10B21冷鐓鋼BOF-LF過程鋼渣渣化行為研究

李 洋, 張 濤, 楊風國, 尹 嘯,2, 鄭 冰,徐 東

(1.河北太行鋼鐵集團有限公司,河北省高校高端緊固件全流程應用技術(shù)研發(fā)中心,河北 邯鄲 056305;2.河北工程大學,河北省高品質(zhì)冷鐓鋼技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 邯鄲 056038;3.遼寧科技大學,材料與冶金學院,遼寧 鞍山 114051;4.介子科技(河北)有限公司,河北 邯鄲 056000;5.河北工程大學,河北省高韌性風塔鋼工程研究中心,河北 邯鄲 056305)

10B21冷鐓鋼是常見用于制備螺栓、螺母等標準件的低碳含硼鋼種[1-3]?？紤]技術(shù)成熟度和冶煉成本,鋼鐵企業(yè)在冶煉10B21鋼種時常采用轉(zhuǎn)爐-LF精煉的煉鋼模式[4-6]。為保障高品質(zhì)低成本冷鐓鋼冶煉,需要各環(huán)節(jié)的協(xié)同配合,尤其在吹煉過程中鋼渣的控制上至關重要,煉鋼溫度下渣-金間傳質(zhì)為吸附鋼中夾雜物、脫硫、脫磷、合金化等創(chuàng)造良好的反應條件[7-9]。由于不同鋼種間,冶煉成渣體系構(gòu)建會有區(qū)別,目前針對10B21含硼鋼的重點冶煉環(huán)節(jié)中轉(zhuǎn)爐渣和精煉渣的渣化行為研究缺少系統(tǒng)性深入報道,渣化行為研究對于進一步強化冶煉,優(yōu)化造渣工藝,探索低成本成渣體系大有裨益。

本文以某鋼廠10B21含硼冷鐓鋼冶煉過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐終點渣和LF精煉出站渣為研究主體,結(jié)合化學成分分析、礦物組成分析、顯微形貌分析、相圖分析等方法對轉(zhuǎn)爐-LF精煉(BOF-LF)過程渣化行為進行深入研究,為優(yōu)化含硼冷鐓鋼造渣體系和提高產(chǎn)品冶煉質(zhì)量提供參考和指導。

1 實驗材料及方法

1.1 現(xiàn)場取樣

在某鋼廠集中生產(chǎn)10B21期間,分別在轉(zhuǎn)爐和LF精煉現(xiàn)場用鋼棒蘸取終點渣樣(未經(jīng)過后續(xù)渣處理),如圖1所示。轉(zhuǎn)爐終點渣(簡記為轉(zhuǎn)爐渣)表觀整體呈現(xiàn)灰黑色,熔巖質(zhì)地且具有一定脆性,渣層較厚兼有明顯氣孔,少許白亮的鐵珠顆粒分布在渣相表面。對比轉(zhuǎn)爐渣,LF精煉出站渣(簡記為精煉渣)整體表觀呈現(xiàn)米黃色“白渣”,伴有一定成片鐵殼且局部出現(xiàn)脆性玻璃質(zhì)地,無明顯氣孔,渣層厚度約為轉(zhuǎn)爐渣厚度的1/3。從表觀可以看出,經(jīng)過不同的冶煉環(huán)節(jié),爐渣的理化性質(zhì)變化明顯。

(a)轉(zhuǎn)爐終點渣 (b)精煉出站渣圖1 鋼渣試樣

圖2 鋼渣堿度的變化

1.2 渣樣制備

為了便于進一步的分析檢測,需要將爐渣試樣進行制備。渣樣整體上被制備成兩個部分,其中一部分需要通過破碎、磨細、過篩,選出粒度小于0.074 mm的細粉作為化學成分分析和XRD礦物組成分析使用。另外一部分選取出具有代表性的渣塊進行試樣鑲嵌,用于顯微組織觀察。

