10B21冷鐓鋼BOF-LF過程鋼渣渣化行為研究

李 洋, 張 濤, 楊風國, 尹 嘯,2, 鄭 冰,徐 東

(1.河北太行鋼鐵集團有限公司,河北省高校高端緊固件全流程應用技術研發中心,河北 邯鄲 056305;2.河北工程大學,河北省高品質冷鐓鋼技術創新中心,河北 邯鄲 056038;3.遼寧科技大學,材料與冶金學院,遼寧 鞍山 114051;4.介子科技(河北)有限公司,河北 邯鄲 056000;5.河北工程大學,河北省高韌性風塔鋼工程研究中心,河北 邯鄲 056305)

10B21冷鐓鋼是常見用于制備螺栓、螺母等標準件的低碳含硼鋼種[1-3]?？紤]技術成熟度和冶煉成本,鋼鐵企業在冶煉10B21鋼種時常采用轉爐-LF精煉的煉鋼模式[4-6]。為保障高品質低成本冷鐓鋼冶煉,需要各環節的協同配合,尤其在吹煉過程中鋼渣的控制上至關重要,煉鋼溫度下渣-金間傳質為吸附鋼中夾雜物、脫硫、脫磷、合金化等創造良好的反應條件[7-9]。由于不同鋼種間,冶煉成渣體系構建會有區別,目前針對10B21含硼鋼的重點冶煉環節中轉爐渣和精煉渣的渣化行為研究缺少系統性深入報道,渣化行為研究對于進一步強化冶煉,優化造渣工藝,探索低成本成渣體系大有裨益。

本文以某鋼廠10B21含硼冷鐓鋼冶煉過程中產生的轉爐終點渣和LF精煉出站渣為研究主體,結合化學成分分析、礦物組成分析、顯微形貌分析、相圖分析等方法對轉爐-LF精煉(BOF-LF)過程渣化行為進行深入研究,為優化含硼冷鐓鋼造渣體系和提高產品冶煉質量提供參考和指導。

1 實驗材料及方法

1.1 現場取樣

在某鋼廠集中生產10B21期間,分別在轉爐和LF精煉現場用鋼棒蘸取終點渣樣(未經過后續渣處理),如圖1所示。轉爐終點渣(簡記為轉爐渣)表觀整體呈現灰黑色,熔巖質地且具有一定脆性,渣層較厚兼有明顯氣孔,少許白亮的鐵珠顆粒分布在渣相表面。對比轉爐渣,LF精煉出站渣(簡記為精煉渣)整體表觀呈現米黃色“白渣”,伴有一定成片鐵殼且局部出現脆性玻璃質地,無明顯氣孔,渣層厚度約為轉爐渣厚度的1/3。從表觀可以看出,經過不同的冶煉環節,爐渣的理化性質變化明顯。

(a)轉爐終點渣 (b)精煉出站渣圖1 鋼渣試樣

圖2 鋼渣堿度的變化

1.2 渣樣制備

為了便于進一步的分析檢測,需要將爐渣試樣進行制備。渣樣整體上被制備成兩個部分,其中一部分需要通過破碎、磨細、過篩,選出粒度小于0.074 mm的細粉作為化學成分分析和XRD礦物組成分析使用。另外一部分選取出具有代表性的渣塊進行試樣鑲嵌,用于顯微組織觀察。

1.3 檢測方法

XRF熒光光譜分析儀和化學滴定法是常用的化學成分分析手段,被用于本次渣樣的具體化學成分分析。同時,X射線衍射儀(XRD)被用于渣樣的礦物組成分析,并用Highscore plus軟件進行礦物組成比對[10]。最后,采用光學顯微鏡和掃描電鏡配合對渣樣進行礦物相鑒定和結構組織觀察。

2 結果與討論

2.1 化學成分

表1為轉爐渣和精煉渣的化學成分分析結果,從表中可以看出轉爐渣的FeO含量達到22.05%,明顯高于精煉渣的FeO含量1.64%。這表明經過轉爐冶煉后期的脫氧合金化和精煉造“白渣”后,氧化性轉爐渣被充分還原。同時,Al2O3含量也由轉爐渣的2.28%陡升到29.49%。堿度作為渣重要的化學性質,能夠綜合反應出渣-金間的反應能力,其重要性不言而喻?；诒?,圖1從堿度的三個角度(二元堿度R1(CaO/SiO2)、三元堿度R2(CaO/(SiO2+Al2O3))和全堿度R綜([(CaO)+(MgO)+(MnO)+(FeO)]/[(SiO2)+(Al2O3)+(P2O5)]))對轉爐渣和精煉渣進行了對比,經過BOF-LF過程,鋼渣的二元堿度R1由3.04陡升到17.42,該種堿度簡單易用,但是考慮的因素相對單一,并不能完全反映渣的整體性質。相對應的,考慮組元更多的三元堿度R2和全堿度R綜則均呈現下降趨勢,R2從2.65降低到1.79,R綜從4.12降低到2.02。這表明經過BOF-LF冶煉過程,鋼渣的堿度經由多組元的共同作用下被整體調整到了相對適宜的成渣區間,但是仍然體現典型的堿性渣的性質特征。

