IF 鋼RH 精煉過程合金損失行為研究

龔俊健，張超杰，王海川，蒲春雷，

（1. 中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210019；2. 安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

引 言

IF（interstitial-free）鋼也稱無間隙原子鋼，通過在鋼中加入一定量的Ti 和Nb 元素使鋼中的C 和N原子被固定為碳化物和氮化物，從而具有優(yōu)良的深沖性和無時效性，是繼沸騰鋼與鋁鎮(zhèn)靜鋼之后廣泛應(yīng)用的第三代深沖用鋼，主要用于汽車工業(yè)和家電制造業(yè)。汽車是公路運(yùn)輸最重要的交通工具，生產(chǎn)一輛汽車的原材料中鋼材占比為72%～88%，其中薄鋼板用量最多，薄鋼板主要為IF 鋼冷軋深沖板，因此IF 鋼對汽車制造起著至關(guān)重要的作用［1］。

IF 鋼的主要冶煉工藝流程為：BOF→RH→CC，轉(zhuǎn)爐出鋼后進(jìn)行RH 真空循環(huán)脫氣可極大程度的降低鋼中碳含量。如某廠生產(chǎn)Ti-IF 鋼的具體工藝流程為：鐵水預(yù)處理脫硫→300 噸復(fù)吹轉(zhuǎn)爐→300噸RH 精煉→連鑄。在IF 鋼RH 精煉過程中使用的合金主要為鋁粒、錳鐵和鈦鐵合金，其中加入的鈦元素可以有效固定鋼中的C、N 原子形成Ti（C，N），提高鋼的深沖性。錳鐵和鈦鐵合金主要以塊狀的形式從高位料倉加入RH 鋼水中，某廠錳鐵的收得率平均為91.2%，鈦鐵收得率平均為91.18%。由于合金用量較大，因此合金的成本舉足輕重，提高合金收得率對節(jié)約煉鋼成本具有重要意義［2-3］。不少學(xué)者探索了不同種類合金在冶煉時的損失及收得率情況［4-9］，然而關(guān)于IF 鋼RH 精煉過程合金的損失途徑和收得率研究還較少。本文針對IF 鋼RH 精煉過程用錳鐵和鈦鐵合金的損失去向進(jìn)行了研究，得到了RH 真空條件和精煉渣對錳鐵及鈦鐵合金損失的影響，明晰了IF 鋼RH 精煉用錳鐵和鈦鐵合金的主要損失途徑。

1 RH 真空條件下的IF 鋼用合金的損失行為

1.1 IF 鋼用合金的粉化行為

IF 鋼用錳鐵和鈦鐵主要為粒度為10～50 mm的塊狀合金，這些塊狀合金從鐵合金廠運(yùn)輸?shù)戒撹F廠后，在進(jìn)入RH 鋼水前需經(jīng)歷不同環(huán)節(jié)的運(yùn)輸過程，如：外購進(jìn)入合金倉庫后，通過卡車運(yùn)輸?shù)降叵铝蟼}，再從地下料倉通過皮帶運(yùn)輸?shù)礁呶涣蟼}，然后從高位料倉下落到混合料倉，最后從混合料倉通過溜管進(jìn)入到RH 鋼水中，如圖1 所示。錳鐵和鈦鐵均為塊狀的脆性合金，在上料過程不同環(huán)節(jié)的運(yùn)輸中會受到不同程度的撞擊、擠壓和摩擦等作用，從而產(chǎn)生一定比例的粉末，如圖2 所示。為探索塊狀錳鐵和鈦鐵在上料運(yùn)輸過程中產(chǎn)生粉末的比例以及粉末狀合金的損失途徑，開展了模擬合金上料過程的落下試驗(yàn)和RH 真空室內(nèi)氣體流場及合金受力的計(jì)算分析。

