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中頻熔煉爐出爐前鋼液還原期的過(guò)程控制
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中頻熔煉爐出爐前鋼液還原期的過(guò)程控制
1．主要任務(wù)有：
（1）脫氧。使鋼液中深解的氧含量下降到0.002%～0.003%的水平，同時(shí)要減少脫氧產(chǎn)物對(duì)鋼液的玷污程度。
（2）脫S。保證成品鋼的S量小于規(guī)格要求。
（3）控制化學(xué)成分。
（4）調(diào)整溫度。確保熔煉正常進(jìn)行并有良好的澆鑄溫度。
2.脫氧
爐料溶清后至還原期，鋼液氧化性較強(qiáng)。無(wú)論是生產(chǎn)鋼錠還是鑄造件，鋼中氧含量高對(duì)鋼的加工性能及產(chǎn)品質(zhì)量都極為有害。危害歸納如下：
（1）易引起鋼錠的冒漲，皮下氣泡和疏松等冶金缺陷；
（2）鋼液含氧高，澆鑄時(shí)隨溫度下降析出的氧，與鋼中硅、錳、鋁等元素作用，生成的氧化物來(lái)不及浮出，造成鋼中非金屬夾雜物增多；
（3）氧降低S在鋼中的溶解度，加劇S的有害作用。鋼中FeS和FeO形成低熔點(diǎn)的共晶體（熔點(diǎn)940℃）分布于晶界，當(dāng)鋼熱加工時(shí)，低熔點(diǎn)的共晶體于940℃時(shí)熔化使鋼村在鍛造或軋制時(shí)開裂。
（4）鋼中含氧量高，使鋼的綜合性能變壞。
為了限制或避免“氧”的種種有害影響，就必須**限度地脫氧，并將脫氧產(chǎn)物排出鋼液，通常采用的方法有沉淀脫氧和擴(kuò)散脫氧。
3.沉淀脫氧
沉淀脫氧是將脫氧元素（即脫氧劑）直接加入鋼液中與氧化合，過(guò)成穩(wěn)定的氧化物，并和鋼液分離，上浮進(jìn)入爐渣，以達(dá)到降低鋼中氧含量的目的，又稱直接脫氧。
沉淀脫氧一般選擇脫氧能力強(qiáng)，而且生成的脫氧產(chǎn)物也容易排出鋼液的元素作為脫氧劑。各元素脫氧能力由強(qiáng)到弱的排序如下：
?。襡、Ｚr、Ｃa、Ｍg、Al、Ｔi、Ｂ、Ｓi、Ｃ、Ｐ、Ｎb、Ｖ、Ｍn、Ｃr、（Ｆe、Ｗ、Ｎi、Ｃu）,氧化順序在Ｆe以后的元素，如Ｎi、Ｃu等與ＦeＯ不起反應(yīng)，因此Ｎi、Ｃu等不能作脫氧劑，亦不能被氧化去除。
相關(guān)數(shù)據(jù)證明，元素的脫氧能力（除Ｍn外）是隨著鋼液中該元素含量的增加而降低的，而且某些元素達(dá)到一定含量后反而使鋼液中氧含量升高，所以不是說(shuō)脫氧劑加入愈多鋼中溶解的氧就愈少，它是有一個(gè)限度的。而Ｍg雖然有強(qiáng)的脫碳能力，但由于Ｍg在鋼液中的溶解度非常小，不可能使鋼與Ｍg之間發(fā)生分子交換，所以就不可能用純Ｍg使鋼液脫氧。
Mn作為脫氧劑雖然脫氧能力低，但在鋼的脫氧過(guò)程中卻是必不可少的。它的特點(diǎn)是隨著鋼液中Ｍn含量的升高其脫氧能力增加，而且在鋼液中存在著幾種脫氧元素時(shí)將影響其它元素的脫氧能力。如Ｍn提高Ｓi和Ａl的脫氧能力，當(dāng)含Ｍn0.5％時(shí)使Ｓi的脫氧能力提高30%～50%，使Ａl的脫碳能力提高1～2倍。當(dāng)Ｍn％＝0.66%、Si%=0.17%時(shí)，使Al的脫氧能力提高5～10倍。
