弓 濤 1 ，龐煒光 2 ，劉 慶 1 ，王現(xiàn)輝 2 ，冀建立 4 ，王 敏 1，3
（1. 北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；
2. 首鋼智新遷安電磁材料有限公司，河北，遷安，063000；
3. 北京科技大學(xué)金屬冶煉重大事故防控技術(shù)支撐基地，北京，100083；
4. 北京首鋼股份有限公司,河北，唐山，064404）
摘要：針對(duì)“轉(zhuǎn)爐→RH 精煉→連鑄”工藝流程生產(chǎn)的高硅鋼精煉渣精準(zhǔn)控制的難題，借助 FactSage7.2 商業(yè)熱力學(xué)計(jì)算軟件，計(jì)算了兩種不同脫氧工藝下合理的精煉渣系控制范圍。采用 A 脫氧工藝（鋁脫氧硅合金化工藝）時(shí)，合理精煉渣系控制范圍為氧化鈣含量為 53%~55%，二氧化硅含量在15%~18%，三氧化二鋁含量為 25%~30%，氧化鎂含量為 3%~5%，堿度為 3~5；采用 B 脫氧工藝（硅脫氧鋁合金化工藝）時(shí)，合理的精煉渣系的主要成分范圍為：氧化鈣含量為 53%~56%，二氧化硅含量為 12%~17%，三氧化二鋁含量為 25%~30%，氧化鎂含量為 3%~5%，堿度為 3~4.5。采用工業(yè)兩種對(duì)不同脫氧工藝精煉渣系吸附夾雜能力進(jìn)行分析，結(jié)果表明 B 脫氧工藝下夾雜物數(shù)量、尺寸分布方面均優(yōu)于 A 脫氧工藝。
關(guān)鍵詞：高硅鋼；渣系；夾雜物吸附；脫氧工藝；氧氮含量
引言
硅鋼是一種碳含量較低的硅鐵軟磁合金，由于其優(yōu)異的電磁性能，被廣泛應(yīng)用于電氣領(lǐng)域以及交通領(lǐng)域［1-2］，主要用于制作變壓器、發(fā)電機(jī)以及生產(chǎn)新能源汽車的高速電機(jī)。隨著新能源汽車等行業(yè)的發(fā)展以及對(duì)節(jié)能減排的更高要求，這對(duì)高硅鋼的力學(xué)性能和磁性能提出了更為嚴(yán)苛的要求［3-5］。硅鋼生產(chǎn)過程中，鋼水成分和潔凈度是影響磁性能的重要因素［6-11］。硅鋼中夾雜物包括 MgO-Al2O3 （尖 晶 石）、MnS 和Al2O3-SiO2 （硅酸鋁）等，當(dāng)鑄坯中存在大顆粒夾雜物時(shí)，會(huì)破壞鋼基體連續(xù)性，惡化硅鋼磁性能。因此，合理控制鋼中夾雜物的數(shù)量、類型、尺寸、分布是確保硅鋼性能和質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一［12-20］。
RH精煉過程完成對(duì)鋼液的脫碳和脫氧合金化。精煉頂渣的成分控制直接影響鋼液成分、潔凈度和夾雜物的去除效果，同時(shí)頂渣也承擔(dān)著防止鋼液二次氧化和保溫的作用，因此，精準(zhǔn)控制鋼包頂渣成分是鋼液潔凈化的關(guān)鍵因素［21-22］。目前，已有大量關(guān)于電工鋼精煉渣以及精煉過程夾雜物演變的研究。例如，呂學(xué)鈞等［23］對(duì)無取向硅鋼冶煉過程的夾雜物遺傳變化進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，在整個(gè) RH 精煉過程中，試樣中的夾雜物種類以 SiO2 和 Al2O3 為主。胡志遠(yuǎn)等［24］對(duì) W800無取向電工鋼全流程取樣分析夾雜物的演變規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明，加鋁合金化前后，夾雜物類型由 SiO2 類夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)?Al2O3 類夾雜物。