電弧爐出鋼過程在線噴粉Al-C復合脫氧研究及應用

安會龍,劉 崇,徐阿帆,魏光升

(1.河鋼材料技術研究院,河北 石家莊 050023;2.北京科技大學 冶金與生態工程學院,北京 100083)

現代電弧爐煉鋼由于其特殊的爐型結構熔池攪拌強度弱,動力學條件較差,為縮短冶煉時間、降低電耗,廣泛采用強化供氧技術[1-2]。而由于這種強化供氧技術,往往會導致在冶煉結束時鋼液中溶解有過量的氧元素,這些氧元素通常以非金屬夾雜物及溶解氧的形式存在[3]。鋼中過量的氧會降低鋼材的強度、塑性,不利于鋼材的焊接及切削加工[4]。在實際生產過程中往往采用直接向鋼包中加入脫氧劑的方法進行鋼液預脫氧。而鋁由于脫氧能力較強,經常作為脫氧劑用于鋼包脫氧。但鋁脫氧的反應產物和殘留在鋼中的鋁會引起耐熱鋼的蠕變脆性,致使鋼的高溫強度降低,并導致軸承鋼、鋼軌鋼和車輪鋼疲勞性能的惡化[5]。有科研工作者提出將在線噴粉技術應用于電弧爐出鋼階段。通過位于出鋼口附近的噴粉槍向出鋼流股噴吹N2-碳粉粉氣流,配合合金脫氧劑進行脫氧。能夠起到降低鋼液氧含量,減少合金脫氧劑消耗,提高鋼液純凈度的冶金功效[6-7]。

本文從冶金熱力學角度出發,研究在線噴粉過程中Al-C復合脫氧的脫氧效果,實驗以電弧爐出鋼終點樣為原料,探究不同的加料方式、加料總量對于Al-C復合脫氧的影響及效果,探究其對鋼液潔凈度的影響。

1 電弧爐出鋼過程在線噴粉脫氧工藝

電弧爐煉鋼出鋼過程在線噴粉脫氧工藝[8],是利用脫氧劑-載氣混合射流直接沖擊出鋼鋼流,碳質微粒與高溫鋼液快速接觸,瞬態反應生成脫氧氣泡實現無鋁(硅)優先脫氧,提高合金收得率,減少鋼中初始沉淀脫氧產物,以提升產品質量,如圖1所示。

圖1 電弧爐出鋼過程在線噴粉脫氧系統

該工藝通過以下步驟實現:

(1)通過安裝在電弧爐出鋼口附近位置的噴吹元件向出鋼鋼流直接噴吹載氣-脫氧粉劑粉氣流;

(2)開發配套的噴吹裝備及控制系統,精確檢測和控制介質噴吹速率,實現自動化操控;

(3)探明電弧爐出鋼過程在線噴粉沖擊行為規律,通過優化工藝參數,提高粉劑利用效率;

(4)研究基于電弧爐出鋼過程在線噴粉工藝下的合金加料工藝,開發電弧爐在線噴粉脫氧智能控制系統,根據終點成分和 LF 目標成分,在線計算脫氧劑和合金用量,指導出鋼操作;

(5)改造電弧爐煉鋼出鋼預脫氧體系以適用于電弧爐出鋼過程在線噴粉脫氧新工藝要求,提高產品質量,穩定生產節奏。

2 Al-C復合脫氧熱力學研究

電弧爐出鋼過程在線噴粉利用碳粉與鋁對鋼液進行復合脫氧,有以下兩個優點:①復合脫氧反應導致脫氧常數降低,因而加強了脫氧能力;②脫氧產物中有CO氣泡產生,易于Al2O3夾雜物上浮,使鋼液潔凈度更高。

2.1 Al-C復合脫氧平衡曲線理論分析

為了驗證電弧爐出鋼過程在線噴粉Al-C復合脫氧技術的應用效果及影響因素,現對Al-C復合脫氧最低值進行理論分析,復合脫氧通式為

xM+yN+zO=MxOi+NyOz-i

(1)

