簾線鋼精煉過程碳還原氧化鈦理論分析

郭大勇，高 航，萬雪峰，王秉喜，臧紹雙，常宏偉

(1.鞍鋼股份技術(shù)中心，遼寧 鞍山 114001;2.鞍鋼股份煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114001;3.鞍鋼股份產(chǎn)品制造部，遼寧 鞍山 114001)

汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，使汽車子午線輪胎鋼簾線用盤條的用量大幅增加.由于鋼簾線用盤條在加工過程受力狀態(tài)復(fù)雜，夾雜物特別是不變形夾雜，顯著增加盤條加工過程的斷絲率.TiN夾雜是一種不變形夾雜，易于導(dǎo)致鋼簾線用盤條在加工過程的斷絲，降低用戶的生產(chǎn)效率，提高用戶的生產(chǎn)成本，同時(shí)也降低鋼簾線的疲勞性能.

控制簾線鋼中的鈦含量，進(jìn)而控制鋼中含鈦夾雜物，對(duì)凈化鋼質(zhì)具有重要意義［1］.周德光等人［1］通過鋼中鈦夾雜形成的熱力學(xué)計(jì)算表明，控制鋼中的氮鈦含量可以抑制鋼中鈦夾雜的形成.控制簾線鋼中鈦含量，一方面是控制合金和鐵水中的鈦含量;另外一方面是控制造渣劑和耐火材料中以氧化物形式存在的鈦的含量，并防止這些以氧化物形式存在的鈦被還原進(jìn)入鋼液.

在簾線鋼精煉和連鑄過程，鋼液頂渣和覆蓋劑不同程度地存在氧化鈦.對(duì)精煉和連鑄過程頂渣以及覆蓋劑中氧化鈦被還原進(jìn)入鋼液的可能性進(jìn)行分析，進(jìn)而采取措施防止鋼液增鈦，對(duì)于控制鋼中鈦夾雜具有重要意義.

1 理論分析

根據(jù)鈦 - 氧反應(yīng)［2］和碳 - 氧反應(yīng)［3］，見式(1)～式(4)，得出碳還原頂渣或覆蓋劑中TiO2的平衡式，見式(5)，其熱力學(xué)數(shù)據(jù)見式(6).由式(5)和式(6)可得出鋼液中鈦活度與鋼液碳活度和渣中TiO2活度的關(guān)系，見式(7)和式(8).通過鋼液中元素的活度系數(shù)可以最終確定鋼液中鈦、碳和氧化鈦含量關(guān)系.

首先通過式(8)計(jì)算不同溫度條件下，鋼液中w(Ti)和渣中氧化鈦活度的關(guān)系，結(jié)果見圖1.由圖1可以看出，如果鋼中碳含量較低，w(C)=0.1%，理論計(jì)算的處于平衡狀態(tài)的鈦含量小于實(shí)際鋼液中的鈦含量0.000 5% ～0.001 0%的范圍，頂渣或覆蓋劑中的TiO2不能被［C］還原.如果鋼中碳含量較高，w(C)=0.80%，在1 550～1 600℃常見的連鑄和精煉溫度范圍內(nèi)，理論計(jì)算的式(8)中處于平衡狀態(tài)的鈦含量接近或超過實(shí)際鋼液中的鈦含量，頂渣或覆蓋中的TiO2存在被［C］還原的可能性.并且，溫度越高，碳還原頂渣或覆蓋劑中TiO2的能力越強(qiáng).因而對(duì)于簾線鋼來說，必須采取措施防止頂渣中TiO2被還原進(jìn)入鋼液.

表1 典型簾線鋼鋼液成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Composition of tyre cord steel(mass fraction)%

表2 在1 873 K條件下的鋼液中的元素相互作用系數(shù)Table 2 Interaction coefficients of the components in the steel at 1 873 K

另外，本文計(jì)算使用的高碳鋼中還含有硅，為此分析了硅還原頂渣或覆蓋劑TiO2的可能性.根據(jù)硅氧反應(yīng)［6］，得出硅還原鈦的熱力學(xué)方程，見式(9)～(13).采用式(13)計(jì)算的不同溫度條件下，鋼液中w(Ti)和渣中氧化鈦活度的關(guān)系(具體鋼液成分見表1)，計(jì)算結(jié)果見圖2.由圖2可見，鋼液中存在硅還原頂渣或覆蓋劑中TiO2的可能性.通過圖2和圖1(b)對(duì)比可知，在相同的條件下，與碳平衡的鈦含量較與硅平衡的鈦含量高，表明在簾線鋼中碳還原TiO2的能力較硅強(qiáng).

隨著鋼簾線用盤條逐步向高碳含量發(fā)展，特別是對(duì)碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在0.90% ～0.95%的鋼簾線用盤條來說，精煉渣和覆蓋劑中的Ti被還原進(jìn)鋼液的可能性加劇.為了保證這些鋼種的鋼質(zhì)純凈度，必須嚴(yán)格控制精煉渣和覆蓋劑中的殘余成分的含量，防止鋼液增鈦.

