高金強 肖秋玥 廖凱 劉峻青 陳庚 丁海峰 呂波

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

低碳低硅低鋁低氧高鉻鋼其主要成分要求為wC≤0.15%、wSi≤0.10%、wAl≤0.010%、wO≤0.0030%、wCr≥9%。該類鋼種可采用EAF+LF+VCD的工藝路線進行冶煉，但對原材料要求嚴格，制造成本往往難以控制。為進一步降低制造成本、實現(xiàn)質(zhì)量穩(wěn)定的目標，部分企業(yè)通過調(diào)整物料種類和工藝手段，也采用了EAF+LF+VOD+VCD工藝路線進行冶煉，相較而言，VOD工藝路線對原材料要求較松，但周期長、脫氧控制難度較高，因此在選擇工藝方案時，需綜合考慮其原材料成本、效率、質(zhì)量等因素的優(yōu)劣來實施。

低碳低硅低鋁低氧高鉻鋼的VOD冶煉技術(shù)關(guān)鍵在于吹氧后的脫氧工藝，一般來說Al塊、FeSi、FeMn常作為沉淀脫氧劑，可與鋼水中的自由氧反應降低氧含量，從而降低非金屬氧化夾雜物總量。由于鋼水量、吹氧過程、吹氧終點等不同，造成鋼中各類元素的氧化總量各異，這對鋼水中總氧含量有重大影響，而脫氧劑的加入量往往只是根據(jù)經(jīng)驗，缺乏理論指導，這就造成Cr元素還原率低，或Si元素超標的弊端，同時消耗大，造成成本費用增加，甚至不能達到標準成分要求。應根據(jù)產(chǎn)品成分要求，合理選擇脫氧劑。通過熱力學反應平衡式，建立理論計算公式，計算出理論脫氧劑的加入量，對鋼水中的總氧進行控制，在盡量還原VOD后氧化元素的前提下，保證Al、Si元素的成分合格，滿足冶煉成分需求。

為此，本文對上述鋼種的VOD冶煉技術(shù)進行了研究，重點研究了脫氧劑的選擇與脫氧劑的加入，同時設計了三種試驗方案來進行實踐驗證。

1 VOD吹氧參數(shù)控制

1.1 開吹溫度控制

一般情況下吹氧后溫度上升80～150℃，吹后溫度控制在1680℃左右為宜[1]。開吹溫度過低，C、O反應過慢，吹氧時間長，影響C的終點控制效果；開吹溫度過高，會影響耐材使用壽命[2]，甚至出現(xiàn)安全事故，一般情況下開吹溫度控制在1580～1620℃。

1.2 真空度控制

VOD的一個重要的目的就是去C保Cr，反應式如下：

4[C]+(Cr3O4)=3[Cr]+4CO(g)

(1)

根據(jù)反應式(1)我們可以看出，降低PCO有利于反應向右進行。同時，鋼水中的碳含量對反應速度的快慢也有較大的影響。

(2)

這是C含量與PCO的關(guān)系式，實際條件下，當PCO低于一定范圍后，鋼水中含碳量不再隨PCO降低而降低。當PCO為1.0～0.01 kPa時，鋼中殘余C含量變化不大[1]。

實際生產(chǎn)過程中，建議采用分段真空度控制，開始真空度不宜過高，避免劇烈C-O反應產(chǎn)生大量氣體，使鋼水從包中翻出，第一階段建議開吹真空度控制在13.3 kPa左右[3]，待C-O反應平緩后再進一步提高真空度；為了能降低[C]，需要進一步提高真空度，第二階段建議將真空度控制在1 kPa以下。

1.3 氧槍高度

氧槍的槍位高度，即槍頭距鋼液面的距離，一般是根據(jù)真空方式、鋼桶的冶煉噸位、自由空間、氧氣壓力、氧槍的射流速度等參數(shù)決定。同行業(yè)[4]控制在1000～1200 mm，考慮到工況條件及氧槍的安全，結(jié)合實際我廠一般控制在1000～1400 mm。

1.4 吹氧強度

氧槍的吹氧強度控制，要根據(jù)槍頭的設計、預期吹氧重點時間、鋼水量等進行綜合考慮，我廠的150 t VOD爐的吹氧流量一般控制在800～1300 m3/h之間，能滿足各類產(chǎn)品生產(chǎn)要求。

