翻渣工藝在含鋁鋼生產(chǎn)中的實(shí)踐應(yīng)用

李永輝，張 虎，張琳琳

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島 266000）

某煉鋼廠配備有2 座KR 脫硫、1 座轉(zhuǎn)爐、3 座LF精煉爐、1 臺(tái)RH 真空精煉爐和2 臺(tái)連鑄機(jī)（一臺(tái)七機(jī)七流，另一臺(tái)十機(jī)十流），主要生產(chǎn)的產(chǎn)品有胎圈用鋼、焊絲用鋼及圓管坯用鋼，其中含鋁鋼在七機(jī)七流的連鑄機(jī)上澆注，可生產(chǎn)斷面主要有Φ200～Φ500 mm 圓坯和180 mm×240 mm 的方坯，其冶煉工藝均需經(jīng)過(guò)LF爐處理，另外部分產(chǎn)品需進(jìn)行RH 爐真空脫氣。

隨著市場(chǎng)的嚴(yán)峻性，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下降低生產(chǎn)成本成為當(dāng)前的重要任務(wù)之一。該煉鋼廠結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在含鋁鋼生產(chǎn)中通過(guò)采用翻渣工藝重復(fù)使用煉鋼頂渣，減少輔料使用量，提高鋼水成材率降低了煉鋼工序成本，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

下面以中碳鋼合金結(jié)構(gòu)鋼35CrMo（其化學(xué)成分見(jiàn)表1）為例來(lái)說(shuō)明該煉鋼廠翻渣工藝的生產(chǎn)實(shí)踐情況。

表1 合金結(jié)構(gòu)鋼35CrMo 中各化學(xué)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

1 含鋁鋼生產(chǎn)工藝

1.1 含鋁鋼生產(chǎn)工藝介紹

精煉造渣在冶煉中極其重要，其直接影響到鋼水冶煉質(zhì)量、耐火材料消耗等。精煉渣的使用可以更好地完成精煉過(guò)程的脫硫、脫氧、去除夾雜等任務(wù)，從而提高鋼水質(zhì)量保證鋼水的可澆注性，同時(shí)良好的精煉渣系可以有效地去除非金屬夾雜物保證鋼水的純凈度。

為了取得最佳的精煉效果，含鋁鋼要求精煉渣具備相應(yīng)的物理化學(xué)性質(zhì)，而渣的成分是其物理化學(xué)性質(zhì)的決定因素，對(duì)于鋼包精煉爐而言，選擇精煉渣系的主要依據(jù)有以下幾點(diǎn)[1]：①良好的流動(dòng)性即合適的熔點(diǎn)及黏度，以利于增大渣/鋼接觸面及渣/鋼反應(yīng)；②合適的堿度和渣量以脫硫；③吸收非金屬夾雜物能力強(qiáng)；④化渣速度快，快速化渣有利于提高精煉效果，減少鋼水夾雜物量；⑤熱量傳遞及穩(wěn)定電弧以便在加熱時(shí)可以埋弧工作，提高鋼水溫度；⑥對(duì)包襯耐火材料侵蝕輕微，保護(hù)精煉鋼包的爐襯；⑦有較好的絕熱性能，減少鋼水鋼水溫降。

目前，國(guó)內(nèi)鋼廠生產(chǎn)含鋁鋼的渣系主要有CaOCaF2、CaO-Al2O3-CaF2、CaO-Al2O3和CaO-Al2O3-MgOSiO2等[2]，但大多數(shù)廠家通常使用CaO-Al2O3-MgOSiO2渣系作為精煉頂渣，其使用的造渣材料主要有冶金石灰、合成精煉渣、鋁礬土等。

