IF 鋼加硅脫氧生產(chǎn)實(shí)踐

湯海明 陳永洪 劉 彬 楊龍川

（河鋼邯鋼邯寶煉鋼廠）

0 前言

邯寶煉鋼廠是河鋼邯鋼主要的汽車板生產(chǎn)地，每月汽車板產(chǎn)量達(dá)到12 萬(wàn)t 以上。汽車板（IF 鋼）最主要的難點(diǎn)就是鋼水中夾雜物的控制。IF 鋼主要是采用吹氧加鋁升溫和鋁脫氧的方式進(jìn)行生產(chǎn)的，脫氧生成的Al2O3夾雜物熔點(diǎn)高、難去除，易堵水口，影響連鑄澆鑄性和汽車板的表面質(zhì)量。為有效降低鋼中夾雜物，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究[1]得出硅鐵和鋁對(duì)鋼液的升溫效果相差不大，而含SiO2夾雜的鋼水的可澆性比Al2O3好，而且硅鐵比鋁粒便宜很多，對(duì)連鑄可澆鑄性和鋼水質(zhì)量的影響小，但是對(duì)表面質(zhì)量要求較高的鍍鋅類汽車板用鋼來(lái)說(shuō)，GB /T 700—2006[2]要求鋼中的Si 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.01%。因?yàn)檫^(guò)量的Si 不僅會(huì)降低鋼板的耐腐蝕性，而且會(huì)影響鍍鋅層的粘附性能[3]。要實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車板用鋼中的Si 含量的嚴(yán)格控制，需要合理優(yōu)化工藝，選擇合適的加入量和加入方式，在滿足硅含量要求的前提下減少鋁的使用量，從而降低生產(chǎn)成本，提高鋼水質(zhì)量。筆者通過(guò)理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了IF 鋼以硅代鋁脫氧工藝技術(shù)的應(yīng)用。

1 IF 鋼用硅、鋁升溫?zé)崃W(xué)分析

1.1 硅、鋁的理論升溫計(jì)算

IF 鋼都是通過(guò)RH 真空冶煉，在冶煉過(guò)程中采用吹氧加鋁的化學(xué)升溫方式來(lái)提高冶煉所需溫度，在有氧的情況下加入硅鐵也能達(dá)到通過(guò)硅氧放熱反應(yīng)而使鋼水升溫，二者的反應(yīng)式[4]分別為：

CPO2（g）=34.60+1.09×10-3T（J/mol·K）

ΔH=1 483.45（J/mol·K）=27 471（kJ/kg·Al）

取1 600 ℃時(shí)純鐵的比熱容為0.824 MJ/(t·℃），100 kg 的Al 加入270 t 鋼水中升溫12.35 ℃；同理，考慮SiO2的相變及硅氧反應(yīng)的熱效應(yīng)可知：

ΔH=-26 324.2（kJ/kg·Si）

經(jīng)過(guò)計(jì)算可知每100 kg 硅鐵可使270 t 鋼液升溫11.1 ℃，通過(guò)計(jì)算得出，對(duì)于270 t 鋼水而言，在RH 冶煉時(shí)加入同等質(zhì)量的鋁粒和硅鐵，其理論升溫效果相差不大。

1.2 硅、鋁的熱力學(xué)還原反應(yīng)計(jì)算

同時(shí)采用硅、鋁脫氧的鋼液中，在鋁合適的情況下存在化學(xué)反應(yīng)。設(shè)冶煉時(shí)冶煉溫度為1 600 ℃，鋼中加入鋁時(shí)Al 會(huì)還原鋼中存在的[Si]，反應(yīng)式為：

本廠所冶煉的IF 鋼水的主要成分見(jiàn)表1。鋼液中各元素在假設(shè)冶煉溫度1 600 ℃時(shí)的相互作用系數(shù)見(jiàn)表2[5]。

表1 IF 鋼水的主要成分 %

表2 1 600 ℃時(shí)各元素間的相互作用系數(shù)

鋼中各元素的活度系數(shù)應(yīng)滿足：

將表1 和表2 中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（6）可得：fAl=0.99，fSi=1.01。

對(duì)RH 出站的IF 鋼進(jìn)行取樣，其渣中各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表3。

表3 IF 鋼渣中成分

把表3 中的渣系成分折算成CaO-Al2O3-SiO2渣系成分，通過(guò)三元渣系活度圖[5]可知αSiO2=0.0001，αAl2O3=0.2，把相關(guān)數(shù)值帶入式（5）可得ΔG=-146 029.08，即反應(yīng)向正向進(jìn)行，鋼水中的鋁能把SiO2還原回來(lái)，有增硅的趨勢(shì)。