煉鋼中常用的脫氧劑，有單一的脫氧劑（如Al、Ｓi、Ｍn等，其中Ｓi、Ｍn以鐵合金狀態(tài)加入）和復(fù)合脫氧劑（如Ｍn-Ｓi、Ｃa-Ｓi等）。脫氧產(chǎn)物在鋼液中上浮的速度主要取決于產(chǎn)物的性質(zhì)及顆粒的大小。顆粒越大越易上浮。形成大顆粒夾雜物有兩大途經(jīng)：（１）形成低熔點(diǎn)的，在煉鋼溫度下是液態(tài)的脫氧產(chǎn)物。因?yàn)橐簯B(tài)的脫氧產(chǎn)物容易凝聚成大顆粒迅速上浮。使用單一的脫氧劑在煉鋼溫度下，它的產(chǎn)物大部分為固體粒子，不易聚合上浮。所以必須同時(shí)使用幾種脫氧劑或用復(fù)合脫氧劑，使生成物為低熔點(diǎn)的化合物。
（２）形成與鋼液間界面張力大的脫氧產(chǎn)物，也易于在鋼液中粘結(jié)聚合為大的“云絮”狀顆粒集團(tuán)快速浮出鋼液。一般脫氧元素生成的脫氧產(chǎn)物同鋼液間的界面張力都遠(yuǎn)大于其產(chǎn)物之間的界面張力，但以ＡL較為突出。用強(qiáng)脫氧劑ＡＬ脫氧，生成高熔點(diǎn)的細(xì)小的Ａl2Ｏ３夾雜物。而Ａl2Ｏ３與純鐵液間的界面張力高達(dá)2Ｎ／Ｍ，在鋼液中受到排斥而迅速聚合在一起，呈大簇“云絮”狀的Ａl2Ｏ３ 顆粒集團(tuán)能快速浮出鋼液。
沉淀脫氧優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，反應(yīng)迅速，生產(chǎn)效率高而成本低；缺點(diǎn)：總有一部分脫氧產(chǎn)物殘留在鋼液中，影響鋼的純潔度。
沉淀脫氧主要是預(yù)脫氧和終脫氧。預(yù)脫氧在氧化末期或稀薄渣形成時(shí)進(jìn)行，多用AL，也有加Ｆe-Ｍn、Ｆe-Ｍn-Ｓi或用Ｃa-Ｓi塊。終脫氧是用強(qiáng)脫氧元素加入鋼液，使鋼液中氧量再進(jìn)一步降低。出鋼前用強(qiáng)脫氧劑終脫氧，除脫氧外還能細(xì)化晶粒，以改善鋼材的性能。如用ＡＬ終脫氧，使鋼中含有0.02％～0.03％殘ＡＬ，就能細(xì)化晶粒，提高鋼的性能；用Ｓi-Ｃa合金終脫氧能減少Ａl2Ｏ３ 鏈狀?yuàn)A雜，減少鋼的縱向與橫向性能差別，還能增加鋼液流動(dòng)性，改善鋼錠表面質(zhì)量。
若采用AL塊進(jìn)行沉淀脫氧，則預(yù)脫氧及終脫氧按1.0kg/t～1.5kg/t加，若采用Ｓi-Ｃa塊，可按約0.5kg/t加。
4.中頻爐擴(kuò)散脫氧
原理是依據(jù)溶質(zhì)在兩種互不相溶的溶劑中溶解度的分配定律。在鋼液表面，設(shè)法降低渣中FeO含量，使其低于與鋼液相平衡的氧量，則鋼液中的氧必然要轉(zhuǎn)移到爐渣中，從而使鋼中含氧量降低。因此往渣面上撒加與氧結(jié)合力強(qiáng)的粉狀脫氧劑，如碳粉、硅鐵粉、AL粉、Ｓi-Ｃa粉等，使與渣中FeO發(fā)生反應(yīng)，使渣中FeO大幅降低，這就破壞了氧在渣鋼之間的濃度分配關(guān)系，鋼液中的氧就會(huì)不斷地向渣擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，力圖達(dá)到新的平衡。
