李志波， 張寶富， 康東安

（鹽城市聯鑫鋼鐵有限公司技術研發中心， 江蘇 鹽城 224003）

摘 要：轉爐吹在煉過程中，鐵水中的釩會被氧化進入轉爐爐渣中，在放鋼過程中，部分含釩爐渣在前期進入鋼包中，利用出鋼時的鋼流對鋼渣混合物進行沖擊，以及在出鋼后期部分爐渣進入鋼包中，在吹氬攪拌的同時，含釩爐渣在硅鐵、碳粉、脫氧劑等還原劑的作用下，發生還原反應，產生一定的回釩量。

關鍵詞：下渣 吹氣攪拌 釩 含釩爐渣 釩氧化物

長期以來，鋼鐵行業都是我國的傳統優勢行業，占據了我國重要的經濟地位。而特種鋼材又是其中的主要構成。釩作為一種特殊的合金元素，尤其是在微合金鋼與低合金鋼的生產中發揮著關鍵作用。它在鋼鐵組織中的作用主要是增強淬透性和碳化物，并且能夠耐高溫，有強烈的二次硬化作用，對提高硬度有顯著作用，還能夠細化晶粒，穩定結構。當鋼鐵的基體組織中有釩的存在時，能夠有效提升鋼的綜合性能，改善其內部分子結構。在鋼鐵的生產過程中，釩會與鋼鐵中的氮元素及碳元素發生化學反應，生成氮化合物及碳化合物，從而利用其特殊的結構對鋼的強度產生影響。轉爐煉鋼環節中，經過氧化后的鐵水進入爐渣中，并與混合釩的鋼包爐渣進行混合，在惰性氣體的攪拌下進行化學反應，一部分爐渣中的（V₂O₅）會經過還原后重新進入鋼液當中，從而使鋼液中的釩上升。但是在轉爐出鋼過程中提高釩的加入量或成品成份釩不穩定會帶來鋼材強度的不穩定^[1]。

1 釩的性質和作用

1.1 釩的性質

當轉爐終渣氧化性較強、堿度較高時，終渣中釩應以五價態形式存在。利用日本理學（Rigaku）DmaX-RB、12 kW穩定陽極X射線衍射儀（銅靶）對轉爐終渣粉末樣進行X射線衍射測定，轉爐終渣內釩以Mg₃V₂O₈和Ca₃V₂O₈兩種物質存在，表明渣中釩為五價氧化物，即V₂O₅。常溫下釩的化學性質較穩定，但在高溫、真空或惰性氣體條件下能與碳、硅、氮、氧、硫、氯、溴、硼、磷、砷等大部分非金屬元素生成化合物（碳化物、硅化物、氧化物、硼化物、磷化物、砷化物等）^[2] 。

1.2 釩的作用

釩能顯著地改善普通低碳低合金鋼的焊接性能，還可細化組織晶粒，提高強度和韌性。在普通低合金鋼中，氮和釩形成氮化釩，可以起到細化晶粒和沉淀強化的作用。釩在低碳貝氏體中可產生明顯的析出強化作用。釩與碳形成的碳化物，在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力。釩是強碳化物形成元素，與碳的結合力極強，是強烈提高耐磨性的元素。釩還能克服磷在鋼中引起冷脆和嚴重惡化的焊接性能。

2 轉爐渣中釩氧化物的還原

1 600 ℃的煉鋼溫度下，元素在鋼中含量（質量分數）為0.1%時，鋼液中一些元素與氧的親和力由強到弱的順序為：

Re→Zr→Ca→Al→Ti→B→Si→C→P→Nb→V→Mn→Cr→W,Fe,Mo→Co→Ni→Cu

從以上順序中可見，常用的脫氧元素中的碳、硅、鋁、鈣等都有可能將爐渣中的V₂O₅還原至鋼液或者還原生成低價釩氧化物^[3]。

釩的氧化反應為：

4/5[V]+V₂ =2/5V₂O₅

ΔG=-563 166+163.39T

釩的氧化產物為五氧化二釩（V₂O₅），其熔點為670 ℃，在煉鋼過程中呈液態。轉爐在出鋼過程中，由于某種原因，造成出鋼下渣，爐渣中的（V₂O₅）在鋼水的高溫氛圍下可與合金脫氧元素中的碳、硅等元素發生反應，使爐渣中的（V₂O₅）部分還原或者生成低價釩離子。

