高速重軌鋼精煉過程中脫氧、夾雜物控制和脫氫的研究

高速重軌鋼精煉過程中脫氧、夾雜物控制和脫氫的研究

現(xiàn)代高速重鐵公司的開發(fā)對重鋼的質(zhì)量要求很高。例如，al2o3等脆弱混合是導致鋼架勞動裂紋的主要原因。在高速重軌中，需要0.0012%和0.014%。此外，重軌鋼對氫具有很強的敏感性。氫含量高導致的白色和裂縫致命于重軌鋼，而高速重軌要求重軌鋼（h）0.005%。因此，如何控制重軌鋼中的全氧含量、混合形式和氫含量是重軌鋼精煉技術(shù)的關(guān)鍵。為了將高速重軌鋼的精煉過程中的分離、污染和氫分離進行理論分析，結(jié)合工藝實踐，對高速重軌鋼的精煉過程中的脫氧、雜質(zhì)形式進行了控制和脫氫。本文在借鑒工藝實踐的基礎(chǔ)上，研究了高速重軌鋼的去除過程中的爐渣堿度和精煉時間等工藝參數(shù)。1高速重軌鋼精制的力學分析1.1元素的相互作用以U75V高速重軌鋼為例,主要化學成分(質(zhì)量分數(shù))為:C0.75%,Si0.60%,Mn0.9%,P0.01%,S0.01%,V0.06%.元素的相互作用系數(shù)取自文獻[6--7],根據(jù)公式lgfi=∑j∑jejiij[j]可計算出主要元素活度系數(shù)fi和活度ai,如表1.1.2元素活度的測定氧在不同階段受不同的脫氧元素控制.(1)轉(zhuǎn)爐出鋼后采用無鋁脫氧工藝,進入LF爐精煉時,主要是硅的脫氧反應(yīng):12[Si]+[O]=12SiO2(S),lga[O]=12[Si]+[Ο]=12SiΟ2(S),lga[Ο]=12lgaSiO2?12lga[Si]12lgaSiΟ2-12lga[Si]+6.28?15171.55T(1)+6.28-15171.55Τ(1)將表1中元素活度代入上式,在1550℃,若渣中SiO2的活度為0.5,則與鋼中Si平衡的氧活度為0.01%;若渣中SiO2的活度為0.01,則與鋼中Si平衡的氧活度僅為0.0004%.可見在LF精煉過程中調(diào)整爐渣成分,降低SiO2的活度可以大幅度提高硅的脫氧能力.對于Al2O3含量較低的精煉渣,提高爐渣堿度有利于降低SiO2的活度,有利于LF深脫氧.(2)對于高碳鋼來說,RH精煉過程中鋼中的溶解氧含量受碳控制,主要真空下的碳-氧反應(yīng).由于鋼中碳含量遠高于氧含量,真空條件下碳脫氧的速度主要受氧的擴散控制,隨著鋼中氧含量的降低,后期碳脫氧效果已不明顯.(3)RH出站后,常壓下碳幾乎沒有脫氧能力,此時與[Si]、[C]平衡的溶解氧很高,鋼液一旦與空氣接觸,溶解氧很容易提高,所以重軌鋼澆鑄過程中防止鋼水二次氧化尤為重要.1.3u65v重軌鋼氧活度的表征轉(zhuǎn)爐出鋼加入Si、Mn合金后,夾雜物和鋼液的環(huán)境是MnO--SiO2--Al2O3體系,當鋼水進入LF后造精煉渣,鋼液、夾雜物和渣的平衡體系發(fā)生變化,由于爐渣中Ca含量的增加使大量MnO被還原,從而使爐渣轉(zhuǎn)變?yōu)镃aO--SiO2--Al2O3體系.在CaO--SiO2--Al2O3三元系中,當鋼中鈣和鋁含量很低時,可能析出的脫氧產(chǎn)物為剛玉(Al2O3)、鱗英石(SiO2)、莫來石(3Al2O3·2SiO2)、鈣斜長石(CaO·Al2O3·2SiO2)、鈣鋁黃長石(2CaO·Al2O3·SiO2)和假硅灰石(CaO·SiO2)等.脫氧反應(yīng)如下:CaO(S)+SiO2(S)=CaO·SiO2(S),ΔG○—=-81416-10.498T(2)CaO(S)+Al2O3(S)+2SiO2(S)=CaO·Al2O3·2SiO2(S),ΔG○—=-76912-33.02T(3)2CaO(S)+Al2O3(S)+SiO2(S)=2CaO·Al2O3·SiO2(S),ΔG○—=-116204-38.87T(4)根據(jù)方程ΔG○—=-RTlnK,假定反應(yīng)產(chǎn)物的活度均為1,將表1中U75V重軌鋼的活度代入式(2)、式(3)和式(4)可得1550℃氧活度與鈣和鋁活度的關(guān)系,如圖1和圖2.