CN104911293A - 控制低碳低硅冷镦钢钢水回硅反应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制低碳低硅冷镦钢钢水回硅反应的方法，其包括转炉工序和精炼工序，所述转炉工序中，Si含量不大于0.03%；所述精炼工序，精炼成白渣后再加入硅铁，使得钢水精炼后出站Si含量控制在0.04～0.10wt%。本方法通过控制钢水在不同工序、不同时间段，即转炉工序和精炼工序不同的硅含量，实现钢水的不回硅或微量回硅，精炼后期降低形成弥散状固态Al₂O₃的几率，从而实现纯净钢水，降低钢水不流事故率，提高铸坯质量，实现生产稳定顺行，降低工序成本。采用本发明可降低回炉钢水90%左右，效益可观，同时能有效的降低钢材中的夹杂量；可使钢水不流事故率降低95%以上，生产长久持续稳定，质量稳定提升，质量异议降低了75%以上。

Description

控制低碳低硅冷镦钢钢水回硅反应的方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，尤其是一种控制低碳低硅冷镦钢钢水回硅反应的方法。

背景技术

目前，低碳低硅冷镦钢由于冷成型性能良好，广泛用于制造标准件，非标准紧固件及各种机械零件，如螺栓、螺母、螺钉、插销以及汽车、电气设备专用件中。低碳低硅冷镦钢的化学成分中碳、硅、硫、磷按照国标一般不设上限要求，尤其是硅，国标要求[Si]≤0.10wt%，其结果是由于过程控制的微小波动，如转炉后吹或挡渣不理想下渣，经过LF炉处理后也常常造成回硅反应，使得钢水中增[O],增的少量[O]会与[Al](s)发生反应，形成Al₂O₃夹杂，这种夹杂难于形成大团簇，这些小颗粒难上浮的Al₂O₃夹杂会对钢水造成污染，使钢水发粘，从而降低钢水流动性能，甚至会带来连铸事故停浇、钢材夹杂较多、性能不合格等问题，还会严重影响生产的顺行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能有效地减少Al₂O₃在LF炉工序不再生成的控制低碳低硅冷镦钢钢水回硅反应的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：其包括转炉工序和精炼工序，特征在于：所述转炉工序中，Si含量不大于0.03%；所述精炼工序，精炼成白渣后再加入硅铁，使得钢水精炼后出站Si含量控制在0.04～0.10wt%。

进一步的，本发明所述钢水精炼后出站Si含量控制在0.04～0.06wt%。

本发明所述转炉工序中，出钢采取滑板挡渣，下渣量控制在5Kg/t以内。

本发明所述转炉工序，采取含铝脱氧剂脱氧。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过控制钢水在不同工序、不同时间段，即转炉工序和精炼工序不同的硅含量，实现钢水的不回硅或微量回硅，精炼后期降低形成弥散状固态Al₂O₃的几率，从而实现纯净钢水，降低钢水不流事故率，提高铸坯质量，实现生产稳定顺行，降低工序成本。采用本发明可降低回炉钢水90%左右，效益可观，同时能有效的降低钢材中的夹杂量；可使钢水不流事故率降低95%以上，生产长久持续稳定，质量稳定提升，质量异议降低了75%以上。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是常规方法所得铸坯样中的簇状Al₂O₃ 夹杂；

图2是常规方法所得铸坯样中的单体Al₂O₃夹杂；

图3是本发明方法所得铸坯样中的Al₂O₃夹杂；

图4是本发明方法所得铸坯样中的Al₂O₃夹杂。

具体实施方式

本控制低碳低硅冷镦钢钢水回硅反应的方法采取调整钢水[Si]含量的措施来控制钢水回硅反应，从而控制由于回硅反应造成的钢水增[O],增的少量[O]再和[Al](s)发生反应，形成Al₂O₃夹杂，这种夹杂难于形成大团簇或经过钙处理后形成12CaO7Al₂O₃而上浮排除；回硅反应方程式：

3(SiO₂)＋4[Al]＝3[Si]＋2(Al₂O₃)