用碳粉擴(kuò)散脫氧，其脫氧產(chǎn)物是ＣＯ氣體，不會(huì)玷污鋼液，同時(shí)能使表面具有還原氣氛。但用碳粉還原由于固態(tài)碳粉與渣中（ＦeＯ）的反應(yīng)不完全，且速度較慢，只能將鋼液脫氧到一定程度，所以生產(chǎn)中還必須用硅鐵粉或其他強(qiáng)脫氧劑進(jìn)一步擴(kuò)散脫氧。然而由于硅鐵粉密度介于渣鋼之間，部分硅鐵粉起到沉淀脫氧作用，（ＳiＯ２）還有可能玷污鋼液，所以用硅鐵粉還原前要盡可能先用碳粉還原。同時(shí)為了保持還原性氣氛，也需要分批量地向渣面加入碳粉。
５.綜合脫氧
綜合脫氧是在還原過(guò)程中交替使用沉淀和擴(kuò)散脫氧。中頻熔煉的脫氧制度為：還原期開始用沉淀脫氧，加入錳鐵，或ＡＬ塊等，稱為預(yù)脫氧；薄渣形成后，用粉狀脫氧劑如碳粉、硅鐵粉擴(kuò)散脫氧；出鋼前再用強(qiáng)脫氧劑ＡＬ塊、硅鈣等沉淀脫氧，稱為終脫氧。
６.脫硫
（1）影響脫S的因素
①還原渣堿度：渣中CaO是脫S的首要條件，在酸性渣中CaO全部被ＳiＯ２ 所結(jié)合而無(wú)脫S的能力，所以脫S要在堿性渣條件下才能進(jìn)行。R=2.5～3.0時(shí)脫S效果**。
②渣中FeO含量：在還原其中，（ＦeＯ）隨著擴(kuò)散脫氧的進(jìn)行而逐漸降低，隨著（ＦeＯ）降低脫S反應(yīng)順利進(jìn)行。因此在還原氣氛下爐渣只要保持較高的堿度，脫S效果就越好。
③渣中CaF2 和MgO
渣中加入CaF2 能改還原渣的流動(dòng)性，提高S的擴(kuò)散能力有利于脫S。同時(shí)CaF2 能與S形成易揮發(fā)物，有直接脫S作用，且不影響堿度。然考慮到對(duì)爐襯的侵蝕作用，CaF2 用量不宜過(guò)多。
MgO是堿性氧化物，渣中MgO過(guò)多會(huì)使?fàn)t渣流動(dòng)性變壞，影響S的擴(kuò)散能力，并給脫氧等帶來(lái)許多困難，因而不希望爐渣中MgO過(guò)多。
④渣量
適當(dāng)加入渣量可以稀釋渣中CaS濃度，對(duì)脫S有明顯效果。實(shí)際操作中可控制渣量在鋼水量的約3%，，若渣量過(guò)多可扒部分渣。
⑤溫度
在煉鋼溫度范圍內(nèi)（1500～1650℃）,溫度對(duì)脫硫的平衡狀態(tài)影響不大。但鋼渣間的脫硫反應(yīng)狀態(tài)遠(yuǎn)離平衡，脫硫的限制性環(huán)節(jié)是Ｓ的擴(kuò)散速度小，提高熔池溫度改善了鋼渣的流動(dòng)性，提高Ｓ的擴(kuò)散能力，從而加速了脫Ｓ過(guò)程。
（２）還原期脫Ｓ應(yīng)注意：
?、俦≡恍纬删图尤胱銐虻拿撗鮿?，迅速造好流動(dòng)性良好的白渣。整個(gè)還原期白渣要穩(wěn)定，（ＦeＯ）≤0.5%；
②保持鋼液和爐渣的高溫，多攪拌，為S在鋼渣界面間擴(kuò)散創(chuàng)造良好條件；
③適當(dāng)運(yùn)用合金元素對(duì)脫S的有利作用。如將C、Mn、Si等元素在還原初期合金化中本加到規(guī)格下限或接近下限。
④還原期[S]較高的情況下，可適增加渣量，也可扒除部分還原渣，補(bǔ)加一批渣料再造渣。
7.還原期的爐渣
