降低精炼钢钢中夹杂物的研究

2012-07-12王亚明王晓燕刘建军

大型铸锻件 2012年4期

关键词：脱氧剂硅钙钢锭

董立王亚明王晓燕高军刘建军

(内蒙古北方重工集团，内蒙古014033)

北方重工特殊钢分公司主要生产一些特殊用途的钢，如机车用曲轴钢、超高压锅炉用无缝钢管、风机主轴、核电产品用钢等特殊钢。这些特殊钢钢锭作为关键件应用于各种机械设备。因此对钢锭的质量有较高的要求。精炼钢锭的质量主要取决于钢中的夹杂物含量。

钢中夹杂物(主要是氧化物)是降低精炼钢疲劳寿命最主要的冶金因素。因此，最大限度地去除精炼钢中夹杂物或者通过夹杂物变性以降低其危害，是提高精炼钢疲劳寿命的有效途径。因此，本文结合精炼钢的生产工艺，对如何控制钢中夹杂物展开研究。

1 曲轴、风机轴、无缝钢管生产工艺流程

目前我公司重点民品钢的生产工艺流程为：50 t电弧炉(EBT)冶炼→精炼炉(LF)冶炼→真空处理(VD)→模铸→热送→锻造→退火→机械加工→无损检测。

炼钢是关键工序，精炼钢锭内部质量取决于冶炼、精炼、浇注各个环节的操作。下道工序加工出现的冷弯裂纹、无损检测夹杂物超标、钢锭缩孔、偏析等都与炼钢有关。

2 存在的质量问题

用户对特殊钢的使用性能提出了苛刻的要求，要求具备较高的疲劳强度、弹性强度、屈服强度和韧性，较高的耐磨性能，较高且均匀的硬度，一定的抗腐蚀能力。钢的冶炼水平是钢锭内在质量好坏的先决条件，钢中的氧含量、成分偏析、夹杂物数量及分布是影响产品质量的重要冶金因素。

这些要求归结到两个相关的冶金因素，即精炼钢锭的纯洁度和均匀性。当前曲轴钢、风机轴钢出现的质量问题主要集中在钢中夹杂物超标上。无缝钢管用钢主要存在冷弯裂纹问题，另外有些钢锭还存在成分偏析、钢锭缩孔问题。

钢锭内部夹杂物直接影响着精炼钢锭的无损检测合格率。对夹杂物进行电镜、能谱分析可知，内部夹杂主要是氧化物夹杂，也存在硫化物、碳化物等夹杂。而产生夹杂物的冶炼因素主要是：

(1)出钢和炉外精炼过程中向钢液加入脱氧剂时发生脱氧反应，其产物未得到及时上浮，存留在钢中，成为脱氧产物的夹杂，如图1所示。

(2)在钢水凝固过程中，硫的溶解度低时残留在钢中的硫含量较高，钢中的S与Mn反应生成MnS，MnS的直径随着凝固时间的增加而增大，如图2所示。

(3)未能上浮而存留于钢中的炉渣、耐火材料、保护渣及钢液二次氧化产物等夹杂物，形状不规则，成分和结构比较复杂，分布没有规律，且与钢液成分没有直接关系，如图3所示。

(4)钢锭浇注过程中，注温注速控制不当，脱模入炉阶段控制不当，钢锭表面易出现缩孔、裂纹等缺陷，如图4、图5所示。

图1 脱氧产物夹杂Figure 1 Inclusion of deoxidation product

图2 硫化物夹杂Figure 2 Sulphide inclusion

图3 复合夹杂物Figure 3 Duplex inclusions

图4 钢锭缩孔Figure 4 Shrinkage hole of steel ingot

图5 钢锭裂纹Figure 5 Steel ingot crack

3 结果分析与讨论

从提高钢液纯净度出发，一是减少钢中夹杂物的含量，二是控制夹杂物的化学成分，即改善夹杂物的性质和形态。

3.1 电炉冶炼终点碳的控制

电炉终点氧含量直接关系到LF精炼控制全氧的难易。而控制终点氧和终点碳是有密切联系的。控制电炉炼钢终点碳含量在于控制钢液和熔渣中的溶解氧含量，从而防止大量的铁元素氧化，避免钢中氧化物过多。

3.1.1 钢液中溶解氧含量与碳含量的关系

钢液中碳氧反应的平衡常数及标准自由能变化与温度的关系式：

[C]+[O]=(CO)

△G=-22 000-38.34T

KP=PCOW[C].W[O]

KP=1W[C]W[O]=1fc·fo·[%C]·[%O]

温度一定时，反应平衡常数Kp是定值。电弧炉冶炼过程一般认为Pco=1，若令m=[%C]·[%O]，fc·fo=1，则m=1/Kp。1 600℃时，Kp=400，m=0.002 5，m为碳氧浓度积。当碳氧反应达到平衡时，m为一常数。

常压下碳氧浓度之间的关系如图6所示。

图6 常压下碳氧浓度关系图Figure 6 The relationship chart of concentration between carbon and oxygen at atmospheric pressure

实际上m不是真正的平衡，因为碳和氧的浓度并不等于它们的活度。只有当[%C]→0时，fc·fo=1，此时m才接近平衡态。由于在炼钢过程中存在着[Fe]+[O]=[FeO]，钢中实际氧含量比碳氧平衡时氧含量高。

3.1.2 用碳控制熔池过氧化

如果电弧炉冶炼前期吹氧强度过高，炉料配碳量较低，则会使熔池中碳含量低，二次燃烧供氧量过大。熔清后升温过程的后期熔池中溶解氧的活度过高，铁氧化，造成金属收得率低，导致电弧炉熔池的过氧化。

