基于出钢冶金与渣冶金的低成本精炼工艺

引言          

引言          

       

目前，电炉、转炉炼钢普遍采用炉外精炼技术，即将炼钢过程中脱氧、脱硫、降低气体、减少夹杂物、调整钢的成分和温度等全部或部分功能转移到精炼工序完成，以求获得洁净钢并取得高产、优质的良好效果。但是，随着产能过剩的不断扩大及客户对钢材的高质量要求，低成本生产高质量钢种已成为国内外钢铁行业的发展趋势。由于精炼处理工艺对大量物料及人力资源的消耗，成本相对高，特别是高效连铸机的不断应用，单纯依靠精炼处理处理生产高洁净度钢液已经不能满足炼钢厂的快速生产需求，因此钢水出钢后吹氩直上连铸或 LF、RH 精炼工序快速轻处理已成为降低生产成本的重要手段和研究热点。       

国内外部分钢厂也有针对铝脱氧镇静钢的出钢后渣洗，吹氩直上连铸工艺，但这种工艺出钢须脱除一部分过剩氧导致铝耗较高，同时受下渣量、终点出钢碳等因素影响，顶渣氧难以有效脱除且普遍偏高、不稳定，易造成大包后期絮流跟不上中包浇速，被迫烧氧、冲棒、降速等生产问题，对质量控制造成不利影响。而且该工艺一般还需要匹配钙处理改型操作，才能确保钢水纯净度及可浇性。       

为解决快节奏生产和炉机不匹配条件下钢水夹杂难以快速吸附去除、高氧化不稳定顶渣氧在吊运及浇钢过程中对钢水的二次污染两大难题，提出了一种基于出钢冶金提前脱氧造渣与渣冶金扩散脱氧与控铝的出钢后吹氩直上连铸的精炼工艺，这是一种设备及操作简单、工艺简便易行、低成本高质量的精炼工艺，能够起到钢水脱氧、脱硫、去夹杂，改善钢包渣流动性等作用，代替 LF、RH 精炼工艺或实现 LF、RH 的快速轻处理，与连铸快节奏配合，达到去除夹杂物的目的，提高钢水纯净度，降低冶炼成本。      

出钢冶金工艺          

         

     

转炉出钢过程时间较短，通常只有 2~6min，但是这个过程涉及到钢液脱氧、夹杂物生成、卷渣、降温、合金化等许多复杂环节，并且伴随着气体的搅拌和出钢钢液流对钢包钢液的冲击，各种现象混合在一起，容易导致大量大尺寸夹杂物的生成。部分大尺寸夹杂物即使经过后续精炼处理仍然会残留在钢中，从而影响钢水的质量。但事情往往有弊也有利，在转炉出钢过程也可以有效地利用出钢过程中高温钢水的冲击功和钢包强大底吹压力的混冲作用，产生良好的热力学和动力学条件，使含 CaO 和脱氧剂的渣料与夹杂物充分作用，并将熔渣液滴乳化，使钢渣界面扩大数百倍，极大的增加了渣与钢中夹杂物接触和充分反应的机会，同时生成低熔点的化合物，从而实现对夹杂物的有效控制，即称为出钢冶金工艺。       

出钢冶金工艺每一个工艺细节的精确控制非常重要，包括出钢前钢包和钢水的准备；出钢过程下渣量的精准控制；出钢过程脱氧剂、合金和渣料的加入方式；钢包底吹的控制等等，这不仅可以实现钢液脱氧、合金化、造渣等冶金效果，为后续炉外精炼工艺的高效实施创造良好条件，达到早造渣、早化渣、早脱氧，夹杂物早上浮、多上浮，还可以有效减少了大尺寸夹杂物的来源，同时减轻了后期精炼过程对夹杂物去除的负担，提高了整体冶炼-精炼效率。      