1.1.1 CaO-CaF2渣系

具有很強(qiáng)的脫氧、脫硫能力，其硫容量在二元渣系中是最高的。在CaO-CaF2渣系中，CaF2的主要作用是改善渣的流動(dòng)性，降低渣的熔點(diǎn)，增大脫硫產(chǎn)物的擴(kuò)散速度，改善脫硫動(dòng)力學(xué)條件。由于在這種渣系中CaF2含量相對(duì)較高，對(duì)爐襯侵蝕嚴(yán)重，同時(shí)，這種渣系黏度較小，不利于埋弧操作，導(dǎo)致電弧對(duì)包襯的輻射侵蝕，此外，CaF2還會(huì)與渣中其他組元反應(yīng)，生成含氟氣體（SiF4）污染環(huán)境，因此逐步被渣系取代。

1.1.2 CaO-Al2O3-CaF2渣系

渣中的硫含量主要取決于CaO/Al2O3比值的大小，而CaF2含量對(duì)其影響很小。當(dāng)CaO/Al2O3的比值增加，渣中硫含量顯著增加。由于原料中不可避免會(huì)帶入部分SiO2，因而CaO-Al2O3-CaF2渣系實(shí)際上為CaOAl2O3-CaF2-SiO2四元渣系，但是該渣系因采用了污染環(huán)境的螢石，因此也逐漸被替代。

1.1.3 CaO-Al2O3渣系

該渣系多用于低碳低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼，維持較高的CaO/Al2O3，也能具有良好的脫硫能力，研究認(rèn)為鈣鋁酸鹽與鈣硅酸鹽相比，對(duì)硫的吸收速度和硫化物的允許容量更大；對(duì)夾雜物吸收能力強(qiáng)于CaO－CaF2渣系，生成C12A7 低熔點(diǎn)夾雜易于上浮排除，實(shí)際生產(chǎn)中充分發(fā)揮好CaO－Al2O3渣系的脫硫和去夾雜能力關(guān)鍵在于控制渣中較低的SiO2，代表鋼種為ML08Al。

1.1.4 CaO-Al2O3-MgO-SiO2渣系

CaO-Al2O3-MgO-SiO2渣系是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛也最常見(jiàn)的精煉渣系。提高渣中CaO 的含量，可以顯著降低鋼中的硫含量，但當(dāng)渣中CaO 含量過(guò)高時(shí)，增大了爐渣黏度，使流動(dòng)性變差，不利于脫硫及夾雜物的吸附去除，同時(shí)也增加了DS 類夾雜物超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。因此為了保證精煉過(guò)程頂渣的流動(dòng)性及夾雜物受控，通常將渣系中CaO、Al2O3的含量控制在一定范圍，為了使精煉渣具有較好的脫硫效果和有利于對(duì)上浮Al2O3等脫氧產(chǎn)物的同化和吸收，常將精煉終渣成分選定在CaO-Al2O3-SiO2相圖的12CaO·7Al2O3生成區(qū)域，Al2O3含量為30%左右或CaO/Al2O3=1.8 左右時(shí)存在Ls 較高的區(qū)域[3]。

為了提高鋼水純凈度，縮短精煉化渣時(shí)間及精煉周期，該煉鋼廠含鋁鋼造渣，主要采用石灰與合成精煉渣，其主要成分要求見(jiàn)表2、表3。合金結(jié)構(gòu)鋼35CrMo 冶煉主要工藝工序有鐵水預(yù)處理、頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐、LF 精煉爐、RH 爐和連鑄等。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的鐵水通過(guò)轉(zhuǎn)爐吹煉后去除磷、碳、硅和錳等合金元素，然后再使用鋁鐵進(jìn)行沉淀脫氧，最后，進(jìn)行合金化，轉(zhuǎn)爐冶煉出來(lái)的粗鋼進(jìn)入LF 精煉爐，加入石灰合成渣繼續(xù)精煉，脫氧劑使用碳化硅（其成分見(jiàn)表4），待鋼水成分、溫度合適后進(jìn)行RH爐真空脫氣，RH 爐結(jié)束后進(jìn)行鈣處理，然后軟吹進(jìn)一步提高鋼水純凈度，最后，澆注成合格的圓坯。通常為了保證產(chǎn)品質(zhì)量鋼包內(nèi)會(huì)留存一定量的余鋼，常規(guī)工藝鋼水澆注結(jié)束后鋼包頂渣與余鋼一起翻入渣盆，鋼、渣冷卻后破碎再次利用。而該煉鋼廠通過(guò)技術(shù)可行性分析研究及科學(xué)組織生產(chǎn)，直接將含鋁鋼的鋼包頂渣及余鋼翻入下一爐鋼包內(nèi)用于精煉同類鋼種的鋼水，以此減少生產(chǎn)過(guò)程中原輔料的使用，以及煉鋼廢物的產(chǎn)生、運(yùn)輸、二次處理等問(wèn)題，同時(shí)提高了鋼水的成材率。