圖1 不同溫度條件下，碳和二氧化鈦反應(yīng)處于平衡狀態(tài)下的鋼液鈦含量w(Ti)Fig.1 Ti content in reaction equilibrium between C and TiO2at different temperatures(a)—鋼液 w(C)=0.1%;(b)—鋼液 w(C)=0.80%

圖2 不同溫度條件下，硅和二氧化鈦反應(yīng)處于平衡狀態(tài)下的鋼液鈦含量Fig.2 Ti content in reaction equilibrium between Si and TiO2at different temperatures

2 生產(chǎn)試驗(yàn)

在生產(chǎn)試驗(yàn)過程中，對(duì)簾線鋼精煉過程鋼液鈦含量變化和頂渣以及中間包覆蓋劑氧化鈦成分變化進(jìn)行了測(cè)量，見表3和表4.由表3可知，進(jìn)行試驗(yàn)罐次，在LF出鋼到中間包位置鋼液鈦含量都增加.與之相對(duì)應(yīng)的，進(jìn)行試驗(yàn)的罐次，在中間包位置鋼液接觸的覆蓋劑的氧化鈦含量均較高，并且在這一過程，并沒有增加任何合金.這表明，中間包頂渣氧化鈦含量的增加，易于導(dǎo)致鋼液增鈦.同時(shí)也證明了本文的理論計(jì)算結(jié)果是切合實(shí)際的.

表3 冶煉過程鋼液鈦含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 Ti content(mass fraction)in the sample during steelmaking process %

表4 冶煉過程鋼液頂渣和覆蓋劑中TiO2成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 4 TiO2content(mass fraction)of refining slag and covering agent in the refining process %

3 生產(chǎn)工藝改進(jìn)建議

在簾線鋼增碳過程中，由于增碳劑的碳含量很高，w(C)在90%左右，因此增碳劑還原頂渣中TiO2的能力是很強(qiáng)的.特別是在增碳過程，存在增碳劑通過精煉渣向鋼液里擴(kuò)散的過程，在鋼渣接觸的界面，鋼液碳的濃度大大超過成分調(diào)整的目標(biāo)值，導(dǎo)致精煉渣中TiO2被還原進(jìn)鋼液的幾率大大增加.因此，為避免增碳劑還原頂渣中TiO2，應(yīng)該降低簾線鋼精煉過程碳含量的調(diào)整次數(shù)，防止鋼液增鈦.這就需要精確控制轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)的碳含量，使之盡量接近鋼種碳含量要求，為精煉過程準(zhǔn)確控制鋼液碳含量奠定基礎(chǔ).精煉過程增碳劑的加入方式對(duì)增鈦也有影響，采用喂線的方式，可以達(dá)到快速增碳和減少鋼液增鈦的目的.另外，降低鋼液溫度和在轉(zhuǎn)爐爐后采用低TiO2含量造渣材料進(jìn)行頂渣改質(zhì)均可起到降低qTiO2的作用，進(jìn)而減小TiO2被還原的趨勢(shì).

4 結(jié)語

本文對(duì)簾線鋼精煉過程，碳還原渣中氧化鈦的熱力學(xué)進(jìn)行了分析.通過計(jì)算得出如下結(jié)論:在實(shí)際簾線鋼精煉和連鑄過程，頂渣或覆蓋劑的TiO2存在被還原的熱力學(xué)條件，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明了熱力學(xué)計(jì)算的合理性.為達(dá)到防止鋼液增鈦的目的，在簾線鋼精煉和連鑄過程使用的造渣劑和耐火材料的成分必須嚴(yán)格控制.在簾線鋼精煉過程，減少增碳次數(shù)對(duì)于控制簾線鋼中鈦含量是十分關(guān)鍵的.同時(shí)采用喂線的增碳方式，也可以達(dá)到快速增碳和減少鋼液增鈦的目的.另外，降低鋼液溫度和在轉(zhuǎn)爐爐后采用低TiO2含量造渣材料進(jìn)行頂渣改質(zhì)均可起到降低qTiO2的作用，進(jìn)而減小TiO2被還原的趨勢(shì).

［1］周德光.鋼中氮含量的控制及其對(duì)鋼質(zhì)的影響［J］.煉鋼:2005，21(1):43-46.

(Zhou Deguang.Control of nitrogen in steel and its effect on quality of steel［J］.Steelmaking，2005，21(1):43-46.)

［2］陳家祥.鋼鐵冶金學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1990:54.

(Cheng Jiaxiang. Ferrousmetallurgy［M］. BeiJing:Metallurgy Industry Press，1990:54.)

［3］梁連科.冶金熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)［M］.沈陽:東北大學(xué)出版社，1990:56.

(Liang Lianke.Thermodynamics and kinetics of metallurgy［M］.Shengyang:Northeastern University，1990:56.)

［4］ Ma Zhongting，Janke Dieter.Characteristic of oxide precipitation and growth during solidification of deoxidized steel［J］.ISIJ International，1998，38(1):46-52.

［5］卓曉軍，王立峰，王新華.簾線鋼中CaO-SiO2-Al2O3類夾雜物成分的控制［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2005，17(4):26-29.

(Zhuo Xiaojun，Wang Lifeng，Wang Xinhua.Composition control of CaO-SiO2-Al2O3inclusion in tire cord steel［J］.Journal of Iron and Steel Research，2005，17(4):26-29.)

［6］黃希祜.鋼鐵冶金原理［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1990:38.

(Huang Xihu.Theory of ferrous metallurgy［M］.Beijing:Metallurgy Industry Press，1990:38.)