真空感應(yīng)爐熔煉高硅電工鋼脫氧工藝的研究

楊佳欣 劉 靜 黎世德 陳子宏 張穗忠

(1.武漢科技大學(xué) 湖北 武漢:430081;2.國家硅鋼工程技術(shù)研究中心 湖北 武漢:430080; 3.武鋼研究院 湖北 武漢:430080)

0 引言

電工鋼板包括碳含量很低的<0.5%Si電工鋼和0.5%～6.5%Si硅鋼兩類,主要用作各種電機(jī)和變壓器的鐵芯,是電力、電子和軍事工業(yè)中不可缺少的重要軟磁合金。電工鋼板在磁性材料中用量最大,也是一種節(jié)能的重要金屬功能材料。

對于取向硅鋼而言,雜質(zhì)含量、夾雜物和析出物數(shù)量及分布狀態(tài)等對形成(110)[001]織構(gòu)的二次再結(jié)晶發(fā)展或者是晶粒取向度有很大影響。鋼中存在大量的氧化物夾雜,不易發(fā)展完善的二次再結(jié)晶組織,B800值低。對無取向硅鋼而言,氧更是有害元素,氧形成SiO2、Al2O3和MnO等氧化物夾雜,使磁性降低。MnO等細(xì)小氧化物可阻礙晶粒長大,使P1.5/50增高。氧加速氮在鐵中的擴(kuò)散速度,可間接的加速磁時(shí)效。硅和鋁降低碳和氮在α-Fe中的擴(kuò)散速度,阻礙磁時(shí)效,但氧與硅和鋁形成氧化物,所以氧也促進(jìn)磁時(shí)效[1]。

因此,降低電工鋼中的氧含量可使磁性明顯改善。本文就真空感應(yīng)爐冶煉高硅電工鋼的脫氧工藝和效果作了一些研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法及過程

試驗(yàn)在 MgO搗打坩堝真空感應(yīng)爐上進(jìn)行, 50Kg錠型,熔池表面積約300cm2,原料(純鐵、硅鐵、錳鐵等)均采用純料,嚴(yán)格控制原料中的氧和其它雜質(zhì)含量。試驗(yàn)用高硅電工鋼的成分如下表1所示。將配比好的原料加入爐中在真空下熔化和精煉,精煉過程中通過控制輸入功率維持熔池的溫度,然后充入氬氣(Ar)加壓并合金化,等合金熔化并保持一定的時(shí)間后,在真空下澆注成鋼錠。

表1 實(shí)驗(yàn)用鋼的主要化學(xué)成分

試驗(yàn)采用A、B、C三方案進(jìn)行熔煉后期的脫氧處理。A、B兩方案為鋼液化清后直接進(jìn)行高真空精煉,精煉期間真空度維持在3Pa～6Pa,它們的區(qū)別為精煉時(shí)間不同。A方案在完成真空化鋼后,精煉5min以進(jìn)行脫氧處理,B方案則精煉10min。B、C兩方案的區(qū)別為,C方案在完成10min精煉,通氬并合金化后,通過合金料斗加入50g硅鈣中間合金進(jìn)行脫氧處理,最后澆鋼。在鋼錠冷卻后,取各鋼錠樣進(jìn)行全氧含量分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

A、B、C三方案的脫氧效果和碳含量如下表2所示。

由表2可見,由于所采用的原料和前期熔煉工藝完全相同,A、B兩方案雖然精煉時(shí)間不同,但鋼錠最終的氧含量一樣,而C方案由于采用加入硅鈣合金進(jìn)行最終脫氧,鋼錠氧含量較A、B兩方案降低。由于原料的控制和采用延長精煉時(shí)間的工藝手段,三方案鋼錠的碳含量均達(dá)到了鋼種成分所要求的范圍。

表2 各方案的脫氧效果

3 討論

3.1 真空精煉時(shí)間對脫氧效果的影響

由于采用相同的原料,A、B兩方案原料中的氧含量完全相同,熔煉前期的工藝也完全一樣,后期工藝的差別來源于化鋼結(jié)束后精煉時(shí)間的不同。A方案在高真空下精煉了5min,B方案精煉達(dá)10min,兩方案鋼錠的氧含量則完全一樣。

真空精煉過程中的脫氧主要依靠鋼液中碳氧反應(yīng)來完成。在常壓和低壓下,鋼液中碳的間接氧化反應(yīng)按下式進(jìn)行:

式中:ΔG0—吉布斯生成自由能(J/mol)。

碳氧反應(yīng)的平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系式為

碳氧反應(yīng)式的平衡常數(shù)表達(dá)式為

碳氧反應(yīng)的脫氧常數(shù)(碳氧濃度積)為

由以上熱力學(xué)公式可見,在真空的作用下,冶煉空間的真空度越高,即 pCO值越低,脫氧常數(shù)m值就越小,鋼液中含氧量也越少。真空促進(jìn)了碳脫氧反應(yīng)的發(fā)展,提高了碳脫氧的能力。由于碳脫氧時(shí),脫氧產(chǎn)物為CO,不溶于鋼液,隨時(shí)被抽氣系統(tǒng)排出,所以脫氧產(chǎn)物不會留在鋼中,使鋼中的總氧含量顯著降低[2]。因此,真空下利用碳脫氧可使鋼中氧含量下降到很低水平。在1600℃本試驗(yàn)鋼液成分下,精煉達(dá)5min后3～6 Pa真空下與0.0028%C相平衡的鋼中氧為0.0015%,可見高真空下碳脫氧可以達(dá)到很好的效果。

