IF 鋼加硅脫氧生產實踐

2021-11-19 09:25:44湯海明陳永洪楊龍川

河南冶金 2021年4期

湯海明陳永洪劉彬楊龍川

（河鋼邯鋼邯寶煉鋼廠）

0 前言

邯寶煉鋼廠是河鋼邯鋼主要的汽車板生產地，每月汽車板產量達到12 萬t 以上。汽車板（IF 鋼）最主要的難點就是鋼水中夾雜物的控制。IF 鋼主要是采用吹氧加鋁升溫和鋁脫氧的方式進行生產的，脫氧生成的Al2O3夾雜物熔點高、難去除，易堵水口，影響連鑄澆鑄性和汽車板的表面質量。為有效降低鋼中夾雜物，相關實驗研究[1]得出硅鐵和鋁對鋼液的升溫效果相差不大，而含SiO2夾雜的鋼水的可澆性比Al2O3好，而且硅鐵比鋁粒便宜很多，對連鑄可澆鑄性和鋼水質量的影響小，但是對表面質量要求較高的鍍鋅類汽車板用鋼來說，GB /T 700—2006[2]要求鋼中的Si 元素的質量分數≤0.01%。因為過量的Si 不僅會降低鋼板的耐腐蝕性，而且會影響鍍鋅層的粘附性能[3]。要實現對汽車板用鋼中的Si 含量的嚴格控制，需要合理優化工藝，選擇合適的加入量和加入方式，在滿足硅含量要求的前提下減少鋁的使用量，從而降低生產成本，提高鋼水質量。筆者通過理論研究和生產實踐，實現了IF 鋼以硅代鋁脫氧工藝技術的應用。

1 IF 鋼用硅、鋁升溫熱力學分析

1.1 硅、鋁的理論升溫計算

IF 鋼都是通過RH 真空冶煉，在冶煉過程中采用吹氧加鋁的化學升溫方式來提高冶煉所需溫度，在有氧的情況下加入硅鐵也能達到通過硅氧放熱反應而使鋼水升溫，二者的反應式[4]分別為：

CPO2（g）=34.60+1.09×10-3T（J/mol·K）

ΔH=1 483.45（J/mol·K）=27 471（kJ/kg·Al）

取1 600 ℃時純鐵的比熱容為0.824 MJ/(t·℃），100 kg 的Al 加入270 t 鋼水中升溫12.35 ℃；同理，考慮SiO2的相變及硅氧反應的熱效應可知：

ΔH=-26 324.2（kJ/kg·Si）

經過計算可知每100 kg 硅鐵可使270 t 鋼液升溫11.1 ℃，通過計算得出，對于270 t 鋼水而言，在RH 冶煉時加入同等質量的鋁粒和硅鐵，其理論升溫效果相差不大。

1.2 硅、鋁的熱力學還原反應計算

同時采用硅、鋁脫氧的鋼液中，在鋁合適的情況下存在化學反應。設冶煉時冶煉溫度為1 600 ℃，鋼中加入鋁時Al 會還原鋼中存在的[Si]，反應式為：

本廠所冶煉的IF 鋼水的主要成分見表1。鋼液中各元素在假設冶煉溫度1 600 ℃時的相互作用系數見表2[5]。

表1 IF 鋼水的主要成分 %

表2 1 600 ℃時各元素間的相互作用系數

鋼中各元素的活度系數應滿足：

將表1 和表2 中的相關數據代入式（6）可得：fAl=0.99，fSi=1.01。

對RH 出站的IF 鋼進行取樣，其渣中各成分的質量分數見表3。

表3 IF 鋼渣中成分

把表3 中的渣系成分折算成CaO-Al2O3-SiO2渣系成分，通過三元渣系活度圖[5]可知αSiO2=0.0001，αAl2O3=0.2，把相關數值帶入式（5）可得ΔG=-146 029.08，即反應向正向進行，鋼水中的鋁能把SiO2還原回來，有增硅的趨勢。

2 工藝生產討論與分析

2.1 硅、鋁脫氧實際升溫效果

為了驗證實際生產中加入硅鐵和鋁粒脫氧鋼液的實際升溫效果，首先利用含硅的IF 鋼進行試驗，各試驗15 爐，加入量都是100 kg，試驗結果如圖1 所示。

圖1 加入不同升溫劑后鋼水的升溫情況

從圖1 可以看出，鋁粒的實際升溫效果優于硅鐵的，鋁粒的升溫量正態分布優于硅鐵的，這主要是由于硅鐵中的硅含量為75%，導致升溫有所偏低。加100 kg 鋁粒的15 爐鋼液的平均升溫量為8.29 ℃，而加硅鐵的平均升溫量為6.81 ℃。從實際升溫效果看，實際升溫值不如理論計算值高，這主要是為了保證實驗的準確性，一般是加入升溫劑循環2 min 后才開始測溫，期間會有部分溫降。根據平時的經驗，1 min 的溫降在1 ℃左右，那么加入100 kg 鋁?；?5%硅鐵的實際平均升溫量約為10.29 ℃或8.81 ℃。

