RH軟吹時(shí)間對鋼水中夾雜物行為的影響

周 丹 許用會 史進(jìn)強(qiáng) 王現(xiàn)周

（河北鋼鐵集團(tuán)邯鄲鋼鐵公司）

0 引言

鋼中的非金屬夾雜物破壞了鋼基體的致密性和連續(xù)性，對鋼的各項(xiàng)性能均有不利影響。因此，提高鋼水的潔凈度，盡可能降低鋼水中夾雜物的含量就顯得非常重要。鋼包軟吹對鋼水的潔凈度有至關(guān)重要的影響，能有效去除鋼中的夾雜物。有關(guān)鋼包軟吹對鋼水中夾雜物去除的研究多為數(shù)值模擬和水模型方面的研究，因此筆者利用大樣電解法對不同軟吹時(shí)間下夾雜物的去除效果進(jìn)行了研究，為優(yōu)化軟吹時(shí)間提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法

1.1 生產(chǎn)工藝概況

實(shí)驗(yàn)選取的鋼種為軸承鋼，其生產(chǎn)工藝流程為鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→RH精煉→軟吹→連鑄，化學(xué)成分見表1。轉(zhuǎn)爐主要進(jìn)行脫磷、脫碳并在出鋼過程中完成合金化；LF通過白渣精煉，進(jìn)行脫氧、脫硫和夾雜物去除，同時(shí)全程底吹氬；RH主要是在真空條件下進(jìn)行脫氫、脫氮，隨后對鋼包底部軟吹氬，進(jìn)一步促進(jìn)夾雜物上浮、去除，提高鋼水的潔凈度，防止水口堵塞；連鑄過程實(shí)施全程保護(hù)澆注。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

1.2 取樣及分析方法

為分析不同軟吹時(shí)間下，鋼中全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)及鋼中夾雜物尺寸、含量、成分的變化，在RH破空后的軟吹階段，每隔5 min從鋼包中取氣體樣和大樣電解試樣。

采用氮氧分析儀分析測定鋼中總氧含量。同時(shí)，將所取試樣進(jìn)行大樣電解試驗(yàn)，以分析鋼中夾雜物含量的變化，采用掃描電鏡對夾雜物的成分進(jìn)行分析，為煉鋼過程夾雜物的控制提供指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 軟吹時(shí)間對鋼中全氧及鋼水溫度的影響

軟吹過程中鋼中全氧含量的變化如圖1所示。隨著軟吹時(shí)間的延長，鋼中全氧含量逐步降低，在軟吹10～20 min時(shí)，下降最快。軟吹時(shí)間20 min以后，鋼中全氧含量降至10×10-6以下；軟吹時(shí)間25 min后，鋼中全氧含量略有上升趨勢。

圖1 軟吹過程鋼中T[O]含量變化

軟吹過程中鋼水溫度的變化如圖2所示。鋼水溫度隨軟吹時(shí)間的增加而逐漸下降。當(dāng)軟吹時(shí)間為20 min時(shí)，鋼水溫度由破空后的1 551 ℃降至1 528 ℃左右，軟吹過程平均溫降為1 ℃/min。

圖2 軟吹過程鋼水溫度的變化

綜上所述，增加軟吹時(shí)間，可進(jìn)一步去除鋼水中的氧含量，同時(shí)也會引起鋼水溫度的降低，對后續(xù)澆注可能會產(chǎn)生不利的影響，因此軟吹時(shí)間不宜過長。

2.2 軟吹時(shí)間對夾雜物總量的影響

軟吹過程中夾雜物總量的變化如圖3所示。隨著軟吹時(shí)間的延長，鋼中夾雜物的總量逐漸減小。破空后夾雜物總量為97.88 mg/10 kg，軟吹30 min后夾雜物總量降至8.91 mg/10 kg，夾雜物去除效果顯著，去除率達(dá)90.9%。

圖3 夾雜物總量隨軟吹時(shí)間的變化

夾雜物去除量及去除率隨軟吹時(shí)間的變化如圖4所示。前20 min夾雜物去除量較大，破空至軟吹10 min時(shí)夾雜物去除量為33.86 mg/10 kg，尤其是尺寸＞300 μm的夾雜物的去除效果顯著。20 min后，夾雜物的去除效果減緩，尤其軟吹時(shí)間為25～30 min時(shí)，夾雜物去除量僅為2.97 mg/10 kg。

圖4 夾雜物去除率隨軟吹時(shí)間的變化

軟吹過程鋼中夾雜物粒度分布的變化情況見表2。隨著軟吹時(shí)間的延長，＞300 μm的大尺寸夾雜物有明顯的下降趨勢；而＜80 μm的小尺寸夾雜物稍有波動，變化不大。在軟吹20 min后鋼中沒有出現(xiàn)＞300 μm的夾雜物，這說明軟吹時(shí)間超過20 min以后，鋼中出現(xiàn)超大夾雜物超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

