低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼增硅機(jī)理分析及控制措施

陳洪民， 任 濤， 趙占山， 朱韶哲， 趙梓云， 陳 旭

（日照鋼鐵有限公司， 山東 日照 276800）

日照鋼鐵有限公司（全文簡稱日鋼）一直致力于低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼冷軋基料用鋼的研發(fā)工作，先后開發(fā)SPHC、SPHE、汽車大梁鋼、耐候鋼、高碳鋼等鋼種。SPHC 低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼種的成功開發(fā)拓寬了日鋼品種市場，增加了日鋼的經(jīng)濟(jì)效益，但是在日常LF 精煉生產(chǎn)期間，存在著精煉過程增硅嚴(yán)重，導(dǎo)致成分超標(biāo)，最終影響成品性能。為改善精煉過程增硅超標(biāo)爐次，結(jié)合低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼增硅機(jī)理，本文結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行深入研究，并制定相應(yīng)措施，最終使過程增硅受控。

1 SPHC 低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼種成分

本文以SPHC 低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼為例，對LF 精煉過程增硅問題進(jìn)行分析，低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼種化學(xué)成分要求如表1 所示。

表1 SPHC 低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼化學(xué)成分 %

2 熱力學(xué)條件及動力學(xué)條件分析

2.1 增硅的熱力學(xué)條件

日照鋼鐵低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼工藝路線：脫碳爐→LF 精煉→CC。高溫脫S 時(shí)，精煉過程溫度保持在1 570～1 605 ℃區(qū)間。通過鋼水氧勢圖可知，在此溫度區(qū)間FeO、P2O5、MnO、SiO2等氧化物穩(wěn)定性依次增強(qiáng)。因此在精煉還原性氣氛下FeO、P2O5、MnO、SiO2等不穩(wěn)態(tài)氧化物分別與強(qiáng)脫氧劑Al 發(fā)生氧化還原反應(yīng)，其中元素Fe、P、Mn、Si 被依次置換出來。刨除精煉過程氧化性問題，本文只討論白渣狀態(tài)下精煉過程SiO2與Al 氧化還原反應(yīng)，增硅反應(yīng)化學(xué)方程式如下：ΔG0=111.23-0.019×（1 605+273）=75.55（kJ/mol）>0[1]

ΔG0>0,說明鋼水溫度在1 570～1 605 ℃溫度下，增硅反應(yīng)朝著逆向反應(yīng)進(jìn)行,即向生產(chǎn)元素硅的方向進(jìn)行，同時(shí)精煉過程高鋁控制有利于精煉過程回硅。

2.2 增硅的動力學(xué)條件

根據(jù)冶金傳輸原理雙膜理論，液- 液相的界面反應(yīng)由三個環(huán)節(jié)[2]組成：反應(yīng)物向相界面擴(kuò)散、界面化學(xué)反應(yīng)、生成物離開相界面擴(kuò)散。

根據(jù)冶金脫硅氧化還原反應(yīng)的熱力學(xué)、動力學(xué)條件分析，LF 精煉過程屬于氧化還原反應(yīng)過程，LF 在白渣形成后，脫硫時(shí)需要鋼包雙透氣磚底吹氬強(qiáng)烈攪拌。在低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼中鋁高位（w（Al）=0.030%～0.060%）運(yùn)行狀態(tài)下會發(fā)生回硅還原反應(yīng)。LF 精煉在強(qiáng)脫硫反應(yīng)時(shí)大氬氣攪拌同時(shí)增加了回硅反應(yīng)界面面積[3]，同時(shí)伴隨精煉時(shí)間增加提高增硅反應(yīng)機(jī)率。在鈣處理階段由于喂入鈣線鋼水翻騰嚴(yán)重，在一定程度上加劇了渣金反應(yīng)界面及反應(yīng)時(shí)間，對過程增硅起到促進(jìn)作用。

3 實(shí)際生產(chǎn)中增硅影響因素分析

3.1 脫碳爐終點(diǎn)控制

低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼脫碳爐日常終點(diǎn)控制如表2所示。

表2 脫碳爐終點(diǎn)控制

表2脫碳爐終點(diǎn)w（O）普遍維持在450×10-6～700×10-6，低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼生產(chǎn)時(shí)鐵水不經(jīng)過KR脫硫模式，到站鐵水硫磺普遍在0.015%～0.050%，到站硫磺含量偏高，脫碳爐出鋼后脫硫任務(wù)絕大部分通過LF 精煉完成，脫硫任務(wù)勢必通過精煉過程大氬氣吹氬攪拌增強(qiáng)渣金反應(yīng)界面來實(shí)現(xiàn)。

3.2 過程渣樣數(shù)據(jù)

生產(chǎn)過程通過取樣對低碳低硅鋼對渣樣做實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果見表3。

