不同的合金元素在钢中具有不同的作用，钢中加入钽，可有效提高钢的高温强度和耐热性能。研究表明，钢中钽含量从0.027%增加到0.059%时，钢的强度和高温持久性将大幅提高。钽在元素周期表中位于第VB族，和铌一样，钽是强碳、氮化物形成元素。具有密度大（16.65g/cm3）、熔点高（2996℃）、耐蚀、优异的高温强度及低的韧-脆性转化温度等特点，被广泛应用于电子、化工、高温合金等领域。目前钽在炼钢中应用较少，钽是仅次于钨、铼的第3个最难熔金属，加热到高于500℃则加速氧化生成Ta2O5，钽和氮在300℃以上开始反应生成固溶体和氮化合物。在高温下，能与多种物质反应。
1 主要工艺设备和生产工艺
抚顺特钢第二炼钢厂钢锭生产工艺为：30t EAR→LF→VOD/CHD→模铸（下注），抚顺特钢第二炼钢厂主要装备参数如表1所示。
表1 第二炼钢厂主要准备参数
|
装备
|
项目
|
参数
|
|
EAF
|
电弧炉公称容量/t
|
30
|
|
变压器容量/MVA
|
12.5
|
|
电弧炉平均出钢量/t
|
31
|
|
LF
|
额定处理容量/t
|
30
|
|
钢液升温速度/（℃·min-1）
|
≥4
|
|
电极直径/mm
|
300
|
|
VOD/VHD
|
公称容量/t
|
30
|
|
最小钢水处理量/t
|
23
|
|
最大钢水处理量/t
|
35
|
|
最大氧流量/（m3·h-1）
|
1500
|
|
极限真空度/Pa
|
20
|
|
钢包自由空间/mm
|
570-775-1075
|
|
电极直径/mm
|
350
|
|
变压器公称容量/KVA
|
10000
|
|
钢液加热速度/（℃·min-1）
|
3~4
|
|
钢包底吹氩气流量/（L·min-1）
|
25~250
|
|
模铸
|
钢锭重量/t
|
0.71~27
|
|
浇注方式
|
模铸（下注法）
|
MHT10Ta钢的标准化学成分，如表2。工艺流程为：装料→30t电弧炉初炼→30t LF精炼→30t VOD/VHD吹氧精炼→模铸。
表2 MHT10Ta钢化学成分，9炉/%
|
项目
|
C
|
Mn
|
Si
|
S
|
P
|
Cr
|
W
|
V
|
Mo
|
Nb
|
N
|
Co
|
Ta
|
B
|
|
电极内控
|
0.10
~
0.18
|
0.10
~
0.25
|
0.15
~
0.30
|
≤
0.005
|
≤
0.012
|
10.00
~
10.75
|
1.70
~
1.85
|
0.15
~
0.25
|
0.65
~
0.75
|
0.04
~
0.06
|
0.010
~
0.035
|
3.00
~
3.50
|
0.07
~
0.13
|
0.007
~
0.009
|
|
目标
|
0.15
|
0.18
|
0.20
|
低
|
低
|
10.50
|
1.80
|
0.20
|
0.70
|
0.05
|
0.030
|
3.25
|
0.10
|
0.008
|
|
均值
|
0.126
|
0.159
|
0.189
|
0.001
|
0.007
|
10.300
|
1.780
|
0.197
|
0.690
|
0.05
|
0.025
|
3.22
|
0.089
|
0.008
|
1.1 电弧炉初炼
电弧炉采用氧化法冶炼，炉料由生铁和优质废钢组成。配C量在1.55%左右，保证电弧炉的去碳量和快速升温，电弧炉氧化至P≤0.004%，Si≤0.20%，温度T≥1690℃，扒净氧化渣。出钢条件：C≤0.60%，温度T≥1630℃。
1.2 LF精炼
电弧炉出钢后，吊扒渣台扒净氧化渣。LF到位加入白灰、萤石、铝钙渣，给电烧渣大于10min，过程采用纯C粉进行扩散脱氧，渣白取样全分析，样回调成分。T≥1650℃，各成分符合下部工序要求，吊至VOD扒渣台扒渣。
1.3 VOD/VHD工艺
VOD（Vacuum Oxygen Decarburization）到位扒净初炼渣，入罐取成分样，裸露钢水面80%以上，确认好钢水量。Ar气流量20~50L/min，设定真空度2.0×104~2.5×104Pa，开E5A-E4A泵，氧枪下降高度1200~1400mm，当真空度≤2.0×104Pa，开始吹氧，氧气流量设定300~360m3/h，然后根据实际情况进行逐渐提高，氧气流量最大不超过720m3/h，氧利用率设定65%左右。
在吹氧后期，开启极限真空泵。同时提高Ar气流量30~50L/min，逐渐降低氧气流量。当MTA碳氧分析仪曲线下降，实际吹氧量与理论耗氧量相当时，停止吹氧。停氧后，真空度≤100Pa，进行真空碳脱氧，保持3~5min。真空碳脱氧后，测温（吹后温度≥1600℃），加入渣料（白灰、萤石）及脱氧剂粉、Ca-Si块及部分合金料。开E5A-E1至极限真空度，提高Ar气流量至100L/min，真空度≤67Pa保持15min，破真空，取样。VOD还原渣主要成分和碱度见表3。
表3 VOD还原渣主要组分和碱度
|
渣的组成/%
|
碱度（R）
|
|
SiO2
|
Al2O3
|
CaO
|
MgO
|
FeO
|
|
17.7
|
16.62
|
52.35
|
9.18
|
1.0
|
2.97
|
入VHD（Vacuum Heat Degassing），小电流加热，温度T≥1640℃，炉中[Al]控制在≥0.02%，按0.125%加入钽条，加入金属钽时大氩气搅拌，确保钽条加入到氩气流上，搅拌15~20min后取样分析，若搅拌后温度偏低，可小电流加热。
