D0I:10.13374/i.issnl00103.2009.s1.014 第31卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.31 Suppl.1 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 VD精炼工艺对GCr15钢中总氧及[A1]s含量的影响 胡文豪朱施利 杭州钢铁集团公司技术中心，杭州310022 摘要在杭钢VD精炼炉工业化实验的基础上研究了VD处理过程炉渣组元对GCrl5钢中[AI]s的影响，以及VD真空时 间和真空度对GC15钢中总氧的影响.实验结果表明，在2.5~4.5的碱度范围内，随着碱度的升高，VD过程钢中的[A1]s烧 损减少，但渣中Ca0被还原的趋势增加.随着真空处理时间延长，钢材中的总氧含量先迅速降低，l6min后趋于平稳.当真空 度大于67Pa时，钢中总氧量随真空度的降低而降低，但在真空度小于67P后，降低真空度，钢中总氧含量反而上升. 关键词真空时间：真空度；炉渣碱度：[A]s烧损 Influences of VD refining process on total oxygen content and [Al ]s content in GCr15 steel HU Wen-hao.ZHU Shi-li Technology Centre.Hangchou Iron Steel Group Co..Hanghou 310022.China ABSTRACT Based on the industrial experiments of VD treatment at HZSteel,the effect of slag on [Al]s was studied as well as the effects of vacuum holding time and vacuum degree on the total oxygen content.The results show that the higher the basicity.the less the [Al]s reduction in the steel in the basicity range of 2.5~4.5,while the reduction trend of Ca0 is increased:The longer the vac- uum processing.the lower the total oxygen content in the steel,but not obviously decreases after 16min:When vacuum is more than 67 Pa.the total oxygen content in steel drops with the decrease of the vacuum:However,when vacuum is less than 67Pa.the total oxygen content in steel rises instead of decreases. KEY WORDS vacuum treatment time:vacuum degree:basicity of slag:[Al]s reduction 影响轴承钢质量的主要因素为钢中的氧含量和响较大)，为了保证钢中合适的[41]s含量，在生产 夹杂物的组成、形态、尺寸及其分布]，其中氧化 过程中采用了铝脱氧的方式，而VD真空对钢中总 物夹杂对轴承的疲劳破坏有显著影响：氧化物夹杂 氧含量及[A]s的影响较为复杂，进真空前用铝进 越大，引起的应力集中越强，而在氧化物夹杂中，球 行脱氧后，由于溶解氧非常低，真空下对其去除的效 状不变形的D类夹杂物比B类夹杂物对接触疲劳 果有限，因此，真空下脱氧的关键是对氧化物夹杂的 寿命的危害更大，无论是D类夹杂还是B类夹杂物 去除，由于真空改善了动力学条件，能促使氧化物 在钢中的生成均离不开钢中的氧，氧含量越高，造成 上浮到渣中，使钢中全氧降低：但好的动力学条件也 氧化物夹杂数量就越多，氧化物夹杂的尺寸也越大， 会促进一些反应的发生（如C与Ca0、Al与SiO2 因而对疲劳寿命的危害也越大，氧化物夹杂的总量 等)，这些反应会成为钢中总氧含量增加的新氧源， 与钢中氧基本上成正比③]，因此降低轴承钢氧含量 并且能降低钢中[AI]s含量，本文主要通过统计分 是各钢厂共同追求的目标，杭钢自2005年开始开 析和热力学计算对杭钢100tVD精炼炉真空条件 发研制GCr15轴承钢，对冶炼工艺相继采取一系列 下影响总氧含量及[A]s烧损的影响因素进行了生 技术措施，钢中氧含量达到12×10一的钢材比例逐 产实验及探讨，提出了相应的控制目标， 渐提高，由于钢中[A]s含量对钢板深冲性能的影 收稿日期：2009-10-01 作者简介：胡文豪(I970-）,男，高级工程师，硕士，E-mail:huw enhao(@hzsteel.com