ΔG°＝-658027.31＋107.1T  J/mol

有目的的控制钢水中[Si]含量，来阻止上式反应向正反应方向进行，使得因回硅反应而产生的Al₂O₃在LF炉工序不再生成，避免了小颗粒难上浮的Al₂O₃夹杂对钢水的污染，使钢水发粘。转炉渣及吹氩后钢包顶渣的成分见表1。

表1：转炉渣及吹氩后钢包顶渣的成分

表1是采用本方法后，本厂转炉渣及吹氩后钢包顶渣的成分控制情况，从上表可以明显看出，氩后钢包顶渣的成分w(SiO2)含量仍然含5.42%，这是由于出钢下渣或合金中含硅脱氧带来的，理论上讲该值越低越理想,这也是控制回硅反应的关键点；w(Al2O3)含量为24.83%，这是由于转炉出钢加铝脱氧的产物，经过钙处理后能够形成液态的12CaO·7A12O3上浮排除。

120吨的氧气顶吹转炉炼钢的吹氧时间仅仅是16分钟左右，在这短短的时间内要完成造渣、脱碳、脱磷、脱硫、去气、去除非金属夹杂物及升温等基本任务。

下面对吹氧过程进行进行简要描述：

1、吹炼前期300秒的时间里，Fe、Si、Mn元素即被大量氧化，而且Si的含量降到很低，几乎为痕迹量（一般0.01%以下为痕量，0.01～1%为微量），余锰一般为0.07～0.14%；继续吹炼，它们不再氧化。其反应式如下：

   [Fe]＋{O₂}＝(FeO)；

   2(FeO)＋{O₂}＝(Fe₂O₃)；

   (Fe₂O₃)＋[Fe]＝3(FeO)；

   [Si]＋{O₂}＝(SiO₂)；

   [Si]＋2(FeO)＝{SiO₂}+2[Fe]；

   (SiO₂)＋2(CaO)＝(2CaOSiO₂)；

   [Mn]＋{O₂}＝(MnO)；

   [Mn]＋(FeO)＝(MnO)+[Fe]；

   [Mn]＋[O]＝(MnO)。

2、在Si、Mn被氧化的同时，碳也被少量氧化，当Si、Mn氧化基本结束后，炉温达到1450℃以上时，碳的氧化速度迅速提高。吹炼后期，脱碳速度又有所降低，反应式如下：

[C]＋{O₂}＝{CO}；

[C]＋(FeO)＝{CO}＋[Fe]；

[C]＋[O]＝{CO}。

3、转炉吹炼过程中，由于石灰的逐渐渣化，渣中CaO的含量不断地升高。碱性氧化性炉渣迅速形成，在吹炼的380秒左右的时间内，磷迅速氧化，降至0.02％以下。脱P反应如下：

2[P]＋5(Fe0)＋3(CaO)＝(3CaOP₂O₅)＋5[Fe]；

2[P]十5(FeO)＋4(CaO)＝(4CaOP₂O₅)＋5［Fe］。

4、硫在转炉下枪开吹后下降不明显，在吹炼的中、后期，高碱度活性渣形成后，温度升高才得以脱除。其反应式如下：

[FeS]＋(CaO)＝(FeO)＋(CaS)；

[FeS]＋(MnO)＝(FeO)＋(MnS)；

(CaS)＋3(Fe₂O₃)＝{SO₂}＋6(Fe0)＋(CaO)；

(CaS)＋{O₂}= {SO₂}＋(CaO)。

5、转炉吹炼结束后，将钢水出到钢包过程中进行脱氧合金化，并调整钢水中的酸溶铝，加入改质剂。出钢过程全程吹氩，脱氧合金化后再保持吹氩3分钟，确保反应充分，成分均匀。

将钢水中的氧[O]脱除，形成氧化物产物，只有迅速使脱氧产物上浮排除才能降低钢水中氧化物夹杂，达到去除钢水中一切形式氧含量的目的。脱氧工艺有3种：

（1）用Si+Mn脱氧，形成的脱氧产物可能有：固相的纯Si0₂；液相的MnOSi0₂；固溶体MnO-FeO。通过控制合适的w(Mn)/w(Si)比，能得到液相的MnOSi0₂产物，夹杂物易于上浮排除。

（2）用Si+Mn+A1脱氧，形成的脱氧产物可能有蔷薇辉石(2MnOA1₂O₃5Si0₂)；硅铝榴石(3MnOA1₂0₃3Si0₂)；A1₂0₃(wA1₂0₃>30％)。

