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品是高強度建筑用鋼，LF精煉爐的精煉工藝任務主要是脫氧、脫硫、鋼水的成分和溫度調整。長期以來脫氧劑和化渣劑使用的種類多，現場的操作的壓力大，工作強度高。為此新疆伊犁鋼鐵股份有限公司開發了兼具化渣和脫氧功能的脫氧化渣劑，進行了工業試驗，取得了較好的工藝效果，本文予以簡介，供同行參考。

關鍵詞：建筑用鋼；煉鋼；脫氧化渣劑；工藝優化

0  前言

伊鋼地處新疆伊犁哈薩克自治州新源縣則可臺鎮，煉鋼生產線采用BOF+LF+CCM的工藝配置，由于是普鋼生產企業，沒有鐵水脫硫工藝，鋼水每班的精煉爐數在16爐以上，每爐精煉時間在20min，主要產品為高強度建筑用鋼，鋼水精煉過程中使用3種以上的輔助熔劑：鋁渣球、復合脫氧劑、新型化渣劑，除新型化渣劑從料倉加入外，復合脫氧劑和鋁渣球采用人工手投加入的工藝。隨著去年鋼鐵市場經濟效益的萎縮，為提高產能和降本增效，伊鋼實施了鋼包內加廢鋼的工藝，導致鋼水硫含量不穩定，造成精煉工序勞動強度大，現場操作波動大。為優化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，為今后普鋼精煉工藝的優化做好技術儲備，本文做簡要介紹，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設備、爐襯的損壞；

（3） 通過擴散脫氧降低頂渣中的氧含量，促進鋼液中的自由氧或浮氏體向頂渣中擴散，達到進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，完成鋼液脫硫的目的；

（5） 通過控制頂渣成分與物理性質，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，以及鈣質脫氧劑CaC₂反應后的產物。在鋼渣中解離為Ca²⁺和O^2-，為爐渣擴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、硅質脫氧劑和含硅合金的氧化。是頂渣中能夠與CaO、MgO等物質形成低熔點液態基礎渣的主要元素，故SiO₂被稱為液化劑，是形成液態鋼渣最重要的基礎物質；

（3） Al₂O₃主要來源于造渣材料。能夠與CaO形成低熔點的物質，促進石灰的熔解，是頂渣的助熔劑。由于鋼液脫硫的產物CaS,能夠形成穩定的11CaO·7Al₂O₃·CaS,增加頂渣的硫容量，Al₂O₃同時能夠調整爐渣的粘度、表面張力和流動性，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合理的范圍內。

1.2  鋼水精煉過程中頂渣的擴散脫氧材料

頂渣改質脫氧的常見元素是鋁質脫氧劑和碳質脫氧材料，二者的脫氧改質特點簡述如下：

（1）鋁質頂渣改質劑的特點

鋁質脫氧材料的特點是脫氧反應迅速，其脫氧反應的熱力學數據如下^[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，脫氧反應時間短，脫氧量與碳脫氧相比，脫氧量小，并且在頂渣的改質過程中，脫氧反應依靠擴散反應，反應的動力學條件受鋼包吹氬的工藝因素控制。

（2）碳質脫氧材料的特點是同比條件下脫氧量大，是反應速度較慢的吸熱反應，其中碳在頂渣改質過程中的脫氧反應如下^[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比差距顯著。

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

電石脫氧的熱力學數據如下^[6]：

CaC₂+3[O]=CaO_(s)+2CO

△G=-75300-37.51T

由以上的計算可知，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，石灰進入有液相的基礎渣中，為促進石灰快速熔化，在加入石灰的同時，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1362℃的共晶體，直接促進石灰熔化，螢石同樣與MgO反應，形成MgF₂,熔點為1536℃，這是螢石促進石灰和白云石熔解的機理。

（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2CaO·SiO₂的結構，促進石灰的進一步熔解，這一過程起到關鍵作用的是螢石解離出的F離子，其離子反應的方程式如下：

F^-+Si⁺⁴→SiF₄↑

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

2  新型脫氧化渣劑的創新應用與實踐

2.1 伊鋼鋼水精煉工藝的特點

伊鋼LF的工藝技術參數如下表1：

表1： LF精煉爐的工藝參數

Table1: Process parameters of LF refiner

伊鋼鋼水精煉工藝，與國內絕大多數的鋼鐵企業的精煉工藝一致，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，化渣的同時加入脫氧劑，調整鋼液的成分和溫度，直到成分和溫度的調整完成后，鋼水出站上連鑄機澆鑄。

在以上的工藝過程中，化渣劑、復合脫氧劑、鋁渣球的使用分開加入，現場的操作難度大，勞動強度高。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 新型化渣劑的試驗應用

根據以上的分析認為，伊鋼冶煉建筑用鋼的精煉工藝，采用鋁質脫氧劑，成本高，對于工藝沒有明顯的優勢。所以將化渣劑和脫氧劑的功能集成在一種產品中，能夠優化伊鋼的鋼水精煉工藝。

根據以上分析，采用頂渣化渣與脫氧一體化的新型脫氧化渣劑優化精煉工藝，其基本工藝路線為：頂渣化渣的同時→化渣劑中的碳質脫氧材料脫氧反應產生的CO/CO₂→促進爐渣泡沫化埋弧冶煉。這種工藝能夠將精煉過程中重要的化渣+脫氧+埋弧的功能發揮好，實現冶煉過程的優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

本次試驗采用連續試驗對比的工藝方法，即連續試驗80爐以上。試驗過程新型化渣劑人工手投加入，替代新型化渣劑，試驗過程中復合脫氧劑按照原有的工藝加入，冶煉過程中的主要數據如下表6：

表6：試驗過程中的基本冶煉數據

Table 6: Basic smelting data during the test

根據生產應用數據，結合冶煉的現場跟蹤情況，使用新型化渣劑具有以下的特點：

(1) 使用新型脫氧化渣劑的試驗過程中，LF化渣的同步，頂渣就能夠形成穩定的泡沫渣，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于傳統工藝，大多數爐次取樣濺渣的結果表明，爐渣形成白渣的時間短，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%；現場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：試驗脫氧化渣劑取樣后爐渣的實體照片

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

2.2 新型化渣劑的試驗效果分析

   根據試驗效果，參與試驗的技術人員和操作人員形成以下的共識：

（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，在頂渣中反應溫度為600～1200℃，脫氧產生的氣體能夠促進爐渣形成泡沫渣，泡沫渣具有較好的埋弧功能，同時也能夠增加鋼液-頂渣之間的界面反應能力，所以試驗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最終產物在頂渣中穩定存在，無需使用鋁渣球，就能夠調整好頂渣的成分；

（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,部分向頂渣-鋼液界面擴散，然后通過擴散進入鋼液增碳。由于擴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，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險。即加入脫氧化渣劑時，控制吹氬強度，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險。其中增碳的相關熱力學數據見下表7^[7]：

表7：鋼液增碳的熱力學數據

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強度，體現出了冶金熔劑創新的技術效益。

3   結論

 新型脫氧化渣劑在伊鋼的工業化試驗結果表明，將化渣材料、碳質脫氧材料和調整爐渣Al₂O₃材料集成在一種材料中，能夠將化渣→形成泡沫渣→頂渣成分調整三種工藝目的在一次性操作中完成，對于降本增效和減輕煉鋼工人的勞動強度都有顯著的貢獻，是伊鋼以后鋼水精煉工藝優化的發展方向。

參考文獻

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