在实际操作中为解决富氧操作造成的熔池过氧化问题，结合泡沫渣技术的应用，采用熔池喷吹碳粉。在采用富氧操作时，钢中含有过剩氧，与喷吹的碳粉发生反应，产生CO被熔渣捕获形成泡沫渣的同时，熔池中的溶解氧含量下降，继续喷吹碳粉，则钢中溶解氧的浓度接近C-O平衡曲线。

3.2 造渣制度及脱氧剂的选用

3.2.1 精炼脱氧

精炼炉操作必须做到白渣操作，采用沉淀脱氧和扩散脱氧结合的方法快速脱氧。反应式如下：

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

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

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

沉淀脱氧产物主要是氧化夹杂物Al2O3，另外有少量的其它脱氧产物。冶炼工艺的沉淀脱氧通常选用铝作为脱氧剂，但从后道工序出现的无损检测夹杂物、冷弯裂纹分析可知，钢锭产生凝固偏析是MnS夹杂物和Al2O3夹杂物造成的。为了减少Al2O3夹杂物，优化脱氧工艺，选用复合脱氧剂硅铝钡钙进行脱氧。这种碱土金属复合脱氧剂的脱氧能力强，脱硫速度快，并且可以优化成分配比生成固态低熔点易上浮的夹杂物。另外在就位加热后将粉状脱氧剂如硅铁粉、电石等加入渣面进行脱氧，由于脱氧是在钢渣界面上进行，其产物进入炉气或被炉渣吸收，不会污染钢液。

3.2.2 精炼脱硫

采用碱性白渣脱硫工艺，其反应式如下：

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

硫化物夹杂主要来源于硫与钢中硫化物形成元素Ca、Fe、Mn等的化学反应。其中，MnS的危害较大，为减少MnS夹杂物含量，待曲轴、风机轴、无缝钢管钢中硫含量降至内控要求范围时添加锰铁合金调整Mn含量。

特殊钢精炼过程中脱硫情况见表1。

脱硫能力取决于渣中的碱度和渣中FeO含量，高碱度、低FeO含量有利于脱硫反应的进行，要求造渣过程中加入白灰，以保证渣的碱度，将硫降低至目标范围之内。

表1 曲轴钢精炼过程中脱硫情况(质量分数，%)Table 1 The desulfurization situation during refining process of crankshaft steel (mass fraction,%)

3.3 内生夹杂物的去除

高熔点脱氧产物Al2O3在炼钢温度下呈固态且体积较小，在炼钢过程中不易上浮长大，造成钢中Al2O3夹杂物偏高，至使锻件检测不合格。

因此，净化钢液及改变钢中夹杂物形态、尺寸和分布量是改善产品质量的重要手段。内生夹杂物的去除手段主要有夹杂物球化处理和氩气弱搅拌。

3.3.1 球化处理

钙使钢液脱氧的同时还能与溶于钢中的硫反应，降低钢中硫化物的溶解度。钙的沸点为1 492℃，密度仅为钢液的1/5，在炼钢温度下，钙不仅会漂浮在熔渣表面，而且会很快被气化。硅可以降低钙的活性，又是良好的脱氧剂。因此，采用硅钙合金对钢中夹杂物进行变性处理。将Al2O3和MnS变为球状mCaO·nAl2O3和CaS，这类夹杂物有利于聚集长大和上浮，以消除夹杂物的不良影响。

当前在真空系统下，加入硅钙块反应激烈，但硅钙块密度小，漂浮在熔渣表面，效果不稳定。若采用喂线机加入硅钙线(用铁皮包裹的硅钙粉)，通过钢渣插入钢液中，硅钙合金快速熔于钢液中，对钢中夹杂物进行变性处理，效果会更好。

3.3.2 软吹时间控制

精炼过程中添加合金、渣料时需要强搅拌，循环过程中必然会带入夹杂及卷渣，由于钢包较深，钢液循环需要一定时间上浮。

根据钢中氧含量与夹杂物的数量关系，可以得出以下关系式：

M=Moexp[-SV49gημ2(ρ2-ρ1)t]

(1)

式中，M——t时刻夹杂物的数量；Mo——初始夹杂物数量；S——钢水面积，单位为m2；V——钢水体积，单位为m3；g——重力加速度，单位为m/s；η——粘度系数，单位为kg·s；μ——夹杂物直径，单位为m；ρ1——1 600℃时钢水密度；ρ2——1 600℃时熔渣的密度。

公式(1)表示了钢液中夹杂物含量与初始夹杂物数量、钢渣界面面积、钢液容积、钢液粘度系数、夹杂物直径、夹杂物上浮时间等参数之间的关系。按照现有设备及有关资料数据，取钢液深度为1.85 m，钢包直径为1.25 m，钢包近似为直筒型，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)

对式(2)作图得软吹时间与钢中夹杂物去除率的关系曲线(图7)。

图7 软吹时间与钢中夹杂物去除率的关系Figure 7 The relation between soft blow time and removal rate of steel inclusion

从图7可以看出，当软吹时间达到15 min时，夹杂物去除率可以达到80%，吹氩气超过15 min后夹杂物去除速度明显降低，但随着软吹时间的延长。夹杂物数量继续减少，达到40 min时98%的夹杂物都被去除。考虑到具体生产工艺和生产调度，VD后的软吹时间保持在15 min以上，保证脱氧夹杂物有充分时间上浮。