1.5 吹氧終點控制

在VOD冶煉吹氧時，吹氧終點控制非常重要，過早不能達到吹氧目的；過晚鋼中合金元素氧化嚴重，鋼水溫度大幅增高。

對于吹氧終點控制，正常情況下可以根據(jù)氧勢、廢氣溫度、廢氣氣體含量[5]、真空度、總吹氧量[6]等參數(shù)進行判斷。

對于VOD來說，正常情況下，當氧勢出現(xiàn)終點拐點時，鋼水中的碳含量可以達到0.02%左右，可根據(jù)碳含量要求適當延長吹氧時間即過吹時間。通常冶煉超低碳不銹鋼時，應有一定過吹時間，并根據(jù)冶煉鋼種的碳含量要求，設計合理的過吹時間。圖1為某超低碳不銹鋼的吹氧過程氧勢曲線圖，在圖1中的B點以后的吹氧時間稱為過吹時間[7-8]。對于冶煉低碳、低硅、高鉻鋼來講，其碳含量的要求遠遠高于超低碳不銹鋼，故可適當縮短過吹時間，防止鋼水過氧化嚴重，給后期脫氧造成困難。

圖1 吹氧數(shù)據(jù)圖

2 VOD吹氧后脫氧劑的選擇與控制

2.1 脫氧劑的選擇

吹完氧后，鋼水中氧含量較高，硅元素較低(一般只有0.04%左右)，同時鋼液面上有一層氧化物，(FeO)、(Cr2O3)、(MnO)、(SiO2)等，呈現(xiàn)粘稠狀。在該狀態(tài)下，不宜進行送電操作，否則容易斷電極；也不宜加合金，合金在渣面上堆積不化，也達不到合金化的目的。此時，要選擇合理的脫氧劑進行還原操作，將鋼水中的合金元素還原，同時加入石灰、螢石等再次造渣。根據(jù)文獻[4]顯示，1600℃時，各元素脫氧能力的大小是Al>Si>Mn>Cr>Fe。

生產(chǎn)中多采用比較便宜的Mn、Si、Al作脫氧劑，并以鐵合金的形式加入到鋼液中。針對冶煉鋼種，Mn元素是有要求的，同時在后期脫氧過程中還會被還原，此時加Mn不易準確控制鋼水Mn元素含量，所以不采用Mn元素合金脫氧；由于該鋼種有低Si要求，為了防止鋼水漲Si，不建議使用Si元素合金脫氧；Al塊可以脫氧，如果加入量控制得當，又防止了漲Si的風險，所以選擇Al塊進行脫氧。同時Al塊的加入量的控制很重要，加入量過少，渣中的氧化物較多，后期脫氧困難；加入量過多，富余的Al將渣中的Si還原，也會造成漲Si的風險。

2.2 脫氧劑的控制

如2.1中所述，元素脫氧能力大小Al>Si。在1600℃時，它們與氧反應生產(chǎn)1 mol的化合物的標準吉布斯能[9]如下：

2[Al]+3[O]=(Al2O3)

(3)

[Si]+2[O]=(SiO2)

(4)

(5)

2[Al]+(Cr2O3)=2[Cr]+(Al2O3)

(6)

2[Al]+3(MnO)=3[Mn]+(Al2O3)

(7)

(8)

2[Al]+3(FeO)=3[Fe]+(Al2O3)

(9)

故：還原上述式中各元素所需的Al加入量計算公式如下：

MCr=M·ΔwCr·54/104

(10)

MMn=M·ΔwMn·54/165

(11)

MSi=M·ΔwSi·54/42

(12)

MFe=M·ΔwFe·54/168

(13)

MO=M·wO·54/48

(14)

Mtotal=MCr+MMn+MSi+MFe+MO

令Brms1,…,Brmsn表示傳感節(jié)點接收的n個磁通密度信號樣本,假設它們是獨立同分布均值為(方差為(2的高斯變量。定義如下似然函數(shù)

(15)

式中：M為鋼水總量；MCr為還原Cr元素所需的Al加入量；MMn為還原Mn元素所需的Al加入量；MSi為還原Si元素所需的Al加入量；MFe為還原Fe元素所需的Al加入量；MO為還原鋼水中溶解O元素所需的Al加入量；Mtotal為還原上述元素所需的Al理論加入總量。ΔwCr為Cr元素的成分占比變化量；ΔwMn為Mn元素的成分占比變化量；ΔwSi為Si元素的成分占比變化量；ΔwFe為Fe元素的成分占比變化量；wO為鋼水中飽和溶解氧含量，經(jīng)過VOD吹氧后，一般認為鋼水中的氧含量處于飽和狀態(tài)，在此設飽和溶解度為0.026%[10]。

