RH軟吹時間對鋼水中夾雜物行為的影響

周 丹 許用會 史進強 王現(xiàn)周

（河北鋼鐵集團邯鄲鋼鐵公司）

0 引言

鋼中的非金屬夾雜物破壞了鋼基體的致密性和連續(xù)性，對鋼的各項性能均有不利影響。因此，提高鋼水的潔凈度，盡可能降低鋼水中夾雜物的含量就顯得非常重要。鋼包軟吹對鋼水的潔凈度有至關(guān)重要的影響，能有效去除鋼中的夾雜物。有關(guān)鋼包軟吹對鋼水中夾雜物去除的研究多為數(shù)值模擬和水模型方面的研究，因此筆者利用大樣電解法對不同軟吹時間下夾雜物的去除效果進行了研究，為優(yōu)化軟吹時間提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法

1.1 生產(chǎn)工藝概況

實驗選取的鋼種為軸承鋼，其生產(chǎn)工藝流程為鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→RH精煉→軟吹→連鑄，化學(xué)成分見表1。轉(zhuǎn)爐主要進行脫磷、脫碳并在出鋼過程中完成合金化；LF通過白渣精煉，進行脫氧、脫硫和夾雜物去除，同時全程底吹氬；RH主要是在真空條件下進行脫氫、脫氮，隨后對鋼包底部軟吹氬，進一步促進夾雜物上浮、去除，提高鋼水的潔凈度，防止水口堵塞；連鑄過程實施全程保護澆注。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）

1.2 取樣及分析方法

為分析不同軟吹時間下，鋼中全氧質(zhì)量分數(shù)及鋼中夾雜物尺寸、含量、成分的變化，在RH破空后的軟吹階段，每隔5 min從鋼包中取氣體樣和大樣電解試樣。

采用氮氧分析儀分析測定鋼中總氧含量。同時，將所取試樣進行大樣電解試驗，以分析鋼中夾雜物含量的變化，采用掃描電鏡對夾雜物的成分進行分析，為煉鋼過程夾雜物的控制提供指導(dǎo)。

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 軟吹時間對鋼中全氧及鋼水溫度的影響

軟吹過程中鋼中全氧含量的變化如圖1所示。隨著軟吹時間的延長，鋼中全氧含量逐步降低，在軟吹10～20 min時，下降最快。軟吹時間20 min以后，鋼中全氧含量降至10×10-6以下；軟吹時間25 min后，鋼中全氧含量略有上升趨勢。

圖1 軟吹過程鋼中T[O]含量變化

軟吹過程中鋼水溫度的變化如圖2所示。鋼水溫度隨軟吹時間的增加而逐漸下降。當軟吹時間為20 min時，鋼水溫度由破空后的1 551 ℃降至1 528 ℃左右，軟吹過程平均溫降為1 ℃/min。

圖2 軟吹過程鋼水溫度的變化

綜上所述，增加軟吹時間，可進一步去除鋼水中的氧含量，同時也會引起鋼水溫度的降低，對后續(xù)澆注可能會產(chǎn)生不利的影響，因此軟吹時間不宜過長。

2.2 軟吹時間對夾雜物總量的影響

軟吹過程中夾雜物總量的變化如圖3所示。隨著軟吹時間的延長，鋼中夾雜物的總量逐漸減小。破空后夾雜物總量為97.88 mg/10 kg，軟吹30 min后夾雜物總量降至8.91 mg/10 kg，夾雜物去除效果顯著，去除率達90.9%。

圖3 夾雜物總量隨軟吹時間的變化

夾雜物去除量及去除率隨軟吹時間的變化如圖4所示。前20 min夾雜物去除量較大，破空至軟吹10 min時夾雜物去除量為33.86 mg/10 kg，尤其是尺寸＞300 μm的夾雜物的去除效果顯著。20 min后，夾雜物的去除效果減緩，尤其軟吹時間為25～30 min時，夾雜物去除量僅為2.97 mg/10 kg。

圖4 夾雜物去除率隨軟吹時間的變化

軟吹過程鋼中夾雜物粒度分布的變化情況見表2。隨著軟吹時間的延長，＞300 μm的大尺寸夾雜物有明顯的下降趨勢；而＜80 μm的小尺寸夾雜物稍有波動，變化不大。在軟吹20 min后鋼中沒有出現(xiàn)＞300 μm的夾雜物，這說明軟吹時間超過20 min以后，鋼中出現(xiàn)超大夾雜物超標的風(fēng)險大大降低。

