Ti元素对电工钢性能的影响研究
时间：2023-02-11 09:15:09 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
邱 凯
(马鞍山钢铁股份有限公司第四钢轧总厂 安徽马鞍山 243000)
硅钢也叫“电工钢”，是一种含碳极低的硅铁软磁合金，主要用在各种变压器和电机的铁芯中，由于其出色的性能硅钢又被作为军工产品和电子设备中的软磁合金[1]。由于硅钢的冶炼复杂，成分要求吝啬，所以相比于普通钢铁冶炼更为严格，尤其是硅钢产品中的取向硅钢，更是被誉为现在钢铁冶金中的佼佼者[2]”。
电工钢的合金元素基本可分为三大类元素。第一类：基本合金元素，如Al、Si、Mn等，此类合金元素只要控制到一定的范围可以有利于钢水的脱氧性和促进钢水中碳的石墨化，从而使成品硅钢的磁性和热脆性加以提高；
第二类为杂质元素，如C、S、N、O、Ti、Zr等此类元素会在钢液中与氧气发生化学反应从而使成品板坯产生夹杂从而影响成品板材的质量；
第三类为微量元素，此类元素的含量对钢液的成分不会引起较大的影响，一些微量元素的合金还有利于提升钢水的磁性[3]。
硅钢中的Ti元素的可以在硅钢中形成细小的TiC、TiN以及TiO2等，这些化合物的形成会在退火工艺发生时会阻碍晶粒长大，从而影响板坯的各项性能指标，因此在冶炼中要减少此类元素的含量[4]-[6]。
钛是通过生成有害的TiN沉淀析出来产生影响的[7]-[8]，研究表明，Ti=0.0007%析出相颗粒尺寸主要在1-3 μm范围内，其含量占70.59%；
Ti=0.0013%时析出相颗粒尺寸主要小于2 μm，含量占82.74%。Ti=0.0007%的析出相尺寸<1 μm与Ti=0.0013%时的析出量少了15.69%[9]。Ti元素除其本身可能形成TiC、TiN以及TiO2等析出物，其对成品板坯的基础力学性能，与板坯夹杂等产生很重要的影响。因此控制无取向硅钢中的Ti是板坯冶炼中的一项必要的技术指标。本文将结合马钢四钢轧总厂的实际硅钢生产，从而得出Ti元素对硅钢性能的影响。
在转炉炼钢期间，Ti元素主要是以游离状态存在于铁水中，在转炉兑铁水时，游离中的Ti会迅速氧化成TiO2进入渣中，此时，钢液中的化学成分基本不会含有Ti。但是在精炼工序中，随着进行RH脱氧、合金微调加入大量的铝粒之后，钢液被Al元素大面积脱氧，从而导致渣中TiO2开始被Al元素大量还原，Ti元素会重新以游离状态进入到钢液中，进而与硅铁合金中含有的Ti含量共同形成微量有害元素Ti存在。
目前大量的研究发现，TiO2在顶渣中的含量越高，其在精炼中被还原出的Ti离子就越多。如果不对顶渣的渣量加以控制，会对成品板坯造成一些不可逆的影响。尤其在一些无取向硅钢中，由于Al元素的加入量比较多，从而导致钢液中的Ti元素也就越多。在后续进行合金微调中由于钢液中的废气与氧气在抽真空的过程中被大量的排出钢液，后续添加的合金中含有的Ti就不会被氧化，而是直接以游离态的形式进入钢液，从而导致钢液中Ti含量增加。
2.1 近期冶炼炉次钛含量分析
在近期冶炼硅钢的过程中钛含量增高比较明显。对于高牌号硅钢，其钛含量的变化如图1所示。
图1 RH处理过程中Ti含量(%)的变化
图1中M1F为进站成分、M2F为加铝前成分、M3F为加铝后成分、M4F为喷粉前成分、M5F为喷粉后、M6F为出站成分。从图中可以看出钢中钛含量主要从加铝后开始逐渐增加，加铝后顶渣中的钛氧化物被还原进入钢水。
2.2 钢包状况对Ti的影响