表2 冶金石灰的主要成分要求

表3 合成渣的主要成分要求 %

表4 碳化硅的主要成分要求 %

1.2 精煉過(guò)程控制

1.2.1 精煉造渣控制

常規(guī)精煉工藝轉(zhuǎn)爐出鋼加入石灰500 kg/爐，精煉爐再加入精煉渣500 kg/爐，根據(jù)精煉過(guò)程的埋弧情況精煉可以補(bǔ)加石灰100～150 kg/爐，在送電期間使用碳化硅脫氧，一般使用量150～180 kg。鋼水成分、溫度、節(jié)奏及終渣滿足工藝設(shè)計(jì)后再進(jìn)行脫氣處理。

翻渣精煉工藝則使用上一次爐次的鋼包頂渣，然后根據(jù)精煉過(guò)程埋弧效果、冶煉過(guò)程電流穩(wěn)定性及鋼水升溫情況確定補(bǔ)加石灰100～150 kg/爐，而脫氧劑用量一般在140～165 kg/爐。滿足工序標(biāo)準(zhǔn)要求后進(jìn)行脫氣處理，一般情況下，鋼包頂渣可以重復(fù)使用2～3 次。

目前澆次的前4 爐采用常規(guī)工藝，其他爐次則采用翻渣精煉工藝，2 個(gè)工藝的精煉終點(diǎn)渣系組分及碳化硅使用情況見(jiàn)表5。

表5 不同工藝精煉終渣組分及碳化硅使用量

含鋁鋼生產(chǎn)中要求白渣操作，而所謂的白渣通常是渣中的氧化物含量不大于1%[4]，也就是精煉終渣中的TFe+MnO 之和的含量不大于1%，根據(jù)表5 中數(shù)據(jù)分析，采用翻渣工藝后精煉渣組分變化不大，渣中氧化物含量均小于1%，另外翻渣工藝的脫氧劑使用量相對(duì)減少。

翻渣工藝的渣料的石灰加入量結(jié)合了LF 爐埋弧及碳化硅的使用情況，因此，整體渣系變化不大。翻渣工藝的鋼包頂渣的氧化性整體低于常規(guī)工藝合成渣中的TFe%含量，脫氧劑的使用量相對(duì)減少。

1.2.2 脫硫效果

統(tǒng)計(jì)分析2 個(gè)工藝條件下不同工序點(diǎn)鋼水中的硫情況見(jiàn)表6，根據(jù)表6 分析2 個(gè)工藝的脫硫率效果差異不大，翻渣工藝的精煉終點(diǎn)（硫）含量及脫硫率均略優(yōu)于常規(guī)工藝。氧與硫是同一族元素，而且氧的氧化性高于硫，因此脫硫程度深時(shí)，脫氧效果相對(duì)較高。通過(guò)表6 可以發(fā)現(xiàn)在初始硫含量相差不大的前提下，翻渣精煉工藝的脫硫效果略優(yōu)于常規(guī)工藝，因此，翻渣工藝的脫氧效果理論高于常規(guī)工藝。

