RH爐添加硅鈣鋇合金進(jìn)行夾雜物變性處理實(shí)踐

王學(xué)林

（1.江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000；2.新余鋼鐵集團(tuán)公司，江西 新余 338001）

目前壓力容器用鋼多采用鋁脫氧，由此產(chǎn)生脫氧產(chǎn)物AlO以及MgO·AlO尖晶石為高熔點(diǎn)的不變形夾雜物，傳統(tǒng)的處理方式是通過喂絲機(jī)向鋼水中喂入純鈣包芯線+軟吹去除鋼中非金屬夾雜物，鈣處理效果主要由包芯線種類、喂線速度等決定。傳統(tǒng)鈣處理方式為純鈣包芯線通過喂絲機(jī)直接加入鋼水，為保證合適的鈣收得率須控制喂絲速度，一般為1.5～3.0m/min，喂絲時(shí)間為4min，喂絲過程中鈣在鋼水中劇烈沸騰，鋼水二次氧化、卷渣形成大尺寸夾雜物。新余鋼鐵公司煉鋼廠一區(qū)（以下簡稱鋼一區(qū)）壓力容器用鋼主要生產(chǎn)工藝流程為100t轉(zhuǎn)爐→100tLF精煉爐→RH精煉→鈣處理（采用純鈣包芯線）、軟吹6min→連續(xù)鑄鋼。因廠房布局不合理，鋼水吊運(yùn)、精煉功能全部集中在鋼水接收跨，造成LF-RH雙聯(lián)工藝工序時(shí)間不穩(wěn)定，RH精煉后軟吹時(shí)間只有6min，導(dǎo)致夾雜物控制不穩(wěn)定，2.5級以下夾雜物合格率為86.73%。超標(biāo)夾雜物主要集中在B類、Ds大型夾雜物。該文選擇在RH爐真空處理后期通過料倉向鋼水中添加硅鈣鋇合金進(jìn)行鈣處理的方式，在保證鈣處理效果的前提下，以取消喂線工藝、增加軟吹時(shí)間的方式去除鋼水中的夾雜物。

1 改進(jìn)后工藝流程

目前鋼一區(qū)壓力容器用鋼主要為Q245R、Q345R、16MnDR等，化學(xué)成分見表1。改進(jìn)后工藝流程為100t轉(zhuǎn)爐→100tLF精煉爐→RH精煉（真空處理后期通過料倉添加硅鈣鋇合金）→軟吹10min→連續(xù)鑄鋼。傳統(tǒng)方式是在RH真空處理結(jié)束后通過喂絲機(jī)喂入純鈣包芯線，喂絲時(shí)間4min；改進(jìn)后則是在RH真空處理后期添加硅鈣鋇合金，真空處理結(jié)束后直接進(jìn)入軟吹工藝，在保證鈣處理效果前提下軟吹時(shí)間較原工藝延長4min，延長了夾雜物上浮去除時(shí)間。純鈣線和硅鈣鋇合金理化指標(biāo)見表2。

表1 壓力容器用鋼典型鋼種成分/%

表2 純鈣線和硅鈣鋇合金理化指標(biāo)/%

2 理論分析

鈣處理的主要目的是鈣溶于鋼水中，隨之與固態(tài)AlO夾雜物反應(yīng)形成鋁酸鈣，隨著添加過程的進(jìn)行Ca含量增加，夾雜物不斷富集，其液相線溫度下降，所形成的夾雜物在煉鋼溫度下呈液態(tài)，可以迅速浮出鋼液。部分鈣與硫反應(yīng)生成CaS，硫化物的熔點(diǎn)隨著鈣含量增加而提高，促使硫化物在凝固過程中過早地析出，從而形成細(xì)小分散的硫化物，使硫的中心偏析減少。

郭靖等人在鋁脫氧鋼研究中認(rèn)為，鈣處理后形成的CaO與鋼中AlO發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)使夾雜物變性為低熔點(diǎn)的液態(tài)鈣鋁酸鹽。通過碰撞，夾雜物變性速率大大加快，幾分鐘之內(nèi)即可良好地變性。

周楊鵬等人在風(fēng)塔板夾雜物的演變研究中認(rèn)為，鈣處理后夾雜物的平均成分朝著CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加的方向移動(dòng)，并靠近夾雜物液相區(qū)附近，促進(jìn)了含鈣復(fù)合夾雜物的生成，通過軟吹大幅度降低了大型夾雜物的數(shù)量，提高了鋼液潔凈度。

