以優(yōu)化脫氧方式降低脫氧劑單耗的研究

孫海坤，張忠福，李 毅，晏 武，王 哲，張彥龍，付有彭，張李鵬

（日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司， 山東 日照276800)

1 影響脫氧的主要因素

1.1 脫氧的必要性

在氧氣轉(zhuǎn)爐和電弧爐的煉鋼過程中，均采用向金屬熔池供氧以氧化除去鐵水中的碳、硅、磷、硫等雜質(zhì)的方法。為了獲得高的反應(yīng)效率，必須向熔池供入足夠的氧，在冶煉臨近結(jié)束時(shí)，鋼液處于“過度氧化”狀態(tài)。即鋼液中高于與鋼中碳、錳等元素的氧含量。

1.2 氧對鋼性能的影響

氧是在鋼的凝固過程中偏析傾向最嚴(yán)重的元素之一，在鋼液的凝固和隨后的冷卻過程中由于溶解度的急劇下降，鋼中原來溶解的氧由a或b相中析出，并以鐵氧化物、氧硫化物等細(xì)微夾雜物富集在晶界處。鋼中氧含量的增加會降低鋼材的延性、沖擊性和抗疲勞破壞性能，提高鋼材的韌—脆的轉(zhuǎn)換溫度，降低鋼材的耐腐蝕性能，此外，氧含量高的鋼材還容易發(fā)生時(shí)效老化，在高溫加工時(shí)由于結(jié)晶處的雜質(zhì)偏析形成低熔點(diǎn)網(wǎng)膜，還會導(dǎo)致產(chǎn)生熱脆。

1.3 鋼中氧元素與有害元素硫元素的關(guān)系

硫是活潑的非金屬元素之一，性質(zhì)與氧類似，通常以單質(zhì)形態(tài)溶解于鐵液中。對于大多數(shù)鋼種而言，硫的存在都會降低其加工和使用性能。一般鋼種w(S)＜0.03%，優(yōu)質(zhì)的鋼種要求硫含量更低一些，然而煉鋼過程中的氧化反應(yīng)不利于脫硫。根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明：剛水中的氧化物遠(yuǎn)遠(yuǎn)比其硫化物要穩(wěn)定，因此只有鋼水中的氧經(jīng)脫氧劑充分的預(yù)脫氧才能生成硫化物。

經(jīng)試驗(yàn)研究以及數(shù)據(jù)積累，硫化鈣的溶解度積最小，因而CaS是最有效的脫硫劑，硫化鈣的溶解度積和氧化鈣的溶解度積均對鐵液中的氧化鈣脫硫有很重要的意義（具體公式詳見1、2）[1]。

氧化鈣的脫硫反應(yīng)反應(yīng)式：

式中：a[O]為鋼水氧濃度；a[S]為鋼水硫濃度。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：必須用強(qiáng)脫氧劑把氧活度降下來，才能使脫硫反應(yīng)向生成硫化物的方向進(jìn)行。

1.4 脫氧產(chǎn)物的去除

根據(jù)流體力學(xué)原理，即上浮的速度與固體顆粒和液體之間的差成正比，與液體的黏度成反比，顆粒與半徑的平方成反比，由于鋼液的黏度、鋼液和脫氧產(chǎn)物的密度差不會有很大的變化，長期以來人們認(rèn)為主要靠夾雜物的半徑才能有效地去除鋼液的脫產(chǎn)物。

1.5 LF爐脫氧劑種類

目前LF爐才用的脫氧方式有直接脫氧、擴(kuò)散脫氧、真空脫氧法三種方法[2]。直接脫氧是用于氧親和力較鐵與氧親和力強(qiáng)的元素鋁（見下頁圖1）作為脫氧劑，脫氧劑直接與鋼液直接作用，反應(yīng)產(chǎn)物右鋼液上浮排除，到達(dá)脫氧目的。

