王學(xué)林

（1.江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000；2.新余鋼鐵集團(tuán)公司，江西 新余 338001）

目前壓力容器用鋼多采用鋁脫氧，由此產(chǎn)生脫氧產(chǎn)物AlO以及MgO·AlO尖晶石為高熔點(diǎn)的不變形夾雜物，傳統(tǒng)的處理方式是通過(guò)喂絲機(jī)向鋼水中喂入純鈣包芯線+軟吹去除鋼中非金屬夾雜物，鈣處理效果主要由包芯線種類、喂線速度等決定。傳統(tǒng)鈣處理方式為純鈣包芯線通過(guò)喂絲機(jī)直接加入鋼水，為保證合適的鈣收得率須控制喂絲速度，一般為1.5～3.0m/min，喂絲時(shí)間為4min，喂絲過(guò)程中鈣在鋼水中劇烈沸騰，鋼水二次氧化、卷渣形成大尺寸夾雜物。新余鋼鐵公司煉鋼廠一區(qū)（以下簡(jiǎn)稱鋼一區(qū)）壓力容器用鋼主要生產(chǎn)工藝流程為100t轉(zhuǎn)爐→100tLF精煉爐→RH精煉→鈣處理（采用純鈣包芯線）、軟吹6min→連續(xù)鑄鋼。因廠房布局不合理，鋼水吊運(yùn)、精煉功能全部集中在鋼水接收跨，造成LF-RH雙聯(lián)工藝工序時(shí)間不穩(wěn)定，RH精煉后軟吹時(shí)間只有6min，導(dǎo)致夾雜物控制不穩(wěn)定，2.5級(jí)以下夾雜物合格率為86.73%。超標(biāo)夾雜物主要集中在B類、Ds大型夾雜物。該文選擇在RH爐真空處理后期通過(guò)料倉(cāng)向鋼水中添加硅鈣鋇合金進(jìn)行鈣處理的方式，在保證鈣處理效果的前提下，以取消喂線工藝、增加軟吹時(shí)間的方式去除鋼水中的夾雜物。

1 改進(jìn)后工藝流程

目前鋼一區(qū)壓力容器用鋼主要為Q245R、Q345R、16MnDR等，化學(xué)成分見表1。改進(jìn)后工藝流程為100t轉(zhuǎn)爐→100tLF精煉爐→RH精煉（真空處理后期通過(guò)料倉(cāng)添加硅鈣鋇合金）→軟吹10min→連續(xù)鑄鋼。傳統(tǒng)方式是在RH真空處理結(jié)束后通過(guò)喂絲機(jī)喂入純鈣包芯線，喂絲時(shí)間4min；改進(jìn)后則是在RH真空處理后期添加硅鈣鋇合金，真空處理結(jié)束后直接進(jìn)入軟吹工藝，在保證鈣處理效果前提下軟吹時(shí)間較原工藝延長(zhǎng)4min，延長(zhǎng)了夾雜物上浮去除時(shí)間。純鈣線和硅鈣鋇合金理化指標(biāo)見表2。

表1 壓力容器用鋼典型鋼種成分/%

表2 純鈣線和硅鈣鋇合金理化指標(biāo)/%

2 理論分析

鈣處理的主要目的是鈣溶于鋼水中，隨之與固態(tài)AlO夾雜物反應(yīng)形成鋁酸鈣，隨著添加過(guò)程的進(jìn)行Ca含量增加，夾雜物不斷富集，其液相線溫度下降，所形成的夾雜物在煉鋼溫度下呈液態(tài)，可以迅速浮出鋼液。部分鈣與硫反應(yīng)生成CaS，硫化物的熔點(diǎn)隨著鈣含量增加而提高，促使硫化物在凝固過(guò)程中過(guò)早地析出，從而形成細(xì)小分散的硫化物，使硫的中心偏析減少。

郭靖等人在鋁脫氧鋼研究中認(rèn)為，鈣處理后形成的CaO與鋼中AlO發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)使夾雜物變性為低熔點(diǎn)的液態(tài)鈣鋁酸鹽。通過(guò)碰撞，夾雜物變性速率大大加快，幾分鐘之內(nèi)即可良好地變性。

周楊鵬等人在風(fēng)塔板夾雜物的演變研究中認(rèn)為，鈣處理后夾雜物的平均成分朝著CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加的方向移動(dòng)，并靠近夾雜物液相區(qū)附近，促進(jìn)了含鈣復(fù)合夾雜物的生成，通過(guò)軟吹大幅度降低了大型夾雜物的數(shù)量，提高了鋼液潔凈度。

