提高含鈦不銹鋼鈦收得率的工藝實踐

張春亮，王建昌，張永亮

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003）

含鈦鐵素體不銹鋼為w（C）、w（N）極低的鐵素體不銹鋼，冶煉時需要加入穩(wěn)定化元素鈦來抑制C、N在晶界處的聚集現(xiàn)象，以提高鐵素體不銹鋼的抗晶間腐蝕能力[1]。由于鈦是一種活潑性較強的金屬，在合金化時容易發(fā)生氧化，如果精煉時處理不當(dāng)，連鑄過程塞棒位置會發(fā)生嚴重上漲，堵塞水口，甚至導(dǎo)致澆鑄中斷[2]。因此，精煉工藝不僅影響鈦收得率，還會對鋼水的質(zhì)量造成影響。鈦收得率是指鋼中全鈦總量與加入鋼液中的所有鈦合金原料的鈦總量的比值。鈦是一種貴重金屬，價格較高，提高貴重合金鈦的收得率，可顯著降低冶煉成本，提高企業(yè)競爭力。某鋼鐵企業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展，含鈦鐵素體不銹鋼生產(chǎn)量大，鈦鐵合金用量較多，而鈦收得率只有75%。為了進一步降低鋼材成本，開展了提高不銹鋼貴重合金鈦的收得率工藝研究。

1 含鈦不銹鋼冶煉工藝流程

含鈦不銹鋼的冶煉工藝流程：鐵水三脫預(yù)處理→K-OBM-S冶煉→VOD精煉→LF精煉→板（方）坯連鑄。

含鈦不銹鋼的主要鋼種有：SUH409、TTS443、SUS436L、SUS444等。

2 影響鈦收得率因素分析

含鈦不銹鋼鈦合金化在LF精煉工序進行，通過喂線機將含有Ti合金的包芯線加入鋼水中，分析出影響Ti收得率的因素主要有：鋼中w（O）、鋼中w（Al）、攪拌氣體流量等。

2.1 鋼中鋁與鈦的關(guān)系

鋼中氧與Al、Ti金屬元素的反應(yīng)式為：

式中：ΔGθ和ΔG為標準狀態(tài)和實際狀態(tài)下反應(yīng)的吉布斯自由能變化；T為溫度，K；R為常數(shù)；ai為組元的活度。

由于ai=fiw[i]，所以

式中：fi為組元i的活度系數(shù)；w[i]為組元的質(zhì)量分數(shù)，%；為組元i對組元j的相互作用系數(shù)，在1 600℃時，式中各元素的相互作用系數(shù)值為：。

以SUH409L鋼種為例，其化學(xué)成分如下頁表1所示，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入（3）（6）可計算實際條件下Al、Ti元素與氧的結(jié)合能力。

表1 SUH409L鋼種典型化學(xué)成分 %

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，得出的結(jié)果如下頁圖1、圖2所示。

圖2 1 600℃不同w（Al）、w（Ti）下Al和Ti的吉布斯自由能

從圖1中可以看出，在1 600℃的煉鋼溫度下，鋼中Al的脫氧能力大于Ti的脫氧能力，隨著w（Al）的增加，鋼中溶解氧大幅降低，因此在鋼中加入一定含量的Al能提高鈦的收得率。

圖1 1 600℃下w（Al）、w（Ti）與Al和Ti的吉布斯自由能的關(guān)系

在實際生產(chǎn)過程中，鋼中w（Al）為0.01%～0.05%，w（Ti）為0.1%～0.25%時，計算得出鋼中Ti的氧化性要高于Al的氧化性，此時，鋼水與外部的氧接觸，鈦會大量燒損，因此，在鈦合金化前后，應(yīng)防止鋼水二次氧化，已獲得較高的鈦收得率。隨著w（Al）、w（Ti）的增加，Al的氧化性增加幅度要大于Ti，即提高鋼中的w（Al）可以降低鋼中Ti的燒損。

2.2 VOD還原爐渣

鋼水的氧化性在一定程度上對鈦的收得率有較大的影響，這與VOD深脫碳時初始w（O）有一定的關(guān)系。用VOD冶煉含鈦不銹鋼時，吹氧脫碳過程中會有一部分[Mn]、[Cr]、[Fe]被氧化成MnO、Cr2O3、FeO進入渣中，因此，VOD在脫碳之后，需用硅鐵作還原劑還原熔渣中的MnO、Cr2O3、FeO，反應(yīng)過程如下：

