論特殊鋼精煉過程中的脫氧及夾渣物控制

官平平 馬鵬

【摘 要】特殊鋼一般是指采用特殊工藝和裝備生產(chǎn)的、具有特殊化學成分要求并能保證特殊性能的、應用于特殊場合的鋼類。與普通鋼相比，特殊鋼要求高純凈度、高均勻性和高尺寸精度，特殊鋼精煉與普通優(yōu)質鋼相比，除了含有合金元素及低的雜質元素（S、P、H、N等）外，一個重要特點是對鋼中氧和夾雜物的要求極高。由于在脫氧鋼液精煉生產(chǎn)過程中存在著脫氧元素-鋼中溶解氧、鋼-渣、鋼液-夾雜物、鋼液-耐火材料、渣-耐火材料間的反應與平衡，因此在冶煉不同鋼種時，選用合適的脫氧劑、適當成分的爐渣和鋼包材質，對控制夾雜物的數(shù)量、組成和形態(tài)至關重要。

【關鍵詞】特殊鋼；脫氧工藝；夾雜物去除

引言

特殊鋼是針對客戶提出的質量要求，鋼廠不斷改進工藝，逐步提高成分、尺寸精確度和潔凈度的各類鋼的總稱。鋼中總氧量[TO]是衡量鋼潔凈度的重要標識，對于不同的鋼種，其控制要求也不盡相同。通過熱力學計算，比較不同脫氧劑的脫氧能力，并典型特殊鋼種精煉過程中的脫氧及夾雜物控制，分析和討論不同脫氧元素與鋼液、熔渣以及耐火材料之間的相互作用機制。

1.鋼液脫氧分析

不管用什么方法煉鋼，都需要在熔池中供氧去除C、Si、Mn、P等雜質元素，氧化精煉結束后，鋼液達到了一定的成分和溫度，其氧含量一般超過了C-O平衡線，如圖1所示。

如果鋼水不進行脫氧，連鑄坯就得不到正確的凝固組織結構，鋼中氧含量高，還會產(chǎn)生皮下氣泡、疏松等缺陷，并加劇S對鋼的危害作用，而且還會生成過多的氧化物夾雜。在室溫下，鋼中氧含量的增加將使鋼的伸長率和斷面收縮率顯著降低。在較低溫度和含氧量極低時，鋼的強度和韌性隨氧含量的增加而急劇降低。隨氧含量的增加，鋼的抗沖擊性能下降，脆性轉變溫度很快升高。氧在鋼中形成氧化物夾雜，對鋼的塑性、韌性和疲勞強度均有不利影響。

1.1 脫氧對鋼液質量的影響：

a.控制鋼液凝固時產(chǎn)生的碳氧反應的程度，對鎮(zhèn)靜鋼而言，要抑制碳氧反應，生成致密鋼錠。

b.降低鋼中氧和夾雜物。

c.進行夾雜物的變性處理，以生成對鋼的機械性能和疲勞壽命影響小的夾雜物我出發(fā)點，改變夾雜物形態(tài)，有的需要球形，有的生產(chǎn)工藝要求解決水口堵塞問題。

圖1終點碳和終點活性氧的關系圖

1.2 脫氧方式

脫氧是指向煉鋼熔池或鋼水中加入脫氧劑進行脫氧反應，脫氧產(chǎn)物進入渣中或成為氣相排出。根據(jù)脫氧發(fā)生地點的不同，其脫氧方法分為沉淀脫氧、擴散脫氧、真空脫氧。

1.2.1 沉淀脫氧

原理：將塊狀脫氧劑加入鋼液中，脫氧元素在鋼液內部與鋼中氧直接反應，生成的脫氧產(chǎn)物上浮進入渣中的脫氧方法，叫做沉淀脫氧，也叫直接脫氧。

優(yōu)點：脫氧速度快。

缺點：脫氧產(chǎn)物有可能難以全部上浮排除而成為鋼中的夾雜。

1.2.2 擴散脫氧

原理：（FeO）=[Fe]+[O]