表2 夾雜物粒徑分布情況

根據(jù)Stokes式[1-2]，夾雜物顆粒從深度為H的鋼液或鐵液勻速上浮到表面所用的時間t為：

式中，H——夾雜物的高度，m；η——鋼水的黏度，Pa·s；Δρ——夾雜物密度與鋼液密度的差，kg/m3；d——夾雜物的直徑，m；ν——夾雜物上浮速度，m/s。由式（1）可知，直徑為80 μm的夾雜物的上浮時間是直徑為300 μm夾雜物的14倍。因此，小尺寸的夾雜物上浮需要更長的時間。

由此可見，軟吹20 min時大型夾雜物基本上浮，此時鋼中全氧含量在10×10-6以下，滿足后續(xù)軸承鋼的生產(chǎn)。此外，在不影響生產(chǎn)節(jié)奏匹配的情況下，適當延長軟吹時間可以更加有效地去除鋼中的夾雜物。

2.3 不同軟吹時間下夾雜物形貌和成分分析

破空后鋼中各尺寸夾雜物的形貌如圖5所示。夾雜物按形貌主要分為球狀夾雜及不規(guī)則塊狀夾雜。尺寸大于140 μm的夾雜物主要以球狀為主；尺寸小于140 μm，尤其小于80 μm的夾雜物主要以塊狀為主。

圖5 破空后鋼中夾雜物形貌

軟吹30 min后鋼中各尺寸夾雜物的形貌如圖6所示。軟吹30 min后，鋼中大尺寸夾雜物基本上浮，未找到大于140 μm的夾雜物。小于140 μm的夾雜物形貌主要為透明或半透明的不規(guī)則塊狀。

圖6 軟吹30 min后鋼中夾雜物形貌

典型夾雜物成分信息如圖7所示。經(jīng)掃描電鏡分析，球狀夾雜主要為鋁硅鈣復(fù)合夾雜物，其來源為氧化鋁與渣中氧化鈣、氧化硅生成的復(fù)合化合物[3-5]。在掃描電鏡下，在多數(shù)球狀夾雜物上可看到棱角鮮明的鎂鋁尖晶石，其為氧化鋁與渣中氧化鎂和包襯帶入的氧化鎂復(fù)合生成的硬脆性夾雜物，在冶煉過程中被鋁酸鈣夾雜物所裹挾。此類球狀夾雜物在軋制過程中不易變形，容易造成應(yīng)力集中，形成裂紋源，從而影響軸承鋼疲勞壽命。本次實驗發(fā)現(xiàn)，在軟吹20 min后大尺寸球狀夾雜物基本去除，因此小于140 μm的少數(shù)球狀夾雜物是影響軸承鋼疲勞壽命的制約因素。塊狀夾雜物的成分主要為硅鋁酸鹽，還有一些為氧化鋁和氧化硅；其尺寸基本在50～300 μm，尺寸范圍較大。此類塊狀夾雜物主要由脫氧產(chǎn)物與鋼包渣相互復(fù)合而成。大尺寸塊狀夾雜物在軟吹初期基本上浮，在軟吹30 min后，小尺寸塊狀夾雜物大部分也已上浮。鋼中夾雜物以鋁硅鈣復(fù)合夾雜物和硅鋁酸鹽夾雜物為主，夾雜物類型隨軟吹時間的增加變化不大。

3 應(yīng)用效果

根據(jù)上述實驗結(jié)果分析，軟吹20 min以后，鋼中全氧含量降至10×10-6以下；在軟吹20 min時大型夾雜物基本上浮，滿足軸承鋼的生產(chǎn)。因此，為實現(xiàn)高效化生產(chǎn)，可將軟吹時間由25～30 min調(diào)整至20～25 min。為驗證實驗結(jié)果的準確性，對相關(guān)工藝進行優(yōu)化，并對優(yōu)化前后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，優(yōu)化前的數(shù)據(jù)共統(tǒng)計759爐，優(yōu)化后的數(shù)據(jù)共統(tǒng)計376爐。工藝優(yōu)化后，軟吹時間在25 min以內(nèi)的比例由原來的36%提升至87%，夾雜物合格率由98.8%變?yōu)?8.7%，變化不大。此外，由于軟吹時間縮短，溫降減小，高效化顯著，綜合創(chuàng)效2 元/t。

4 結(jié)論

（1）軟吹前20 min，鋼中總氧平均含量由軟吹開始的17×10-6降低到9 ×10-6，軟吹20～30 min，鋼中總氧含量略有回升。

（2）軟吹20 min時大型夾雜物基本上浮，繼續(xù)增加軟吹時間，有利于進一步去除鋼中的夾雜物，但軟吹時間過長，會造成鋼液溫度下降較多，給后續(xù)生產(chǎn)節(jié)奏匹配帶來不利影響。

（3）生產(chǎn)實踐表明，將軟吹時間優(yōu)化到25 min以內(nèi)，夾雜物合格率沒有明顯下降趨勢。此外由于軟吹時間縮短，溫降減小，綜合創(chuàng)效2 元/t。