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大管坯精炼渣研究及优化
林腾昌1，朱荣1，杨凌志1，王成杰1，宁建成2，宋景凌2
(1．北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083；2．湖南衡阳钢管(集团)有限公司，湖南衡阳421001)
摘 要：采用化学分析、岩相分析、扫描电镜、模拟计算的方法研究了大管坯精炼渣系。结果表明，原渣系完全熔化温度高于1440℃的比例为60%。岩相分析发现渣中高熔点2CaO·SiO2和3CaO·SiO2导致精炼渣黏度均在2Pa·s以上。通过优化精炼渣组元并应用新渣系后，VD精炼后钢中平均ω(T．O)降低了5×10-6，平均ω(N)降低了15×10-6，平均ω(S)降低了60%，最低ω(S)可控至0．003%。
关 键 词：精炼渣；岩相；黏度；气体含量；脱硫
在现有二次精炼技术下，埋弧加热、底吹、造渣成为最主要的精炼期洁净度操作控制手段，而精炼渣以其相对复杂的冶金特性成为最重要的精炼操作直接控制因素[1-5]。本文基于某钢厂低硫钢开发计划以及该厂原渣系化渣率低、脱硫效果欠佳等不能满足生产要求的情况，于2011年对LF／VD精炼渣进行抽样检测，分析讨论了原精炼渣存在的不足，提出了采用新型精炼渣的优化方案，并通过实际应用取得了良好效果，现已成功应用于低硫钢生产。
1 精炼渣的概况
1．1 精炼渣化学成分
由2011年12炉钢(钢种为20CrMo、36Mn2V、15CrMoG、SA—213T22、26CrMoNbTiB)精炼渣抽检试样的成分(不含CaF2)检测结果可知，精炼渣中ω(CaO)=39．36%～47．75%，ω(SiO2)=13．85%～24．94%，精炼渣的二元碱度R=1．66～3．36。ω(MgO)=3．92%～8．16%，波动范围过大，影响冶炼稳定性，一般维持在5%左右。而ω(Al2O3)=7．54%～15．0%，提高炉渣流动性的效果有限。部分炉次终渣中ω(FeO)超过1．0%，最高达到3．83%，一般应控制ω(MnO+FeO)≤1．0%为宜。通过原渣系成分分析发现，该渣系不能完全满足低硫钢对高碱度高效脱硫、良好流动性覆盖钢液及去除夹杂物的冶金要求。分析认为调整精炼渣中基本组元ω(CaO)≥50%，ω(SiO2)≤6%，ω(Al2O3)≥20%，ω(MgO)≈5%，ω(MnO+FeO)≤1．0%(添加CaF2调渣)会提高现用精炼渣的冶金效果。
1．2 精炼渣岩相观察
精炼渣岩相的组成对精炼渣的熔点、黏度都有重要影响，通过扫描电镜来观察形貌、检测成分并确认其种类。图1所示的典型岩相结构Ⅰ中，主要组分为硅酸二钙，包含少部分的硅酸三钙以及RO相，还有相对较多的金属铁。图中Ⅱ所示的典型岩相结构，以硅酸二钙为主，还有较多的RO相以及少量游离的氧化钙和CaC2。图中Ⅲ的典型岩相结构中，以硅酸二钙为主，伴有少数游离的氧化钙和方镁石。图中Ⅳ的典型岩相结构中主要为硅酸二钙，并有少数硅酸三钙和较多的游离氧化钙。图中V的典型岩相结构主要为γ-型的硅酸二钙，一些的方镁石和铝酸三钙。
通过岩相显微镜观察和扫描电镜认定，精炼渣中的主要矿物为硅酸二钙(其熔点大于2000℃)和一些RO相(RO相为MgO、FeO、CaO和MnO的总称)，其中的硅酸二钙可能固溶有P2O5或3CaO·MgO·2SiO2，Al2O3多在渣中未结晶相中。另外，一些渣中不同程度的含有橄榄石((Mg，Fe)2SiO4)。
硅酸二钙熔点较高，从而使得精炼渣的整体熔点很高，RO相的存在使得精炼渣黏度很大，这是由于其比其它离子团要大许多，因此会增大精炼渣黏度，降低钢渣间化学反应速度。这与研究发现的精炼渣熔点高和黏度大的结果相吻合。
方镁石和游离CaO的存在会使精炼渣熔点和黏度较高。这是因为方镁石(MgO)和CaO熔点较高，尤其是方镁石；另一方面，精炼渣黏度与熔体中的离子团大小有关，所以当渣中含有较多未溶解的方镁石和CaO质点时，由于其比其它离子团要大许多，因此会增大精炼渣黏度，降低钢渣间化学反应速度。
精炼渣中含有的硅酸三钙也会提高精炼渣的熔点及增加其黏度。硅酸二钙粉末渣是由于精炼渣冷却时β-硅酸二钙相变为γ-硅酸二钙，其体积膨胀导致自行粉化而呈粉末状。当碱度较低，SiO2和MnO含量较高，渣中2CaO·SiO2较少或者还有2MnO·SiO2等大量存在时，精炼渣不易粉化。
另外，渣中基本没有发现铝酸盐或硅铝酸盐，仅有少量的2CaO·SiO2中固溶有Al2O3，说明Al2O3进入渣中很少，铝脱氧的效果不好。
1．3 精炼渣黏度与熔点对比
采用“半球法一试样变形法”测定精炼渣熔点的结果见图2～图4。