2.2 不同處理時刻加入硅鐵對鋼液中硅的影響

為了研究不同冶煉階段加入硅鐵對IF 鋼中硅含量的影響，分別選取了轉爐爐后、精煉處理開始和精煉處理脫氧合金化前3 min 三個冶煉階段進行試驗。每一個階段，每爐硅鐵（75%）的加入量均為50 kg 的，其中轉爐爐后和精煉處理開始各試驗了10 爐，脫氧合金化前3 min 試驗了5 爐，試驗結果如圖2 所示。

圖2 不同時刻加入硅鐵鋼水中硅含量情況

從圖2 可以看出，相同的加入量，硅鐵加入越早，處理結束后鋼水中的硅含量越低，對鋼水質量的影響也越小。轉爐爐后加入硅鐵，處理結束后鋼水中的硅含量最少；脫氧前3 min 加入硅鐵，處理結束后鋼水中的硅含量有三爐已經超過內控0.01% 的界限。按照平時冶煉時正常增硅量為40 kg 增加鋼水中0.01%的硅計算，加入50 kg 硅鐵生成的SiO2在鋁脫氧階段基本被還原成硅進入鋼水中。因此，冶煉時硅鐵在轉爐爐后加入最優，對鋼水質量的影響較小。

2.3 加入量對增硅影響

通過試驗已經得出轉爐爐后加入硅鐵最優，為了得出加入量與處理后鋼水中硅含量的關系，分別統計了爐后加入0 kg、50 kg、100 kg 及150 kg 硅鐵澆鑄后鋼水中硅含量的情況，其結果如圖3 所示。

從圖3 可以看出，隨著硅鐵加入量的增加，處理后鋼水中的硅含量有所增加，但硅鐵加入量≤150 kg 時，處理結束后鋼水中的硅含量均未超過內控界限0.01%。試驗中有些爐次的硅鐵加入量達到200 kg，處理結束時大部分鋼水中的硅含量均小于0.085%，有個別爐次稍微超過內控0.01%。因此，只要加入得當，轉爐后加入硅鐵量≤150 kg，處理結束后鋼水中的硅含量一般不會超過內控（≤0.01%）的要求。

圖3 加入不同硅鐵量鋼水中硅含量情況

2.4 冶煉過程增硅情況

IF 鋼脫氧前鋼水中不含硅，成品中的硅主要是源于渣中的SiO2被還原[7]。假設渣中的硅還原只通過擴散反應完成，那么渣中SiO2的擴散環節將是其反應的限制性環節，擴散反應動力關系式[8]為：

式中：A—鋼一渣反應界面面積，cm2；Vm—鋼液體積，m3；w[Si]1、w[Si]——鋼-渣界面處鋼液側與渣相平衡的硅濃度和鋼中硅濃度，g/cm2；w[Si]0—鋼液中的初始硅濃度，g/cm2； ——硅在鋼液中的傳質系數，取3×10-5～5×10-4m/s 。

從式（7）可以看出，一定量的鋼液通過傳質增硅主要與鋼液界面兩側硅含量的濃度差和鋼液放置的時間有關系。

為了弄清IF 鋼水轉爐爐后加入硅鐵后，后面工序的增硅情況，由于在有氧的情況下鋼水中基本不會含硅，所以主要選取脫氧前（10 min）、RH出站和成品來對比分析，共取了8 爐試樣進行分析，每一爐都在轉爐出鋼時加入100 kg 硅鐵，其不同時刻鋼水中的硅含量如圖4 所示。

圖4 鋼液冶煉過程的增硅情況

從圖4 可以看出，從冶煉到成品，鋼液中的硅含量是在不斷增加的，脫氧前鋼水中基本沒有硅，脫氧后鋼水中的鋁還原了部分渣中的SiO2，使出站時鋼水中的硅含量開始增加，這也是加硅鐵后IF鋼水增硅最多的過程；出站后通過擴散傳質，鋼水中的硅含量進一步增加，但其含量都還在內控范圍內，不影響IF 鋼汽車板的性能。

2.5 進站氧含量與出站硅含量關系

RH 處理還未脫氧的情況下，鋼水中的硅含量很低，基本可以忽略，但隨著鋼液進行脫氧合金化以后鋁就開始不斷地從渣中還原SiO2，從而使鋼中的硅含量不斷增加。選取了50 爐轉爐加入硅鐵的鋼水條件，硅鐵加入量在130～150 kg 之間，將RH 進站鋼水氧含量與出站硅含量的關系進行統計，統計結果如圖5 所示。