Ti元素對電工鋼性能的影響研究

邱 凱

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司第四鋼軋總廠 安徽馬鞍山 243000)

硅鋼也叫“電工鋼”，是一種含碳極低的硅鐵軟磁合金，主要用在各種變壓器和電機的鐵芯中，由于其出色的性能硅鋼又被作為軍工產(chǎn)品和電子設(shè)備中的軟磁合金[1]。由于硅鋼的冶煉復(fù)雜，成分要求吝嗇，所以相比于普通鋼鐵冶煉更為嚴格，尤其是硅鋼產(chǎn)品中的取向硅鋼，更是被譽為現(xiàn)在鋼鐵冶金中的佼佼者[2]”。

電工鋼的合金元素基本可分為三大類元素。第一類：基本合金元素，如Al、Si、Mn等，此類合金元素只要控制到一定的范圍可以有利于鋼水的脫氧性和促進鋼水中碳的石墨化，從而使成品硅鋼的磁性和熱脆性加以提高；第二類為雜質(zhì)元素，如C、S、N、O、Ti、Zr等此類元素會在鋼液中與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而使成品板坯產(chǎn)生夾雜從而影響成品板材的質(zhì)量；第三類為微量元素，此類元素的含量對鋼液的成分不會引起較大的影響，一些微量元素的合金還有利于提升鋼水的磁性[3]。

硅鋼中的Ti元素的可以在硅鋼中形成細小的TiC、TiN以及TiO2等，這些化合物的形成會在退火工藝發(fā)生時會阻礙晶粒長大，從而影響板坯的各項性能指標(biāo)，因此在冶煉中要減少此類元素的含量[4]-[6]。

鈦是通過生成有害的TiN沉淀析出來產(chǎn)生影響的[7]-[8]，研究表明，Ti=0.0007%析出相顆粒尺寸主要在1-3 μm范圍內(nèi)，其含量占70.59%；Ti=0.0013%時析出相顆粒尺寸主要小于2 μm，含量占82.74%。Ti=0.0007%的析出相尺寸<1 μm與Ti=0.0013%時的析出量少了15.69%[9]。Ti元素除其本身可能形成TiC、TiN以及TiO2等析出物，其對成品板坯的基礎(chǔ)力學(xué)性能，與板坯夾雜等產(chǎn)生很重要的影響。因此控制無取向硅鋼中的Ti是板坯冶煉中的一項必要的技術(shù)指標(biāo)。本文將結(jié)合馬鋼四鋼軋總廠的實際硅鋼生產(chǎn)，從而得出Ti元素對硅鋼性能的影響。

1 鋼的冶煉過程中Ti元素的變化情況

在轉(zhuǎn)爐煉鋼期間，Ti元素主要是以游離狀態(tài)存在于鐵水中，在轉(zhuǎn)爐兌鐵水時，游離中的Ti會迅速氧化成TiO2進入渣中，此時，鋼液中的化學(xué)成分基本不會含有Ti。但是在精煉工序中，隨著進行RH脫氧、合金微調(diào)加入大量的鋁粒之后，鋼液被Al元素大面積脫氧，從而導(dǎo)致渣中TiO2開始被Al元素大量還原，Ti元素會重新以游離狀態(tài)進入到鋼液中，進而與硅鐵合金中含有的Ti含量共同形成微量有害元素Ti存在。

目前大量的研究發(fā)現(xiàn)，TiO2在頂渣中的含量越高，其在精煉中被還原出的Ti離子就越多。如果不對頂渣的渣量加以控制，會對成品板坯造成一些不可逆的影響。尤其在一些無取向硅鋼中，由于Al元素的加入量比較多，從而導(dǎo)致鋼液中的Ti元素也就越多。在后續(xù)進行合金微調(diào)中由于鋼液中的廢氣與氧氣在抽真空的過程中被大量的排出鋼液，后續(xù)添加的合金中含有的Ti就不會被氧化，而是直接以游離態(tài)的形式進入鋼液，從而導(dǎo)致鋼液中Ti含量增加。

2 實際生產(chǎn)中硅鋼鈦含量分析

2.1 近期冶煉爐次鈦含量分析

在近期冶煉硅鋼的過程中鈦含量增高比較明顯。對于高牌號硅鋼，其鈦含量的變化如圖1所示。

圖1 RH處理過程中Ti含量(%)的變化

圖1中M1F為進站成分、M2F為加鋁前成分、M3F為加鋁后成分、M4F為噴粉前成分、M5F為噴粉后、M6F為出站成分。從圖中可以看出鋼中鈦含量主要從加鋁后開始逐漸增加，加鋁后頂渣中的鈦氧化物被還原進入鋼水。

