巴鈞濤 高建軍 王 歡 時一鈞

(中國第一重型機(jī)械股份公司天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

試驗(yàn)研究

低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼LF爐精煉渣優(yōu)化研究

巴鈞濤 高建軍 王 歡 時一鈞

(中國第一重型機(jī)械股份公司天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

我公司冶煉低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼LF爐采用CaO-Al2O3渣系。通過化學(xué)成分及X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)原用渣系中鋁酸鈣主要以3CaO·Al2O3形式存在。該組成對夾雜物吸收能力弱，是造成鋼錠中氧化物夾雜含量高的重要原因。為使CaO-Al2O3渣系中鋁酸鈣以低熔點(diǎn)相12CaO·7Al2O3形式存在，通過降低螢石加入量，提高Al2O3量優(yōu)化渣系，使CaO/Al2O3的摩爾比為1.7左右。優(yōu)化渣系的現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，渣中鋁酸鈣大多以12CaO·7Al2O3形式存在，鋼錠中氧化物夾雜明顯減少。同時由于減少了螢石的加入，爐襯沖刷減輕，避免了鋼錠中鎂鋁尖晶石夾雜物的出現(xiàn)。

低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼；渣系;夾雜物；優(yōu)化

我公司部分重點(diǎn)鍛件為低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，鍛件中產(chǎn)生的大多數(shù)夾雜為氧化鋁夾雜或含有氧化鋁的尖晶石類復(fù)合夾雜物。為了充分潤濕、吸附及溶解夾雜物，我公司在低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的精煉上采用CaO-Al2O3渣系。因?yàn)樵撛抵饕M元為鋁酸鈣，具有高的Al2O3和CaO容量，在冶煉過程中可以通過加入石灰提高堿度，不僅可增大脫硫能力，而且其本身具有高的Al2O3含量，所以對鋼中鋁脫氧產(chǎn)物Al2O3夾雜的潤濕、吸附及溶解能力很強(qiáng)[1]。北京科技大學(xué)陳斌等人研究發(fā)現(xiàn)，12CaO·7Al2O3爐渣組成為SiO2=6%，Al2O3=46%，CaO=48%。與合金結(jié)構(gòu)鋼鋼液進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，該渣具有很高的堿度，90 min反應(yīng)結(jié)束后鋼中TO=0.000 6%～0.001 3%，S=0.000 4%～0.001 0%。為控制鋼中總氧含量，應(yīng)將爐渣堿度控制在9左右。鋼中生成的夾雜物大都是低熔點(diǎn)、球狀、尺寸很小的鈣鎂鋁硅酸鹽類夾雜物，這類夾雜物能夠避免鋼材產(chǎn)生各向異性，并且在軋制時能夠稍許變形，能夠提高鋼材的抗疲勞性能[2]。

CaO-Al2O3渣系精煉造渣過程加入石灰后渣中的Al2O3將發(fā)生如下變化：Al2O3→CaO·6Al2O3→CaO·2Al2O3→CaO·Al2O3→12CaO·7Al2O3→3CaO·Al2O3，其中12CaO·7Al2O3的熔點(diǎn)最低(約1 455℃)，渣子流動性好，對脫硫及吸附氧化鋁夾雜具有良好的動力學(xué)和熱力學(xué)條件。為了獲得12CaO·7Al2O3相，需要控制精煉渣中加入石灰的量和鋼液中加入的鋁量，保證渣中CaO與Al2O3的摩爾比為1.7∶1左右。CaO-Al2O3系的5個中間相及其物理性質(zhì)如表1所示，其CaO-SiO2-Al2O3系相圖中的分三角形如圖1所示。

表1 CaO-Al2O3系的中間相及其物理性質(zhì)Table 1 Intermediate phase & physical properties of CaO-Al2O3 slag system

表2 原用CaO-Al2O3渣系化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)、堿度及CaO/Al2O3摩爾比Table 2 The chemical composition(mass fraction, %) & alkalinity & CaO/Al2O3 mol ratio of original CaO-Al2O3 slag system

圖1 CaO-SiO2-Al2O3系相圖中的分三角形Figure1 The dividing triangles in the phase diagram of CaO-SiO2-Al2O3 slag system

圖2 原用渣X射線衍射分析結(jié)果Figure 2 The X-ray diffraction result of original slag

1 原用渣系評價

為了對原用鋁酸鈣渣系進(jìn)行評價，取11爐低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的渣樣，每一爐次在出鋼前取渣樣對其進(jìn)行化學(xué)成分分析及X射線衍射分析。分析其晶體結(jié)構(gòu)組成，并對其中6120196爐次所對應(yīng)鋼錠靠近冒口端錠身取鋼樣進(jìn)行金相和掃描電鏡分析，分析其夾雜物類型、數(shù)量及大小。