2.1 硅還原釩氧化物

鋼水中的硅主要來自硅鐵、硅錳鐵、硅鈣鋇、硅鋁鋇等脫氧劑或合金中，硅還原轉爐渣中釩氧化物

主要發生如下化學反應：

V₂O₅（l）+5/2[Si]=2[V]+5/2SiO₂（s）

ΔG=-653 520+139.7T

2.2 碳還原釩氧化物

放鋼過程加入的碳粉以及喂碳線或補加碳粉中的碳元素與轉爐渣中釩氧化物主要發生如下化學反應：

V₂O₅（l）+5[C]=2[V]+5CO₂（s）

ΔG=900 770－905.665T

2.3 釩氧化物的還原熱力學

依據釩氧化反應的標準，其自由能變與溫度的關系，釩氧化物被硅還原的吉布斯自由能變均小于0，因此從熱力學層面而言這些反應都具可行性^[4]。

3 釩氧化物還原的主要影響因素

3.1 釩在鐵 / 渣間的分配比 Lv及影響因素

釩在鐵/渣間的平衡分配比可表示為：

圖 1 表示偽三元系（CaO+MgO）一（FeO+MnO）一（SiO₂+V₂O₅ +Ti0₂ +Al₂O₃ )中釩分配比Lv與爐渣成分的關系，其中渣中各組分以質量分數表示。由圖 1 可以看出，隨著爐渣成分向偽二元系（CaO+MgO）一（FeO+MnO）靠攏，釩分配比Lv值增大。在單因素影響方面，分析了渣中（FeO）含量、渣中（V₂O₅）含量、爐渣堿度對釩分配比Lv的影響。分析結果表明，隨FeO含量增加，Lv隨之增加；隨（V₂O₅）含量增加，Lv逐步減少；爐渣簡單堿度w（CaO）/（SiO₂）對Lv基本沒有影響。但爐渣復雜堿度B=

與Lv有明顯關系，釩分配比Lv隨B的增加而逐漸增加，但當堿度增加到1.5 左右時，Lv基本保持不變，如圖2所示。說明較低的FeO含量、較高的V₂O₅含量和較小的爐渣堿度B有利于獲得較小的釩分配比Lv，此種渣系有利于渣中V₂O₅的還原^[5]。

3.2 渣中V₂O₅的活度系數γV₂O₅及影響因素鐵/渣間V的平衡可用下列反應表示：2[V]+5[O]=V₂O₅（1）

反應的標準自由能變為：ΔG=－820 230+427.23T

由 ΔG=－RTlnK可得，1 600 ℃時，式（1）的平衡常數K=3.619。因此，渣中（V₂O₅）的活度系數可表示為：

冶煉熔渣中的（V₂O₅）的活度系數γV₂O₅的計算可以根據文獻中所提供的活度系數得出其數值約在10^-10左右。經研究鋼鐵冶煉的熔渣中（FeO）與（V₂O₅）含量及冶煉熔渣對γV₂O₅所產生的影響，實驗證明，（V₂O₅）含量增加，熔渣堿度變小，（FeO）含量也會隨之變少，而γV₂O₅值會增加。

經研究可知，隨渣中堿度增大和氧化性增強，渣中釩以五價釩離子存在的比例增大，即（V₂O₅）在氧化釩中的比例增加。（V₂O₅）占的比例越大，堿度越高，氧化釩與堿性氧化物結合得越牢固，在熱力學上應表現為釩的分配比Lv越大、渣中V₂O5的活度系數γV₂O₅越小^[6]。

通過以上分析我們可以看出，釩平衡分配比Lv隨渣中（FeO）含量減少、（V₂O₅）含量增加和爐渣復雜堿度 B 的減小而減小。渣中（V₂O₅）的活度系數隨渣中（FeO）含量減少、 （V₂O₅）含量增加和爐渣復雜堿度B的減小而增大，說明渣中FeO含量較低、堿度較小、V₂O₅含量較高有利于渣中氧化釩的還原。

4 結語

本文分析了轉爐終渣中氧化釩還原的可能性以及影響終渣中氧化釩還原的因素，在今后轉爐生產冶煉操作中，煉鋼工作者應根據轉爐拉碳情況、渣況以及鋼包下渣量，結合生產實際，控制好釩氮合金加入量以及爐渣的回釩量，穩定鋼水質量。