电炉氧化法冶炼低硼含量车轮钢的技术探讨_李伟.pdf

电炉氧化法冶炼低硼含量车轮钢的技术探讨李伟，岳锦绵（山西太钢不锈钢股份有限公司，山西太原030003）摘要：有关热力学计算和实验结果表明，精炼过程不具备脱硼条件，电炉采用 w（Si）0.45%、w（B）810-6的铁水，以及低硼含量原辅料，按常规工艺能够生产 w（B）510-6的车轮钢。为更好地提升车轮钢质量，通过对电炉氧化法冶炼低硼含量车轮钢技术进行探讨，提出以高硅高硼铁水为原料的电炉氧化法冶炼低硼含量钢工艺，通过采取低拉碳脱硼、兑铁水配碳控制钢水终点氧化性等措施，可实现 w（B）310-6高品质洁净钢的生产。关键词：车轮钢；低硼；氧化法；洁净钢中图分类号：TF764文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0026-030引言快速发展的铁路运输业对车轮质量提出了日益苛刻的要求，尤其体现在车轮洁净度和组织性能均匀性方面。为确保钢材有害残余元素少、冲击韧性与断裂韧性稳定，高品质车轮钢要求 w（B）0.000 5%。通常情况下，氧化法是比较有效的去除杂质元素方法。电炉采用含硼铁水冶炼低氧钢时，同转炉比较，因其供氧强度差而无法形成高渣氧势，渣中的氧化硼易被还原进入钢水导致硼元素超标，这也是其生产超低氧洁净钢的瓶颈之一。本文以含硼铁水为原料，采用 CaO-SiO2-Al2O3渣系，用电炉氧化脱除的方法，着重分析去除杂质 B 所需要的热力学原理及影响因素，初步探讨电炉氧化法的技术措施。1硼在钢中的存在形式钢中存在的硼可用下式表示：B（全）=B（固溶）+BFe3（CB）+BFe23（CB）6+B（BN）+B（BOx），B（固溶）为固溶硼，B（BN）和 B（BOx）为氮化硼和氧化硼中的硼，亦称酸不溶硼。酸不溶硼的产生是由于炼钢时脱氧与固氮不足引起的，对钢的淬透性无益，又叫无效硼。BFe3（CB）铁硼渗碳体和 BFe23（CB）6铁硼酸化合物统称为硼相，B（固溶）、BFe3（CB）及 BFe23（CB）6中的硼为酸溶硼。通常用氧化法冶炼低硼钢，以脱除钢中有效硼；而不用氮化法除硼，以避免 BN 夹杂的危害。2除 B 的热力学原理2.1反应过程的研究从热力学原理来说，氧势图1中所描述的化学反应有两个特点，即直线位置越低，则氧化物 MXOY越稳定，或该氧化物越难还原；同一温度下，几种元素同时与O2相遇，则氧化顺序为氧势图位置越低的元素最先氧化。通过对脱氧反应 G0-T（G0单位为 J/mol）计算，可比较钢中主要脱氧元素在 1 5002 000 K 冶炼温度下的氧化行为，各主要元素氧化反应的自由焓变化如下：4/3B+2O=2/3（B2O3）（l），G0=-497 870+174.54T2，（1）Si+2O=（SiO2）（S），G0=-576 440+218.2T2，（2）2C+2O=2CO（g），G0=-44 400-76.68T2，（3）Mn+O=MnO，G0=-244 300+107.6T7，（4）2/3Al+O=1/3Al2O3，G0=-408 333+131.3T7，（5）2B+3（FeO）=（B2O3）（l）+3Fe，G0=-330086+92.1T3-4，（6）Si+2（FeO）=（SiO2）（S）+2FeG0=-298624+105.06T3-4，（7）3CaO（S）+（B2O3）（l）=3CaO B2O3（S），G0=-278 200+29.7T3，（8）2CaO（S）+（B2O3）（l）=2CaO B2O3（S），G0=-208800+17.15T3，（9）CaO（S）+（B2O3）（l）=CaO B2O3（S），G0=-149 400+30.96T3.