控制夹杂物成分在低熔点范围，为此钢中w[Al]≤0.006％，钢中[O]溶可达0.0020％(20ppm)而无A1₂0₃沉淀，钢水可浇性好，不堵水口，铸坯不会产生皮下气孔。

（3）用过量铝脱氧：对于低碳低硅铝镇静钢，钢中酸溶铝[Al]s含量为0.02％～0.04％，则脱氧产物全部为A1₂0₃。A1₂0₃熔点高达2050℃，在钢水中呈固态；若A1₂0₃含量多钢水的可浇性变差，易堵水口。另外，A1₂0₃为不变形夹杂物，影响钢材性能。需要在精炼工序经过Ca线的钙处理，改变A1203形态，形成低熔点12CaO7A1203才能上浮排除。

下面对LF炉精炼工序工艺过程简要描述如下：

1、LF炉精炼的主题目的是脱氧到（FeO+MnO）≤1%，造还原渣，造成白渣，形成还原性气氛后脱硫。

、扩散脱氧；生成的产物要以气体为主，即不污染钢液，又有利于减少钢中夹杂物含量。其反应是：

SiC＋3[O]]＝(SO₂)＋{CO}；

CaC₂＋3[O]＝(CaO)＋2{CO}。

降低炉渣氧化性，防止钢水的二次氧化，其反应是：

SiC＋3(FeO)＝(SO₂)＋{CO}＋3[Fe]；

CaC₂＋3(FeO)＝(CaO)＋2{CO)＋3[Fe]；

由于炉渣氧化性降低,可以促进钢水脱硫。

、沉淀脱氧，生成的产物以A1₂0₃为主。通过吹氩搅拌加速大颗粒A1₂0₃聚集上浮排出，精炼后期再进行钙处理，改变A1₂0₃形态。钙处理应保持w(Ca)/w(Al)比在0.09～0.12范围内，使之形成低熔点液态状12CaO7A1203很容易地上浮排除。对于低碳铝镇静钢，通过钙处理，产物易于上浮排除纯净了钢水，改善了可浇性。

、钢包顶渣改质，针对铝镇静的低碳或超低碳钢可在钢水完全脱氧后，对钢包的顶渣进行脱氧改质，改质剂一般采用含Al和CaO等的复合材料，可有效的降低炉渣的氧化性，降低钢水的全氧量：

2Al＋3(FeO)＝(A12O3)＋3Fe；

3FeO＋2[Al]＝3[Fe]＋(Al₂O₃)；

3MnO＋2[Al]＝3[Mn]＋(Al₂O₃)；

FeO＋SiC＝[Fe]＋[Si]＋{CO}。

钢中酸溶铝与顶渣中SiO₂ 的化学造成回硅的反应式：

3 (SiO₂)＋4[Al]＝3[Si]＋2(Al₂O₃)；

ΔG°＝-658 027.31＋107.1T  J / mol。

转炉出钢下渣量和吹氩后钢水酸溶铝含量对硅含量影响很大，随着转炉下渣量和钢中酸溶铝含量的增加，钢水硅含量明显增加。要想把钢水w([ Si ])稳定控制在<0.03%以下，转炉出钢下渣量必须控制在3kg/t 以内；同时，钢水酸溶铝的质量分数不能超过0.025%。由此可见，在钢水[Si]<0.03%，保证不回硅相当困难，那么采取适当调整钢水中[Si]含量的措施，在钢种成分范围允许的条件下，调整0.04%≤[Si]≤0.06%这个理想范围内，实现了钢水避免后期形成Al₂O₃夹杂的条件，有效地保证了钢水的流动性。

其关键控制步骤是：

转炉工序：促进2[Al]＋3[O]→Al₂O₃↓，尽量脱氧，避免或阻止 [Si]＋2[O]→SiO₂(s) 反应的发生，同时转炉做好出钢挡渣工作，避免或减少转炉下渣带入的SiO2量。