為研究合金在上料運(yùn)輸過程中的粒度變化情況，開展了錳鐵和鈦鐵合金的落下試驗(yàn)，根據(jù)圖1 所示的合金的運(yùn)輸流程，假設(shè)所有合金在整個運(yùn)輸過程中依次經(jīng)歷4 次高度分別為3，4，4，3 m 的自由墜落。在合金倉庫篩選出15 kg 粒度為10～50 mm 的錳鐵和鈦鐵合金，各自裝入布袋中，然后分別連續(xù)從3，4，4，3 m 的高度自由墜落至地面，所有試驗(yàn)均重復(fù)一次。將試驗(yàn)后的合金進(jìn)行篩分，篩網(wǎng)孔徑分別為10，5，2，1 mm，得到粒度＞10，5～10，2～5，1～2和＜1 mm 的合金，如圖3 所示。最后使用天平稱量得到下落試驗(yàn)后不同粒度范圍的錳鐵和鈦鐵合金的重量占比，如圖4 和圖5 所示。錳鐵和鈦鐵的兩次現(xiàn)場落下試驗(yàn)的結(jié)果非常接近，相對誤差小于2%，說明現(xiàn)場落下試驗(yàn)具有較好的可重復(fù)性，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

通過落下試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)錳鐵在上料運(yùn)輸中因撞擊擠壓摩擦等力的作用導(dǎo)致的粉碎率為：＜10 mm 的比例為20.7%，＜1 mm 的比例為3.1%；鈦鐵在上料運(yùn)輸發(fā)生撞擊擠壓摩擦等力的作用導(dǎo)致的粉碎率為：＜10 mm 的 比 例 為1.78%，＜1 mm 的 比 例 為0.17%。這些錳鐵和鈦鐵合金的粉末在加入RH 的過程中，所經(jīng)歷的物理和化學(xué)變化與塊狀合金不同，容易發(fā)生損失。

1.2 RH 真空條件下合金的損失途徑分析

合金在加入到RH 真空室內(nèi)進(jìn)入鋼水前的受力主要為合金自身的重力和合金受到RH 真空室內(nèi)向上氣流的曳力。其中曳力的計(jì)算公式可以用下式計(jì)算［10］：

式中G為合金所受重力，N；ρp為合金密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

當(dāng)RH 真空度和循環(huán)氣體流量一定時，RH 真空室內(nèi)氣體流速可以通過數(shù)值模擬計(jì)算得到，如RH真空度為67 Pa，循環(huán)氣體流量為180 m3/h，鋼水溫度為1873 K，計(jì)算得到RH 真空室內(nèi)向上運(yùn)動氣流的流速為105～140 m/s［11］。在該氣體流速下，如果合金所受向上的曳力大于向下的重力，則合金有較大概率被向上的氣流帶入RH 真空管道發(fā)生損失。根據(jù)上述公式，可以計(jì)算得到錳鐵和鈦鐵合金粉末在真空室內(nèi)曳力和重力隨合金粒度的變化情況，如圖6 所示。可以看出，合金所受曳力和重力均隨合金粒度的增大而增大，而曳力均隨粒度增大的增大速率大于重力的增大速率。當(dāng)合金所受曳力Fd等于合金所受重力G時，可以得到錳鐵和鈦鐵合金粉末被RH 真空室向上氣流帶入RH 真空管道的臨界粒度分別為1.01 mm 和1.20 mm。即，當(dāng)錳鐵粒度小于臨界值1.01 mm 時，其所受向上的曳力大于向下的重力；當(dāng)鈦鐵粒度大于臨界值1.20 mm 時，其所受向上的曳力大于向下的重力。粒度小于臨界粒度值的合金容易被RH 真空室內(nèi)向上運(yùn)動氣流帶入到真空管道發(fā)生損失。