表1 鋼渣試樣的化學成分

2.2 礦物組成

通過XRD檢測分析,圖3反映出轉爐渣和精煉渣的礦物組成,礦物組成的結果和化學成分的分析結果具有一致性。轉爐渣的礦物組成主要有5種,分別為CaO、Ca2SiO4、(Mg,Fe)O(RO相固溶體)、Ca2Fe2O5(鐵酸二鈣)、Ca2(Al,Fe)2O5(鐵鋁酸二鈣)。而精煉渣的礦物組成主要為CaO、Ca6Al7O16(鈣鋁酸鹽)、Ca2SiO4、FeB。對比兩者礦物組成,可以發現差異十分明顯。轉爐環境下,具有氧化性的轉爐渣對冶煉過程終點時鋼液的重要成分指標(C、Si、Mn、P、S)達成十分關鍵。而精煉的主要目標在于調溫、微合金化、去夾雜物和脫出有害氣體等,故精煉渣需要大幅度降低其氧化性,實現造“白渣”過程,最終實現BOF-LF整體的冶煉目標。值得注意的是,生產含硼冷鐓鋼需要在精煉后期階段添加FeB,保證鋼液中B元素符合控制標準,但在精煉渣中檢測到FeB,這恰恰反映出精煉時B的收得率存在一定不足,部分沒能充分合金化的FeB殘存在渣相中,這可能與冶煉時O、N的控制水平密切相關[11]。

圖3 轉爐渣和精煉渣的礦物組成

2.3 顯微形貌

結合光學顯微鏡和掃描電鏡,可以觀察并確定鋼渣試樣的內部組織及結構特征,如圖4所示。對比可以發現,轉爐渣析晶較為徹底,渣中各物相清晰且明顯,而精煉渣存在一定的分層現象,并有大片的玻璃相留存在渣中。這與圖1中觀察到的表觀形貌較為符合。在圖4(a)-圖4(b)中,觀察到轉爐渣樣中出現硅酸二鈣、鐵酸鹽、鐵鋁酸鹽、氧化鈣、RO相以及鐵珠顆粒無序交織的結構,且硅酸二鈣為主體礦相,呈現板條狀、珊瑚狀形貌。硅酸二鈣周圍會有低熔點的鐵酸鹽或鐵鋁酸鹽粘結相分布,還有棱塊狀的RO相或氧化鈣嵌入其中。對于鐵珠的形貌特征,部分呈現渾圓狀(圖4(b)中的白亮渾圓鐵珠顆粒直徑約為150 μm),但是在孔洞旁的鐵珠形貌各異,且無序分布。對于精煉環節產生的渣樣,從圖4(c)-圖4(d)可以看出,精煉渣由于堿度得到了一定幅度的調整,其物理化學性質發生了明顯變化,分層的玻璃化現象就是其中之一。生成的硅酸二鈣相呈現聚集性在蘸取渣樣的邊部產生,這可能與蘸取后渣在空氣中的冷卻速率有一定關系,未來得及析出的物相呈現玻璃態留存在渣中。還有,可以觀察到極為細小白亮且形貌規則的鐵珠嵌布在渣中,尺寸明顯要小于轉爐渣中鐵珠顆粒,約為0.5～2 μm。如此細小的鐵珠顆粒在精煉渣中,其磁選分離難度要明顯難于轉爐渣。