真空感應(yīng)熔煉過程中盡管碳具有很強(qiáng)的脫氧能力,但是碳脫氧并不能完全決定鋼液總含氧量[3]。因?yàn)?當(dāng)鋼液達(dá)到一定溫度,隨著脫氧反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行,爐襯材料將發(fā)生熱分解反應(yīng),向鋼液中供氧:

爐襯材料分解向溶池的供氧速度取決于溶池溫度和熔煉真空度,溫度和真空度越高,爐襯供氧使熔池達(dá)到的最高理論氧含量也越高,圖1為不同溫度下MgO分解時(shí)真空度與[O]的關(guān)系。碳氧反應(yīng)主要發(fā)生在鋼液自由表面和鋼液與爐襯的上部接觸面上,而每1mm深的鋼液將產(chǎn)生70Pa靜壓,這時(shí)過高的真空度并不能對整個熔池的碳氧反應(yīng)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響,相反過高的真空度會降低氧化鎂的熱穩(wěn)定性,不利于鋼液的深度脫氧[4]。熔化期和精煉初期,碳脫氧反應(yīng)占主導(dǎo)地位并決定鋼液總含氧量。精煉后期溫度、真空度比較高的條件下,坩堝材料氧化物分解向鋼液供氧反應(yīng)占主導(dǎo)地位,鋼液中含氧量取決于這兩個反應(yīng)的脫氧量和供氧量之差。鋼中含氧量并非隨精煉時(shí)間的延長而下降,含氧量取決于以上兩個反應(yīng)的速率差。

圖1 不同溫度下MgO分解時(shí)真空度與[O]的關(guān)系

1600℃時(shí)當(dāng)系統(tǒng)壓力低于50Pa時(shí),MgO的熱穩(wěn)定性急劇下降,其在10Pa真空度下的[O]爐襯= 0.0127%,本試驗(yàn)精煉的真空度維持在3～6Pa,在熔煉時(shí)爐襯材料分解的氧含量將更高,勢必引起鋼液的增氧[5]。A方案精煉5min后,反應(yīng)(1)和反應(yīng)(6)已經(jīng)到達(dá)平衡,而B方案繼續(xù)延長精煉時(shí)間達(dá)10min,并不能帶來鋼液氧含量的降低。隨著精煉時(shí)間的延長,反應(yīng)(1)仍在進(jìn)行,因此B方案的碳含量要低于A方案。

3.2 加入硅鈣合金對脫氧效果的影響

B、C兩方案的區(qū)別為,C方案在B方案完成的基礎(chǔ)上,加入50g硅鈣中間合金進(jìn)行脫氧,其脫氧效果也優(yōu)于B方案。

鈣是強(qiáng)脫氧元素,由于鈣的汽化溫度低,蒸氣壓高,無法有效的加入鋼中,因此,必須采用含鈣的二元或多元合金提高鈣的脫氧效果。硅鈣合金是使用最廣泛的含鈣脫氧合金。它含有約30%的Ca和60%的Si,其余為 Fe等。硅鈣合金脫氧主要通過以下反應(yīng)完成:

當(dāng)硅鈣合金加入后,由于鋼液中夾雜物細(xì)小呈球形而不易上浮,因此,使用硅鈣合金脫氧速度很慢。脫氧后鋼液必須保持足夠時(shí)間以后,鋼中總含氧量才能下降到最低值[2]。同時(shí),耐火材料的種類對硅鈣的脫氧效果有著有著顯著的影響。在MgO坩堝中用鈣脫氧時(shí),鐵液中的鈣能使坩堝中的MgO還原:

發(fā)生反應(yīng)(10)的鎂在鋼液中立即汽化并迅速的逸至液面而氧化燃燒。反應(yīng)(10)的發(fā)生使加入硅鈣的利用率降低,不利于脫氧反應(yīng),因此,鋼液中的總含氧量不能顯著降低,加入硅鈣合金的脫氧效果變差。

C方案在B方案完成的基礎(chǔ)上,加入50g硅鈣中間合金進(jìn)行脫氧,鋼錠氧含量也由0.0015%下降到0.0010%。但由于硅鈣合金自身的脫氧效果和MgO坩堝的影響兩方面的原因,C方案鋼錠的氧含量不能進(jìn)一步降低。且和B方案一樣,由于冶煉時(shí)間的延長,C方案的碳含量進(jìn)一步降低。

4 結(jié)論

(1)在利用氧化鎂搗打坩堝真空感應(yīng)爐熔煉高硅電工鋼過程中,通過控制原料的成分、高真空下的碳氧反應(yīng)和爐襯分解向鋼液中的供氧,可使鋼液的總氧含量≤15×10-6。

(2)在維持高溫高真空條件下,當(dāng)反應(yīng)達(dá)到一定程度后,延長精煉時(shí)間并不能降低鋼液的總氧含量,必須合理的控制精煉時(shí)間才能達(dá)到降低總氧含量的效果。

(3)完成精煉后加入硅鈣合金沉淀脫氧可進(jìn)一步降低鋼液的總含氧量,但脫氧效果有限。

[1] 何忠治.電工鋼[M].北京:冶金工業(yè)出版社出版,1996.

[2] 王振東,曹孔健,何紀(jì)龍.感應(yīng)爐冶煉[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社出版,2007.

[3] 章光安.真空感應(yīng)爐冶煉中的核心問題——碳氧反應(yīng)[J].本鋼技術(shù),1995,(2):17-25.

[4] 姚春發(fā),李太全,王 敏,等.真空感應(yīng)爐冶煉X120管線鋼脫氧和脫硫試驗(yàn)[J].特殊鋼,2008,29(4):25-27.

[5] 薛正良,高俊波,齊江華,等.真空感應(yīng)熔煉過程爐襯材料向鋼液供氧現(xiàn)象的研究[J].特殊鋼,2005,26(1):6-8.