RH软吹时间对钢水中夹杂物行为的影响

2022-08-19许用会史进强王现周

河南冶金 2022年1期

周丹许用会史进强王现周

（河北钢铁集团邯郸钢铁公司）

0 引言

钢中的非金属夹杂物破坏了钢基体的致密性和连续性，对钢的各项性能均有不利影响。因此，提高钢水的洁净度，尽可能降低钢水中夹杂物的含量就显得非常重要。钢包软吹对钢水的洁净度有至关重要的影响，能有效去除钢中的夹杂物。有关钢包软吹对钢水中夹杂物去除的研究多为数值模拟和水模型方面的研究，因此笔者利用大样电解法对不同软吹时间下夹杂物的去除效果进行了研究，为优化软吹时间提供了数据支撑。

1 研究方法

1.1 生产工艺概况

实验选取的钢种为轴承钢，其生产工艺流程为铁水预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→软吹→连铸，化学成分见表1。转炉主要进行脱磷、脱碳并在出钢过程中完成合金化；LF通过白渣精炼，进行脱氧、脱硫和夹杂物去除，同时全程底吹氩；RH主要是在真空条件下进行脱氢、脱氮，随后对钢包底部软吹氩，进一步促进夹杂物上浮、去除，提高钢水的洁净度，防止水口堵塞；连铸过程实施全程保护浇注。

表1 化学成分（质量分数）

1.2 取样及分析方法

为分析不同软吹时间下，钢中全氧质量分数及钢中夹杂物尺寸、含量、成分的变化，在RH破空后的软吹阶段，每隔5 min从钢包中取气体样和大样电解试样。

采用氮氧分析仪分析测定钢中总氧含量。同时，将所取试样进行大样电解试验，以分析钢中夹杂物含量的变化，采用扫描电镜对夹杂物的成分进行分析，为炼钢过程夹杂物的控制提供指导。

2 实验结果分析与讨论

2.1 软吹时间对钢中全氧及钢水温度的影响

软吹过程中钢中全氧含量的变化如图1所示。随着软吹时间的延长，钢中全氧含量逐步降低，在软吹10～20 min时，下降最快。软吹时间20 min以后，钢中全氧含量降至10×10-6以下；软吹时间25 min后，钢中全氧含量略有上升趋势。

图1 软吹过程钢中T[O]含量变化

软吹过程中钢水温度的变化如图2所示。钢水温度随软吹时间的增加而逐渐下降。当软吹时间为20 min时，钢水温度由破空后的1 551 ℃降至1 528 ℃左右，软吹过程平均温降为1 ℃/min。

图2 软吹过程钢水温度的变化

综上所述，增加软吹时间，可进一步去除钢水中的氧含量，同时也会引起钢水温度的降低，对后续浇注可能会产生不利的影响，因此软吹时间不宜过长。

2.2 软吹时间对夹杂物总量的影响

软吹过程中夹杂物总量的变化如图3所示。随着软吹时间的延长，钢中夹杂物的总量逐渐减小。破空后夹杂物总量为97.88 mg/10 kg，软吹30 min后夹杂物总量降至8.91 mg/10 kg，夹杂物去除效果显著，去除率达90.9%。

图3 夹杂物总量随软吹时间的变化

夹杂物去除量及去除率随软吹时间的变化如图4所示。前20 min夹杂物去除量较大，破空至软吹10 min时夹杂物去除量为33.86 mg/10 kg，尤其是尺寸＞300 μm的夹杂物的去除效果显著。20 min后，夹杂物的去除效果减缓，尤其软吹时间为25～30 min时，夹杂物去除量仅为2.97 mg/10 kg。

图4 夹杂物去除率随软吹时间的变化

软吹过程钢中夹杂物粒度分布的变化情况见表2。随着软吹时间的延长，＞300 μm的大尺寸夹杂物有明显的下降趋势；而＜80 μm的小尺寸夹杂物稍有波动，变化不大。在软吹20 min后钢中没有出现＞300 μm的夹杂物，这说明软吹时间超过20 min以后，钢中出现超大夹杂物超标的风险大大降低。

表2 夹杂物粒径分布情况

根据Stokes式[1-2]，夹杂物颗粒从深度为H的钢液或铁液匀速上浮到表面所用的时间t为：

式中，H——夹杂物的高度，m；η——钢水的黏度，Pa·s；Δρ——夹杂物密度与钢液密度的差，kg/m3；d——夹杂物的直径，m；ν——夹杂物上浮速度，m/s。由式（1）可知，直径为80 μm的夹杂物的上浮时间是直径为300 μm夹杂物的14倍。因此，小尺寸的夹杂物上浮需要更长的时间。

由此可见，软吹20 min时大型夹杂物基本上浮，此时钢中全氧含量在10×10-6以下，满足后续轴承钢的生产。此外，在不影响生产节奏匹配的情况下，适当延长软吹时间可以更加有效地去除钢中的夹杂物。

2.3 不同软吹时间下夹杂物形貌和成分分析

破空后钢中各尺寸夹杂物的形貌如图5所示。夹杂物按形貌主要分为球状夹杂及不规则块状夹杂。尺寸大于140 μm的夹杂物主要以球状为主；尺寸小于140 μm，尤其小于80 μm的夹杂物主要以块状为主。

图5 破空后钢中夹杂物形貌

软吹30 min后钢中各尺寸夹杂物的形貌如图6所示。软吹30 min后，钢中大尺寸夹杂物基本上浮，未找到大于140 μm的夹杂物。小于140 μm的夹杂物形貌主要为透明或半透明的不规则块状。

图6 软吹30 min后钢中夹杂物形貌

典型夹杂物成分信息如图7所示。经扫描电镜分析，球状夹杂主要为铝硅钙复合夹杂物，其来源为氧化铝与渣中氧化钙、氧化硅生成的复合化合物[3-5]。在扫描电镜下，在多数球状夹杂物上可看到棱角鲜明的镁铝尖晶石，其为氧化铝与渣中氧化镁和包衬带入的氧化镁复合生成的硬脆性夹杂物，在冶炼过程中被铝酸钙夹杂物所裹挟。此类球状夹杂物在轧制过程中不易变形，容易造成应力集中，形成裂纹源，从而影响轴承钢疲劳寿命。本次实验发现，在软吹20 min后大尺寸球状夹杂物基本去除，因此小于140 μm的少数球状夹杂物是影响轴承钢疲劳寿命的制约因素。块状夹杂物的成分主要为硅铝酸盐，还有一些为氧化铝和氧化硅；其尺寸基本在50～300 μm，尺寸范围较大。此类块状夹杂物主要由脱氧产物与钢包渣相互复合而成。大尺寸块状夹杂物在软吹初期基本上浮，在软吹30 min后，小尺寸块状夹杂物大部分也已上浮。钢中夹杂物以铝硅钙复合夹杂物和硅铝酸盐夹杂物为主，夹杂物类型随软吹时间的增加变化不大。

3 应用效果

根据上述实验结果分析，软吹20 min以后，钢中全氧含量降至10×10-6以下；在软吹20 min时大型夹杂物基本上浮，满足轴承钢的生产。因此，为实现高效化生产，可将软吹时间由25～30 min调整至20～25 min。为验证实验结果的准确性，对相关工艺进行优化，并对优化前后的生产数据进行了统计分析，优化前的数据共统计759炉，优化后的数据共统计376炉。工艺优化后，软吹时间在25 min以内的比例由原来的36%提升至87%，夹杂物合格率由98.8%变为98.7%，变化不大。此外，由于软吹时间缩短，温降减小，高效化显著，综合创效2 元/t。