1、FeSi合金殘余元素及對鋼清潔度的影響FeSi Residuals and Their Effects on Steel Cleanliness硅在鋼包中可以起到脫氧作用，特殊要求的鋼種通過加入硅來提高所需要的性能。鋼中加入的硅合金有幾種塊狀材料，主要是兩種，一是硅錳合金，其中的Mn含量約為65%，硅含量約為20%，很多鋼種的鋼板在冶煉中都需要這類合金。另一種是硅鐵FeSi，其中的硅含量為55-75%。Nucor Steel Tuscaloosa 鋼廠受到高位料倉的限制，只能儲存一種鐵合金，所以本文是討論使用75%FeSi作為合金塊料加入到鋼包中的情況。硅鈣線在精煉后期的鈣處理喂入，這將導致一

2、小部分的硅元素進入到鋼中。塊狀的FeSi合金含有一些殘余元素，包括：Ca，Al，Ti，Mn和O。這些殘余元素的含量取決于鐵合金的制造方法，而不同的供應商提供的合金，殘余元素含量的不同造成波動大，另外用戶對這些殘余元素的要求也不同，變化范圍大。FeSi合金塊料里面的Ca含量范圍為0.15-1.8%。按照性能要求來決定硅在鋼中的含量，計算出來需要FeSi合金用量。Ca的波動范圍也是非常大的。Tuscaloosa鋼廠生產的成品鋼板其硅含量范圍為0.03-0.40wt.%，鋼包內加入的FeSi含量，相當于0.2-20磅（0.23-9kg）的Ca進入鋼中。加上鈣處理的Ca含量，總共加入Ca的重量為30-

3、40磅（14-18kg），由此可見，FeSi合金的Ca含量就達到了需要量的50%。Nucor Steel Tuscaloosa工藝圖1是該工廠的精煉流程圖，第一步是出鋼，電爐出鋼期間加入石灰、Al和Mn，Al用于鋼水脫氧，出鋼后鋼包吊至精煉工位時候，完成鋼的“鎮靜”（即沉淀脫氧）。Al，CaO，造渣材料和鈣鋁酸鹽（CaAl）加入到鋼包中，形成所需要的精煉渣層，開始對鋼水脫硫。圖1 精煉工藝流程圖氬氣攪拌使得鋼包內的鋼水得到很好的混合，特別是在鋼渣界面上。理想的精煉渣用B3參數控制，即檢測渣的堿度，B3的計算見公式1。其它參數，如FeO，MnO也需檢測，目的是減少FeO和MnO在渣中的含量（即給

4、精煉渣脫氧）。精煉渣的FeO和MnO總量希望值低于2%。FeO和MnO的影響，Mendez團隊有較為詳細的闡述。B3 = %CaO/( %CaO + %Al2O3 ) 公式1精煉渣是整個精煉過程極為重要部分，液態渣的形成隔絕了大氣（避免氧氮的吸入）；形成的泡沫渣包裹了精煉電極的電弧；保護了鋼包的耐材不受弧光的侵蝕；吸收非金屬夾雜和脫硫。從出鋼到精煉工位時，鋼包內鋼水的硫含量在0.040-0.090%范圍內，必須脫硫，控制硫含量低于0.010%，在某些訂單中，產品要求硫含量低于0.005%。有效地脫硫條件是：鋼水中的含氧量低、具有足夠的渣來容納硫化物、高的鋼水溫度、良好的鋼渣混合。脫硫反應式見公