王立濤等人對(duì)鋼包底吹氬與夾雜物去除的研究表明，鋼包弱攪拌和適當(dāng)延長(zhǎng)低強(qiáng)度吹氬時(shí)間，更有利于去除鋼中夾雜物顆粒。

鈣處理能顯著改變鋼中夾雜物成分和熔點(diǎn)，但需要合理控制鋼中鈣含量，張立峰老師利用FactSage軟件對(duì)Q345D/E鋼在不同加鈣量下的析出相進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算，結(jié)果表明，使鋼液中夾雜物處于“液態(tài)窗口”的含鈣量為4.5-13×10。

RH真空精煉是生產(chǎn)壓力容器用鋼的關(guān)鍵工序，主要任務(wù)是提高鋼水潔凈度、控制夾雜物形態(tài)以及微合金化和成分微調(diào)。鋼水在真空和提升氬氣作用下，在真空室和鋼包間循環(huán)流動(dòng)，從而促進(jìn)夾雜物的聚合、上浮與去除。鋼包內(nèi)大部分精煉渣在真空室外，基本上不參加真空室內(nèi)的反應(yīng)，并且真空室外的精煉渣也是在鋼液表面處于相對(duì)靜止的狀態(tài)，不易造成精煉渣的卷入和對(duì)鋼水的氧化，RH精煉能夠很好地解決鋼水強(qiáng)烈攪拌促進(jìn)夾雜物上浮與防止鋼液被精煉渣和爐氣二次氧化的矛盾。

硅鈣鋇合金中含鈣11.67%，可在真空處理過(guò)程中通過(guò)一定的方式在鋼水中添加一定量的硅鈣鋇合金，達(dá)到鈣處理目的并延長(zhǎng)軟吹時(shí)間，以提高鋼中非金屬夾雜物的去除效果。

鈣是一種易揮發(fā)金屬，鈣的熱力學(xué)數(shù)據(jù)為熔點(diǎn)850℃，沸點(diǎn)1492℃，遠(yuǎn)低于一般煉鋼溫度，其密度為1.55g/cm，是鋼的1/5。鈣的蒸汽壓與溫度的關(guān)系為lgp=4.55-8026/T。由此可知1600℃時(shí)蒸汽壓為0.18MPa，與鋼液一接觸立即汽化。因此，用一般方法向鋼中加鈣是很困難的。利用噴射冶金方法和喂線法把鈣粉噴入鋼液深處可以克服以上困難，目前采用的方式是喂入純鈣包芯線150m，在100～300t鋼包下部壓力為0.2～0.3MPa，這個(gè)壓力與純鈣的蒸汽壓相近，可以保證較好的收得率。

改進(jìn)工藝按實(shí)際鈣投入量測(cè)算理論硅鈣鋇加入量為87kg，見表3?？紤]在真空處理后期加入，真空度在100Pa左右，鈣的收得率存在不穩(wěn)定性，試驗(yàn)硅鈣鋇合金加入量如表4，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定實(shí)際應(yīng)用時(shí)的加入量。

表3 理論硅鈣鋇加入量測(cè)算

表4 硅鈣鋇合金加入量

3 應(yīng)用實(shí)踐

轉(zhuǎn)爐、LF精煉、連鑄工藝保持不變，真空處理采用處理工藝要求如下：真空度≤133 Pa，循環(huán)時(shí)間≥15min，純脫氣時(shí)間≥8min。RH爐真空處理前期5min調(diào)整好成分，保證純脫氣時(shí)間≥8min，在12min左右加入硅鈣鋇合金進(jìn)行鈣處理，破空后直接軟吹10min。在鈣處理前后、軟吹結(jié)束、成品板材取樣分析夾雜物情況。以光學(xué)顯微鏡觀察試樣中的夾雜物粒徑分布。以掃描電鏡并借助設(shè)備自帶的能譜儀確定夾雜物的種類及組成。

