高牌号硬线钢LF回铝理论计算及水口结.doc

高牌号硬线钢LF回铝理论计算及水口结瘤分析张祥艳1，梁娟1，李波1，李大中1（1河北钢铁集团唐钢第二钢轧厂）摘要：以二钢轧厂生产77B为例，理论计算了LF精炼回铝的热力学条件；综述了连铸浸入式水口结瘤机理及预防措施。通过理论计算和文献综述得出：（1）在1873K时，生产Si-K高碳硬线钢LF炉精炼过程中钢水不会发生增铝反应，但钢水中原始 A1 s含量0. 003%，可能有固态A12O3析出堵水口。为保持Al s = 0. 003%水平，则可提高硅含量以得到液态夹杂。然而增加Si加人FeSi也多，带人的残余铝也多，成本增加，也降低了Mn/Si，促进了固态SiO2:夹杂形成。图2 1600下Fe-Al-Si中的平衡夹杂物(4)镁铝尖晶石的形成对高碳Si-K钢水口堵塞的另一个主要因素是形成A12O3MgO。对于高碳Si-K，不用铝脱氧，靠LF炉造白渣脱氧以得到TO 2010-6。在LF炉还原精炼气氛和低O条件下（O1510-6)，钢包渣或MgO-C砖中释放出Mg形成A12O3MgO，堵塞水口。LF炉白渣精炼时间越长，A12O3MgO形成得越多，堵水口严重。操作上应注意：白渣精炼时间不应太长；LF顶渣加脱氧剂（CaC2、FeSi粉、CaSi粉）不应过量；石灰加入不要过量，保持合适碱度，吸收MgO。ANS-OB法精炼钢水配小方坯连铸防止水口结瘤的研究5一文中指出关于连铸水口结瘤问题的研究巳有很多报道，其产生原因有以下两种：一是钢中Als含量较高，保护浇注不完善，造成铝的二次氧化使钢中析出A12O3等高熔点夹杂物粘附在水口壁上形成结瘤；二是钢水中高熔点絮状物如Al2O3等非金属夹杂物在钢中来不及上浮，粘附于水口内壁造成结瘤。ANS-OB法精炼钢水供小方坯连铸，为提高可浇性，不仅要求Als0.0020%，而且要求TAl0.0060%，才能进行小方坯正常浇注。当Als和TAl达到目标值，钢水可不进行钙处理，当采用钙处理时，Als和TAL含量要求可适当放宽。本文使针对敞开小方坯浇注而言，对于我厂连铸具有保护浇注，钢水中Als和TAL含量可适当放宽。2.2LF炉精炼过程钢水中酸溶铝变化分析及预防结瘤措施浸入式水口结瘤成因分析与防止对策6一文中指出水口烘烤温度过高会导致水口表面成分被耐材中的C还原形成凝聚物，增加了耐材透气性，空气中的氧穿过耐材氧化钢水中的Al生成A12O3。其相应的改进措施为按工艺要求做好中间包和水口的预热，并在开浇第一炉时在水口周围和中间包底部放入适量CaSi粉或其它发热材料。同时要求安装水口时要保证水口的垂直度并减少水口的粗糙度，使水口的人口处呈圆滑状态无棱角，防止出现散流，避免夹杂物在水口处聚集结瘤。帘线钢72A精炼过程研究3一文对比了帘线钢72A出钢过程中采用Si-Ca-Ba脱氧，而出LF炉进行喂Si-Ca丝处理和取消喂线处理的两种工艺过程中钢中Als变化，得出精炼过程中Als变化见图3。图3精炼过程中Als的变化文中结合试验对比分析得出结论：（1）转炉出钢脱氧时采用不含Ca的脱氧剂。（适用于VD精炼处理的生产工艺）。（2）LF处理效果较好，总氧和酸溶铝都有一定程度的降低，但夹杂物熔点较高。（3）LF处理结束到VD开始酸溶铝增大较大，是由于在LF处理中加入的合金铝含量高，以及喂钙丝所致，因此应尽量降低合金中铝含量，并取消喂丝。（4）VD真空度不要太低，避免耐材中的Al2O3被碳还原引起钢中酸溶铝的增加。（5）与低熔点夹杂物相比，首钢帘线钢72A夹杂物中Al2O3含量基本合适，但CaO含量过高，SiO2含量过低。因此应该采用低碱度R1精炼渣来调整夹杂物成分，降低其熔点。LF处理过程中钢水增铝问题的研究7一文中了研究了LF炉精炼过程中分别采用CaO-SiO2和CaO-Al2O3渣系精炼过程的增铝问题和造成小方坯连铸过程中的水口堵塞原因。