硅钢是节能的重要功能材料，被广泛应用于电力工业、家电工业的各种电动机、发电机、变压器等，尤其是无取向硅钢，年产量超过200万t。硅钢和其它金属材料一样，其性能主要由内部组织结构控制，而组织结构的确立与其化学成分密切相关。由于冷轧硅钢对炼钢的化学成分以及夹杂物要求极高，而化学成分和夹杂物均和冶炼过程的炉渣密切相关，因此研究冷轧无取向硅钢冶炼过程中炉渣化学成分的变化，对顺利开发出满足后部工序要求的无取向硅钢具有重要意义。
1、冷轧无取向硅钢冶炼工艺路线
根据冷轧无取向硅钢的化学成分范围及其它要求，在炼钢环节生产冷轧硅钢的工艺路线为：铁水脱硫→转炉冶炼→（LF）→RH精炼→连铸。冷轧无取向硅钢的化学成分如表1所示。
表1：冷轧无取向硅钢的化学成分（质量分数）
%
|
C
|
Si
|
Mn
|
P
|
S
|
Als
|
|
≤0.0080
|
0.2~2.0
|
0.10~0.60
|
≤0.080
|
≤0.020
|
≤0.60
|
2、冶炼工序炉渣成分变化
分别在转炉吹炼终点取炉渣样，出钢后、进入RH、RH处理脱碳后（脱氧之前）、RH精炼结束取钢包顶渣样，连铸坯浇铸5m、15m、25m和35m时取中间包顶渣样，同一位置至少取10罐次以上，分析各工序渣中的TFe、MnO、Al2O3、SiO2、CaO、MgO、P和S等化学成分及碱度，取其平均值汇总于表2。
表2：冷轧无取向硅钢各工序炉渣的平均化学成分
|
取样地点
|
ω（TFe）/%
|
ω（MnO）/%
|
ω（Al2O3）/%
|
ω（SiO2）/%
|
ω（CaO）/%
|
ω（MgO）/%
|
ω（P）/%
|
ω（S）/%
|
碱度
|
|
转炉终点
|
20.46
|
1.18
|
2.00
|
14.93
|
41.67
|
11.48
|
0.49
|
0.02
|
2.94
|
|
出钢后
|
16.57
|
8.61
|
14.42
|
10.45
|
37.53
|
7.31
|
0.22
|
0.02
|
3.69
|
|
入RH
|
17.07
|
9.53
|
16.05
|
10.26
|
34.80
|
7.31
|
0.20
|
0.02
|
3.45
|
|
RH脱氧前
|
16.17
|
10.31
|
18.53
|
10.37
|
32.10
|
7.39
|
0.17
|
0.02
|
3.18
|
|
RH结束
|
9.53
|
9.13
|
28.79
|
12.60
|
29.13
|
7.91
|
0.08
|
0.01
|
2.43
|
|
浇铸5m
|
1.40
|
0.19
|
41.45
|
7.47
|
45.63
|
1.14
|
|
0.19
|
6.18
|
|
浇铸15m
|
1.73
|
0.21
|
41.58
|
7.15
|
46.21
|
0.66
|
|
0.20
|
6.49
|
|
浇铸25m
|
1.80
|
0.22
|
41.68
|
7.30
|
46.03
|
0.64
|
|
0.22
|
6.31
|
|
浇铸35m
|
1.73
|
0.22
|
41.67
|
7.20
|
45.42
|
0.77
|
|
0.25
|
6.35
|
从表2可以看出，转炉吹炼终点时渣中的TFe含量较高，平均为20.46%。这是因为出钢碳含量较低，为0.03%~0.05%，造成钢水氧含量高，使炉渣中的TFe升高。TFe含量变化较大，介于15.25%~26.60%，这是操作不稳定造成的。终点时渣中的MnO、Al2O3含量较低，渣的碱度约为3。
出钢后，钢水罐内炉渣TFe、MgO、SiO2、CaO和P含量均有不同程度降低，MnO、Al2O3、S和R升高。这主要是因为进入钢水罐的转炉渣数量、脱氧合金（锰铁）和终渣改质剂的加入得到了控制。
