劉旺平

（新疆伊犁鋼鐵股份有限公司煉鋼廠）

摘  要：新疆伊犁鋼鐵股份有限公司主要產(chǎn)品是高強(qiáng)度建筑用鋼，LF精煉爐的精煉工藝任務(wù)主要是脫氧、脫硫、鋼水的成分和溫度調(diào)整。長(zhǎng)期以來脫氧劑和化渣劑使用的種類多，現(xiàn)場(chǎng)的操作的壓力大，工作強(qiáng)度高。為此新疆伊犁鋼鐵股份有限公司開發(fā)了兼具化渣和脫氧功能的脫氧化渣劑，進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，取得了較好的工藝效果，本文予以簡(jiǎn)介，供同行參考。

關(guān)鍵詞：建筑用鋼；煉鋼；脫氧化渣劑；工藝優(yōu)化

0  前言

伊鋼地處新疆伊犁哈薩克自治州新源縣則可臺(tái)鎮(zhèn)，煉鋼生產(chǎn)線采用BOF+LF+CCM的工藝配置，由于是普鋼生產(chǎn)企業(yè)，沒有鐵水脫硫工藝，鋼水每班的精煉爐數(shù)在16爐以上，每爐精煉時(shí)間在20min，主要產(chǎn)品為高強(qiáng)度建筑用鋼，鋼水精煉過程中使用3種以上的輔助熔劑：鋁渣球、復(fù)合脫氧劑、新型化渣劑，除新型化渣劑從料倉加入外，復(fù)合脫氧劑和鋁渣球采用人工手投加入的工藝。隨著去年鋼鐵市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益的萎縮，為提高產(chǎn)能和降本增效，伊鋼實(shí)施了鋼包內(nèi)加廢鋼的工藝，導(dǎo)致鋼水硫含量不穩(wěn)定，造成精煉工序勞動(dòng)強(qiáng)度大，現(xiàn)場(chǎng)操作波動(dòng)大。為優(yōu)化LF精煉工序的操作，降低精煉成本，伊鋼開展了使用新型脫氧化渣劑的工藝試驗(yàn)，為今后普鋼精煉工藝的優(yōu)化做好技術(shù)儲(chǔ)備，本文做簡(jiǎn)要介紹，供同行參考。

1  LF精煉過程中頂渣的功能與造渣的機(jī)理分析

1.1  鋼水精煉過程中頂渣的作用

鋼水精煉過程中，頂渣的主要功能有以下的幾個(gè)主要方面^[1-5]：

（1） 覆蓋鋼液，減少鋼液裸露造成的溫度損失和鋼液的二次氧化；

（2） 合適的頂渣形成的泡沫渣，在LF升溫過程中起到埋弧冶煉的作用，提高電能的利用率，減少電弧輻射造成的熱量損失和對(duì)設(shè)備、爐襯的損壞；

（3） 通過擴(kuò)散脫氧降低頂渣中的氧含量，促進(jìn)鋼液中的自由氧或浮氏體向頂渣中擴(kuò)散，達(dá)到進(jìn)一步降低鋼液氧含量的目的；

（4） 利用頂渣-鋼液間的界面反應(yīng)，完成鋼液脫硫的目的；

（5） 通過控制頂渣成分與物理性質(zhì)，吸附從鋼液中上浮的夾雜物，凈化鋼液；

（6） 通過頂渣脫氧提高合金化過程中合金的收得率。

  所以普鋼鋼水精煉的渣系主要以CaO-SiO₂-Al₂O₃為主，各種成分的來源和功能如下：

（1） CaO主要來源于造渣材料石灰，以及鈣質(zhì)脫氧劑CaC₂反應(yīng)后的產(chǎn)物。在鋼渣中解離為Ca²⁺和O^2-，為爐渣擴(kuò)散脫氧和脫硫提供陽離子和陰離子；

（2） SiO₂主要來源于造渣材料、硅質(zhì)脫氧劑和含硅合金的氧化。是頂渣中能夠與CaO、MgO等物質(zhì)形成低熔點(diǎn)液態(tài)基礎(chǔ)渣的主要元素，故SiO₂被稱為液化劑，是形成液態(tài)鋼渣最重要的基礎(chǔ)物質(zhì)；

