钢液脱氧机理和发展状况

2018-09-04 06:20汤寅波殷顶楼付振宇胡春林宋传文
安徽冶金科技职业学院学报 2018年3期
关键词:熔渣钢液还原性

陈 伟,汤寅波,殷顶楼,付振宇,胡春林,宋传文

(马钢股份公司长材事业部,安徽马鞍山 243000)

转炉炼钢是向低磷、低硫铁水中吹入氧气,使钢中碳、硅、锰、磷等元素氧化。在这些元素氧化的同时,也使钢中剩余了过多的氧,如果不将钢中氧降低到规定的范围,钢液将不能顺利浇注,也得不到合理结构的铸坯。钢液脱氧,就是使钢中自由氧转变为含氧夹杂物,然后将这些夹杂物从钢中去除,降低钢液氧含量。现主要分析了炼钢脱氧工艺的脱氧机理和发展状况,探讨了钢液脱氧发展的趋势,为今后钢液脱氧研究提供参考和借鉴。

1 炼钢脱氧工艺的脱氧机理和发展现状

2.1 沉淀脱氧脱氧机理

沉淀脱氧是炼钢工最早使用的脱氧方法,生产时将适量的合金直接加入到钢液中,利用合金元素与钢中氧反应。由于加入的脱氧元素与钢液充分接触,因此沉淀脱氧的脱氧速度和脱氧效率都较高,该过程发生的脱氧反应可表示为:

x[M]+y[O]=(MxOy)

(1)

式中Kθ为平均常数,a为活度,f为活度系数。

虽然脱氧产物的变性处理和去除能力有了很大提高,但固态或液态的脱氧产物都会部分残留在钢中,降低钢液纯净度。因此,沉淀脱氧时,必须使用脱氧产物容易去除的脱氧元素。

2.2 沉淀脱氧发展现状

早期的钢铁冶炼中,为降低生产成本,通常是把Si-Fe、Mn-Fe加入到钢中,但由于其还原能力有限,难以将钢中氧降低到满意的水平。资料记载[1],Al的亲氧性很强,它的还原性比Si、Mn大很多。但是,铝脱氧产生的Al2O3生产时容易聚集堵塞在水口,使钢液浇铸中断[2]。

理论研究和生产实践表明[3],钢中夹杂物越少,钢的综合性能越好,为减少脱氧产物对钢材质量的不良影响。王唐林[4]等用新型Al基复合脱氧剂在高温钼丝炉内对钢液进行脱氧实验,通过对夹杂物数量、形貌和夹杂物在钢中的分布分析脱氧效果,结果表明:新型 Al基复合脱氧剂能将钢液氧含量降低到10 ppm以下,还能减少夹杂物尺寸和数量,改善夹杂物形貌,提高钢液纯净度(与纯铝脱氧相比)。

碱金属化学反应时容易失去两个电子形成正二价阳离子,因此极易与钢中氧等非金属元素作用。近年来,科研工作者[5]对Mg在纯净钢中的应用进行了理论分析和实验研究。结果显示,Mg在高温下仍然会有极强的还原能力,能将钢中氧降低到很低的水平。同时,铝脱氧后的钢液再用Mg处理,能继续降低钢液氧含量和提高钢液纯净度。

用Mg-Al合金对钢液脱氧实验后发现[6]、[7]:Mg-Al合金既能将[O]、[S]降低到很低的含量,还能对钢中夹杂物起到变性的作用,可将大部分Al2O3夹杂转变为熔点更低的MgO·Al2O3复合夹杂物,还能将FeS和MnS转变为FeS·MnS等硫化物夹杂。此外,其它镁合金用于钢液脱氧的研究也取得了快速的发展,用Mg-Ti在感应炉内作用于中、低碳钢钢液后发现[8]、[9]:脱氧产物主要是以氧化物为核心,表面包裹MnS或TiN的近似球形的平均粒径在1 um左右的复合夹杂物,表面析出的MnS有望降低夹杂物的危害,利于晶内铁素体形核与细化组织,此外,钢中镁含量控制在50 ppm以下时,更容易形成尺寸较小的、球形的复合夹杂。

2.3 扩散脱氧脱氧机理

扩散脱氧是利用脱氧剂与渣中FeO反应,降低渣中氧含量,从而使钢中氧不断向渣中扩散,降低钢中氧含量。氧在熔渣—钢液之间的平衡可表示为:

(FeO)=[O]+Fe(l)

(3)

脱氧时,可认为脱氧反应遵循亨利定律,即f[O]=1,上式可表示为:

由式(5)可知:当温度为1600 ℃时,ω[O]%=0.21a(FeO),因此,降低钢液氧含量,也就是减少渣中a(FeO)。

2.4 扩散脱氧发展现状

扩散脱氧由于脱氧速度较慢,耐材需长时间与钢液接触,加速了炉衬的侵蚀,同时,被侵蚀的耐材如若进入钢液,将会降低钢液纯净度。因此,生产上常将沉淀脱氧和扩散脱氧结合起来,先使用沉淀脱氧的方法,然后进行扩散脱氧[10]。

2.5 真空脱氧脱氧机理

真空脱氧是利用碳与氧反应降低钢液氧含量,通常是通过降低装置中CO分压,使碳氧反应继续向减少氧含量的方向进行。真空下,碳脱氧的反应式可用(6)表示:

[C]+[O]=CO

(6)

2.6 真空脱氧发展现状

真空脱氧产生的气体脱氧产物,难以残留在钢中,所以对提高钢液纯净度,降低钢中夹杂物有着非常重要的作用。小气泡的强烈搅拌,钢液的成分和温度更加均匀,钢中的脱氧产物也容易被熔渣吸收。此外,由于CO气泡内其它气体的分压接近于零,有利于钢液其它气体的去除,资料显示:当气相压力降低至133.3Pa时,碳的脱氧能力将超过强脱氧剂铝[2]。

