RH精煉過程中吹氧量對IF鋼潔凈度的影響

潘 明，于會香，季晨曦，劉延強(qiáng)，冀云卿

1) 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083 2) 首鋼技術(shù)研究院，北京 100043 3) 首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司煉鋼作業(yè)部，唐山 063200

IF鋼主要用于汽車、家電等行業(yè)，要求具有優(yōu)異的深沖性能，因此，該鋼種要求極低的C、N含量，再加入一定量的Ti、Nb等元素，將鋼中的C、N等間隙原子完全固定為碳氮化合物.該鋼種除了對成分有嚴(yán)格要求外，對最終產(chǎn)品的表面質(zhì)量也有很高的要求.

IF鋼最終產(chǎn)品，即冷軋板表面缺陷主要有：條狀缺陷、翹皮、孔洞等，其中條狀缺陷占比最大，造成該缺陷的主要成因是鋼中的非金屬夾雜物[1].為此，學(xué)者們對IF鋼的潔凈度進(jìn)行了較多的研究，主要包括精煉過程中夾雜物的行為、RH精煉過程的工藝控制及非穩(wěn)態(tài)澆注下的鑄坯質(zhì)量研究.RH精煉過程中，IF鋼中夾雜物主要為Al2O3類和Al?Ti?O 復(fù) 合 類.Matsuura等[2]、Basu 等[3]認(rèn) 為Al?Ti?O類夾雜是由于局部Ti濃度較高而產(chǎn)生的，此類夾雜物與鋼液的潤濕性較好，容易造成后續(xù)連鑄過程的水口堵塞.RH精煉過程中對工藝控制的研究主要包括Ti合金化、爐渣氧化性、純循環(huán)時間、鎮(zhèn)靜時間等對鋼液潔凈度的影響.研究認(rèn)為，Al、Ti合金的加入需要間隔一定時間以保證Al2O3能充分上浮[4]；降低RH進(jìn)站爐渣的氧化性有利于鋼液潔凈度的提高[5?6]；適當(dāng)延長純循環(huán)及鎮(zhèn)靜時間有利于鋼液潔凈度的提高[6?7].非穩(wěn)態(tài)澆鑄包括頭坯、尾坯、交接坯等，與正常鑄坯相比，非穩(wěn)態(tài)澆注情況下鑄坯潔凈度變差[8?11]；夾雜物在鑄坯表皮下一定距離內(nèi)有聚集趨勢，并據(jù)此確定表面清理的最佳深度等[11?12].

隨著冶金技術(shù)的進(jìn)步，IF鋼的C、N含量控制已不是限制性問題，關(guān)鍵是如何快速降低鋼中C含量、同時保證鋼的高潔凈度，即高效、低成本地生產(chǎn)高品質(zhì)IF鋼.為此，很多企業(yè)采用RH頂吹氧進(jìn)行強(qiáng)制脫碳.與傳統(tǒng)RH精煉相比，RH頂吹氧工藝可提高脫碳速率；同時，CO的二次燃燒及加Al升溫能對鋼液進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度[13].國內(nèi)外學(xué)者對RH頂吹氧工藝開展了一些研究，主要集中在脫碳機(jī)理和脫碳速率方面.根據(jù)脫碳機(jī)理，建立脫碳數(shù)學(xué)模型，描述RH的脫碳反應(yīng)規(guī)律，預(yù)測熔池C含量變化[14?18]；優(yōu)化RH設(shè)備和工藝操作，如：改進(jìn)浸漬管內(nèi)徑[16]、增大吹 Ar流量[19]，降低真空室壓力[20?21]等，提高脫碳速率.關(guān)于RH頂吹氧工藝對IF鋼潔凈度的影響很少報道.

綜上，IF鋼除需要極低的C、N含量外，對最終產(chǎn)品的表面質(zhì)量也有非常嚴(yán)格的要求.鋼中O含量對鋼的潔凈度以及最終產(chǎn)品的表面質(zhì)量影響很大，因此，RH吹氧量對鋼液潔凈度的影響和控制非常重要.本文對實際生產(chǎn)中RH不同吹氧量情況下精煉到連鑄過程鋼液的潔凈度進(jìn)行研究，以期為RH吹氧強(qiáng)制脫碳工藝生產(chǎn)IF鋼提供一定的指導(dǎo).

