無取向電工鋼ＲＨ精煉頂渣優化

　　摘 要：采用 FactSage7.2熱力學軟件研究了無取向電工鋼 RH 精煉過程頂渣的理化特性，結合工業生產提出頂渣優化方案，并進行了工 業 試 驗。研 究 表 明，精 煉 過 程 頂 渣 FeO和 SiO2將造成鋼液的二次氧化。結合熱力學分析、頂 渣 對 Al2O3吸收能力計算和工業試驗，理 想 RH 精煉開始頂渣成分范圍為：w(CaO)=50 %～60 %，w(SiO2)≤5.01 %，w(CaO)/w(Al2O3)=1.5～2.0。精 煉 結 束 渣 系 接 近 低 熔點，w(CaO)/w(Al2O3)≈1.25。工業試驗結果表明，頂渣成分優化后，精 煉 結 束 鋼 水w(T.O)=14× 10-6，冷軋產品表面缺陷率由4.6 %降至0.3 %，精煉頂渣的冶煉效果優異。

　　關鍵詞：無取向電工鋼;RH精煉;頂渣優化;鈣鋁比;表面缺陷

　　劉堅鋒;胡金文;郭飛虎;余小琴;喬家龍 煉鋼 2021-12-02

　　無取向電工鋼是制造電機鐵芯的重要鐵基軟磁材料，煉鋼過程對化學成分、潔凈度和夾雜物等方面均有嚴格要求[1]。無取向電工鋼中的大型夾雜物將明顯影響其成品表面質量[1-2]，同時鋼中的細小夾雜物不僅抑制晶粒長大，且夾雜物本身為非磁性或 弱 磁 性 物 質，因 而 惡 化 磁 性 能[3-6]。RH精煉過程中完成脫碳和脫氧合金化，頂渣將直接影響鋼水成分、潔凈度和夾雜物去除效果，頂渣成分控制 極 為 關 鍵[2，7]。目 前，關于無取向電工鋼夾雜物的形成機理和對磁性能的影響研 究 較多[1-2，8-9]，但 RH精煉頂渣的研究文獻較少，大 部分鋼廠靠生產經驗進行操作。

　　本文以某 鋼 廠 無 取 向 電 工 鋼 RH 精 煉 過 程CaO-Al2O3-SiO2-6 %MgO 渣 系 為 研 究 基 礎，通 過FactSage熱力學軟件計算，研究了頂渣氧化性、熔點、夾雜物吸附能力等理化性質，結合理論分析和工業試驗探討了適合無取向電工鋼生產的 RH 頂渣成分范圍，以期為該鋼種工業生產提供理論與實踐指導。

　　1 無取向電工鋼 RH精煉工藝

　　某鋼廠生產無取向電工鋼的化學成分如表1所示。煉鋼過程轉爐終點控制鋼水碳氧含量和終渣的氧化性，出鋼過程進行擋渣操作，控制轉爐下渣量不大于5kg/t，RH精煉前加入高鋁頂渣改質劑調節頂渣氧化性。RH 精煉過程通過真空自然脫 碳 或 吹 氧 強 制 脫 碳 (脫 碳 結 束 w(C)≤ 0.003 %)，脫碳結 束 后 加 入 鋁 塊、硅 鐵 等 合 金 進行脫氧合金化至目標成分，鋼水凈循環6～8min后破空出站。

　　2 RH 精煉過程頂渣優化

　　無取向電 工 鋼 RH 精 煉 頂 渣 的 主 要 成 分 為CaO、Al2O3、SiO2和 MgO，結合生產實際和理論分析，精煉渣中w(MgO)控制在6 %時，渣系具有熔點低、熔化性好的優點[10-11]。 因 而，選 取6 %MgO-CaO-Al2O3-SiO2進行計算分析。

　　2.1 氧化性RH精煉合金化后，鋼中w(Als)達 到0.25%，鋁的脫氧平衡式(3)計算鋼水中氧的活度為0.87 ×10-6(現場實測a[O]=0.73×10-6)。鋼水脫氧達到平衡時，氧活度保持較低水平。研究表明，渣中FeO和SiO2含量對其氧化性影響較大，可通過鋼水與渣達到氧勢平衡分析相應含量的控制[1]。表2為1600 ℃下鋼液中各元素的一階相互作用系數，鋼-渣間存在的化學反應及生成的吉布斯自由能如表3所示[12]。　無取向電工鋼中 Als與渣中 FeO和SiO2將發生式(4)和式(5)的反應，反應平衡常數及 FeO和SiO2的活度公式如下：

