降低精煉鋼鋼中夾雜物的研究

董 立 王亞明 王曉燕 高 軍 劉建軍

(內蒙古北方重工集團，內蒙古014033)

北方重工特殊鋼分公司主要生產一些特殊用途的鋼，如機車用曲軸鋼、超高壓鍋爐用無縫鋼管、風機主軸、核電產品用鋼等特殊鋼。這些特殊鋼鋼錠作為關鍵件應用于各種機械設備。因此對鋼錠的質量有較高的要求。精煉鋼錠的質量主要取決于鋼中的夾雜物含量。

鋼中夾雜物(主要是氧化物)是降低精煉鋼疲勞壽命最主要的冶金因素。因此，最大限度地去除精煉鋼中夾雜物或者通過夾雜物變性以降低其危害，是提高精煉鋼疲勞壽命的有效途徑。因此，本文結合精煉鋼的生產工藝，對如何控制鋼中夾雜物展開研究。

1 曲軸、風機軸、無縫鋼管生產工藝流程

目前我公司重點民品鋼的生產工藝流程為：50 t電弧爐(EBT)冶煉→精煉爐(LF)冶煉→真空處理(VD)→模鑄→熱送→鍛造→退火→機械加工→無損檢測。

煉鋼是關鍵工序，精煉鋼錠內部質量取決于冶煉、精煉、澆注各個環(huán)節(jié)的操作。下道工序加工出現(xiàn)的冷彎裂紋、無損檢測夾雜物超標、鋼錠縮孔、偏析等都與煉鋼有關。

2 存在的質量問題

用戶對特殊鋼的使用性能提出了苛刻的要求，要求具備較高的疲勞強度、彈性強度、屈服強度和韌性，較高的耐磨性能，較高且均勻的硬度，一定的抗腐蝕能力。鋼的冶煉水平是鋼錠內在質量好壞的先決條件，鋼中的氧含量、成分偏析、夾雜物數(shù)量及分布是影響產品質量的重要冶金因素。

這些要求歸結到兩個相關的冶金因素，即精煉鋼錠的純潔度和均勻性。當前曲軸鋼、風機軸鋼出現(xiàn)的質量問題主要集中在鋼中夾雜物超標上。無縫鋼管用鋼主要存在冷彎裂紋問題，另外有些鋼錠還存在成分偏析、鋼錠縮孔問題。

鋼錠內部夾雜物直接影響著精煉鋼錠的無損檢測合格率。對夾雜物進行電鏡、能譜分析可知，內部夾雜主要是氧化物夾雜，也存在硫化物、碳化物等夾雜。而產生夾雜物的冶煉因素主要是：

(1)出鋼和爐外精煉過程中向鋼液加入脫氧劑時發(fā)生脫氧反應，其產物未得到及時上浮，存留在鋼中，成為脫氧產物的夾雜，如圖1所示。

(2)在鋼水凝固過程中，硫的溶解度低時殘留在鋼中的硫含量較高，鋼中的S與Mn反應生成MnS，MnS的直徑隨著凝固時間的增加而增大，如圖2所示。

(3)未能上浮而存留于鋼中的爐渣、耐火材料、保護渣及鋼液二次氧化產物等夾雜物，形狀不規(guī)則，成分和結構比較復雜，分布沒有規(guī)律，且與鋼液成分沒有直接關系，如圖3所示。

(4)鋼錠澆注過程中，注溫注速控制不當，脫模入爐階段控制不當，鋼錠表面易出現(xiàn)縮孔、裂紋等缺陷，如圖4、圖5所示。

圖1 脫氧產物夾雜Figure 1 Inclusion of deoxidation product

圖2 硫化物夾雜Figure 2 Sulphide inclusion

圖3 復合夾雜物Figure 3 Duplex inclusions

圖4 鋼錠縮孔Figure 4 Shrinkage hole of steel ingot

圖5 鋼錠裂紋Figure 5 Steel ingot crack

3 結果分析與討論

從提高鋼液純凈度出發(fā)，一是減少鋼中夾雜物的含量，二是控制夾雜物的化學成分，即改善夾雜物的性質和形態(tài)。

3.1 電爐冶煉終點碳的控制

電爐終點氧含量直接關系到LF精煉控制全氧的難易。而控制終點氧和終點碳是有密切聯(lián)系的?？刂齐姞t煉鋼終點碳含量在于控制鋼液和熔渣中的溶解氧含量，從而防止大量的鐵元素氧化，避免鋼中氧化物過多。

3.1.1 鋼液中溶解氧含量與碳含量的關系

鋼液中碳氧反應的平衡常數(shù)及標準自由能變化與溫度的關系式：

[C]+[O]=(CO)

