转炉炼钢的脱氧方式通常是在出钢过程中，根据脱氧能力由弱到强的顺序依次加入FeMn、FeSi、Al等进行脱氧(本研究称之为一步脱氧)。这种工艺存在两个不足：一是在高氧位下使用了相对较贵的FeMn、FeSi合金；二是由于铝的密度小、氧化性强，加入过程中在钢液表面燃烧，造成钢中的w(O)、w(Als)不稳定以及铝的浪费，影响铸坯质量，且当w(Als)大于0.003%时，可能因生成Al2O3夹杂而堵塞水口。本文研究了出钢时先加入CaC2+SiC质廉价脱氧剂0.8~20kg/t，再于合金微调站喂入10~200m铝线的脱氧工艺(本文称之为两步脱氧工艺)。在马钢第三炼钢厂的实践表明，该工艺可使Q235、SS400、H08A、ASTM1008、HRT3335等钢种w(O)稳定控制在(35~45)×10-6，钢中w(Als)在0.001%~0.003%，形成液态复合夹杂mMnO·nAl2O5·5SiO2，水口堵塞率同比降低94.85%，吨钢成本下降6.97元。
1 生产条件与检测方法
1.1 生产条件
(1)50t顶底复吹转炉；
(2)在线吹氩合金微调站，配备有双管喂线机；
(3)140mm×140mm小方坯连铸机，采用外装式浸入式水口＋保护渣的浇铸方式；异型坯连铸机，采用半浸入式水口＋保护渣的浇铸方式。
1.2 检测方法
(1)风动送样，瑞士ARL＋4460型光谱仪快速分析C、Si、Mn、Al；
(2)使用贺利士MULPI-AB-CELOX定氧仪测定钢水中氧的质量分数；
(3)扫描电镜观察夹杂物形态，能谱分析夹杂物组成。
2 试验结果分析与讨论
2.1 转炉终点氧的质量分数与脱氧
(1)马钢第三炼钢厂50t复吹转炉在生产Q235、SS400等低碳钢时，终点碳的质量分数一般在0.03%~0.08%，不使用底吹的条件下权的质量分数波动在( 400~1200)×10-6。在底吹条件下碳权浓度积比不用复吹可降低约0.0002，更接近0.0025的平衡值。定权结果表明，出钢后需要脱去钢中质量分数高达(350~1100)×10-6的氧。显然，无论是一步脱权还是两步脱氧，减少终点w(O)对提高钢的质量、降低成本都具有重要意义。
(2)不同脱权工艺条件下的合金收得率
众所周知，在刚开始出钢时温度和权位都相对高，此时加入廉价、脱氧能力相对较弱的材料是比较经济的。两步脱执工艺出钢时先加入复合脱执剂0.8~2.0kg/t，然后加入FeMn、FeSi，最后在合金微调站喂线加入铝，以满足钢种质量的要求。
复合脱执剂的脱执反应如式(1)、(2)。在出钢温度条件下，下列两个反应式的△G都为负值，表明CaC2 、SiC均有良好的脱执能力。
CaC2＋3[O]＝CaO＋2CO (1)
△G＝－75 300－37.51T
SiC＋3[O]＝SiO2＋CO (2)
△G＝－178430＋10.41T
两种脱氧工艺条件下的合金收得率比较如表1所示。
表1 两种脱氧工艺条件下合金的收得率
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项目 |
一步脱氧工艺 |
两步脱氧工艺 |
|
硅收得率/% |
80.0 |
88.7 |
|
锰收得率/% |
90.0 |
93.1 |
(3)钢中w(O)与钢水温度、钢中w(Si)的关系
在出钢不加铝的条件下，在合金微调站测得的钢中w(O)与钢水温度、w(Si)之间的关系如图1所示。图1的数据表明，两步脱氧工艺到合金微调站的w(O)主要与钢水温度以及钢中w(Si)有关，w(Si)越低，钢水温度越高，钢中的w(O)越高，并且波动范围越大；当w(Si)高时，w(O)主要受w(Si)的影响，温度的影响被减弱。
图1 钢中w(O)、w(Si)及温度的关系
一步脱氧工艺由于还要受到铝收得率的影响，钢水中w(O)波动范围大(表2)。当w(O)处于上限时，可能产生气泡废品；当w(O)处于下限时，在浇铸过程中可能发生水口堵塞。
两种脱氧方法钢水中w(O) 、w(Al)的比较如表2所示。
表2 两种脱氧工艺钢中w(O)和w(Als)的比较
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项目 |
一步脱氧工艺 |
两步脱氧工艺 |
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喂铝线前 |
喂铝线后 |
|
w(O)/10-6 |
32.1～89.0 |
57.7～95.2 |
34.6～44.3 |
|
w(Als)/% |
0.0010～0.0075 |
≤0.001 |
0.001～0.003 |
尽管铝有很强的脱氧能力，但在高氧位时，因其密度小，在出钢过程中加入易在钢水表面燃烧，利用率极低，加之其价格高，因此并不经济。在合金微调站采用喂线的方法在低氧位条件下加入，则脱氧效率高，脱氧量稳定，且喂入的铝量与脱氧量有良好的对应关系，可以较为准确地控制钢中w(O)。
