无取向电工钢ＲＨ精炼顶渣优化

　　摘 要：采用 FactSage7.2热力学软件研究了无取向电工钢 RH 精炼过程顶渣的理化特性，结合工业生产提出顶渣优化方案，并进行了工 业 试 验。研 究 表 明，精 炼 过 程 顶 渣 FeO和 SiO2将造成钢液的二次氧化。结合热力学分析、顶 渣 对 Al2O3吸收能力计算和工业试验，理 想 RH 精炼开始顶渣成分范围为：w(CaO)=50 %～60 %，w(SiO2)≤5.01 %，w(CaO)/w(Al2O3)=1.5～2.0。精 炼 结 束 渣 系 接 近 低 熔点，w(CaO)/w(Al2O3)≈1.25。工业试验结果表明，顶渣成分优化后，精 炼 结 束 钢 水w(T.O)=14× 10-6，冷轧产品表面缺陷率由4.6 %降至0.3 %，精炼顶渣的冶炼效果优异。

　　关键词：无取向电工钢;RH精炼;顶渣优化;钙铝比;表面缺陷

　　刘坚锋;胡金文;郭飞虎;余小琴;乔家龙 炼钢 2021-12-02

　　无取向电工钢是制造电机铁芯的重要铁基软磁材料，炼钢过程对化学成分、洁净度和夹杂物等方面均有严格要求[1]。无取向电工钢中的大型夹杂物将明显影响其成品表面质量[1-2]，同时钢中的细小夹杂物不仅抑制晶粒长大，且夹杂物本身为非磁性或 弱 磁 性 物 质，因 而 恶 化 磁 性 能[3-6]。RH精炼过程中完成脱碳和脱氧合金化，顶渣将直接影响钢水成分、洁净度和夹杂物去除效果，顶渣成分控制 极 为 关 键[2，7]。目 前，关于无取向电工钢夹杂物的形成机理和对磁性能的影响研 究 较多[1-2，8-9]，但 RH精炼顶渣的研究文献较少，大 部分钢厂靠生产经验进行操作。

　　本文以某 钢 厂 无 取 向 电 工 钢 RH 精 炼 过 程CaO-Al2O3-SiO2-6 %MgO 渣 系 为 研 究 基 础，通 过FactSage热力学软件计算，研究了顶渣氧化性、熔点、夹杂物吸附能力等理化性质，结合理论分析和工业试验探讨了适合无取向电工钢生产的 RH 顶渣成分范围，以期为该钢种工业生产提供理论与实践指导。

　　1 无取向电工钢 RH精炼工艺

　　某钢厂生产无取向电工钢的化学成分如表1所示。炼钢过程转炉终点控制钢水碳氧含量和终渣的氧化性，出钢过程进行挡渣操作，控制转炉下渣量不大于5kg/t，RH精炼前加入高铝顶渣改质剂调节顶渣氧化性。RH 精炼过程通过真空自然脱 碳 或 吹 氧 强 制 脱 碳 (脱 碳 结 束 w(C)≤ 0.003 %)，脱碳结 束 后 加 入 铝 块、硅 铁 等 合 金 进行脱氧合金化至目标成分，钢水净循环6～8min后破空出站。

　　2 RH 精炼过程顶渣优化

　　无取向电 工 钢 RH 精 炼 顶 渣 的 主 要 成 分 为CaO、Al2O3、SiO2和 MgO，结合生产实际和理论分析，精炼渣中w(MgO)控制在6 %时，渣系具有熔点低、熔化性好的优点[10-11]。 因 而，选 取6 %MgO-CaO-Al2O3-SiO2进行计算分析。

　　2.1 氧化性RH精炼合金化后，钢中w(Als)达 到0.25%，铝的脱氧平衡式(3)计算钢水中氧的活度为0.87 ×10-6(现场实测a[O]=0.73×10-6)。钢水脱氧达到平衡时，氧活度保持较低水平。研究表明，渣中FeO和SiO2含量对其氧化性影响较大，可通过钢水与渣达到氧势平衡分析相应含量的控制[1]。表2为1600 ℃下钢液中各元素的一阶相互作用系数，钢-渣间存在的化学反应及生成的吉布斯自由能如表3所示[12]。　无取向电工钢中 Als与渣中 FeO和SiO2将发生式(4)和式(5)的反应，反应平衡常数及 FeO和SiO2的活度公式如下：