3.1 成品鈣含量

分析連鑄中包樣Ca含量發(fā)現(xiàn)，隨著硅鈣鋇合金增加，成品Ca含量逐漸增加，具體見表5、圖1。從表5可以看出，硅鈣鋇合金為60kg時(shí)成品Ca含量8.1×10，硅鈣鋇合金為80kg時(shí)成品Ca含量10.3×10，硅鈣鋇合金為100kg時(shí)成品Ca含量10.2×10，硅鈣鋇合金為120kg時(shí)成品Ca含量11.4×10，硅鈣鋇合金為140kg時(shí)成品Ca含量13.0×10，硅鈣鋇合金為160kg時(shí)成品Ca含量15.9×10。隨著硅鈣鋇合金加入量增加，Ca收得率從13.18%提高到25.88%。鈣的收得率與喂入純鈣包芯線接近?？赡艿脑?yàn)楣桠}鋇合金中的硅對(duì)鈣的利用起重要作用，首先硅降低熔滴中鈣的活度，防止了鈣的氧化。其次，由于硅的溶解在顆粒周圍形成硅的薄邊界層，在這個(gè)邊界層中鈣的溶解度顯著增加。再次，因硅鈣鋇合金在真空處理過(guò)程中由料倉(cāng)直接加入，硅鈣鋇合金與鋼水直接接觸，減少了鈣的損失。實(shí)踐表明在RH真空處理后期添加硅鈣鋇合金可以保證鋼水中Ca為8.1-15.9×10，鈣處理可行，為保證鈣處理效果加入量確定為100kg/爐。

圖1 硅鈣鋇加入量與成品Ca和收得率

表5 硅鈣鋇合金Ca/×10-6收得率 （單位：%）

3.2 探傷情況

根據(jù)厚度對(duì)鋼板進(jìn)行分類，分別采用超聲波探傷，探傷情況見表6，使用硅鈣鋇進(jìn)行鈣處理的鋼板探傷情況如下：成品厚度＜20mm探傷合格率99.7%，較原工藝提高0.93%；成品厚度20～40mm探傷合格率99.66%，較原工藝提高0.78%；成品厚度40～60mm探傷合格率100%，較原工藝提高0.63%；成品厚度＞60mm探傷合格率97.8%，較原工藝提高0.10%。在其他工藝不變的情況下，RH爐使用硅鈣鋇合金進(jìn)行鈣處理探傷合格率提高0.76%。

表6 探傷合格率

3.3 夾雜物情況

對(duì)鋼板非金屬夾雜物情況采用掃描電鏡分析，典型夾雜物形貌如圖2～圖5所示，具體成分見表7。非金屬夾雜物類型主要是B類、Ds類夾雜物，成分主要是CaO-AlO-MgO，未發(fā)現(xiàn)Ba元素，說(shuō)明RH精煉采用硅鈣鋇合金進(jìn)行鈣處理未產(chǎn)生新的非金屬夾雜物。

圖2 典型夾雜物形貌1

圖5 典型夾雜物形貌4

表7 典型夾雜物成分

在RH爐軟吹結(jié)束時(shí)取樣分析夾雜物數(shù)量，采用光學(xué)顯微鏡觀察（不統(tǒng)計(jì)1μm以下的非金屬夾雜物）。對(duì)比兩種工藝軟吹結(jié)束后夾雜物數(shù)量，由于取消了傳統(tǒng)的通過(guò)喂絲機(jī)喂線進(jìn)行鈣處理的模式，軟吹時(shí)間從6min延長(zhǎng)到10min，在相同的底吹氬流量前提下，軟吹氬時(shí)間延長(zhǎng)，吹入鋼液的氣體量增加，夾雜物充分上浮，夾雜物數(shù)量由21個(gè)/cm減少到12個(gè)/cm，夾雜物最大直徑由110μm減少到65μm，具體見表8。實(shí)際應(yīng)用效果為2.5級(jí)以下非金屬夾雜物合格率從86.73%提高到96.17%。

圖3 典型夾雜物形貌2

圖4 典型夾雜物形貌3

表8 軟吹結(jié)束后夾雜物數(shù)量

4 結(jié)論

該文得出相關(guān)結(jié)論如下：1）以硅鈣鋇合金替代純鈣包芯線進(jìn)行鈣處理，鈣的收得率穩(wěn)定，平均為18.26%，正常使用過(guò)程中加入量為100kg/爐。2）在其他工藝不變的前提下，RH爐使用硅鈣鋇合金進(jìn)行鈣處理后，探傷合格率從98.89%提高到99.67%。3）RH精煉采用硅鈣鋇合金進(jìn)行鈣處理未產(chǎn)生新的非金屬夾雜物。4）RH爐使用硅鈣鋇合金進(jìn)行鈣處理，軟吹時(shí)間從6min提高到10min，夾雜物數(shù)量從21個(gè)/cm減少到12個(gè)/cm。5）目前雙聯(lián)工藝的壓力容器用鋼全部使用硅鈣鋇合金替代純鈣包芯線進(jìn)行鈣處理，效果良好，2.5級(jí)以下非金屬夾雜物合格率從86.73%提高到了96.17%。