鈦微合金鋼爐外精煉工藝優(yōu)化研究

王 勇

（湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411100）

低、效率高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到鈦微合金鋼冶煉中[1]。近年來隨著鈦微合金鋼精煉要求的不斷提高，傳統(tǒng)的爐外精煉工藝已經(jīng)無法滿足高純度鈦微合金鋼的精煉要求，所以此次對(duì)從鈦微合金鋼爐外精煉工藝中除雜步驟出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此提高鈦微合金鋼爐外精煉工藝的除雜率。

1 鈦微合金鋼爐外精煉工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

此次對(duì)鈦微合金鋼爐外精煉工藝優(yōu)化主要從去除鈦微合金鋼液中的夾雜物角度出發(fā)，為了從根本上提高鈦微合金鋼的純度，此次分別對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)和攪拌狀態(tài)的鈦微合金鋼液中夾雜物去除步驟進(jìn)行優(yōu)化，以流體力學(xué)和雷諾系數(shù)為理論依據(jù)，根據(jù)夾雜物的上浮運(yùn)動(dòng)規(guī)律，達(dá)到此次鈦微合金鋼爐外精煉工藝優(yōu)化目的。

1.1 靜止鈦微合金鋼液除雜優(yōu)化

當(dāng)鈦微合金鋼液處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，對(duì)鋼液中的夾雜物去除主要依靠鈦微合金鋼液的上浮運(yùn)動(dòng)，傳統(tǒng)的靜止鈦微合金鋼液夾雜物去除是根據(jù)斯托克定律理論。此次從流體動(dòng)力學(xué)角度分析，單顆粒夾雜物在靜態(tài)鋼液中的上浮運(yùn)動(dòng)主要與夾雜物的體積、密度和性質(zhì)有直接關(guān)系[2]。根據(jù)雷諾系數(shù)定律分析，夾雜物在靜止鈦微合金鋼液中做上浮運(yùn)動(dòng)所受的阻力大小，分為斯托克斯定律區(qū)、過渡區(qū)、雷諾區(qū)，且當(dāng)阻力 R ≤ 5N 時(shí)，夾雜物在斯托克斯定律區(qū)的上浮速度為 ：

在公式（1）中，1S表示夾雜物在在斯托克斯定律區(qū)上浮速度，σk為鋼液中夾雜物的密度，σf為鈦微合金鋼液的密度 ；η為鈦微合金鋼液的動(dòng)力黏度，d 為夾雜物顆粒直徑，g 為夾雜物上浮運(yùn)動(dòng)的重力加速度[3]。當(dāng)夾雜物上浮阻力 5N＜ R ≤ 100N時(shí)，夾雜物在過渡區(qū)的上浮速度為 ：

當(dāng)夾雜物上浮阻力 R ＞ 100N 時(shí)，夾雜物在雷諾區(qū)的上浮速度為 ：

根據(jù)公式（1）、（2）、（3）得出夾雜物在靜止鈦微合金鋼液中上浮運(yùn)動(dòng)阻力為 ：

假設(shè)鈦微合金鋼液中的夾雜物成球形狀，將σk取值為5600kg/m3，σf取值 1350g/m3，η取值150kg/m.s，以此作為爐外精煉除雜步驟的基準(zhǔn)參數(shù)。然后將鋼液中實(shí)際的夾雜物直徑和密度等帶入到公式（1）、（2）、（3）中，得出夾雜物在鋼液中的上浮速度S，并將 S 再帶入到公式（4）中，檢驗(yàn)夾雜物阻力是否滿足要求[4]。一般情況下鈦微合金鋼水罐到除渣線位置的距離大于為 2.5m，當(dāng)鈦微合金鋼液處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，若要徹底去除鋼液中的夾雜物，至少需要在20min之后讓鈦微合金鋼液到達(dá)連鑄平臺(tái)，給夾雜物充足的靜止上浮時(shí)間，使鋼液中的所有夾雜物都漂浮在液面，以此得到高純度的鈦微合金鋼。