VD 精炼工艺对 GCr15钢中总氧及［Al］s 含量的影响 胡文豪 朱施利 杭州钢铁集团公司技术中心杭州310022 摘 要 在杭钢 VD 精炼炉工业化实验的基础上研究了 VD 处理过程炉渣组元对 GCr15钢中［Al］s 的影响以及 VD 真空时 间和真空度对 GCr15钢中总氧的影响．实验结果表明在2∙5～4∙5的碱度范围内随着碱度的升高VD 过程钢中的［Al］s 烧 损减少但渣中 CaO 被还原的趋势增加．随着真空处理时间延长钢材中的总氧含量先迅速降低16min 后趋于平稳．当真空 度大于67Pa 时钢中总氧量随真空度的降低而降低但在真空度小于67Pa 后降低真空度钢中总氧含量反而上升． 关键词 真空时间；真空度；炉渣碱度；［Al］s 烧损 Influences of VD refining process on total oxygen content and ［Al ］s content in GCr15steel HU Wen-haoZHU Sh-i li Technology CentreHangzhou Iron ＆ Steel Group Co．Hangzhou310022China ABSTRACT Based on the industrial experiments of VD treatment at HZSteelthe effect of slag on ［Al］s was studied as well as the effects of vacuum holding time and vacuum degree on the total oxygen content．T he results show that the higher the basicitythe less the ［Al］s reduction in the steel in the basicity range of2∙5～4∙5while the reduction trend of CaO is increased；T he longer the vacuum processingthe lower the total oxygen content in the steelbut not obviously decreases after16min；When vacuum is more than 67Pathe total oxygen content in steel drops with the decrease of the vacuum；Howeverwhen vacuum is less than67Pathe total oxygen content in steel rises instead of decreases． KEY WORDS vacuum treatment time；vacuum degree；basicity of slag；［Al］s reduction 收稿日期：2009-10-01 作者简介：胡文豪（1970—）男高级工程师硕士E-mail：huwenhao＠hzsteel．com 影响轴承钢质量的主要因素为钢中的氧含量和 夹杂物的组成、形态、尺寸及其分布［1—2］．其中氧化 物夹杂对轴承的疲劳破坏有显著影响：氧化物夹杂 越大引起的应力集中越强．而在氧化物夹杂中球 状不变形的 D 类夹杂物比 B 类夹杂物对接触疲劳 寿命的危害更大．无论是 D 类夹杂还是B 类夹杂物 在钢中的生成均离不开钢中的氧氧含量越高造成 氧化物夹杂数量就越多氧化物夹杂的尺寸也越大 因而对疲劳寿命的危害也越大．氧化物夹杂的总量 与钢中氧基本上成正比［3］因此降低轴承钢氧含量 是各钢厂共同追求的目标．杭钢自2005年开始开 发研制 GCr15轴承钢对冶炼工艺相继采取一系列 技术措施钢中氧含量达到12×10—6的钢材比例逐 渐提高．由于钢中［Al］s 含量对钢板深冲性能的影 响较大［4］为了保证钢中合适的［Al］s 含量在生产 过程中采用了铝脱氧的方式．而 VD 真空对钢中总 氧含量及［Al］s 的影响较为复杂进真空前用铝进 行脱氧后由于溶解氧非常低真空下对其去除的效 果有限因此真空下脱氧的关键是对氧化物夹杂的 去除．由于真空改善了动力学条件能促使氧化物 上浮到渣中使钢中全氧降低；但好的动力学条件也 会促进一些反应的发生（如 C 与 CaO、Al 与 SiO2 等）这些反应会成为钢中总氧含量增加的新氧源 并且能降低钢中［Al］s 含量．本文主要通过统计分 析和热力学计算对杭钢100t VD 精炼炉真空条件 下影响总氧含量及［Al］s 烧损的影响因素进行了生 产实验及探讨提出了相应的控制目标． 第31卷 增刊1 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31Suppl．1 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．s1．014