5、式2.3（CaO）+2 Al+3 S （Al2O3）+3（CaS） 公式2精煉渣建立后和完成脫硫任務后，LMF開始凈化鋼水，去除鋼中的非金屬夾雜。鋁加入到鋼包中用于脫氧，Al2O3是主要的氧化物，氧化鋁夾雜的存在不僅惡化了連鑄澆鑄條件，而且夾雜引起鋼材內部和表面缺陷。為了幫助消除鋼水中的氧化物，也就是沉淀脫氧形成的Al2O3，由底吹氬形成的氬氣泡將夾雜攜帶上浮進入渣中（氧化物/硫化物），由精煉渣來吸附這些夾雜物。假如精煉渣成分和渣量都是正確的話，精煉凈化鋼水過程就能夠將大型夾雜物從鋼水熔池中上浮吸附，這個過程有Pretorius和Dannert團隊進一步討論。鈣處理喂入的鈣線進一步處理仍然保留

6、在鋼中的夾雜，鈣和鋼水中的氧化鋁為主的夾雜組合成為鈣鋁酸鹽（鋁酸鈣）。粗略地說，形成50/50的CaO/ Al2O3的鋁酸鈣，這就是液態形式的鋁酸鈣夾雜，這個液態夾雜不會在連鑄中間包水口發生聚集成團現象，因而不堵塞水口。鈣處理希望得到的是液態的鋁酸鈣夾雜，也是可以減少連鑄中的二次氧化的發生（譯注：這里說的一旦發生水口堵塞就必須更換浸入式水口，燒氧捅開中間包水口，這樣造成了鋼水的二次氧化。），因此，穩定連續的LMF操作對連鑄工序正常生產極為重要。潔凈鋼水，提高清潔度對鋼材性能也是至關重要的，圖2是鈣處理前后夾雜的照片。喂入鈣線處理之后，需要一定時間的弱吹氬攪拌來保證均勻地變性處理和均勻鋼包內鋼水

7、溫度和成分。圖2 a為鈣處理前夾雜掃描電鏡照片；b為鈣處理后照片潔凈鋼的特征鋼水冶煉過程還沒有鋼清潔度的工業標準，許多公司致力于開發定量分析夾雜的方法，這些方法通常采用一些參數來描述夾雜特征，這些參數是：夾雜的大小尺寸，夾雜的體積分數，夾雜的類型，連鑄過程中固態夾雜和液態夾雜的比例，以及夾雜的分布情況。Nucor Steel Tuscaloosa鋼廠使用的方法稱為自動特征分析儀（AFA），使用掃描電鏡分析出鋼試樣、精煉爐試樣和連鑄機結晶器內取的試樣，用三元相圖來表達夾雜的分布和尺寸。圖3是鈣處理后夾雜分布和大小的例子，圖中黃色框內是所希望得到區域，即使并不是所有的夾雜都落在黃色框內，但主要的夾

8、雜都在其內，或者在其附近區域，我們都認為得到了較好的處理結果。這個區域是鋁酸鈣的液化區域。圖3 AFA分析儀Al-Ca-Mg和Al-Ca-S三元相圖，反映鋼的清潔度和夾雜變性鈣處理不足將惡化連鑄條件，導致鋼水中存在較多的固態夾雜，這是連鑄水口堵塞主要原因之一。鈣處理過分是由于加入的金屬鈣量太大，加大了生成CaS的傾向，增大了鋁酸鈣的尺寸。鈣處理原則之一是寧愿鈣處理過一點，也不要鈣處理不足。鈣處理不足引起連鑄可澆性問題，而且鋼中的夾雜對成品鋼材的性能是有害的。由于每一爐鋼水的條件都在變化之中，Nucor Steel Tuscaloosa鋼廠所期望的的鈣處理實際上是稍微過一點。試驗過程試驗背景取決

9、于FeSi合金的加入量和殘余元素Ca的含量，以此的Ca含量來計算精煉后期的鈣處理應該需要的喂線量。在Nucor Steel Tuscaloosa工廠的試驗開始是成功的，然而，FeSi合金里面的硅含量波動很大，變化量范圍為0.15-1.25wt.%，這么大的波動都沒有辦法來計算后期鈣處理喂線量，而且在連鑄過程中馬上就可以看到塞棒不正常地跳動，見圖4。每一爐鋼喂鈣線約為30磅（14kg），由于FeSi合金殘余Ca的波動，加入到鋼水中的Ca要減少或者增加10-20wt.%的量，冶煉的鋼種都是含硅鋼。這個時期收集到的數據用AFA分析儀產生的三元相圖來看是不穩定的鈣處理過程，該試驗的一些三元相圖見圖5，