表1 各炉次Ti/%含量变化
在生产中钢包的洁净程度是钢水成分的关键因素，表1是我厂6炉不同洁净钢包的对比，可以看出 D2-D4炉次的钢包相对洁净，而D1炉次与D6炉次钢包表面炉渣含量较多，经过洁净钢包与含渣量较多的钢包在生产中的对比，可以明显的看出洁净钢包在加铝后的Ti含量都维持在一个较低的范围，而渣量较多的钢包Ti含量都相对较高。
2.3 高牌号硅钢中铁水Ti和RH出站Ti的关系图
图2 高牌号硅钢中的铁水Ti和RH出站Ti含量的变化
从铁水Ti含量与RH出站Ti含量的关系表1可以看出，铁水含量在0.07%以下的时候RH出站的Ti含量较低，在铁水含量大于0.07%时RH出站的Ti含量大多都很高，从而导致出钢的Ti含量超标。
2.4 高牌号硅钢钢种处理时间和RH结束钛的关系
图3是近期硅钢冶炼时间与RH结束Ti含量的散点图，从图中可以看出硅钢的Ti含量在冶炼时长70 min之内都趋近于1.5×10-5，而在冶炼时间超过70 min硅钢的Ti含量成离散型态，由此可以看出冶炼周期对降低硅钢的Ti含量有着正相关的影响，在硅钢冶炼的过程中冶炼时间最好不要超过70 min。
图3 高牌号硅钢处理时间和RH出站Ti含量的变化
2.5 渣厚和RH结束钛含量的关系
图4 高牌号硅钢渣厚度与RH结束钛Ti含量的变化
从图4可以看出渣厚度与RH精炼的Ti含量成正比的关系，转炉下渣越厚RH精炼的Ti含量也越高，这是由于在钢水冶炼的过程中铁水中的Ti会以TiO2化合物的形态存在于炉渣中，在精炼工序中加入铝铁合金会使渣中的TiO2还原成游离Ti，所以为了使RH精炼中的Ti含量降低，必须要保证转炉出钢的挡渣效果，在图4可以看出转炉下渣厚度在30 mm的时候精炼的Ti含量维持在一个较低的范围，一但转炉下渣量超过30 mm的时候在精炼工序中的Ti含量会形成一个较大的增量，所以为了减少RH精炼工序中的Ti含量，需要保证转炉出钢挡渣效果，根据实际情况，减少下渣量，确保下渣量≤3 kg/t。
Ti在钢水中容易被其他游离态金属元素所氧化，硅钢中Ti元素的主要来源是由于铁水中的Ti，以及一些精炼合金中Ti的带入导致最后硅钢中Ti含量过高，其铁水中的Ti元素可以在转炉炼钢过程中被氧化成TiO2存在炉渣中，但在精炼加入合金化的处理过程中炉渣中的TiO2又容易被Al等元素所还原，因此将转炉炉渣加以优化，可以在一定程度上抑制精炼工序中TiO2的还原。所以硅钢中Ti含量的控制可以通过对钢液源头(铁水、废钢、辅料、合金等)成分加以控制、精炼RH工序中的合金加入成分加以控制、以及炉渣渣系组成优化三个方面进行[9]。在马钢四钢轧生产实践中通常采取以下措施进行控制：
优化生产组织，针对铁水条件安排硅钢生产，尽量使用Ti含量低的铁水(≤0.07%)；
强化废钢管理实行分类堆放，加强对含钛废钢的管控避免误使用含钛废钢，在硅钢生产时使用冷轧硅钢废钢切边料和钢区硅钢切头尾；
对含钛合金上料实行阶段性集中供料，执行《原辅料上料系统打料、清洗规定》，要求供料结束后对皮带和料仓进行供料清洗并适度空转，减少皮带和料仓等处钛合金的残留；
冶炼硅钢时保证转炉出钢挡渣效果，根据实际情况，减少下渣量，确保下渣量≤3 kg/t；
生产硅钢要确保钢包干净无包沿、包底、无残渣，要求采用合金微调站直上或者浅处理钢种的钢包并严禁使用IF钢钢包和LF炉钢包；
硅钢生产中要将RH处理周期控制在70 min以内。
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