圖1和圖2表明,對于重軌鋼成分和爐渣堿度,要生成CaO·Al2O3·2SiO2,要求鋼中Ca、Al含量極低,可控范圍很小,重軌鋼夾雜物的控制目標為2CaO·Al2O3·SiO2.如圖2所示,若鋼中Al含量一定時,當鋼中鈣含量較高時,可能生成CaO·SiO2,當鋼中鈣含量較低時,能控制生成塑性的2CaO·Al2O3·SiO2.因此,在重軌鋼冶煉過程中,應(yīng)盡量控制鋼中的Ca、Al含量.1.4鋼中氫含量的影響氫在鋼中的溶解反應(yīng)式為:12H2→[H],lgKH=?1670T?1.68(5)12Η2→[Η],lgΚΗ=-1670Τ-1.68(5)在小于105Pa壓力范圍內(nèi),氫在鋼液中的溶解符合平方根定理,可得:[H]=KHP1/2H2Η21/2(6)式中,KH是氫在鋼液中溶解的平衡常數(shù),PH2是氣相中氫的分壓.根據(jù)式(5)和(6)可計算出1600℃時氣相中氫的分壓對鋼中氫含量的影響,如圖3.圖3表明,從熱力學角度,氣相中氫的分壓越低,鋼中氫含量就越低.精煉重軌鋼時,理論上氣相中氫的分壓小于300Pa時,就能將鋼中氫含量降低到1.5×10-6以下.實際RH精煉真空度為67Pa時,理論上能將鋼中氫含量降至0.7×10-6左右,但在實際的生產(chǎn)過程中脫氫效果還受到動力學條件的限制.2真空脫氫處理.重軌鋼的深脫氧、脫氫和夾雜物控制很大程度上取決于RH精煉.精煉渣堿度和精煉時間是重軌鋼RH精煉的重要工藝參數(shù).為考察精煉渣堿度和精煉時間對重軌鋼的深脫氧、脫氫和夾雜物控制的影響,對連續(xù)四爐鋼進行了不同爐渣堿度(爐渣堿度用R表示)和精煉時間對脫氧和脫氫的影響試驗,主要結(jié)果如圖4和圖5.圖4表明,鋼中全氧含量在前16min是逐漸下降的,但16min后下降趨勢已不明顯,個別爐次氧含量反而升高.圖5表明在極限真空度下,處理前期脫氫速率最高,隨真空處理時間的延長,脫氫速率呈降低趨勢,鋼液中的氫逐漸下降,真空處理時間對脫氫影響最大,在極限真空度下保持10min,即可滿足氫小于1.5×10-6的要求.當處理時間在15min以上時,鋼液中的氫含量已處于極低水平,脫氫速率降低,鋼液中的氫趨于穩(wěn)定.即真空處理一定時間后,再單純靠增加處理時間對于脫氫意義不大.在堿度高的試樣中利用電子探針對夾雜物進行觀察,如圖6所示,在生成的CaO--SiO2--Al2O3系夾雜物中存在有單獨析出的MgO·Al2O3鎂鋁尖晶石和Al2O3的組成.可見高堿度對夾雜物塑性化不利.綜合上述分析:從脫氧的角度考慮,在LF精煉時要求爐渣有較高堿度,RH精煉時有較高真空度,精煉時間在15min以上;從脫氫的角度考慮,RH精煉要保證15min以上的精煉時間;而從夾雜物控制的角度考慮,要求爐渣有較低堿度.為了保持LF精煉時Si的脫氧效果的同時控制夾雜物的塑性化,同時又要保證脫氫效果,建議高速重軌鋼的精煉可以在LF精煉時采用較高堿度(2.5～3.0)爐渣利于脫氧,在RH精煉時控制較低的爐渣堿度(2.0左右),同時控制RH精煉時間在15min,有利于控制夾雜物的形態(tài).此外,連鑄過程保護澆注和中間包去夾雜是最終控制全氧含量和夾雜物形態(tài)的關(guān)鍵.3爐渣堿度對高速重軌鋼lf精制(1)理論分析表明,爐渣堿度高有利于重軌鋼在LF精煉時脫氧,欲控制重軌鋼中生成2CaO·Al2O3·SiO2,應(yīng)盡量控制鋼中的Ca和Al含量.(2)工藝實踐表明,高速重軌鋼在RH精煉時全氧含量和氫含量在15min左右