从出完钢到进入RH的运输过程中，钢水罐内炉渣化学成分除Al2O3有部分升高外，其他化学成分变化不大。但RH处理脱碳后（脱氧之前），钢水罐内顶渣化学成分TFe略有降低，顶渣其他化学成分变化不大。这说明在脱碳过程中，顶渣中的氧并没有完全扩散到钢水中参与脱碳。
RH精炼结束后，钢水罐内顶渣中TFe迅速降低，从16.17%降到9.53%，降幅达到41.00%；渣中Al2O3含量升高，从18.53%升高到28.79%，升幅达到55.37%；渣中的SiO2含量也有所升高，但幅度不大，从10.37%升高到12.60%。这主要是因为脱碳结束后，加入了终脱氧剂铝和硅铁，渣中的脱氧产物Al2O3和SiO2很快升高。
连铸坯浇铸5m、15m、25m和35m时，中间包内顶渣化学成分中的TFe、MnO和MgO等化学成分含量非常低，Al2O3有一定的增加，说明有酸溶铝在不断损失，此时的顶渣化学成分主要由中间包覆盖剂决定，覆盖剂化学成分见表3。
表3：中间包覆盖剂中的化学成分（质量分数）
%
|
SiO2
|
Al2O3
|
CaO
|
Fe2O3
|
MgO
|
H2O
|
游离C
|
|
≤6.0
|
30~40
|
40~50
|
≤2.0
|
≤8
|
≤1.0
|
≤1.0
|
3、炉渣变化分析
3.1、渣中TFe含量变化分析
从表2中可以看出，和硅钢钢水接触的炉渣TFe含量在不断降低，其中，出钢过程中TFe由20.46%降低到16.57%，降幅达19.03%；RH处理TFe由17.07%降低到9.53%，降幅达44.17%；连铸处理TFe由9.53%降低到平均1.67%，降幅达88.48%，降幅最大。
3.2、渣中Al2O3含量变化分析
由表2可以看出，和硅钢钢水接触的炉渣的Al2O3含量不断升高，其中，出钢过程中Al2O3含量由2.00%升高到14.42%，升高6.21倍，升幅最大；RH处理Al2O3含量由16.05%升高到28.79%，升幅79.387%；连铸处理Al2O3含量由28.79%升高到平均41.59%，升幅44.46%。
Al2O3是钢中的脆性夹杂物，熔点较高，对硅钢的性能和表面质量影响很大，所以应该尽量降低钢中Al2O3含量。由于中间包渣中的Al2O3含量很高，所以，不仅要降低工艺过程中炉渣的Al2O3含量，还要降低中间包覆盖剂中的Al2O3含量。
3.3、渣中SiO2变化分析
由表2可以看出，和硅钢钢水接触的炉渣SiO2含量经过了降低、升高又降低的变化。SiO2含量在出钢过程和连铸过程降低，在RH处理过程升高。其中，出钢过程中，SiO2含量由14.93%降低到10.45%，降低30%；RH处理SiO2含量由10.26%升高到12.60%，升幅22.81%；连铸处理SiO2含量由12.60%降低到7.28%，降幅51.24%。
由于SiO2作为钢中的塑性夹杂物熔点较低，和Al2O3夹杂结合形成低熔点夹杂物易于上浮，因此适当增加钢中SiO2夹杂，降低Al2O3夹杂有利于钢水净化。而渣中Al2O3含量主要在出钢和RH过程产生，因此改变脱氧铝和硅铁的种类或加入顺序都可以达到改善钢中SiO2夹杂，降低Al2O3夹杂的目的。
3.4、渣中CaO、MnO、MgO含量和碱度变化分析
由表2可以看出，连铸之前，渣中CaO不断降低，直到中间包加入覆盖剂后升高。MnO在出钢时随着锰铁的加入而升高，而后变化不大，直到中间包后由于覆盖剂中不含MnO而降低到很低的水平。渣中MgO从转炉终点后一直降低，直到中间包由于覆盖剂中不含有MgO而降低到很低的水平。渣中的碱度在出钢后变化不大，直到中间包后由于覆盖剂中含有CaO而使其升高达到6以上。
3.5、渣中P、S含量变化分析