Luo 等［25］ 在研究中發(fā)現(xiàn)氧化物主要在精煉過程中形成。劉堅(jiān)鋒等［26］研究了電工鋼精煉過程渣的冶金性能，認(rèn)為 RH 精煉過程中高 FeO 含量的鋼包頂渣精煉過程會(huì)造成鋼液的二次氧化。王勃超［27］研究發(fā)現(xiàn)，降低精煉渣中 FeO 的活度，有利于防止鋼液二次氧化。邱鈺杰等［28］研究發(fā)現(xiàn)，鋼包頂渣中成分對(duì)鋼液脫硫作用影響很關(guān)鍵，高渣堿度更好地促進(jìn)了 RH 過程脫硫反應(yīng)。劉衛(wèi)華［29］通過對(duì) RH 精煉渣組分的研究，發(fā)現(xiàn)精煉渣鈣鋁比值為 1.7 左右時(shí) ，精煉渣對(duì)Al2O3夾雜物的吸附最強(qiáng)。王念欣等［30］分析了精煉渣系組分對(duì)鋼液潔凈度的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)渣中 Al2O3含量不變時(shí)，堿度的增大有利于低熔點(diǎn)夾雜物的生成。寧鑫等［31］人對(duì)精煉過程中精煉渣組分計(jì)算，認(rèn)為渣中 Al2O3含量過高時(shí)，會(huì)抑制對(duì)鋼液中 Al2O3夾雜物的吸收。
1 試驗(yàn)方法
高硅鋼精煉過程鋼包頂渣易出現(xiàn)結(jié)殼現(xiàn)象，降低了渣對(duì)夾雜物的吸附能力。針對(duì)上述問題，本研究分析了不同脫氧工藝下，頂渣成分與夾雜物吸附能力間關(guān)系，并確定了不同脫氧工藝條件下合理的精煉渣系控制范圍。利用 FactSage 7.2 熱力學(xué)軟件及數(shù)據(jù)庫對(duì)下不同脫氧方式（鋁脫氧硅合金化或硅脫氧鋁合金化）下精煉渣堿度、鈣鋁比對(duì)夾雜物吸附能力的影響進(jìn)行計(jì)算，得出不同脫氧方式下合理的精煉渣成分并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為生產(chǎn)高硅鋼提供指導(dǎo)。
某廠高硅鋼生產(chǎn)工藝流程：轉(zhuǎn)爐→RH真空精煉→中間包→連鑄。經(jīng)過鐵水預(yù)脫硫處理后的鐵水進(jìn)入轉(zhuǎn)爐工序進(jìn)行吹煉，控制鋼液的溫度與成分；轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)有兩種不同脫氧工藝，即先加鋁鐵后加硅鐵和先加硅鐵后加鋁鐵，進(jìn)行脫氧及合金化，之后按照白灰：復(fù)合渣為 3：1 的比例加入造渣料造渣，如表 1 所示。RH精煉工序保證鋼液的成分及溫度符合澆注要求，精煉過程控制鋼液中碳含量，控制精煉渣的成分及堿度。
為了研究兩種不同脫氧工藝下定渣吸附夾雜物的能力和效果，對(duì)兩種工藝下，分別在轉(zhuǎn)爐爐后、精煉一次合金化、二次合金化和精煉結(jié)束取提桶鋼樣，在大包鋼液剩余 155，105，35 t 時(shí)于中包中取樣，分別對(duì)應(yīng)中包前、中、后期，如表 2 所示，在精煉結(jié)束取渣樣。圖 1 為全流程桶樣的加工示意圖，在提桶樣中間部分切取 Ф5 mm×35 mm 棒樣，做氧氮測(cè)試。
在體桶樣中上部切取尺寸為 10 mm×10 mm×10mm 金相樣，經(jīng)打磨拋光后做夾雜物自動(dòng)掃描，分析夾雜物類型、數(shù)量、尺寸。
2 不同脫氧工藝精煉渣目標(biāo)控制理論計(jì)算