（3） Al₂O₃主要來源于造渣材料。能夠與CaO形成低熔點(diǎn)的物質(zhì)，促進(jìn)石灰的熔解，是頂渣的助熔劑。由于鋼液脫硫的產(chǎn)物CaS,能夠形成穩(wěn)定的11CaO·7Al₂O₃·CaS,增加頂渣的硫容量，Al₂O₃同時(shí)能夠調(diào)整爐渣的粘度、表面張力和流動(dòng)性，是影響頂渣吸附夾雜物能力的重要組分；

綜上所述，頂渣中CaO、SiO₂、Al₂O₃三種組分不可或缺，但是需要控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

1.2  鋼水精煉過程中頂渣的擴(kuò)散脫氧材料

頂渣改質(zhì)脫氧的常見元素是鋁質(zhì)脫氧劑和碳質(zhì)脫氧材料，二者的脫氧改質(zhì)特點(diǎn)簡(jiǎn)述如下：

（1）鋁質(zhì)頂渣改質(zhì)劑的特點(diǎn)

鋁質(zhì)脫氧材料的特點(diǎn)是脫氧反應(yīng)迅速，其脫氧反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)如下^[1]：

3(FeO)+2Al→Al₂O₃+3[Fe]      （1）

ΔG^θ=-947514+168.91T

3(MnO)+2Al→Al₂O₃+3[Mn]  （2）

ΔG^θ=-471919+66.02T

鋁脫氧速度快，脫氧反應(yīng)時(shí)間短，脫氧量與碳脫氧相比，脫氧量小，并且在頂渣的改質(zhì)過程中，脫氧反應(yīng)依靠擴(kuò)散反應(yīng)，反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件受鋼包吹氬的工藝因素控制。

（2）碳質(zhì)脫氧材料的特點(diǎn)是同比條件下脫氧量大，是反應(yīng)速度較慢的吸熱反應(yīng)，其中碳在頂渣改質(zhì)過程中的脫氧反應(yīng)如下^[3]：

2FeO_(s)+C_(s)=2Fe_(s)+CO_2(g)     （3）

ΔG^θ=123880-125.64T

FeO_(s)+C_(s)=Fe_(s)+CO_(g)      （4）

ΔG^θ=145215-148.32T

由（1）和（3）的計(jì)算可知，1kg的金屬鋁能夠脫除爐渣中0.88kg的氧，1kg的碳能夠2.6kg鋼渣中的氧，其脫氧量和脫氧成本的對(duì)比差距顯著。

電石脫氧也是一種脫氧工藝，特點(diǎn)是脫氧的同時(shí)，提高頂渣的堿度。工業(yè)電石CaC₂含量在83%以下，主要成分為CaC₂和CaO，熔點(diǎn)為1700～2300℃，在煉鋼環(huán)境下CaC₂是不可能分解的，煉鋼溫度下為固態(tài)，所以電石脫氧完全為界面反應(yīng)，反應(yīng)速度受控于擴(kuò)散傳質(zhì)。

電石脫氧的熱力學(xué)數(shù)據(jù)如下^[6]：

CaC₂+3[O]=CaO_(s)+2CO

△G=-75300-37.51T

由以上的計(jì)算可知，脫氧能力：鋁>電石>碳。從脫氧量來看，等量電石>等量碳>等量的鋁。考慮到工業(yè)電石的純度，碳脫氧的量也是最大的。

1.3  鋼水精煉過程中石灰的熔解

精煉造渣過程中，向頂渣中加入石灰，石灰進(jìn)入有液相的基礎(chǔ)渣中，為促進(jìn)石灰快速熔化，在加入石灰的同時(shí)，加入螢石化渣是鋼水精煉工藝不可或缺的基本操作，其化渣的原理如下^[7]：

（1） CaF₂和CaO在高溫下可以形成熔點(diǎn)1362℃的共晶體，直接促進(jìn)石灰熔化，螢石同樣與MgO反應(yīng)，形成MgF₂,熔點(diǎn)為1536℃，這是螢石促進(jìn)石灰和白云石熔解的機(jī)理。

（2） 螢石還能夠破壞石灰熔解過程中，在石灰外表殼形成的高熔點(diǎn)2CaO·SiO₂的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)石灰的進(jìn)一步熔解，這一過程起到關(guān)鍵作用的是螢石解離出的F離子，其離子反應(yīng)的方程式如下：