式中:x,y,z分別為元素M,N,O的化學計量系數;MxOi及NyOz-i為脫氧產物或氣體氧化物或固體夾雜物。可將溶液中固體氧化物的活度看為1,在出鋼在線噴粉的過程中氣體氧化物生成的壓力為1個標準大氣壓,則有

(2)

式中:K為反應的平衡常數;m為脫氧常數[9];a1,a2,a3為組元M,N,O的活度。

m=a1·a2·a3=(f1[w(M)])x(f2[w(N)])y(f3[w(O)])z

(3)

式中:f1,f2,f3為組元M,N,O的亨利活度系數[10]。

對式(3)進行化簡可得:

lgm=xlgf1+xlgw(M)+ylgf2+ylgw(N)+

zlgf3+zlgw(O)

(4)

由Wanger方程[11]對活度系數求解,將式(4)化簡可得到:

lgm=xlgw(M)+ylgw(N)+zlgw(O)+w(M)

(5)

通過式(5)可對復合脫氧反應進行理論研究。在Al-C復合脫氧過程中,C與O生成CO氣泡,上浮排出鋼液,并對鋼液產生一定的攪拌作用,對Al與鋼中的氧生成Al2O3上浮的過程營造了較好的動力學條件,對于Al-C在鋼液中的復合脫氧,假設符合xM+yN+zO=MxOi+NyOz-i過程,所以Al-C復合脫氧發生如下反應:

2Al+3O=Al2O3

(6)

C+O=CO

(7)

由式(6)與式(7)聯立可得

2Al+C+4O=Al2O3+CO

(8)

由Al-C復合脫氧化學反應方程式可知其中化學計量系數分別為x=2、y=1、z=4,在1 873 K的溫度下將系數與式(2)、式(3)、式(4)、式(8)聯立,得出lgm=-16.06。又查表得知,在1 873 K的溫度下,有以下活度相互作用系數:

代入式(5)中最終求得如下公式:

4lgw(O)-14.34w(O)+2lgw(Al)-15.467w(Al)+

lgw(C)-1.478w(C)+16.06=0

(9)

式(9)即為Al-C復合脫氧平衡理論曲線公式。

2.2 電弧爐出鋼過程在線噴粉復合脫氧理論效果分析

現假設Al投入鋼液后,鋼液中的總脫氧反應為

2Al+C+4O=Al2O3+CO

(10)

此時T為出鋼溫度,設定為1 600 ℃,則有

4lgw(O)-14.34w(O)+2lgw(Al)-15.467w(Al)+

lgw(C)-1.478w(C)+16.06=0

(11)

利用此式展開Al-C復合脫氧理論效果分析。

2.2.1 Al-C復合脫氧下Al-O平衡關系研究

利用Matlab數值法對不同目標氧濃度的Al-O平衡關系進行探究,對鋼液脫氧結束的平衡狀態進行預測。結合出鋼終點實際情況,在計算過程中將鋼液中C濃度確定為600×10-6,在不同的目標氧變化下,求得平衡時Al濃度并與單獨Al脫氧進行對比。計算方案如表1所示:

表1 脫氧反應速率預測曲線計算方案

將計算設計數據代入式(11)中,計算精度設置為1×10-5,共計算100步,計算(1～100)×10-6O濃度對應的平衡Al濃度,得到曲線如圖2所示。

圖2 1 600 ℃ 下鋼液中[Al]-[O]理論平衡曲線

1 600℃下鋼液中[Al]-[O]平衡曲線如圖2所示,在鋼液中[C]濃度為600×10-6時,平衡Al的濃度隨鋼中目標[O]濃度的升高而降低。其中,鋼液中的平衡[Al]濃度在w([O])=(15～50)×10-6濃度區間內變化梯度最大。隨著曲線后段的[O]濃度逐漸提升,平衡[Al]的變化幅度逐漸降低。后期平衡[Al]濃度不再受氧濃度的升高而改變。