10、期試驗爐號采集的數據見表1。所有爐號具有相同的FeSi合金加入量，相同的加入時間和類似的喂線條件，喂線400英尺（122米）的爐號結果表明在圖5的三元相圖中。由于Nucor Steel Tuscaloosa鋼廠的空間限制，分開擺放各種批次的FeSi合金料困難，由于各批次合金料含鈣量不一樣，這樣加入到鋼中的殘余元素波動相當大。使用其他方法來確定合金的鈣含量今后將會考慮。（譯注：這段話的意思是FeSi合金塊料沒有能夠按照質保書中鈣含量分批堆放，都混放在同一地方，或者是放在同一的高溫料倉中，現場使用合金時，也不知曉加入的殘余鈣量是多少，對后續的鈣處理需要量無法定量給出。）圖4 塞棒運動曲線。A正常狀

11、態，b水口堵塞狀態圖5 喂線鈣處理三元相圖，所有的爐數喂線400英尺（122米）表1 喂線鈣處理試驗數據夾雜指數夾雜平均直徑固態夾雜比例%硅鈣線長度英尺變性狀況223.25500稍微過132.78500稍微過183.48400過渡222.510400過渡192.015500過渡172.513400稍微過192.015400欠處理72.016400欠處理142.416350稍微欠+CaS191.916400稍微欠+CaS試驗布局試驗確定使用含鈣量低的的FeSi合金，鈣含量小于0.2wt.%，由于鈣含量低，形成CaS幾率減小。試驗不同時間加入合金來進行比較，加入FeSi合金塊料和喂線的時間見圖6所

12、示。出鋼后的精煉前期加入FeSi合金塊料，此時已經確定了鋼水中溶解氧的含量，對精煉渣的脫氧也已經開始進行。這是鋼水包到達了精煉工位，精煉開始階段的前5分鐘。推遲加入FeSi合金塊料是在鋼水脫硫完成后進行的，在FeSi合金加入之前需要將硫含量控制在0.010%以下，一旦脫硫目的達到，開始擴散脫氧和去除鋼中非金屬夾雜，氬氣攪拌的強度就可以大大降低。圖6 鐵合金加入位置流程簡圖為了收集準確的比較數據，使用了三卡車低鈣的鐵合金，分開堆放。試驗集中在精煉爐工序上，使用低鈣的FeSi合金塊料，同樣的操作者，至少兩個鋼種，不同之處是加入FeSi鐵合金塊料的時間不一樣。這兩個加入鐵合金事件的時間差很容易計算出

13、來，大約是鋼包精煉時間的1/3。鈣處理的喂線長度均保持相同，以便能夠比較標準的喂線量，也就是來判定鋼水是過渡處理，欠處理，還是理想地處理結果。前期添加FeSi合金的益處是能夠快速脫硫，這里除了一個特殊的合金之外都沒有推遲加入的問題，這樣就可以得到長時間的擴散脫氧凈化鋼水作用，操作者取樣較少。數據分析試驗爐號所有的取樣，這些棒棒糖形狀的試樣取之于每爐精煉不同時期和精煉結束后的取樣，以及每爐連鑄澆鑄重量達到一半時候的中間包取樣，這些試驗分別擺放以利于比較分析之用。這些特殊的試驗需要加工和拋光，為保證試驗的連續性和盡可能地代表最終的產品特征，也從結晶器內取樣分析。試樣準備好后，放在Aspex掃描電鏡

