汽車(chē)板用鋼Si含量控制技術(shù)研究

修大鵬，倪曉青，張新恩

(1.山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；2.山東鋼鐵股份有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

【新材料】

汽車(chē)板用鋼Si含量控制技術(shù)研究

修大鵬1，倪曉青2，張新恩1

(1.山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014；2.山東鋼鐵股份有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

為解決國(guó)產(chǎn)汽車(chē)板用鋼在冶煉過(guò)程中因鋼水增硅導(dǎo)致的鋼板性能下降的問(wèn)題，本文對(duì)鋼板冶煉各階段Si含量的產(chǎn)生及變化情況進(jìn)行了研究。影響各階段鋼水增硅的原因主要包括鋼包渣堿度、鋼水Al含量、中包渣和中包絕熱板的材質(zhì)等，通過(guò)選用Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.5%的脫氧劑、采用鋼包渣改質(zhì)劑提高鋼包渣的渣堿度、選用全堿性中間包或不含硅的大包保護(hù)渣等控制措施，能夠?qū)⒕珶?連鑄過(guò)程中鋼液增硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.01%以下。

Si含量；真空脫碳；渣堿度

隨著全球鋼鐵行業(yè)的飛速發(fā)展，高性能鋼材的出現(xiàn)逐漸引領(lǐng)汽車(chē)向高強(qiáng)度、耐腐蝕和輕量化方向發(fā)展[1]。目前我國(guó)鋼材產(chǎn)量居世界首位，但是生產(chǎn)工藝與國(guó)外先進(jìn)水平相比卻有很大差距，主要表現(xiàn)在鋼板的力學(xué)性能弱、成形性能差以及表面質(zhì)量低等方面，在鋼材品種、質(zhì)量和規(guī)格等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了汽車(chē)板用鋼的要求，每年需從國(guó)外大量進(jìn)口，以滿(mǎn)足引進(jìn)車(chē)型的需求[2]。

近年來(lái)，我國(guó)在引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上逐漸開(kāi)展了汽車(chē)板用鋼的國(guó)產(chǎn)化研究，并取得了一定的進(jìn)展，然而仍然存在很多困難。例如，對(duì)表面質(zhì)量要求較高的鍍鋅類(lèi)汽車(chē)板用鋼，GB/T 700—2006[3]要求鋼中Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)wSi≤0.01%。由于工藝控制原因，在鋼板國(guó)產(chǎn)化的過(guò)程中存在鋼水增硅的問(wèn)題，過(guò)量的Si不僅會(huì)降低鋼板的耐腐蝕性，而且會(huì)影響鍍鋅層的粘附性能[4]。因此，嚴(yán)格控制汽車(chē)板用鋼中的Si含量成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究人員急需解決的課題。本文對(duì)鋼板冶煉各階段Si含量的產(chǎn)生及變化情況進(jìn)行了研究，以便采取有效措施進(jìn)行控制。

1 汽車(chē)板用鋼冶煉過(guò)程各階段的增硅原因

1.1 工藝條件

2014年某鋼廠(chǎng)首次生產(chǎn)超低碳鋼熱鍍鋅IF鋼DX56D，該鋼種化學(xué)成分要求嚴(yán)格，為保證鋼的延伸率和沖擊韌性，必須保證鋼中wSi≤0.01%。

為滿(mǎn)足超低碳鋼熱鍍鋅IF鋼DX56D的質(zhì)量要求，保證各工藝環(huán)節(jié)順利，結(jié)合煉鋼廠(chǎng)的設(shè)備條件，制定了該鋼種的冶煉工藝流程為：KR鐵水預(yù)處理-頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐-RH真空精煉-連鑄，通過(guò)轉(zhuǎn)爐吹氧、RH脫氣脫碳等冶煉工藝實(shí)現(xiàn)超低碳、低硅高潔凈鋼的生產(chǎn)。此鋼種具體冶煉成分如表1所示。

表1 DX56D 鋼各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)

生產(chǎn)初期，鋼中的Si含量經(jīng)常超標(biāo)，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究試驗(yàn)，找出了鋼水增硅原因，改進(jìn)了鋼板生產(chǎn)工藝，提升了鋼板成品合格率，為低硅汽車(chē)板用鋼的生產(chǎn)積累了經(jīng)驗(yàn)。

1.2 汽車(chē)板用鋼冶煉過(guò)程各階段的增硅原因

合格熱鍍鋅IF鋼DX56D中wSi一般應(yīng)控制在0.01%以?xún)?nèi)，由于原材料中的Si在吹煉過(guò)程中都已氧化進(jìn)入渣中，鋼水在出鋼時(shí)幾乎不含Si，因此分析冶煉過(guò)程各階段的鋼水增硅原因是Si含量控制的關(guān)鍵。