電弧爐出鋼過程在線噴粉過程中加入鋁后,在碳濃度為600×10-6時Al-O平衡關系與單獨鋁脫氧的對比關系如圖3所示,隨著鋼中目標w([O])的上升,兩種脫氧方式與之平衡的w([Al])整體呈下降趨勢。可從圖3中得知,Al-C復合脫氧的平衡氧限度低于Al單獨脫氧的O限度,這是由于鋼中含有一定量的C與Al共同作用于鋼中的O平衡,當C存在時,Al-C復合脫氧限度相較Al單獨脫氧會有一定程度的降低,并且從圖3中曲線斜率中可以看出Al脫氧曲線先于Al-C平衡曲線開始降低。此現象說明鋼中C的存在與否對[Al]、[O]平衡濃度的變化起到了一定的影響。

圖3 1 600℃鋼液下[Al]-[O]平衡與Al單獨脫氧平衡對比圖

在圖3中兩曲線的后段,曲線趨于平緩,隨氧平衡濃度的升高Al濃度的變化不再明顯,在O濃度較高時的平衡鋁濃度變化較小。說明在目標氧濃度較高時,C對Al-O平衡產生的影響比較小,電弧爐出鋼預脫氧目標氧濃度約為(50～100)×10-6,而C的存在對Al脫氧限度的影響在20×10-6的氧濃度下產生,所以基本可以忽略C對脫氧限度方面的影響。在圖3中還可看出,在鋼液中有大量[C]存在的情況下,會對平衡Al的溶解濃度產生影響,在相同脫氧限度下,[C]存在時,平衡[Al]濃度略高于Al單獨脫氧時濃度,在電弧爐出鋼過程在線噴粉工藝中,碳粉先于Al被噴吹進鋼液中,進行一段時間的C-O反應后,才將Al投入鋼液中,在鋼液中[O]的所需脫除量相同的情況下,噴吹后脫氧所需Al量一定小于Al單獨脫氧需要的Al量,爐后噴粉工藝不僅節省了合金用量,并且在此情況下,[Al]的溶解度略有提升,相當于提升了Al的收得率。

2.2.2 不同目標氧濃度下[C]濃度對[Al]平衡濃度關系研究

利用Matlab數值法計算對鋼中不同目標氧濃度下[C]濃度變化對[Al]平衡濃度的影響,對鋼液脫氧結束的[Al]平衡濃度變化進行探究,計算過程中,結合出鋼終點實際情況,將鋼液中[C]濃度作為變量,在[C]濃度變化下,求得不同氧濃度下平衡[Al]濃度,計算方案如表2所示。

表2 脫氧反應速率預測曲線計算方案

將計算設計數據代入式(11)中,計算精度設置為1×10-5,共計算100步,計算(1-100)×10-6[O]濃度在不同的鋼液[C]濃度下對應的平衡[Al]濃度,得到曲線如圖4所示。

圖4 不同目標O濃度鋼液中C量對Al平衡濃度影響曲線

在固定目標O濃度鋼液下,[C]濃度對平衡[Al]濃度影響如圖4所示,隨著[C]濃度的升高,平衡[Al]濃度逐漸降低。計算過程中當目標平衡[O]濃度為30×10-6時,隨著[C]濃度由10×10-6升至1 000×10-6,平衡鋁濃度下降了500×10-6,但主要產生變化的過程為[C]濃度由10×10-6增長至100×10-6的過程,在[C]濃度大于100×10-6時,平衡[Al]濃度基本不受到鋼中[C]濃度的影響,鋼中過量[C]的存在會與Al一同作用于鋼中[O]濃度的平衡,可從圖4中分析出隨著[C]濃度升高,鋼中[O]濃度對應的[Al]平衡濃度會存在略微減小的趨勢。

對應不同的平衡氧濃度,[C]也會對平衡[Al]濃度產生影響,目標氧濃度越高,[C]對平衡[Al]濃度的影響越小,將目標平衡[O]濃度為70×10-6時與30×10-6時的平衡[Al]濃度變化情況進行對比,[Al]濃度的變化幅度減少了400×10-6以上,說明對于稍高的目標平衡氧水平,[C]的濃度對于平衡[Al]濃度的變化影響比較微弱。