马钢第二炼钢厂通常在合金微调站进行温度测定、成分调整后，依据钢中w(Si)、温度以及钢种决定铝线的喂入量，一般在10~200m/炉。铝线的喂入量与脱氧量的关系如图2所示。在低氧位下(小于60×l0-6)每米铝线平均可脱去氧的质量分数为1×l0-6，高氧位下(大于80×l0-6)可脱去氧的质量分数0.75×10-6，铝脱氧利用率在30%左右。对到站w(O)高、终点控制要求严格的钢种，如H08A、低硅、低碳的ASTM1008等，则需要采用分步喂铝、结使用定氧仪的方法，以达到准确控制钢中w(O)的目的。表2的数据表明，与一步脱氧工艺相比，两步脱氧工艺使钢中的w(O)降低了8.2×10-6，波动范围减小，并且钢中w(Als)稳定。
图2 喂线量与脱氧量的关系
(4)两种脱氧工艺对钢中w(N)的影响
出钢过程中的加铝量与钢水到达合金微调站时的w(N)的关系如图3所示。图3说明，随着加铝量的增加钢中w(N)增高。而采用在合金微调站喂线的方式增铝，则钢中w(N)几乎不变，故应用两步脱氧工艺可使低w(Al)的Q235、SS400等钢种的w(N)较之一步脱氧工艺平均降低(3~5)×10-6，对高w(Als)的钢种则可降低(20~30)×10-6。
图3 出钢过程加铝量与钢水到站w(N)的关系
2.2 两步脱氧工艺钢中夹杂组成
(1)为了保持钢的良好浇铸性能和夹杂物的可变形性，笔者希望生成低熔点的锰铝硅复合夹杂物。相图表明，根据钢中不同的w(Si)、w(Mn)控制合适的w(Al)，可获得低熔0的锰铝硅复合夹杂物。两步脱氧工艺在实际生产过程中，根据温度、成分建立的经验公式(某些钢种需结合使用定氧仪)测出到达合金微调站时钢中w(O)，据此喂入合适的铝线量。实测据表明低碳钢中w(O)可控制在(35~45)×10-6，相应的w(Al)可稳定在0.001%~0.003%(表2)，能够稳定地实现生成低熔点复合夹杂物的控制目标。
扫描电镜和能谱分析证明，经过这种工艺脱权的钢，夹杂物主要为MnO·Al2O5·5SiO2及2MnO·2Al2O3·5SiO2，在浇注温度下为液态。
(2)一步脱权钢中w(O)和w(Al)波动大。当w(Als)超过0.003%时，即会生成固态的Al2O3夹杂造成浇铸过程中的水口堵塞，而不是一般认为的w(Als)大于0.006%时才会有此结果。对于硅镇静钢而言，既保证良好的脱氧，又不发生水口堵塞的合适w(Als)应为0.001%~0.003%。而两步脱氧工艺形成锰铝硅复合夹杂物，在正常浇注温度下为液态，可使六流小方坯连铸机浇铸过程中水口堵塞的发生率显著下降。两种工艺条件下连铸水口堵塞率的比较如表3所示。
表3 两种脱氧工艺水口堵塞情况的比较
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脱氧方法 |
一步脱氧工艺 |
两步脱氧工艺 |
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水口堵塞率/% |
1.36 |
0.07 |
2.3 两步脱氧工艺对钢质量的影响
(1)采用两步脱氧工艺，可有效降低产品的夹杂物级别水平，产品的力学性能更为稳定。
(2)废品量实施两步脱氧工艺研究的过程中，其他铸机由于改造等原因己不具可比性，选取1号、4号流小方坯连铸机对比。结果表明，尽管高质量要求的品种在扩大，其综合废品量仍显著下降，由1998年(实施前)的1.54%降为2002年(实施后)的0.48%。
2.4 经济效益分析
(1)出钢时先加入复合脱氧剂0.8~2.0kg/t，以Q235、SS400为例可使w(Si)的回收率提高8%~10%，w(Mn)的回收率提高1%~3%，平均吨钢少加FeSi合金0.52kg，FeMn合金0.51kg，相应效益2.465万/t。
(2)根据转炉终点情况一步脱执工艺用铝量在8~30kg，两步脱执工艺喂铝线10~50m(H08A、ASTM1008除外)，用铝量平均减少300g/t，相应效益4.5元/t。
3 结 论
(1)出钢过程中首先使用廉价复合脱执材料CaC2＋ SiC，再于合金微调站使用铝线的两步脱执工艺，与出钢过程中依次加入FeMn、FeSi、Al的一步脱执工艺相比，可获直接经济效益12.19元/t。
(2)采用两步脱执工艺可使Q235、HRT3335、SS400等低碳钢种的w(O)平均降低8.2×10-6，并且能准确控制在10×10-6。
(3)采用两步脱氧工艺,可使钢中w(Al)稳定控制在0.001%~0.003%,在浇注温度下形成液态的复合夹杂。MnO·nAl2O3·5SiO2，使水口的堵塞率下降94.85%
(4)采用两步脱氧工艺，由于出钢过程中不使用铝脱氧，钢中w(N)可下降20%~60%。
(5)两步脱氧工艺在马钢第三炼钢厂几年的使用实践表明，可有效提高产品质量，降低综合废品量1.06%，钢材的力学性能更加稳定。
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