VOD結(jié)束脫氧后，渣中w（MnO）、w（Cr2O3）、w（FeO）越高，說明渣子的氧化性越強，在LF喂鈦線的收得率越低，生產(chǎn)中要求渣中w（MnO）、w（Cr2O3）、w（FeO）盡可能低。

2.3 合金化底吹攪拌流量

鈦合金化時元素的收得率與鋼包底吹攪拌流量有關(guān)，分析底吹弱攪拌氣體與鈦金屬收得率的關(guān)系如圖3所示。

圖3 鋼包底吹攪拌氣體流量與鈦收得率的關(guān)系

由圖3可知，底吹氣體流量較大時，鋼液面易裸露，鋼水中鈦合金元素易被氧化；若底吹氣體流量較小時，鋼水?dāng)嚢枞酰撝谐煞植痪鶆颉樘岣哜伿盏寐剩刂芁F冶煉過程鋼包底吹攪拌氣體強度，設(shè)定1號底吹流量為80～120 L/min，2號底吹流量為70～100 L/min，防止攪拌過程因鋼液裸露而造成鈦的氧化。

3 提高鈦收得率主要措施

3.1 降低鋼中w（O）及爐渣氧化性

在VOD還原時，采用硅鐵和鋁進行復(fù)合脫氧，以降低鋼中的w（O），同時鋁與渣中FeO發(fā)生反應(yīng)，降低爐渣氧化性。為了進一步降低鋼中w（O），在鈦合金化前向爐渣內(nèi)加鋁粉進行脫氧，鋼水到達LF工序后，向渣面上加入30～50 kg鋁粉，以發(fā)揮爐渣的界面脫氧作用。利用脫氧劑直接脫除渣中不穩(wěn)定氧化物（MnO、Cr2O3、FeO），可降低爐渣的氧化性，從而進一步降低鋼中w（O）。

通過以上措施可以保證鋼中全氧含量（質(zhì)量分數(shù)）小于25×10-6，自由氧含量（質(zhì)量分數(shù)）小于3×10-6，有效地提高了鈦的收得率。

3.2 控制鋼中合理的w（Al）

調(diào)整VOD出站鋼中w（Al），控制w（Al）=0.025%～0.030%。對于低于此含量的情況，在LF進站后，需根據(jù)渣況及時用鋁粉調(diào)渣，以保證鋼中w（Al）=0.025%～0.030%，從而降低爐渣和鋼水的氧化性，降低鋼中鈦的氧化，減少鋼中鈦類夾雜物的生成。

3.3 控制吹氬強度及攪拌時間

LF喂鈦線前，保證8～10 min的強攪拌，以保持溫度的均勻性，同時使鋼水中氧化物夾雜聚集上浮而去除，鈦合金化過程需控制鋼包底吹攪拌氣體強度，控制1號底吹流量為80～120 L/min，2號底吹流量為70～100 L/min，以保證喂鈦線之后合理的弱攪拌。

3.4 防止二次氧化

控制合金化前鋼水溫度的合理性，將鋼水溫度控制在1 620～1 650℃，避免合金化后送電加熱造成的二次氧化；w（Al）提高后，連鑄過程的保護澆鑄尤為重要，開澆中包內(nèi)吹氬，以降低開澆鋼水的氧化性；保證大包水口與中間包長水口接縫處的保護澆鑄效果，以此來降低連鑄過程中鋼水的二次氧化而造成的鈦燒損。

4 實踐效果

采取優(yōu)化工藝后，含鈦不銹鋼冶煉鈦收得率有所提高，收得率由攻關(guān)前75%提高到85%，收得率波動較小。鋼水的可澆性與鋼種的全氧含量控制在較好的水平，連鑄塞棒上漲比例控制在5%以下，沒有出現(xiàn)因塞棒上漲停澆的情況，中包w（O）控制在30×10-6以下。

5 結(jié)論

1）通過對現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)進行理論分析得出，可以適當(dāng)提高鋼中的w（Al），以降低爐渣和鋼水的氧化性，并控制鋼中w（Al）=0.025%～0.030%，以降低爐渣氧化性，減少鋼中鈦氧化，提高鈦的收得率。

2）控制LF冶煉過程的鋼包底吹攪拌氣體強度，將1號底吹流量設(shè)定為80～120 L/min，2號底吹流量為70～100 L/min，防止攪拌過程因鋼液裸露而造成鈦的氧化。

3）通過工藝優(yōu)化，含鈦不銹鋼鈦的收得率由75%提高到85%，鋼水的可澆性與鋼種的全氧含量控制在較好的水平，降低了合金化成本，具有明顯的經(jīng)濟效益。