【论文介绍】Ar-O2气体去除硅铁合金中金属杂质研究
01
研究背景
目前我国铁合金的产量约占世界总产量的40%，其中产量的90%应用于钢铁生产。硅铁合金应用最为广泛，是钢铁行业常用的脱氧剂和合金剂。由于硅铁合金产品中含有一定量的铝、钙、钛等杂质元素，用于炼钢生产中时，这些杂质元素会被带入钢液进而造成污染。随着钢液洁净度要求的不断提高，硅铁合金中杂质元素的影响也逐渐被重视。
为了满足高洁净度钢种冶炼要求和连铸过程顺行，钢铁企业对硅铁合金的纯净度提出了更高的要求，铁合金企业也开始着手生产低杂质含量的硅铁合金。生产高纯净度的硅铁合金有两种方式：（1）使用高纯度的冶炼原料；（2）利用高效、低廉的精炼技术提纯硅铁合金。前者成本较高且生产出来的高纯硅铁合金不可避免地受到容器、气氛等影响而造成二次污染，因此推广与应用受限；后者经济性好、可操作性强，常用的精炼手段有吹气精炼、造渣精炼、吹气-造渣联合精炼。
基于此，本文着重考察吹气精炼方法，通过硅铁合金顶吹Ar-O2气体的精炼方式去除硅铁合金中的金属杂质，以期提出一种易操作、低成本、高效率的硅铁合金精炼工艺。
02
结果展示
图1为精炼前硅铁合金的背散射图像，可以看到：初生硅相颜色较深，硅铁共晶相颜色较浅，在硅铁共晶相中还发现颜色异于硅铁的杂质相，形貌为不规则的多边形。经EDS检测这些杂质相主要含有Al、Ca、Ti，由于含有各元素的成分不同，呈现出不同的颜色：含Ti高的杂质相颜色最亮，含Ca高的杂质相颜色次之，含Al高的杂质相颜色最暗。
图2为硅铁合金中典型杂质相元素的面扫描结果，从图2（a）可以看出：精炼前硅铁合金中杂质相主要含有Al、Ca、Ti，以及少量Mg，并且Al、Ca富集至一相，Ti富集至另一相。精炼前硅铁合金中杂质相尺寸大，总长度约74 μm，其中含Al和Ca杂质相长度约30 μm，含Ti杂质相长度约20 μm，分布区域广；从图2（b）中可以看出：吹气精炼120 min后硅铁合金中杂质相仍以Al、Ca、Ti为主，含有少量Mg，杂质相总长度约24 μm，其中含Al和Ca的杂质相长度约8 μm，含Ti的杂质相长度约6 μm。
图1 精炼前硅铁合金中杂质相背散射照片
图2 硅铁合金中杂质相元素的面扫描结果
（a）Ar-O2吹气精炼前；（b）Ar-O2吹气精炼120 min后
图3为ICP-AES定量检测硅铁合金中Al、Ca、Ti杂质含量的结果，硅铁合金原料中杂质Al、Ca、Ti含量分别为1.11%、0.31%、0.11%；吹气精炼120 min时，Al、Ca、Ti杂质含量分别为0.42%、0.014%、0.094%，去除率分别为62.16%、95.48%、14.54%。由此可以看出，硅铁合金中顶吹Ar-O2气体能够有效去除Al和Ca杂质，但Ti杂质元素去除效果不明显；在此条件下，吹气精炼45 min后，精炼反应趋向于平衡，单纯延长吹气时间不能够明显改善精炼效果。
图3 硅铁合金中杂质含量和去除率随吹Ar-O2气体精炼时间的变化
图4为硅铁合金中Al、Ca、Ti杂质在吹气精炼过程中的去除机理示意图，因为硅铁合金熔体中Si是其主要溶剂，Ar-O2气体吹入硅铁合金熔体后，在气体-硅铁合金界面进行反应：①Si被氧化生成SiO2；②硅铁中的Al、Ca、Ti杂质被SiO2氧化对应生成Al2O3、CaO、TiOX，同时部分TiOX 和杂质Al、Ca反应被还原；③Al2O3、CaO、TiOX 跟随气泡上浮去除，达到精炼提纯的效果。
图4 硅铁合金中吹气精炼去除Al、Ca、Ti杂质机理图
03
结论
(1) 硅铁合金中主要含有Al、Ca、Ti杂质相，且其灰度明显区别于硅铁合金基体。吹气精炼5 min时，Al和Ca含量分别急剧降低至0.66%和0.13%；吹气精炼45 min后，杂质元素去除速率变缓，精炼反应趋于平衡；吹气精炼120 min时，Al、Ca、Ti含量分别降低至0.42%、0.014%、0.094%，去除率分别为62.16%、95.48%、14.54%。
(2) 吹气精炼机理为：首先Si被氧化生成SiO2；然后硅铁中的Al、Ca、Ti杂质被SiO2氧化对应生成Al2O3、CaO、TiOX，同时部分TiOX 和杂质Al、Ca反应；最后Al2O3、CaO、TiOX 跟随气泡上浮去除，达到精炼提纯的效果。
原文出处：
Ar-O2气体去除硅铁合金中金属杂质研究
张彦辉，李亚琼，雷勋惠，张立峰
材料工程，2021，49（2）：66-72
Doi：10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000468
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