,114 北京科技大学学报 2009年增刊1 1工艺条件及实验方法 60 100tVD真空处理炉是杭钢电炉炼钢厂生产线 中的重要组成部分，其最低真空度可达50Pa,并在 线可调.本实验轴承钢GCl5的冶炼工艺路线为： 20 1O0tEAF(EBT)→LF→VD→CC.进VD之前，先 用铝进行脱氧并控制[A1]s在0.025%~0.040%， 2.0 2.5 3.03.54.04.55.0 碱度R 炉渣碱度控制在2.5~4.5，用定氧仪测定此时的活 度氧为(4~7)×10-6 图1VD前[A]s烧损与炉渣碱度的关系 炉渣实验总炉数为17炉，真空处理时间及真空 80 度实验为27炉，在VD前后分别取钢样和渣样进行 60 钢中[A1]s和炉渣成分的检测，最后在轧制成的钢 带上取样，用氧氨联测仪分析钢中的总氧含量，并利 用微软的EXCEL中内置的统计分析模块，对VD 20 真空处理过程温降、不同的真空时间和真空度与钢 14 161820222426 材中总氧含量的相关性进行回归分析， AL,0,质量分数% 2实验结果与讨论 图2VD前[AI]s绕损与渣中AlzO3含量的关系 所实验的27炉GCr15钢VD处理前后平均温 中的Fe0、Mn0反应而烧损，还参与了与渣中SiOz 降为2.96℃min1,最大温降为4.35℃min-1,最 的反应，使得SO2成为新的供氧源，其反应式及有 小温降为2.28℃min1,VD处理的平均真空时间 关参数如下： 为25min. 4[A1]+3(Si02)=2(Al203)+3[Si](1) 2.1VD前后钢中[A1]s及炉渣成分的变化 △Ge=-668590+113.469T,Jmol-1 表1给出了17炉VD前后的平均[A]s和炉渣 al,03a[si】 平均成分.图1则是该17炉炉渣VD前的碱度R △G=△G9+RTln3 (2) a(sioz)a[AI] 与[AI]s的烧损值△[AI]s关系的散点图及其趋势 图，其中碱度最低的为2.5，最高的为4.5.图2是 式中as=fs-[%Si],a[=fAM[%Al],lgfi= VD前的渣中Al2O3含量与△[A]s的趋势图.由图 ∑[%] 可见，经VD真空处理后，炉渣碱度和Al2O3含量对 利用文献[5]所提供的相互作用系数（表2）以 [A]s的损失造成了较大的影响，在实验碱度范围 及文献[6]采用分子离子共存模型算得的氧化物活 内，钢中[A]s的烧损量随着VD前的炉渣碱度及渣 度（表3）可计算该反应式△G,将计算所得的△G与 中A2O3含量的升高而减少 相应的碱度绘成关系图，如图3所示 表1VD前后炉渣组元（质量分数）及[AIs的变化(17炉平均) 表21873K时钢液中元素的相互作用系数 % e州 eN e e eRi est 实验Ca0 Si02 Fe0Mn0Mg0Al20s[AI]s 0.045 0.00560.058 0.11 -6.6-0.23 VD前55.3816.190.470.046.4418.470.033 VD后55.0715.510.240.027.3019.350.016 表3炉渣主要组元的成分（质量分数）及其氧化物的活度% Cao SiO2 A1203 Mgo asi02 a203 由于钢水在进VD前钢中的[Al]s含量较高，此 38.94 19.4614.50 20.19 0.0005 0.0102 时钢水中氧含量较低，炉前定氧仪实测a[o]=(5一 46.7121.01 15.01 10.10 0.0005 0.0097 8)×10-6,显然钢中大部分铝的烧损并不是钢中 57.8 13.3 15.8 4.3 0.0002 0.0084 [O]所消耗.从表1可知VD前后渣中FeO、MnO 55.418.7229.474.510.00010.0238 含量降低得较小，而S02的含量却有明显下降，同 时AO3含量有明显上升，因此可以认为，在该碱度 从图3可知随着碱度的升高△G值升高，即A1 范围内，真空处理时[A1]不仅与钢水中的[0]及渣 还原S02的难度增大，从式(2)可得只有当碱度超
1 工艺条件及实验方法 100t VD 真空处理炉是杭钢电炉炼钢厂生产线 中的重要组成部分其最低真空度可达50Pa并在 线可调．本实验轴承钢 GCrl5的冶炼工艺路线为： 100t EAF （EBT）→LF→VD→CC．进 VD 之前先 用铝进行脱氧并控制［Al］s 在0∙025％～0∙040％ 炉渣碱度控制在2∙5～4∙5用定氧仪测定此时的活 度氧为（4～7）×10—6． 炉渣实验总炉数为17炉真空处理时间及真空 度实验为27炉在 VD 前后分别取钢样和渣样进行 钢中［Al］s 和炉渣成分的检测最后在轧制成的钢 带上取样用氧氮联测仪分析钢中的总氧含量并利 用微软的 EXCEL 中内置的统计分析模块对 VD 真空处理过程温降、不同的真空时间和真空度与钢 材中总氧含量的相关性进行回归分析． 2 实验结果与讨论 所实验的27炉 GCr15钢 VD 处理前后平均温 降为2∙96℃·min —1最大温降为4∙35℃·min —1最 小温降为2∙28℃·min —1VD 处理的平均真空时间 为25min． 2∙1 VD 前后钢中［Al］s 及炉渣成分的变化 表1给出了17炉 VD 前后的平均［Al］s 和炉渣 平均成分．图1则是该17炉炉渣 VD 前的碱度 R 与［Al］s 的烧损值Δ［Al］s 关系的散点图及其趋势 图其中碱度最低的为2∙5最高的为4∙5．图2是 VD 前的渣中 Al2O3 含量与Δ［Al］s 的趋势图．由图 可见经 VD 真空处理后炉渣碱度和 Al2O3 含量对 ［Al］s 的损失造成了较大的影响在实验碱度范围 内钢中［Al］s 的烧损量随着 VD 前的炉渣碱度及渣 中 Al2O3 含量的升高而减少． 