2 工藝生產(chǎn)討論與分析

2.1 硅、鋁脫氧實(shí)際升溫效果

為了驗(yàn)證實(shí)際生產(chǎn)中加入硅鐵和鋁粒脫氧鋼液的實(shí)際升溫效果，首先利用含硅的IF 鋼進(jìn)行試驗(yàn)，各試驗(yàn)15 爐，加入量都是100 kg，試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 加入不同升溫劑后鋼水的升溫情況

從圖1 可以看出，鋁粒的實(shí)際升溫效果優(yōu)于硅鐵的，鋁粒的升溫量正態(tài)分布優(yōu)于硅鐵的，這主要是由于硅鐵中的硅含量為75%，導(dǎo)致升溫有所偏低。加100 kg 鋁粒的15 爐鋼液的平均升溫量為8.29 ℃，而加硅鐵的平均升溫量為6.81 ℃。從實(shí)際升溫效果看，實(shí)際升溫值不如理論計(jì)算值高，這主要是為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，一般是加入升溫劑循環(huán)2 min 后才開(kāi)始測(cè)溫，期間會(huì)有部分溫降。根據(jù)平時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，1 min 的溫降在1 ℃左右，那么加入100 kg 鋁?；?5%硅鐵的實(shí)際平均升溫量約為10.29 ℃或8.81 ℃。

2.2 不同處理時(shí)刻加入硅鐵對(duì)鋼液中硅的影響

為了研究不同冶煉階段加入硅鐵對(duì)IF 鋼中硅含量的影響，分別選取了轉(zhuǎn)爐爐后、精煉處理開(kāi)始和精煉處理脫氧合金化前3 min 三個(gè)冶煉階段進(jìn)行試驗(yàn)。每一個(gè)階段，每爐硅鐵（75%）的加入量均為50 kg 的，其中轉(zhuǎn)爐爐后和精煉處理開(kāi)始各試驗(yàn)了10 爐，脫氧合金化前3 min 試驗(yàn)了5 爐，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同時(shí)刻加入硅鐵鋼水中硅含量情況

從圖2 可以看出，相同的加入量，硅鐵加入越早，處理結(jié)束后鋼水中的硅含量越低，對(duì)鋼水質(zhì)量的影響也越小。轉(zhuǎn)爐爐后加入硅鐵，處理結(jié)束后鋼水中的硅含量最少；脫氧前3 min 加入硅鐵，處理結(jié)束后鋼水中的硅含量有三爐已經(jīng)超過(guò)內(nèi)控0.01% 的界限。按照平時(shí)冶煉時(shí)正常增硅量為40 kg 增加鋼水中0.01%的硅計(jì)算，加入50 kg 硅鐵生成的SiO2在鋁脫氧階段基本被還原成硅進(jìn)入鋼水中。因此，冶煉時(shí)硅鐵在轉(zhuǎn)爐爐后加入最優(yōu)，對(duì)鋼水質(zhì)量的影響較小。

2.3 加入量對(duì)增硅影響

通過(guò)試驗(yàn)已經(jīng)得出轉(zhuǎn)爐爐后加入硅鐵最優(yōu)，為了得出加入量與處理后鋼水中硅含量的關(guān)系，分別統(tǒng)計(jì)了爐后加入0 kg、50 kg、100 kg 及150 kg 硅鐵澆鑄后鋼水中硅含量的情況，其結(jié)果如圖3 所示。

從圖3 可以看出，隨著硅鐵加入量的增加，處理后鋼水中的硅含量有所增加，但硅鐵加入量≤150 kg 時(shí)，處理結(jié)束后鋼水中的硅含量均未超過(guò)內(nèi)控界限0.01%。試驗(yàn)中有些爐次的硅鐵加入量達(dá)到200 kg，處理結(jié)束時(shí)大部分鋼水中的硅含量均小于0.085%，有個(gè)別爐次稍微超過(guò)內(nèi)控0.01%。因此，只要加入得當(dāng)，轉(zhuǎn)爐后加入硅鐵量≤150 kg，處理結(jié)束后鋼水中的硅含量一般不會(huì)超過(guò)內(nèi)控（≤0.01%）的要求。