14、內進行AFA分析。這種特殊的分析產生了一些形式的數據，對于比較鈣處理后鋼的清潔度非常有用。數據包括6個不同的三元相圖，使用散點作圖的方式，依據夾雜物的大小尺寸給出不同的顏色；鈣處理區域；平均夾雜物直徑；平均夾雜物面積；夾雜指數；夾雜數量；不同類型夾雜的數量；分布圖和固相和液相之比餅圖。用于對比每爐鋼清潔度的夾雜指數是這樣定義的，就是夾雜的表面積和試樣掃描面積之比。報告中表示的每一個區域對于每個特別的鋼中都有一個最為成功的范圍。每個試樣截面用各種分析工具來確定其效果，因為不可能使用單個因素來全面描述夾雜的特征。AFA分析儀用來搜集和比較試驗中的每一爐鋼的夾雜特征。結果和討論開始的目標是減少鈣處理

15、的不一致性和改善鋼水在LMF精煉時期的清潔度，達到目標的手段是通過推遲加入FeSi合金的時間和減少喂線長度，看來是有效的。在“試驗背景”章節中陳述到，結果是不一致時就放棄這個目標和手段。第二階段采用前期加入FeSi合金料，發現其鋼中的清潔度指標好，而且呈現出非常好的一致性。經過60爐的試驗，從AFA分析到LMF精煉數據的手機整理，去掉某些異常的爐號，這些異常爐號包括：精煉時間長達1.5小時，在AFA分析儀上得到的夾雜少于325個，沒有達到所希望的精煉凈化時間，鈣處理后添加鋁線（大于75英尺，23米。），連鑄水口堵塞等，這些異常的爐號占到到試驗爐號的50爐以上，剩下可用的爐號數據添加合金時間基本

16、相同的。圖7 夾雜指數和FeSi合金加入量比較，黃色橫線是前期加入和推遲加入的均值夾雜指數給出了一個清潔度的廣義概念，圖7給出了夾雜指數和添加FeSi合金之間的關系（譯注：原文是加入Si量，但是圖7橫坐標標注的是FeSi合金，以磅為重量單位。）。數據劃分為兩組：紅色部分的直方圖表示前期添加FeSi合金；藍色的直方圖顯示的是推遲加入FeSi合金的夾雜指數。前期加入FeSi合金的平均夾雜指數為9.7，其標準偏差為2.9；推遲加入FeSi合金的平均夾雜指數為15.3，其標準偏差為5.0.前期加入FeSi合金的爐號表明夾雜指數有了非常明顯的改善，與推遲加入FeSi合金的爐數相比較，其夾雜指數的波動小。

17、這些數據概率意義（T-檢驗，或稱為學生T-檢驗）統計學上用于證明差異是否顯著，概率意義確定為0.035%，就指出了實際兩組數據組出現的差異有非常高的可能性，概率意義的可能性目標值將低于5%。圖8 每一爐的平均夾雜直徑和FeSi合金量關系，黃色橫線是前期和后期加入的均值圖9 每一爐的平均夾雜面積和FeSi合金量關系，黃色橫線是前期和后期加入的均值夾雜指數是對試樣進行電鏡掃描，其夾雜面積和掃描面積之比就是夾雜指數，也可以用來確定夾雜的平均直徑（見圖8），以及夾雜的面積（見圖9），可以看出圖7，圖8，圖9的圖形是相似的。用于夾雜指數的T-檢驗也用于數據組分析。夾雜指數所做的T-檢驗也可以用于數據組分

18、析，夾雜的直徑組數據的概率意義為1.02%，夾雜面積的概率意義為0.73%。圖10 AFA分析的三元相圖，a是前期加入合金，b是推遲加入合金從三元相圖可以看出來，不同時間加入FeSi合金塊料，兩組數據的夾雜指數表明了差異顯著，對后期的鈣處理效果也產生了不同的影響。73%的爐號采用了前期加入FeSi合金塊料，達到了所需要的稍微過處理變性的效果，推遲加入FeSi合金的爐號中僅僅時只有52%的爐號達到所希望的變性處理。圖中展示了前期和推遲加入FeSi合金的例子。表2 比較前期和推遲加入合金效果平均值前期加合金推遲加合計固態夾雜%10%14%CaS數量1932CaS %3.2%4.9%根據不同時間加入