表3 SPHC 渣樣分析結(jié)果 %

由表3 知，從脫碳爐終點(diǎn)到精煉鈣處理前，伴隨精煉過程由初期氧化性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為LF 鈣處理前終點(diǎn)強(qiáng)還原性狀態(tài)，渣中FeO、MnO、SiO2含量下降，精煉過程大氬氣攪拌渣中SiO2一直被鋼中Al 還原，w（SiO2）由11.9%降低至2.86%。渣中Al2O3含量呈上升趨勢, 由初始11.65%上升至31.97%。精煉喂線前FeO、MnO、SiO2基本被還原完畢，精煉過程增硅。

3.3 精煉回P 量與增Si 量關(guān)系

通過表3 可知脫碳爐終點(diǎn)渣中w（SiO2）含量高約11.9%，脫碳爐下渣量決定了SiO2初始來源含量，精煉過程回硅量受渣中SiO2影響。根據(jù)渣中SiO2含量及下渣量正常理論計(jì)算，低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼回硅在0.025%左右。根據(jù)LF 精煉生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了增硅量與回P 量的如圖1 所示。

圖1 回硅與回磷量散點(diǎn)圖

精煉過程增硅量隨回P 量的增加而增加，成正相關(guān)性。通過精煉過程回硅與回磷散點(diǎn)圖發(fā)現(xiàn)最大增硅量為0.040%以下，正常精煉冶煉周期內(nèi)內(nèi)部鋼種H01301（w（Si）≤0.054%）回硅能滿足內(nèi)控成份要求；對于外貿(mào)鋼種H00701 爐次（w（Si）≤0.034%）成份超標(biāo)，必須改煉H01301，導(dǎo)致煉鋼生產(chǎn)節(jié)奏打亂。

3.4 脫S 量與增Si 量的關(guān)系（見圖2）

圖2 增硅量與脫硫磺散點(diǎn)圖

通過圖2 看出，精煉過程脫硫過程伴隨著增硅反應(yīng)，回硅量與增硅量為正相關(guān)關(guān)系。根據(jù)到站硫磺統(tǒng)計(jì)因LF 精煉造渣脫硫任務(wù)過重（氬站w（Si）>0.020%）占超標(biāo)總爐數(shù)的85.6%，單純由于到站S 高導(dǎo)致增硅超標(biāo)爐次沒有，主要是在冶煉過程中S 高爐次增加石灰量300～1 000 kg，石灰加入稀釋鋼渣中SiO2含量，對于固定渣中SiO2起到?jīng)Q定作用，降低渣中SiO2與鋼種Al 反應(yīng)機(jī)率，減少過程增硅。

3.5 增硅量與精煉時(shí)間的關(guān)系

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[4]指出：[SiO2]-[Al]達(dá)到反應(yīng)平衡時(shí)，w（Si）為1.00%左右，遠(yuǎn)超低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼Si成分限要求，所以當(dāng)該反應(yīng)無法達(dá)到平衡時(shí)，一直會朝向增硅方向進(jìn)行。精煉時(shí)間與增硅量的對應(yīng)關(guān)系如圖3 所示：隨著精煉時(shí)間增加，伴隨吹氬攪拌增硅量也隨之增加，為正相關(guān)關(guān)系。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，LF精煉過程最大增硅量w（Si）=0.040%。

圖3 精煉增硅與精煉時(shí)間散點(diǎn)關(guān)系圖

3.6 鈣處理對增硅影響

正常低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼SPHC 鈣處理喂線量普遍在290～400 m/爐，在鈣處理過程中，鋼液渣面翻騰劇烈，鈣處理過程中[SiO2]與[Al]反應(yīng)，鈣處理過程增硅。但受限于鈣處理時(shí)間短，[SiO2]與[Al]反應(yīng)時(shí)間短，通過鈣處理與鈣處理取樣計(jì)算，過程增硅在w（Si）為0.002%～0.003%之間，精煉鈣處理過程增硅量微量。

4 控硅措施

通過增硅機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)，脫碳爐下渣量、精煉時(shí)間、脫S 量等與精煉過程增硅呈正相關(guān)，通過采取以下措施控制精煉過程增硅量。

1）降低來鐵到站硫含量，到站w（P）≤0.025%，對于到站w（S）＞0.040%爐次增加石灰用量。

2）控制脫碳爐終點(diǎn)下渣量，調(diào)低滑板擋渣下渣指數(shù)，減少出鋼下渣量，減少初始鋼渣TiO2含量。

3）嚴(yán)格控制精煉周期，精煉時(shí)間≤60 min，因事故導(dǎo)致的倒包硅高必須去RH 吹氧脫硅倒渣處理。

通過以上控硅措施，低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼硅高改判率w（P）由0.62%降低至0.28%以下。

5 結(jié)論

1）根據(jù)冶金熱力學(xué)及動力學(xué)，鋼水增硅不可避免，LF 精煉過程正常回硅量w（P）≤0.025%。

2）通過降低脫碳爐滑板擋渣指數(shù)，降低下渣量，減少精煉過程增硅。

3）對于精煉過程S 高爐次，可通過增加石灰用量抑制過程增硅。

4）精煉時(shí)間影響過程增硅量，為控制增硅精煉時(shí)間目標(biāo)≤60 min。

5）喂鈣線翻騰對于精煉增硅影響不大，幾乎可忽略不計(jì)。