1.3 檢測方法

XRF熒光光譜分析儀和化學滴定法是常用的化學成分分析手段,被用于本次渣樣的具體化學成分分析。同時,X射線衍射儀(XRD)被用于渣樣的礦物組成分析,并用Highscore plus軟件進行礦物組成比對[10]。最后,采用光學顯微鏡和掃描電鏡配合對渣樣進行礦物相鑒定和結(jié)構(gòu)組織觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學成分

表1為轉(zhuǎn)爐渣和精煉渣的化學成分分析結(jié)果,從表中可以看出轉(zhuǎn)爐渣的FeO含量達到22.05%,明顯高于精煉渣的FeO含量1.64%。這表明經(jīng)過轉(zhuǎn)爐冶煉后期的脫氧合金化和精煉造“白渣”后,氧化性轉(zhuǎn)爐渣被充分還原。同時,Al2O3含量也由轉(zhuǎn)爐渣的2.28%陡升到29.49%。堿度作為渣重要的化學性質(zhì),能夠綜合反應出渣-金間的反應能力,其重要性不言而喻?；诒?,圖1從堿度的三個角度(二元堿度R1(CaO/SiO2)、三元堿度R2(CaO/(SiO2+Al2O3))和全堿度R綜([(CaO)+(MgO)+(MnO)+(FeO)]/[(SiO2)+(Al2O3)+(P2O5)]))對轉(zhuǎn)爐渣和精煉渣進行了對比,經(jīng)過BOF-LF過程,鋼渣的二元堿度R1由3.04陡升到17.42,該種堿度簡單易用,但是考慮的因素相對單一,并不能完全反映渣的整體性質(zhì)。相對應的,考慮組元更多的三元堿度R2和全堿度R綜則均呈現(xiàn)下降趨勢,R2從2.65降低到1.79,R綜從4.12降低到2.02。這表明經(jīng)過BOF-LF冶煉過程,鋼渣的堿度經(jīng)由多組元的共同作用下被整體調(diào)整到了相對適宜的成渣區(qū)間,但是仍然體現(xiàn)典型的堿性渣的性質(zhì)特征。

表1 鋼渣試樣的化學成分

2.2 礦物組成

通過XRD檢測分析,圖3反映出轉(zhuǎn)爐渣和精煉渣的礦物組成,礦物組成的結(jié)果和化學成分的分析結(jié)果具有一致性。轉(zhuǎn)爐渣的礦物組成主要有5種,分別為CaO、Ca2SiO4、(Mg,Fe)O(RO相固溶體)、Ca2Fe2O5(鐵酸二鈣)、Ca2(Al,Fe)2O5(鐵鋁酸二鈣)。而精煉渣的礦物組成主要為CaO、Ca6Al7O16(鈣鋁酸鹽)、Ca2SiO4、FeB。對比兩者礦物組成,可以發(fā)現(xiàn)差異十分明顯。轉(zhuǎn)爐環(huán)境下,具有氧化性的轉(zhuǎn)爐渣對冶煉過程終點時鋼液的重要成分指標(C、Si、Mn、P、S)達成十分關鍵。而精煉的主要目標在于調(diào)溫、微合金化、去夾雜物和脫出有害氣體等,故精煉渣需要大幅度降低其氧化性,實現(xiàn)造“白渣”過程,最終實現(xiàn)BOF-LF整體的冶煉目標。值得注意的是,生產(chǎn)含硼冷鐓鋼需要在精煉后期階段添加FeB,保證鋼液中B元素符合控制標準,但在精煉渣中檢測到FeB,這恰恰反映出精煉時B的收得率存在一定不足,部分沒能充分合金化的FeB殘存在渣相中,這可能與冶煉時O、N的控制水平密切相關[11]。