通過向渣中加入粉狀脫氧劑Fe-Si、C粉、Al粉等，不斷降低渣中（FeO）活度，促使上述平衡向左進行，讓鋼液中的[O]降低的間接脫氧方式。

優(yōu)點：非接觸式，不會產(chǎn)生脫氧夾雜物。

缺點：脫氧速度慢。

1.2.3 真空脫氧

原理：[0]+[C]=CO↑

將鋼包內鋼水置于真空條件下，通過抽真空打破原有的碳氧平衡，促使碳與氧的反應，達到通過鋼中碳去除氧的目的。

優(yōu)點：脫氧比較徹底，脫氧產(chǎn)物為CO氣體，不污染鋼水，而且在排出CO氣體的同時，還具有脫氫、脫氮的作用。

缺點：需要專門的設備，徐較大的投資。

2.脫氧產(chǎn)物分析與排除

2.1鋼中夾雜物的種類及來源

鋼的性能主要取決于鋼的化學成分和組織，現(xiàn)在對鋼的性能要求越來越高，對鋼的化學成分和組織均勻性的要求與越來越高。

從不同角度出發(fā)，可劃分為：

2.1.1氧化物夾雜按成分分類。

a.簡單氧化物：SiO2、Al2O3、MnO、TiO2等。

b.復雜氧化物：包括尖晶石類化合物和各種鈣的鋁酸鹽。

c.硅酸鹽以及硅酸鹽玻璃：

通用式為 lFeO·mMnO·nAl2O3·SiO2。

2.1.2夾雜物按來源分。

a.外來夾雜物：由于耐材、熔渣在冶煉、精煉以及澆注過程中進入鋼中并滯留在鋼中造成的。

b.內生夾雜物：在液體或固體鋼中，由于脫氧和凝固時進行的各種物理化學反應而成。

2.2脫氧產(chǎn)物的排除

鋼液脫氧后，攪拌時脫氧產(chǎn)物去除得很快。一般認為，總氧量的減少是由一次脫氧產(chǎn)物的去除所決定的，當用分析成分計算的濃度積K=w[Si]%·w[O]2%與平衡值KSi=w[Si]%·w[O]2%一致時，則認為一次脫氧產(chǎn)物上浮終了。沒有攪拌時，K和KSI很長時間也達不到一致；而在強烈攪拌時，脫氧元素剛剛加入不久，一次脫氧產(chǎn)物在很短時間內便急劇地減少。其一次脫氧產(chǎn)物隨時間變化呈表觀一級反應形式：

C=C0exp（kt）

式中，C為鋼中一次脫氧產(chǎn)物量，即夾雜物量；C0為開始時的夾雜物量；t為時間；k為夾雜物上浮分離速度系數(shù)。用上式所求的k值大小可以評價夾雜物去除速度的大小，其與脫氧劑的加入數(shù)量及種類、鋼液溫度、容量以及攪拌強度等都有關系。對鋼液加以攪拌的目的在于，使鋼液運動，促使夾雜物的聚集與上浮。表1所示為鋼液不同運動狀態(tài)對鋁、硅脫氧產(chǎn)物的影響。

為了促進上浮，形成密度小的大粒度脫氧生成物是有益的，具體地說，要采用下面的方法：

a.用復合脫氧的方法，生成對脫氧生成物的成長有利的液態(tài)氧化物。

b.復合脫氧，脫氧劑按順序添加。

c.脫氧劑投入后要讓鋼水靜置一段時間。

d.為了確保生長上浮時間，在粗精煉爐內要進行預脫氧或脫氧。

3.結論

目前煉鋼生產(chǎn)中采用控鋁脫氧工藝和加鋁脫氧工藝。其中加鋁脫氧的一次脫氧率大于百分之九十 ，脫氧產(chǎn)物主要是AL2O3；而控鋁脫氧一次脫氧析出較少的脫氧產(chǎn)物量，其一次脫氧產(chǎn)物主要是SIO2。

參考文獻：

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[2]車得福.林宗虎.陳學俊.氣泡在液體中形成的試驗研究鋼鐵研究學報[J]，（1）：9