為了證實(shí)部分粉末狀合金被RH 真空室內(nèi)向上運(yùn)動的氣流帶入到真空管道內(nèi)，針對某廠真空管道灰進(jìn)行了取樣和成分檢測。RH 真空管道易積灰位置如圖7 所示；水冷彎頭、B1、B3 泵以及氣冷器為RH 精煉過程易積灰位置，分別在這些位置處進(jìn)行了取樣，如圖8 所示；并采用XRD 定量物相分析法針對真空管道灰成分進(jìn)行了檢測，部分結(jié)果如圖9所示，發(fā)現(xiàn)真空管道灰主要成分為Mn，F(xiàn)e 和Al 的氧化物。因此可以認(rèn)為，RH 真空管道灰中的Mn 一部分來自于被RH 真空室內(nèi)向上運(yùn)動氣流帶入到真空管道的錳鐵粉末。

2 RH 精煉渣對IF 鋼用合金的燒損研究

2.1 RH 精煉渣對合金收得率的影響

IF 鋼RH 精煉爐渣為SiO2-Al2O3-CaO 精煉渣系，主要成分為SiO2，CaO，MnO，MgO，P2O5，Al2O3，F(xiàn)eO 和TiO2，合金與該精煉渣接觸容易發(fā)生燒損。IF 鋼RH 精煉過程錳鐵和鈦鐵合金加入鋼水后的主要損失途徑之一為合金被鋼水液面的精煉渣燒損，燒損的程度跟合金在鋼水中的熔化過程和運(yùn)動軌跡有關(guān)。

采用相關(guān)性分析法對某廠3288 爐RH 精煉渣中各成分與錳鐵和鈦鐵合金收得率的相關(guān)性進(jìn)行了分析，如表1 和表2 所示。從表1 可以看出，渣中各成分含量與錳收得率之間的相關(guān)性的顯著性水平均大于0.05，均未通過顯著性檢驗(yàn)，因此認(rèn)為渣中各成分對錳收得率影響的相關(guān)性不顯著。從表2 可以看出，渣中MnO 含量、FeO 含量、MnO+FeO 含量以及TFe 含量四因素與鈦鐵收得率相關(guān)性的顯著性水平分別為0.004，0.013，0.011 和0.013，小于設(shè)置的顯著性水平0.05 或0.01，通過了顯著性檢驗(yàn)，與鈦收得率呈負(fù)相關(guān)性，且相關(guān)性顯著。

表1 渣中各成分與錳收得率的相關(guān)性分析

表2 渣中各成分與鈦收得率的相關(guān)性分析

合金收得率與RH 精煉渣參數(shù)之間的相關(guān)性檢驗(yàn)運(yùn)用雙變量相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析，采用Pearson 相關(guān)系數(shù)用來衡量變量之間的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)越接近于1 或-1，相關(guān)度越強(qiáng)，分別代表正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)越接近于0，相關(guān)度越弱。顯著性檢驗(yàn)采用雙側(cè)檢驗(yàn)，計(jì)算相應(yīng)的相伴概率，即顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，并根據(jù)此進(jìn)行決策。檢驗(yàn)過程中，H0假設(shè)為變量之間線性關(guān)系不顯著，當(dāng)相伴概率大于等于顯著性水平時，則不應(yīng)拒絕H0假設(shè)，認(rèn)為兩個變量之間的線性關(guān)系不顯著，相關(guān)性不明顯或者相關(guān)性較弱；當(dāng)相伴概率小于顯著性水平時，則應(yīng)拒絕H0假設(shè)，認(rèn)為兩個變量之間的線性關(guān)系顯著，相關(guān)性明顯。

通過相關(guān)性分析結(jié)果可知，RH 精煉渣成分與錳鐵的收得率無相關(guān)性，而RH 精煉渣中MnO 含量、FeO 含 量、MnO+FeO 含 量 以 及TFe 含 量 與 鈦鐵的收得率有較為顯著的相關(guān)性。RH 精煉渣的氧化性可導(dǎo)致合金的燒損，而精煉渣對合金的燒損還跟合金加入RH 鋼水后的運(yùn)動軌跡和熔化過程有關(guān)，因此進(jìn)一步研究了合金加入鋼水后的燒損行為。