根據(jù)現(xiàn)有工藝特點(diǎn)，高硅鋼中夾雜物類型主要為 Ca-Si-Al-Mg 復(fù)合夾雜物，因此研究的精煉渣系的成分為 CaO，SiO2，Al2O3和 MgO 四元渣系。
使 用 FToxid 數(shù)據(jù)庫對(duì)1873 K下的 CaO-SiO2-Al2O3-MgO 四元系相圖中的等 Al2O3活度線、等CaO活度線、等 SiO2活度線、等O活度線進(jìn)行計(jì)算。
2. 1 MgO 含量的確定
選定精煉渣熔點(diǎn)低于 1600 ℃的區(qū)域?yàn)榈腿埸c(diǎn)區(qū)，分別作出 CaO-SiO2-Al2O3三元系與 0 到 10% 的MgO 結(jié)合的相圖，統(tǒng)計(jì)其低熔點(diǎn)區(qū)占全部相圖面積的比例，如圖 2 所示。當(dāng) w（MgO）≤4% 時(shí)，低熔點(diǎn)區(qū)面積比例增加，當(dāng) w（MgO）=4% 時(shí)，最大低熔點(diǎn)區(qū)比例為 51% 左右；當(dāng) w（MgO）≥4% 時(shí)，低熔點(diǎn)區(qū)面積比例開始下降。當(dāng)渣中 MgO 含量較高時(shí)，更易生成鎂鋁型復(fù)合雜物，這不利于精煉渣對(duì) Al2O3類夾雜物的吸附。因此，CaO-SiO2-Al2O3-MgO 四元系中w（MgO）=3%~5% 較為恰當(dāng)。在以下計(jì)算中均選擇 w（MgO）=5%。
2. 2 鋁脫氧硅合金化工藝精煉渣系控制
2. 2. 1 精煉渣堿度對(duì) Al2O3夾雜物吸附的影響
研究表明精煉過程中使用堿度較高的精煉渣，可以對(duì)鋼液 T.O 含量的降低起到促進(jìn)效果［32］。根據(jù)FactSage7.2熱力學(xué)軟件計(jì)算結(jié)果，將等 CaO 和 Al2O3活度線在 CaO-SiO2-Al2O3-5%MgO 四元系相圖中畫出，結(jié)果如圖 3 所示，并依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果分析了精煉渣堿度對(duì) Al2O3夾雜物在精煉渣溶解能力的影響。
從圖 3 可知，在相同 Al2O3含量下，精煉渣堿度越高，鋼-渣界面處氧化鋁活度越小，有利于降低鋼液中的全氧含量。這與現(xiàn)有相關(guān)的研究結(jié)果一致。由圖 3（b）可知，在一定 Al2O3含量下，隨著渣中 CaO活度增加，渣中 Al2O3的活度逐漸減小。這是由于在CaO 的作用下，Al2O3夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)榈腿埸c(diǎn)的鈣鋁酸鹽類夾雜物，有利于鋼液潔凈度的提升。即 CaO 活度增加有利于精煉渣吸附 Al2O3類夾雜物，從而有利于鋼液脫氧。當(dāng)堿度在 4~5 時(shí)，渣中 Al2O3 活度最小，CaO 活度最大，在這種情況下，由于 Al2O3類夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)榈腿埸c(diǎn)的鈣鋁酸鹽類夾雜物，這種夾雜物易于上浮排出鋼液進(jìn)入精煉渣中，從而實(shí)現(xiàn)凈化鋼水的目的，有利于減少鋼液中 Al2O3數(shù)量。
2. 2. 2 精煉渣 w(CaO)/ w(Al2O3)對(duì) Al2O3夾雜物吸附的影響