试验过程中LF 处理过程中间隔 5min取样分析钢中的酸溶铝。从分析精炼过程中酸溶铝数椐得出使用CaO-SiO2成分型渣系，LF过程中几乎不发生增铝现象。试验中精炼渣成分见表6，精炼结束时典型渣成分见表7。表6精炼渣的化学成分项目W（CaO）%w（SiO2）%w（Al2O3）%w（H2O）%粒度/mm精炼渣A453550.0513精炼渣B434420.0513发泡渣57580.0513表7精炼结束时典型渣成分项目W（CaO）%w（SiO2）%w（Al2O3）%精炼渣A45.938.094.49精炼渣B55.38.7028.60图4 精炼后铝含量与精炼渣中 aAl2O3的关系图5不同精炼渣下硅含量和铝含量的关系图6不同精炼渣下锰含量和铝含量的关系文中指出要控制钢水中Als小于0.0004%，热力学计算aAl2O3应该在0.004，相应的精炼渣的化学成分应该是以CaO-SiO2为基础，w（Al2O3）小于7%。要控制钢水中Als小于0.003%，相应的w（Al2O3）小于12%。通过分析作者得出结论：影响LF处理过程中钢水增铝的首要原因是精炼渣中Al2O3的活度。当 aAl2O3小于 0.004%时，可控制钢水中 Als小于0.0004%，满足硅镇静钢72A生成塑性夹杂的要求。当精炼渣中w（Al2O3）小于12%，理论计算与马钢的生产实践均证明可以控制钢水中Als小于0.003%，防止小方坯连铸的水口堵塞。在使用CaO-Al2O3渣系条件下，钢水中铝含量随处理时间的延长而增加。帘线钢 82B精炼过程中的酸溶铝控制2一文中指出为了避免高碳帘线钢生产过程中析出高熔点脆性夹杂物，必须控制钢中的酸溶铝含量。热力学计算表明：当钢中w(Al)310-6时，合金化过程中析出的氧化物夹杂为具有良好变形能力的锰铝石榴石(3MnOAl2O33SiO2 )，当钢中w(Al)3.510-6时就可以避免钢液在冷却和凝固过程中析出Al2O3夹杂。帘线钢生产过程中析出的脱氧产物是否具有良好的变形能力，关键在于精炼过程中能否将铝控制在要求的范围内。本文通过热力学计算和实验研究，分析影响帘线钢酸溶铝含量的各种因素及其控制方法，为高碳帘线钢生产提供理论依据。文中研究了硅铁铝含量对合金化后钢中铝含量的影响，结果见图7。图7合金化时硅铁带人钢中的铝与其铝含量的关系文中研究了精炼渣组成对钢液铝含量的影响：二次精炼过程中，钢液与精炼渣之间会发生如下化学反应：4Al+3SiO2（s）=2Al2O3(s)+3SiG0=-658 300+107. 2 T图8 精炼渣成分和精炼温度对82B钢液平衡铝含量的影响 图8表明，精炼渣Al2O3含量对钢液平衡铝含量产生较大的影响，精炼渣碱度升高使A12O3活度增大，因而不利于钢液中铝的降低。精炼温度升高对钢液平衡铝含量的影响十分明显，且这种影响随精炼渣A12O3含量升高而增加。因此采用低A12O3含量和较低碱度的精炼渣精炼钢液对钢中铝含量的控制具有重要意义。在工业生产的条件下钢-渣之间的化学反应因受动力学条件的限制不可能达到反应平衡，但选择适宜的精炼渣组成可以降低钢中的铝，或至少可以避免精炼过程中钢液增铝。如日本住友金属工业公司用VAD作精炼炉生产高碳帘线钢时，采用硅灰石系渣(46%CaO-2% A12O3-47%SiO2-5%CaF2)精炼钢液；日本川崎和神户制钢则用组成为45%CaO-10% A12O3-45% SiO2的精炼渣精炼钢液。VD真空处理对钢液酸溶铝含量的影响，真空精炼脱气的同时，将发生精炼渣或炉衬中的A12O3被钢液中的C还原，使钢液增铝，即：Al2O3(s)+3C=2Al+3CO G0=1301819-598.87 T根据文献 1 550时不同组分的精炼渣中A12O3的活度分别为aAl2O3 =0.01(R=1.0，w（Al2O3）=10%)和aAl2O3 =0.03（R=1.5，w（Al2O3）=10%）。在不同真空度下，计算的钢液平衡铝含量见图9。