基于以上Al-C復合脫氧理論分析效果,設計試驗方案并進行驗證。

3 試驗方法

實驗設備采用MoSi2電阻爐,由冷卻水系統、氣體噴吹系統、熱電偶測溫控溫系統等系統組成,熔煉爐管為純剛玉管,保證熔化鋼錠所需耐高溫要求,爐管上部套有密封橡膠圈,從爐底可通入惰性氣體保護,可保證實驗所需氣氛,避免空氣中的氧進入鋼液。實驗裝置如圖5所示。

圖5 實驗設備

采用剛玉坩堝作為反應容器,內徑8 cm,高25 cm,為避免Al2O3坩堝在實驗中燒毀或噴濺而損壞爐體,同時外套Al2O3質坩堝,內徑10 cm,高88 cm。實驗噴吹碳粉為純度為99.9%的石墨粉,吹碳管采用內徑8 mm的玻璃管,測溫采用雙鉑銠熱電偶。噴吹碳粉前噴吹純氧對鋼液增氧脫碳,實驗中噴吹純氧純度為99.9%,熔煉用鋼錠為工業鑄鐵,投入Al為95%純鋁,成分如表3、表4所示。

表3 Al脫氧劑成分 %

表4 工業鑄鐵成分 %

具體實驗操作如下:實驗鋼種為工業鑄鐵,在MoSi2電阻爐內進行,稱取鋼樣1 000 g,置于剛玉坩堝內,將裝有鋼樣的坩堝置于電阻爐恒溫帶,通Ar氣保護氣氛。然后通電升溫,實驗溫度1 873 K。至鋼樣熔化并達到預定溫度。用石英玻璃管吸取初始鋼樣。按照C-O反應動力學熱態增氧方式調節轉子流量計來調節吹氣量開始對熔池進行增氧,并脫除其他與氧發生反應的元素,然后降低頂吹剛玉管插入熔體(出氣口距Al2O3坩堝底約2 mm),噴吹一定量碳粉,在噴吹碳粉后計時,選擇不同時刻取樣,并將Al粒通過料籃加入鋼液中,待Al-O反應結束后取樣對成分進行分析。實驗具體方案設計如表5所示。

表5 電弧爐出鋼過程在線噴粉合金加料脫氧效果實驗方案

依據上述設計數據進行實驗探究,對Al-C復合脫氧終點樣進行成分分析,分析樣品中O含量、Al含量及C含量情況及其相互的作用關系。

4 試驗結果與分析

按照上述實驗方案進行實驗,實驗結果如表6所示。

表6 實驗分析表

對Al-C復合脫氧熱態實驗數據進行驗證、脫氧反應影響等角度的分析,得到以下結論。

4.1 Al加入對C-O反應的影響

Al加入前和Al-O反應結束后C濃度變化圖如圖6所示,在圖6中可明顯看出,Al加入前取樣的鋼液[C]濃度與終點[C]濃度曲線幾近重合,說明在Al加入前的鋼液碳含量與鋼液脫氧反應終點[C]含量幾乎無任何變化,在Al投入鋼液中開始進行脫氧反應時,Al完全起主導作用,而鋼液中C則幾乎不參與脫氧反應。

圖6 Al加入前和Al-O反應結束后C濃度變化圖

4.2 不同C濃度對Al溶解濃度影響

在同樣初始氧濃度條件下,對噴吹碳粉總量進行調整,在采用不同碳粉總量進行噴吹時,在同一時刻取樣后,用料籃加入Al粒,對脫氧結束終點樣進行分析,探究不同鋼液碳濃度對Al溶解度影響,實驗中碳粉噴吹量的變化對Al平衡濃度下降幅度影響變化情況如圖7所示,隨著鋼液中[C]濃度逐漸升高,Al溶解度呈明顯下降的趨勢,在碳粉噴吹量由0.5 g增加至2 g的情況下,Al平衡濃度有明顯下降,濃度下降達0.001%,下降幅度高達40%,實驗中的碳粉噴吹量的變化對Al平衡濃度下降幅度與理論計算結果趨勢完全相符,所以可以確定碳粉噴吹量對鋼液[C]濃度產生影響,進一步對Al濃度產生影響。因此要在將脫除氧至目標的前提下,盡可能選取合適的噴吹碳粉量以提高Al的收得率。