1 實驗方法

試驗鋼種為IF鋼（SDC04），工藝流程為：鐵水預(yù)脫硫→頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→RH真空精煉→板坯連鑄，轉(zhuǎn)爐公稱容量為300 t.采用實驗專用取樣器在RH真空精煉和連鑄過程不同時刻對鋼水密集取樣，以加Al時刻為計時起點，破空在加Ti后6～8 min，鎮(zhèn)靜時間為 10～15 min，同時對爐次對應(yīng)的鑄坯取樣.實驗共開展6個爐次，取樣明細(xì)如圖1所示，取樣器試樣和鑄坯樣加工如圖2所示.

切取的鋼樣經(jīng)研磨、拋光后制成標(biāo)準(zhǔn)的金相試樣，采用ASPEX掃描電鏡對非金屬夾雜物進(jìn)行分析，每個試樣的分析面積為100 mm2左右，檢測的夾雜物最小尺寸設(shè)為5 μm；采用紅外吸收法和熱導(dǎo)法對鋼中的T.O含量和N含量進(jìn)行分析.

圖1 取樣明細(xì)Fig.1 Sampling during process

圖2 試樣加工圖.（a）取樣器試樣；（b）鑄坯試樣Fig.2 Schematic of sample machining: (a) sample by sampler; (b)sample from slab

2 結(jié)果與討論

2.1 不同RH吹氧量下鋼中夾雜物的特征

表1為實際生產(chǎn)過程中RH吹氧量情況，其中，吹氧量包括脫碳吹氧和升溫吹氧.選取高、中、低三種吹氧量的爐次，對鋼中夾雜物的特征進(jìn)行分析描述，三個爐次分別為第5爐次（吹氧量295 m3），第 6 爐次（吹氧量 160 m3）和第 1 爐次（吹氧量 35 m3）.

生產(chǎn)過程中采用Al脫氧，間隔一段時間后加鈦鐵合金（FeTi70）進(jìn)行合金化.從ASPEX掃描電鏡對夾雜物統(tǒng)計分析的結(jié)果看，不同吹氧量情況下鋼中夾雜物的類型和典型形貌特征基本一致.夾雜物主要有兩類，Al2O3類和Al?Ti?O復(fù)合類，圖3和圖4所示為兩類夾雜物的典型形貌.

表1 RH 吹氧情況Table 1 Oxygen blowing during RH treatment

Al2O3類夾雜物形貌多樣，可分為兩類：（1）簇群類，尺寸從幾十微米到上百微米，主要有針條形Al2O3組成的樹枝類簇群，顏色較淺，如圖3（a）所示；有類球形Al2O3組成的珊瑚狀簇群，顏色較深，如圖 3（b）所示.（2）單體類，尺寸大都在 5～10 μm左右，形狀有棒狀、球形和塊狀等，分別如圖3（c）、3（d）和 3（e）所示.

圖3 Al2O3 夾雜物典型形貌.（a）樹枝類簇群；（b）珊瑚狀簇群；（c）棒狀；（d）球形；（e）塊狀Fig.3 Morphology of typical Al2O3 inclusions: (a) dendritic cluster; (b) coral cluster; (c) bar-like; (d) spherical; (e) bulk

圖4 Al?Ti?O 復(fù)合夾雜物典型形貌及面掃.（a）類球狀；（b）不規(guī)則狀Fig.4 Morphology of typical Al?Ti?O complex inclusions and surface scanning: (a) spherical; (b) irregular shape