2.2 鋼包狀況對Ti的影響

表1 各爐次Ti/%含量變化

在生產(chǎn)中鋼包的潔凈程度是鋼水成分的關(guān)鍵因素，表1是我廠6爐不同潔凈鋼包的對比，可以看出 D2-D4爐次的鋼包相對潔凈，而D1爐次與D6爐次鋼包表面爐渣含量較多，經(jīng)過潔凈鋼包與含渣量較多的鋼包在生產(chǎn)中的對比，可以明顯的看出潔凈鋼包在加鋁后的Ti含量都維持在一個較低的范圍，而渣量較多的鋼包Ti含量都相對較高。

2.3 高牌號硅鋼中鐵水Ti和RH出站Ti的關(guān)系圖

圖2 高牌號硅鋼中的鐵水Ti和RH出站Ti含量的變化

從鐵水Ti含量與RH出站Ti含量的關(guān)系表1可以看出，鐵水含量在0.07%以下的時候RH出站的Ti含量較低，在鐵水含量大于0.07%時RH出站的Ti含量大多都很高，從而導(dǎo)致出鋼的Ti含量超標(biāo)。

2.4 高牌號硅鋼鋼種處理時間和RH結(jié)束鈦的關(guān)系

圖3是近期硅鋼冶煉時間與RH結(jié)束Ti含量的散點圖，從圖中可以看出硅鋼的Ti含量在冶煉時長70 min之內(nèi)都趨近于1.5×10-5，而在冶煉時間超過70 min硅鋼的Ti含量成離散型態(tài)，由此可以看出冶煉周期對降低硅鋼的Ti含量有著正相關(guān)的影響，在硅鋼冶煉的過程中冶煉時間最好不要超過70 min。

圖3 高牌號硅鋼處理時間和RH出站Ti含量的變化

2.5 渣厚和RH結(jié)束鈦含量的關(guān)系

圖4 高牌號硅鋼渣厚度與RH結(jié)束鈦Ti含量的變化

從圖4可以看出渣厚度與RH精煉的Ti含量成正比的關(guān)系，轉(zhuǎn)爐下渣越厚RH精煉的Ti含量也越高，這是由于在鋼水冶煉的過程中鐵水中的Ti會以TiO2化合物的形態(tài)存在于爐渣中，在精煉工序中加入鋁鐵合金會使渣中的TiO2還原成游離Ti，所以為了使RH精煉中的Ti含量降低，必須要保證轉(zhuǎn)爐出鋼的擋渣效果，在圖4可以看出轉(zhuǎn)爐下渣厚度在30 mm的時候精煉的Ti含量維持在一個較低的范圍，一但轉(zhuǎn)爐下渣量超過30 mm的時候在精煉工序中的Ti含量會形成一個較大的增量，所以為了減少RH精煉工序中的Ti含量，需要保證轉(zhuǎn)爐出鋼擋渣效果，根據(jù)實際情況，減少下渣量，確保下渣量≤3 kg/t。

3 結(jié)論

Ti在鋼水中容易被其他游離態(tài)金屬元素所氧化，硅鋼中Ti元素的主要來源是由于鐵水中的Ti，以及一些精煉合金中Ti的帶入導(dǎo)致最后硅鋼中Ti含量過高，其鐵水中的Ti元素可以在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中被氧化成TiO2存在爐渣中，但在精煉加入合金化的處理過程中爐渣中的TiO2又容易被Al等元素所還原，因此將轉(zhuǎn)爐爐渣加以優(yōu)化，可以在一定程度上抑制精煉工序中TiO2的還原。所以硅鋼中Ti含量的控制可以通過對鋼液源頭(鐵水、廢鋼、輔料、合金等)成分加以控制、精煉RH工序中的合金加入成分加以控制、以及爐渣渣系組成優(yōu)化三個方面進行[9]。在馬鋼四鋼軋生產(chǎn)實踐中通常采取以下措施進行控制： 優(yōu)化生產(chǎn)組織，針對鐵水條件安排硅鋼生產(chǎn)，盡量使用Ti含量低的鐵水(≤0.07%)；

強化廢鋼管理實行分類堆放，加強對含鈦廢鋼的管控避免誤使用含鈦廢鋼，在硅鋼生產(chǎn)時使用冷軋硅鋼廢鋼切邊料和鋼區(qū)硅鋼切頭尾；

對含鈦合金上料實行階段性集中供料，執(zhí)行《原輔料上料系統(tǒng)打料、清洗規(guī)定》，要求供料結(jié)束后對皮帶和料倉進行供料清洗并適度空轉(zhuǎn)，減少皮帶和料倉等處鈦合金的殘留；

冶煉硅鋼時保證轉(zhuǎn)爐出鋼擋渣效果，根據(jù)實際情況，減少下渣量，確保下渣量≤3 kg/t；

生產(chǎn)硅鋼要確保鋼包干凈無包沿、包底、無殘渣，要求采用合金微調(diào)站直上或者淺處理鋼種的鋼包并嚴禁使用IF鋼鋼包和LF爐鋼包；

硅鋼生產(chǎn)中要將RH處理周期控制在70 min以內(nèi)。