精炼工序：促进 [Si]＋2[O]→SiO₂(s)此平衡，避免 SiO₂(s)→[Si]+2[O]， 2[Al]＋3[O]→Al₂O₃↓。

为此，规定钢水中[Si]含量的下限要求，调整钢水中[Si]含量不低于0.04wt%；而且，[Si]含量越低材质的冷墩性能越好，因此[Si]含量最好控制在0.04～0.06wt%。

实施例：本控制低碳低硅冷镦钢钢水回硅反应的方法的具体工艺如下所述。

（1）转炉工序：出钢不加含硅的合金脱氧合金化，转炉出钢不加硅铁的合金脱氧合金化；转炉工序首先将废钢铁水装入转炉里吹炼，转炉加入石灰、白云石和矿石等吹炼，转炉渣碱度控制到3.0以上，吹炼终点[C]%在0.05～0.06、[Si]%在0.01～0.03、[Mn]%在0.05～0.14、[P]%≤0.020、[S]%≤0.03，终点温度控制在1630℃～1640℃，加不含硅的合金脱氧合金化，再加入铝钙钡终脱氧，同时加入含铝的渣洗料，脱氧合金化后炉后吹氩。转炉出钢采取滑板挡渣，下渣量控制在5Kg/t以内。

（2）精炼工序：LF炉精炼加硅铁调整钢水硅含量不低于0.04%。LF炉分三次加入活性石灰8～10Kg/t,萤石1.0～1.5Kg/t，下电极加热，保证钢包底吹良好，造碱性渣，成白渣后碱度、粘度合格后保持15分钟，白渣碱度一般控制在4～6左右，此过程钢水温度加热到目标要求后，喂钙线变性处理，净吹不低于10分钟后出站进行浇铸。

（3）连铸工序：重点做保护浇注，防止二次氧化污染钢水，措施包括钢包、中间包加覆盖剂，加盖，钢包到中间包采用长水口，氩封保护浇铸，中间包到结晶器采用侵入式水口，保护渣浇铸。选择合适的包衬、覆盖剂和保护渣等，避免或减少浇注过程中钢水中铝、硅与空气、包衬、炉渣等接触而产生氧化损失，提高了钢水清洁度。

（4）本实施例的实施效果：A、因钢水不流造成回炉量降低了80%以上，以前每月约生产20000吨的低碳低硅铝镇静钢，回炉约为1000吨左右，采取此项发明后降低到每月不超过200吨。

B、铸坯夹杂检验：对采取此项发明前后低碳低硅铝镇静钢的夹杂物控制情况，取铸坯样进行人工粗磨、细磨、精磨、抛光后，采用扫描电镜观察夹杂物的形貌和尺寸，并采用能谱仪对夹杂物的成分进行检测比对。

图1和图2是使用本方法前铸坯样中的簇状Al₂O₃ 夹杂和单体Al₂O₃夹杂；由图1、2可见，使用本方法前在铸坯样中发现大量单体Al₂O₃和连续、簇状Al₂O₃聚集群，单个分布，块状，形状不规则，大小5um左右；连续、簇状组成单体多呈条状或不规则块状的夹杂物，大小20um～40um。

图3和图4是使用本方法后铸坯样中的簇状Al₂O₃ 夹杂和单体Al₂O₃夹杂；由图3、4可见，采用本方法后取铸坯样检验，连续、簇状Al₂O₃聚集群已经不见，只有少量单个分布，块状、形状不规则，大小1～3um左右Al₂O₃夹杂，完全满足生产和质量的要求。

Claims (4)

1.一种控制低碳低硅冷镦钢钢水回硅反应的方法，其包括转炉工序和精炼工序，特征在于：所述转炉工序中，Si含量不大于0.03%；所述精炼工序，精炼成白渣后再加入硅铁，使得钢水精炼后出站Si含量控制在0.04～0.10wt%。

2.根据权利要求1所述的控制低碳低硅冷镦钢钢水回硅反应的方法，其特征在于：所述钢水精炼后出站Si含量控制在0.04～0.06wt%。

3.根据权利要求1或2所述的控制低碳低硅冷镦钢钢水回硅反应的方法，其特征在于：所述转炉工序中，出钢采取滑板挡渣，下渣量控制在5Kg/t以内。

4.根据权利要求1或2所述的控制低碳低硅冷镦钢钢水回硅反应的方法，其特征在于：所述转炉工序，采取含铝脱氧剂脱氧。