2.2 合金加入鋼水后的燒損行為分析

為了探索不同種類的合金加入RH 鋼水后的運(yùn)動行為，開展了合金加入鋼水過程的水模型試驗(yàn)，以某廠300 噸RH 精煉裝置為原型，水模型裝置如圖10所示。將水和紅色聚氯乙烯泡沫粒子裝入密封透明容器制作成與水不同密度比的塊狀固體模擬不同密度的合金，然后分別將該塊狀固體從加料口加入RH水模型中，觀察其運(yùn)動軌跡，發(fā)現(xiàn)不同密度的材料在RH 水模型中的運(yùn)動軌跡不同，主要可分成3 類：

（1）當(dāng)材料與水密度比小于0.85 時，其加入RH水模型后將一直浮于下降管上方液面處；

（2）當(dāng)材料與水密度比為0.85～1.0 時，其加入RH 水模型后的運(yùn)動軌跡主要有如下2 種情況：

①材料在湍流作用下通過下降管進(jìn)入鋼包水模型一定深度，然后上浮至鋼包水模型液面；

②材料在湍流作用下通過下降管進(jìn)入鋼包水模型一定深度，然后上浮至下降管底部并滯留于此。

（3）當(dāng)材料與水的密度比大于1.0 時，其加入RH 水模型后將通過下降管沉降至鋼包底部，并不再上浮。

IF 鋼用錳鐵和鈦鐵合金與鋼水的密度比如表3 所示，考慮到合金加入鋼水后其表面形成的鋼殼對其密度的影響，錳鐵加入鋼水后，其與鋼水的密度比大于1.04；粒度為50 mm 的鈦鐵加入鋼水后的最大密度為6319 kg/m3，與鋼水的密度比為0.90。因此錳鐵加入RH 鋼水后，其在鋼水中隨鋼水運(yùn)動的同時，還傾向于向下運(yùn)動至鋼包底部，不會向上運(yùn)動與鋼渣接觸發(fā)生燒損。而鈦鐵加入RH 鋼水后，其運(yùn)動軌跡如圖11 所示，小粒度的鈦鐵在湍流作用下通過下降管進(jìn)入鋼水一定深度并逐步熔化完全，如圖11（a）所示；大粒度的鈦鐵在湍流作用下通過下降管進(jìn)入鋼水一定深度，然后上浮至鋼水液面與渣接觸發(fā)生燒損，如圖11（b）所示；或者上浮至下降管底部并滯留于此，直至熔化完全，如圖11（c）所示。因此，錳鐵和小粒度的鈦鐵與RH 精煉渣接觸發(fā)生燒損的概率較小，而大粒度的鈦鐵與RH 精煉渣接觸發(fā)生燒損的概率較大。

表3 合金與鋼水的密度比

3 結(jié)束語

針對汽車用鋼IF 鋼RH 精煉過程錳鐵和鈦鐵合金的損失行為進(jìn)行了研究，分別從RH 真空條件下的IF 鋼用錳鐵和鈦鐵合金的粉化及損失和RH 精煉渣對IF 鋼用錳鐵和鈦鐵合金的燒損兩方面進(jìn)行了分析探索，明確了IF 鋼RH 精煉過程用合金的主要損失途徑和控制措施。

（1）IF 鋼用塊狀錳鐵和鈦鐵合金在上料運(yùn)輸過程中因撞擊擠壓摩擦等作用容易產(chǎn)生粉末，錳鐵和鈦鐵上料過程中產(chǎn)生的粒度＜1 mm 的粉末比例分別為3.1%和0.17%。

（2）粉末狀合金在加入RH 過程中容易被RH真空室內(nèi)向上運(yùn)動的氣流帶入到真空管道發(fā)生損失，在一定RH 真空精煉條件下，不同種類合金粉末被氣流帶入到真空管道的臨界粒度不同；

（3）錳鐵和小塊粒度鈦鐵加入RH 鋼水后不容易與精煉渣接觸發(fā)生燒損，大塊鈦鐵加入RH 鋼水后容易上浮到鋼渣界面發(fā)生燒損。