高鈦鐵水轉爐脫鈦研究

張 靜 姜金耀 鄭少波 李慧改,3

(1.上海大學 省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444；2.上海大學 材料科學與工程學院，上海 200444；3. 上海大學 先進凝固技術中心，上海 200444)

近年來，高品質軸承鋼對鈦含量的要求愈發嚴格。鈦在軸承鋼中容易形成TiN/Ti(CN)夾雜[1]，該類夾雜硬度較高且不易變形[2- 3]，容易造成應力集中而產生疲勞裂紋。在尺寸相同的條件下，該類夾雜物對軸承鋼疲勞壽命的危害遠大于其他類型夾雜物[4]。目前國內鋼廠冶煉軸承鋼時常采用含鈦礦冶煉[5- 6]，成本低廉的含鈦礦不僅能降低煉鐵成本，還能提高高爐使用壽命。但這種冶煉方式會使鐵水中鈦含量過高，給后續煉鋼過程造成一定的壓力。一般要求軸承鋼中鈦含量小于30 μg/g，特級優質的高端軸承鋼中鈦含量為5～15 μg/g[7]。因此有必要控制軸承鋼中鈦含量。

實際生產中，高爐鐵水鈦含量較高，約300～600 μg/g，為保證鋼水脫氧后的鈦含量在要求范圍內，需在轉爐階段對鈦進行脫除。鋼液中的鈦含量與碳含量存在選擇性氧化轉變，即溫度低于某一值時鋼液中的鈦優先氧化，反之碳優先氧化。為使軸承鋼中鈦含量小于15 μg/g，根據生產經驗，由于后續添加合金時鈦含量會增加3～10 μg/g[8]，轉爐出鋼鈦含量應控制在5～12 μg/g。但按照目前鋼廠的出鋼溫度，出鋼碳含量無法達標(0.5%～0.7%，質量分數，下同)。因此要保證鋼液出鋼鈦含量和碳含量符合要求，需計算出合適的出鋼溫度。

基于此，為降低轉爐冶煉終點鈦含量并保證高碳出鋼，同時轉爐出鋼溫度較高，為后續熔化鉻鐵提供所需的熱量，參考轉爐脫磷工藝，在軸承鋼轉爐冶煉過程中，采用雙渣法進行脫鈦、保碳和提溫，以降低鋼液中鈦含量。

“雙渣+留渣”工藝是新日鐵開發的MURC(multi- refining converter)轉爐煉鋼工藝[9]，主要分為兩個階段[10-11]。第一個階段進行脫磷、脫硅操作，結束后倒掉部分爐渣，進行第二階段脫碳，吹煉結束后出鋼并將爐渣留在爐內。該工藝利用轉爐冶煉前期溫度較低這一有利于脫磷的熱力學條件，并將上一爐的脫碳終渣用于下一爐吹煉初期的脫磷，可減少煉鋼石灰、輕燒白云石等原材料的消耗，還可以改善鋼水純凈度。本文參考該脫磷方法對高鈦鐵水的轉爐脫鈦過程進行了研究。

1 生產工藝和方法

試驗材料為國內某鋼廠提供的全流程過程樣品，其生產工藝為：鐵水預處理-轉爐吹煉-扒渣-LF鋼包爐精煉-RH真空脫氣-弱攪拌-方坯連鑄-連軋-成品，鋼廠共煉了3爐鋼，化學成分如表1所示。

表1 GCr15軸承鋼的化學成分(質量分數)

GCr15軸承鋼原料鐵水成分如表2所示，鐵水鈦含量最高達到280 μg/g，最低為180 μg/g。由于高品質軸承鋼的鈦含量要求較高，需在后續轉爐階段對鈦含量進行控制，脫鈦過程同時影響鋼中碳含量，為保證轉爐出鋼碳含量達到軸承鋼出鋼要求，還需關注碳含量的變化。

表2 鐵水成分(質量分數)

轉爐出鋼成分如表3所示，此時鋼液中鈦含量最高為20 μg/g，最低為10 μg/g，碳質量分數為0.56%～0.60%。

表3 轉爐出鋼成分(質量分數)