图9表明高碳帘线钢真空精炼过程对钢液具有强烈的增铝作用，特别是在真空度低于20.265 kPa的情况下。精炼渣碱度升高使渣中A12O3活度升高，促进钢液在真空精炼时增铝。高铝和刚玉质炉衬中的A12O3具有更高的活度，即使在常压精炼时也有向钢液增铝的可能。但从还原反应动力学角度考虑，钢液与炉衬之间是固一液相反应，传质阻力大。此外，由于钢液的静压作用，使反应界面上的实际压力远比熔池表面的压力高。因此，炉衬与钢液之间的反应速度应远远小于钢一渣反应的速度。图9真空处理对82B钢液Al的影响(1 550) 20 tLF/VD工业试验:电炉出钢合金化后从钢包取样分析为w(C)=0.62%、w（Als）=1710-6，加人精炼渣料后经LF精炼50 min取样分析，钢中w（Als）=1210-6。然后扒掉30%左右的精炼渣后进行真空处理，真空度5.33 kPa,，VD真空处理时间为8 min。破真空后取钢样和渣样分析，钢中w（Als）已回升到2010-6。这一结果表明，在工业生产条件下常压精炼时中性渣具有控制钢液中酸溶铝的能力；但在真空精炼时，即使在较低真空度下处理，钢液增铝十分明显。可以设想，若真空度进一步提高，钢液的增铝将是十分严重的。由此作者得出结论：(1)为了控制高碳帘线钢中的酸溶铝含量，首先钢液必须选用低铝硅铁合金化。考虑到后续精炼过程可能对钢液增铝，要求硅铁(FeSi75 ) w（Al）0.05%。(2)用具有适宜碱度(CaO/SiO2)和A12O3含量的精炼渣精炼钢液，可以降低钢液中的铝或至少避免钢液在精炼过程中增铝。此外，维持较低的精炼温度对控制LF精炼过程中钢液增铝同样十分重要。降低精炼渣A12O3含量可以减小精过程温度波动对钢液增铝的影响。 (3)在真空条件下钢液中的C还原精炼渣或炉衬中的Al2O3具有良好的热力学条件。试验研究表明，用VD真空精炼高碳帘线钢将使钢液大幅度增铝。(4)当钢液中溶解有较高的C和O时，向钢液中吹氩气可通过钢液一气泡界面上的C-O反应去除钢中的溶解氧，吹氩脱氧率取决于每吨钢吹氩量。帘线钢LF精炼过程中采用较小的吹氩强度，同时延长吹氩时间不仅可以避免LF精炼过程中钢液增氮，也有利于钢液碳脱氧。见图10。图10帘线钢82B吹氩量与脱氧率的关系从图10可见，当每吨钢吹氩量达到0.1 m3/t时，常压下的吹氩脱氧率就大于70%；当真空度为50.66 kPa时，吹氩脱氧率大于90%。因此即使不经过真空处理，钢液中溶解的氧也不会很高。从国外的生产实践来看，钢坯中全氧含量w(T O)一般在20 10-6左右，氧含量过低反而不利于氧化物夹杂形态的控制。3结论(1)由热力学计算及相关文献可知，在1873K时，LF炉精炼过程不会发生2/3Al2O3+Si=SiO2+4/3Al增铝反应，但钢水中原始Als含量0. 003%，可能有固态A12O3析出堵水口；当钢中TAl0. 006%时，也可能发生水口结瘤。当钢中Als310-6时，合金化过程中析出的氧化物夹杂为具有良好变形能力的锰铝石榴石(3MnOAl2O33SiO2 )，当钢中w(Al)3.510-6时就可以避免钢液在冷却和凝固过程中析出Al2O3夹杂。这是防止帘线钢拉拔断对钢中Als含量的更高要求。（3）脱氧合金化及LF精炼过程所用原材料中含有的Al、Ca、Mg等杂质元素；LF精炼渣成分及精炼渣碱度（精炼渣中Al2O3含量小于12%，采用中性精炼渣，R=1）；LF精炼工艺（精炼时间、精炼温度等）对钢中 A1 s含量及浸入式水口结瘤有重要影响。参考文献：1 金利玲, 王海涛, 许中波,等.帘线钢CaO-SiO2-Al2O3-MnO系夹杂物的成分控制.北京科技大学学报,2007,29（4）：377-3792薛正良,胡会军，等.帘线钢82B精炼过程中的酸溶铝控制.炼钢,2003,19(1)3 王海涛,许中波,靳庆峰,等.帘线钢72A精炼过程研究