1.1 化學(xué)成分分析

采用熒光光譜法對原用鋁酸鈣渣系中的Al2O3、CaO、SiO2、CaF2、MgO、MnO、FeO含量進(jìn)行測試，并計算CaO/SiO2二元堿度及CaO/Al2O3的摩爾比。表2為11爐渣樣各種組元百分含量的平均值、堿度及CaO/Al2O3的摩爾比。

從表2可以看出，我公司冶煉低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼所用CaO-Al2O3渣系中Al2O3含量只有26.5%，CaO/Al2O3的摩爾比為3。這說明此渣系中鋁酸鈣主要以3CaO·Al2O3形式存在，該組成對夾雜物吸收能力不如12CaO·7Al2O3強(qiáng)。另外，鋼水精煉期間沒有含任何MgO的造渣材料加入，但通過測試發(fā)現(xiàn)渣中MgO含量卻到了驚人的16.6%，這說明精煉包包襯沖刷嚴(yán)重。

1.2 X射線衍射分析

由于熒光光譜只能分析各種組元百分含量，并不能確定鋁酸鈣以何種晶體結(jié)構(gòu)形式存在，因此采用X射線衍射分析物質(zhì)內(nèi)部原子在空間分布狀況的結(jié)構(gòu)，以確定鋁酸鈣的存在形式。圖2為6120196爐次出鋼前渣樣的X射線衍射分析結(jié)果。

從圖2可以看出，析出的主要晶體為3CaO·Al2O3、CaO和SiO2，與化學(xué)成分分析計算結(jié)果一致。進(jìn)一步說明該渣系中Al2O3含量過低或者CaO含量高，并沒有形成想要的低熔點(diǎn)12CaO·7Al2O3相。

1.3 金相分析

在進(jìn)行夾雜物的分析統(tǒng)計時，按夾雜物特征尺寸將其分為小顆粒夾雜和大顆粒夾雜。研究定義的小顆粒夾雜：放大倍數(shù)200倍條件下能夠準(zhǔn)確辨認(rèn)的50 μm以下的夾雜，其試驗(yàn)統(tǒng)計的夾雜物特征尺寸為10 μm～50 μm；大顆粒夾雜則為特征尺寸大于等于50 μm的夾雜。記錄樣品中夾雜物大小和數(shù)量，每個試樣觀察150個視場。本次試驗(yàn)放大倍數(shù)100倍，每個試樣觀察200個視場。對6120196爐次所對應(yīng)鋼錠靠近冒口端錠身取試樣進(jìn)行金相分析，發(fā)現(xiàn)200個視場中共出現(xiàn)了13個夾雜物。表3為金相夾雜物統(tǒng)計結(jié)果。

圖3 夾雜物掃描電鏡能譜及照片F(xiàn)igure 3 Energy spectrogram of scanning electron microscope and the photo of inclusion appearance

表3 金相夾雜物統(tǒng)計結(jié)果Table 3 The statistics results of metallographic inclusions

表4 掃描電鏡測試夾雜物的重量百分比及原子百分比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 Weight percentage & atom percentage of inclusions tested by scanning electron microscope(mass fraction,%)

由表3可以看出，小于25μm含量的氧化物夾雜物個數(shù)較多，無硫化物。

1.4 掃描電鏡分析

對做完金相試驗(yàn)的試樣做掃描電鏡分析。共分析了9個夾雜物，其中兩個不規(guī)則形狀的為鎂鋁尖晶石，尺寸為10 μm ～15 μm；3個球型夾雜物為鋁酸鈣夾雜物，最大的一個尺寸為80 μm；兩個鎂鋁酸鈣夾雜物；含有MnS、FeO的鎂鋁酸鈣復(fù)相夾雜物1個。圖3為其中對材料性能影響嚴(yán)重的鎂鋁尖晶石夾雜物的能譜圖及照片。表4為掃描電鏡測試夾雜物的重量百分比及原子百分比。

2 優(yōu)化渣系實(shí)驗(yàn)

2.1 設(shè)計原則

從原用渣系來看，需要從兩方面優(yōu)化。一是要減小石灰量和增大Al2O3量，使得CaO/Al2O3最佳摩爾比為1.7，這樣可使鋁酸鈣渣系主要以12CaO·7Al2O3低熔點(diǎn)共晶物為主；二是要控制螢石加入量或少加螢石。因?yàn)楦咪X渣系本身熔點(diǎn)很低，在同樣鋼液過熱度下流動性極好，不加螢石或少加螢石可以減輕對包襯的沖刷，提高鋼包壽命并減少鋼錠中鎂鋁尖晶石夾雜物的出現(xiàn)。根據(jù)這兩個原則對原用渣系進(jìn)行了優(yōu)化，并在6120214爐次上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

圖4 優(yōu)化渣X射線衍射分析結(jié)果Figure 4 The X-ray diffraction result of optimized slag

表5 優(yōu)化CaO-Al2O3渣系化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)、堿度及CaO/Al2O3摩爾比Table 5 Chemical composition (mass fraction, %) & alkalinity & CaO/Al2O3 mol ratio of optimized CaO-Al2O3 slag system

