钛微合金钢炉外精炼工艺优化研究

王 勇

（湖南华菱湘潭钢铁有限公司，湖南 湘潭 411100）

低、效率高的优点，被广泛应用到钛微合金钢冶炼中[1]。近年来随着钛微合金钢精炼要求的不断提高，传统的炉外精炼工艺已经无法满足高纯度钛微合金钢的精炼要求，所以此次对从钛微合金钢炉外精炼工艺中除杂步骤出发，对其进行优化设计，以此提高钛微合金钢炉外精炼工艺的除杂率。

1 钛微合金钢炉外精炼工艺优化设计

此次对钛微合金钢炉外精炼工艺优化主要从去除钛微合金钢液中的夹杂物角度出发，为了从根本上提高钛微合金钢的纯度，此次分别对静止状态和搅拌状态的钛微合金钢液中夹杂物去除步骤进行优化，以流体力学和雷诺系数为理论依据，根据夹杂物的上浮运动规律，达到此次钛微合金钢炉外精炼工艺优化目的。

1.1 静止钛微合金钢液除杂优化

当钛微合金钢液处于静止状态时，对钢液中的夹杂物去除主要依靠钛微合金钢液的上浮运动，传统的静止钛微合金钢液夹杂物去除是根据斯托克定律理论。此次从流体动力学角度分析，单颗粒夹杂物在静态钢液中的上浮运动主要与夹杂物的体积、密度和性质有直接关系[2]。根据雷诺系数定律分析，夹杂物在静止钛微合金钢液中做上浮运动所受的阻力大小，分为斯托克斯定律区、过渡区、雷诺区，且当阻力 R ≤ 5N 时，夹杂物在斯托克斯定律区的上浮速度为 ：

在公式（1）中，1S表示夹杂物在在斯托克斯定律区上浮速度，σk为钢液中夹杂物的密度，σf为钛微合金钢液的密度 ；η为钛微合金钢液的动力黏度，d 为夹杂物颗粒直径，g 为夹杂物上浮运动的重力加速度[3]。当夹杂物上浮阻力 5N＜ R ≤ 100N时，夹杂物在过渡区的上浮速度为 ：

当夹杂物上浮阻力 R ＞ 100N 时，夹杂物在雷诺区的上浮速度为 ：

根据公式（1）、（2）、（3）得出夹杂物在静止钛微合金钢液中上浮运动阻力为 ：

假设钛微合金钢液中的夹杂物成球形状，将σk取值为5600kg/m3，σf取值 1350g/m3，η取值150kg/m.s，以此作为炉外精炼除杂步骤的基准参数。然后将钢液中实际的夹杂物直径和密度等带入到公式（1）、（2）、（3）中，得出夹杂物在钢液中的上浮速度S，并将 S 再带入到公式（4）中，检验夹杂物阻力是否满足要求[4]。一般情况下钛微合金钢水罐到除渣线位置的距离大于为 2.5m，当钛微合金钢液处于静止状态时，若要彻底去除钢液中的夹杂物，至少需要在20min之后让钛微合金钢液到达连铸平台，给夹杂物充足的静止上浮时间，使钢液中的所有夹杂物都漂浮在液面，以此得到高纯度的钛微合金钢。

1.2 动态钛微合金钢液除杂优化

当钛微合金钢液在熔池处于搅拌状态下时，对钢液中的夹杂物去除是比较简单便捷的，传统的钛微合金钢炉外精炼在搅拌去除杂物步骤时，主要是向钢液中添加脱氧剂，通过脱氧剂与钢液中的夹杂物发生氧化反应，形成大颗粒物体，再通过过滤筛出得到钛微合金钢。传统在该步骤中只考虑了脱氧剂种类和钢液温度，对脱氧剂的用量并没有具体参考数据，所以此次从脱氧剂的用量角度对钛微合金钢炉外精炼工艺中的搅拌钢液除杂步骤进行了优化。当钛微合金钢液的温度、容量、氧化剂种类一定时，钢液中夹杂物的排出率就取决于向钢液中的氧化剂添加量[5]。在加入适量的氧化剂后，在其搅拌状态下钢液中的硫、铜等夹杂物的排出率要比添加过量和少量氧化剂情况下高。在实际钛微合金钢炉外精炼过程中，氧化剂的用量要控制在一定范围内，过多容易使钢液中的钛元素与氧化剂发生反应，并且容易使钛微合金钢液露出表面，与空气中的氧气和氮气发生反应，形成钛微合金钢的二次污染，从而影响钛微合金钢的质量 ；过少容易使钢液中的硫、铜等夹杂物不能全部排出干净。所以根据化学理论，将熔池内钢液中的温度保持在 150℃～ 200℃，且对钢液的搅拌速度控制在 40L/min ～ 46L/min，如果选用硝酸作为钛微合金钢氧化剂，需要添加的氧化剂量与钛微合金钢液的容量比为 1 ：6，即可实现钛微合金钢液中夹杂物全部排出 ；如果选用双氧水作为钛微合金钢氧化剂，需要添加的氧化剂量与钛微合金钢液的容量比为 1 ：7.3，氧化时间为 9min，可将钛微合金钢液中的夹杂物完全氧化，然后再经过过滤即可得到高纯度的钛微合金钢，以此实现了钛微合金钢炉外精炼工艺优化。

2 实验

2.1 实验设计

为了检验此次钛微合金钢炉外精炼工艺优化的有效性，将其与传统钛微合金钢炉外精炼工艺进行一组对比实验。在实验中两种炉外精炼工艺选用相同的高温 MoSi电阻炉作为精炼设备，并且炉内温度控制在 1500℃～ 1550℃范围内，实验步骤为：①将精炼原料送至炉内进行熔炼，去除原料中的水分 ；②选取钢液中的熔渣进行检验分析，确定夹杂物具体成分 ；③在静止状态时运用优化工艺将大颗粒夹杂物进行排除 ；④对钢液进行搅拌，根据夹杂物化学成分选取合适的氧化剂，以及根据钢液容量确定氧化剂用量 ；⑤在不断搅拌过程中使氧化剂和夹杂物彻底反应，并将氧化颗粒进行过滤排除，以此得到钛微合金钢。此次实验选用 800kg 原料，对其共进行 8 次精炼，检验优化后钛微合金钢炉外精炼工艺的除杂率。

2.2 结果分析

下图为优化前后的钛微合金钢炉外精炼工艺的除杂率。

图 1 优化前后钛微合金钢炉外精炼工艺的除杂率

从图 1 可以看出，优化后的钛微合金钢炉外精炼工艺的除杂率提高了大约 5%，并且 8 次精炼过程中除杂率平均为 85%。而传统的钛微合金钢炉外精炼工艺平均除杂率在 80%左右。实验证明了此次对钛微合金钢炉外精炼工艺优化有效提高了除杂率。

3 结束语

此次在原有钛微合金钢炉外精炼工艺的基础上，对除杂步骤进行了优化研究，并取得了一定的成果，有效提高了炉外精炼工业的除杂率，但由于研究时间及个人能力有限，仅对工艺中的除杂进行了深入研究，未考虑其他因素对工艺的影响，例如钢液搅拌速度、熔炉参数设置等，所以在以后还需要对钛微合金钢炉外精炼工艺进行更深层次的研究，以提高工艺的使用价值，为钛微合金钢炉外精炼工艺提供准确的理论依据。