19、FeSi合金塊料來看非金屬夾雜類型和數量，可見前期加入FeSi合金塊料是有益的，正如表2所示，固態夾雜的的百分比，CaS夾雜的數量，以及CaS夾雜的百分比這三個指標看，前期加入FeSi合金塊料有明顯的益處。圖11 夾雜指數和凈化鋼水時間關系精煉時間的影響精煉合金化工作完成后，底吹氬形成的真空泡促使夾雜吸附上升，被渣吸收，這是十分有效去除鋼水中夾雜的方法。圖11比較了不同精煉時間與夾雜指數的關系，紅色的是前期加入FeSi合金塊料的爐號數據，藍色是推遲加入FeSi合金塊料的爐號數據。精煉時間延長明顯地降低了夾雜指數。前期加入FeSi合金塊料，夾雜有較長的時間上浮，去除夾雜的效果就好。圖11也表明了

20、如果推遲加入FeSi合金料，那么就需要更長的時間來上浮夾雜來清潔鋼水，才能達到前期加入FeSi合金塊料正常時間的效果。作為比較，精煉時間的顯著性檢驗，T-檢驗數值為2.8%，表明了很高的概率意義，即兩組數據差異是明顯的。圖12 夾雜指數和弱吹氬時間的關系弱吹氬時間的影響鋼包離開精煉站前需要進行弱吹氬攪拌，這是喂線鈣處理后夾雜變形和均勻鋼水成分和溫度的需要。前期和推遲加入FeSi合金塊料，在弱吹氬期間的對比見圖12，數據表明，前期和推遲兩種添加FeSi合金塊料方式后的弱吹氬，對減少非金屬夾雜的面積沒有影響。回歸的直線方程相關系數R2低于可接受的門檻值，說明相關性較好。回歸方程得到的直線和希望的趨

21、勢相反，即弱吹氬時間越長，夾雜指數越高。用T-檢驗這些數據的概率意義，說明了弱吹氬時間與夾雜指數無相關關系，經管弱吹氬對于精煉工藝中的均勻鋼水成分和溫度是非常重要的步驟，但是這些試驗數據表明弱吹氬時間長短對最終的夾雜指數沒有明顯的相關關系。（譯注：我不贊同這個觀點，應該是有一個弱吹氬的門檻值，比如10分鐘或者是15分鐘，超過這個門檻值后意義不大，但是否有相反的結論，我看不見得，文中的試驗數據太少，不足以提出這個論斷。）結論在使用鈣處理的鋼種冶煉中，必須考慮FeSi合金塊料帶進來的金屬Ca。由于Nucor Steel Tuscaloosa鋼廠空間的限制，以前的試驗數據不能使用。本研究使用了低鈣的

22、FeSi合金塊料，在精煉前期加入到鋼包內，這樣產生的有關Ca的夾雜進入到渣中吸附，然后再進行喂線鈣處理，對夾雜改性處理。將FeSi合金塊料加入的時間提前，鈣處理前就有充足的時間讓氬氣泡帶著夾雜物上浮，而且前期加入的FeSi合金，在連鑄澆鑄中，CaS的數量和固態夾雜的百分比減少，相應地平均夾雜面積和夾雜直徑也隨之減小，借助于可視的圖像和統計分析，這些特征被AFA分析方法證實。前期加入FeSi合金的爐數的數據表明70%以上的爐數得到了好的變形處理或者是稍微過渡的變性處理，這些都處在有效可控的范圍之內，是理想的澆鑄鋼水條件。從這些試驗得到的數據和分析結果，Nucor Steel Tuscaloosa