F^-+Si⁺⁴→SiF₄↑

由以上的分析可知，F(xiàn)離子是促進(jìn)石灰熔解的主要物質(zhì)，文獻(xiàn)表明^[7]，3NaF·AlF₃能夠與CaO形成熔點(diǎn)920℃的共晶體，所以3NaF·AlF₃具有比CaF₂更強(qiáng)的化渣能力。

2  新型脫氧化渣劑的創(chuàng)新應(yīng)用與實(shí)踐

2.1 伊鋼鋼水精煉工藝的特點(diǎn)

伊鋼LF的工藝技術(shù)參數(shù)如下表1：

表1： LF精煉爐的工藝參數(shù)

Table1: Process parameters of LF refiner

伊鋼鋼水精煉工藝，與國內(nèi)絕大多數(shù)的鋼鐵企業(yè)的精煉工藝一致，其基本工藝過程為：鋼水到站，送電冶煉開始，加入石灰和化渣劑，化渣的同時(shí)加入脫氧劑，調(diào)整鋼液的成分和溫度，直到成分和溫度的調(diào)整完成后，鋼水出站上連鑄機(jī)澆鑄。

在以上的工藝過程中，化渣劑、復(fù)合脫氧劑、鋁渣球的使用分開加入，現(xiàn)場(chǎng)的操作難度大，勞動(dòng)強(qiáng)度高。伊鋼三種熔劑的基本成分見下表2-4。

表2：鋁渣球的主要成分，W[]%

Table2: The main component of aluminum slag ball

表3：新型化渣劑的主要成分，W[]%

Table3: The main component of the new slag melting agent

表4：鋼水復(fù)合脫氧劑的成分，W[]%

Table4: Composition of molten steel complex deoxidizer

2.2 新型化渣劑的試驗(yàn)應(yīng)用

根據(jù)以上的分析認(rèn)為，伊鋼冶煉建筑用鋼的精煉工藝，采用鋁質(zhì)脫氧劑，成本高，對(duì)于工藝沒有明顯的優(yōu)勢(shì)。所以將化渣劑和脫氧劑的功能集成在一種產(chǎn)品中，能夠優(yōu)化伊鋼的鋼水精煉工藝。

根據(jù)以上分析，采用頂渣化渣與脫氧一體化的新型脫氧化渣劑優(yōu)化精煉工藝，其基本工藝路線為：頂渣化渣的同時(shí)→化渣劑中的碳質(zhì)脫氧材料脫氧反應(yīng)產(chǎn)生的CO/CO₂→促進(jìn)爐渣泡沫化埋弧冶煉。這種工藝能夠?qū)⒕珶掃^程中重要的化渣+脫氧+埋弧的功能發(fā)揮好，實(shí)現(xiàn)冶煉過程的優(yōu)化也冶煉電耗的降低。新型脫氧化渣劑的成分見下表5：

表5：新型脫氧化渣劑的主要成分，W[]%

Table5:The main component of new deoxidizing slag agent

本次試驗(yàn)采用連續(xù)試驗(yàn)對(duì)比的工藝方法，即連續(xù)試驗(yàn)80爐以上。試驗(yàn)過程新型化渣劑人工手投加入，替代新型化渣劑，試驗(yàn)過程中復(fù)合脫氧劑按照原有的工藝加入，冶煉過程中的主要數(shù)據(jù)如下表6：

表6：試驗(yàn)過程中的基本冶煉數(shù)據(jù)

Table 6: Basic smelting data during the test

根據(jù)生產(chǎn)應(yīng)用數(shù)據(jù)，結(jié)合冶煉的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤情況，使用新型化渣劑具有以下的特點(diǎn)：

(1) 使用新型脫氧化渣劑的試驗(yàn)過程中，LF化渣的同步，頂渣就能夠形成穩(wěn)定的泡沫渣，埋弧冶煉的效果明顯；

(2) 石灰用量與脫氧化渣劑的用量之比為7：1，化渣能力優(yōu)于螢石（4～5：1）和原有新型化渣劑（5：1）的效果，；

(3) 頂渣形成白渣的綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)工藝，大多數(shù)爐次取樣濺渣的結(jié)果表明，爐渣形成白渣的時(shí)間短，白渣表面疏松，說明爐渣中的Al₂O₃含量合適，鋼液的脫硫率提高15%；現(xiàn)場(chǎng)爐渣濺渣的照片見下圖1：