1.2.1 鋼水脫氧前

超低碳鋼DX56D在轉(zhuǎn)爐的典型成分wC：0.03 %～0.04 %，wO: 0.05 %～0.07%。

鋼水在脫氧之前，其中微量的Si來(lái)自于大包渣中的SiO2，主要由以下方程式確定：

Si+O2=SiO2，ΔG0=-581 869+222T。

其中，G0為吉布斯自由能；T為反應(yīng)溫度。

對(duì)以上鋼水成分進(jìn)行計(jì)算，得出鋼水中與大包渣SiO2中wSi約為0.01%。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于大包內(nèi)襯是含有CaO的堿性材料，使得大包渣中SiO2的活度大大降低，鋼水中Si與渣中SiO2的平衡值要比0.01%低得多。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，渣中的SiO2活度與渣堿度的關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 渣中SiO2活度與渣堿度的關(guān)系

由表2數(shù)據(jù)可計(jì)算出鋼水中的Si、O與不同堿度渣的平衡含量，其計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 脫氧之前鋼水中Si、O平衡濃度

從表2中的結(jié)果可以看出，在鋼水脫氧前，鋼水中的wO大于0.01%，當(dāng)渣堿度大于2時(shí)，鋼水中的平衡wSi遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.01%，鋼水在這種情況下不會(huì)增硅。

1.2.2 鋼水脫氧后

通過(guò)1.2.1中熱力學(xué)分析可知，鋼水在脫氧之前，大包渣中的SiO2被抑制無(wú)法被還原，SiO2被還原是在鋼水加入脫氧劑Al脫氧之后，其主要的化學(xué)反應(yīng)如下：

3(SiO2)+4Al=2(Al2O3)+3Si ,ΔG0=-720 680+133T。

根據(jù)上述反應(yīng)式，鋼水中的平衡Si含量主要由渣中SiO2和Al2O3的活度以及鋼水中的Al含量所決定[7]。假定大包渣中wAl2O3為20%，不考慮其他因素對(duì)Al2O3活度的影響，設(shè)定渣中Al2O3的活度為0.2，可計(jì)算出在1 873 K時(shí)鋼水中的Al、Si與渣中CaO/SiO2的平衡關(guān)系，如圖1所示。

圖1 鋼水中的Al、Si與渣中CaO/SiO2的平衡關(guān)系曲線(xiàn)Fig.1 The balance relation curve between Al、Si in molten steel and CaO/SiO2 in slag

從圖1可以得出，鋼水增硅的驅(qū)動(dòng)力主要由渣堿度和鋼水中的Al含量決定，當(dāng)渣堿度(CaO/SiO2)小于5，鋼水中wAl>0.01%時(shí)，強(qiáng)脫氧劑就會(huì)將轉(zhuǎn)爐渣中SiO2的Si還原出來(lái)，鋼水就會(huì)增硅。鋼水脫氧后增硅的另一方面原因是，鋁丸和鈦鐵等脫氧劑中都含有少量的Si，脫氧后Si基本都進(jìn)入鋼中。

1.2.3 RH真空處理

RH真空處理前期，由于有較高的自由氧存在，鋼水中Si含量很少,通過(guò)光譜分析儀檢測(cè)wSi約為0.002%，若無(wú)其他影響因素存在，RH真空處理過(guò)程不會(huì)增硅。

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程中鋼包不可避免地會(huì)混入一定量的轉(zhuǎn)爐渣，在RH真空處理過(guò)程中，鋼水劇烈循環(huán)，鋼水與渣之間產(chǎn)生一定程度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，渣中的SiO2被鋼水中的Al、Ti強(qiáng)脫氧劑還原，造成鋼水增硅。

采用鋼包渣改質(zhì)劑(CaO-A1粉)提高鋼包渣堿度可以有效抑制鋼水增硅[8]，這是由于改質(zhì)劑中含有的堿性氧化物與SiO2有較強(qiáng)的親和力，能夠有效阻止Al、Ti等強(qiáng)脫氧劑對(duì)SiO2的還原。表4和圖2示出了加入鋼包渣改質(zhì)劑提高鋼包渣堿度對(duì)抑制鋼水增硅所產(chǎn)生的效果。

表4 鋼包渣對(duì)鋼水Si的影響

圖2 鋼包渣及改質(zhì)劑對(duì)鋼液增硅的影響Fig.2 The influence of slag and modifiers on Si composition

1.2.4 連鑄過(guò)程

在鋼板連鑄過(guò)程中，可能導(dǎo)致增硅的因素主要是中包渣和中包絕熱板[9]的材質(zhì)，材質(zhì)不同對(duì)鋼水Si含量產(chǎn)生的影響也不同，試驗(yàn)中所采用的材料及其有關(guān)成分如表5所示。

