钢水的纯净度关系到最终的产品质量 ,如何在 电炉冶炼出来的钢水 ,在氧、硫及其杂质含量较高 或波动较大的情况下 ,使钢液的成分和内在质量符 合要求 ,良好的造渣工艺是其关键的环节 ,即必须 有良好的吸附介质 ———白渣。本文将通过对 Al 脱氧渣系的分析 ,对在 Al 脱氧渣体系内就如何造好 合适的白渣及其应用、开发作深入的探讨。
1 碱性白渣的物理特性
1-1 熔渣颜色
钢渣的颜色可能是黑色、褐色、灰色、绿色、黄 色或白色 ,它们之间有着许多细微的差别 ,渣色的 变化随着钢渣的还原程度从黑色到白色不断的变化着。
黑色 :W ( FeO + MnO) > 2 % ,渣的氧化性很强 ,不具备还原功能 ,需要进行强烈的还原脱氧。 灰色到褐色 : W ( FeO + MnO) = 1 % - 2 % ,渣的氧化性较弱 ,但还需要进一步的还原。
白色到黄色 : 这种渣子还原的较好 ,黄色表明 发生了脱硫 ,这种渣冷却下来后会碎裂成粉状。
绿色:渣中有氧化铬。
1-2 熔渣形状
玻璃状落片 : 表明 SiO2 、Al2 O3 或 CaF2 含量太高 ,在这种情况下应加入石灰 ,每次加入量不超过2 - 4kgΠt 。 渣面平滑、厚 ;这种渣子冷却后会碎裂 ,渣况是理想的。如果不碎裂 ,那么铝酸盐可能偏高 ,可少量补加石灰。
渣面粗糙不平 :石灰量过大。可以发现未熔化 颗粒 ,可加入 SiO2 或 Al2 O3 系合成渣 ,每次加入量 在 1 - 2kgΠt 。
2 碱性白渣的化学特性
2-1 Al 脱氧钢渣系的组成
通常情况下,Al 是最常用的脱氧剂 ,钢液用 Al脱氧 ,生成 Al2 O3 等酸性氧化物能消耗氧 , 利于脱 硫。铝脱氧钢渣成分如表 1 。
用 Al 处理的钢液 ,钢中氧及渣中 ( FeO + MnO) 含量很低 ,对脱 S 和去除钢中的夹杂物非常有利。 造渣技术要与一定的钢种相适应 ,即最好是控制反 应在钢水的介质中进行 ,故选择好白渣成份至关重 要。
2-2 白渣碱度和氧化性的确定
熔渣碱度和氧化性是熔渣的重要指标。熔渣碱度表示它去除钢液中的硫、磷的能力 ,熔渣的氧
化性高低取决于渣中最不稳定的氧化物 ———氧化铁活度 (aFeo) 的高低。熔渣的碱度对 aFeo 数值的 影响起着重要的调整作用。
2. 2. 1 碱性白渣要求的碱度
R = m ( CaO + MgO) Πm ( SiO2 + Al2 O3 ) = 1. 5
通常 R 在 1. 4 - 1. 8 之间时精炼效果是较好
的。调整碱度的主要物质是石灰、合成渣及 Al 脱 氧产物 Al2 O3 。
2. 2. 2 碱性白渣氧化性强弱 熔渣的氧化性强弱取决于渣中最不稳定的氧化物 ———氧化铁活度 ( aFeo ) 高低。渣中 ( FeO + MnO) 的含量越低 , 氧化性就越弱。当 W ( FeO + MnO) < 1. 0 %时 ,还原很充分 ,有利于反应的进行。
通过钢渣接触、氩气搅拌 ,钢中[ Al ] 也直接同 渣中 ( FeO) 起反应。而更有效的方法是将颗粒状的 Al 粒 ,直接加到渣中去除 ( FeO) 。