　　式中：[Si]、[Al]分 别 为 钢 水 中 Si、Al的 质 量 分数，%;K 为热力学反应平衡常 数;a(SiO2)、a(Al2O3)分别是渣中SiO2、Al2O3的 活 度;f[Si]、f[Al]分 别 为Si、Al在钢水中的活度系数，计算在表3中无取向电工钢成分下f[Si]、f[Al]分为为1.329、1.052。当渣与钢 液 达 到 平 衡 时，相 应 渣 中 a(FeO)=4.08× 10-4，a(SiO2)=4.18×10-4。试 验 测 量 CaO-MgO-Al2O3-SiO2-FeO 渣 中FeO活度表明，γFeO约为2.2～4.7[13-14]。经理论计算与钢液氧位 达 到 平 衡 时 精 炼 渣 中 FeO 的 摩 尔分数(0.87～1.85)×10-4(质量分数约0.02 %)。Factsage热力学软件计算在1873K下6 % MgO-CaO-Al2O3-SiO2伪 三 元 系 a(SiO2)、a(Al2O3)和 a(CaO)的等活度线如图1所示，可见w(SiO2)≤15 %，R ≥4区域，存在渣的a(SiO2)≤4×10-4。

　　工业试验生产5炉无取向电工钢，分别在转炉出钢后、RH精炼前和 RH精炼后取渣样并进行成分检测。各 工 序 顶 渣 中 TFe和 SiO2含 量 变 化如图2 所 示。随 着 冶 炼 的 进 行，顶 渣 中 TFe和SiO2含量逐渐降低，渣的氧化性也逐渐降低，说明在精炼过程存在钢渣反应使 得钢液中 Als 被 氧化。精炼结束 后 顶 渣 中w(TFe)约 为0.86 %(折合w(FeO)为1.09 %)，可知实际生产情况顶渣的氧 化 性 高 于 理 论 值。RH 精 炼 前 后 顶 渣 中w(SiO2)由6.25 % 降 低 到5.01 %，为 避 免 渣 中SiO2被 钢 水 还 原，精 炼 后 顶 渣 中w(SiO2)要 控 制在5.01 %以下。

　　2.2 熔 点熔点是精炼顶渣的重要物性参数，主 要 作 用表现在成渣快、流动性好和吸附夹杂等方面。采用 Factsage7.2热 力 学 软 件 Phase 模 块 计 算 出6 % MgO-CaO-Al2O3-SiO2伪三元渣系熔点等温图如图3所 示，由 图 中1773～1873K的 等 液 相 线可以看出，在6 % MgO-CaO-Al2O3-SiO2伪 三 元 渣系中存 在 两 个 低 熔 点 区 域 A、B。结 合 图 1a等a(SiO2)图，区域 A渣系中SiO2含量较高，将造成钢水的二次氧化，不适合作无取向电工钢的精炼渣系。区域 B渣系具有低氧化性与高碱度特点，满足精炼要求。当w(CaO)/w(Al2O3)≈1.25时，渣系的熔点达到最低。因此，无取向电工钢精炼终点选 取 B 区 低 熔 点 顶 渣 (w(CaO)=50 % ～60 %，w(SiO2)=0～15 %，w(CaO)/w(Al2O3)=1.0～1.5)。

　　2.3 吸附 Al2O3能力工业生产实 践 表 明，无 取 向 电 工 钢 RH 精 炼脱碳 终 点 钢 水w(O)主 要 分 布 在 (200～500)× 10-6，加铝沉淀脱氧后可计算生成脱氧产物Al2O3的质量 分 数 为0.0425 %～0.1062 %，RH 精 炼结 束 钢 水 中 w(T.O) = 0.0015 % ～0.0020 %[2]。除去其他夹杂物的影响，在 RH 精炼过程吨钢约有0.43～1.06kg的 Al2O3被精炼渣吸附，Al2O3夹杂物的去除率在95 %以上，顶渣对Al2O3吸附能力很大程度决定夹杂物的去除率和钢水的洁净度。顶渣对 Al2O3夹杂物吸收能力与渣系a(Al2O3)和 a(CaO)有 较 大 关 系，低 a(Al2O3)有 利于钢中 Al2O3进入渣相，高 a(CaO)将促使渣中 CaO与 Al2O3生成低熔点钙铝酸盐[15-16]。计算1873K精炼渣的等a(Al2O3)和a(CaO)线如上图1b、图1c所示。由图1b可以看出，忽略相区w(SiO2)≥40 % 区 域，在 w(CaO)=50 % ～60 %，w(Al2O3)=30 %～40 %的区域 a(Al2O3)分布 在0.01～0.001，且 随 着 CaO 的 含 量 增 加，a(Al2O3)由0.05递 减 至0.002。在 R≥4，w(CaO)/w(Al2O3)在1.5～2的区域内，精炼渣的熔点大部分低 于1600 ℃，a(Al2O3)≤0.05，保 持 在 较 低 水平。图1c中 等a(CaO)可 以 看 出，w(CaO)=50 %～60 %，R≥4的 区 域 内a(CaO)分 布 在0.3～0.7，为液 相 区 的 CaO 高 活 度 区。w(CaO)/w(Al2O3)=1.5～2.0时，a(CaO)达到最大。