理论耗氧量＝（入罐C%－预计C%）×钢水量＋0.93/碳氧利用率（0.6~0.8）＋入罐Si%×钢水量×0.80/硅氧利用率（0.90）＋入罐Al%×钢水量×0.63/铝氧利用率（0.9）。
1.4 浇铸
浇铸前15min进行模内充Ar，全程采用Ar气保护浇铸，浇铸锭型为Φ250mm（单重0.64t）电极棒，每锭盘12支，全炉浇铸42~45支。
2 实验结果及分析
采用EAF→LF→VOD/VHD→640kg模铸工艺共生产9炉Φ250mm圆电极棒。
由表4可以看出，9炉MHT10Ta钢的成品平均钽含量0.089%，最大值0.105%，最小值0.080%，钽的平均收得率为58.88%，最大值69.49%，最小值47.43。后期逐渐对过程参数进行了优化，钽的收得率稳定在60%左右。
表4 MHT10Ta钢中铝、氮、氧、钽的收得率
|
炉号
|
成品成分/%
|
钢水量/t
|
加钽温度/℃
|
钽条加入量/（kg·炉-1）
|
钽收得率/%
|
|
[Al]
|
[N]
|
[O]
|
[Ta]
|
|
121250
|
0.017
|
0.0232
|
0.0019
|
0.087
|
31.0
|
1630
|
52.90
|
50.98
|
|
121482
|
0.029
|
0.0240
|
0.0013
|
0.105
|
32.0
|
1636
|
48.35
|
69.49
|
|
121591
|
0.033
|
0.0235
|
0.0023
|
0.080
|
33.2
|
1617
|
56.00
|
47.43
|
|
121649
|
0.042
|
0.0253
|
0.0019
|
0.085
|
34.5
|
1643
|
19.50
|
59.24
|
|
121653
|
0.041
|
0.0253
|
0.0018
|
0.086
|
28.4
|
1652
|
42.00
|
58.15
|
|
121682
|
0.044
|
0.0232
|
0.0017
|
0.083
|
32.4
|
1641
|
46.40
|
57.96
|
|
121687
|
0.055
|
0.0253
|
0.0014
|
0.090
|
30.7
|
1640
|
45.60
|
60.59
|
|
121764
|
0.044
|
0.0251
|
0.0018
|
0.099
|
33.4
|
1644
|
51.00
|
64.84
|
|
121787
|
0.022
|
0.0247
|
0.0022
|
0.090
|
34.0
|
1647
|
50.00
|
61.20
|
|
平均
|
0.040
|
0.0244
|
0.0018
|
0.089
|
32.2
|
1639
|
19.08
|
58.88
|
2.1 Ar气搅拌对钽收得率的影响
氩气可有效改善冶金反应的动力学条件，加快钢水脱氧、脱硫、温度和成分的均匀。但是底吹氩流量大小、吹氩时间难以把握。如果吹氩流量过大，会造成裸露钢水面，过小起不到良好的搅拌效果，针对加钽时的氩气流量，通过摸索确定在100L/min左右为最佳。能确保钽最大限度的快速熔化，同时不造成钢水大面积裸露。
2.2 氮含量对钽收得率的影响
由于钽的化学性质很活泼，可以与许多非金属元素形成具有良好机械性能的化合物。钽和氮在300℃以上开始反应生成固溶体和氮化合物。
由图1（b）可见，随钢中氮含量增加，钽的收得率呈现下降趋势。由于此钢种有氮含量要求，氮含量必须控制在规格范围内。因此通过先进行氮的合金化，后加钽的方式来保正钽的收得率。
2.3 氧含量对钽收得率的影响
由图1（b）可以看出，钢中氧含量越高，钽的收得率越低。在实际冶炼过程中，钢水中[Al]≥0.020%时，对应的[O]溶解≤4.0×10-6，将钢中残余铝控制在0.02%~0.05%，通过底吹氩气搅拌，改善冶金反应的动力学条件，可将钢中氧含量控制在极低的水平。在VOD精炼后期，根据炉中实际[Al]，适量向钢中加入铝粒，保证加钽前炉中[Al]≥0.02%等措施，最大限度降低钢中氧含量。
图1 钢中氮含量（a）、氧含量（b）和钢液温度（c）对钽收得率的影响
2.4 温度对钽收得率的影响
对于密度大、熔点高的金属，温度越高越有利于其溶解，但是温度过高则会加快钢液的吸氧、吸气，对稳定钢中易氧化元素不利，同时温度过高，会加速钢包耐火材料的其实与剥落。
由图1（c）可以看出，随着加钽时炉中温度的提高，钽的收得率逐渐提高，但当温度大于1645℃时，钽的收得率又开始呈现下降趋势，因此，控制加钽时炉中温度在1635~1645℃，对钽的收得率最有利。
3 结论
（1）MHT10Ta钢生产时，加钽时控制炉中[Al]≥0.02%，最大限度的降低钢中氧含量，可稳定提高钽的收得率。
（2）改善冶金反应的动力学条件，调整底吹氩气流量至100L/min左右，可强化钢液搅拌效果，同时，温度控制在1635~1645℃，可有效提高钽的收得率。
（3）先进行氧的合金化（VOD底吹氮或加氮化铬），后加钽，可有效稳定钽的收得率。
（4）通过（1）~（3）的各项控制措施，钽的收得率可稳定在60%以上。
摘选自《特殊钢》2016年第2期
|
返回首页 
站点地图 
加入收藏 
English
