中高錳鋼液與精煉渣的反應行為研究

朱曉雷，彭春霖，李泊，廖相巍，孔令種，艾新港

（1. 海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2. 鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009； 3. 鞍鋼股份有限公司產品制造部，遼寧 鞍山 114021； 4. 遼寧科技大學，遼寧 鞍山 114051）

隨著全球對海洋資源的開發， 中高錳鋼在LNG 儲罐和極地船舶等低溫領域的應用受到了更廣泛的關注，中高錳鋼以其高強度、優異低溫沖擊韌性、屈強比可控和低成本等特點，在海洋平臺建設上具有廣闊的應用效果[1-3]。 中高錳鋼（一般指Mn 含量≥5%）的常規生產流程為：鐵水預處理→轉爐冶煉→LF 精煉→真空處理→板坯連鑄。 而精煉渣作為LF 精煉中最關鍵的原料，科研工作者對其進行了大量研究， 比如硫容在精煉渣脫硫中的應用[4-7]，熔渣對鋼中夾雜物轉變行為和鋼液潔凈度的影響[8-22]，精煉渣的粘度及其對鋼液精煉的影響[16，23-24]等。 但這些研究都局限于低合金鋼，鋼中合金元素對精煉渣的成分幾乎沒有影響， 而中高錳鋼中較多的合金元素是否會對精煉渣造成較大影響目前尚不明晰。 Park 等人[251就曾研究得到高錳高鋁鋼液與結晶器保護渣反應后，渣中MnO 含量增加到20%。因此，有必要對中高錳鋼和精煉渣的反應行為進行深入研究。 本文基于某鋼廠中高錳鋼現行精煉渣組分， 在實驗室條件下進行了中高錳鋼與不同堿度精煉渣的平衡實驗， 結合實驗結果和熱力學計算， 分析了反應后熔渣性質的變化和影響反應進行的因素， 在此基礎上討論了適用于中高錳鋼生產的精煉渣的堿度范圍， 為實際冶煉生產提供理論參考。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

取4 種Mn 含量不同的中高錳實驗鋼， 成分如表1 所示。 由分析純化學試劑配制而成6 種實驗用精煉渣，在1 600 ℃下預熔2 h，成分（稱重）及堿度見表2 所示。

表1 實驗鋼種成分（質量分數）Table 1 Compositions in Experimental Steel（Mass Fraction）%

表2 實驗用精煉渣成分（稱重）及堿度Table 2 Compositions in Experimental Refining Slag（by Weight） and Their Alkalinity

1.2 實驗方法

將120 g 鋼樣和18 g 預熔渣依次放入MgO坩堝中（Φ40 mm×60 mm，MgO 純度>99.5%），將此MgO 坩堝外套石墨坩堝放入1 600 ℃的高溫電阻爐中，實驗裝置示意圖見圖1。

圖1 實驗裝置示意圖Fig. 1 Schematic Diagram for Experimental Unit

保溫180 min 后 （實驗室條件下無法模擬鋼包底吹Ar 操作，故只能延長保溫時間來達到與實際情況相近的冶煉效果），將反應試樣從爐內取出并快速冷卻。 整個實驗過程始終向爐管中通入高純氬氣，氬氣流量為3 L/min。 利用X 射線熒光分析（XRF）對實驗渣樣的成分進行檢測，利用電子探針（EPMA）觀察渣樣的微觀形貌。

2 實驗結果與討論

實驗反應后熔渣成分見表3。 為減少檢測成本，只測定了大部分渣系的組分，但所得數據足夠完成后續分析。

表3 實驗反應后熔渣成分（質量分數）Table 3 Compositions in Molten Slag after Experimental Reaction （Mass Fraction） %

2.1 熔渣堿度對鋼-渣反應的影響

本實驗中可能發生的鋼-渣反應見式（1）和式（2），式（1）中的平衡常數表達式見式（3）。

由式（3）可知，渣中SiO2的活度越小，渣中MnO 生成量越少。 利用FactSage 計算了本實驗熔渣體系條件下熔渣堿度對SiO2活度的影響，見圖2。 由圖2 看出，SiO2活度隨熔渣堿度的增加而減小。

圖2 熔渣堿度對SiO2活度的影響Fig. 2 Effect of Molten Slag Alkalinity on SiO2 Activity

表4為反應前后渣中w（Al2O3）/w（CaO）和w（SiO2）/w（Al2O3）的比值變化。 CaO 作為一種穩定的氧化物幾乎不會被消耗。而由表4 看出，反應前后w（Al2O3）/w（CaO）的比值變化微小，這說明反應后渣中沒有生成Al2O3，所以反應式（2）幾乎不會發生。 而w（SiO2）/w（Al2O3）的比值減小，意味著反應后渣中SiO2減少。因此，可以得出，反應（1）的發生降低了渣中SiO2的含量，導致了w（SiO2）/w（Al2O3）的比值減小。 故式（1）是中高錳鋼與熔渣間主要化學反應。

表4 反應前后渣中w（Al2O3）/w（CaO）和w（SiO2）/w（Al2O3）的比值變化Table 4 Changes in Ratio of w（Al2O3）/w（CaO）and w（SiO2）/w（Al2O3） in Slag before and after Reaction

