ER70S-G 高鈦焊絲鋼LF 爐冶煉工藝優(yōu)化

胡井濤， 王 顯， 崔寶民

（1.河鋼樂亭鋼鐵有限公司， 河北 唐山 063016；2.河鋼唐山鋼鐵有限公司技術(shù)中心，河北 唐山 063016）

含鈦高強(qiáng)焊絲鋼具備優(yōu)良的熔敷性和低飛濺性，可適應(yīng)高能率化和高效率化焊接技術(shù)要求，與利用大量鎳、鉬等元素合金化的同等級別產(chǎn)品相比，具有明顯的成本優(yōu)勢，近年來在高強(qiáng)鋼氣體保護(hù)焊領(lǐng)域得到了廣泛的推廣應(yīng)用，市場需求量逐年增加[1]。國內(nèi)外含鈦合金焊絲鋼一般采用模鑄或大方坯工藝生產(chǎn)，工序流程長、成材率低、生產(chǎn)成本高，連鑄小方坯生產(chǎn)工藝正逐步興起，但澆鑄過程生成鋁鈦的氧化物，易結(jié)瘤，產(chǎn)生高熔點脆性夾雜是冶煉澆鑄面臨的問題，優(yōu)化LF 爐冶煉工藝，進(jìn)行夾雜物控制顯得尤為重要。

1 鋁鈦競爭氧化熱力學(xué)分析

LF 鋼液化學(xué)成分如表1 所示，計算所用的活度相互作用系數(shù)如表2 所示[3]。

表1 ER70S-G 化學(xué)成分 %

表2 各元素活度相互作用系數(shù)（1 873 K）

1.1 Ti-O 間熱力學(xué)計算

鈦是一種具有不同價態(tài)的強(qiáng)脫氧元素，鋼液中的[Ti]與[O]可生成多種氧化物，按價態(tài)由低到高分別為TiO、Ti2O3和TiO2[2]。

在T=1 873 K 時，不同鈦氧化物的ΔrG與鋼中[O]的關(guān)系曲線如圖1 所示，在相同的氧含量下，鈦氧化物的穩(wěn)定性由大到小依次：ΔrGTi2O3>ΔrGTiO2>ΔrGTiO。

圖1 1 873 K 下不同鈦氧化物的與w([O])的關(guān)系曲線

1.2 Ti-O-Al 系中Ti 與Al 的競爭氧化

鋁、鈦同時存在鋼液中時，兩者之間競爭氧化，其化學(xué)反應(yīng)式如式（5）所示[4]。

當(dāng)競爭氧化反應(yīng)達(dá)到平衡時，即ΔrG=0 時，m[Ti]/m[Al]=7.69。

當(dāng)m[Ti]/m[Al]＞7.69 時，ΔrG＞0 反應(yīng)逆向進(jìn)行，在競爭氧化中Ti 占優(yōu)；反之，Al 占優(yōu)。

調(diào)整m[Ti]/m[Al]，在掃描電鏡下分析夾雜物類型和成分，對鋼樣中的夾雜物進(jìn)行統(tǒng)計，夾雜物統(tǒng)計結(jié)果如表3 所示，當(dāng)10.8＜m[Ti]/m[Al]＜16.7 時，開始有Ti2O3含量相對較多（含w（Ti2O3）=55%），Al2O3-Ti2O3夾雜出現(xiàn)。

表3 夾雜物統(tǒng)計結(jié)果

圖2 Al2O3-Ti2O3 二元相圖

從Al2O3-Ti2O3二元相圖（見圖2），可以直觀的看出，當(dāng)w（Al2O3）在46.4%（w（Ti2O3）為53.6%）左右時，Al2O3-Ti2O3復(fù)合夾雜的熔點最低。m[Ti]/m[Al]控制在10.8～16.7 形成夾雜物熔點較低，有利于鋼水澆鑄。

m[Ti]/m[Al]控制目標(biāo)10.8～16.7，[Ti]具有競爭性，與鋼水中的氧化物進(jìn)行反應(yīng)，生成難熔的鈦的氧化物。由此，鈦合金化前降低鋼水氧活度和氧化性，保證鋼水潔凈度，縮短鈦加入后至澆鑄時間，控制低[Al]量，對抑制過多鈦的氧化物生成，控制鈦鋁氧化物形式，保證可澆性顯的尤為重要。

2 LF 爐工藝優(yōu)化

2.1 鋁含量控制應(yīng)用分析優(yōu)化

按照m[Ti]/m[Al]控制目標(biāo)10.8～16.7，成品鈦目標(biāo)0.16%計，則鋁控制范圍為（96～148）×10-6。[Ti]在鋼水中極易被氧化，置換出[Al]，鋼水中鋁含量增加，為保證澆鑄過程鈦的合標(biāo)性，考慮綜合成本，出站w（[Ti]）控制范圍0.19%～0.23%，鈦合金化前鋼水中酸溶鋁[Als]控制范圍為（50～130）×10-6。