表1 VD 前后炉渣组元（质量分数）及［Al］s 的变化（17炉平均） ％ 实验 CaO SiO2 FeO MnO MgO Al2O3 ［Al］s VD 前 55∙38 16∙19 0∙47 0∙04 6∙44 18∙47 0∙033 VD 后 55∙07 15∙51 0∙24 0∙02 7∙30 19∙35 0∙016 由于钢水在进 VD 前钢中的［Al］s 含量较高此 时钢水中氧含量较低炉前定氧仪实测 a［O］＝（5～ 8）×10—6显然钢中大部分铝的烧损并不是钢中 ［O］所消耗．从表1可知 VD 前后渣中 FeO、MnO 含量降低得较小而 SiO2 的含量却有明显下降同 时 Al2O3 含量有明显上升因此可以认为在该碱度 范 围内真空处理时［Al］不仅与钢水中的［O］及渣 图1 VD 前［Al］s 烧损与炉渣碱度的关系 图2 VD 前［Al］s 烧损与渣中 Al2O3 含量的关系 中的 FeO、MnO 反应而烧损还参与了与渣中 SiO2 的反应使得 SiO2 成为新的供氧源其反应式及有 关参数如下： 4［Al］＋3（SiO2） 2（Al2O3）＋3［Si］ （1） ΔG ○—＝—668590＋113∙469TJ·mol —1． ΔG＝ΔG ○—＋ RTln a 2 Al2 O3 a 3 ［Si］ a 3 （SiO2 ） a 4 ［Al］ （2） 式 中 a［Si］＝ f Si·［％Si］a［Al］＝ f Al·［％Al］lg fi＝ ∑ e j i［％ j ］． 利用文献［5］所提供的相互作用系数（表2）以 及文献［6］采用分子离子共存模型算得的氧化物活 度（表3）可计算该反应式ΔG将计算所得的ΔG 与 相应的碱度绘成关系图如图3所示． 表2 1873K 时钢液中元素的相互作用系数 e j i e Al Al e Si Al e Al Si e Si Si e O Al e O Si 0∙045 0∙0056 0∙058 0∙11 —6∙6 —0∙23 表3 炉渣主要组元的成分（质量分数）及其氧化物的活度 ％ CaO SiO2 Al2O3 MgO aSiO2 aAl2 O3 38∙94 19∙46 14∙50 20∙19 0∙0005 0∙0102 46∙71 21∙01 15∙01 10∙10 0∙0005 0∙0097 57∙8 13∙3 15∙8 4∙3 0∙0002 0∙0084 55∙41 8∙72 29∙47 4∙51 0∙0001 0∙0238 从图3可知随着碱度的升高ΔG 值升高即 Al 还原 SiO2 的难度增大．从式（2）可得只有当碱度超 ·114· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
Vol.31 Suppl.I 胡文豪等：VD精炼工艺对GCrl5钢中总氧及[A]s含量的影响 .115 过6时，△G>0,才不会发生Si02的还原，而本实 65Pa时，只有当渣中的碱度R小于2.5时钢中的C 验VD前所用渣系的碱度平均值只有3.49，最大值 才不会还原渣中的Ca0,从而减少点状夹杂形成的 也仅为4.5，因此渣中的Si02成了精炼渣中除Fe0 可能性.因此，在一定真空度下的VD炉中，随着温 和Mn0外的另一个重要的供氧源，这与图1显示 度和渣中Ca0活度的升高，钢中的[Ca]会增加，即 的当当碱度升高时，钢水中的铝烧损减少相一致， 影响钢水中的碳还原炉渣中的主要因素是温度和炉 20 渣中Ca0的活度，随着温度和炉渣中Ca0活度的升 0 高，钢水中钙含量增加，增加了点状夹杂的生成可能 性，文献[1]计算了轴承钢在还原精炼条件下钢中 -40 [C]、[Si]、[Al]元素还原渣中CaO的可能性，得出 -80 的结论是炉渣碱度越高，[C]、[Si]、[Al]元素还原渣 -1006 中Ca0反应的△G越小，反应越容易发生， 碱度R 因此过高碱度的渣系有利于减少VD过程的铝 图3炉渣碱度与△G的关系 烧损，但会增加点状夹杂形成的可能性，综合考虑两 由式(2)可得，在渣碱度R=3.5,氧活度在10× 者的影响，宜将炉渣碱度控制在4.0~4.5的水平， 10-时，0.025%的[A1]s就足以还原渣中的硅.当 此时钢中铝的烧损值约为30%. 2.2真空时间对钢中氧含量的影响 炉渣碱度低时，意味着渣中的S02相对量较多，从 VD的真空脱氧，一般是指真空碳脱氧，文献 而SiO2的活度也就越大，所以△G变小，也就相当 [5]认为当真空度达到133Pa时，其脱氧能力超过 于提供了更多的供氧能力，而当A203增大时，△G 了铝，但在有熔池的条件下，C0气泡的产生和放出 增大，可以阻止式(2)的进行，这与图2的工业实验 时，除了要克服气相压力外，还要克服钢水静压力和 结果相吻合，由于式中的活度系数∫：随钢中的氧 表面张力作用，从动力学角度看，限制C0反应速 活度变化而变化，钢中氧越低，∫u的增幅与∫s的增 度的是钢液中的碳和氧向气液界面的传质速度， 幅相比就越大，从而反应式的△G越小，所以生产此 所以在真空精炼的实践中，残氧量一般都大于热力 类超低氧钢时，很容易发生SO2的还原， 学计算的平衡值，且残氧量不与压力成正比，当压力 不仅如此，Mizuno K[门的研究还表明，钢中的 低于133~266Pa时，实际上碳脱氧已不能发挥作 铝可还原炉渣和包衬中的Mg0.