Al?Ti?O復(fù)合夾雜物形貌相對簡單，主要為單體類，呈類球狀或不規(guī)則狀，尺寸一般在10 μm以下，類球狀A(yù)l?Ti?O夾雜物一般含Ti量較高，顏色較淺，如圖 4（a）所示；不規(guī)則狀的 Al?Ti?O 夾雜物常常伴隨有顏色較淺的灰色區(qū)域和顏色較深的黑色區(qū)域，面掃描發(fā)現(xiàn)灰色區(qū)域含Ti量很高，黑色區(qū)域含 Al量很高，如圖 4（b）所示.Doo 等[22]也對Al脫氧后Ti合金化形成的Al?Ti?O復(fù)合夾雜物進(jìn)行過研究，發(fā)現(xiàn)夾雜物呈粗糙的球形，且包含黑色、灰色和亮色三種不同顏色區(qū)域，通過EDS掃描發(fā)現(xiàn)其成分分別是Al、Al?Ti復(fù)合及Fe，這與本文觀察到的結(jié)果是一致的.

圖5顯示了吹氧量分別為35、160和295 m3情況下鋼中夾雜物的尺寸分布.可以發(fā)現(xiàn)，無論吹氧量多少，整個生產(chǎn)過程中，夾雜物尺寸主要分布在 5～10 μm，大于 50 μm 的夾雜物數(shù)量很少；吹氧量增大，加 Al 2 min 時夾雜物的數(shù)量，尤其是大尺寸夾雜物的數(shù)量增多，但是隨后的生產(chǎn)過程中夾雜物的量與吹氧量關(guān)系并不大.

2.2 RH 不同吹氧量下精煉?連鑄過程中鋼液潔凈度的變化

前人研究評價IF鋼潔凈度一般采用T.O含量和非金屬夾雜物的數(shù)量.Hasunuma等[23]提出用中間包鋼水的T.O含量作為鋼水潔凈度的評價指標(biāo)：T.O質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.0030%時，可直接交貨；T.O質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.0055%時，直接降級；居兩者之間待檢查后方可交貨.本研究中，對ASPEX掃描電鏡檢測到的鋼中夾雜物進(jìn)行整理統(tǒng)計，采用T.O含量，N含量，夾雜物數(shù)量密度和夾雜物面積比來評判鋼水的潔凈度.其中，夾雜物數(shù)量密度定義為單位檢測面積上夾雜物的數(shù)量，夾雜物面積比定義為單位檢測面積上夾雜物的面積，分別如式（1）和式（2）所示.

式中，A為夾雜物的數(shù)量密度，mm?2；B為夾雜物的面積比，10?6；Nin為檢測出的夾雜物的數(shù)量；Sin為所有檢測出的夾雜物的總面積，μm2，Ssc為試樣檢測的總面積，mm2.

圖6和圖7分別為鋼液中T.O含量和N含量變化.隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，鋼中T.O含量大體上呈下降的趨勢，鑄坯中T.O含量最低，全部為0.0015%以下，達(dá)到了很高的潔凈度，另外，值得注意的是，從中包到鑄坯T.O含量下降十分明顯，說明該實驗條件下中包對夾雜物的去除十分有利；整個過程中N含量相對比較穩(wěn)定，在0.0020%～0.0030%之間，第1爐中包澆鑄N含量較高，說明該爐次未做好保護(hù)澆鑄.

圖5 不同 RH 吹氧量下鋼中夾雜物的尺寸分布.（a）35 m3；（b）160 m3；（c）295 m3Fig.5 Size distribution of inclusions in different oxygen blowing in RH: (a) 35 m3; (b) 160 m3; (c) 295 m3

圖6 不同 RH 吹氧量下 T.O 含量變化Fig.6 Change in the content of T.O in different oxygen blowing in RH

圖7 不同 RH 吹氧量下 N 含量變化Fig.7 Change in the content of N in different oxygen blowing in RH

圖8和圖9分別為生產(chǎn)過程中鋼中夾雜物數(shù)量密度和面積比的變化，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，夾雜物數(shù)量密度和面積比呈下降的趨勢，說明鋼液的潔凈度在提高.并且，夾雜物數(shù)量密度和面積比的變化趨勢一致，并與鋼液中T.O含量變化趨勢吻合的很好，因此評判IF鋼潔凈度的方法可綜合使用T.O含量、夾雜物數(shù)量密度和夾雜物面積比等指標(biāo).