 出钢冶金过程中，通过钢包精炼渣和脱氧剂的添加，在渣-钢和钢-夹杂物之间发生反应，进行物质和能量的交换。通过渣-钢间反应对钢液［Al］、［O］、［Ca］、［Mg］等进行控制，进而再通过钢液［Al］、［O］、［Ca］、［Mg］等对夹杂物进行稳定控制。从而将钢包顶渣中氧化铁还原，最终使渣中 FeO、MnO 含量之和小于 5%。达到造渣、精炼和脱硫、改渣等多重效果。因此，钢包精炼渣要选用与夹杂物控制目标成分相近的精炼渣系，且要求精炼渣具有较低的熔点、合适的粘度、表面张力等，从而有助于控制夹杂物的形态，促进夹杂物的上浮和吸收，减少夹杂物对钢的危害。       

对于铝脱氧钢，为了改变钢包渣的渣系，使之对 Al2O3 夹杂物有更强的吸附性，必须将CaO-SiO2 渣系改变为 CaO－Al2O3 渣系。它的原理就是在铝脱掉钢中氧的同时有充分的与渣子接触的机会，形成 CaO－Al2O3 渣系，使 Al2O3 在未进入钢液前就被渣子吸附并形成低熔点的化合物，来脱掉钢中大部分的氧，在精炼过程中进一步调整铝含量。由于这时的渣系已经是 CaO－Al2O3 渣系，精炼调铝产生的 Al2O3 也能迅速被吸附，不必再钙化处理。钢包精炼渣的流动性是影响渣在钢液中乳化的重要因素之一。为了改善出钢脱氧条件，要求渣中有 2%~5%的（SiO2）含量，可显著提高渣的流动性，使黏度降低；为减轻熔渣对钢包耐火材料的侵蚀，要求其中（MgO）含量为 4%～6%，此时各炼钢温度下的液相区的面积最大，计算所得的液相区域与实际渣成分区域叠合最多，因此这个 MgO 含量为最适合。此外，加入微量的 MgO 还可以提高渣的稳定性；为提高吸附(Al2O3）夹杂的能力，要求渣中(Al2O3）含量 20%～40%；此外，为调整渣的熔点，可控制渣中（CaF2）含量≤6%；渣中氧化物（FeO）及（MnO）含量越低越好；精炼渣中还必须有 20%～50%的金属铝，用于强力脱氧。渣的成分对硫的分配系数也有较大的影响，因此渣成分配比要提高 CaO 的含量、降低渣中（FeO）含量，使硫在渣、钢之间的分配系数增加，能起到较好的脱硫效果。另外，为控制渣的熔点，在配制时必须以 7Al2O3·12CaO（钙渣）为基体。使其熔点为 1400℃左右，如图 1 所示。      

 

图 1 CaO -MgO- Al2O3 三相图  

为加速渣料熔化及强化搅拌作用，应含有一定量的发泡材料。所有材料经均匀混合后压制成 35～50mm 球状，干燥后备用。综上所述，钢包精炼渣的性能如下：       

（1）合适碱度：3.5～8.5；       

（2）流动性好：渣熔点 1400℃～1450℃、 粘度 0.25~0.35 Pa·s；       

（3）氧化性低：渣中（FeO+MnO）含量低于 2%~5%       

（4）合适的炉渣组成-夹杂物的吸附能力：渣脱氧、脱硫效果主要取决于 CaO/Al2O3 的大小,当 CaO/Al2O3 大于 1.5 后脱氧、脱硫效果较理想。      

 因此，综合考虑渣系熔点、硫容量以及吸附 Al2O3 能力，选择 W(CaO)=45%～65%，W(Al2O3)=20%～40%，W(SiO2)=2%～5%，w(MgO)=4%～6%及少量其它熔剂助的还原性渣系最合适，此渣系熔点低、流动性好、硫容量高并且有较好的吸附夹杂能力。       