直接脫氧是目前為普遍采用的一種脫氧方式。煉鋼脫氧時(shí)，對于一些質(zhì)量比較輕或易氣化的脫氧劑則多采用向鋼液喂絲線或喂包芯線的方式加入到鋼液中，直接脫氧反應(yīng)速率快，操作簡單，成本低。當(dāng)前LF爐采用的是鋁線、鋁粒、電石的復(fù)合脫氧的方式。但是鋁制品脫氧目前成本比較高，而且部分脫氧產(chǎn)物會滯留在鋼液中成為非金屬夾雜物。接下來需要解決脫氧劑消耗高帶來的成本問題[3]。

圖1 鋁元素特性

電石化學(xué)名稱為碳化鈣，分子式為CaC2，外觀為灰色、棕黃色、黑色或褐色塊狀固體，使用鈣系脫氧劑優(yōu)化脫氧工藝后，錳鐵和硅鐵回收率與硅鋁脫氧劑相比較提高5.1%和2.72%，同樣脫氧脫硫也達(dá)到很好的效果，用電石脫氧既節(jié)約一定的石灰渣料，也通過CO氣泡的上浮進(jìn)一步出去N、H氣體，還可以提高合金Mn的回收率。同時(shí)可以改善鋼水的流動性，有效地去除鋼中的夾雜物，提高鋼水的純凈度，防止水口的結(jié)瘤。轉(zhuǎn)爐出鋼使用電石主要是將過高的溶解氧去除。部分形成的產(chǎn)物更有利于去除，是脫氧工藝的進(jìn)步，在生產(chǎn)中切實(shí)可行[4]。

2.脫碳爐脫氧方式

脫碳爐改進(jìn)方式：由料倉加入鋁錠大于300 kg進(jìn)行預(yù)脫氧調(diào)整為鋁錠+鋁線+硅鐵的方案（如表1），同時(shí)在出鋼過程中手動加入電石和碳粉進(jìn)行預(yù)脫氧，減輕LF爐的脫氧壓力。

表1 不同廢鋼比脫氧方式

3 LF爐脫氧方式

3.1 優(yōu)化電石的加入方式

通過優(yōu)化電石的加入方式、調(diào)整電石加入時(shí)機(jī)、增加電石用量（見表2）；在保證埋弧的前提下，電石可以達(dá)到脫鋼渣中一部分氧，從而降低脫氧劑單耗，圖3為電石消耗與脫氧劑消耗關(guān)系。

3.2 優(yōu)化精煉渣系

通過引進(jìn)鋼渣改質(zhì)劑、優(yōu)化石灰的用量、優(yōu)化電石的加入方式等調(diào)節(jié)渣系，提高鋼渣的流動性，加快變渣速度，降低鋁粒的消耗。

通過渣系三元相圖可得，渣中CaO逐漸在降低；渣中Al2O3含量逐漸升高；渣中SiO2無明顯的波動；渣樣數(shù)據(jù)顯示渣樣打點(diǎn)的整體區(qū)域正在向左偏移，鋼種渣系向低熔點(diǎn)中心方向偏移（圖4、表3），通過優(yōu)化渣系提高變渣速度，減少鋁制品的消耗，降低脫氧劑單耗。

表2 不通碳含量電石加入量

圖3 電石單耗約脫氧劑單耗趨勢

圖4 精煉渣三元相圖

表3 精煉渣成分計(jì)算表

3.3 LF爐石灰用量控制

通過脫碳爐的終點(diǎn)的變化，靈活的調(diào)整LF爐的石灰用量（特定鋼種）見下頁表4，控制LF爐石灰的加入頻次，控制石灰質(zhì)量（降低生雜）減低脫氧劑。

4 結(jié)論

1）根據(jù)廢鋼比調(diào)節(jié)脫碳爐的脫氧方式，可降低脫氧劑單耗。

表4 石灰用量標(biāo)準(zhǔn)

2）提高電石加入量及優(yōu)化電石加入方式，在保證埋弧的前提下可以降低脫氧劑單耗。

3）使用鋼渣改質(zhì)劑提高渣中Al2O3含量，提高鋼渣流動性加快變渣速度，可以降低脫氧劑的單耗。

4）根據(jù)脫碳爐終點(diǎn)宏觀調(diào)控LF爐石灰用量，優(yōu)化石灰量質(zhì)，控制LF爐補(bǔ)加石灰頻次可以降低脫氧劑單耗。