△G=-22 000-38.34T

KP=PCOW[C].W[O]

KP=1W[C]W[O]=1fc·fo·[%C]·[%O]

溫度一定時，反應平衡常數(shù)Kp是定值。電弧爐冶煉過程一般認為Pco=1，若令m=[%C]·[%O]，fc·fo=1，則m=1/Kp。1 600℃時，Kp=400，m=0.002 5，m為碳氧濃度積。當碳氧反應達到平衡時，m為一常數(shù)。

常壓下碳氧濃度之間的關系如圖6所示。

圖6 常壓下碳氧濃度關系圖Figure 6 The relationship chart of concentration between carbon and oxygen at atmospheric pressure

實際上m不是真正的平衡，因為碳和氧的濃度并不等于它們的活度。只有當[%C]→0時，fc·fo=1，此時m才接近平衡態(tài)。由于在煉鋼過程中存在著[Fe]+[O]=[FeO]，鋼中實際氧含量比碳氧平衡時氧含量高。

3.1.2 用碳控制熔池過氧化

如果電弧爐冶煉前期吹氧強度過高，爐料配碳量較低，則會使熔池中碳含量低，二次燃燒供氧量過大。熔清后升溫過程的后期熔池中溶解氧的活度過高，鐵氧化，造成金屬收得率低，導致電弧爐熔池的過氧化。

在實際操作中為解決富氧操作造成的熔池過氧化問題，結合泡沫渣技術的應用，采用熔池噴吹碳粉。在采用富氧操作時，鋼中含有過剩氧，與噴吹的碳粉發(fā)生反應，產生CO被熔渣捕獲形成泡沫渣的同時，熔池中的溶解氧含量下降，繼續(xù)噴吹碳粉，則鋼中溶解氧的濃度接近C-O平衡曲線。

3.2 造渣制度及脫氧劑的選用

3.2.1 精煉脫氧

精煉爐操作必須做到白渣操作，采用沉淀脫氧和擴散脫氧結合的方法快速脫氧。反應式如下：

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

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

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

沉淀脫氧產物主要是氧化夾雜物Al2O3，另外有少量的其它脫氧產物。冶煉工藝的沉淀脫氧通常選用鋁作為脫氧劑，但從后道工序出現(xiàn)的無損檢測夾雜物、冷彎裂紋分析可知，鋼錠產生凝固偏析是MnS夾雜物和Al2O3夾雜物造成的。為了減少Al2O3夾雜物，優(yōu)化脫氧工藝，選用復合脫氧劑硅鋁鋇鈣進行脫氧。這種堿土金屬復合脫氧劑的脫氧能力強，脫硫速度快，并且可以優(yōu)化成分配比生成固態(tài)低熔點易上浮的夾雜物。另外在就位加熱后將粉狀脫氧劑如硅鐵粉、電石等加入渣面進行脫氧，由于脫氧是在鋼渣界面上進行，其產物進入爐氣或被爐渣吸收，不會污染鋼液。

3.2.2 精煉脫硫

采用堿性白渣脫硫工藝，其反應式如下：

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

硫化物夾雜主要來源于硫與鋼中硫化物形成元素Ca、Fe、Mn等的化學反應。其中，MnS的危害較大，為減少MnS夾雜物含量，待曲軸、風機軸、無縫鋼管鋼中硫含量降至內控要求范圍時添加錳鐵合金調整Mn含量。

特殊鋼精煉過程中脫硫情況見表1。

脫硫能力取決于渣中的堿度和渣中FeO含量，高堿度、低FeO含量有利于脫硫反應的進行，要求造渣過程中加入白灰，以保證渣的堿度，將硫降低至目標范圍之內。

表1 曲軸鋼精煉過程中脫硫情況(質量分數(shù)，%)Table 1 The desulfurization situation during refining process of crankshaft steel (mass fraction,%)

3.3 內生夾雜物的去除

高熔點脫氧產物Al2O3在煉鋼溫度下呈固態(tài)且體積較小，在煉鋼過程中不易上浮長大，造成鋼中Al2O3夾雜物偏高，至使鍛件檢測不合格。

因此，凈化鋼液及改變鋼中夾雜物形態(tài)、尺寸和分布量是改善產品質量的重要手段。內生夾雜物的去除手段主要有夾雜物球化處理和氬氣弱攪拌。

3.3.1 球化處理

鈣使鋼液脫氧的同時還能與溶于鋼中的硫反應，降低鋼中硫化物的溶解度。鈣的沸點為1 492℃，密度僅為鋼液的1/5，在煉鋼溫度下，鈣不僅會漂浮在熔渣表面，而且會很快被氣化。硅可以降低鈣的活性，又是良好的脫氧劑。因此，采用硅鈣合金對鋼中夾雜物進行變性處理。將Al2O3和MnS變?yōu)榍驙頼CaO·nAl2O3和CaS，這類夾雜物有利于聚集長大和上浮，以消除夾雜物的不良影響。