圖3 轉(zhuǎn)爐渣和精煉渣的礦物組成

2.3 顯微形貌

結(jié)合光學顯微鏡和掃描電鏡,可以觀察并確定鋼渣試樣的內(nèi)部組織及結(jié)構(gòu)特征,如圖4所示。對比可以發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)爐渣析晶較為徹底,渣中各物相清晰且明顯,而精煉渣存在一定的分層現(xiàn)象,并有大片的玻璃相留存在渣中。這與圖1中觀察到的表觀形貌較為符合。在圖4(a)-圖4(b)中,觀察到轉(zhuǎn)爐渣樣中出現(xiàn)硅酸二鈣、鐵酸鹽、鐵鋁酸鹽、氧化鈣、RO相以及鐵珠顆粒無序交織的結(jié)構(gòu),且硅酸二鈣為主體礦相,呈現(xiàn)板條狀、珊瑚狀形貌。硅酸二鈣周圍會有低熔點的鐵酸鹽或鐵鋁酸鹽粘結(jié)相分布,還有棱塊狀的RO相或氧化鈣嵌入其中。對于鐵珠的形貌特征,部分呈現(xiàn)渾圓狀(圖4(b)中的白亮渾圓鐵珠顆粒直徑約為150 μm),但是在孔洞旁的鐵珠形貌各異,且無序分布。對于精煉環(huán)節(jié)產(chǎn)生的渣樣,從圖4(c)-圖4(d)可以看出,精煉渣由于堿度得到了一定幅度的調(diào)整,其物理化學性質(zhì)發(fā)生了明顯變化,分層的玻璃化現(xiàn)象就是其中之一。生成的硅酸二鈣相呈現(xiàn)聚集性在蘸取渣樣的邊部產(chǎn)生,這可能與蘸取后渣在空氣中的冷卻速率有一定關系,未來得及析出的物相呈現(xiàn)玻璃態(tài)留存在渣中。還有,可以觀察到極為細小白亮且形貌規(guī)則的鐵珠嵌布在渣中,尺寸明顯要小于轉(zhuǎn)爐渣中鐵珠顆粒,約為0.5～2 μm。如此細小的鐵珠顆粒在精煉渣中,其磁選分離難度要明顯難于轉(zhuǎn)爐渣。

(a)-(b)轉(zhuǎn)爐渣樣,(c)-(d)精煉渣樣圖4 鋼渣試樣的典型形貌

2.4 成渣過程分析

結(jié)合相圖分析成渣過程,是深入討論各環(huán)節(jié)渣化行為的一種方法。考慮到轉(zhuǎn)爐渣和精煉渣中主要成分CaO、FeO、SiO2、Al2O3含量大于80%,故將渣中上述四種組分歸一化后,構(gòu)建一種偽四元系CaO-SiO2-FeO-Al2O3相圖,利用四元系物系點在CaO-FeO-SiO2(簡記為CFS)系和CaO-Al2O3-SiO2(簡記為CAS)系投影圖來深入分析冶煉過程中的成渣行為[12]。從圖5和表2中可以看出,高堿度的轉(zhuǎn)爐渣在CFS系內(nèi)初晶相是硅酸二鈣,而在CAS系內(nèi)會呈現(xiàn)氧化鈣相,且臨近硅酸三鈣初晶區(qū)。不同于轉(zhuǎn)爐渣,精煉渣在兩個渣系內(nèi)都呈現(xiàn)在氧化鈣初晶區(qū),并且在CAS內(nèi)初晶區(qū)更臨近鋁酸三鈣相區(qū)。在CFS內(nèi),轉(zhuǎn)爐渣向精煉渣轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)跨相區(qū)變化,為硅酸二鈣→硅酸三鈣→氧化鈣。而在CAS內(nèi),轉(zhuǎn)爐渣向精煉渣轉(zhuǎn)變過程無相區(qū)變化,只是體現(xiàn)物系點位置隨渣中含量的變化,為氧化鈣(臨近硅酸三鈣)→氧化鈣(臨近鋁酸三鈣)。結(jié)合表1中化學成分的變化,轉(zhuǎn)爐渣向精煉渣轉(zhuǎn)變過程中,SiO2和FeO含量大幅度降低,而對應的Al2O3含量呈現(xiàn)大幅度上升趨勢,在相圖中也能夠十分直觀地反映出來,這與轉(zhuǎn)爐后期脫氧合金化過程加鋁密切相關。