通過上式，計算出還原相應合金元素的所需Al塊量，進行脫氧還原。同時，產(chǎn)生的Al2O3和石灰中的CaO進行反應，生成低熔點鋁酸鈣，Al2O3可以起到對石灰的助熔的作用。

由于鋼水在吹氧過程中的物理化學反應較為復雜，所以用試驗分析各類氧化物含量。

3 實踐案例

3.1 試驗方案

為了驗證前述Al加入量理論計算的合理性，先開展了三次試驗。將Al的實際加入量占還原所有合金元素所需Al總量的百分比定義為γ系數(shù)。試驗方案見表1。

表1 各試驗鋁塊加入量方案

γ=Mactual/Mtotal

(16)

式中：Mactual為實際加入鋁塊量；γ為加入系數(shù)。

表1中試驗設計目的分別為：試驗一中加入鋁塊的量不足以將渣中的(Cr2O3)、(MnO)全部還原；試驗二中加入鋁塊的量剛好能將渣中的(Cr2O3)、(MnO)全部還原，但不會還原(FeO)；試驗三加入鋁塊的量除了能將渣中的(Cr2O3)、(MnO)、(FeO)全部還原外還有一定富余，富余的Al將渣中的(SiO2)還原進鋼水。

3.2 試驗結(jié)果

按表1的設計方案進行了試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 各試驗各類元素的收得率結(jié)果

根據(jù)表2中的試驗結(jié)果，可知：

(1)試驗一

由于試驗一過吹了3 min，所以其鋼水中各類元素過氧化相對嚴重。其中Si得到了控制，且略有下降，說明脫氧后，鋼水或爐渣存在較強的氧化性；從元素的氧化還原性來說，F(xiàn)e元素基本上被還原回鋼水中；但是還有大量氧化物未被還原，如(Cr2O3)、(MnO)，使后續(xù)的脫氧工作量加大。

(2)試驗二

Al塊加入量相對比較合理，在保證氧化合金元素盡量回收的同時，防止了漲Si的風險；同時，F(xiàn)e元素基本上被還原回鋼水中。其中Si得到了控制，上漲0.01%，說明脫氧后鋼水或爐渣的氧化性比試驗一減小；同時，根據(jù)試驗一、二結(jié)果以及式10～17可求得吹氧后生成的(FeO)量，結(jié)果見表3。

表3 試驗一、二推算的FeO重量

FeO的重量：

MFeO=MFe·72/56

(17)

同時，用試驗二推算出氧化鐵的含量，去驗證試驗三的試驗結(jié)果，脫氧劑的消耗量與理論計算量的符合度達到100.77%。

(3)試驗三

雖然合金元素的回收率最高，但是Si超過了產(chǎn)品要求；其中Mn元素回收率超過了100%，分析認為Mn元素在鋼中含量并不多，再加上分析±0.01%的偏差是比較正常的，所以，認為其合理；數(shù)據(jù)中Cr元素的回收率未達到100%，分析認為存在分析偏差和在吹氧過程中存在損耗，一部分以除塵灰的形式被抽走。

最后，我們從表2中Al含量結(jié)果可以看出，試驗一至試驗三中不同重量Al塊加入后所引起的漲Al量不多，表明后期的脫氧工作，要根據(jù)爐渣脫氧情況持續(xù)完成。

3.3 試驗小結(jié)及驗證

根據(jù)試驗一至試驗三數(shù)據(jù)對比，顯示我們在VOD的吹氧終點控制上不宜過吹，脫氧劑Al塊的加入量上還有進一步改進的空間，以進一步減少后期脫氧難度，但同時仍需防止?jié)qSi超標的風險。

為此，我們再進行了一次驗證試驗，增加了Al塊的加入量，驗證試驗方案和結(jié)果分別見表4、表5。

表4 驗證試驗方案

通過表2和表5中的數(shù)據(jù)可以看出，試驗方案四更為合理，各易氧化元素得到了較好的還原，同時Si元素含量得到了較好的控制。

表5 驗證試驗結(jié)果

3 結(jié)語

針對低碳低硅低鋁高鉻鋼，采用VOD冶煉時：

(1)與超低碳不銹鋼相比，吹氧終點的過吹時間控制為0 min是可行的。

(2)VOD后選用Al塊進行脫氧是比較合理的。

(3)VOD后Al塊的實際加入量控制在理論總加入量的95%是合理可行的，既可減少后期脫氧難度，又可防止?jié)qSi導致成分超標的風險。