　　式中：[Si]、[Al]分 別 為 鋼 水 中 Si、Al的 質 量 分數，%;K 為熱力學反應平衡常 數;a(SiO2)、a(Al2O3)分別是渣中SiO2、Al2O3的 活 度;f[Si]、f[Al]分 別 為Si、Al在鋼水中的活度系數，計算在表3中無取向電工鋼成分下f[Si]、f[Al]分為為1.329、1.052。當渣與鋼 液 達 到 平 衡 時，相 應 渣 中 a(FeO)=4.08× 10-4，a(SiO2)=4.18×10-4。試 驗 測 量 CaO-MgO-Al2O3-SiO2-FeO 渣 中FeO活度表明，γFeO約為2.2～4.7[13-14]。經理論計算與鋼液氧位 達 到 平 衡 時 精 煉 渣 中 FeO 的 摩 爾分數(0.87～1.85)×10-4(質量分數約0.02 %)。Factsage熱力學軟件計算在1873K下6 % MgO-CaO-Al2O3-SiO2偽 三 元 系 a(SiO2)、a(Al2O3)和 a(CaO)的等活度線如圖1所示，可見w(SiO2)≤15 %，R ≥4區域，存在渣的a(SiO2)≤4×10-4。

　　工業試驗生產5爐無取向電工鋼，分別在轉爐出鋼后、RH精煉前和 RH精煉后取渣樣并進行成分檢測。各 工 序 頂 渣 中 TFe和 SiO2含 量 變 化如圖2 所 示。隨 著 冶 煉 的 進 行，頂 渣 中 TFe和SiO2含量逐漸降低，渣的氧化性也逐漸降低，說明在精煉過程存在鋼渣反應使 得鋼液中 Als 被 氧化。精煉結束 后 頂 渣 中w(TFe)約 為0.86 %(折合w(FeO)為1.09 %)，可知實際生產情況頂渣的氧 化 性 高 于 理 論 值。RH 精 煉 前 后 頂 渣 中w(SiO2)由6.25 % 降 低 到5.01 %，為 避 免 渣 中SiO2被 鋼 水 還 原，精 煉 后 頂 渣 中w(SiO2)要 控 制在5.01 %以下。

　　2.2 熔 點熔點是精煉頂渣的重要物性參數，主 要 作 用表現在成渣快、流動性好和吸附夾雜等方面。采用 Factsage7.2熱 力 學 軟 件 Phase 模 塊 計 算 出6 % MgO-CaO-Al2O3-SiO2偽三元渣系熔點等溫圖如圖3所 示，由 圖 中1773～1873K的 等 液 相 線可以看出，在6 % MgO-CaO-Al2O3-SiO2偽 三 元 渣系中存 在 兩 個 低 熔 點 區 域 A、B。結 合 圖 1a等a(SiO2)圖，區域 A渣系中SiO2含量較高，將造成鋼水的二次氧化，不適合作無取向電工鋼的精煉渣系。區域 B渣系具有低氧化性與高堿度特點，滿足精煉要求。當w(CaO)/w(Al2O3)≈1.25時，渣系的熔點達到最低。因此，無取向電工鋼精煉終點選 取 B 區 低 熔 點 頂 渣 (w(CaO)=50 % ～60 %，w(SiO2)=0～15 %，w(CaO)/w(Al2O3)=1.0～1.5)。

　　2.3 吸附 Al2O3能力工業生產實 踐 表 明，無 取 向 電 工 鋼 RH 精 煉脫碳 終 點 鋼 水w(O)主 要 分 布 在 (200～500)× 10-6，加鋁沉淀脫氧后可計算生成脫氧產物Al2O3的質量 分 數 為0.0425 %～0.1062 %，RH 精 煉結 束 鋼 水 中 w(T.O) = 0.0015 % ～0.0020 %[2]。除去其他夾雜物的影響，在 RH 精煉過程噸鋼約有0.43～1.06kg的 Al2O3被精煉渣吸附，Al2O3夾雜物的去除率在95 %以上，頂渣對Al2O3吸附能力很大程度決定夾雜物的去除率和鋼水的潔凈度。頂渣對 Al2O3夾雜物吸收能力與渣系a(Al2O3)和 a(CaO)有 較 大 關 系，低 a(Al2O3)有 利于鋼中 Al2O3進入渣相，高 a(CaO)將促使渣中 CaO與 Al2O3生成低熔點鈣鋁酸鹽[15-16]。計算1873K精煉渣的等a(Al2O3)和a(CaO)線如上圖1b、圖1c所示。由圖1b可以看出，忽略相區w(SiO2)≥40 % 區 域，在 w(CaO)=50 % ～60 %，w(Al2O3)=30 %～40 %的區域 a(Al2O3)分布 在0.01～0.001，且 隨 著 CaO 的 含 量 增 加，a(Al2O3)由0.05遞 減 至0.002。在 R≥4，w(CaO)/w(Al2O3)在1.5～2的區域內，精煉渣的熔點大部分低 于1600 ℃，a(Al2O3)≤0.05，保 持 在 較 低 水平。圖1c中 等a(CaO)可 以 看 出，w(CaO)=50 %～60 %，R≥4的 區 域 內a(CaO)分 布 在0.3～0.7，為液 相 區 的 CaO 高 活 度 區。w(CaO)/w(Al2O3)=1.5～2.0時，a(CaO)達到最大。