　　2.4 目标顶渣成分综合工业生产实际、精炼渣的氧化性、熔点及对 Al2O3夹 杂 物 吸 附 能 力，精 炼 脱 氧 合 金 化 过 程将生成大量 脱 氧 产 物 Al2O3，需 要 精 炼 渣 对 夹 杂物 有 较 强 的 吸 附 能 力，即 图 4 中 高 a(CaO)和 低a(Al2O3)区(w(CaO)=50 % ～60 %，最 优 区 域 R ≥4，w(CaO)/w(Al2O3)=1.5～2.0)。钢水合金化后，为减少精炼渣对钢液的二次氧化，尽可能降低精炼渣中FeO和SiO2的含量。同时，顶渣在吸附钢中夹杂物后，渣中 Al2O3含量会增加，而渣中w(CaO)/w(Al2O3)不断降低[17]。由图3中 渣 系等熔 点 线，当w(CaO)/w(Al2O3)=1.25时，渣 系的熔点达到最低，即精炼结束顶渣成分最佳在图3 中 最 低 熔 点 区 (w(CaO)=50 % ～60 %，w(SiO2)=0～15 %，w(Al2O3)=40 %～50 %)。

　　3 工业试验结果

　　为验证 RH 精炼过程顶渣成分对冶炼效果的影响，选取无取向电工钢工业生产过程中 A、B和C三组典型的精炼渣成分进行分析。通过对比精炼结束 钢 水 的T.O，钢 水 从 合 金 化 后 到 RH 出 站过程 Als损失和成品板表面缺陷率，以评价精炼渣的冶炼效果。其 中 A 渣 接 近 图4中 理 想 精 炼 渣成分范围;B 渣 在 RH 精炼前向钢包顶渣中加 入高铝质改质 剂 以 降 低 渣 的 氧 化 性，渣 系 中 Al2O3含量较高;C 渣 在 RH 精炼过程加入一定量脱 硫剂(CaO+CaF2)，提 高 渣 系 中 CaO 的 含 量 及 脱 硫能力。生产试验过程 RH精炼前后顶渣成分如表4所示，渣系成分变化如图5所示。　　无取向电 工 钢 RH 精 炼 过 程 中 A、B 和 C 三种精炼渣 的 冶 炼 效 果 如 图 6 所 示。精 炼 结 束 A渣成分靠近最低熔点区;而由于脱硫剂的加入，C渣中CaO含量较高，但熔点相对较高。由于 A和C精炼渣均具有高a(CaO)和低a(Al2O3)的特性，其精炼效果较好，相应精炼后钢水的T.O含量较低，冷轧产品的表面缺陷率小于等于0.6 %。

　　表4中 B渣中 Al2O3含量较高，a(Al2O3)较大，对夹杂物的吸附能力相对较差，精炼终点顶渣中w(CaO)/w(Al2O3)=1.09，顶渣已超出最低熔点区，将导致部分夹杂物未被有效去除，精炼结束钢水T.O和冷轧产品表面缺陷率分别达22×10-6和4.6 %。结合图5中试验过程 RH 顶渣成分变化可知，精炼前后顶渣中SiO2和 FeO含量降低。由于精炼渣与空气接触，精炼前添加高铝改质剂以降 低 渣 的 氧 化 性 的 效 果 不 明 显，反 而 增 加 渣 中Al2O3的含量及a(Al2O3);钢水由合金化后到精炼结束三组试验 Als 损失量也相差不大。因 此，不 建议在精炼前选用高铝改质剂降低顶渣氧化性，而考虑在转炉出钢过程增加石灰加入量以稀释炉渣氧化性和增加渣碱度。

　　4 结 论

　　1)无取向电工钢精炼过 程顶渣中 FeO 和SiO2会造成钢 液 的 二 次 氧 化，结 合 理 论 计 算 和 工业试验，渣中FeO和SiO2质量分数应分别不大于1.09 %和5.01 %。2)理 想 RH 精炼过程顶渣成分范围为w(CaO)= 50 % ～ 60 %，R ≥ 4，w(CaO)/w(Al2O3)=1.5～2.0，精炼结束时渣系接近低熔点，w(CaO)/w(Al2O3)≈1.25。3)RH 精炼顶渣优化后，精炼结束钢水的w(T.O)降 低 8×10-6，冷轧产品表面缺陷率由4.6 %降低0.3 %，精炼顶渣冶炼效果优异。