（10）2.2脱除 B 元素的方法从热力学角度看，对于脱除非金属杂质 B 的方法有多种途径：1）元素选择性氧化脱硼：在氧势图1上可以看到，温度大于 1 620 以后，B2O3的位置略低于 SiO2，利用钢中溶解氧 O 可氧化去除含 Si 铁液中的 B 元素；2）渣金反应脱硼：“渣-金”之间也存在钢中 B 与渣中 FeO 的反应3-4；3）熔渣吸附同化脱硼：造渣过程存在一个液态硼氧化产物 B2O3与 CaO 的反应5，在渣中会迅速生成复合物 CaO B2O3、2CaO B2O3以及 3CaO B2O36，有利于B元素氧化反应的进行。但是，上述反应的直线斜率均为正，表明氧化物的稳定性随温度的升高而减小，低温更有利于提高硼的氧化率。由下页图 1 可以看出：1）B、Si 元素与钢中 O 反应的两条直线交点的温收稿日期：2022-12-07第一作者简介：李伟（1968），男，湖南长沙人，毕业于北京科技大学钢铁冶金专业，大专，高级工程师，现主要从事铁路车轮钢冶炼工艺研究及产品开发工作。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.010试（实）验研究2023 年第 5 期表 1钢水成分检验对比情况1-3渣中 CaO 与（B2O3）反应热力学计算图 1不同冶金温度下式（1）式（10）的计算结果度为 1 803 K（约 1 530），如图 1-1，这与氧势图数据偏差较大（本文以 1 620 时氧势图数据为试验依据）；2）B、C 元素与钢中 O 反应的两条直线交点的温度为 1 805 K（约 1 532 ），如图 1-1，这表明，温度高于 1 532 之后，难以通过钢中溶解O深度去除高C铁液中的微量 B 元素；3）B、Si 元素与渣中 FeO 的两条渣金氧化反应线交点的温度为 1 777 K（约 1 504），如图 1-2；当渣金界面温度大于该温度后，利用熔渣中高含量的 FeO可以去除含硅铁水中的B元素；4）CaO B2O3、2CaO B2O3、3CaO B2O3直线位置依次降低，如图 1-3 所示，这表明高渣碱度有利于脱硼。综上所述，脱硼热力学条件包括高渣氧势（即FeO 含量高）、高碱度以及适宜的温度。3低硼车轮钢生产实践工艺流程：电炉冶炼LF 精炼VD 真空处理连铸 390 mm 圆坯。3.1常规生产条件下的 B 含量控制情况试验目标：跟踪常规生产条件下，采用高硅高硼铁水与低硼低硅铁水冶炼车轮钢时，各工序钢中硼含量的变化情况，找出增硼环节；研究各工序控制脱硼能力与措施，实现低硼钢稳定化生产。3.1.1ER7 车轮钢首次试验采用高硅高硼铁水冶炼 ER7 车轮钢，选取同一炉各工序试样进行对比，钢水成分检验结果如表 1 所示。通过对比试验数据，发现钢中硼的主要来源为铁水（wB=1410-6），以及钢包渣线砖（w（B）=1 40010-6）与 K0628-4 硅铁（w（B）=21010-6），具体如表2、表 3所示。1-1钢中M-O反应热力学计算1-2B、Si、（FeO）“渣-金”反应热力学计算LF 精炼VD 脱气 中包浇注出钢样进工位样出工位样 出工位样 熔炼成品wC/%4.00.300.410.490.490.50wSi/%0.850.030.260.360.360.36wB/（10-6）1417899wAl/%0.01 0.0250.020.010.0090.8wO/（10-6）溶解氧：3全氧：8注：1.电炉出钢时（出钢量 80 t），采用包内合金化，粗钢水成分接近成品下限。2.各工序试样的硼元素均采用光谱分析法测量其全硼含量。铁水样铁水比（钢铁料中铁水占比）成分电炉冶炼表 2耐材与辅料的 w（B）表 3合金与渣料的 w（B）类别钢包覆盖剂中包涂抹料中包覆盖剂结晶器保护渣电炉渣线砖电炉熔池砖钢包包底砖钢包熔池砖钢包渣线砖钢包滑板电炉捣打料电炉喷补料w（B）/（10-6）26101340201050701 4002601010类别石灰合成渣高锰硅铁钒铁高铬钼铁硅铁（K0628-4）硅铁（K0628-6）低铝硅铁w（B）/10-6155010220101001021010080根据反应式（1），采用浓度积法计算，在钢中w（O）=15010-6条件下，1 600 以上的温度不利于“4/3B+2O=2/3（B2O3）（l）”脱硼反应的进行，相关计算结果如下页图 2 所示。