因此适当高的炉 用].而在铝脱氧后，钢中溶解氧已下降到5× 渣碱度不仅可有效减少钢中[A1]s的损失（如图1 10厂6左右，因此VD真空过程碳脱氧功能更小，所以 所示)，同时由于高碱度渣的脱氧能力强，还可大量 VD的真空过程主要作用是利用真空条件下良好的 吸附AzO3夹杂8].但是碱度过高，渣中的Ca0在 动力学条件，让未能在LF炉上浮的AlzO3等一次 高真空下也可能被还原为Ca,从而形成对轴承钢疲 脱氧产物和二次脱氧产物充分上浮排出钢液，所以 劳寿命影响非常突出[8]的含Ca的点状夹杂物即铝 在极限真空度下的保持时间是真空精炼的重要工艺 酸钙(D类夹杂)·VD炉内钢水精炼过程中，炉渣中 参数之一，收集实验数据得图4. 的CaO被钢中碳还原的反应为： (Ca0)+[c]=[Ca]+c0(g), 30r △G0=620411-189.912T,Jmol-1, 254 △G=△G°+RTIn K<0. 20 由上面两式可得 15 lnK<-74622/T+22.84 10 由于 K=atca'pcolpo 0 10 15 20 25 fe[%C]·a[cao] 时间，tmin 因此由上式知 图4VD高真空时间对钢中总氧量的影响 acpc0卫<-74622/T+22.84(3) In f。[%C]·a[caol 图4表明保持时间在16min之内，钢中的总氧 文献[9]利用公式(3)计算并证实了在1600℃， 量随着真空时间的延长明显降低，而且16min后氧
过6时ΔG＞0才不会发生 SiO2 的还原．而本实 验 VD 前所用渣系的碱度平均值只有3∙49最大值 也仅为4∙5因此渣中的 SiO2 成了精炼渣中除 FeO 和 MnO 外的另一个重要的供氧源这与图1显示 的当当碱度升高时钢水中的铝烧损减少相一致． 图3 炉渣碱度与ΔG 的关系 由式（2）可得在渣碱度 R＝3∙5氧活度在10× 10—6时0∙025％的［Al］s 就足以还原渣中的硅．当 炉渣碱度低时意味着渣中的 SiO2 相对量较多从 而 SiO2 的活度也就越大所以ΔG 变小也就相当 于提供了更多的供氧能力．而当 Al2O3 增大时ΔG 增大可以阻止式（2）的进行这与图2的工业实验 结果相吻合．由于式中的活度系数 f i 随钢中的氧 活度变化而变化钢中氧越低f Al的增幅与 f Si的增 幅相比就越大从而反应式的ΔG 越小所以生产此 类超低氧钢时很容易发生 SiO2 的还原． 不仅如此Mizuno K ［7］ 的研究还表明钢中的 铝可还原炉渣和包衬中的 MgO．因此适当高的炉 渣碱度不仅可有效减少钢中 ［Al］s 的损失（如图1 所示）同时由于高碱度渣的脱氧能力强还可大量 吸附 Al2O3 夹杂［8］．但是碱度过高渣中的 CaO 在 高真空下也可能被还原为 Ca从而形成对轴承钢疲 劳寿命影响非常突出［8］的含 Ca 的点状夹杂物即铝 酸钙（D 类夹杂）．VD 炉内钢水精炼过程中炉渣中 的 CaO 被钢中碳还原的反应为： （CaO）＋［C］＝［Ca］＋CO（g） ΔG 0＝620411—189∙912TJ·mol —1 ΔG＝ΔG 0＋ RTln K＜0． 由上面两式可得 ln K＜—74622／T＋22∙84 由于 K＝ a［Ca］·pCO／p 0 f c·［％C］·a［CaO］ 因此由上式知 ln a［Ca］·pCO／p 0 f c·［％C］·a［CaO］ ＜—74622／T＋22∙84 （3） 文献［9］利用公式（3）计算并证实了在1600℃ 65Pa 时只有当渣中的碱度 R 小于2∙5时钢中的 C 才不会还原渣中的 CaO从而减少点状夹杂形成的 可能性．因此在一定真空度下的 VD 炉中随着温 度和渣中 CaO 活度的升高钢中的［Ca ］会增加．即 影响钢水中的碳还原炉渣中的主要因素是温度和炉 渣中 CaO 的活度随着温度和炉渣中 CaO 活度的升 高钢水中钙含量增加增加了点状夹杂的生成可能 性．文献［1］计算了轴承钢在还原精炼条件下钢中 ［C］、［Si］、［Al］元素还原渣中 CaO 的可能性得出 的结论是炉渣碱度越高［C］、［Si］、［Al］元素还原渣 中 CaO 反应的ΔG 越小反应越容易发生． 因此过高碱度的渣系有利于减少 VD 过程的铝 烧损但会增加点状夹杂形成的可能性综合考虑两 者的影响宜将炉渣碱度控制在4∙0～4∙5的水平 此时钢中铝的烧损值约为30％． 2∙2 真空时间对钢中氧含量的影响 VD 的真空脱氧一般是指真空碳脱氧文献 ［5］认为当真空度达到133Pa 时其脱氧能力超过 了铝．但在有熔池的条件下CO 气泡的产生和放出 时除了要克服气相压力外还要克服钢水静压力和 表面张力作用从动力学角度看限制 C—O 反应速 度的是钢液中的碳和氧向气—液界面的传质速度 所以在真空精炼的实践中残氧量一般都大于热力 学计算的平衡值且残氧量不与压力成正比当压力 低于133～266Pa 时实际上碳脱氧已不能发挥作 用［5］．而在铝脱氧后钢中溶解氧已下降到5× 10—6左右因此 VD 真空过程碳脱氧功能更小所以 VD 的真空过程主要作用是利用真空条件下良好的 动力学条件让未能在 LF 炉上浮的 Al2O3 等一次 脱氧产物和二次脱氧产物充分上浮排出钢液所以 在极限真空度下的保持时间是真空精炼的重要工艺 参数之一收集实验数据得图4． 图4 VD 高真空时间对钢中总氧量的影响 图4表明保持时间在16min 之内钢中的总氧 量随着真空时间的延长明显降低而且16min 后氧 Vol．31Suppl．1 胡文豪等： VD 精炼工艺对 GCr15钢中总氧及［Al］s 含量的影响 ·115·