（1）白渣是煉鋼中常造的一種堿性渣，具有良好的脫氧和脫S的能力。白渣的堿度高（3左右），氧化鈣在60%左右。造白渣的方法是在稀薄渣形成后，向爐中加電石、碳粉、硅鐵粉等，還原爐渣中的氧化鐵和氧化錳等氧化物。隨著渣中氧化物減少，爐渣就逐漸變白。白渣極易與鋼水分離而上浮，較少玷污鋼水，所以通常規(guī)定必須要要白渣下出鋼。
（2）爐渣的流動(dòng)性是影響鋼間物化反應(yīng)的重要因素。流動(dòng)性良好的爐渣能活躍物化反應(yīng)，爐渣過(guò)稀過(guò)稠都會(huì)降低脫氧脫硫速度，也會(huì)增加鋼中氣體。
（3）渣量
在一定限度內(nèi)使渣量增大時(shí)，（ＦeＯ）和（ＣaS）的濃度相應(yīng)降低，從而有利于鋼液的脫氧和脫硫。渣量大，白渣也比較穩(wěn)定，不易變黃，能保證爐渣的脫氧能力。另外增大渣量時(shí)，出鋼后相應(yīng)地在鋼包內(nèi)具有較厚渣層，有利于鋼液保溫。但渣量過(guò)大，渣層過(guò)厚，會(huì)使熔池的物化反應(yīng)不活躍，并使鋼液熔池加熱困難，增加電耗及浪費(fèi)造渣材料，同時(shí)加劇對(duì)爐襯的侵蝕還原渣量一般控制在３％～５％大容量爐可取下限，小容量爐及對(duì)夾雜和發(fā)紋有嚴(yán)格要不熟的鋼種取上限，熔煉貴重合金元素的鋼種時(shí)，可適當(dāng)減少渣量，以提高回收率。
（4）渣況判斷
評(píng)定白渣好壞首先要注意渣色，不僅要看爐渣白的程度，而且要看白渣的保持時(shí)間。白渣顏色穩(wěn)定而保持時(shí)間長(zhǎng)，才能說(shuō)明鋼液脫氧良好。渣色反復(fù)變化，表明爐渣脫氧不良。堿性渣隨著爐渣氧化性的高低而呈現(xiàn)不同的顏色，所以渣色是爐渣與鋼液脫氧程度的標(biāo)志。爐渣氧化性強(qiáng)時(shí)，即渣中氧化物如ＦeＯ、MnO等含量較高時(shí)，爐渣呈黑色，隨著爐渣氧化性的減弱顏色也逐漸變淺，由黑色→棕色→黃色→淺黃色→白色（此時(shí)（ＦeＯ）一般不大于1%～2%）。如進(jìn)一步脫氧還原形成電石渣時(shí)，根據(jù)含CaC2 量的多少，爐渣顏色逐漸轉(zhuǎn)為灰白（CaC2＜2%＝→灰色（CaC2為2%左右）→深灰?guī)–aC2＞2%）。
氧化渣一般呈黑色，還原期如果爐渣呈淡黃色、黃色、棕色以至發(fā)黑時(shí)，就說(shuō)明爐渣脫氧不良，須進(jìn)一步加強(qiáng)還原。如果爐渣呈白色或稍帶一些灰色，說(shuō)明爐渣脫氧良好，可以不加或少加碳粉及硅鐵粉。如果爐渣太灰，說(shuō)明了形成一定數(shù)量的CaC2 ，出鋼前要予以破壞，使之變成白渣。
電石渣與氧化渣的區(qū)別：
?、傺趸诙l(fā)亮，強(qiáng)電石渣呈黑色，有時(shí)還帶有白色條紋；
②氧化渣溫水無(wú)反應(yīng)，電石渣遇水分解出難聞的乙炔氣體；
?、蹱t渣冷下來(lái)氧化渣比較疏松，電石渣較致密。
隨時(shí)觀察及掌握爐渣顏色，對(duì)控制鋼液成分也有較大影響，如是灰渣容易增碳，黃渣下加合金易使回收率偏低，黃渣下出鋼Si、Mn、Cr等元素容易降低。
8.還原期溫度控制
（1）還原期溫控的重要性
①影響還原精煉操作