(a)-(b)轉爐渣樣,(c)-(d)精煉渣樣圖4 鋼渣試樣的典型形貌

2.4 成渣過程分析

結合相圖分析成渣過程,是深入討論各環節渣化行為的一種方法?？紤]到轉爐渣和精煉渣中主要成分CaO、FeO、SiO2、Al2O3含量大于80%,故將渣中上述四種組分歸一化后,構建一種偽四元系CaO-SiO2-FeO-Al2O3相圖,利用四元系物系點在CaO-FeO-SiO2(簡記為CFS)系和CaO-Al2O3-SiO2(簡記為CAS)系投影圖來深入分析冶煉過程中的成渣行為[12]。從圖5和表2中可以看出,高堿度的轉爐渣在CFS系內初晶相是硅酸二鈣,而在CAS系內會呈現氧化鈣相,且臨近硅酸三鈣初晶區。不同于轉爐渣,精煉渣在兩個渣系內都呈現在氧化鈣初晶區,并且在CAS內初晶區更臨近鋁酸三鈣相區。在CFS內,轉爐渣向精煉渣轉變呈現跨相區變化,為硅酸二鈣→硅酸三鈣→氧化鈣。而在CAS內,轉爐渣向精煉渣轉變過程無相區變化,只是體現物系點位置隨渣中含量的變化,為氧化鈣(臨近硅酸三鈣)→氧化鈣(臨近鋁酸三鈣)。結合表1中化學成分的變化,轉爐渣向精煉渣轉變過程中,SiO2和FeO含量大幅度降低,而對應的Al2O3含量呈現大幅度上升趨勢,在相圖中也能夠十分直觀地反映出來,這與轉爐后期脫氧合金化過程加鋁密切相關。

表2 鋼渣的初晶相

圖5 CaO-SiO2-FeO-Al2O3系相圖

在轉爐后,精煉環節需要實現造“白渣”,而LF進站前足夠低的脫氧效果是“白渣”精煉的前提。公式(1)反映的是鋁脫氧的主要渣-金間反應[13]。在出鋼溫度下(約1610 ℃),該反應的標準吉布斯自由能為負,從熱力學角度反應能夠充分正向進行,渣的氧化性得到很大程度的調整。

Al(s)+(FeO)=[Fe]+(Al2O3)

ΔGΘ=-906920+152.16T

(1)

在整個BOF-LF冶煉過程中,造渣料石灰扮演著提高鋼渣堿度的重要角色。而在渣化過程中,石灰溶解的快慢對成渣效果起到明顯作用。結合表1中化學成分,利用公式(2)對石灰在轉爐渣和精煉渣中的溶解速率進行理論計算[14],結果如圖6所示?？梢钥闯?石灰在轉爐渣中熔化的速率要明顯高于精煉渣,這也反映出渣中FeO、MnO、MgO等組分對石灰渣化的顯著作用。

圖6 轉爐渣和精煉渣中石灰溶解速率

JCaO=K(w(CaO)+1.35w(MgO)+2.75w(FeO)+1.90w(MnO)-1.09SiO2-39.1)

(2)

其中JCaO代表石灰在渣中的熔化速度,kg/(m2·s);K代表比例系數,kg/(m2·s);w(CaO)等代表如CaO在渣中的質量分數,%。

在BOF-LF渣化行為中,鋼渣結構的變化討論也是十分有必要的。從理論計算角度,可以用參數NBO/T值來衡量鋼渣結構的變化,具體計算過程如公式(3)-(6)[15]。表3是轉爐渣與精煉渣NBO/T值計算后的結果,可以看出轉爐渣和精煉渣的結構差異較大,轉爐渣NBO/T值為8.34,其結構的解離程度大,明顯具有短渣性質,而精煉渣NBO/T值僅為2.93,其結構的解離程度小,具有一定的玻璃化屬性。

表3 轉爐渣和精煉渣的NBO/T值

XT=XSiO2+2XAl2O3+XTiO2+2XP2O5

(3)

(4)

(5)

(6)

3 結論

(1)結合化學成分分析,經過BOF-LF過程,鋼渣的二元堿度R1由3.04陡升到17.42,三元堿度R2和全堿度R綜則均呈現下降趨勢,R2從2.65降低到1.79,R綜從4.12降低到2.02。

(2)從礦物組成分析,轉爐渣的主要礦相為CaO、Ca2SiO4、(Mg,Fe)O、Ca2Fe2O5、Ca2(Al,Fe)2O5,而精煉渣的礦物組成主要為CaO、Ca6Al7O16、Ca2SiO4、FeB。

(3)從顯微組織形貌分析,觀察到轉爐渣樣中出現硅酸二鈣、鐵酸鹽、鐵鋁酸鹽、氧化鈣、RO相以及鐵珠顆粒無序交織的結構,且硅酸二鈣為主體礦相,呈現板條狀、珊瑚狀形貌。在精煉渣中,可觀察到玻璃化分層結構,生成的硅酸二鈣和鈣鋁酸鹽呈現聚集性分布,渣相間有極為細小白亮且形貌規則的鐵珠分布。

(4)結合熔渣結構的理論計算,鋼渣的NBO/T的值由轉爐渣的8.34下降到精煉渣的2.93,解離程度呈現下降趨勢。