蘇圣龍
（南鋼板材第一煉鋼廠，江蘇 南京 210035）
摘 要：轉爐煉鋼過程中，鋼液脫氧處理的過程極為關鍵，其進程推進的效果決定了煉鋼最終的生產質量與產品的應用情況。若鋼液中氧氣含量過多，將必然降低產品的塑造效率，并導致其組織結構有較為明顯的疏松表現，甚至產生熱脆現象。本文簡述了煉鋼過程中的質量影響因素，并就煉鋼環節氧的產生與危害性進行了深入分析，闡述了煉鋼生產過程中轉爐煉鋼的常用脫氧工藝，希望能夠為同行業工作者提供一些幫助。
關鍵詞：煉鋼生產；展露煉鋼；脫氧工藝
鋼鐵產業的崛起與行業市場競爭的愈發激烈，使得各類鋼鐵企業提高了對產品質量與成本的重視，期望通過持續的生產工藝優化方式將產品的質量整體提升，繼而達到降低產品生產成本與保持鋼鐵企業市場競爭優勢的目的。以轉爐煉鋼生產環節為例，氧氣的產生對氧氣煉鋼的最終質量造成了極大的影響。因此，深入分析轉爐煉鋼的脫氧處理過程極為關鍵，這一環節工藝的優化在將鋼產品質量予以提升的同時，也是降低生產成本、建立高效良性鋼生產鏈條的重要基礎。
1 轉爐冶煉概述
轉爐冶煉原則是將直接氧化生鐵中的碳再加上其他有關雜質之后，可以制造得比鐵有更高化學和物理性能的鋼鐵。即生鐵與鋼之間的最主要差別，即碳的含量。如果碳的總質量分數不超過 2.1%，就可以產生鋼鐵。其次，在生鋼鐵中，當鐵與碳元素生成過飽和的固溶體時，其硬度和強度均會隨著鐵碳含量的提高而上升，但同時其韌性和可塑性也會降低。從而，生鋼材將具備更加優異的物理、化學和機械性能。可進行拉深、沖壓、熱軋等加工過程、以及沖磨、拉深等機械加工方式。而低合金鋼又是轉爐煉鋼的重點產品，因為它可以產生比傳統轉爐生產的脫碳速率更快、鋼中含氣量較少、生鋼材的熱塑性效果更佳、焊接能力和深沖特性更強等優勢，被廣泛用來生產低碳軟鋼絲、熱軋和冷軋薄板，以及冷彎型鋼和鍍鋅板。由此可見，各種硬鋼絲結構鋼和軸承鋼都早已得到了廣泛的應用。雖然在實際冶金過程中制造高碳鋼材存在著一些困難，但是它也可以改善生鋼材的生產質量。其重點就是可以降低碳牽引和脫磷，或者如果有輔槍，就需要直接通過輔槍進行操作。或者如果沒有輔槍，就必須在爐前快速分析，又或者由于高碳鋼終點溫度低，且脫磷時間較短，因此需要雙渣操作，主要是脫碳初期釋放初渣，初期釋放進入渣中的磷。然而，雙渣操作會導致更多熱量和鐵損失，因此通常不使用。
2 煉鋼過程中的質量影響因素分析及脫氧技術的現狀
質量與設備控制是煉鋼過程中應重點關注的環節，想要確保煉鋼基本要求滿足實際應用所需，就應對煉鋼各個生產環節予以深入分析，保證原料供給的穩定性與操作調節組織的合理性［1］ 。從實際的煉鋼情況來看，鋼爐是影響最終煉鋼質量的關鍵因素。以轉爐煉鋼環節為例，氧氣含量、鐵水處理等皆是應關注的生產重點，對由于氧氣含量的變化帶給轉爐煉鋼生產效果的影響進行全面分析，具有提升鋼鐵最終強度與整體質量的關鍵作用，具有極為重要的現實意義。
在冶金鋼鐵過程中，硅是最早的金屬去氧材料，硅的大量生產也就形成了鎮靜鋼。用硅去氧化物的最主要弊端就是去氧能力不夠，而且易形成去氧化物不完全和鋼皮下的泡沫過多問題；用大硅去氧化物，還會造成在鋼材中加入了大量的大硅鹽酸，對鋼材的使用性能也產生了不良影響；去氧化物后所產生的物質如 SiO2等也是一個強酸性式化合物，同時還會造成了鋼液中磷和硫的大量回收問題。到了 20 世紀 30 年代，由于電解鋁技術進步以及其相關工藝和技術的逐步完善，氧化鋁產品價格也較為便宜。于是，大硅去氧的技術革命便應運而生了，也帶來了對冶金鋼去氧化物的技術革命。而歐美也是第一個選擇氧化鋁作為脫氧劑的國家，這主要是因為氧化鋁擁有巨大的去氧能力，可把鋼水中的氧化物消除在非常低的水平上。