计算结果表明，在 1 600 精炼条件下，因炉渣氧化性低和钢中 O 含量低，LF-VD 工序不具备脱除硼元素的热力学条件，其炉渣及原辅材料中的氧化硼易被还原进入钢水而导致硼元素超标。-100 000-200 000-300 000-400 000-500 000-600 000吉布斯自由能/（J mol-1）9001 9001 7001 5001 3001 1002 100温度/K4/3Al+2O=2/3Al2O3Si+2O=SiO2（S）4/3B+2O=2/3B2O32Mn+2O=2MnO2C+2O=2CO（g）-70 000-80 000-90 000-100 000-110 000-120 000-130 000-140 000-150 000-160 000-170 000-180 000-190 000-200 000吉布斯自由能/（J mol-1）9001 9001 7001 5001 3001 1002 100温度/KSi+2FeO=SiO2（S）+2Fe4/3B+2FeO=2/3B2O3（I）+3Fe-80 000-100 000-120 000-140 000-160 000-180 000-200 000-220 000-240 000-260 000吉布斯自由能/（J mol-1）9001 9001 7001 5001 3001 1002 100温度/K2CaO（S）+（B2O3）（I）=2CaO B2O3（S）3CaO（S）+（B2O3）（I）=3CaO B2O3（S）CaO（S）+（B2O3）（I）=CaO B2O3（S）李伟，岳锦绵：电炉氧化法冶炼低硼含量车轮钢的技术探讨27山西冶金E-mail:第 46 卷LF 精炼VD 脱气 中包浇注出钢样进工位样出工位样 出工位样 熔炼成品wC/%4.00.250.420.490.490.50wSi/%0.400.030.250.360.360.36wB/（10-6）812333wAl/%0.01 0.0280.020.0120.010.8wO/（10-6）溶解氧：2全氧：8铁水样铁水比（钢铁料中铁水占比）成分电炉冶炼图 2B2O3析出热力学计算3.1.2ER7 车轮钢二次试验采用低硅低硼铁水，并将渣线砖与 K0628-4 硅铁更换为低硼含量渣线砖（w（B）10010-6）和低铝硅铁（w（B）=8010-6），进行第 2 次试验 ER7 车轮钢，结果如表 4 所示。3.1.3批量化试验及分析按照试验 2 条件，采用低硅低硼铁水（wSi0.30%0.45%，wB810-6）以及低硼含量渣线包和低硼合金，试制 20 炉 ER7 钢，圆坯成品 w（B）均310-6、平均 w（B）为 2.510-6。对比两次试验数据发现，各类涉钢原辅材料的增w（B）210-6；钢中硼主要来源于铁水。电炉常规工艺生产低硼钢要点：采用低硅低硼铁水 wSi0.30%0.45%，wB810-6；采用低硼含量原辅材料，通过高碱度渣 R24.5 精炼控制钢包渣线砖侵蚀增硼量；电炉采用高渣氧势“软吹”（即渣中 FeO含量高）、高碱度以及适宜的温度（约 1 5401 600，而且低温有利于提高硼的氧化率）；同时大量排除氧化渣，及时造新渣，并保证一定强度的搅拌；电炉出钢时，采用留钢留渣操作（留钢量20 t）控制下渣量。3.2电炉氧化法冶炼低硼钢技术探讨本文对电炉提出了利用高硅（wSi0.85%）高硼铁水通过氧化法冶炼低硼钢新工艺，其工艺要点如下：1）工艺原则：遵循“先脱硅后脱碳 软吹 控制较低温度，钢渣乳化、高 FeO 含量深度脱硼后造新渣”技术路线。采用“兑铁水+调整供氧量”自动流渣操作，实现氧化期熔池均匀脱碳沸腾，最大限度降低钢中的杂质与气体含量，防止钢水过氧化；在此基础上，新增“低拉碳氧化法脱硼操作”，使钢水中微量 B 氧化进入渣中，再通