表6 不同工藝狀態(tài)下各工序的平均硫及脫硫率

1.3 鋼水可澆注性

對(duì)于含鋁鋼生產(chǎn)而言，可澆注性是最重要的考量指標(biāo)之一，同時(shí)也側(cè)面反映了鋼水的純凈度[5]。含鋁鋼可澆性變差一般是因水口位置不斷堆積鋁類、鋁酸鈣類夾雜物導(dǎo)致塞棒不停上漲最后造成水口堵塞，或者塞棒不停波動(dòng)，引起結(jié)晶內(nèi)鋼水液面波動(dòng)造成結(jié)晶器內(nèi)鋼水卷渣，導(dǎo)致鑄坯質(zhì)量不能滿足產(chǎn)品要求。生產(chǎn)中通過(guò)鋼水澆注過(guò)程的塞棒曲線與液面波動(dòng)曲線可以看出鋼水的可澆注性。

通過(guò)圖1 中35CrMo 的鋼水澆注曲線不難發(fā)現(xiàn)2個(gè)不同精煉工藝冶煉鋼水的塞棒與液面均平穩(wěn)、無(wú)明顯波動(dòng)，因此采用翻渣工藝后，鋼水的可澆性正常。

圖1 35CrMo 的澆注曲線

1.4 產(chǎn)品質(zhì)量

成品中夾雜物的含量情況是表征產(chǎn)品純凈度的重要考量指標(biāo)，其主要包括夾雜物的大小、類別及數(shù)量。目前夾雜物的檢測(cè)方法通常是采用GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》中的A 法，但該方式無(wú)法進(jìn)行量化比較，存在一定的缺陷。本文通過(guò)使用美國(guó)FEI 公司生產(chǎn)的Aspex 夾雜物自動(dòng)分析設(shè)備對(duì)澆注的成品質(zhì)量進(jìn)行掃描分析，研究不同工藝條件下鑄坯中5 μm 以上的夾雜物情況，其掃描位置是鑄坯1/2 半徑的縱截面，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表7、表8。

表7 不同工藝夾雜物的大小及數(shù)量 個(gè)

表8 不同工藝鋁類夾雜物的數(shù)量情況 個(gè)

通過(guò)表7 中的數(shù)據(jù)表明采用翻渣精煉工藝后，連鑄坯中5 μm 以上的夾雜物數(shù)量的平均值優(yōu)于常規(guī)生產(chǎn)工藝。

通過(guò)表8 中的數(shù)據(jù)表明采用翻渣精煉工藝后，連鑄坯中5 μm 以上的鋁類夾雜物數(shù)量的平均值低于常規(guī)工藝，且無(wú)20 μm 以上的夾雜物，因此翻渣工藝的鋁類夾雜物控制水平優(yōu)于常規(guī)工藝。

綜上翻渣工藝的產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)于常規(guī)精煉工藝。

2 效益分析

該廠含鋁鋼生產(chǎn)采用翻渣精煉工藝后，減少了冶金石灰、合成精煉渣、脫氧劑等原材輔料的使用，減少了渣盆的使用量及運(yùn)輸?shù)葐?wèn)題，同時(shí)提高了鋼水的成材率，通過(guò)測(cè)算實(shí)現(xiàn)噸鋼降低成本約28.43 元。

3 結(jié)論

1）含鋁鋼采用翻渣工藝后，精煉脫硫、脫氧效果略優(yōu)于常規(guī)工藝，鋼水可澆性無(wú)明顯變化，通過(guò)Aspex 全自動(dòng)電鏡掃描分析產(chǎn)品純凈度優(yōu)于常規(guī)工藝，因此翻渣工藝可以進(jìn)行推行。

2）含鋁鋼翻渣工藝提高了鋼水成材率，降低了生產(chǎn)成本，產(chǎn)品質(zhì)量提高，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，可以進(jìn)行推廣。