與硅去氧相比，鋁去氧不僅能夠有效提高去氧效率，而且還能夠有效降低鋼中的二氧化硅含量。而在同時，又由于氧化鋁陶瓷是一種中性物質，并不會降低熔煉鋼渣的堿度，也不容易將鋼水中的磷和硫進行回收。因此目前，氧化鋁仍為中國國內煉鋼廠所用的主要脫氧劑。但是，因為氧化鋁的比重較少，且回收率也較低（10%~25%），且大煉鋼鐵生產成本也較高。因此為了有效提升生產氧化鋁的效率，大鋼廠已先后開發了硅鋁鐵、鋁錳鐵、硅鋁鋇等鋁合金系的復合脫氧劑。其中，鎂基脫氧劑的密度比純鋁合金高，且在加入鋼液中時的浮動時間也足夠，從而能夠明顯提高生產效率。其次，鋁合金材料中去氧生成的金屬氧化鋁陶瓷也會對鋼材的機械性能，尤其是熱疲勞特性產生負面影響。為了更合理地解決這一問題，可以提高溫度和控制金屬夾雜物形狀變化的非鋁復合型脫氧劑也將逐步問世。
3 氧在煉鋼中的產生與危害分析
氧化物在鋼液中主要的存在形式為非金屬材料或摻雜物質，部分則以溶解氧的形態出現，其來源多是吹氧煉鋼過程中與原材料本身產生的氧化物含量。對煉鐵環節而言，為了將過程的中鋼液化學雜物全部除去，一般采用氧化物參與其中的方法，在氧氣還原反應的作用下去除其含有的磷、碳、錳等微量元素，以實現氧化物與各種化學雜物高效結合的目的，進而將其形成的氧物質全部分離出來，以此達到鋼液去雜質目標。由于氧化物的參與，導致了鋼液中氧化物的存在無可避免，但隨著氧化物數量和化學雜質濃度的逐步減少，吹氧煉鋼焊接的氧氣含量將有明顯的促進提升表現［2］ 。若鋼液中包含的氧氣沒有采取對應的合理方式進行預先 處理，則在氧氣含量較高的鋼液生產條件下，凝固環節將極容易與原本的鋼液發生反應并產生結晶，繼而產生氧化亞鐵。此種物質的出現對鑄坯的破壞極為嚴重，并對最終的鋼產品質量產生不良影響，甚至導致出現變形現象影響到鋼產品效果的正常發揮，廢棄件數量增多從而產生較多的無效生產成本。再加上此種狀態通常伴隨熱脆出現，從而對鋼鐵產生深層次的氧化影響。氧含量的增多同樣是導致鋼液中硫元素危害加重的主要原因，后續產生的多種化學反應不僅會導致各類氧化雜質出現，且會對最終鋼產品的力學性能造成不可逆轉的嚴重損害。從鋼液冷凝過程的角度來看，溶解氧與碳之間所發生的反應將會產生一氧化碳氣泡，氣泡在鋼液匯總所產生的反應將會導致出現鋼液沸騰現象，并會伴隨一氧化碳氣泡的不斷增加使現象愈發劇烈［3］ 。在鋼液的脫氧環節，程度的不同是沸騰現象劇烈程度不一的主要原因，若從沸騰劇烈程度的角度來看，可將其鋼液種類分為半鎮靜鋼、鎮靜鋼以及沸騰鋼。需要注意的是，由于鋼液中多數包含一氧化碳氣泡，則所產生的鋼錠其內部組織將過于疏松，繼而影響其密度對鋼強度造成不良影響。為解決以上問題，就需要選擇應用科學的脫氧處理方式，以達到持續降低鋼液中氧含量的目的。通常情況下，對鎮靜鋼含氧量的要求應控制在 0.005%以內，而若為沸騰鋼，則含氧量應控制在 0.0025%~0.030%范圍內［4］ 。若想進一步提高對鋼液沸騰現象的監控效果，就必須針對這一過程進行深入分析，繼而確保所制造的鋼錠和鋼坯都可以符合生產組織的既定條件下去，為從而保證最終生鋼產品的強度和品質創造了充分的保證條件。
4 對煉鋼生產中轉爐煉鋼脫氧工藝方式的研究分析
沉淀脫氧、擴散脫氧及真空脫氧是當下在轉爐煉鋼過程中常用的脫氧工藝，作為關鍵的脫氧材料，脫氧劑通常包含硅、錳、鋁等，并在實際的生產過程中與鋼液中的氧氣發生反應，對氧氣做固定處理以起到脫氧作用。脫氧劑類型的不同，對應產生的脫氧效果也將有明顯的差異表現，如相較錳脫氧劑，鋁脫氧劑的效果更佳，其也是經常被應用在沸騰鋼處理過程中的脫氧劑類型［5］ 。此外，為保證脫氧效果，還應根據對鋼液脫氧的具體要求保證脫氧劑配置的科學性，繼而將脫氧作用全面提升從而確保最終的鋼材質量。
