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硅钡合金在炼钢脱氧中的应用研究 王 进 孙 维 (马鞍山钢铁股份有限公司) 摘 要 从理论上对Ba、Al、Ca等3种元素的脱氧和脱硫能力进行了分析对比,并在生产实践中对 Si-Al-Fe、Si-Ba、Si-Ca、Al、Si-Ca等5种合金进行了对比试验,通过对试验结果的分析,发现Si -Ba合金具有较强的脱氧能力和使夹杂物变质的能力,同时,还能脱硫。用Si-Ba合金处理的钢材,其 冲击韧性得到了明显改善。 关键词 硅钡合金 脱氧 改善钢质 StudyonApplicationofSi- BaAlloysforDeoxidizinginSteelmaking WangJinSunWei (MaAnshanIron板坯连铸钢水采用铝脱 氧,夹杂物去除困难,常常引起大包水口堵死。为 解决上述问题,马钢三钢厂进行了采用Si-Ba合 金代替上述二种脱氧剂试验,研究Si-Ba合金脱 氧的可行性,寻找合理的工艺参数及弄清其冶金 效果。 2 试验条件及方案 钢水冶炼是在50 t氧气顶吹转炉上进行的, 每炉出钢65t左右,钢水经吹氩站吹氩搅拌后再 行浇注,浇注方式及钢种分别为:模注Q235,小方 坯20MnSi,板坯Q235。 试验中所用的主要合金及其成份如表2所 示。 表2 试验中所用合金及其成份(w)% 合金Si-BaSi-BaSi-CaSi-Al-FeAlSi-Fe Ba1328 Ca2228 Al332.45099.7 Si6248602074 试验中脱氧剂Si-Ba的加入量参照文献 3 数据而制定。由于各种脱氧剂含Si量不同,所以 在改变脱氧剂种类与用量时,合金化配入的Si- Fe量也作了相应的调整。表3为各种脱氧剂试 验的加入方案。所用的Si-Ba合金分为两种,其 中Si-Ba 中含钡量较高,只用在小方坯20MnSi 上。 表3 脱氧剂及Si-Fe的加入方案kgt -1 方案 模注Q235连铸Q235连铸20MnSi 脱氧剂Si-Fe脱氧剂Si-Fe脱氧剂Si-Fe 空白对比(一)Si-Al-Fe0.53.7 Al0 .6 Si-Ca2.0 3.7 Al0 .1 Si-Ca2.0 6.0 加Si-Ba(二) (三) Si-Ba2.5 Si-Ba1.5 2.1 2.5 Si-Ba2.52.2Si-Ba2.0 Si-Ba2.0 6.0 6.0 3 试验结果及讨论 3.1 脱 氧 表4为模注3种试验方案下的脱氧结果。由 于3种方案中Si-Fe的配加量不同,且Si也部分 参与了脱氧,为便于讨论,表中列出了Si的配入 及收得情况。 表4 模注Q235试验方案的脱氧效果 方案 炉数 氩后氧 10 -6 折合加 Bagt -1 折合配 Sigt -1 成品含 Sigt -1 损耗 Sigt -1 Si收得率 % (一)空白对比271加Al3353 2582 2501 008 733 (二) Si-Ba2.54582003 8902 2751 61561.5 (三) Si-Ba1.56522803 2232 33389073 3 注:此数据为14炉平均数据 83王 进等:硅钡合金在炼钢脱氧中的应用研究 由表4中数据可见,3种方案的脱氧效果,均 能达到模注镇静钢的要求。据氩后O表明,方 案(二)、(三)加Si-Ba合金的脱氧效果,优于方 案(一)加Si-Al-Fe合金。 实际计算表明,脱氧剂的实际加入量为:方案 (一)中加Si-Al-Fe吨钢为0.67kg;方案(二)中 加Si-Ba 吨钢1.5kg;方案(三)中加Si-Ba 吨钢为2.15kg。 从表4中还可见,在方案(二)中,折合加入 Ba为200gt,Si的收得率为61.5%,明显低于配 加Al为335gt的方案(一 ) , 其收得率为73%;在 折合加Ba为280gt的方案(三)中,其Si的收得 率与方案(一)相当。 脱氧合金化过程中,Si的损失主要是用来脱 氧,从Si的收得率也可以反映出主脱氧元素的脱 氧能力。