在生产实践中，根据所生产的钢种和工艺及钢水可浇性来设计开发出钢冶金工艺，是获得洁净钢并能适当进行脱硫和脱氧的最简便的精炼手段。例如根据钢种氮含量要求的不同采用不同的出钢工艺：对于氮要求低于 30ppm 的钢种采用不脱氧（出钢不脱氧）或半脱氧(出钢后钢中[Als]<0.01%)工艺，其余钢种采用全脱氧工艺出钢（出钢后钢中[Als]≧ 0.01%）。再例如根据钢种精炼要求的不同，钢包精炼渣成分需做不同调整：对于需要精炼脱氧脱硫的钢种，采用高碱度精炼渣，严格控制 SiO2 的含量，提高 CaO 含量；对于需要进一步强化脱氧和脱硫效果和提高渣吸附 Al2O3 夹杂的能力的钢种，还可以配加一定量的金属铝、电石等；为了降低高碱度精炼渣的熔点，可适当增加渣中 Al2O3 和 CaF2 的含量；而为减轻熔渣对钢包耐材的侵蚀，可添加轻烧镁粉。      

复合脱氧和白渣前置          

         

     

为了对钢液强脱氧，又避免生成的 Al2O3 堵水口，通常采用复合脱氧剂脱氧，控制各脱氧元素的比例可以得到低熔点的复合脱氧产物，且尺寸较大，容易上浮排除，可优化脱氧工艺和合金化，提高钢水纯净度。       

复合脱氧剂种类很多有硅铝铁、硅铝钡、铝锰铁、铝镁钙等，其中最佳元素组合是 Ca和 Al，Ca 提高了 Al 的脱氧能力，达到同样脱氧效果时减少铝的消耗量，同时 Al 减少了 Ca的挥发损失（单质挥发，复合不挥发）。加入适量 Mg，其原子半径大，在铁液中溶解度低，熔解速度慢，但与氧反应速度快，易先生核，促进 Ca 和 Al 的脱氧，降低［Ca］和［Al］的溶解度。       

因此在出钢过程中利用铝镁钙合金作为复合脱氧剂替代铝质脱氧合金（钢砂铝、铝块等）在出钢过程加入后可起到复合脱氧和白渣前置的作用，根据进站顶渣氧含量、下渣量等情况灵活改变出钢冶金工艺，调整石灰等其它渣料的加入量，出钢后保持钢包顶渣 C/A 比(CaO/Al2O3)=1.7~2.0；曼内斯曼指数 MI（MI=CaO/ Al2O3*SiO2）=0.25~0.40。对目前先脱钢中氧再脱渣中氧的生产工艺进行优化，在降低出钢非平衡氧铝耗及氩站二次氧化钢中铝的成本的同时，提高钢水纯净度 。此外，要造好精炼白渣，还需要注意以下方面：       

（1）脱硫前钢水要先脱好氧，通常为 W([O])<20ppm；       

（2）调整碱度，并保持还原气氛及渣良好的流动性；过程中要注意渣状的变化，并及时调整成白渣；       

（3）要有较强的吹氩搅拌才能促进钢渣接触，从而促进脱氧、脱硫；       

（4）硫含量高时，要适当增大渣量；若石灰纯度不够或活性度<300ml，也要适当增大渣量。      

渣冶金工艺          

         

     

传统炉后钢水脱氧方式主要分沉淀脱氧与扩散脱氧，将合金直接加入钢水中的沉淀脱氧方式脱氧速度快、效率高，因此被广泛采用，但合金直接加入钢水中，脱氧夹杂物也留在钢水中，另一方面合金中的残余元素（如氮、氧、镁、铝、钙等）和合金本身携带的夹杂物（各种氧化物、硫化物等）也留在钢水中，造成钢水的二次污染。而扩散脱氧方式由于脱氧过程依靠氧化铁自钢液向渣相扩散，过程缓慢、耗时、耗能，因此很少被采用。但扩散脱氧优点是脱氧产物不是在钢液中生成而是在渣相中生成，对钢水没有污染，同时由于渣脱氧充分，限制了钢渣中的氧向钢水扩散,极大提高钢水的洁净度。由于现代冶金中钢包都具有良好的底吹搅拌或电磁搅拌功能，动力学条件极大提高，原有的扩散脱氧过程缓慢、耗时、耗能的缺点也就随之消除。因此就可以充分利用现代冶金中钢包良好的搅拌功能，开发出在钢包渣面直接加铝粒进行扩散脱氧与控铝的渣冶金工艺。       