溫度過(guò)高爐渣變稀，使白渣不穩(wěn)定易變黃，鋼液脫氧不良容易吸氣；同時(shí)嚴(yán)重侵蝕爐襯，影響爐齡及增加外來(lái)夾雜物。溫度過(guò)低，熔渣流動(dòng)性差，鋼渣間物化反應(yīng)不能順利進(jìn)行，脫氧、脫Ｓ及鋼中夾雜物上浮等都進(jìn)行不好。而且鋼液成分不均勻性嚴(yán)重，影響化學(xué)分析準(zhǔn)確性。此外，還造成還原期后升溫，損壞爐墻，并延長(zhǎng)了熔煉時(shí)間，熔池溫度不均勻。
?、谟绊戜撘撼煞挚刂?br />
還原期溫度高低對(duì)合金元素的回收率、鋼液成分的均勻性、分析試樣的代表性均有很大影響。如熔池溫度偏高，易氧化的元素如ＡＬ、Ｔi、Ｂ的回收率降低，Ｓi、Ｍn、Ｃr 這些元素的回收率仿高。如果熔池溫度偏低，則Ｗ、Ｍo等元素回收率偏低，成分不好控制。
?、塾绊憹茶T操作與鋼錠質(zhì)量
溫度過(guò)高，在出鋼與澆鑄過(guò)程中極易吸收氣體，二次氧化嚴(yán)重，并對(duì)鋼包襯等耐火材料侵蝕加劇，增加外來(lái)夾雜物。高溫澆鑄還容易出現(xiàn)冒漲、裂紋、縮孔、皮下氣泡、白點(diǎn)、疏松、偏析等冶金缺陷，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致澆鑄事故，如鋼包漏鋼、鋼錠模被熔損等。
溫度過(guò)低，造成鎮(zhèn)靜時(shí)間不足，使鋼中夾雜物不能充分上浮，影響的內(nèi)在質(zhì)量。過(guò)低的澆鑄溫度容易造成短、重皮、冷濺、縮孔和發(fā)紋等缺陷。甚至鋼包口與塞捧頭粘住或冷鋼結(jié)底，不能進(jìn)行正常澆注，造成鋼液報(bào)廢。
（2）熔池溫度判斷
為防止溫度不正常，整個(gè)熔煉過(guò)程都應(yīng)加強(qiáng)對(duì)溫度的控制，由于還原期正常的調(diào)溫范圍不大（30℃左右），所以控制好扒渣溫度極為重要。絕大多數(shù)鋼種的扒渣溫度應(yīng)比其出鋼溫度高出10～20℃。對(duì)在還原期要加入大量鐵合金的鋼種，宜按上限控制，甚至可以高出30℃。
（3）出鋼溫度控制
出鋼溫度由鋼的熔點(diǎn)及出鋼到注入鋼模過(guò)程中鋼液的熱損失來(lái)決定的。一般高出鋼種熔點(diǎn)80～150℃，即：
T出鋼=T熔點(diǎn)+（80～150℃）。
小爐子出鋼，澆鑄過(guò)程熱損失大，可選取上限（120～150℃），20t 以上的爐了可取下限（80～150℃）。鋼液的熔點(diǎn)與鋼種元素含量有關(guān)，如下表所示：
例：熔煉H13鋼，其成分為0.4%C、0.9%Si、0.5%Mn、5.0%Cr、1.15%Mo、0.85%V,總裝入量770kg，出鋼溫度應(yīng)控制在多少？
解：熔點(diǎn)溫度為：
T熔點(diǎn)=1539-65×0.4-8×0.9-5×0.5-1.5×5-2×1.15-2×0.85≈1492(℃)
出鋼溫度控制在：T出鋼=1492+（120-150）=1612～1642（℃）
但是需考慮其他因素的影響，如鋼中含Ti、Mn、Ni高時(shí)，出鋼溫度要偏聽偏低些；含AL、Cr、Ti元素高時(shí)，出鋼溫度要偏高些，此外，還要考慮澆鑄的是大錠還是小錠，澆鑄錠支數(shù)多少，不能一概而論。
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