IF 钢RH 精炼过程合金损失行为研究

龚俊健，张超杰，王海川，蒲春雷，

（1. 中冶华天工程技术有限公司，江苏 南京 210019；2. 安徽工业大学冶金工程学院，安徽 马鞍山 243002）

引 言

IF（interstitial-free）钢也称无间隙原子钢，通过在钢中加入一定量的Ti 和Nb 元素使钢中的C 和N原子被固定为碳化物和氮化物，从而具有优良的深冲性和无时效性，是继沸腾钢与铝镇静钢之后广泛应用的第三代深冲用钢，主要用于汽车工业和家电制造业。汽车是公路运输最重要的交通工具，生产一辆汽车的原材料中钢材占比为72%～88%，其中薄钢板用量最多，薄钢板主要为IF 钢冷轧深冲板，因此IF 钢对汽车制造起着至关重要的作用［1］。

IF 钢的主要冶炼工艺流程为：BOF→RH→CC，转炉出钢后进行RH 真空循环脱气可极大程度的降低钢中碳含量。如某厂生产Ti-IF 钢的具体工艺流程为：铁水预处理脱硫→300 吨复吹转炉→300吨RH 精炼→连铸。在IF 钢RH 精炼过程中使用的合金主要为铝粒、锰铁和钛铁合金，其中加入的钛元素可以有效固定钢中的C、N 原子形成Ti（C，N），提高钢的深冲性。锰铁和钛铁合金主要以块状的形式从高位料仓加入RH 钢水中，某厂锰铁的收得率平均为91.2%，钛铁收得率平均为91.18%。由于合金用量较大，因此合金的成本举足轻重，提高合金收得率对节约炼钢成本具有重要意义［2-3］。不少学者探索了不同种类合金在冶炼时的损失及收得率情况［4-9］，然而关于IF 钢RH 精炼过程合金的损失途径和收得率研究还较少。本文针对IF 钢RH 精炼过程用锰铁和钛铁合金的损失去向进行了研究，得到了RH 真空条件和精炼渣对锰铁及钛铁合金损失的影响，明晰了IF 钢RH 精炼用锰铁和钛铁合金的主要损失途径。

1 RH 真空条件下的IF 钢用合金的损失行为

1.1 IF 钢用合金的粉化行为

IF 钢用锰铁和钛铁主要为粒度为10～50 mm的块状合金，这些块状合金从铁合金厂运输到钢铁厂后，在进入RH 钢水前需经历不同环节的运输过程，如：外购进入合金仓库后，通过卡车运输到地下料仓，再从地下料仓通过皮带运输到高位料仓，然后从高位料仓下落到混合料仓，最后从混合料仓通过溜管进入到RH 钢水中，如图1 所示。锰铁和钛铁均为块状的脆性合金，在上料过程不同环节的运输中会受到不同程度的撞击、挤压和摩擦等作用，从而产生一定比例的粉末，如图2 所示。为探索块状锰铁和钛铁在上料运输过程中产生粉末的比例以及粉末状合金的损失途径，开展了模拟合金上料过程的落下试验和RH 真空室内气体流场及合金受力的计算分析。

为研究合金在上料运输过程中的粒度变化情况，开展了锰铁和钛铁合金的落下试验，根据图1 所示的合金的运输流程，假设所有合金在整个运输过程中依次经历4 次高度分别为3，4，4，3 m 的自由坠落。在合金仓库筛选出15 kg 粒度为10～50 mm 的锰铁和钛铁合金，各自装入布袋中，然后分别连续从3，4，4，3 m 的高度自由坠落至地面，所有试验均重复一次。将试验后的合金进行筛分，筛网孔径分别为10，5，2，1 mm，得到粒度＞10，5～10，2～5，1～2和＜1 mm 的合金，如图3 所示。最后使用天平称量得到下落试验后不同粒度范围的锰铁和钛铁合金的重量占比，如图4 和图5 所示。锰铁和钛铁的两次现场落下试验的结果非常接近，相对误差小于2%，说明现场落下试验具有较好的可重复性，试验结果准确可靠。