出钢后要控制钢中[Als]=0.005%~ 0.020%，进氩站后将铝粒（粒径 5~8mm）直接加在渣面上，不能直接进入钢水；要通过钢包底吹搅拌使钢/渣充分反应，铝由渣面间接传递进入钢水。所有渣面调铝过程中要始终保持钢水中[Als]≧0.02%，并根据实际过程的每分钟铝损情况，将调铝分两到三步进行。所有操作过程中钢包顶渣都应保持液态，C/A 比（CaO/ Al2O3）=1.2~1.8，以 1.5 为目标，C/A 比低则加入 CaO 石灰，C/A 比高则加入 Al2O3 精炼渣。       

采用该工艺一是可以将脱氧夹杂物都留在了渣中，钢水纯净度得到极大提高，二是向渣面抛撒脱氧剂（如铝粒）造渣，可以降低了渣中(FeO)的含量，防止渣中氧向钢中扩散，从而保证钢水较低的溶解氧活度，极大降低了钢中氧化物夹杂，提高钢水洁净度与产品质量及连铸钢水可浇性。      

生产效果          

         

     

利用出钢过程钢水的高冲击、高氧势、高温度的有利条件，将复合脱氧和白渣前置到出钢过程的新型顶渣改质和脱氧造渣的新型出钢冶金工艺和后续在钢包渣面直接加铝粒进行扩散脱氧与控铝的新型渣冶金工艺，通过强化钢液搅拌、高氧位集中脱氧、复合脱氧与碳脱氧、渣面扩散脱氧预控铝等措施，极大促进了夹杂物碰撞、絮凝和上浮，减少钢水中的夹杂物，提高钢水纯净度，同时极大降低精炼成本和缩短精炼时间。       

转炉出钢后渣中∑（FeO）由平均 18.9%脱到 6.47%；渣中（MnO）由平均 2.0%脱到1.05%；几乎成为白渣，达到了精炼的效果。渣中（Al2O3）含量高达 30%，从熔点、粘度和成分上看，具有良好的吸附夹杂的能力。而且 LF 炉精炼时造白渣的时间在 5min 之内，精炼时间可缩短 25%~40%，极大减轻 LF 炉的精炼负担。       

连铸浇铸过程拉速平稳，未发生因絮流、塞棒侵蚀严重等异常情况造成的变拉速操作，钢水洁净度和产品质量得到提高。高碳高强特殊钢材夹杂物检查的合格率也有很大提高。夹杂物检验中单点超标率减少了 50%、B 粗单点超标率减少了 42%，D 粗单点超标率减少了30% 。      

另一方面通过对比发现，新工艺精炼时间缩短 10-20 分钟，可实现快速的精炼轻处理工艺。可减少出钢时沉淀脱氧用铝量 10%左右；可减少精炼时扩散脱氧用铝量约 30%以上，综合铝耗为 1.2kg/吨钢，较原工艺降低 0.8kg/吨钢，脱氧用铝综合成本下降 1.5 元/t，对提质降碳和降本增效都具有重要意义。      

结论          

结论          

     

（1）利用出钢过程钢水的高冲击、高氧势、高温度的有利条件，将复合脱氧和白渣前置到出钢过程的顶渣改质和脱氧造渣的新型出钢冶金工艺，为后续炉外精炼工艺的高效实施创造良好条件，达到早造渣、早化渣、早脱氧，夹杂物早上浮、多上浮，减少钢水中大尺寸夹杂物的目的。       

（2）在钢包渣面直接加铝粒进行扩散脱氧与控铝的新型渣冶金工艺，脱氧产物不是在钢液中生成而是在渣相中生成，对钢水没有污染，同时由于渣脱氧充分，限制了钢渣中的氧向钢水扩散，极大地提高了钢水的洁净度。         

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