加鈦后鋼水夾雜物類型：Al2O3-Ti2O3-MgO。

鈦含量相對穩(wěn)定，MgO 夾雜物生成主要受鋁含量影響，鋁含量高會造成MgO 夾雜物多。表4 為鈦前w（[Al]）為（50～80）×10-6和（80～120）×10-6夾雜物情況，鈦前[Al]為（50～80）×10-6優(yōu)于高鋁狀況。

表4 鈦前w([Al])后夾雜物成分、類型對比

2.2 LF 脫氧造渣應(yīng)用分析優(yōu)化

受轉(zhuǎn)爐終點氧、爐渣氧化性等因素影響，實際生產(chǎn)中LF 進(jìn)站鋁控制精準(zhǔn)度差，難以達(dá)到鈦合金化之前鋼水活度氧和酸溶鋁控制目標(biāo)，需要LF 化渣過程加入鋁粉進(jìn)行造渣，過程進(jìn)行加鋁脫氧調(diào)整。為促進(jìn)鋁氧化夾雜物上浮去除，制定了在精煉前期進(jìn)行。

鋁脫氧后，渣中Al2O3含量增加，精煉渣流動性增加，表面張力降低，脫氧、脫硫效果降低，精煉渣堿度從2.0～2.2 升高至2.5～3.0，達(dá)到鈦合金化前脫氧脫硫作用。改進(jìn)后典型爐次精煉渣主要成分變化情況見表5。

表5 改進(jìn)前后LF 精煉過程渣樣成分 %

脫氧造渣的改進(jìn)使鈦前精煉渣w（MnO+FeO）降低至0.43%，鈦合金化后w（MnO+FeO）為0.41%，降低了鈦的氧化性。

2.3 鈦合金化應(yīng)用優(yōu)化

生產(chǎn)初期采用70%鈦鐵進(jìn)行鈦合金化，由于其鋁、氮含量高，鈦收得率低，不利于鈦控制，故改用低鋁低氮鈦鐵包芯線，鈦線直接喂入鋼水，與鋼渣接觸小，避免了加入鈦合金的鋼水?dāng)嚢柙斐射撍窝趸?，有效提高了鈦鋁的穩(wěn)定控制。表6 為成分對標(biāo)，圖3 為使用前后對比。從圖中可以看出，與鈦鐵相比，使用鈦線鈦收得率高，增氮、增鋁量低。

表6 鈦鐵、鈦線典型成分對比

圖3 鈦鐵、鈦線應(yīng)用效果對比

3 鋼水夾雜物控制優(yōu)化效果

化渣過程加入鋁粉進(jìn)行造渣，過程加鋁脫氧調(diào)整，加鈦前控鋁（50～80）×10-6，同時控制精煉渣堿度2.5～3.0，采用低氮低鋁鈦線代替鈦鐵，鋼水可澆性顯著改進(jìn)，典型爐次夾雜物情況對比如下：

3.1 夾雜物尺寸對比

優(yōu)化前后典型爐次夾雜物平均尺寸變化情況見表7，優(yōu)化后夾雜物平均尺寸明顯降低。

表7 優(yōu)化前后LF 精煉過程夾雜物平均尺寸變化 μm

3.2 夾雜物數(shù)量對比

優(yōu)化前后典型爐次夾雜物數(shù)量對比情況見表8，改進(jìn)后夾雜物數(shù)量明顯減少。

表8 優(yōu)化前后典型爐次夾雜物數(shù)量（當(dāng)量直徑5 μm 夾雜物）個數(shù) 個/mm2

3.3 夾雜物成分情況對比

優(yōu)化前后鋼水中夾雜物總體類型相同，從LF 化渣、加鈦前到加鈦后依次轉(zhuǎn)變?yōu)椋篈l2O3-MnO-SiO2→Al2O3-MgO→Al2O3-Ti2O3-MgO。形貌對比見圖4。

3.4 夾雜物熔點情況對比

優(yōu)化前后典型爐次鋼水中夾雜物熔點情況見圖5，由圖5 可見，優(yōu)化前夾雜物熔點在高熔點區(qū)比例較大，熔點較高；優(yōu)化后夾雜物熔點集中在1 600 ℃以下，熔點較低。

圖4 改進(jìn)前后典型爐次加鈦后夾雜物形貌對比

圖5 優(yōu)化前后夾雜物成分、熔點變化

4 結(jié)論

本文通過熱力學(xué)計算得出高鈦焊絲鋼冶煉過程中鈦的氧化物存在形式Ti2O3最穩(wěn)定，[Ti] 具有競爭性，與鋼水中的氧化物進(jìn)行反應(yīng)，生成難熔的鈦的氧化物。m（[Ti]）/m（[Al]）控制在10.8～16.7 時，生成鋁鈦氧化物，熔點降低，有利于提高可澆性。

通過加鈦前控鋁（50～80）×10-6，同時控制精煉渣堿度2.5～3.0，采用低氮低鋁鈦線代替鈦鐵，等工藝優(yōu)化連鑄平臺夾雜物尺寸3 μm，當(dāng)量直徑5 μm 夾雜物0.9 個/mm2，夾雜物熔點集中在1 600 ℃以下，保證了可澆性，連澆爐數(shù)達(dá)到8 爐。