由以上分析可知,要达到或超过加Si- Al-Fe0.67kgt的脱氧效果,且具有相当的Si收 得率,则Si-Ba 的加入量应为2.1kgt左右,即 Si-Al-Fe与Si-Ba 的互换关系为1份Si-Al -Fe相当于3份Si-Ba。 三钢厂在模注Q235镇静钢中规定,Si-Al- Fe加入量为0.5kgt,此时,则可以确定相应Si- Ba 加入量为1.5kgt。试验结果表明,在试验 中Si-Ba 加1.5kgt,其成品Si及氩后氧均能 满足要求。因此,可以认为,方案(一)中的回收率 高,是由于加入的Si-Al-Fe量超过了规定标 准。 由Ba、Al的原子量和其脱氧产物的分子式 BaO、Al2O3可知,接化学计量计算,54gAl的脱氧 量,应相当于411gBa的脱氧量,即AlBa=1 7.6。而根据试验结果,335g铝的脱氧仅相当于 280gBa的脱氧,即AlBa=10.84。假设Ba的利 用率为100%,而铝的利用率仅有11%。由此可 见,采用Si-Al-Fe脱氧,Al的利用率很低,相比 之下,用Si-Ba合金脱氧,Ba的脱氧效率则高得 多。 表5为连铸钢水的脱氧情况。从表5中可 见,按方案中的加入量,其氩后氧均能满足连铸工 艺的要求。现场观察表明 , (1) 采用Si-Ba合金 脱氧,钢水的流动性得到改善,且有效地解决了小 方坯钢水用Si-Ba合金脱氧引起的粉尘问题; (2)采用Si-Ba合金脱氧,基本消除了大包水口 结瘤堵死的问题。 表5 连铸钢水采用Si-Ba脱氧情况 种类方案 炉数 炉 去除氧(w) 10 -6 氩后氧(w) 10 -6 折合加 Bagt -1 方坯(二) Si-Ba2.0kgt3127058476 板坯(三) Si-Ba2.5kgt470147328 综合表4、 表5中数据可以明显看出,采用Si -Ba合金取代Si-Al-Fe、Al脱氧时,脱氧效率 大大提高,模注钢水氩后钢中氧(质量分数)可降 低1310 -6 1910 -6 ,连铸钢水氩后钢中氧(质 量分数)可降低1310 -6 2410 -6 。 3.2 脱 硫 表6为模注钢水采用Si-Al-Fe、Si-Ba脱 氧,终点硫含量与熔炼成份含量的变化。由表6 可见,采用Si-Al-Fe脱氧,w( S) 为0.0057%; 而采用Si-Ba脱氧后,w( S) 为0.0113%,从前 面的热力学分析可见,Ba具有很强的脱氧能力, 采用Si-Ba合金脱氧能同时脱硫。随时配加Ba 量的增加,S增大。 表6 脱氧前后钢中S的变化(w)% 脱氧方案炉数 炉终点S成品SS (一) Si-Al-Fe130.02600.02030.0057 (二) Si-Ba1.5kgt40.02620.01700.0092 (三) Si-Ba2.0kgt60.03010.01880.0113 注:均为模注Q235 将Si-Ba脱氧的S减去Si-Fe脱氧的S, 此值可以看作Ba的脱氧量。这样可以得到Si- Ba 加2.0kgt的脱硫率可达: (0.0113-0.0057)0.0301100%=19% Si-Ba 加1.5kgt的脱硫率可达: (0.0113-0.0057)0.0262100%=13% 由此可见,Si-Ba合金在脱氧的同时,还能脱 932000年第4期 炼 钢 硫,Si-Ba 加2.0kgt时,脱硫率可达19%。 3.3 对组织的影响 对各种脱氧情况下的成品铸坯组织进行了金 相检验,并对夹杂进行了评级 (YB 25 77) 其结 果如表7所示。由表中数据可见,采用Si-Ba取 代Si-Al-Fe脱氧,对成品的组织及晶粒度均无 明显影响。通过对金相组织的检验发现,在没有 加Al脱氧时,即不存在AlN细化晶粒作业时,未 出现晶粒长大的危险。经分析表明:Ba的原子半 径为2.25,它大于 Fe( -Fe ) 的原子半径(1.28 ) , 所以Ba在铁素体相中是一表面活性元素,易被选 择吸附在晶粒表面,从而阻碍了晶粒的长大。