4.1 沉淀脫氧
脫氧劑是影響沉淀脫氧效果的關鍵因素，在對這一過程做深入調查研究的過程中，需要采取科學措施對脫氧工藝進行持續優化，并使用鈣系脫氧劑做深入的沉淀脫氧工藝研究，從而將脫氧效果予以提升。
鈣系脫氧劑的主要成分包括鈣、硅、碳、鋁等，并在保證配比科學性的前提下將鈣系脫氧劑的脫氧效果予以全面提升。
鈣系脫氧劑的主要工作機理是：作為二大主族元素，鈣和其他微量元素之間的結核性較好，而作為鈣的主要同族微量元素，鋇的去氧效果也最好，所以通過在原來的硅鋁鐵內加入適量的鋇，就可以在產生化學反應后重新形成了硅鋁鋇，繼而使其整體的去氧能力得到了提高。但必須注意的是，相對于鈣來說，鋇所顯示出來的總體上去氧能力仍然比較弱，而從摩爾質量的角度考慮，鈣與鋇之間的比值一般是 1∶3.43，因此如果添加了 1 kg 左右的鈣將增加整個過程的去氧效率，而鋇的添加量也必須超過 3.43 kg，方可發揮其去氧的優勢。也因為鋼液中鈣在其中溶解度表現得較小，在鋼液溫度達到 1600 ℃的情況下，其溶解度只能達到 0.03%，且若鈣為固態則并不會表現出溶解性。由于鈣本身有較大蒸氣壓表現，在鋼液到達 1600℃的情況下，鈣的大氣壓通常在 1.98 左右［6］ 。若脫氧過程僅僅應用鈣作為脫氧劑，則將使鈣的消耗量大大增加，繼而產生較多的脫氧成本，不利于其整體經濟效益的持續提升。為將脫氧劑的應用優勢予以充分發揮，提升其經濟效益，就應選擇合適方案將鋼液中鈣的溶解度予以提升，在鈣劑中加入適當的硅、碳等物質，以達到將鈣溶解度予以提升的目的。
4.2 擴散脫氧法
擴散脫氧法，簡要而言是將脫氧劑直接投入至焊渣內與氧化鐵進行反應，進而將鋼液中氧化鐵進行彌散至焊渣中的任務，進而起到了合理調節鋼液中氧化鋱濃度水平的效果，從而使去氧效果得到了最大限度地提高。在一般情況下，該種去氧方法在點鹵還原和爐外精煉階段中的使用頻次相對較高。當氧氣繼續彌散至焊渣內后，其中氧化鐵濃度相對較以往來說將有明顯提高。為了使焊渣擴散的能力得到進一步改善，并增加其去氧效率，就必須繼續在焊渣內添加脫氧劑，而在實現預期去氧目的得同時，也是充分發揮鋼液中氧含量控制優勢的關鍵步驟，繼而提升最終鋼產品的整體質量。但此種脫氧方法需要耗費大量的時間成本，因此在實際的脫氧環節，一般傾向于同時配合吹氬攪拌手段已將脫氧速度予以提升。
4.3 真空脫氧法
真空脫氧法顧名思義就是通過創設真空環境，使鋼液在真空環境下打破碳氧平衡，將氧與碳之間的反應劇烈程度予以提升，從而形成一氧化碳液體向鋼液外益處，從而達到提高脫氧作用的目的。使用真空脫氧方法做鋼液脫氧處理時，建議在過程中加入適量的惰性氬氣配合真空頭癢過程實現鋼液脫氧目標。從實際操作的角度看，氬氣與鋼液在充分攪拌后，則鋼液中的碳氧反應水平將最大限度地提升，過程中所產生的一氧化碳也不會對鋼液造成污染，反而會在所生成的一氧化碳氣泡幫助下強化鋼液攪拌效果，強化脫氧過程，并降低石灰與脫氧劑的消耗量，達到縮減生產成本的目的。從實際效果來看，無論是在過氧化爐還是在非過氧化爐中，均能夠起到較為明顯的縮減成本投入的作用，因此此種方法的應用具有普遍性。
5 結 語
綜上所述，相較其他脫氧方法，沉淀脫氧法的應用流程較為簡單，但效果卻與預期目標仍有一定距離；擴散脫氧法雖效果較好，但需要消耗大量時間成本；真空脫氧法時間與流程方面與預期效果相匹配，對設備與操作的要求較高。不同脫氧方法有著各自的優劣勢，在實際的脫氧處理過程中應對工藝做持續性的改進與優化，為鋼鐵強度與質量的整體提升奠定堅實的基礎。
參考文獻
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