.116 北京科技大学学报 2009年增刊1 含量下降速度减慢，大于20min后，氧含量几乎不 氩强度也会导致搅拌能过大，造成部分卷渣留在钢 变，而温降却仍随保持时间的延长以2.96℃/min 中未能去除 下降，为了得到高真空保持时间t与钢中总氧含量 同样对这些数据进行回归分析，可得回归方程： 的经验方程，采用一元线性回归分析的方法，将图中 T0=6.087+0.548×y1/2 数据进行回归分析，得回归方程： (N=27,R=0.38,F=4.40) (5) T0=22.43exp(-0.03846t) (4) 式中，V为真空度. 式中：统计数N=41,相关度R=0.79,统计量F= 56.6;T0为钢材中的总氧，10-6：t为真空保持时 因F=4.40>F0.05(1,25)=4.24,所以方程显 著相关，由式(5)可以看出提高真空度V,可使钢中 间，min 总氧量T0降低，真空度(V)与T0呈平方根的 由于F=56.6>F0.05(1,39)=4.08,所以回归 关系 方程高度相关，而本方程的相关系数为R=0.79, 若将高真空保持时间t和真空度V一起与T0 也表明了在此渣系中的除真空时间外，还有其他因 素对此产生影响，方程(4)表明钢中总氧量与真空 进行多元回归，则回归方程为： 时间呈指数关系，在温度1630℃、真空度67Pa下， T0=11.72-0.146t+0.01988v1/2 从式(4)可算得满足国家标准T0≤12×10-6，所需 (N=27,R=0.54,F=5.142) (6) 的高真空时间为t≥l6min,再由图4知高真空时间 而F=5.124>F0.05(2,24)=3.40,因此回程 超过20min后总氧变化很小，因此在大规模生产 方程也是显著相关，从式(6)可知较高的真空度和 中，从成本效益考虑，宜将高真空保持时间控制在 足够的真空保持时间，对脱氧有利，真空保持时间的 1620min. 影响比真空度对钢中总氧的影响大， 2.3真空度与钢中氧含量的关系 所以在给定的钢水量、温度等条件下，要控制好 通过对27炉VD生产过程的真空度与钢带上 高真空保持时间内的氩气流量，以防止溢渣或因剧 全氧含量的对应关系进行分析，可得真空度与终氧 烈搅拌使还原渣中氧化物污染钢液，而不利于VD 含量的关系图，如图5所示，从图中看出，当真空度 处理过程钢中氧的脱除， 大于80Pa时，氧含量随着真空度的提高而下降趋 势明显，当小于80Pa后曲线下降趋势变缓，氧含量 3结论 随真空度的提高下降幅度减小；到了67Pa时，氧含 (1)钢中[A1]s在VD精炼过程中不可避免地降 量下降幅度最大，而超过此值后，氧含量反而又呈上 低，其降低值随炉渣碱度和渣中A1203含量的升高 升趋势，这个结果与随着真空度提高，全氧下降的 而减少.只有当碱度大于6时，渣中$02才不是 预期不一致，主要原因是随着真空度的下降，在底 VD处理过程中的供氧源，但过高的碱度在真空处 吹氩的相互作用下，搅拌功率大幅增加，剧烈搅拌使 理时易导致CaO被还原而形成点状夹杂，控制渣中 得钢渣混卷，给反应式(1)提供了很好的动力学条 的碱度在4.0~4.5时，钢中[A1]s的烧损相对 件，此时不仅渣中的SO2成了供氧源，当碱度大于 较小. 3时，甚至Ca0也会被铝还原町，从而导致滞留在钢 (2)钢中总氧含量随着真空处理时间的延长而 中的夹杂氧增高，此外，操作过程未能及时调整吹 180 降低，但在l6min后，下降幅度减少，脱氧效率逐渐 下降，对总氧含量与高真空保持时间进行回归可得 16 经验方程：T0=22.43exp(一0.03846t),此时相关 14 系数为0.79，综合考虑生产效率等，可将高真空保 12 持时间控制在16~20min. ◆●● 10 (3)随着真空度的降低，钢中的总氧减少，但当 真空度低于67Pa时，搅拌剧烈导致渣中氧化物被 还原，钢中氧含量反而上升 100 90 80 70 60 50 40 (4)在本实验条件下，VD处理过程的真空时 真空度Pa 间、真空度与钢中的总氧含量的二元回归方程为： 图5VD的真空度对钢中总氧的影响 T0=11.72-0.146t+0.01988y/2