2.2 化學(xué)成分及X射線衍射分析

對6120214爐次優(yōu)化渣系取樣分析化學(xué)成分，見表5。X射線圖譜如圖4所示。

從圖4可以看出，析出的主要晶體為12CaO·7Al2O3。說明優(yōu)化渣系設(shè)計成分合理，使鋁酸鈣大多數(shù)以低熔點(diǎn)相12CaO·7Al2O3形式存在。

圖5 優(yōu)化渣系鋼錠夾雜物掃描電鏡能譜及照片F(xiàn)igure5 The energy spectrogram of scanning electron microscope and the photo of ingot inclusions with the optimized slag system

表6 優(yōu)化渣系鋼錠金相夾雜物統(tǒng)計結(jié)果Table 6 Statistics results of metallographic inclusions in the ingot with the optimized slag system

表7 優(yōu)化渣系鋼錠掃描電鏡測試夾雜物的重量百分比及原子百分比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 7 Weight percent and atom percent of ingot inclusion with the optimized slag sytem tested byscanning electron microscope(mass fraction,%)

2.3 金相及掃描電鏡分析

同樣，對6120214優(yōu)化渣系爐次所對應(yīng)鋼錠靠近冒口端錠身取樣進(jìn)行金相和掃描電鏡分析。表6為金相夾雜物統(tǒng)計結(jié)果。

由表6可以看出，金相分析發(fā)現(xiàn)200個視場中共出現(xiàn)3個夾雜物，單位面積氧化物夾雜數(shù)量大大減少，說明優(yōu)化渣系吸收夾雜物能力強(qiáng)。圖5為鋁酸鈣夾雜物的能譜圖及照片。表7為掃描電鏡測試夾雜物的重量百分比及原子百分比。

由圖5和表7可以確定，優(yōu)化渣系所對應(yīng)的都為鋁酸鈣夾雜物，沒有鎂鋁尖晶石夾雜物出現(xiàn)。說明降低螢石含量后液渣對包襯的沖刷大大減輕，這樣可以大幅提高包襯壽命及鋼錠冶金質(zhì)量。

3 結(jié)論

(1)冶煉低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼原用渣系的主要化學(xué)成分中Al2O3含量為26.5%，二元堿度為7.6，CaO/Al2O3的摩爾比為3。X射線衍射結(jié)果證明原用精煉渣中鋁酸鈣以3CaO·Al2O3形式存在，與化學(xué)分析計算結(jié)果一致。

(2)原用渣系中螢石含量較高，包襯沖刷嚴(yán)重，造成渣中MgO含量過高，是鋼錠中產(chǎn)生鎂鋁尖晶石夾雜物的重要原因。

(3)優(yōu)化渣系通過降低渣中螢石量，提高Al2O3量，使CaO/Al2O3的摩爾比為1.7左右。通過X射線檢驗(yàn)證明優(yōu)化渣中鋁酸鈣大多以12CaO·7Al2O3形式存在。同時，金相檢驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了鋼錠中夾雜物數(shù)量明顯減少，并且由于減少了螢石的加入，爐襯沖刷減輕，避免了鋼錠中鎂鋁尖晶石夾雜物的出現(xiàn)。

[1] 王書桓，唐國章，李福民，等. 12CaO·7Al2O3型精煉合成渣物性與脫硫試驗(yàn).河北理工學(xué)院學(xué)報,2001,23(3):9-12.

[2] 陳斌，蔣敏，王新華. 12CaO·7Al2O3爐渣與合金鋼液的反應(yīng).鋼鐵研究學(xué)報，20(10):14-16.

編輯 杜青泉

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Research on Low Carbon Aluminum-Killed Steel LF Furnace
Refining Slag Optimization

BaJuntao,GaoJianun,Wanghuan,ShiYijun

CaO-Al2O3refining slag system is used by the low carbon aluminum-killed steel LF furnace in our company. By means of chemical composition analysis and X-ray diffraction analysis, it is found out that the calcium aluminate is mainly in the form of existing in the original slag system. This composition has the low absorption capacity for inclusions, which is the main cause of the high oxide inclusions content in the steel ingot. In order to make the calcium aluminate in the 3CaO·Al2O3slag system exist in the form of low melting point phase 12CaO·7Al2O3, the amount of adding fluorite has been reduced, and the Al2O3content has been increase to optimize the slag system, the Mol ratio of CaO/Al2O3has been about 1.7. The application of the optimized slag system in the field shows that calcium aluminate in the slag mostly exist in the form of 12CaO·7Al2O3, and the oxide inclusions content in the ingot has been greatly reduced. In the meantime, due to the decrease in adding fluorite, furnace lining erosion has been mitigated, and has avoided occurrence of the magnesia alumina spinel inclusions.

low carbon aluminum-killed steel; slag system; inclusions; optimize

2013—09—24

TF744

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