由图2～图4可知，各炉次LF初渣样的开始熔化温度在1440℃以上的有2个，占总数(10个)的20%，完全熔化温度在1440℃以上的有6个，占总数的60%；各炉次LF终渣样的开始熔化温度在1440℃以上的有2个，占总数(12个)的16．7%，完全熔化温度在1440℃以上的有8个，占总数的66．7%；各炉次VD终渣样的开始熔化温度没有在1440℃以上的，完全熔化温度在1440℃以上的有3个，占总数(5个)的60%。全部渣样中的开始熔化温度的最低值为1352℃，最高值为1461℃；完全熔化温度的最低值为1379℃，最高值为1491℃。综合来看，原渣系的熔点偏高，且高熔点渣样的比例较高。
采用旋转柱体法测定了各冶炼阶段精炼渣样的黏度，结果见图5～图7。当精炼渣已经完全熔化，甚至温度已经超过其完全熔化温度时，大多数精炼渣的黏度仍在4．0Pa·s以上，最高已达到7．2Pa·s。
良好的精炼渣熔点一般控制在1300～1450℃，黏度一般控制在0．25～0．60Pa·s。而该厂所用渣系的开始熔化温度大多数在1400℃以上，完全熔化温度则在1440℃以上，黏度均在2Pa·s以上，甚至达到7．2Pa·s。因此，该厂所用精炼渣不利于快速成渣、快速脱硫、脱氧、去气、去夹杂等冶金任务。精炼渣的熔点与黏度主要由其组分决定，因此，应重点调整精炼渣组成，以改善精炼渣的熔点和黏度。
2 精炼渣优化与冶金效果对比
通过对精炼渣的分析研究，发现原用精炼渣存在的主要问题是精炼渣熔点高、黏度大，造成精炼渣吸附夹杂物能力较差，同时精炼过程中钢液硫含量控制不稳定。针对存在的问题，结合CaO-SiO2-MgO-Al2O3为主成分的四元精炼渣系相图，对精炼渣系进行优化，确定其主要组元范围，提高冶金效果[6-7]。
2．1 精炼渣熔点的控制
精炼渣是由多种不同的单个氧化物组成，不同组元之间存在相互作用和影响，因此表现出与单个组分不同的性质，从而构成了不同熔点的精炼渣。通过对各组元进行调整和控制可以得到具有良好熔点和黏度的精炼渣，这有利于提高精炼渣碱度和流动性，改善脱硫与去除夹杂物效果[8-10]。
为得到具有合适熔点、脱硫率高、流动性良好的精炼渣，需要利用多元渣系相图对精炼渣配比进行优化，图8为ω(MgO)=5%的CaO-SiO2-MgO-Al2O3四元相图。相图中标示的区域1和区域2均在1400℃以下，符合低熔点造渣要求。在区域2上部ω(CaO)才能达到45%～47%，ω(Al2O3)只有10%～12%，而ω(SiO2)高达38%～45%，ω(MgO)=5%，此渣系碱度很低，不符合低硫钢生产对脱硫渣的冶金要求。区域1中ω(CaO)=40%～52%，ω(SiO2)=0～7．5%，ω(Al2O3)=38%～48%，ω(MgO)=5%，该渣系二元碱度可达到6．0，辅助以高含量Al2O3提高流动性，具备高碱度脱硫、良好流动性去夹杂的冶金能力。
2．2 精炼渣黏度的控制
通常情况下，精炼所用典型渣系(CaO-Al2O3-MgO-SiO2)的黏度随温度上升而下降。以ω(CaO)=47%，ω(Al2O3)=40%，ω(SiO2)=6%，ω(MgO)=5%(无CaF2)为组分的精炼渣，实验得到在1500℃时黏度为0．26，在1550℃时黏度为0．19。计算得到新精炼渣系的光学碱度为0．74～0．80，表明该精炼渣具有较强的脱硫能力和良好的发泡性能，可以满足较强的脱硫和去夹杂的冶炼要求[11-14]。结合该厂实际情况，确定精炼渣系各成分的配比范围(见表1)。
2012年采用新精炼渣对10炉30CrMo、10炉37Mn5、5炉HSL360S 3个钢种共25炉钢实际冶金效果进行了对比试验(原渣系进行同样钢种及炉次的正常生产)，结果见表2和表3。工业试验时依据冶炼条件按石灰：精炼渣：萤石=(0．9～1．2)：1：(0～0．1)投入到钢包中造渣。应用新渣系后，VD精炼后钢中平均ω(T．O)降低了5×10-6，平均ω(N)降低了15×10-6，平均ω(S)降低了60%，最低ω(S)可控至0．003%，EAF至VD脱硫率由原来的81．48%提高至92．59%。
3 结论
1)原精炼渣的熔点偏高、黏度较大，降低了钢渣间化学反应速度，使得脱硫反应减慢，造成钢水中硫含量较高，同时使得钢中的夹杂物不易进入精炼渣，造成钢水中的夹杂物数量较多。
2)通过对精炼渣的分析研究并结合CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元渣系计算，确定了合适的熔点、黏度、碱度的精炼渣组成为：ω(CaO)=42%～52%，ω(Al2O3)=35%～45%，ω(SiO2)≤6%，ω(MgO)≤5%，ω(CaF2)≤6%(依据渣况)。
3)渣系改善后，VD精炼后钢中平均ω(S)降低了60%，最低ω(S)可控至0．003%，渣系脱硫率由原来的81．48%提高至92．59%，同时钢中平均ω(T．O)降低了5×10-6，平均ω(N)降低了15×10-6。
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