王立濤等人對鋼包底吹氬與夾雜物去除的研究表明，鋼包弱攪拌和適當(dāng)延長低強(qiáng)度吹氬時(shí)間，更有利于去除鋼中夾雜物顆粒。

鈣處理能顯著改變鋼中夾雜物成分和熔點(diǎn)，但需要合理控制鋼中鈣含量，張立峰老師利用FactSage軟件對Q345D/E鋼在不同加鈣量下的析出相進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算，結(jié)果表明，使鋼液中夾雜物處于“液態(tài)窗口”的含鈣量為4.5-13×10。

RH真空精煉是生產(chǎn)壓力容器用鋼的關(guān)鍵工序，主要任務(wù)是提高鋼水潔凈度、控制夾雜物形態(tài)以及微合金化和成分微調(diào)。鋼水在真空和提升氬氣作用下，在真空室和鋼包間循環(huán)流動(dòng)，從而促進(jìn)夾雜物的聚合、上浮與去除。鋼包內(nèi)大部分精煉渣在真空室外，基本上不參加真空室內(nèi)的反應(yīng)，并且真空室外的精煉渣也是在鋼液表面處于相對靜止的狀態(tài)，不易造成精煉渣的卷入和對鋼水的氧化，RH精煉能夠很好地解決鋼水強(qiáng)烈攪拌促進(jìn)夾雜物上浮與防止鋼液被精煉渣和爐氣二次氧化的矛盾。

硅鈣鋇合金中含鈣11.67%，可在真空處理過程中通過一定的方式在鋼水中添加一定量的硅鈣鋇合金，達(dá)到鈣處理目的并延長軟吹時(shí)間，以提高鋼中非金屬夾雜物的去除效果。

鈣是一種易揮發(fā)金屬，鈣的熱力學(xué)數(shù)據(jù)為熔點(diǎn)850℃，沸點(diǎn)1492℃，遠(yuǎn)低于一般煉鋼溫度，其密度為1.55g/cm，是鋼的1/5。鈣的蒸汽壓與溫度的關(guān)系為lgp=4.55-8026/T。由此可知1600℃時(shí)蒸汽壓為0.18MPa，與鋼液一接觸立即汽化。因此，用一般方法向鋼中加鈣是很困難的。利用噴射冶金方法和喂線法把鈣粉噴入鋼液深處可以克服以上困難，目前采用的方式是喂入純鈣包芯線150m，在100～300t鋼包下部壓力為0.2～0.3MPa，這個(gè)壓力與純鈣的蒸汽壓相近，可以保證較好的收得率。

改進(jìn)工藝按實(shí)際鈣投入量測算理論硅鈣鋇加入量為87kg，見表3?？紤]在真空處理后期加入，真空度在100Pa左右，鈣的收得率存在不穩(wěn)定性，試驗(yàn)硅鈣鋇合金加入量如表4，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定實(shí)際應(yīng)用時(shí)的加入量。

表3 理論硅鈣鋇加入量測算

表4 硅鈣鋇合金加入量

3 應(yīng)用實(shí)踐

轉(zhuǎn)爐、LF精煉、連鑄工藝保持不變，真空處理采用處理工藝要求如下：真空度≤133 Pa，循環(huán)時(shí)間≥15min，純脫氣時(shí)間≥8min。RH爐真空處理前期5min調(diào)整好成分，保證純脫氣時(shí)間≥8min，在12min左右加入硅鈣鋇合金進(jìn)行鈣處理，破空后直接軟吹10min。在鈣處理前后、軟吹結(jié)束、成品板材取樣分析夾雜物情況。以光學(xué)顯微鏡觀察試樣中的夾雜物粒徑分布。以掃描電鏡并借助設(shè)備自帶的能譜儀確定夾雜物的種類及組成。