2 轉爐冶煉過程中鈦氧平衡

轉爐冶煉時鋼液中鈦會與氧發生反應而進入渣中。鋼液中鈦氧反應有4種方式[12- 13]，如表4所示。

表4 不同氧化物的標準吉布斯自由能表達式[12- 13]

ΔG=ΔG0+RTlnK

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

1 600 ℃鋼液中元素間的相互作用系數如表5所示[14]。

表5 1 600 ℃鋼液中元素間的相互作用系數[14]

根據試驗用軸承鋼的化學成分(表1)，利用如下公式計算1號鋼在不同溫度下Ti、O、C元素的活度系數：

(12)

將表5數據代入式(6)～式(9)進行計算。并根據式(12)計算不同溫度鋼液中鈦與氧反應時[Ti]和[O]含量的變化。考慮到本文采用雙渣法脫鈦，鈦氧化物反應溫度分別選擇低溫1 450 ℃和高溫1 600 ℃進行計算。

圖1顯示了溫度為1 450和1 600 ℃的鋼液中生成鈦氧化物時[Ti]和[O]平衡含量變化，其中實線代表1 450 ℃，虛線代表1 600 ℃。可以發現，當溫度相同、氧濃度較高時，鋼液中生成鈦氧化物的難易程度(從易到難)為Ti3O5、Ti2O3、TiO2和TiO。因而鋼液中更易生成Ti3O5和Ti2O3。且溫度對鈦氧反應的影響較大，溫度升高，鈦對氧的親和力降低，且在氧含量相同的條件下，溫度越高，鈦含量越高，反之愈低。因此轉爐冶煉的吹煉前期是去除鋼中鈦的有利階段。

3 轉爐冶煉過程鈦碳選擇性氧化

3.1 脫鈦保碳階段

轉爐冶煉軸承鋼過程中，爐料中的鈦在較低溫度下能夠大量氧化進入爐渣[15]，鋼液中的氧和碳反應生成CO，鈦氧化物在高溫下又被碳還原，出現[Ti]和[C]選擇性氧化。以熱力學較穩定的Ti2O3進行計算(圖1)。鋼液中鈦碳平衡關系為[8,16]：

圖1 不同溫度鋼液中[Ti]與[O]的平衡含量關系

[C]+[O]=(CO)

(13)

(14)

2[Ti]+3(CO)=Ti2O3+3[C]

(15)

(16)

上述反應的平衡常數為：

(17)

ΔG=ΔG0+RTlnK=0

(18)

通過式(3)、式(4)、式(14)及式(16)計算得出生成鈦氧化物的溫度為1 876 ℃。轉爐冶煉時鋼液溫度一般不超過1 650 ℃，明顯低于鈦氧化物的生成溫度，說明整個轉爐冶煉過程都存在脫鈦的可能。

圖2是不同溫度鋼液中生成Ti2O3時[Ti]與[C]的平衡含量。為冶煉出高品質優質軸承鋼，鋼液中鈦含量應控制在5～12 μg/g，碳質量分數控制在0.5%以上，但目前出鋼最高溫度僅為1 500 ℃，遠達不到要求的1 650 ℃。

圖2 不同溫度鋼液中生成Ti2O3時[Ti]與[C]的平衡含量關系

因此，為冶煉出符合要求的軸承鋼，采用雙渣法冶煉工藝。當鋼液中鈦氧反應生成Ti2O3、達到一定溫度時，將生成的爐渣倒掉，且隨著鈦含量的降低，鋼液中碳含量也隨之降低，為使鋼液中鈦含量達標(5～12 μg/g)，且保證出鋼碳含量達到先進水平(0.5%～0.7%)，倒渣時碳含量需保持在一定水平(4%)，可使最終冶煉出的軸承鋼符合優質鋼的要求。在脫鈦階段進行保碳的操作，使倒渣時鋼液中的鈦含量降至20～30 μg/g，且碳質量分數為4%左右，倒渣結束后，再進行下一階段的升溫冶煉，最終使出鋼鈦含量降至5～12 μg/g、碳質量分數降至0.5%～0.7%的先進水平。