2.7 还原性气体脱氧机理

炼钢温度下,向钢液通入氢气、液化气和甲烷等,气体分解产物分别与钢中氧反应,使钢中氧含量降低。气体的脱氧反应为:

2CxHy+2(x+y)[O]=yH2O+2xCO

(8)

溶于钢液的碳与钢中氧发生以下反应:

[C]+[O]=CO(g)ΔGθ=122364-39.63T

(9)

氢气与钢液中氧的热力学方程式可表示为:

H2+[O]=H2O(g)ΔGθ=-130350+58.78T

(10)

由式(10)有:

式中PH2为H2的分压。

由(9)可知,气体分解产生的碳使碳氧反应继续进行,使钢液氧含量持续降低。式(11)表明:一定温度下,要想获得氢脱氧的满意效果,必须设法降低气体中水蒸气的含量和提高气体中氢气的含量。与传统脱氧方式相比,气体脱氧后的脱氧产物为气态,真空处理后,脱氧产物难以残留在钢中影响钢的性能。

2.8 还原性气体发展现状

近年来,年轻工作者[11-12]在高温炉内用氢气、液化气等还原性气体对增氧后的钢液进行脱氧实验,结果表明:还原性气体都有很强的脱氧能力,随着气体通入时间的增加,钢液氧含量和气体脱氧速率逐渐降低。

陈伟[13]等在Si-Mo加热炉内,1600 ℃时顶吹甲烷进行钢液脱氧实验。通气16 min后,能将含氧量近480 ppm的钢液降低到40 ppm以下,脱氧率高达91.94%,比前人研究的还原性气体脱氧效率更高。此外,由于含碳还原性气体分解会使钢液氢含量增加,脱氧后应对高温钢液进行真空处理,同时分解析出的碳使钢液碳含量增加,因此,含碳还原性气体适用于高碳洁净钢的冶炼。

2.9 渣—金电化学脱氧

由于固体电解质价格昂贵,大规模生产时存在成本太高的问题。随着脱氧技术的发展,研究者用熔渣替代传统电解质,在熔渣和金属液间施加直流电压,对钢液进行无污染的电化学脱氧工艺。实验室条件下[14],在500 kg多功能真空感应炉上先将350 kg-400 kg低碳钢熔化,然后加入10 kg-20 kg一定配比的熔渣,完全熔化后施加外加电场进行无污染脱氧处理,结果表明:在3 V-5 V、10 A-20 A直流电流作用下,30 min内可将初始氧含量为697 ppm的钢液降至40 ppm左右,脱氧率高达94.26%,同时,随着外加电场的增大,脱氧速率也随之增大,与此同时,脱氧反应速率随着熔渣接触面积的增加而增大。为将该技术大规模用于工业生产,该研究组在某钢厂对钢种为Q235B的100 t钢包外加电场进行脱氧处理,工业试验结果表明[15]:在20 min的低电压(3 V-5 V)和大电流(50A-80A)的外场作用下,可将氧含量为868 ppm的钢液降至642 ppm,钢液脱氧速率最高可达0.00113%/min,随着脱氧时间的延长,钢液氧含量逐渐降低,外加电场脱氧速率也逐渐降低。

3 结语和展望

(1)沉淀脱氧因其脱氧效率高,综合成本低,因此仍是大部分普通钢种的首选脱氧方式。同时如何更快、更高效地解决脱氧产物的残留问题,将是冶金工作者后期努力的重点内容。

(2)随着用户对钢材性能要求的日益提高,扩散脱氧将会得到进一步的发展,更广泛地应用于高品质钢的冶炼与生产。

(3)还原性气体和电化学脱氧的脱氧产物难以残留在钢中,能最大限度地减少脱氧产物对钢液的二次污染,但由于其脱氧速度较慢,难以满足现阶段的大规模生产,因此,工业化使用这种脱氧方式还有大量工作需要处理与优化,同时也是钢液新型脱氧工艺研究的重要方向。

参考文献

[1] 陈家祥.钢铁冶金学[M].北京:冶金工业出版社,1990.

[2] 徐匡迪.特殊钢精炼中的脱氧及夹杂物控制[J].钢铁,2012,47(10):1-13.

[3] 徐匡迪.关于洁净钢的若干基本问题[J].金属学报,2009,45(3):257-269.

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[5] 陈斌,姜敏等.Mg在超纯净钢中应用的理论探索[J].钢铁,2007,42(7):30-33.

[6] 王喜,李忠华等.Mg-Al合金对钢液脱氧作用的试验研究[J].炼钢,2011,27(3):40-43.

[7] 李尚兵,王谦等.镁合金对16MnR钢液的脱氧作用[J].中国有色金属学报,2007,17(4):657-662.

[8] 郑万,吴振华等.Ti—Mg复合脱氧和硫含量对钢中夹杂物特征及MnS析出行为的影响[J].工程科学学报,2015,37(3):292-300.

[9] 郑万,刘磊等.Ti-Mg复合脱氧钢中夹杂物细化机制[J].工程科学学报,2015,37(7):873-882.

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[13] 陈伟,王建军等. 钢液采用甲烷脱氧效率及脱氧后夹杂物形貌探究[J].连铸,2017,42(2):48-53.

[14] 贾吉祥,廖相巍等.外加电场钢液无污染脱氧新方法[J].炼钢,2012,28(4):47-50.

[15] 贾吉祥,郭庆涛等.外加电场作用下钢液无污染脱氧工艺[J].钢铁,2016,51(9):46-50.

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