也 就是说,钢基体中的残余Ba与酸溶铝一样,能起 到细化晶粒的作用。采用Si-Ba而不用含铝脱 氧剂不会引起晶粒长大。 表7Si-Ba合金脱氧对成品铸坯组织的影响 方案 模注Q235连铸20MnSi 空白加Si-Ba空白加Si-Ba 夹杂物氧化物0.52.53.00.5 硫化物1.01.01.51.5 晶粒度887.587.5 组织均为铁素体+珠光体 铸坯的低倍检验结果表明,采用Si-Ba合金 取代原用脱氧剂,对其低倍组织无不良影响。 3.4 对夹杂物的影响 由表7的夹杂物评级情况可见,模注采用Si -Ba合金代替Si-Al-Fe脱氧,氧化物有明显的 长大趋势;小方坯连铸中,氧化物夹杂尺寸减小。 这一现象可以解释为:加入Si-Ba脱氧,BaO易 与SiO2等结合,迅速长大。由于模注钢水吹氩时 间短,甚至不吹氩,夹杂物集聚的动力学条件差, 上浮时间也不充分。相比之下,小方坯连铸钢水 的吹氩时间要长的多,夹杂物可以充分长大上浮。 从表8中夹杂物含量的降低程度也证实了这一 点。 从表9中可见小方坯加Si-Ba的夹杂物比 Si-Ca脱氧总夹杂减少0.0113%;而模注的减少 量相对要少得多,仅仅为0.0048%。 由以上分析及表9的电解夹杂分析结果表 明:采用Si-Ba合金代替原用的Si-Al-Fe、Al 等来脱氧,有利于夹杂物的长大和去除,从而起到 净化钢水的作用。但这一作用要有吹氩工艺的有 效配合才能取得实效。 表8Si-Ba脱氧对钢中总夹杂的影响 种类脱氧剂方案总夹杂% 模注Q235锭 连铸Q235板坯 连铸20MnSi小方坯 空白0.0092 1.5kgtSi-Ba0.0089 2.0kgtSi-Ba0.0044 空白0.0147 2.5kgtSi-Ba0.0090 空白0.0247 2.5kgtSi-Ba0.0134 表9为成品的总夹杂及其成份。从表9中可 见,模注采用Si-Al-Fe脱氧,夹杂以Al2O3为 主;改用Si-Ba脱氧后,夹杂变为以SiO2为主;连 铸板坯中,采用Al及Si-Ba脱氧,夹杂的成份相 似。从这一事实可见: (1)由于板坯钢水具有较长的吹氩时间,使得 吹氩前后夹杂组成发生很大变化,吹氩极其有利 于Al2O3夹杂的去除; (2)加Si-Ba脱氧更有利于SiO2夹杂的去 除,也不排除对Al2O3夹杂去除的促进作用。 表9 成品中的电解总夹杂及其组成(w)% 种类脱氧剂方案总夹杂SiO2Fe2O3Al2O3MnO2CaOMgO 模注锭Si-Al-Fe0.0092270.88612.70.83痕 Si-Ba0.0044750.944.05.50.95痕 连铸板坯Al0.0147671.1165.93.70.59 Si-Ba0.0090651.713123.00.91 连铸小方坯Si-Ca0.0247581.1痕380.910.91 Si-Ba0.0134562.3痕350.890.91 04王 进等:硅钡合金在炼钢脱氧中的应用研究 经分析可以认为,由于Al2O3是两性氧化物, SiO2则是酸性氧化物,作为碱性氧化物BaO则优 先与SiO2聚合,所以用含Ba合金脱氧更利于 SiO2夹杂的长大和去除。 通过对模注Q235锭轧制成的线材进行金相 夹杂检验发现,采用Si-Ba脱氧,氧化物夹杂主 要为一些不随轧制变形的石英相;而采用Si-Al -Fe脱氧,组织中的石英相夹杂要少得多,同时 发现了脆性Al2O3夹杂相,它随轧制方向破碎成 珠状。这与表9中夹杂的化验结果相吻合。 3.5 对力学性能的影响 表10、11、12为采用Si-Ba代替原用脱氧剂 对力学性能的影响。由表可见,用Si-Ba代替Si -Al-Fe、Si-Ca,对力学性能无不良影响,而加 Si-Ba的板坯连铸钢水的原用Al脱氧剂则大大 地提高了中板的-20 低温冲击韧性,这一结果 与已报道的结果相吻合。 表10Si-Ba脱氧对模注锭轧制线材的性能影响 脱氧剂 炉数 炉 力学性能(平均) sNmm-2bNmm-2 % Si-A