固體電解質(zhì)直接定氧技術(shù)在煉鋼工藝中的應(yīng)用

官躍輝 邱文軍

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江陰 214400）

早在20世紀(jì)50年代，國外就開始了固體電解質(zhì)研究，并發(fā)明了固體電解質(zhì)直接定氧技術(shù)，并于20世紀(jì)60年代末應(yīng)用到煉鋼工藝之中。直到20世紀(jì)80年代，我國才開始引入該項(xiàng)技術(shù)，經(jīng)過了30余年的應(yīng)用，目前我國內(nèi)已經(jīng)初步掌握了固體電解質(zhì)直接定氧技術(shù)，但與歐美等發(fā)達(dá)國家相比，依然存在較大差距。因此，對固體電解質(zhì)直接定氧技術(shù)在煉鋼工藝中的應(yīng)用進(jìn)行研究具有重要意義，能夠?yàn)槲覈鵁掍撔袠I(yè)發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

1 直接定氧技術(shù)原理

直接定氧技術(shù)需要采用相應(yīng)的定氧測頭，其主要由兩部分構(gòu)成：一是溫度熱電偶；二是氧濃度差電池。后者主要包括氧離子導(dǎo)體ZrQ2（MgO）、參比電級（Cr/Cr2O3或Mo/MoO2）以及回路電極（Mo棒或鐵環(huán)）。在電池兩端，表現(xiàn)體現(xiàn)形式完全不同，兩端具體體現(xiàn)形式如式（1）、式（2）所示。

此外，在該電池內(nèi)，電動(dòng)勢與氧離子導(dǎo)體兩側(cè)分壓之間可以構(gòu)建出Nernst方程，如式（3）所示。

通過觀察該方程可以發(fā)現(xiàn)，若已知環(huán)境溫度以及某電極氧分壓，就能夠推導(dǎo)出另外一個(gè)電極氧分壓。針對這一原理即可準(zhǔn)確測量出氧含量。若環(huán)境溫度較高，而氧氣含量較低，電池內(nèi)的ZrQ2（MgO），將會出現(xiàn)大量自由電子，并逐漸向著電勢高的方向移動(dòng)，使整個(gè)電池內(nèi)電動(dòng)勢不斷減弱，近而導(dǎo)致測量出現(xiàn)誤差。所以，還需要通過相應(yīng)的Nernst方程對其校正，如式（4）所示。

式中，pe表示特性氧分壓；K表示平衡系數(shù)。

2 固體電解質(zhì)直接定氧技術(shù)在煉鋼工藝中的應(yīng)用

2.1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制

煉鋼工藝主要在轉(zhuǎn)爐內(nèi)完成，在轉(zhuǎn)爐運(yùn)行時(shí)，可通過固體電解質(zhì)直接定氧技術(shù)，測量轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)內(nèi)各種物質(zhì)含量，從而對轉(zhuǎn)爐進(jìn)行有效控制，提升整個(gè)煉鋼工藝效果。在轉(zhuǎn)爐當(dāng)中，通常含有C、Mn兩種物質(zhì)，這兩種物質(zhì)來說，不論是在物質(zhì)的氧活度，還是物質(zhì)的溫度，均存在一定關(guān)系。通過這一關(guān)系，即可以推算出相應(yīng)成分情況。煉鋼活動(dòng)進(jìn)行時(shí)，通過直接定氧技術(shù)測量出運(yùn)行環(huán)境溫度以及相應(yīng)氧活度，之后針對環(huán)境溫度、氧活度，判斷出C、Mn兩種元素含量。

隨著固體電解質(zhì)直接定氧技術(shù)的不斷完善，使得測量精確度更高，其中，測量氧活度時(shí)，誤差在3%以下；C元素測量時(shí)，誤差在0.007%以下；Mn元素測量時(shí)，誤差在0.012% 以下[2]。

轉(zhuǎn)爐運(yùn)行時(shí)，還需要將材料中的磷脫離，而脫離率的高低，則會受材料中Fe2O3及爐內(nèi)堿度影響，所以，轉(zhuǎn)爐脫磷時(shí)，通過要對材料Fe2O3進(jìn)行控制，以提升脫硫效率。而Fe2O3與鋼液中的O含量有關(guān)。所以通過直接定氧技術(shù)對鋼液中O含量進(jìn)行測量，也可達(dá)到鋼液中磷含量控制目標(biāo)。

2.2 脫氧工藝

煉鋼工藝當(dāng)中，能夠通過氧化反應(yīng)將鋼液中雜質(zhì)進(jìn)行清除，并通過碳氧反應(yīng)，將鋼液中氣體清除。這一流程完成之后，還應(yīng)添加脫氧劑，處理鋼液中殘留的氧氣或者是與煉鋼無關(guān)的氧化物。同時(shí)，為了生產(chǎn)出雜質(zhì)含量較低的鋼料，需要在冶煉時(shí)對鋼液內(nèi)的C、Si、Mn以及Al等物質(zhì)進(jìn)行控制，這一工作不僅受到鋼液初始?xì)堄嗔康挠绊懀瑫r(shí)還與元素回收率有關(guān)。轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)位置上，通過直接定氧技術(shù)測量出氧活度與溫度后，即可通過C、Mn以及溫度之間的關(guān)系，確定出殘錳量和錳增量[3]。此外，利用錳回收率ηMn這一數(shù)值，求得Mn、Fe增加量，如式（5）所示。

式中，ΔMn表示錳增量；WFe-Mn表示Mn、Fe需要量；S表示鋼液量。

同樣原理，也可推導(dǎo)出回收率與含量的關(guān)系，并通過直接定氧技術(shù)，推導(dǎo)出其他元素增量與所需量。

2.3 沸騰鋼與半鎮(zhèn)靜鋼質(zhì)量控制

在沸騰鋼內(nèi)，應(yīng)用直接定氧技術(shù)，可以有效提升鋼材質(zhì)量。具體來說可通過相關(guān)技術(shù)方法對其進(jìn)行控制，如式（6）所示。

式中，ST為堅(jiān)殼帶的壁厚；a[o]表示測量出的氧活度；r·r表示注入速度；t表示注入溫度[4]。

通過對式（6）對沸騰鋼進(jìn)行計(jì)算，可得到較為準(zhǔn)確含氧量，并在計(jì)算出結(jié)果后，與實(shí)際檢測出來的結(jié)果進(jìn)行比較，能夠得到相應(yīng)誤差，工作人員根據(jù)這一誤差，利用相應(yīng)方式進(jìn)行處理，如注入鋁材料或者添加助沸劑，優(yōu)化鋼材成材率。

半鎮(zhèn)靜鋼制造時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照相應(yīng)工藝以及脫氧制度。而直接定陽技術(shù)的出現(xiàn)，為該項(xiàng)工藝提供了良好的技術(shù)支持，通過對相關(guān)資料整理可知，半鎮(zhèn)靜鋼制造過程中，通常與鋼飽和溫度、封頂時(shí)間、收縮、平面、略凸以及強(qiáng)凸等因素有關(guān)。

3 總結(jié)

隨著固體電解質(zhì)直接定養(yǎng)技術(shù)的不斷更新與完善，能夠廣泛應(yīng)用到煉鋼工藝當(dāng)中。通過這一技術(shù)，可以準(zhǔn)確檢測出含氧量，對煉鋼工藝進(jìn)行控制，增強(qiáng)我國煉鋼產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)水平，并為生產(chǎn)出高質(zhì)量鋼錠提供幫助。