表5 試驗(yàn)中所采用的材料及其成分

對(duì)表5中的各種材料進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，得到結(jié)果如表6和圖3所示。從表6中可以看出，Si質(zhì)絕熱板所引起的中包鋼水增硅比鎂質(zhì)絕熱板大得多；不同材料的中包保護(hù)渣在引起鋼水增硅的程度上，存在蛭石大于FG5大于SPH-B775的現(xiàn)象，這是由于鎂質(zhì)絕熱板能提高鋼液的渣堿度，降低鋼液的氧化性，抑制Si的還原。

表6 中包渣和絕熱板材質(zhì)對(duì)鋼水Si含量的影響

從圖3可以看出，絕熱板的增硅影響要比中包渣更大，一方面是由于絕熱板與鋼水相互接觸，接觸面積比較大，導(dǎo)致增硅量較大；另一方面是由于中間包中設(shè)置有隔墻，鋼水與渣層之間相互隔離，并采取了擋渣措施，所以增硅量較小。

圖3 各種材料增Si情況比較Fig.3 The comparison of various materials increasing Si

2 分析討論

本文通過(guò)大量試驗(yàn)，對(duì)汽車(chē)板用鋼國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)過(guò)程中各階段的增硅原因進(jìn)行了分析研究。

(1)鋼水脫氧前，鋼水中幾乎不含Si，Si的來(lái)源SiO2存在于大包渣中，與鋼水不直接接觸。大包渣中包含的CaO堿性材料抑制了SiO2的活度，使得鋼水中的wSi低于0.01%，光譜分析儀顯示wSi約為0.002%，鋼水在這種情況下不會(huì)增硅。

(2)鋼水脫氧后增硅的原因，一是所選用的脫氧劑中都含有少量的Si，在鋼水脫氧后基本都被帶入鋼中，使鋼水增硅約0.003%；二是加入的脫氧劑將轉(zhuǎn)爐渣和耐火材料中的部分Si還原出來(lái)。為防止該階段增硅，首先應(yīng)選用wSi小于1.5%的脫氧劑，其次是采用堿性鋼包內(nèi)襯，以抑制脫氧劑對(duì)SiO2的還原。

(3)RH真空處理過(guò)程中，鋼包不可避免地會(huì)混入一定量的轉(zhuǎn)爐渣，導(dǎo)致渣中的SiO2被鋼水中的Al、Ti等強(qiáng)脫氧劑還原，造成鋼水增硅?？梢酝ㄟ^(guò)采用鋼包渣改質(zhì)劑，提高鋼包渣堿度的方法抑制鋼水增硅。

(4)鋼板連鑄過(guò)程中，導(dǎo)致鋼水增硅的因素主要是中包渣和中包絕熱板材質(zhì)，不同材料的大包渣引起鋼水增硅的程度不同，絕熱板的增硅影響要比中包渣大。應(yīng)通過(guò)選用不含Si的大包內(nèi)襯、生成高渣堿度的中包保護(hù)渣或不含Si的中包保護(hù)渣等方式減少增硅，目前主要通過(guò)使用全堿性中間包的方式，使連鑄過(guò)程中的增硅量減至最低。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前我國(guó)汽車(chē)板用鋼國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)的現(xiàn)狀，本文通過(guò)大量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼水中Si含量的增加是一個(gè)多因素復(fù)合體。雖然在Si含量控制方面還存在較多困難與不足，但是通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程各階段中影響鋼水Si含量發(fā)生變化的因素進(jìn)行分析，并采取有效措施進(jìn)行控制，能夠?qū)⒕珶?連鑄過(guò)程中鋼液增硅wSi控制在0.01%以下。

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The technical study on controlling Si content in car plate steel

XIU Da-peng1, NI Xiao-qing2, ZHANG Xin-en1

(1.Advanced Materials Institute, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China; 2.Shandong Steel Limited Corporation, Jinan 250100, China)

∶Directed against the performance degradation problem of domestic car plate steel due to increasing Si in molten steel during the smelting process, in this paper, the changes in the production of Si content in each smelting stage were studied. The influence factors of the molten steel raising Si mainly include slag basicity, and aluminum content in molten steel, tundish slag and tundish insulation material, etc. By the measures of choosing deoxidizer with Si content less than 1.5%, improving slag basicity by using the modification agent, and adopting alkali tundish, the mass fraction of molten steel increasing Si was controlled below 0.01% during the refining and continuous casting process.

∶Si content; vacuum decarburization; slag basicity

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.02.008

2016-09-06

修大鵬(1981—)，男，碩士，助理研究員，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄茉诶鋽D壓工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用、無(wú)機(jī)非金屬材料在太陽(yáng)能領(lǐng)域的利用。E-mail：xiudapeng@126.com

TG255

A

1002-4026(2017)02-0050-05