23、鋼廠已經改變了精煉工藝。致謝作者感謝Nucor Steel Tuscaloosa 鋼廠精煉爐團隊為試驗做出的努力，特別感謝Eugene Pretorius 和Helmut Oltmann為Nucor Steel Tuscaloosa鋼廠研發了不同的精煉工藝，參與試驗工作，貢獻出這方面的知識。最后，作者感謝Bob Williams為該項目占用了他的時間并做出了相當的努力工作。唐杰民翻譯于2015年12月底和2016年元月初原文< FeSi Residuals and Their Effects on Steel Cleanliness >，美國<Iron and Steel T

24、echnology>2015年第十期唐工水平不夠，希望能夠得到閱讀者的指教。 唐工閱讀體會這篇文章講述的單獨使用FeSi合金塊料鐵合金化過程，這是美國Nucor這家鋼廠倉庫和高位料倉受到了限制，造成了難以控制合金料中的Ca的含量。從國內采購來看，不管采購哪一家的硅鐵，都可以提出Ca含量的要求，或者是固定一家供應商或者是少數幾家鐵合金供應商提供所需的硅鐵，硅鐵內Ca含量就可以要求固定在一個較窄的范圍內。從我冶煉的實踐來看，一般鋼廠生產合金結構鋼，大多數的鐵合金加入是在出鋼時期，也就是在轉爐或者電爐的平臺上完成，這個地方的高位料倉一般較多，有硅錳鐵，錳鐵，硅鐵，在出鋼期間將大部分的合金料加入

25、到鋼包內，一般來說錳、硅，鉻使用量大的合金在出鋼期間要加到要求總量的80-90%，剩下的在精煉爐少量準確添加，這樣就可以大大減輕精煉工序的壓力，提高合金元素到位率。精煉爐高位料倉相對來說比較小，里面存放有各種合金，主要就是錳鐵，硅鐵，硅錳鐵，鉻鐵，石灰等。這里面的鐵合金主要是根據精煉爐取樣分析后，補充合金不足。至于用量少，價格高的合金，比如鉬鐵，鈮鐵，由于是微合金化元素，用量很少，比如100燉的鋼包，鈮含量為0.03%，加入的鈮鐵重量就為46kq，則是人工精確稱重后加入到爐內的，指望高位料倉的皮帶秤是不靠譜的，只能用爐前的小地磅來稱重，人工加入到鋼包內。鉬鐵，鎳板都是這樣加入進去的。精煉爐加入

26、大宗鐵合金時間也是要注意的，鋼包達到精煉爐時候，馬上加入頂渣材料，此時造渣是第一位的，然后分析鋼水成分，盡可能早的將大宗合金前期加入。大宗合金內的非金屬夾雜物相當多，雜質也多，前期加入形成的氧化物可以及時上浮進入渣中，給后面的鋼水凈化創造條件。我不贊同等待脫硫任務完成后再來加入大宗的鐵合金，這是因為精煉造白渣需要一定的時間，一般在5-10分鐘，如果等到脫硫任務完成再來加入大量的鐵合金，就需要大大延長精煉時間。為什么美國Nucor這家工廠這樣做，我猜想他們的電爐效率不高，也就是50-60分鐘一爐鋼，有足夠的精煉時間處理凈化鋼水，圖11給出鋼水凈化時間大約在20分鐘，考慮到造白渣、加入鐵合金、脫硫需要20分鐘時間，測溫取樣，總共就需要了40多分鐘精煉時間，加上鋼包的進入退出和弱吹氬，時間將更長，對于轉爐來說這個時間是不能忍受的。我主張大宗合金只能在出鋼時候加入，即沉淀脫氧和加入鐵合金基本上同時進行，而且在出鋼的時候鋼包頂渣相當大的部分也是在這個時候加入到鋼