通過T.O含量、夾雜物數(shù)量密度、夾雜物面積比分析，整體上看中間包鋼液和鑄坯的潔凈度與RH吹氧量相關(guān)性不大，吹氧量僅在加Al后4 min內(nèi)對鋼液潔凈度有影響，之后隨生產(chǎn)的進(jìn)行各爐次潔凈度差別不大.

圖8 不同 RH 吹氧量下夾雜物數(shù)量密度變化Fig.8 Change in the density of inclusions in different oxygen blowing in RH

圖9 不同 RH 吹氧量下夾雜物面積比變化Fig.9 Change in the area ratio of inclusions in different oxygen blowing in RH

2.3 RH 吹氧量對夾雜物去除的影響

如前所述，加Ti前鋼液中夾雜物主要是Al2O3，Al2O3夾雜物在鋼液流動的作用下，相互碰撞和長大形成大尺寸Al2O3夾雜物，從而更容易上浮去除[24].不考慮夾雜物顆粒間的相互作用和流場對夾雜物運(yùn)動的影響，根據(jù)雷諾數(shù)Re的不同，顆粒球形夾雜物在鋼液中的運(yùn)動區(qū)域可分為3種，分別為斯托克斯定律區(qū)（Stokes）、過渡區(qū)（Allen）和牛頓定律區(qū)等（Newton）[25]：

雷諾數(shù)公式：

當(dāng)Re<2，為層流，符合斯托克斯定律（Stokes），

當(dāng) 2

當(dāng)Re>500，為紊流區(qū)，符合牛頓定律（Newton），

式中，v為夾雜物的平均速度，m·s?1；ρFe和ρi分別為鋼液和夾雜物顆粒的密度，kg·m?3；g為重力加速度，m·s?2；μ為鋼水的動力黏度，Pa·s；d為夾雜物的當(dāng)量直徑，m.

在RH精煉過程中，夾雜物在鋼液中的運(yùn)動主要處于過渡區(qū)（Allen）范圍[4].本研究中鋼液深度H大約為4.5 m，鋼液密度ρFe=7.0×103kg·m?3[26]，Al2O3夾雜物密度ρi=3.97×103kg·m?3[4]，鋼水的動力黏度μ=5×10?3Pa·s[27]，代入（5）式計算，結(jié)果如圖 10所示.

圖10 鋼包不同深度夾雜物上浮時間Fig.10 Removal time of inclusions in different depths of ladle

可以發(fā)現(xiàn)，夾雜物尺寸越大，距離鋼液面越近，去除時間越短.但是，如2.1小節(jié)所述，該實驗條件下夾雜物尺寸主要分布在5～10 μm之間，不可能在加Al后4 min內(nèi)上浮去除，而如圖8和圖9所示，在加 Al 4 min 時夾雜物的數(shù)量顯著降低，故可以推斷在加Al后4 min內(nèi)小尺寸Al2O3會不斷聚集形成大尺寸的簇群狀A(yù)l2O3夾雜物，進(jìn)而從鋼中快速上浮去除.

圖11為吹氧量與簇群夾雜物面積比的關(guān)系，吹氧量越大，在加Al 2 min時簇群夾雜物面積比越大，這也證明了上述說法，在精煉前期（加Al后4 min內(nèi)）夾雜物的數(shù)量會隨吹氧量的增加而增多，但會快速聚集形成大尺寸的簇群狀A(yù)l2O3.另外，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，簇群狀夾雜物面積比呈下降趨勢，而且簇群狀夾雜物主要出現(xiàn)在破空之前，真空精煉結(jié)束后鋼中很難發(fā)現(xiàn)簇群狀夾雜物，鋼液達(dá)到了較高的潔凈度，僅第1爐次（吹氧量35 m3）在中包時出現(xiàn)異常，是因為該爐次在中包發(fā)生了二次氧化.

圖11 不同RH吹氧量與簇群狀夾雜物面積比關(guān)系Fig.11 Relation between different oxygen blowing in RH and area ratio of cluster inclusions

2.4 中間包潔凈度的影響因素

從上文看，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，不同吹氧量下鋼液的潔凈度均逐漸提高，鑄坯的潔凈度最高且各爐次差別不大.為了進(jìn)一步分析吹氧量對近終產(chǎn)品潔凈度的影響，本小節(jié)研究了中間包鋼液潔凈度與吹氧量及加Al脫氧前鋼液中O含量的關(guān)系.