表2 鋼渣的初晶相

圖5 CaO-SiO2-FeO-Al2O3系相圖

在轉(zhuǎn)爐后,精煉環(huán)節(jié)需要實現(xiàn)造“白渣”,而LF進站前足夠低的脫氧效果是“白渣”精煉的前提。公式(1)反映的是鋁脫氧的主要渣-金間反應[13]。在出鋼溫度下(約1610 ℃),該反應的標準吉布斯自由能為負,從熱力學角度反應能夠充分正向進行,渣的氧化性得到很大程度的調(diào)整。

Al(s)+(FeO)=[Fe]+(Al2O3)

ΔGΘ=-906920+152.16T

(1)

在整個BOF-LF冶煉過程中,造渣料石灰扮演著提高鋼渣堿度的重要角色。而在渣化過程中,石灰溶解的快慢對成渣效果起到明顯作用。結(jié)合表1中化學成分,利用公式(2)對石灰在轉(zhuǎn)爐渣和精煉渣中的溶解速率進行理論計算[14],結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?石灰在轉(zhuǎn)爐渣中熔化的速率要明顯高于精煉渣,這也反映出渣中FeO、MnO、MgO等組分對石灰渣化的顯著作用。

圖6 轉(zhuǎn)爐渣和精煉渣中石灰溶解速率

JCaO=K(w(CaO)+1.35w(MgO)+2.75w(FeO)+1.90w(MnO)-1.09SiO2-39.1)

(2)

其中JCaO代表石灰在渣中的熔化速度,kg/(m2·s);K代表比例系數(shù),kg/(m2·s);w(CaO)等代表如CaO在渣中的質(zhì)量分數(shù),%。

在BOF-LF渣化行為中,鋼渣結(jié)構(gòu)的變化討論也是十分有必要的。從理論計算角度,可以用參數(shù)NBO/T值來衡量鋼渣結(jié)構(gòu)的變化,具體計算過程如公式(3)-(6)[15]。表3是轉(zhuǎn)爐渣與精煉渣NBO/T值計算后的結(jié)果,可以看出轉(zhuǎn)爐渣和精煉渣的結(jié)構(gòu)差異較大,轉(zhuǎn)爐渣NBO/T值為8.34,其結(jié)構(gòu)的解離程度大,明顯具有短渣性質(zhì),而精煉渣NBO/T值僅為2.93,其結(jié)構(gòu)的解離程度小,具有一定的玻璃化屬性。

表3 轉(zhuǎn)爐渣和精煉渣的NBO/T值

XT=XSiO2+2XAl2O3+XTiO2+2XP2O5

(3)

(4)

(5)

(6)

3 結(jié)論

(1)結(jié)合化學成分分析,經(jīng)過BOF-LF過程,鋼渣的二元堿度R1由3.04陡升到17.42,三元堿度R2和全堿度R綜則均呈現(xiàn)下降趨勢,R2從2.65降低到1.79,R綜從4.12降低到2.02。

(2)從礦物組成分析,轉(zhuǎn)爐渣的主要礦相為CaO、Ca2SiO4、(Mg,Fe)O、Ca2Fe2O5、Ca2(Al,Fe)2O5,而精煉渣的礦物組成主要為CaO、Ca6Al7O16、Ca2SiO4、FeB。

(3)從顯微組織形貌分析,觀察到轉(zhuǎn)爐渣樣中出現(xiàn)硅酸二鈣、鐵酸鹽、鐵鋁酸鹽、氧化鈣、RO相以及鐵珠顆粒無序交織的結(jié)構(gòu),且硅酸二鈣為主體礦相,呈現(xiàn)板條狀、珊瑚狀形貌。在精煉渣中,可觀察到玻璃化分層結(jié)構(gòu),生成的硅酸二鈣和鈣鋁酸鹽呈現(xiàn)聚集性分布,渣相間有極為細小白亮且形貌規(guī)則的鐵珠分布。

(4)結(jié)合熔渣結(jié)構(gòu)的理論計算,鋼渣的NBO/T的值由轉(zhuǎn)爐渣的8.34下降到精煉渣的2.93,解離程度呈現(xiàn)下降趨勢。