2.2 鋼中Mn 含量對鋼-渣反應的影響

渣中MnO 含量與堿度的關系見圖3。 如圖3所示， 隨著鋼液中Mn 含量的增加， 反應后渣中MnO 含量也增加。而且當鋼液中Mn 含量較高時，即使熔渣堿度很高， 反應后渣中仍能夠生成較多的MnO。 為盡可能保持渣系成分的穩定，生產高錳鋼時采用的精煉渣堿度應大于4。

圖3 渣中MnO 含量與堿度的關系Fig. 3 Relationship between Content of MnO in Slag and Alkalinity

表5 為熔渣與G1 鋼反應前后渣中w（Al2O3）/w（CaO）和w（SiO2）/w（Al2O3）的比值變化。 由于反應前后渣中CaO 含量基本不變，故從表5 可得，G1鋼與S1 渣（堿度為2）反應后，渣中的Al2O3含量增加，SiO2含量降低；又因為反應后渣中MnO 生成非常少（見表3），所以判斷出反應（1）幾乎不發生，此時渣中的主要化學反應為反應（2）。

表5 熔渣與G1 鋼反應前后渣中w（Al2O3）/w（CaO）和w（SiO2）/w（Al2O3）的比值變化Table 5 Changes in Ratio of w（Al2O3）/w（CaO）and w（SiO2）/w（Al2O3）in Slag before and after Reaction

當熔渣成分不變時，鋼中Mn 含量是影響鋼液與熔渣間化學反應的重要因素。鋼液中Mn 含量較低時（小于1%），鋼液與熔渣間主要反應為式（2）。 當鋼液中Mn 含量大于5%時，渣中SiO2優先與Mn 反應。

2.3 渣中MnO 對熔渣性質的影響

2.3.1 對熔渣中MgO 溶解度的影響

圖4 為S1 渣與實驗鋼反應后形貌。

圖4 S1 渣與實驗鋼反應后形貌Fig. 4 Morphology of S1 Slag after Reaction with Experimental Steel

如圖4（a）所示，與1Mn 鋼反應后熔渣中只有液渣相；而在圖4（b）～（d）中，反應后渣中還析出了少量的第二相，且含量依次增多。經能譜分析（EDS）可知，第二相中MgO 含量高達99%以上，故可確認第二相為方鎂石相。 隨著鋼中Mn 含量的增加，S1渣中MnO 含量依次增加， 這表明圖4 中方鎂石相的析出量可能與反應后渣中MnO 含量有關。

采用FactSage 計算了不同MnO 含量下S1 渣中MgO 的溶解度， 渣中MnO 含量對MgO 溶解度的影響見圖5。 由圖5 看出，MgO 在渣中的溶解度隨MnO 含量的增加而降低。考慮到MgO 會向渣中溶解，結合圖4（a）～（d）中方鎂石相的差異，可以推測：MgO 坩堝向渣中溶解的速度可能比反應（1）進行的速度快。 在反應（1）達到平衡前熔渣中的MgO就已經達到飽和， 之后MnO 的生成逐漸降低了渣中MgO 的溶解度，使得MgO 從熔渣中析出形成方鎂石相。

圖5 渣中MnO 含量對MgO 溶解度的影響Fig. 5 Effect of Content of MnO in Slag on MgO Solubility

2.3.2 對熔渣熔化性質的影響

利用FactSage 計算了不同MnO 含量（0～10%）下CaO-SiO2-Al2O3渣系的液相區（為方便計算，并未考慮MgO 的影響），結果見圖6。

圖6 MnO 含量對熔渣液相區的影響Fig. 6 Effect of MnO Content on Liquid Phase Region in Molten Slag

1 500 ℃以下的液相區有兩個，即頂部的A 區和靠近底邊中部的B 區。 隨著MnO 含量的增加，1 400 ℃液相區的面積增加，并且在MnO 含量大于4%后，B 區內出現1 300 ℃的液相區， 而且該液相區面積隨MnO 含量的增加而增大。 當渣中MnO 含量大于8%時， 可以看到A 區和B 區的1 500 ℃液相區連接在一起。 因此，從液相區的計算結果來看，MnO 在一定程度上可改善熔渣的熔化性質。

3 結論

通過平衡實驗和FactSage 研究了影響中高錳鋼液與精煉渣反應的因素，結合熱力學計算結果，討論了MnO 含量對熔渣性質的影響和中高錳鋼生產用精煉渣的堿度范圍。 得出結論如下：

（1） 高溫下，中高錳鋼中的Mn 會與精煉渣中的SiO2發生反應并在渣中生成MnO，精煉渣堿度越高， 鋼液中Mn 含量越低， 反應后渣中生成的MnO 就越低。

（2） 渣中MnO 含量增加，熔渣中MgO 的溶解度降低，熔渣的液相區逐漸增大。 渣中MnO 在一定程度上能夠改善熔渣的熔化性質。

（3） 提高精煉渣堿度可降低反應后渣中MnO含量。 為降低渣中MnO 含量，應保持熔渣穩定性，在中高錳鋼生產中精煉渣堿度應大于4。