通过落下试验发现锰铁在上料运输中因撞击挤压摩擦等力的作用导致的粉碎率为：＜10 mm 的比例为20.7%，＜1 mm 的比例为3.1%；钛铁在上料运输发生撞击挤压摩擦等力的作用导致的粉碎率为：＜10 mm 的 比 例 为1.78%，＜1 mm 的 比 例 为0.17%。这些锰铁和钛铁合金的粉末在加入RH 的过程中，所经历的物理和化学变化与块状合金不同，容易发生损失。

1.2 RH 真空条件下合金的损失途径分析

合金在加入到RH 真空室内进入钢水前的受力主要为合金自身的重力和合金受到RH 真空室内向上气流的曳力。其中曳力的计算公式可以用下式计算［10］：

式中G为合金所受重力，N；ρp为合金密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

当RH 真空度和循环气体流量一定时，RH 真空室内气体流速可以通过数值模拟计算得到，如RH真空度为67 Pa，循环气体流量为180 m3/h，钢水温度为1873 K，计算得到RH 真空室内向上运动气流的流速为105～140 m/s［11］。在该气体流速下，如果合金所受向上的曳力大于向下的重力，则合金有较大概率被向上的气流带入RH 真空管道发生损失。根据上述公式，可以计算得到锰铁和钛铁合金粉末在真空室内曳力和重力随合金粒度的变化情况，如图6 所示。可以看出，合金所受曳力和重力均随合金粒度的增大而增大，而曳力均随粒度增大的增大速率大于重力的增大速率。当合金所受曳力Fd等于合金所受重力G时，可以得到锰铁和钛铁合金粉末被RH 真空室向上气流带入RH 真空管道的临界粒度分别为1.01 mm 和1.20 mm。即，当锰铁粒度小于临界值1.01 mm 时，其所受向上的曳力大于向下的重力；当钛铁粒度大于临界值1.20 mm 时，其所受向上的曳力大于向下的重力。粒度小于临界粒度值的合金容易被RH 真空室内向上运动气流带入到真空管道发生损失。

为了证实部分粉末状合金被RH 真空室内向上运动的气流带入到真空管道内，针对某厂真空管道灰进行了取样和成分检测。RH 真空管道易积灰位置如图7 所示；水冷弯头、B1、B3 泵以及气冷器为RH 精炼过程易积灰位置，分别在这些位置处进行了取样，如图8 所示；并采用XRD 定量物相分析法针对真空管道灰成分进行了检测，部分结果如图9所示，发现真空管道灰主要成分为Mn，Fe 和Al 的氧化物。因此可以认为，RH 真空管道灰中的Mn 一部分来自于被RH 真空室内向上运动气流带入到真空管道的锰铁粉末。

2 RH 精炼渣对IF 钢用合金的烧损研究

2.1 RH 精炼渣对合金收得率的影响

IF 钢RH 精炼炉渣为SiO2-Al2O3-CaO 精炼渣系，主要成分为SiO2，CaO，MnO，MgO，P2O5，Al2O3，FeO 和TiO2，合金与该精炼渣接触容易发生烧损。IF 钢RH 精炼过程锰铁和钛铁合金加入钢水后的主要损失途径之一为合金被钢水液面的精炼渣烧损，烧损的程度跟合金在钢水中的熔化过程和运动轨迹有关。

采用相关性分析法对某厂3288 炉RH 精炼渣中各成分与锰铁和钛铁合金收得率的相关性进行了分析，如表1 和表2 所示。从表1 可以看出，渣中各成分含量与锰收得率之间的相关性的显著性水平均大于0.05，均未通过显著性检验，因此认为渣中各成分对锰收得率影响的相关性不显著。从表2 可以看出，渣中MnO 含量、FeO 含量、MnO+FeO 含量以及TFe 含量四因素与钛铁收得率相关性的显著性水平分别为0.004，0.013，0.011 和0.013，小于设置的显著性水平0.05 或0.01，通过了显著性检验，与钛收得率呈负相关性，且相关性显著。

表1 渣中各成分与锰收得率的相关性分析

表2 渣中各成分与钛收得率的相关性分析

合金收得率与RH 精炼渣参数之间的相关性检验运用双变量相关性统计分析，采用Pearson 相关系数用来衡量变量之间的线性关系，相关系数越接近于1 或-1，相关度越强，分别代表正相关和负相关，相关系数越接近于0，相关度越弱。显著性检验采用双侧检验，计算相应的相伴概率，即显著性检验结果，并根据此进行决策。检验过程中，H0假设为变量之间线性关系不显著，当相伴概率大于等于显著性水平时，则不应拒绝H0假设，认为两个变量之间的线性关系不显著，相关性不明显或者相关性较弱；当相伴概率小于显著性水平时，则应拒绝H0假设，认为两个变量之间的线性关系显著，相关性明显。