精煉渣中含有一定量的 Al2O3可以使精煉渣粘度降低，這提高了 Al2O3夾雜物在精煉渣中的溶解能力，增強(qiáng)了 Al2O3夾雜物在精煉渣中的擴(kuò)散能力，從而有利于鋼液的潔凈度水平的提升。有研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)將渣中鈣鋁比從 2.0~4.4 減小到 1.2~2.0 時(shí)，鋼液的氧含量降低了 4×10−6 ［32］ 。圖 4 為采用 FactSage7.2 商業(yè)計(jì)算軟件計(jì)算了 CaO-SiO2-Al2O3-5%MgO 四元系等 CaO 和 Al2O3活度線。
隨著精煉渣中鈣鋁比增加，Al2O3 活度逐漸降低，當(dāng)鈣鋁比增加到 3 時(shí)，此時(shí)精煉渣大部分為固相，因此不予考慮。而當(dāng)鈣鋁比為 1.5~3.0 時(shí)，CaO活度最大，Al2O3活度最小，有利于精煉渣對(duì) Al2O3夾雜物的吸附，促進(jìn)鋼液中 T.O 含量的降低。
2. 2. 3 精煉渣對(duì)鋼中溶解氧的影響
依據(jù)熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果 ，在 CaO-SiO2-Al2O3-5%MgO 四元相圖上作不同O活度的等O 線，如圖 5所示。
為確保渣中的脫氧產(chǎn)物能夠穩(wěn)定存在，要求渣中 Al2O3和 SiO2的活度低，精煉渣系中 Al2O3活度在0.01 以下， SiO2活度在 0.00001 以下，對(duì)夾雜物的吸附有利；合理的精煉渣系成分為：w（CaO）=52%~55%；w（SiO2）=15%~18%，w（Al2O3）= 25%~30%，w （MgO）=3%~5%，R=3~5。
2. 3 硅脫氧鋁合金化工藝精煉渣系控制
2. 3. 1 精煉渣堿度對(duì) SiO2夾雜物吸附的影響
根 據(jù) FactSage7.2 熱力學(xué)軟件計(jì)算結(jié)果，將等SiO2活度線在 CaO-SiO2-Al2O3-5%MgO 四元系相圖中畫出，結(jié)果如圖 6 所示。
隨著精煉渣堿度的增大，渣中 SiO2的活度不斷降低，當(dāng)精煉渣堿度在 4~5 時(shí)，SiO2活度最低，此時(shí)，w（Al2O3 ） > 30 % ，w（SiO2 ） < 20 % ，w（CaO）=50 %~55 %，R=3~4.5。
2. 3. 2 精煉渣堿度對(duì)鋼中溶解氧的影響
根據(jù) FactSage7.2 熱力學(xué)軟件計(jì)算結(jié)果，將等 O活度線在 CaO-SiO2-Al2O3-5%MgO 四元系相圖中畫出，結(jié)果如圖 7 所示。
1873 K 溫度下 ，隨著精煉渣中 SiO2含量的降低，鋼中溶解O含量減少。此外，鋼中溶解 O 含量還與精煉渣理化性質(zhì)有關(guān)；當(dāng)精煉渣堿度 R 保持不變時(shí) ，鋼液中的溶解 O 含量與鈣鋁比呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是由于 CaO 能夠?qū)?Al2O3夾雜物進(jìn)行變性處理，使 Al2O3 夾雜物在精煉渣中的溶解度增大。合理的精煉目標(biāo)渣系范圍為：w（CaO）=52%~55%； w（SiO2）=12%~17%，w（Al2O3）= 32%~38%，w （MgO）=3%~5%。R=3~4.5。
2. 4 不同脫氧工藝精煉渣系控制效果對(duì)比
2. 4. 1 RH 精煉渣成分對(duì)比
工業(yè)試驗(yàn)中采用的 RH 精煉渣成分與熱力學(xué)計(jì)算獲得的目標(biāo)渣系成分如圖 8 所示。
A（鋁脫氧硅合金化）工藝下，試驗(yàn)渣系成分與推薦渣系成分接近，硅脫氧鋁合金化工藝條件下，工業(yè)試驗(yàn)所用渣系成分與理論計(jì)算渣系成分范圍基本相符，基本滿足試驗(yàn)要求。
