用碳化硅作煉鋼脫氧劑的應(yīng)用實踐與理論探討

薛修治

（中車沈陽機車車輛有限公司，遼寧沈陽110000）

用碳化硅作煉鋼脫氧劑的應(yīng)用實踐與理論探討

薛修治

（中車沈陽機車車輛有限公司，遼寧沈陽110000）

根據(jù)應(yīng)用碳化硅作煉鋼用擴散脫氧劑的實踐，論述了碳化硅脫氧的機理、效果和應(yīng)注意的問題。認為碳化硅是比較優(yōu)良的脫氧劑，對于提高鋼液質(zhì)量和降低成本具有重要意義。

碳化硅；煉鋼；脫氧劑；機理；應(yīng)用

碳化硅是一種人造化合物，是用硅砂及碳素材料在間歇式電阻爐內(nèi)經(jīng)高溫焙燒而成的。由于其硬度和耐火度較高，以往在國內(nèi)主要用于制造砂輪等磨具和特殊的耐火材料。近年來，隨著人們對其化學(xué)性質(zhì)的進一步了解，越來越多地被用于作煉鋼脫氧劑。

中車沈陽機車車國內(nèi)有限公司鑄鋼分廠從九十年代初期開始應(yīng)用碳化硅，取代原來的碳粉+硅鐵粉作擴散脫氧劑，不但簡化了操作，提高了鋼液質(zhì)量，而且取得了較好的經(jīng)濟效益。

1　碳化硅的理化性能

1.1物理性能［1］

顏色：灰黑色、有光澤；顆粒密度：3.2 g/cm3；硬度：莫氏硬度在9.2～9.6之間，高于剛玉，僅次于幾種超硬材料；抗壓強度：15 MPa；熔點：碳化硅沒有通常意義的熔點，只有分解溫度，在2 200℃～2 700℃之間，取決于測量時的氣氛和試樣的純度。

1.2化學(xué)性質(zhì)

分子式：SiC；分子量：40.07；組成（質(zhì)量分數(shù)）：Si 70.045%，C 29.955%；碳化硅本身易于被空氣中的氧所氧化，氧化的反應(yīng)式為：

由于氧化后在其表面形成了一層SiO2薄膜，阻礙了氧化的進一步進行，所以碳化硅能夠穩(wěn)定地存在于大氣中。

2　碳化硅的脫氧機理［2］

當(dāng)顆粒狀的碳化硅加入到爐渣中后，由于堿性爐渣與鋼液的作用，使碳化硅表面的二氧化硅迅速與渣中的金屬氧化物（MO）化合成低熔點的硅酸鹽。其反應(yīng)式為：

再加上熔池的機械沖刷，使碳化硅顆粒表面的二氧化硅薄膜很快被破壞。這樣，碳化硅就會與鋼渣接觸，并被其中的氧化亞鐵（FeO）所氧化，即：

同時，碳化硅中的游離碳在高溫下也參加脫氧反應(yīng)：

隨著渣中（FeO）含量的減少，鋼中溶解的［O］不斷向渣中擴散轉(zhuǎn)移：

這樣，就達到了擴散脫氧的目的。

由于SiC的比重略大于還原渣，所以有一部分未反應(yīng)完的SiC沉淀到鋼-渣界面上直接與鋼水中的［O］反應(yīng)：

從而使脫氧反應(yīng)更直接、更快速、更徹底。上述反應(yīng)的ΔG0-T曲線如圖1所示。

圖1　ΔG0-T曲線

計算得知，當(dāng)溫度T=1 600℃（即T=1 873 K）時，

綜上所述，溫度升高有利于碳化硅脫氧反應(yīng)的進行。

由于碳化硅的脫氧反應(yīng)大部分是在渣層內(nèi)或鋼一渣界面處進行的，反應(yīng)產(chǎn)生的一氧化碳氣體在渣中上浮過程中很易使渣呈泡沫狀，因而使其流動性變好，有利于上述反應(yīng)和脫硫反應(yīng)的進行。所以，用碳化硅脫氧的動力學(xué)條件是相當(dāng)優(yōu)越的。而用碳粉+硅鐵粉脫氧則無此優(yōu)越性。

3　碳化硅作擴散脫氧劑的應(yīng)用實踐

3.1鋼種

鑄鋼分廠熔煉的鋼種是以低碳鋼和低合金鋼為主，如ZG230-450、ZG25MnNi、ZG25MnCrNiMo等，其化學(xué)成份要求如表1.

表1　化學(xué)成份（質(zhì)量分數(shù)，%）

3.2碳化硅的技術(shù)要求

碳化硅的技術(shù)要求見表2.

表2　碳化硅的技術(shù)要求

3.3還原期操作

還原初期的預(yù)脫氧和造稀薄渣工藝不變。

加入造渣材料后，立即加碳化硅進行還原。碳化硅加入總量一般為6 kg/t～8 kg/t鋼。為了保持穩(wěn)定的還原性氣氛，SiC應(yīng)少量多次加入。爐渣堿度為3.5左右，渣量3%～4%.

