可以降低鈣的活性，又是良好的脫氧劑。因此，采用硅鈣合金對(duì)鋼中夾雜物進(jìn)行變性處理。將Al2O3和MnS變?yōu)榍驙頼CaO·nAl2O3和CaS，這類夾雜物有利于聚集長大和上浮，以消除夾雜物的不良影響。

當(dāng)前在真空系統(tǒng)下，加入硅鈣塊反應(yīng)激烈，但硅鈣塊密度小，漂浮在熔渣表面，效果不穩(wěn)定。若采用喂線機(jī)加入硅鈣線(用鐵皮包裹的硅鈣粉)，通過鋼渣插入鋼液中，硅鈣合金快速熔于鋼液中，對(duì)鋼中夾雜物進(jìn)行變性處理，效果會(huì)更好。

3.3.2 軟吹時(shí)間控制

精煉過程中添加合金、渣料時(shí)需要強(qiáng)攪拌，循環(huán)過程中必然會(huì)帶入夾雜及卷渣，由于鋼包較深，鋼液循環(huán)需要一定時(shí)間上浮。

根據(jù)鋼中氧含量與夾雜物的數(shù)量關(guān)系，可以得出以下關(guān)系式：

M=Moexp[-SV49gημ2(ρ2-ρ1)t]

(1)

式中，M——t時(shí)刻夾雜物的數(shù)量；Mo——初始夾雜物數(shù)量；S——鋼水面積，單位為m2；V——鋼水體積，單位為m3；g——重力加速度，單位為m/s；η——粘度系數(shù)，單位為kg·s；μ——夾雜物直徑，單位為m；ρ1——1 600℃時(shí)鋼水密度；ρ2——1 600℃時(shí)熔渣的密度。

公式(1)表示了鋼液中夾雜物含量與初始夾雜物數(shù)量、鋼渣界面面積、鋼液容積、鋼液粘度系數(shù)、夾雜物直徑、夾雜物上浮時(shí)間等參數(shù)之間的關(guān)系。按照現(xiàn)有設(shè)備及有關(guān)資料數(shù)據(jù)，取鋼液深度為1.85 m，鋼包直徑為1.25 m，鋼包近似為直筒型，g=9.8 m/s，η=6×10-4kg·s，ρ1=2 500 kg/m3，ρ2= 7 000 kg/m3，μ=1×10-5m。代入上式得：

M=Moexp[-0.001 77t]

(2)

對(duì)式(2)作圖得軟吹時(shí)間與鋼中夾雜物去除率的關(guān)系曲線(圖7)。

圖7 軟吹時(shí)間與鋼中夾雜物去除率的關(guān)系Figure 7 The relation between soft blow time and removal rate of steel inclusion

從圖7可以看出，當(dāng)軟吹時(shí)間達(dá)到15 min時(shí)，夾雜物去除率可以達(dá)到80%，吹氬氣超過15 min后夾雜物去除速度明顯降低，但隨著軟吹時(shí)間的延長。夾雜物數(shù)量繼續(xù)減少，達(dá)到40 min時(shí)98%的夾雜物都被去除?？紤]到具體生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)調(diào)度，VD后的軟吹時(shí)間保持在15 min以上，保證脫氧夾雜物有充分時(shí)間上浮。

3.4 避免外來夾雜物

外來夾雜物主要有以下幾種：澆注系統(tǒng)存在異物或耐火材料質(zhì)量差侵蝕嚴(yán)重，會(huì)將夾雜物帶入鋼液中；開澆速度過快，將吊掛的保護(hù)渣卷入鋼液中，未能及時(shí)上浮而聚集在鋼錠內(nèi)；澆注過程中水口結(jié)瘤，隨鋼液進(jìn)入澆注系統(tǒng)會(huì)形成FeO夾雜。因此，避免外來夾雜物是提高鋼錠質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

4 結(jié)論

(1)為了獲得較低的氧含量，特殊性能的精煉鋼冶煉時(shí)必須適當(dāng)增加生鐵用量，保證熔清碳含量≥0.50%，控制電弧爐碳氧槍吹氧強(qiáng)度，用碳控制好終點(diǎn)氧含量，避免鋼液產(chǎn)生過度氧化進(jìn)而在二次精煉過程產(chǎn)生大量的內(nèi)生夾雜物。

(2)為了減少Al2O3夾雜物數(shù)量，選擇復(fù)合脫氧劑硅鋁鋇鈣進(jìn)行脫氧。硫化物夾雜的控制措施主要是降低鋼中硫含量到一定范圍內(nèi)，再調(diào)整錳的成分。

(3)采用喂線機(jī)加入硅鈣線，對(duì)鋼中夾雜物進(jìn)行變性處理，效果會(huì)更好。

(4)VD過程中，由于熔渣卷入造成鋼中夾雜物增加，為保證精煉鋼產(chǎn)品質(zhì)量，VD后不允許加增碳劑和合金，必須保證軟吹時(shí)間達(dá)到15 min以上。

(5)控制入爐廢鋼質(zhì)量，選用優(yōu)質(zhì)耐火材料，保證澆注系統(tǒng)的清潔干燥，避免爐渣、保護(hù)渣的卷入，采用氬氣保護(hù)澆注等，可防止外來夾雜物進(jìn)入鋼液。

[1] 黃?？?鋼鐵冶金原理(第3版)[M]北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[2] 王平.軸承鋼脫氧工藝與理論的研究.北京：北京科技大學(xué)，1991.

[3] 朱惠剛.軸承鋼精煉工藝研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2005.