渣中P2O5含量在出钢后不断降低。而渣中S含量在出钢后至RH结束变化不大，但是在中间包时大幅度升高，很可能是中间包覆盖剂中硫含量高所致。所以为了进一步控制硅钢的硫含量，一定要降低中间包覆盖剂中的硫含量。
S、P在渣金间的分配系数见表4。由表4可以看出，出钢后到RH结束，S、P在渣金间的分配系数不断降低，RH处理并没有降低钢中的［S］和［P］。因此，可以在RH采取一定的措施通过提高S、P在渣金间的分配系数而进一步降低钢中的［S］和［P］。
表4：S、P在渣金间的分配系数
|
取样地点
|
（S）/［S］
|
（P）/［P］
|
|
转炉终点
|
3.96
|
56.75
|
|
出钢后
|
4.12
|
22.91
|
|
入RH
|
3.35
|
23.65
|
|
RH中
|
2.63
|
12.22
|
|
RH结束
|
2.02
|
7.49
|
|
浇铸15m
|
37.55
|
|
3.6、冷轧硅钢炉渣成分和IF钢对比
为更好区别硅钢和IF钢冶炼，将转炉终点、进入RH、RH处理结束以及中间包内的冷轧硅钢炉渣的化学成分及碱度和IF钢进行对比，见表5。由表5可以看出，转炉终点硅钢的碱度较低，比IF钢低1.93，导致SiO2比IF钢高5.61%，但TFe降低5.09%；在进入RH时，硅钢的TFe比IF钢低9.62%，Al2O3高13.85%；MnO高7.75%，碱度低2.95；CaO低10.45%；SiO2基本相同；在RH处理结束时，硅钢TFe低于IF钢7.64%，CaO略高，而在中间包，因下渣量有限，硅钢和IF钢炉渣成分基本相同。
表5：冷轧硅钢和IF钢炉渣化学成分的对比
|
取样地点
|
对比项
|
ω（TFe）/%
|
ω（MnO）/%
|
ω（Al2O3）/%
|
ω（SiO2）/%
|
ω（CaO）/%
|
ω（MgO）/%
|
碱度
|
|
转炉终点
|
硅钢
|
20.46
|
1.18
|
2.00
|
14.93
|
41.67
|
11.48
|
2.94
|
|
LF钢
|
25.55
|
1.17
|
2.02
|
9.32
|
42.42
|
10.23
|
4.87
|
|
|
差
|
-5.09
|
0.01
|
-0.02
|
5.61
|
-0.76
|
1.25
|
-1.93
|
|
|
入RH
|
硅钢
|
17.07
|
9.53
|
16.05
|
10.26
|
34.80
|
7.31
|
3.45
|
|
IF钢
|
26.69
|
1.79
|
2.20
|
10.18
|
45.25
|
10.92
|
6.41
|
|
|
差
|
-9.62
|
7.75
|
13.85
|
0.08
|
-10.45
|
-3.62
|
-2.95
|
|
|
RH结束
|
硅钢
|
9.53
|
9.13
|
28.79
|
12.60
|
29.13
|
7.91
|
2.43
|
|
IF钢
|
17.17
|
8.88
|
29.47
|
9.77
|
23.78
|
7.16
|
2.56
|
|
|
差
|
-7.64
|
0.25
|
-0.68
|
2.83
|
5.35
|
0.75
|
-0.13
|
|
|
中间包
|
硅钢
|
1.66
|
0.21
|
41.59
|
7.28
|
45.82
|
0.80
|
6.33
|
|
IF钢
|
1.31
|
0.34
|
40.30
|
7.04
|
42.34
|
2.89
|
7.24
|
|
|
差
|
0.35
|
-0.13
|
1.29
|
0.24
|
3.48
|
-2.09
|
-0.91
|