1.2 動(dòng)態(tài)鈦微合金鋼液除雜優(yōu)化

當(dāng)鈦微合金鋼液在熔池處于攪拌狀態(tài)下時(shí)，對(duì)鋼液中的夾雜物去除是比較簡(jiǎn)單便捷的，傳統(tǒng)的鈦微合金鋼爐外精煉在攪拌去除雜物步驟時(shí)，主要是向鋼液中添加脫氧劑，通過脫氧劑與鋼液中的夾雜物發(fā)生氧化反應(yīng)，形成大顆粒物體，再通過過濾篩出得到鈦微合金鋼。傳統(tǒng)在該步驟中只考慮了脫氧劑種類和鋼液溫度，對(duì)脫氧劑的用量并沒有具體參考數(shù)據(jù)，所以此次從脫氧劑的用量角度對(duì)鈦微合金鋼爐外精煉工藝中的攪拌鋼液除雜步驟進(jìn)行了優(yōu)化。當(dāng)鈦微合金鋼液的溫度、容量、氧化劑種類一定時(shí)，鋼液中夾雜物的排出率就取決于向鋼液中的氧化劑添加量[5]。在加入適量的氧化劑后，在其攪拌狀態(tài)下鋼液中的硫、銅等夾雜物的排出率要比添加過量和少量氧化劑情況下高。在實(shí)際鈦微合金鋼爐外精煉過程中，氧化劑的用量要控制在一定范圍內(nèi)，過多容易使鋼液中的鈦元素與氧化劑發(fā)生反應(yīng)，并且容易使鈦微合金鋼液露出表面，與空氣中的氧氣和氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)，形成鈦微合金鋼的二次污染，從而影響鈦微合金鋼的質(zhì)量 ；過少容易使鋼液中的硫、銅等夾雜物不能全部排出干凈。所以根據(jù)化學(xué)理論，將熔池內(nèi)鋼液中的溫度保持在 150℃～ 200℃，且對(duì)鋼液的攪拌速度控制在 40L/min ～ 46L/min，如果選用硝酸作為鈦微合金鋼氧化劑，需要添加的氧化劑量與鈦微合金鋼液的容量比為 1 ：6，即可實(shí)現(xiàn)鈦微合金鋼液中夾雜物全部排出 ；如果選用雙氧水作為鈦微合金鋼氧化劑，需要添加的氧化劑量與鈦微合金鋼液的容量比為 1 ：7.3，氧化時(shí)間為 9min，可將鈦微合金鋼液中的夾雜物完全氧化，然后再經(jīng)過過濾即可得到高純度的鈦微合金鋼，以此實(shí)現(xiàn)了鈦微合金鋼爐外精煉工藝優(yōu)化。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了檢驗(yàn)此次鈦微合金鋼爐外精煉工藝優(yōu)化的有效性，將其與傳統(tǒng)鈦微合金鋼爐外精煉工藝進(jìn)行一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中兩種爐外精煉工藝選用相同的高溫 MoSi電阻爐作為精煉設(shè)備，并且爐內(nèi)溫度控制在 1500℃～ 1550℃范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)步驟為：①將精煉原料送至爐內(nèi)進(jìn)行熔煉，去除原料中的水分 ；②選取鋼液中的熔渣進(jìn)行檢驗(yàn)分析，確定夾雜物具體成分 ；③在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)運(yùn)用優(yōu)化工藝將大顆粒夾雜物進(jìn)行排除 ；④對(duì)鋼液進(jìn)行攪拌，根據(jù)夾雜物化學(xué)成分選取合適的氧化劑，以及根據(jù)鋼液容量確定氧化劑用量 ；⑤在不斷攪拌過程中使氧化劑和夾雜物徹底反應(yīng)，并將氧化顆粒進(jìn)行過濾排除，以此得到鈦微合金鋼。此次實(shí)驗(yàn)選用 800kg 原料，對(duì)其共進(jìn)行 8 次精煉，檢驗(yàn)優(yōu)化后鈦微合金鋼爐外精煉工藝的除雜率。

2.2 結(jié)果分析

下圖為優(yōu)化前后的鈦微合金鋼爐外精煉工藝的除雜率。

圖 1 優(yōu)化前后鈦微合金鋼爐外精煉工藝的除雜率

從圖 1 可以看出，優(yōu)化后的鈦微合金鋼爐外精煉工藝的除雜率提高了大約 5%，并且 8 次精煉過程中除雜率平均為 85%。而傳統(tǒng)的鈦微合金鋼爐外精煉工藝平均除雜率在 80%左右。實(shí)驗(yàn)證明了此次對(duì)鈦微合金鋼爐外精煉工藝優(yōu)化有效提高了除雜率。

3 結(jié)束語

此次在原有鈦微合金鋼爐外精煉工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)除雜步驟進(jìn)行了優(yōu)化研究，并取得了一定的成果，有效提高了爐外精煉工業(yè)的除雜率，但由于研究時(shí)間及個(gè)人能力有限，僅對(duì)工藝中的除雜進(jìn)行了深入研究，未考慮其他因素對(duì)工藝的影響，例如鋼液攪拌速度、熔爐參數(shù)設(shè)置等，所以在以后還需要對(duì)鈦微合金鋼爐外精煉工藝進(jìn)行更深層次的研究，以提高工藝的使用價(jià)值，為鈦微合金鋼爐外精煉工藝提供準(zhǔn)確的理論依據(jù)。