关于转炉下渣回钒对钢坯成分影响因素的研究

李志波， 张宝富， 康东安

（盐城市联鑫钢铁有限公司技术研发中心， 江苏 盐城 224003）

长期以来，钢铁行业都是我国的传统优势行业，占据了我国重要的经济地位。而特种钢材又是其中的主要构成。钒作为一种特殊的合金元素，尤其是在微合金钢与低合金钢的生产中发挥着关键作用。它在钢铁组织中的作用主要是增强淬透性和碳化物，并且能够耐高温，有强烈的二次硬化作用，对提高硬度有显著作用，还能够细化晶粒，稳定结构。当钢铁的基体组织中有钒的存在时，能够有效提升钢的综合性能，改善其内部分子结构。在钢铁的生产过程中，钒会与钢铁中的氮元素及碳元素发生化学反应，生成氮化合物及碳化合物，从而利用其特殊的结构对钢的强度产生影响。转炉炼钢环节中，经过氧化后的铁水进入炉渣中，并与混合钒的钢包炉渣进行混合，在惰性气体的搅拌下进行化学反应，一部分炉渣中的（V2O5）会经过还原后重新进入钢液当中，从而使钢液中的钒上升。但是在转炉出钢过程中提高钒的加入量或成品成份钒不稳定会带来钢材强度的不稳定[1]。

1 钒的性质和作用

1.1 钒的性质

当转炉终渣氧化性较强、碱度较高时，终渣中钒应以五价态形式存在。利用日本理学（Rigaku）DmaXRB、12 kW稳定阳极X射线衍射仪（铜靶）对转炉终渣粉末样进行X射线衍射测定，转炉终渣内钒以Mg3V2O8和Ca3V2O8两种物质存在，表明渣中钒为五价氧化物，即V2O5。常温下钒的化学性质较稳定，但在高温、真空或惰性气体条件下能与碳、硅、氮、氧、硫、氯、溴、硼、磷、砷等大部分非金属元素生成化合物（碳化物、硅化物、氧化物、硼化物、磷化物、砷化物等）[2]。

1.2 钒的作用

钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能，还可细化组织晶粒，提高强度和韧性。在普通低合金钢中，氮和钒形成氮化钒，可以起到细化晶粒和沉淀强化的作用。钒在低碳贝氏体中可产生明显的析出强化作用。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。钒是强碳化物形成元素，与碳的结合力极强，是强烈提高耐磨性的元素。钒还能克服磷在钢中引起冷脆和严重恶化的焊接性能。

2 转炉渣中钒氧化物的还原

1600℃的炼钢温度下，元素在钢中含量（质量分数）为0.1%时，钢液中一些元素与氧的亲和力由强到弱的顺序为：

从以上顺序中可见，常用的脱氧元素中的碳、硅、铝、钙等都有可能将炉渣中的V2O5还原至钢液或者还原生成低价钒氧化物[3]。

钒的氧化反应为：

钒的氧化产物为五氧化二钒（V2O5），其熔点为670℃，在炼钢过程中呈液态。转炉在出钢过程中，由于某种原因，造成出钢下渣，炉渣中的（V2O5）在钢水的高温氛围下可与合金脱氧元素中的碳、硅等元素发生反应，使炉渣中的（V2O5）部分还原或者生成低价钒离子。

2.1 硅还原钒氧化物

钢水中的硅主要来自硅铁、硅锰铁、硅钙钡、硅铝钡等脱氧剂或合金中，硅还原转炉渣中钒氧化物主要发生如下化学反应：

2.2 碳还原钒氧化物

放钢过程加入的碳粉以及喂碳线或补加碳粉中的碳元素与转炉渣中钒氧化物主要发生如下化学反应：

2.3 钒氧化物的还原热力学

依据钒氧化反应的标准，其自由能变与温度的关系，钒氧化物被硅还原的吉布斯自由能变均小于0，因此从热力学层面而言这些反应都具可行性[4]。

3 钒氧化物还原的主要影响因素

3.1 钒在铁/渣间的分配比Lv及影响因素

钒在铁/渣间的平衡分配比可表示为：

图1 1600℃时CaO-MgO-FeO—MnO-SiO2-V2O5-TiO2-Al2O3渣系中钒的分配比

图 1表示伪三元系（CaO+MgO）一（FeO+MnO）一（SiO2+V2O5+Ti02+Al2O3)中钒分配比Lv与炉渣成分的关系，其中渣中各组分以质量分数表示。由图1可以看出，随着炉渣成分向伪二元系（CaO+MgO）一（FeO+MnO）靠拢，钒分配比Lv值增大。

在单因素影响方面，分析了渣中（FeO）含量、渣中（V2O5）含量、炉渣碱度对钒分配比Lv的影响。分析结果表明，随FeO含量增加，Lv随之增加；随（V2O5）含量增加，Lv逐步减少；炉渣简单碱度w（CaO）/（SiO2）对Lv基本没有影响。但炉渣复杂碱度B=与 Lv有明显关系，钒分配比Lv随B的增加而逐渐增加，但当碱度增加到1.5左右时，Lv基本保持不变，如图2所示。说明较低的FeO含量、较高的V2O5含量和较小的炉渣碱度B有利于获得较小的钒分配比Lv，此种渣系有利于渣中V2O5的还原[5]。

图2 炉渣碱度B对Lv的影响

3.2 渣中V2O5的活度系数及影响因素

冶炼熔渣中的（V2O5）的活度系数γV2O5的计算可以根据文献中所提供的活度系数得出其数值约在10-10左右。经研究钢铁冶炼的熔渣中（FeO）与（V2O5）含量及冶炼熔渣对γV2O5所产生的影响，实验证明，（V2O5）含量增加，熔渣碱度变小，（FeO）含量也会随之变少，而γV2O5值会增加。

经研究可知，随渣中碱度增大和氧化性增强，渣中钒以五价钒离子存在的比例增大，即（V2O5）在氧化钒中的比例增加。（V2O5）占的比例越大，碱度越高，氧化钒与碱性氧化物结合得越牢固，在热力学上应表现为钒的分配比Lv越大、渣中V2O5的活度系数 γV2O5越小[6]。

通过以上分析我们可以看出，钒平衡分配比Lv随渣中（FeO）含量减少、（V2O5）含量增加和炉渣复杂碱度B的减小而减小。渣中（V2O5）的活度系数随渣中（FeO）含量减少、（V2O5）含量增加和炉渣复杂碱度B的减小而增大，说明渣中FeO含量较低、碱度较小、V2O5含量较高有利于渣中氧化钒的还原。

4 结语

本文分析了转炉终渣中氧化钒还原的可能性以及影响终渣中氧化钒还原的因素，在今后转炉生产冶炼操作中，炼钢工作者应根据转炉拉碳情况、渣况

铁/渣间V的平衡可用下列反应表示：

反应的标准自由能变为：ΔG=－820230+427.23T

由 ΔG=－RTlnK 可得，1600℃时，式（1）的平衡常数K=3.619。因此，渣中（V2O5）的活度系数可表示为：以及钢包下渣量，结合生产实际，控制好钒氮合金加入量以及炉渣的回钒量，稳定钢水质量。