3.1 成品鈣含量

分析連鑄中包樣Ca含量發(fā)現(xiàn)，隨著硅鈣鋇合金增加，成品Ca含量逐漸增加，具體見表5、圖1。從表5可以看出，硅鈣鋇合金為60kg時(shí)成品Ca含量8.1×10，硅鈣鋇合金為80kg時(shí)成品Ca含量10.3×10，硅鈣鋇合金為100kg時(shí)成品Ca含量10.2×10，硅鈣鋇合金為120kg時(shí)成品Ca含量11.4×10，硅鈣鋇合金為140kg時(shí)成品Ca含量13.0×10，硅鈣鋇合金為160kg時(shí)成品Ca含量15.9×10。隨著硅鈣鋇合金加入量增加，Ca收得率從13.18%提高到25.88%。鈣的收得率與喂入純鈣包芯線接近?？赡艿脑?yàn)楣桠}鋇合金中的硅對鈣的利用起重要作用，首先硅降低熔滴中鈣的活度，防止了鈣的氧化。其次，由于硅的溶解在顆粒周圍形成硅的薄邊界層，在這個(gè)邊界層中鈣的溶解度顯著增加。再次，因硅鈣鋇合金在真空處理過程中由料倉直接加入，硅鈣鋇合金與鋼水直接接觸，減少了鈣的損失。實(shí)踐表明在RH真空處理后期添加硅鈣鋇合金可以保證鋼水中Ca為8.1-15.9×10，鈣處理可行，為保證鈣處理效果加入量確定為100kg/爐。

圖1 硅鈣鋇加入量與成品Ca和收得率

表5 硅鈣鋇合金Ca/×10-6收得率 （單位：%）

3.2 探傷情況

根據(jù)厚度對鋼板進(jìn)行分類，分別采用超聲波探傷，探傷情況見表6，使用硅鈣鋇進(jìn)行鈣處理的鋼板探傷情況如下：成品厚度＜20mm探傷合格率99.7%，較原工藝提高0.93%；成品厚度20～40mm探傷合格率99.66%，較原工藝提高0.78%；成品厚度40～60mm探傷合格率100%，較原工藝提高0.63%；成品厚度＞60mm探傷合格率97.8%，較原工藝提高0.10%。在其他工藝不變的情況下，RH爐使用硅鈣鋇合金進(jìn)行鈣處理探傷合格率提高0.76%。

表6 探傷合格率

3.3 夾雜物情況

對鋼板非金屬夾雜物情況采用掃描電鏡分析，典型夾雜物形貌如圖2～圖5所示，具體成分見表7。非金屬夾雜物類型主要是B類、Ds類夾雜物，成分主要是CaO-AlO-MgO，未發(fā)現(xiàn)Ba元素，說明RH精煉采用硅鈣鋇合金進(jìn)行鈣處理未產(chǎn)生新的非金屬夾雜物。

圖2 典型夾雜物形貌1

圖5 典型夾雜物形貌4

表7 典型夾雜物成分

在RH爐軟吹結(jié)束時(shí)取樣分析夾雜物數(shù)量，采用光學(xué)顯微鏡觀察（不統(tǒng)計(jì)1μm以下的非金屬夾雜物）。對比兩種工藝軟吹結(jié)束后夾雜物數(shù)量，由于取消了傳統(tǒng)的通過喂絲機(jī)喂線進(jìn)行鈣處理的模式，軟吹時(shí)間從6min延長到10min，在相同的底吹氬流量前提下，軟吹氬時(shí)間延長，吹入鋼液的氣體量增加，夾雜物充分上浮，夾雜物數(shù)量由21個(gè)/cm減少到12個(gè)/cm，夾雜物最大直徑由110μm減少到65μm，具體見表8。實(shí)際應(yīng)用效果為2.5級以下非金屬夾雜物合格率從86.73%提高到96.17%。

圖3 典型夾雜物形貌2

圖4 典型夾雜物形貌3

表8 軟吹結(jié)束后夾雜物數(shù)量

4 結(jié)論

該文得出相關(guān)結(jié)論如下：1）以硅鈣鋇合金替代純鈣包芯線進(jìn)行鈣處理，鈣的收得率穩(wěn)定，平均為18.26%，正常使用過程中加入量為100kg/爐。2）在其他工藝不變的前提下，RH爐使用硅鈣鋇合金進(jìn)行鈣處理后，探傷合格率從98.89%提高到99.67%。3）RH精煉采用硅鈣鋇合金進(jìn)行鈣處理未產(chǎn)生新的非金屬夾雜物。4）RH爐使用硅鈣鋇合金進(jìn)行鈣處理，軟吹時(shí)間從6min提高到10min，夾雜物數(shù)量從21個(gè)/cm減少到12個(gè)/cm。5）目前雙聯(lián)工藝的壓力容器用鋼全部使用硅鈣鋇合金替代純鈣包芯線進(jìn)行鈣處理，效果良好，2.5級以下非金屬夾雜物合格率從86.73%提高到了96.17%。