試驗(yàn)中 RH 精煉渣成分與理論計(jì)算渣系特性對(duì)比如表 3 所示。
2. 4. 2 各工序氧氮含量對(duì)比
相同造渣料加入情況下的冶煉過程中的氧氮變化情況如圖 9 所示。
可以看到：A（Al 脫氧 Si 合金化）脫氧工藝下冶煉過程整體 T.O 含量明顯高于 B （Si 脫氧 Al 合金化方案）脫氧工藝下冶煉過程整體 T.O 10×10−6 左右；A（Al 脫氧 Si 合金化）冶煉過程和 B （Si 脫氧 Al 合金化方案）冶煉過程兩者整體 N 含量變化不大。
2. 4. 3 顯微夾雜物數(shù)量變化
對(duì)高硅鋼生產(chǎn)過程全流程顯微夾雜物進(jìn)行分析，其顯微夾雜物數(shù)量變化如圖 10 所示。相同造渣料加入情況下，改變脫氧合金順序，B 工藝下整體夾雜物數(shù)密度少于 A 工藝夾雜物數(shù)量 5 個(gè)/mm2 。
對(duì) A 工藝及 B 工藝下夾雜物數(shù)密度進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果如表 4 所示。
表 4 中，檢驗(yàn)水平 P 值大于 0.05，即缺乏兩種脫氧工藝下夾雜物數(shù)密度存在顯著差異的證據(jù)，這可能是由于數(shù)據(jù)較少而導(dǎo)致的。
3 結(jié)論與建議
（1）根據(jù)熱力學(xué)理論計(jì)算，采用鋁脫氧工藝時(shí)，為促進(jìn)夾雜物變性，使夾雜物更好得被精煉渣吸附，高硅鋼合理的精煉渣控制范圍：w（CaO）=52%~55%，w（SiO2）=15%~18%，w（Al2O3）= 25%~30%，w （MgO）=3%~5%，R=3~5。
（2）根據(jù)熱力學(xué)理論計(jì)算，采用硅脫氧工藝時(shí)，為促進(jìn)夾雜物變性，使夾雜物更好得被精煉渣吸附，高硅鋼合理的精煉渣控制范圍： w（CaO）=52%~55%，w（SiO2）=12%~17%，w（Al2O3）= 32%~38%，w （MgO）=3%~5%，R=3~4.5。
（3）在氧含量控制方面 Si脫氧 Al合金化工藝明顯優(yōu)于 Al 脫氧 Si 合金化工藝，其鑄坯中氧含量從15 ppm下降到 10 ppm，對(duì)全氧降低有比較好的效果。
（4）鑄坯中，Al 脫氧 Si 合金化工藝各類夾雜物整體數(shù)量高于 Si脫氧 Al合金化工藝。
本文研究了 CaO-SiO2-Al2O3-5%MgO 渣系及高硅鋼精煉過程中夾雜物吸附能力做出了熱力學(xué)分析，并用工業(yè)實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。但由于本人學(xué)識(shí)有限，對(duì)精煉渣特性沒有進(jìn)行很深入的研究，而且只對(duì)精煉渣吸附夾雜物做了淺顯的熱力學(xué)研究。現(xiàn)對(duì)今后可以開展的方向提出進(jìn)一步的建議：
（1）本文對(duì)精煉渣吸附夾雜物進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算，并得出精煉渣的合理控制范圍，但為了更好地研究精煉渣對(duì)夾雜物的吸附能力，從動(dòng)力學(xué)角度研究精煉渣對(duì)夾雜物的吸附是十分有必要的。
（2）本文只對(duì)精煉渣熔點(diǎn)及成分進(jìn)行了熱力學(xué)分析，后續(xù)應(yīng)考慮精煉渣的粘度以及渣鋼界面性質(zhì)對(duì)夾雜物吸附能力的影響。
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