从以上的对比中可以看出，尽管二者工艺路线相似，但硅钢顶渣的TFe含量在冶炼工序明显低于IF钢，尤其是在RH处理结束时，这主要与二者钢种设计的差别有关。IF钢中合金总含量不足0.5%，而硅钢约为3.0%，而渣–金间又总是处于动态相对平衡中。另外，单元素Si又呈1~2个数量级差别，因此，硅钢顶渣中SiO2含量明显高于IF钢。表6为RH结束时IF钢成分。
表6：RH结束时IF钢成分（质量分数）
%
|
C
|
Si
|
Mn
|
P
|
S
|
Als
|
T［O］
|
|
0.003
|
0.025
|
0.15
|
0.010
|
0.005
|
0.040
|
0.004
|
4、存在的问题及解决措施
通过上面的分析可以得出目前硅钢生产中存在以下问题：
（1）冷轧无取向硅钢转炉吹炼终点时渣中的TFe含量较高，而且变化范围较大；
（2）中间包覆盖剂中的Al2O3及硫含量偏高；
（3）精炼过程中顶渣SiO2含量偏低；
（4）RH处理未能降低钢中的S和P含量。
针对以上问题采取相应措施如下：
（1）为降低转炉吹炼终点时渣中的TFe含量及变化范围，采用复合吹炼和提高终点命中率等措施；
（2）改换低S、低Al2O3含量的中间包覆盖剂；
（3）控制转炉下渣量，提高顶渣碱度，进而提高S、P在渣–金间的分配系数。
（4）转炉炉后脱氧和顶渣改质改用部分硅铁代替脱氧铝，同时RH脱氧先加硅铁后加铝。合金的加入顺序是一个重要环节，其对RH脱氧合金时炉渣的成分及碱度的影响见表7。
表7：RH合金加入顺序对炉渣成分的影响
|
合金加入顺序
|
ω（TFe）/%
|
ω（MnO）/%
|
ω（Al2O3）/%
|
ω（SiO2）/%
|
ω（CaO）/%
|
ω（MgO）/%
|
碱度
|
|
先加硅铁后加铝
|
7.20
|
9.18
|
18.32
|
23.40
|
29.78
|
9.71
|
1.27
|
|
先加铝后加硅铁
|
7.59
|
7.43
|
27.72
|
14.05
|
31.69
|
8.13
|
2.46
|
|
差
|
-0.39
|
1.75
|
-9.40
|
9.35
|
-1.91
|
1.58
|
-1.19
|
由表7可以看出，先加硅铁后加铝和先加铝后加硅铁的区别是RH结束时，前者渣中的SiO2数量升高9.35%，Al2O3降低9.4%，碱度降低1.2。就达到了降低渣中脆性夹杂物含量，提高塑性夹杂物含量的目的，并进一步提高了钢水的纯净度。
在实际生产中，由于首罐钢水第一次接触相对低温的中间包，因此，必须提高第一炉钢水温度。通常将第一炉钢水进入LF升温，在升温的过程中LF炉造渣，导致第一炉炉渣的化学成分和其他炉次也有一定的差异，见表8。
表8：经LF炉处理后炉渣化学成分变化情况
|
处理工艺
|
ω（TFe）/%
|
ω（MnO）/%
|
ω（Al2O3）/%
|
ω（SiO2）/%
|
ω（CaO）/%
|
ω（MgO）/%
|
ω（S）/%
|
碱度
|
|
经LF入RH
|
18.91
|
8.97
|
13.54
|
11.090
|
34.22
|
7.35
|
0.007
|
3.11
|
|
直接入RH
|
17.30
|
6.82
|
15.90
|
8.265
|
40.10
|
6.24
|
0.009
|
4.93
|
|
差
|
-1.61
|
-2.2
|
2.36
|
-2.830
|
5.88
|
-1.10
|
0.002
|
1.82
|
5、结论
（1）为降低顶渣对硅钢液的影响，必须降低转炉吹炼终点渣中TFe含量，使用低S、低Al2O3含量的中间包覆盖剂。
（2）为降低渣中脆性夹杂物含量，提高塑性夹杂物含量，硅钢生产时RH的脱氧及合金化过程需先加硅铁后加铝。
（3）硅钢首罐需经LF处理，提高温度并降低渣中TFe。
收稿时间：2013年2月
来源：鞍钢
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