3 Al 渣系在碱性白渣实际生产中的应用
3-1 Al 渣系碱性白渣的制造
一般的出钢初渣组成如表 2 。
总渣量约 15kgΠt , 在该构成下 , 渣显黑色 , 较 稀 ,呈酸性 ,氧化性强 ,不具备脱硫、除夹杂及合金 还原等条件。故必须进行强脱氧和碱度调节 ,必须 用 Al 来进行深脱氧。
作为反应介质的钢渣来说 ,脱氧是一切精炼工 作的开始 ,只有将钢、渣中的氧降到很低的水平 ,W
( [ O ]) < 30 ×10 - 6 、W ( FeO + MnO) < 1. 0 % 、脱硫、 去除夹杂 ,合金化才能较好进行。渣层还要有合适 的碱度 ,才能有游离的活性 Ca 同 S 发生反应 ,最后 被钢渣同化吸附使之从钢液中分离出来。若碱度 不够 ,则必须加石灰来调节 , 同时按每 100kg 石灰 配 10kg 铝的原则来弥补石灰的质量问题。一般要求碱度 R = 1. 5 - 2. 0 。再者 ,氩气的搅拌作用为各 种反应提供了强有力的动力输送 ,对整个精练操作也起到了非常重要的作用。理想渣的成份如表 3 。
表 3 中各组分构成的渣呈白色 ,粘铁管厚度为2 mm～4 mm ,即有良好的粘度和碱度 , 流动性强 ,是较强的脱硫剂。
3-2 渣量
在初炼炉出钢时实施钢渣混冲且进行控渣出 钢 ,使 LF 炉精炼钢包的渣层厚度控制在 150 mm 左 右 ,进入 LF 后再加入 Al 渣系渣料 ,使渣层厚度控 制在 300 mm 左右。
根据冶炼要求 ,造好精炼白渣。分别在电炉出 钢前、LF 、VD 结束时提取渣样 , 分析渣中 CaO 、MgO 、SiO2 、Al2 O3 、P2 O5 、S 、FeO 、MnO 含量 ; 其分析结
果如表 4 、表 5 。
实验结果表明 ,对钢液及熔渣不断进行脱氧操 作及 成 份 调 整 , 并 保 证 熔 渣 W ( FeO + MnO ) <1. 0 % ,R = 1. 8 - 2. 2 ,对精炼操作的脱硫和去除夹 杂有明显效果。
3-3 炉渣氧化性
当前 20 吨电炉所生产的合金钢 ,钢中[ C ] 低 , 相应的钢中[ O ]含量就高 ,而炉渣的氧化性程度取 决于 ( FeO) 、(MnO) 含量。( FeO) 含量对脱硫具有双 重影响 ,一方面 ( FeO) 提高 , 炉渣的流动性变好有 利于脱硫 ;另一方面 ( FeO) 、(MnO) 提高 ,使 O2 - 浓度增加 ,不利于脱硫。
由(表 6) 可见 ,当前我们在冶炼中形成的钢渣 组成比较稳定 , 形成了以 CaO - Al2 O3 - SiO2 为主
的三元渣系 , W ( FeO + MnO) < 1 % , 尤其是渣中的 ( FeO) 均 < 0. 50 % ,与钢中酸熔铝对应起来说明钢 液脱氧较好。因此可满足工艺的要求将硫控制在 较低的范围 ,脱硫率可达 40 %左右 ,从而大大降低硫化物的夹杂。
3-4 钢中全氧含量的分析
LF 炉精炼采用 Al2 O3 渣系的白渣 , 冶炼效果(见表 7) , 精炼炉渣的组成 ( 见表 8) , 可以看出 W (FeO + MnO) < 1 % , 尤其是渣中的 ( FeO) 均 < 0.