圖7 不同碳粉噴吹量下Al溶解度變化情況

4.3 Al單獨脫氧與Al-C復合脫氧效果對比

實驗設計了鋼液增氧后直接投入Al與先噴吹碳粉后投入Al的脫氧效果對比實驗,探究兩者的脫氧效果以及Al消耗的區別。

各實驗組別間Al投入量對比情況如圖8所示,由圖8中可以看出,在所有實驗組均達到相同目標氧含量的狀態下,在爐后噴粉的工藝后所需的Al投入量明顯少于Al單獨脫氧的Al投入量,在設定目標氧濃度前提下,在碳粉相同的情況下采用不同Al投入時機,在實驗條件下能夠在后續Al脫氧步驟中減少15%～40%的Al用量,在噴吹不同量的碳粉后可節省Al投入量20%～30%,并且還可以進一步延長C-O反應以獲得更多的Al的節約用量。所以爐后噴粉工藝可以在達到目標氧含量的前提下,通過合理配碳,擇機加料,有效節省Al投入量,提高Al收得率。

圖8 各組間Al投入量對比圖

5 工業應用

在某廠進行初步的工業試驗,通過應用出鋼噴粉工藝,向過氧化的電弧爐出鋼鋼水中噴吹碳粉,實現在線預脫氧。經過與現場技術人員交流,設定出鋼成分如表7所示,LF進站成分通過三級系統讀取;出鋼過程合金(脫氧劑)成分如表8、表9所示。

表7 電爐終點鋼液成分假設 %

表8 鋁粒成分 %

表9 硅錳/硅鐵成分 %

定義合金等效氧化量為電弧爐出鋼過程合金元素燒損所需要的氧量,合金等效氧化量可以根據合金收得率求得,其定義式見式(12):

(12)

式中:De3為合金等效氧化量,10-6;Wsteel為鋼液質量,kg;m3為總脫氧量,kg;Y4為合金元素Me收得率,%;mi為合金i加入量,kg;[Me]i為合金i中元素Me含量,%;x,y分別為合金發生脫氧反應時的反應系數,xO+yMe=MeyOx;M4為元素Me的相對原子質量。

利用已有工藝參數,計算工藝應用前后的合金等效氧化量,圖9所示為工藝應用前后合金等效氧化量。

圖9 工藝應用前后等效氧化量對比

可以發現,應用出鋼噴粉工藝后,平均合金等效氧化量由1 713.22 ×10-6降低至1 262.50 ×10-6,減少了26.31 %,假設電弧爐出鋼鋼液氧含量保持一定,LF進站氧含量較低忽略不計,說明采用爐后噴粉工藝噴吹碳粉可以平均實現450.72×10-6的脫氧量,該部分脫氧量是由于噴吹碳粉代替合金脫氧而達到的,客觀上達到了減少合金(脫氧劑)用量,抑制夾雜物產生的技術目標,有利于降低生產成本,提高鋼種潔凈度。

6 結 論

本文對Al-C復合脫氧熱力學理論進行了研究,對電弧爐出鋼過程在線噴粉工藝預脫氧技術的應用效果進行了研究,結果表明:

(1)Al-C復合脫氧條件下,隨著鋼液中C濃度逐漸升高,Al溶解度呈明顯下降的趨勢

(2)在Al投入鋼液中開始進行脫氧反應后,Al起主導作用,而C幾乎不參與脫氧反應。

(3)在達到相同脫氧目標值的情況下,實驗室實驗中爐后噴粉與Al脫氧相結合的方式可以減少10%～40%Al的消耗量。

(4)經過初步的工業應用驗證,該技術可以平均實現450.72×10-6的脫氧量,客觀上達到了降低脫氧劑的用量,提高鋼種潔凈度的效果,驗證了實驗結果。