低碳低硅鋁鎮靜鋼增硅機理分析及控制措施

陳洪民， 任 濤， 趙占山， 朱韶哲， 趙梓云， 陳 旭

（日照鋼鐵有限公司， 山東 日照 276800）

日照鋼鐵有限公司（全文簡稱日鋼）一直致力于低碳低硅鋁鎮靜鋼冷軋基料用鋼的研發工作，先后開發SPHC、SPHE、汽車大梁鋼、耐候鋼、高碳鋼等鋼種。SPHC 低碳低硅鋁鎮靜鋼種的成功開發拓寬了日鋼品種市場，增加了日鋼的經濟效益，但是在日常LF 精煉生產期間，存在著精煉過程增硅嚴重，導致成分超標，最終影響成品性能。為改善精煉過程增硅超標爐次，結合低碳低硅鋁鎮靜鋼增硅機理，本文結合現場生產實踐進行深入研究，并制定相應措施，最終使過程增硅受控。

1 SPHC 低碳低硅鋁鎮靜鋼種成分

本文以SPHC 低碳低硅鋁鎮靜鋼為例，對LF 精煉過程增硅問題進行分析，低碳低硅鋁鎮靜鋼種化學成分要求如表1 所示。

表1 SPHC 低碳低硅鋁鎮靜鋼化學成分 %

2 熱力學條件及動力學條件分析

2.1 增硅的熱力學條件

日照鋼鐵低碳低硅鋁鎮靜鋼工藝路線：脫碳爐→LF 精煉→CC。高溫脫S 時，精煉過程溫度保持在1 570～1 605 ℃區間。通過鋼水氧勢圖可知，在此溫度區間FeO、P2O5、MnO、SiO2等氧化物穩定性依次增強。因此在精煉還原性氣氛下FeO、P2O5、MnO、SiO2等不穩態氧化物分別與強脫氧劑Al 發生氧化還原反應，其中元素Fe、P、Mn、Si 被依次置換出來。刨除精煉過程氧化性問題，本文只討論白渣狀態下精煉過程SiO2與Al 氧化還原反應，增硅反應化學方程式如下：ΔG0=111.23-0.019×（1 605+273）=75.55（kJ/mol）>0[1]

ΔG0>0,說明鋼水溫度在1 570～1 605 ℃溫度下，增硅反應朝著逆向反應進行,即向生產元素硅的方向進行，同時精煉過程高鋁控制有利于精煉過程回硅。

2.2 增硅的動力學條件

根據冶金傳輸原理雙膜理論，液- 液相的界面反應由三個環節[2]組成：反應物向相界面擴散、界面化學反應、生成物離開相界面擴散。

根據冶金脫硅氧化還原反應的熱力學、動力學條件分析，LF 精煉過程屬于氧化還原反應過程，LF 在白渣形成后，脫硫時需要鋼包雙透氣磚底吹氬強烈攪拌。在低碳低硅鋁鎮靜鋼中鋁高位（w（Al）=0.030%～0.060%）運行狀態下會發生回硅還原反應。LF 精煉在強脫硫反應時大氬氣攪拌同時增加了回硅反應界面面積[3]，同時伴隨精煉時間增加提高增硅反應機率。在鈣處理階段由于喂入鈣線鋼水翻騰嚴重，在一定程度上加劇了渣金反應界面及反應時間，對過程增硅起到促進作用。

3 實際生產中增硅影響因素分析

3.1 脫碳爐終點控制

低碳低硅鋁鎮靜鋼脫碳爐日常終點控制如表2所示。

表2 脫碳爐終點控制

表2脫碳爐終點w（O）普遍維持在450×10-6～700×10-6，低碳低硅鋁鎮靜鋼生產時鐵水不經過KR脫硫模式，到站鐵水硫磺普遍在0.015%～0.050%，到站硫磺含量偏高，脫碳爐出鋼后脫硫任務絕大部分通過LF 精煉完成，脫硫任務勢必通過精煉過程大氬氣吹氬攪拌增強渣金反應界面來實現。

3.2 過程渣樣數據

生產過程通過取樣對低碳低硅鋼對渣樣做實驗分析，結果見表3。

表3 SPHC 渣樣分析結果 %

由表3 知，從脫碳爐終點到精煉鈣處理前，伴隨精煉過程由初期氧化性狀態轉化為LF 鈣處理前終點強還原性狀態，渣中FeO、MnO、SiO2含量下降，精煉過程大氬氣攪拌渣中SiO2一直被鋼中Al 還原，w（SiO2）由11.9%降低至2.86%。渣中Al2O3含量呈上升趨勢, 由初始11.65%上升至31.97%。精煉喂線前FeO、MnO、SiO2基本被還原完畢，精煉過程增硅。