脫鈦保碳階段，鈦碳出現選擇性氧化，具體反應如式(13)和式(15)所示。參考脫磷倒渣溫度[18]，結合式(16)由ΔG=0可計算得出轉爐內鈦碳選擇性氧化溫度T，其中：

ΔG=ΔG0+RTlnK=ΔG0+

(19)

由于倒渣時渣中Ti2O3的含量無法確定，且對含Ti氧化物渣系的熱力學計算模型的研究報道較少，尤其是含Ti2O3的多元渣系，參考文獻[19]，本文計算取鈦氧化物的活度分別為0.05、0.10和0.15，碳的活度參考文獻[20]，計算得到不同溫度和活度下[Ti]與[C]的平衡含量關系，如圖3所示。

圖3 不同溫度和Ti2O3活度鋼液中[Ti]與[C]的平衡含量關系

當Ti2O3活度為0.05時，為使倒渣時鋼液中鈦含量在20～30 μg/g，碳質量分數在3%～4%，倒渣溫度應在1 410～1 470 ℃(圖3(a))。當Ti2O3活度為0.10時，為使倒渣時鋼液中的鈦含量在20～30 μg/g，碳質量分數在3%～4%，倒渣溫度應在1 380～1 440 ℃(圖3(b))。當Ti2O3活度為0.15時，為使倒渣時鋼液中的鈦含量在20～30 μg/g，碳質量分數在3%～4%，倒渣溫度應在1 380～1 440 ℃(圖3(c))。總之，當Ti2O3的活度為0.05～0.15時，在1 410～1 440 ℃進行一次倒渣可使鋼液中鈦含量控制在20～30 μg/g，碳質量分數控制在3%～4%。

3.2 高溫冶煉階段

倒渣后進行第二階段吹煉。隨著鋼液溫度的升高，鋼液中C與O反應，同時也有Ti與O反應，該階段主要進行脫碳升溫，使鋼液中碳含量達到出鋼要求。

表6是1號、2號兩爐鋼的轉爐終渣成分。以1號鋼為例，計算參考式(11)、(14)和(16)，當Ti2O3活度系數為1時，根據其與Ti2O3摩爾濃度的乘積求得Ti2O3的活度為0.002。在0.002～0.050活度范圍內對鈦、碳含量隨溫度的變化進行計算。

表6 轉爐終渣成分(質量分數)

圖4為Ti2O3的活度分別取0.050、0.025和0.005時鋼液中[Ti]和[C]含量隨溫度的變化。可見當Ti2O3活度為0.005～0.050時，1 640～1 670 ℃出鋼鈦含量在5～15 μg/g，碳質量分數為0.5%～0.7%。結合鋼廠實際冶煉轉爐出鋼成分(如表3所示)，采用雙渣法冶煉工藝，轉爐出鋼時鋼液中Ti含量為10 μg/g，此時出鋼碳質量分數為0.6%，出鋼溫度為1 626 ℃，與熱力學計算結果相吻合，可以達到脫鈦要求。

圖4 不同溫度和Ti2O3活度下鋼液中[Ti]與[C]的平衡含量關系

4 結論

(1)1 450～1 600 ℃鋼液中生成的鈦氧化物主要為Ti3O5和Ti2O3,轉爐冶煉時吹煉前期是去除鈦的有利階段。

(2)采用雙渣法轉爐脫鈦，在脫鈦保碳階段，Ti2O3的活度為0.05～0.15，倒渣時碳質量分數為3%～4%，此時半鋼鈦含量控制在20～30 μg/g，倒渣溫度為1 410～1 440 ℃。

(3)脫碳升溫階段，鋼液中Ti2O3的活度為0.005～0.050。在1 640～1 670 ℃出鋼可使鋼液中鈦含量降低至5～15 μg/g，碳質量分數達到0.5%～0.7%。