表2 夾雜物粒徑分布情況

根據(jù)Stokes式[1-2]，夾雜物顆粒從深度為H的鋼液或鐵液勻速上浮到表面所用的時(shí)間t為：

式中，H——夾雜物的高度，m；η——鋼水的黏度，Pa·s；Δρ——夾雜物密度與鋼液密度的差，kg/m3；d——夾雜物的直徑，m；ν——夾雜物上浮速度，m/s。由式（1）可知，直徑為80 μm的夾雜物的上浮時(shí)間是直徑為300 μm夾雜物的14倍。因此，小尺寸的夾雜物上浮需要更長的時(shí)間。

由此可見，軟吹20 min時(shí)大型夾雜物基本上浮，此時(shí)鋼中全氧含量在10×10-6以下，滿足后續(xù)軸承鋼的生產(chǎn)。此外，在不影響生產(chǎn)節(jié)奏匹配的情況下，適當(dāng)延長軟吹時(shí)間可以更加有效地去除鋼中的夾雜物。

2.3 不同軟吹時(shí)間下夾雜物形貌和成分分析

破空后鋼中各尺寸夾雜物的形貌如圖5所示。夾雜物按形貌主要分為球狀夾雜及不規(guī)則塊狀夾雜。尺寸大于140 μm的夾雜物主要以球狀為主；尺寸小于140 μm，尤其小于80 μm的夾雜物主要以塊狀為主。

圖5 破空后鋼中夾雜物形貌

軟吹30 min后鋼中各尺寸夾雜物的形貌如圖6所示。軟吹30 min后，鋼中大尺寸夾雜物基本上浮，未找到大于140 μm的夾雜物。小于140 μm的夾雜物形貌主要為透明或半透明的不規(guī)則塊狀。

圖6 軟吹30 min后鋼中夾雜物形貌

典型夾雜物成分信息如圖7所示。經(jīng)掃描電鏡分析，球狀夾雜主要為鋁硅鈣復(fù)合夾雜物，其來源為氧化鋁與渣中氧化鈣、氧化硅生成的復(fù)合化合物[3-5]。在掃描電鏡下，在多數(shù)球狀夾雜物上可看到棱角鮮明的鎂鋁尖晶石，其為氧化鋁與渣中氧化鎂和包襯帶入的氧化鎂復(fù)合生成的硬脆性夾雜物，在冶煉過程中被鋁酸鈣夾雜物所裹挾。此類球狀夾雜物在軋制過程中不易變形，容易造成應(yīng)力集中，形成裂紋源，從而影響軸承鋼疲勞壽命。本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在軟吹20 min后大尺寸球狀夾雜物基本去除，因此小于140 μm的少數(shù)球狀夾雜物是影響軸承鋼疲勞壽命的制約因素。塊狀夾雜物的成分主要為硅鋁酸鹽，還有一些為氧化鋁和氧化硅；其尺寸基本在50～300 μm，尺寸范圍較大。此類塊狀夾雜物主要由脫氧產(chǎn)物與鋼包渣相互復(fù)合而成。大尺寸塊狀夾雜物在軟吹初期基本上浮，在軟吹30 min后，小尺寸塊狀夾雜物大部分也已上浮。鋼中夾雜物以鋁硅鈣復(fù)合夾雜物和硅鋁酸鹽夾雜物為主，夾雜物類型隨軟吹時(shí)間的增加變化不大。

3 應(yīng)用效果

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，軟吹20 min以后，鋼中全氧含量降至10×10-6以下；在軟吹20 min時(shí)大型夾雜物基本上浮，滿足軸承鋼的生產(chǎn)。因此，為實(shí)現(xiàn)高效化生產(chǎn)，可將軟吹時(shí)間由25～30 min調(diào)整至20～25 min。為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對相關(guān)工藝進(jìn)行優(yōu)化，并對優(yōu)化前后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，優(yōu)化前的數(shù)據(jù)共統(tǒng)計(jì)759爐，優(yōu)化后的數(shù)據(jù)共統(tǒng)計(jì)376爐。工藝優(yōu)化后，軟吹時(shí)間在25 min以內(nèi)的比例由原來的36%提升至87%，夾雜物合格率由98.8%變?yōu)?8.7%，變化不大。此外，由于軟吹時(shí)間縮短，溫降減小，高效化顯著，綜合創(chuàng)效2 元/t。

4 結(jié)論

（1）軟吹前20 min，鋼中總氧平均含量由軟吹開始的17×10-6降低到9 ×10-6，軟吹20～30 min，鋼中總氧含量略有回升。

（2）軟吹20 min時(shí)大型夾雜物基本上浮，繼續(xù)增加軟吹時(shí)間，有利于進(jìn)一步去除鋼中的夾雜物，但軟吹時(shí)間過長，會造成鋼液溫度下降較多，給后續(xù)生產(chǎn)節(jié)奏匹配帶來不利影響。

（3）生產(chǎn)實(shí)踐表明，將軟吹時(shí)間優(yōu)化到25 min以內(nèi)，夾雜物合格率沒有明顯下降趨勢。此外由于軟吹時(shí)間縮短，溫降減小，綜合創(chuàng)效2 元/t。