為保證充分的脫氧和脫硫，應(yīng)造好白渣，并保持熔池具有較高的溫度，一般應(yīng)達到1 580℃～1 630℃.溫度過低則反應(yīng)速度慢，且容易增碳；過高則鋼水吸氣嚴重，且對爐襯損害較大。

終脫氧與出鋼工藝不變。

3.4應(yīng)用效果

根據(jù)多年的應(yīng)用實踐，使用碳化硅脫氧有以下幾方面的優(yōu)點。

3.4.1脫氧能力強，變渣快，還原時間可縮短

碳化硅的脫氧反應(yīng)是在鋼渣內(nèi)部進行的，SiC與（FeO）可以充分接觸，并縮短了［O］向渣中擴散所需的時間，所以反應(yīng)速度較快，進行得也較徹底，而且SiC的脫氧能力較強，所以變渣快，并使還原時間縮短。根據(jù)初步統(tǒng)計，原來使用碳粉+硅鐵粉脫氧的還原期時間平均為36.9 min，而使用碳化硅后，現(xiàn)在平均只要27.5 min，即可脫氧良好。所以說SiC使還原期時間縮短了9.4 min，按還原期的供電制度算，可節(jié)約電能18.8 kwh/t鋼，所以全年可節(jié)電（按年產(chǎn)1.5萬噸鋼水計算）282 000 kwh/t，約合13萬元。

3.4.2操作簡便，易于管理

用碳粉和硅鐵粉還原時，既要考慮C與（FeO）反應(yīng)的不完全性和反應(yīng)速度較慢，又要考慮硅鐵粉在渣鋼界反應(yīng)產(chǎn)生的（SiO2）可能沾污鋼液的問題（因FeSi比重較大），同時還要注意增C的傾向，操作起來不易掌握。碳化硅將脫氧所用的C與Si合二為一，使其加入更為簡便。按照訂貨的技術(shù)要求，每100 kg碳化硅中C與Si的質(zhì)量分數(shù)為：

C：［65%×29.955%+（87-65）%］×100=41.47（kg）

Si：65%×70.045%×100=45.53（kg）

其中C與Si的比例近似為1∶1，是較為合理的。

3.4.3提高鋼液的脫氧質(zhì)量，減少氣孔發(fā)生率

應(yīng)用碳化硅以后，脫氧更加徹底，使鋼液的含氧量大大減少。在此基礎(chǔ)上加強熔煉工序的質(zhì)量管理，使氣孔發(fā)生率由原來的5%左右降到現(xiàn)在的幾乎為0.可以說，碳化硅的應(yīng)用使鑄鋼件的質(zhì)量產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。

3.4.4降低材料成本

原來使用碳粉+硅鐵粉脫氧，使用量為：碳粉8 kg/t鋼，硅鐵粉5kg/t；現(xiàn)在SiC用量在7kg/t鋼左右。這樣，按進貨價格（碳粉400元/t、硅鐵粉5200元/t、碳化硅2 200元/t）計算，每熔煉1t鋼水，可節(jié)約成本：

8×400+5×5 200-7×2 200=13.8（元/t鋼）

以每年生產(chǎn)1.5萬噸鋼水計算，全年可節(jié)約材料費用20.7萬元。

3.5應(yīng)注意的問題

使用碳化硅如果操作不當(dāng)，也會出現(xiàn)一些問題，如增碳、增硅等。為此，操作過程中應(yīng)注意以下幾方面的問題：

1）加入量

每次要少加。第一次可按2 kg/t～3 kg/t鋼加入，此后每次按0.50 kg/t～1 kg/t鋼加入。注意碳化硅入爐時應(yīng)鋪散開，如果成堆狀加入，則會有較多的SiC沉入鋼-渣界面處，使其中一部分溶入鋼液中造成增碳、增硅。特別在出鋼前不應(yīng)加入過多的碳化硅使渣的還原性過強。

2）顆粒度

如果顆粒較大，則反應(yīng)所需時間較長，當(dāng)SiC顆粒達到鋼-渣界面時，尚未反應(yīng)的SiC便可能溶入鋼液中，造成增碳、增硅。

所以，碳化硅的顆粒度要小，一般以0 mm～5 mm為宜。

3）游離碳

如果游離碳含量高，易使還原渣造成弱電石渣或電石渣，使鋼液增碳。所以游離碳的含量不應(yīng)過大。

4）加料順序

碳化硅應(yīng)在加入其它渣料及合金料之后加入，加入后不應(yīng)立即攪拌，以防止將SiC和C混入鋼液中。

5）熔池溫度

高溫有利于碳化硅脫氧反應(yīng)，溫度低則反應(yīng)速度慢，也可能造成增C、增Si.

根據(jù)多年的應(yīng)用實踐，如果把以上問題處理好，碳化硅可以作為非常優(yōu)良的脫氧劑加以應(yīng)用。

4　結(jié)論

1）碳化硅是比較優(yōu)良的脫氧劑，其脫氧能力強，反應(yīng)速度快；

2）用碳化硅脫氧可以縮短還原時間，節(jié)電、節(jié)約材料成本，并提高鑄件質(zhì)量。

［1］李纓，黃鳳萍，梁振海.碳TX硅陶瓷的性能與應(yīng)用［J］.陶瓷，2007（5）：36-40.

［2］雷亞.煉鋼學(xué)原理［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

Practice and Mechanism Analysis of Silicon Carbide as Deoxidizer in Steelmaking

XUE Xiu-zhi
（CRRC Shenyang Locomotive Vehicle CO.，LTD.，Shenyang Liaoning 110000，China）

The mechanism，the effec and the cautions of silicon carbide deoxidization is expounded according to the practice being used as deoxidizer in steelmaking.lt is of important to improve the deoxidization quality and reduce production costs.

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TG243+.3

A

1674-6694（2016）04-0028-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.04.010

2016-04-29

薛修治（1962-），男，高級工程師，長期從事鑄鋼工藝及熔煉的技術(shù)工作。