　　2.4 目標頂渣成分綜合工業生產實際、精煉渣的氧化性、熔點及對 Al2O3夾 雜 物 吸 附 能 力，精 煉 脫 氧 合 金 化 過 程將生成大量 脫 氧 產 物 Al2O3，需 要 精 煉 渣 對 夾 雜物 有 較 強 的 吸 附 能 力，即 圖 4 中 高 a(CaO)和 低a(Al2O3)區(w(CaO)=50 % ～60 %，最 優 區 域 R ≥4，w(CaO)/w(Al2O3)=1.5～2.0)。鋼水合金化后，為減少精煉渣對鋼液的二次氧化，盡可能降低精煉渣中FeO和SiO2的含量。同時，頂渣在吸附鋼中夾雜物后，渣中 Al2O3含量會增加，而渣中w(CaO)/w(Al2O3)不斷降低[17]。由圖3中 渣 系等熔 點 線，當w(CaO)/w(Al2O3)=1.25時，渣 系的熔點達到最低，即精煉結束頂渣成分最佳在圖3 中 最 低 熔 點 區 (w(CaO)=50 % ～60 %，w(SiO2)=0～15 %，w(Al2O3)=40 %～50 %)。

　　3 工業試驗結果

　　為驗證 RH 精煉過程頂渣成分對冶煉效果的影響，選取無取向電工鋼工業生產過程中 A、B和C三組典型的精煉渣成分進行分析。通過對比精煉結束 鋼 水 的T.O，鋼 水 從 合 金 化 后 到 RH 出 站過程 Als損失和成品板表面缺陷率，以評價精煉渣的冶煉效果。其 中 A 渣 接 近 圖4中 理 想 精 煉 渣成分范圍;B 渣 在 RH 精煉前向鋼包頂渣中加 入高鋁質改質 劑 以 降 低 渣 的 氧 化 性，渣 系 中 Al2O3含量較高;C 渣 在 RH 精煉過程加入一定量脫 硫劑(CaO+CaF2)，提 高 渣 系 中 CaO 的 含 量 及 脫 硫能力。生產試驗過程 RH精煉前后頂渣成分如表4所示，渣系成分變化如圖5所示。　　無取向電 工 鋼 RH 精 煉 過 程 中 A、B 和 C 三種精煉渣 的 冶 煉 效 果 如 圖 6 所 示。精 煉 結 束 A渣成分靠近最低熔點區;而由于脫硫劑的加入，C渣中CaO含量較高，但熔點相對較高。由于 A和C精煉渣均具有高a(CaO)和低a(Al2O3)的特性，其精煉效果較好，相應精煉后鋼水的T.O含量較低，冷軋產品的表面缺陷率小于等于0.6 %。

　　表4中 B渣中 Al2O3含量較高，a(Al2O3)較大，對夾雜物的吸附能力相對較差，精煉終點頂渣中w(CaO)/w(Al2O3)=1.09，頂渣已超出最低熔點區，將導致部分夾雜物未被有效去除，精煉結束鋼水T.O和冷軋產品表面缺陷率分別達22×10-6和4.6 %。結合圖5中試驗過程 RH 頂渣成分變化可知，精煉前后頂渣中SiO2和 FeO含量降低。由于精煉渣與空氣接觸，精煉前添加高鋁改質劑以降 低 渣 的 氧 化 性 的 效 果 不 明 顯，反 而 增 加 渣 中Al2O3的含量及a(Al2O3);鋼水由合金化后到精煉結束三組試驗 Als 損失量也相差不大。因 此，不 建議在精煉前選用高鋁改質劑降低頂渣氧化性，而考慮在轉爐出鋼過程增加石灰加入量以稀釋爐渣氧化性和增加渣堿度。

　　4 結 論

　　1)無取向電工鋼精煉過 程頂渣中 FeO 和SiO2會造成鋼 液 的 二 次 氧 化，結 合 理 論 計 算 和 工業試驗，渣中FeO和SiO2質量分數應分別不大于1.09 %和5.01 %。2)理 想 RH 精煉過程頂渣成分范圍為w(CaO)= 50 % ～ 60 %，R ≥ 4，w(CaO)/w(Al2O3)=1.5～2.0，精煉結束時渣系接近低熔點，w(CaO)/w(Al2O3)≈1.25。3)RH 精煉頂渣優化后，精煉結束鋼水的w(T.O)降 低 8×10-6，冷軋產品表面缺陷率由4.6 %降低0.3 %，精煉頂渣冶煉效果優異。