通过相关性分析结果可知，RH 精炼渣成分与锰铁的收得率无相关性，而RH 精炼渣中MnO 含量、FeO 含 量、MnO+FeO 含 量 以 及TFe 含 量 与 钛铁的收得率有较为显著的相关性。RH 精炼渣的氧化性可导致合金的烧损，而精炼渣对合金的烧损还跟合金加入RH 钢水后的运动轨迹和熔化过程有关，因此进一步研究了合金加入钢水后的烧损行为。

2.2 合金加入钢水后的烧损行为分析

为了探索不同种类的合金加入RH 钢水后的运动行为，开展了合金加入钢水过程的水模型试验，以某厂300 吨RH 精炼装置为原型，水模型装置如图10所示。将水和红色聚氯乙烯泡沫粒子装入密封透明容器制作成与水不同密度比的块状固体模拟不同密度的合金，然后分别将该块状固体从加料口加入RH水模型中，观察其运动轨迹，发现不同密度的材料在RH 水模型中的运动轨迹不同，主要可分成3 类：

（1）当材料与水密度比小于0.85 时，其加入RH水模型后将一直浮于下降管上方液面处；

（2）当材料与水密度比为0.85～1.0 时，其加入RH 水模型后的运动轨迹主要有如下2 种情况：

①材料在湍流作用下通过下降管进入钢包水模型一定深度，然后上浮至钢包水模型液面；

②材料在湍流作用下通过下降管进入钢包水模型一定深度，然后上浮至下降管底部并滞留于此。

（3）当材料与水的密度比大于1.0 时，其加入RH 水模型后将通过下降管沉降至钢包底部，并不再上浮。

IF 钢用锰铁和钛铁合金与钢水的密度比如表3 所示，考虑到合金加入钢水后其表面形成的钢壳对其密度的影响，锰铁加入钢水后，其与钢水的密度比大于1.04；粒度为50 mm 的钛铁加入钢水后的最大密度为6319 kg/m3，与钢水的密度比为0.90。因此锰铁加入RH 钢水后，其在钢水中随钢水运动的同时，还倾向于向下运动至钢包底部，不会向上运动与钢渣接触发生烧损。而钛铁加入RH 钢水后，其运动轨迹如图11 所示，小粒度的钛铁在湍流作用下通过下降管进入钢水一定深度并逐步熔化完全，如图11（a）所示；大粒度的钛铁在湍流作用下通过下降管进入钢水一定深度，然后上浮至钢水液面与渣接触发生烧损，如图11（b）所示；或者上浮至下降管底部并滞留于此，直至熔化完全，如图11（c）所示。因此，锰铁和小粒度的钛铁与RH 精炼渣接触发生烧损的概率较小，而大粒度的钛铁与RH 精炼渣接触发生烧损的概率较大。

表3 合金与钢水的密度比

3 结束语

针对汽车用钢IF 钢RH 精炼过程锰铁和钛铁合金的损失行为进行了研究，分别从RH 真空条件下的IF 钢用锰铁和钛铁合金的粉化及损失和RH 精炼渣对IF 钢用锰铁和钛铁合金的烧损两方面进行了分析探索，明确了IF 钢RH 精炼过程用合金的主要损失途径和控制措施。

（1）IF 钢用块状锰铁和钛铁合金在上料运输过程中因撞击挤压摩擦等作用容易产生粉末，锰铁和钛铁上料过程中产生的粒度＜1 mm 的粉末比例分别为3.1%和0.17%。

（2）粉末状合金在加入RH 过程中容易被RH真空室内向上运动的气流带入到真空管道发生损失，在一定RH 真空精炼条件下，不同种类合金粉末被气流带入到真空管道的临界粒度不同；

（3）锰铁和小块粒度钛铁加入RH 钢水后不容易与精炼渣接触发生烧损，大块钛铁加入RH 钢水后容易上浮到钢渣界面发生烧损。