含量下降速度减慢大于20min 后氧含量几乎不 变而温降却仍随保持时间的延长以2∙96℃／min 下降为了得到高真空保持时间 t 与钢中总氧含量 的经验方程采用一元线性回归分析的方法将图中 数据进行回归分析得回归方程： TO＝22∙43exp（—0∙03846t） （4） 式中：统计数 N＝41相关度 R＝0∙79统计量 F＝ 56∙6；TO 为钢材中的总氧10—6 ；t 为真空保持时 间min． 由于 F＝56∙6≫F0∙05（139）＝4∙08所以回归 方程高度相关而本方程的相关系数为 R＝0∙79 也表明了在此渣系中的除真空时间外还有其他因 素对此产生影响．方程（4）表明钢中总氧量与真空 时间呈指数关系在温度1630℃、真空度67Pa 下 从式（4）可算得满足国家标准 TO≤12×10—6所需 的高真空时间为 t≥16min再由图4知高真空时间 超过20min 后总氧变化很小因此在大规模生产 中从成本效益考虑宜将高真空保持时间控制在 16～20min． 2∙3 真空度与钢中氧含量的关系 通过对27炉 VD 生产过程的真空度与钢带上 图5 VD 的真空度对钢中总氧的影响 全氧含量的对应关系进行分析可得真空度与终氧 含量的关系图如图5所示从图中看出当真空度 大于80Pa 时氧含量随着真空度的提高而下降趋 势明显当小于80Pa 后曲线下降趋势变缓氧含量 随真空度的提高下降幅度减小；到了67Pa 时氧含 量下降幅度最大而超过此值后氧含量反而又呈上 升趋势．这个结果与随着真空度提高全氧下降的 预期不一致．主要原因是随着真空度的下降在底 吹氩的相互作用下搅拌功率大幅增加剧烈搅拌使 得钢渣混卷给反应式（1）提供了很好的动力学条 件此时不仅渣中的 SiO2 成了供氧源当碱度大于 3时甚至 CaO 也会被铝还原［9］从而导致滞留在钢 中的夹杂氧增高．此外操作过程未能及时调整吹 氩强度也会导致搅拌能过大造成部分卷渣留在钢 中未能去除． 同样对这些数据进行回归分析可得回归方程： TO＝6∙087＋0∙548× V 1／2 （ N＝27R＝0∙38F＝4∙40） （5） 式中V 为真空度． 因 F＝4∙40＞F0∙05（125）＝4∙24所以方程显 著相关由式（5）可以看出提高真空度 V 可使钢中 总氧量 TO 降低真空度（ V ）与 TO 呈平方根的 关系． 若将高真空保持时间 t 和真空度 V 一起与 TO 进行多元回归则回归方程为： TO＝11∙72—0∙146t＋0∙01988V 1／2 （ N＝27R＝0∙54F＝5∙142） （6） 而 F＝5∙124＞ F0∙05（224）＝3∙40因此回程 方程也是显著相关．从式（6）可知较高的真空度和 足够的真空保持时间对脱氧有利真空保持时间的 影响比真空度对钢中总氧的影响大． 所以在给定的钢水量、温度等条件下要控制好 高真空保持时间内的氩气流量以防止溢渣或因剧 烈搅拌使还原渣中氧化物污染钢液而不利于 VD 处理过程钢中氧的脱除． 3 结论 （1）钢中［Al］s 在 VD 精炼过程中不可避免地降 低其降低值随炉渣碱度和渣中 Al2O3 含量的升高 而减少．只有当碱度大于6时渣中 SiO2 才不是 VD 处理过程中的供氧源但过高的碱度在真空处 理时易导致 CaO 被还原而形成点状夹杂．控制渣中 的碱度在 4∙0～4∙5 时钢中 ［ Al ］ s 的烧损相对 较小． （2）钢中总氧含量随着真空处理时间的延长而 降低但在16min 后下降幅度减少脱氧效率逐渐 下降．对总氧含量与高真空保持时间进行回归可得 经验方程：TO＝22∙43exp（—0∙03846t）此时相关 系数为0∙79综合考虑生产效率等可将高真空保 持时间控制在16～20min． （3）随着真空度的降低钢中的总氧减少但当 真空度低于67Pa 时搅拌剧烈导致渣中氧化物被 还原钢中氧含量反而上升． （4）在本实验条件下VD 处理过程的真空时 间、真空度与钢中的总氧含量的二元回归方程为： TO＝11∙72—0∙146t＋0∙01988V 1／2． ·116· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
Vol.31 Suppl.1 胡文豪等：VD精炼工艺对GCrl5钢中总氧及[Al]s含量的影响 .117, [5]Li WC.Physical Chemistry of Metallurgy &Material.Bei- 参考文献 jing:Metallurgical Industry Press.2001 [1]Lund T.Cleanliness requirements on rolling bearing steel/Pro- (李文超·治金与材料物理化学.北京：治金工业出版社，2001) ceedings of the Third International Conference on Clean Steel. [6]Zhong S S.Wang CS.Bearing Steel.Beijing:Metallurgical In- Hungary.1986:209 dustry Press.2000 [2]Cogne J Y.Hherities Y.Monnot B.Cleanness and fatigue life of (钟顺思，王昌生，轴承钢，北京：冶金工业出版社，2000) bearing steels//Proceedings of the Third International Confer- [7]Mizuno K,Todoroki H,Noda M.et al.Effects of Al and Ca in ence on Clean Steel,Hungary.1986:26 ferrosilicon alloys for deoxidation on inclusion composition in type [3]Gao H C.Jiao X L.Influence of Als content on total inclusion 304 stainless steel.Iron Steelmaker.2001.28(8):93 content in SKF refined steel.Iron Steel,2000.35(8):18 [8]LuS Y.Quality for Continuous Casting Billet-Beijing:Metal- (高海潮，焦兴利.SKF炉精炼钢中A山含量对夹杂总量的影 lurgical Industry Press.2000 响.