Figure 1: Solid photo of the slag after sampling of the deoxidizing slag agent

圖1：試驗(yàn)脫氧化渣劑取樣后爐渣的實(shí)體照片

(4) 試驗(yàn)過程中，由于伊鋼鋼水硫含量低，石灰用量少，精煉渣的渣量較少，有煉鋼工擔(dān)心化渣劑增碳，影響操作，以及化渣劑中的鋁是否產(chǎn)生鋼液澆鑄過程中的結(jié)瘤問題等擔(dān)心，均沒有出現(xiàn)。

2.2 新型化渣劑的試驗(yàn)效果分析

   根據(jù)試驗(yàn)效果，參與試驗(yàn)的技術(shù)人員和操作人員形成以下的共識(shí)：

（1） 新型脫氧化渣劑中的化渣元素F含量較高，材料中的K+Na+Al₂0₃均是助熔材料^[8]，所以新型化渣脫氧劑的化渣能力較為突出；

（2） 新型脫氧化渣劑中的碳為石墨狀碳，在頂渣中反應(yīng)溫度為600～1200℃，脫氧產(chǎn)生的氣體能夠促進(jìn)爐渣形成泡沫渣，泡沫渣具有較好的埋弧功能，同時(shí)也能夠增加鋼液-頂渣之間的界面反應(yīng)能力，所以試驗(yàn)過程中新型脫氧化渣劑的脫硫能力較好；

（3） 新型脫氧化渣劑中間的氟化物主要是冰晶石、氟化鈉、氟化鋁，在鋼水爐渣中的脫氧工藝過程中，冰晶石和各種氟化物的分解反應(yīng)如下^[9]：

2Na₃AlF₆+6(O) →3Na₂O+Al₂O₃+12F^-

2NaF+(O)→Na₂O +2F^-

2(AlF₃)+3(O)= Al₂O₃+6F^-

F^-+Si⁺⁴→{ SiF₄}↑

F^-+Mg⁺²→MgF₂

其形成的Al₂O₃最終產(chǎn)物在頂渣中穩(wěn)定存在，無需使用鋁渣球，就能夠調(diào)整好頂渣的成分；

（4） 新型脫氧化渣劑中的碳為石墨碳，材料向鋼液增碳，必須經(jīng)過以下過程圖2：

Figure 2: Process of carburizing liquid steel after decomposition of deoxidizing slag agent

圖2：脫氧化渣劑分解后向鋼液增碳的工藝過程

以上正常冶煉過程中，材料分解后，材料中的碳部分在爐渣中與FeO+MnO參與反應(yīng),部分向頂渣-鋼液界面擴(kuò)散，然后通過擴(kuò)散進(jìn)入鋼液增碳。由于擴(kuò)散脫氧是降低頂渣中的氧，鋼液中的氧向鋼渣界面遷移，故在頂渣與鋼液的界面，存在一定的氧濃度，能夠不斷與爐渣中的碳反應(yīng)，形成泡沫渣。從增碳的原理看，尤其是伊鋼精煉過程中頂渣量少，存在增碳的可能性，但是通過控制加入操作，能夠消除潛在的增碳風(fēng)險(xiǎn)。即加入脫氧化渣劑時(shí)，控制吹氬強(qiáng)度，避免鋼水裸露，直接與化渣脫氧劑接觸，以及白渣形成后，控制加入量，就能夠避免增碳的風(fēng)險(xiǎn)。其中增碳的相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)見下表7^[7]：

表7：鋼液增碳的熱力學(xué)數(shù)據(jù)

Table 7: Thermodynamic data of liquid steel carburization

從總體效果來看，新型脫氧化渣劑將脫氧與化渣功能集成在一種材料中，減少了操作過程中物料的加入量，降低了冶煉成本，減輕了煉鋼工的勞動(dòng)強(qiáng)度，體現(xiàn)出了冶金熔劑創(chuàng)新的技術(shù)效益。

3   結(jié)論

 新型脫氧化渣劑在伊鋼的工業(yè)化試驗(yàn)結(jié)果表明，將化渣材料、碳質(zhì)脫氧材料和調(diào)整爐渣Al₂O₃材料集成在一種材料中，能夠?qū)⒒?rarr;形成泡沫渣→頂渣成分調(diào)整三種工藝目的在一次性操作中完成，對(duì)于降本增效和減輕煉鋼工人的勞動(dòng)強(qiáng)度都有顯著的貢獻(xiàn)，是伊鋼以后鋼水精煉工藝優(yōu)化的發(fā)展方向。

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