精炼控钛工艺优化与实践

2022-01-24赵梓云费运通

山西冶金 2021年5期

周伟，赵梓云，武剑，任涛，费运通

（日照钢铁控股集团有限公司，山东日照 276806）

日照钢铁控股集团有限公司（以下简称日钢）连铸产线含钛钢种主要应用在汽车钢、耐候钢等钢种生产中，随着汽车钢、耐候钢的开发和冶炼技术成熟，其产量由最初的几千吨上升到目前每月十几万吨，其他含钛钢种的产量也在逐步提高，且随着产品的开发及升级，含钛钢种的种类及产量都不断在刷新，目前钢水加钛合金主要在LF炉进行，LF冶炼过程加钛合金存在收得率偏低、钢水Ti不稳定情况，成品钛含量多次出现超出分厂内控，直接影响品种钢的性能，通过工艺攻关和改进，不断优化冶炼工艺过程，最终使钢水Ti稳定控制，本文着重研究高强度汽车大梁钢（RE700L）与耐候钢（SPA-H）的精炼钛控制工艺及优化。

1 钛元素的元素特性

钛元素位于元素周期表中ⅣB族,对于钛含量较高的钢种，轧制中形变诱导析出的TiC可通过阻止奥氏体晶粒长大而细化铁素体晶粒，而冷却和卷曲过程中析出的TiC具有较强的沉淀强化作用[1]。钛元素金属活动性强于硅、铝，其单质熔点（1 660±10）℃，70Ti钛铁熔点为1 580℃左右，在钢水冶炼中算高熔点的合金物料，而且其具有极活泼的元素性质易被氧化，所以Ti铁在精炼过程的添加工艺与普通合金区别较大。

2 影响钢水钛元素收得率因素分析

2.1 钢水温度与钛元素收得率关系

日钢生产高强度汽车大梁钢（RE700L）与耐候钢（SPA-H）所使用钛合金为70钛铁，70钛铁熔点为1 580℃左右，而汽车钢、耐候钢因液相线比较低，例如耐候液相线温度1 521℃，浇铸温度在1 535～1 545℃，精炼过程温度一般不超过1 600℃，统计不同温度下钛合金加入情况如表1。

表1 钢水不同温度加钛合金结坨情况

通过统计可以看出温度对钛铁合金收得率影响较大，钢水温度大于1 580℃钛铁合金不易结坨，有助于钛铁收得率的提高，因此选择合适的钛铁加入时机至关重要。

2.2 钢水中铝元素与钛元素收得率关系

由于Ti元素极活泼的金属元素特性，极易被钢水中的[O]所氧化，而钢中Als的含量能侧面反应钢中[O]的含量，统计钢水Als与Ti含量关系（见图1）。

图1 钢水w（Als）与钢水中w（Ti）关系

同等量的钛铁加入钢水时，Als含量越高钢水中Ti越高，Ti的收得率越高。通过统计发现钢水w（Als）≥0.030%，Ti回收率73.8%；w（Als）≤0.025%，Ti回收率只有67.75%。其主要原因为当钢中w（Als）＜0.030%时钢中平衡[O]含量较高，且加入钛铁后需要钢水大氩气搅拌，钢水易吸氧造成钢中Ti元素氧化，若提高钢中Als含量可有效防止Ti的氧化。

2.3 钢水中氮元素与钛元素收得率的关系

由于Ti元素活泼的化学性质，其与钢中[N]元素的亲和能力很强。在高温下，Ti与N结合形成稳定的TiN第二相粒子[3]。影响Ti的收得率。

钢水增氮严重，钢中[N]与Ti发生反应，生成TiN，统计前期耐候钢（SPA-H）钢水[N]不同时将w（Ti）配至0.035%对应加入钛铁量如表2所示。

表2 钢水不同氮含量加钛铁量

对于不同钢水氮含量，按照同一目标加钛，[N]含量较高炉次，钛铁消耗明显增加。LF钢水精炼过程需控制增氮。

2.4 炉渣与钛元素收得率关系

在LF炉精炼过程中，造白渣工艺的控制是极为关键的，直接关系到LF炉还原精炼的效果[2]。而精炼炉渣氧化性是衡量精炼炉渣脱氧情况的一项重要指标，炉渣脱氧不完全，钛元素与渣中氧反应，对钛铁收得率影响很大，统计加钛前后炉渣数据如表3、表4，加钛前炉渣中w（TiO2）平均为0.61%，加钛后w（TiO2）达到1.93%，炉渣氧化性越高Ti的氧化越严重，在w（FeO+MnO）≤1%时炉渣氧化性较弱，对钛元素收得率较好。

表3 加钛前渣样数据

表4 加钛后渣样数据

3 精炼过程钛控制工艺优化

根据影响钢水钛元素收得率因素，对精炼钛控制工艺进行优化。

3.1 耐候钢等低钛钢种控钛工艺优化

以耐候钢为例的低钛品种钢中钛元素含量一般在0.025%～0.045%左右，因其钛含量不高，合金添加量较小，采用BOF-LF-CC单联工艺，LF精炼过程中要求钛铁在最后一次脱硫大搅后加入，加入后搅拌2～3min，并送电1min以上，保证合金充分熔化，对于耐候钢等液相线较低钢种，加钛前温度控制≥1580℃；对于低硅含钛钢等液相线较高钢种，加Ti前温度控制≥1 595℃；加钛前控制炉渣w（FeO+MnO）≤1%，保证炉渣脱氧完全；加钛时控制钢中w（Als）介于0.030%～0.040%之间；通过调整精炼冶炼过程除尘开度，保持炉盖除尘微正压状态，防止钢水吸氮，目前耐候钢钛收得率稳定在73%，钛含量合格率达100%。

3.2 高强度汽车大梁钢控钛工艺优化

汽车大梁钢（RE700L）成分如表5所示。

表5 汽车大梁钢成分

因汽车大梁钢特殊的性能要求，钛含量较高，在0.100%～0.120%之间，且对钢水氮含量及纯净度要求较高，采用BOF-LF-RH-CC双联工艺，由于加入钛合金量较大，考虑两种钛合金加入方案，方案一LF精炼冶炼终点加入部分钛合金，RH精炼补足剩余钛合金至满足钢水钛成分要求；方案二LF精炼不加钛合金，RH精炼将钛合金补足至满足钢水钛成分要求。汽车大梁钢w（Ti）目标控制为0.110%合金加入量及钛合金收得率统计如表6。

表6 两种钛合金加入方案对比

由于RH真空处理大部分反应发生在真空室中，仅有少量炉渣参与，且钢水循环处理过程中处于真空状态，不仅有利于钢水脱氮，而且几乎没有空气吸氧对钛烧损，同时为满足RH真空循环过程，RH炉钢水到站温度一般大于1 600℃，真空循环过程中温度通常大于1 580℃，可完全解决钛铁合金结坨情况，通过控制钢液中铝含量优化过程操作，真空室第一次使用钛收得率可达93%，真空室连续使用时钛铁收得率可稳定在98%，相较LF炉单联法钛铁收得率提高20%～25%。