當前在真空系統(tǒng)下，加入硅鈣塊反應激烈，但硅鈣塊密度小，漂浮在熔渣表面，效果不穩(wěn)定。若采用喂線機加入硅鈣線(用鐵皮包裹的硅鈣粉)，通過鋼渣插入鋼液中，硅鈣合金快速熔于鋼液中，對鋼中夾雜物進行變性處理，效果會更好。

3.3.2 軟吹時間控制

精煉過程中添加合金、渣料時需要強攪拌，循環(huán)過程中必然會帶入夾雜及卷渣，由于鋼包較深，鋼液循環(huán)需要一定時間上浮。

根據鋼中氧含量與夾雜物的數(shù)量關系，可以得出以下關系式：

M=Moexp[-SV49gημ2(ρ2-ρ1)t]

(1)

式中，M——t時刻夾雜物的數(shù)量；Mo——初始夾雜物數(shù)量；S——鋼水面積，單位為m2；V——鋼水體積，單位為m3；g——重力加速度，單位為m/s；η——粘度系數(shù)，單位為kg·s；μ——夾雜物直徑，單位為m；ρ1——1 600℃時鋼水密度；ρ2——1 600℃時熔渣的密度。

公式(1)表示了鋼液中夾雜物含量與初始夾雜物數(shù)量、鋼渣界面面積、鋼液容積、鋼液粘度系數(shù)、夾雜物直徑、夾雜物上浮時間等參數(shù)之間的關系。按照現(xiàn)有設備及有關資料數(shù)據，取鋼液深度為1.85 m，鋼包直徑為1.25 m，鋼包近似為直筒型，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)

對式(2)作圖得軟吹時間與鋼中夾雜物去除率的關系曲線(圖7)。

圖7 軟吹時間與鋼中夾雜物去除率的關系Figure 7 The relation between soft blow time and removal rate of steel inclusion

從圖7可以看出，當軟吹時間達到15 min時，夾雜物去除率可以達到80%，吹氬氣超過15 min后夾雜物去除速度明顯降低，但隨著軟吹時間的延長。夾雜物數(shù)量繼續(xù)減少，達到40 min時98%的夾雜物都被去除?？紤]到具體生產工藝和生產調度，VD后的軟吹時間保持在15 min以上，保證脫氧夾雜物有充分時間上浮。

3.4 避免外來夾雜物

外來夾雜物主要有以下幾種：澆注系統(tǒng)存在異物或耐火材料質量差侵蝕嚴重，會將夾雜物帶入鋼液中；開澆速度過快，將吊掛的保護渣卷入鋼液中，未能及時上浮而聚集在鋼錠內；澆注過程中水口結瘤，隨鋼液進入澆注系統(tǒng)會形成FeO夾雜。因此，避免外來夾雜物是提高鋼錠質量的關鍵環(huán)節(jié)之一。

4 結論

(1)為了獲得較低的氧含量，特殊性能的精煉鋼冶煉時必須適當增加生鐵用量，保證熔清碳含量≥0.50%，控制電弧爐碳氧槍吹氧強度，用碳控制好終點氧含量，避免鋼液產生過度氧化進而在二次精煉過程產生大量的內生夾雜物。

(2)為了減少Al2O3夾雜物數(shù)量，選擇復合脫氧劑硅鋁鋇鈣進行脫氧。硫化物夾雜的控制措施主要是降低鋼中硫含量到一定范圍內，再調整錳的成分。

(3)采用喂線機加入硅鈣線，對鋼中夾雜物進行變性處理，效果會更好。

(4)VD過程中，由于熔渣卷入造成鋼中夾雜物增加，為保證精煉鋼產品質量，VD后不允許加增碳劑和合金，必須保證軟吹時間達到15 min以上。

(5)控制入爐廢鋼質量，選用優(yōu)質耐火材料，保證澆注系統(tǒng)的清潔干燥，避免爐渣、保護渣的卷入，采用氬氣保護澆注等，可防止外來夾雜物進入鋼液。

[1] 黃希枯.鋼鐵冶金原理(第3版)[M]北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[2] 王平.軸承鋼脫氧工藝與理論的研究.北京：北京科技大學，1991.

[3] 朱惠剛.軸承鋼精煉工藝研究[D].北京：北京科技大學，2005.