圖12為中間包夾雜物面積比與吹氧量的關(guān)系，圖13為中間包夾雜物面積比與加Al脫氧前鋼液中O含量的關(guān)系.可以發(fā)現(xiàn)，中間包鋼液潔凈度與吹氧量相關(guān)性不大，但與加Al脫氧前鋼液中O含量有比較明顯的相關(guān)性.即加Al脫氧前鋼液中O含量越高，中間包內(nèi)夾雜物面積比越高，鋼液潔凈度就越差.

圖12 中包內(nèi)夾雜物面積比與 RH 吹氧量關(guān)系Fig.12 Relation between area ratio of inclusions in the tundish and the amount of oxygen blowing

圖13 中包內(nèi)夾雜物面積比與加Al脫氧前鋼液中氧含量關(guān)系Fig.13 Relation between area ratio of inclusions in the tundish and the content of oxygen in molten steel before Al deoxygenation

假設(shè)夾雜物均為球形Al2O3，那么夾雜物形成量可由式（7）[27]來表述：

式中：r為夾雜物的半徑，m；ρi為夾雜物密度，kg·m?3；Ni為夾雜物形成數(shù)量；MO為氧的摩爾質(zhì)量，g·mol?1；Mi為夾雜物的摩爾質(zhì)量，g·mol?1；CO為加 Al脫氧前鋼液中的溶解氧含量，10?6；WFe為鋼液總質(zhì)量，kg.

根據(jù)上式可知，當(dāng)加Al脫氧前鋼液中O含量越高，則生成夾雜物的數(shù)量就越多，即鋼液潔凈度就越差.實際生產(chǎn)中，IF鋼在RH精煉過程中吹氧量往往取決于鋼液中的C含量以及溫度，當(dāng)C含量和溫度均達(dá)到要求后，此時鋼液中的O（即加Al脫氧前鋼液中的O）含量才是影響鋼液潔凈度最主要因素之一.在本試驗條件下，為提高中間包鋼液的潔凈度，應(yīng)盡量減少加Al脫氧前鋼液中的O含量.

3 結(jié)論

（1）該實驗條件下吹氧量對IF鋼中的夾雜物類型及典型形貌沒有影響，夾雜物類型主要有兩類，一類為Al2O3夾雜物，呈簇群狀和棒狀、球形、塊狀等單體狀；另一類是Al?Ti?O復(fù)合夾雜物，主要呈類球形或不規(guī)則形等單體狀，絕大部分夾雜物尺寸在 5～10 μm 之間.

（2）吹氧量對 RH 精煉前期（加 Al后 4 min 內(nèi)）影響較大，T.O含量、夾雜物數(shù)量密度及面積比隨吹氧量的增加而增大；隨后的生產(chǎn)過程中，吹氧量對鋼液的潔凈度影響很小.簇群狀夾雜物主要出現(xiàn)在破空之前，真空精煉結(jié)束后鋼中很難發(fā)現(xiàn)簇群狀夾雜物.

（3）中間包鋼液潔凈度與RH吹氧量沒有明顯的相關(guān)性，而與加Al脫氧前鋼中O含量有一定的相關(guān)性，加Al脫氧前鋼中O含量越高，中間包鋼液潔凈度越差.

（4）隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，鋼中T.O含量、夾雜物數(shù)量密度和面積比呈下降的趨勢，說明鋼液的潔凈度在提高，鑄坯的潔凈度達(dá)到最高水平；夾雜物數(shù)量密度及面積比與鋼中T.O含量有很好的對應(yīng)關(guān)系，可綜合使用T.O含量、夾雜物數(shù)量密度和面積比來評判IF鋼潔凈度.

致謝

本研究開展過程中得到了首鋼集團(tuán)鄧小旋、潘宏偉、王雷川等技術(shù)人員的大力幫助，在此，作者們一并表達(dá)最衷心的感謝.