圖3 加入不同硅鐵量鋼水中硅含量情況

2.4 冶煉過(guò)程增硅情況

IF 鋼脫氧前鋼水中不含硅，成品中的硅主要是源于渣中的SiO2被還原[7]。假設(shè)渣中的硅還原只通過(guò)擴(kuò)散反應(yīng)完成，那么渣中SiO2的擴(kuò)散環(huán)節(jié)將是其反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)，擴(kuò)散反應(yīng)動(dòng)力關(guān)系式[8]為：

式中：A—鋼一渣反應(yīng)界面面積，cm2；Vm—鋼液體積，m3；w[Si]1、w[Si]——鋼-渣界面處鋼液側(cè)與渣相平衡的硅濃度和鋼中硅濃度，g/cm2；w[Si]0—鋼液中的初始硅濃度，g/cm2； ——硅在鋼液中的傳質(zhì)系數(shù)，取3×10-5～5×10-4m/s 。

從式（7）可以看出，一定量的鋼液通過(guò)傳質(zhì)增硅主要與鋼液界面兩側(cè)硅含量的濃度差和鋼液放置的時(shí)間有關(guān)系。

為了弄清IF 鋼水轉(zhuǎn)爐爐后加入硅鐵后，后面工序的增硅情況，由于在有氧的情況下鋼水中基本不會(huì)含硅，所以主要選取脫氧前（10 min）、RH出站和成品來(lái)對(duì)比分析，共取了8 爐試樣進(jìn)行分析，每一爐都在轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)加入100 kg 硅鐵，其不同時(shí)刻鋼水中的硅含量如圖4 所示。

圖4 鋼液冶煉過(guò)程的增硅情況

從圖4 可以看出，從冶煉到成品，鋼液中的硅含量是在不斷增加的，脫氧前鋼水中基本沒(méi)有硅，脫氧后鋼水中的鋁還原了部分渣中的SiO2，使出站時(shí)鋼水中的硅含量開(kāi)始增加，這也是加硅鐵后IF鋼水增硅最多的過(guò)程；出站后通過(guò)擴(kuò)散傳質(zhì)，鋼水中的硅含量進(jìn)一步增加，但其含量都還在內(nèi)控范圍內(nèi)，不影響IF 鋼汽車板的性能。

2.5 進(jìn)站氧含量與出站硅含量關(guān)系

RH 處理還未脫氧的情況下，鋼水中的硅含量很低，基本可以忽略，但隨著鋼液進(jìn)行脫氧合金化以后鋁就開(kāi)始不斷地從渣中還原SiO2，從而使鋼中的硅含量不斷增加。選取了50 爐轉(zhuǎn)爐加入硅鐵的鋼水條件，硅鐵加入量在130～150 kg 之間，將RH 進(jìn)站鋼水氧含量與出站硅含量的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 RH 處理開(kāi)始時(shí)氧含量與結(jié)束時(shí)硅含量的關(guān)系

從圖5 可以看出，隨著進(jìn)站鋼水氧含量的增加，RH 出站時(shí)鋼水中的硅含量存在降低的趨勢(shì)。這主要是進(jìn)站鋼水中的氧含量高，相應(yīng)的轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)氧含量也高，脫氧結(jié)束后鋼渣的氧化性相對(duì)較強(qiáng)，對(duì)于Al 還原渣中的SiO2有一定的抑制作用，從而減少鋼水回硅。

3 結(jié)論

（1）熱力學(xué)計(jì)算，理論上100 kg 鋁粒可使270 t鋼水升溫12.35 ℃，而硅鐵為11.1 ℃。

（2）脫氧后鋼中的Al 還原渣中的SiO2，使鋼中的硅含量增加。

（3）現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，加入100 kg 鋁粒（75%硅鐵）的實(shí)際平均升溫量為10.29 ℃（8.81 ℃）。

（4）冶煉時(shí)，硅鐵在轉(zhuǎn)爐爐后加入最優(yōu)，對(duì)鋼水質(zhì)量影響小，鋼水中的硅含量最低。

（5）正常情況下，轉(zhuǎn)爐后加入硅鐵量≤150 kg，處理結(jié)束后鋼水中硅含量一般不會(huì)超過(guò)內(nèi)控（≤0.01%）。

（6）隨著進(jìn)站鋼水中氧含量的增加，RH 出站時(shí)鋼水中的硅含量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

（7）IF 鋼中的硅主要來(lái)自于脫氧后鋼渣界面的SiO2被鋼中Als 還原。