50 % ,钢中[ O ] 全平均控制在 30ppm 以下 , 通过改 变精炼渣渣系 , 采用 Al2 O3 渣系的白渣 , 大大降低
在 W ( FeO + MnO) < 3 %时 , 提高吹氩搅拌强 度 ,能大大提高硫的分配系数。
(3) 脱硫速率
rs = Rs{W ( [ s ]) Ls - W ( s) }
Rs =ρ( s) ×AΠVm ×ρsΠρm (4)
其中 Ls = W ( s) ΠW ( [ s ]) (5)
了钢中氧含量。
3-5 熔渣脱硫效果的分析
(1) 渣的脱硫反应
( CaO) + [ FeS ] = ( CaS) + ( FeO) (2) ( CaO) + 2Π3 [ Al ] + [ S ] = 1Π3 (Al2 O3 ) + ( CaS)
实际上是 Al 和 CaO 中的氧结合 ,被还原的钙
再生成 CaS 。本来 Ca 的还原性比 Al 强 ,但在氩气 的环境中 ,降低了 CaO 的熔点和促进[ Al ] [ O ] 反应 的进行 ,形成稳定的 CaS ,不能熔解于钢液中。
(2) 硫分配比 Ls
kgΠm3 。
为方便计算 , 对一定的钢种下列关系是成立 的。
W ( [ S ]) = 30 ×a (o) (6)
式中 :W ( [ S ]) —钢中硫质量分数 , % ;
a (o) —钢游活度氧 , % 。
(4) 不同渣况的硫分配系数及脱硫速率 通过多次实验 ,得出以下数据 ,如表 9 。
据式 (4) 可知 , 脱硫速率正比 Ls , 灰白熔渣脱 硫速率最高。将钢及熔渣不断进行成份调整及脱
Ls = W ( s) ΠW ( [ s ]) = nfsRs ×W (o) yoΠW ( [o ]) ys
氧等结果表明 , 保证钢液 W ( [ o ]) < 10, 熔渣 W
(3)式中 fs 为钢液中硫的活度系数 ; Rs 为平衡常 数 ;n 为 100g 熔渣组分物质的量 mol ; W (o) 为渣中 氧 , % ;yo 为 渣 中 氧 活 度 系 数 ; W ( [ o ]) 为 钢 中
氧 , % ;ys 为渣中 S 活度系数。Ls 与温度、金属液 和熔渣的组成有关。( FeO + MnO) < 1. 0 % ,R = 1. 8 - 2. 得出在碱性白
渣中 Ls 可达 100 - 500 。
5) 吹氩强度
LF 进行炉钢包吹氩可有效改善钢液动力学条 件 ,使钢 —渣间搅拌强烈 ,促进渣 - 钢间脱氧、脱硫
生产中常有快速周转锭模或冷模而出现单支裂纹
废品。过高或过低的模温影响最初凝固层厚度或 产生 凝 固 应 力 , 对 控 制 注 锭 裂 纹 不 利。因 此
16Mnﾪ400mm 园锭模温参数设定 80 ℃～ - 120 ℃。 生产中对同坑的相邻盘位 ,为防止已注高温钢锭对
模温影响 ,中间应加隔板防护。16Mn 钢锭严禁脱 红钢 ,坑注后易采用随模缓冷 ,脱模时间大于 8 小 时。
5 结语
(1) 通过试制过程工艺探索和设计 ,较好地解 决了 16Mnﾪ400mm 大截面园锭对注锭裂纹高度敏 感的注锭难题 ,消除了注锭裂纹。
(2) 注速控制的关键在于钢液温度的高度均匀 性 ,生产中从出钢到浇注各操作节点必须严格按工艺要求控制 ,钢包净吹氩时间控制 5min 范围且以
开浇温度准确命中为最佳点。(3) 根据锭模周转情况周密安排作业计划 ,保 证注锭模温在 80 ℃～120 ℃。保护渣在注锭前 10 分钟从干燥房取出并按指定重量、高度吊挂。
(4) 该钢种开发成功为 20 # 、15CrMo 等低碳大截面园锭浇注积累了经验 ,在实现品种拓展的同(时 提升了注锭的经济经济指标。
参 考 文 献
[ 1 ] 孟凡钦 1 钢锭浇注与钢锭质量[ M ] 1 北京 : 冶炼工业 出版社 ,1994. 9
[ 2 ] 韩剑凌 1 浇钢工艺与设备[ M ] 1 北京 : 兵器工业出版 社 ,2001. 8