钢铁，2000,35(8)：18) (卢盛意，连铸坯质量，北京：冶金工业出版社，2000) [4]Tian DX,Feng P H.Effects of composition and process of 08Al [9]Chen X J.Zheng S B.Hong X.et al.Thermodynamics of Cao in deep drawing steel on formability of final product.Iron Steel Res slag reduced by carbon during VD process of bearing steel and its 1nst,1995(1):54) effect factors.Shanghai Metals.2005(2):26 (田德新，风佩华.深冲O8A!钢的成分工艺对成品成形性的影 (陈秀娟，郑少波，洪新，等。VD炉内轴承钢中碳还原渣中 响，钢铁研究，1995(1)：54) Ca0的热力学及影响因素分析.上海金属，2005(2)：26)
参 考 文 献 ［1］ Lund T．Cleanliness requirements on rolling bearing steel∥ Proceedings of the Third International Conference on Clean Steel Hungary1986：209 ［2］ Cogne J YHherities YMonnot B．Cleanness and fatigue life of bearing steels∥ Proceedings of the Third International Conference on Clean SteelHungary1986：26 ［3］ Gao H CJiao X L．Influence of Als content on total inclusion content in SKF refined steel．Iron Steel200035（8）：18 （高海潮焦兴利．SKF 炉精炼钢中 Als 含量对夹杂总量的影 响．钢铁200035（8）：18） ［4］ Tian D XFeng P H．Effects of composition and process of 08Al deep drawing steel on formability of final product．Iron Steel Res Inst1995（1）：54） （田德新风佩华．深冲08Al 钢的成分工艺对成品成形性的影 响．钢铁研究1995（1）：54） ［5］ Li W C．Physical Chemistry of Metallurgy ＆ Material．Beijing：Metallurgical Industry Press2001 （李文超．冶金与材料物理化学．北京：冶金工业出版社2001） ［6］ Zhong S SWang C S．Bearing Steel．Beijing：Metallurgical Industry Press2000 （钟顺思王昌生．轴承钢．北京：冶金工业出版社2000） ［7］ Mizuno KTodoroki HNoda Met al．Effects of Al and Ca in ferrosilicon alloys for deoxidation on inclusion composition in type 304stainless steel．Iron Steelmaker200128（8）：93 ［8］ Lu S Y．Quality for Continuous Casting Billet．Beijing：Metallurgical Industry Press2000 （卢盛意．连铸坯质量．北京：冶金工业出版社2000） ［9］ Chen X JZheng S BHong Xet al．Thermodynamics of CaO in slag reduced by carbon during VD process of bearing steel and its effect factors．Shanghai Metals2005（2）：26 （陈秀娟郑少波洪新等．VD 炉内轴承钢中碳还原渣中 CaO 的热力学及影响因素分析．上海金属2005（2）：26） Vol．31Suppl．1 胡文豪等： VD 精炼工艺对 GCr15钢中总氧及［Al］s 含量的影响 ·117·