3.3 精煉回P 量與增Si 量關系

通過表3 可知脫碳爐終點渣中w（SiO2）含量高約11.9%，脫碳爐下渣量決定了SiO2初始來源含量，精煉過程回硅量受渣中SiO2影響。根據渣中SiO2含量及下渣量正常理論計算，低碳低硅鋁鎮靜鋼回硅在0.025%左右。根據LF 精煉生產數據統計分析了增硅量與回P 量的如圖1 所示。

圖1 回硅與回磷量散點圖

精煉過程增硅量隨回P 量的增加而增加，成正相關性。通過精煉過程回硅與回磷散點圖發現最大增硅量為0.040%以下，正常精煉冶煉周期內內部鋼種H01301（w（Si）≤0.054%）回硅能滿足內控成份要求；對于外貿鋼種H00701 爐次（w（Si）≤0.034%）成份超標，必須改煉H01301，導致煉鋼生產節奏打亂。

3.4 脫S 量與增Si 量的關系（見圖2）

圖2 增硅量與脫硫磺散點圖

通過圖2 看出，精煉過程脫硫過程伴隨著增硅反應，回硅量與增硅量為正相關關系。根據到站硫磺統計因LF 精煉造渣脫硫任務過重（氬站w（Si）>0.020%）占超標總爐數的85.6%，單純由于到站S 高導致增硅超標爐次沒有，主要是在冶煉過程中S 高爐次增加石灰量300～1 000 kg，石灰加入稀釋鋼渣中SiO2含量，對于固定渣中SiO2起到決定作用，降低渣中SiO2與鋼種Al 反應機率，減少過程增硅。

3.5 增硅量與精煉時間的關系

通過查閱相關文獻[4]指出：[SiO2]-[Al]達到反應平衡時，w（Si）為1.00%左右，遠超低碳低硅鋁鎮靜鋼Si成分限要求，所以當該反應無法達到平衡時，一直會朝向增硅方向進行。精煉時間與增硅量的對應關系如圖3 所示：隨著精煉時間增加，伴隨吹氬攪拌增硅量也隨之增加，為正相關關系。通過數據統計發現，LF精煉過程最大增硅量w（Si）=0.040%。

圖3 精煉增硅與精煉時間散點關系圖

3.6 鈣處理對增硅影響

正常低碳低硅鋁鎮靜鋼SPHC 鈣處理喂線量普遍在290～400 m/爐，在鈣處理過程中，鋼液渣面翻騰劇烈，鈣處理過程中[SiO2]與[Al]反應，鈣處理過程增硅。但受限于鈣處理時間短，[SiO2]與[Al]反應時間短，通過鈣處理與鈣處理取樣計算，過程增硅在w（Si）為0.002%～0.003%之間，精煉鈣處理過程增硅量微量。

4 控硅措施

通過增硅機理分析發現，脫碳爐下渣量、精煉時間、脫S 量等與精煉過程增硅呈正相關，通過采取以下措施控制精煉過程增硅量。

1）降低來鐵到站硫含量，到站w（P）≤0.025%，對于到站w（S）＞0.040%爐次增加石灰用量。

2）控制脫碳爐終點下渣量，調低滑板擋渣下渣指數，減少出鋼下渣量，減少初始鋼渣TiO2含量。

3）嚴格控制精煉周期，精煉時間≤60 min，因事故導致的倒包硅高必須去RH 吹氧脫硅倒渣處理。

通過以上控硅措施，低碳低硅鋁鎮靜鋼硅高改判率w（P）由0.62%降低至0.28%以下。

5 結論

1）根據冶金熱力學及動力學，鋼水增硅不可避免，LF 精煉過程正常回硅量w（P）≤0.025%。

2）通過降低脫碳爐滑板擋渣指數，降低下渣量，減少精煉過程增硅。

3）對于精煉過程S 高爐次，可通過增加石灰用量抑制過程增硅。

4）精煉時間影響過程增硅量，為控制增硅精煉時間目標≤60 min。

5）喂鈣線翻騰對于精煉增硅影響不大，幾乎可忽略不計。