40吨钢包顶渣精炼工艺的实践

发表时间：[2007-10-27]　　作者：　　编辑录入：admin　　点击数：1572

　摘要:介绍了利用CAS装置进行顶渣精炼的工艺过程。通过该工艺能够有效降低钢液氧含量，起到一定的脱硫效果，并有效提高钢水纯净度，降低钢液夹杂物含量，使用较低的成本取得较好的精炼效果。

　关键词:顶渣精炼　碱度　夹杂物　纯净度

1 前言

　为了适应钢铁市场竞争愈加激烈的要求，承钢不断加强产品结构的优化，积极进行品种钢开发工作。中小型转炉一直存在由于冶炼周期短、出钢温度高、钢中T[O]、[s]含量高，品种开发困难的问题。承钢两台CAS-OB精炼炉投产以来，对其工艺参数不断进行摸索、完善和优化，但由于处理过程温降较大，基本没有脱硫能力，精炼过程脱氧率低，渣中FeO+MnO为4.56％，距达到还原渣要求的FeO+MnO≤2.5％差距较大。CAS处理仅对成分进行微调，精炼效果较差，并且精炼过程温降大，不能满足品种钢开发工艺要求的需要。

　品种开发必须解决钢中夹杂物含量高，对钢的纯净度及性能影响大的问题。为此，炼钢厂利用CAS-OB精炼炉装置增加对钢液进行顶渣精炼处理功能，从而降低钢液的夹杂级别，提高脱氧、脱硫效果，减少热量损失，提高钢的纯净度。

2 研究内容和思路

　 CAS顶渣精炼功能就是利用CAS装置在钢包内钢水表面造一层还原渣，利用钢水自身热量将精炼渣及强还原剂AL粉(或CaSi粉)熔化，快速成渣。这样对包渣进行了改性处理，使包渣的碱度适宜，流动性变好，氧化性降低，达到吸附钢中的夹杂物、提高脱氧和脱硫的目的。该工艺指在转炉出钢过程，随钢流加入调渣剂，在出钢后加入顶渣剂，使钢包渣改性为具有一定碱度和特定组成的还原渣，在CAS精炼处理时，将浸罩浸入钢渣界面附近，进行大供气强度的搅拌，实现罩内渣钢的充分混和，达到吸附钢中的夹杂、同时脱除钢中的[O][S]的目的，且大幅度减少CAS精炼处理过程温降。

3 工艺实施方案

　以Q345C为试验钢种，进行脱氧和脱硫功能试验，共试验26炉，以45^#钢为试验钢种进行夹杂物上浮和改性试验，共试验26炉，并取电解大样2炉。顶渣精炼方式如下：

3.1 出钢过程渣洗

　在出钢过程均匀加入调渣剂随合金料2～3千克/吨钢，并加入小颗粒石灰1.5～2.5千克/吨钢。出完钢后加入顶渣剂0.5～1.5千克/吨钢，保证顶渣碱度。

3.2 顶渣精炼工艺

　吹氩前往包内加入铝粉0.5～1.0千克/吨钢。吹氩时先喂铝线，再喂硅钙钡线，之后将钢包车开回至精炼工位。降罩至钢渣界面，使用大气量吹氩3分钟，之后进行弱吹氩，保证吹氩时间≥7分钟。

3.3 吹氩过程喂线

　吹氩过程先喂铝线，间隔1分钟后喂BaCaSi线，喂线量氧化性强靠上限，氧化性弱靠下限。(见表1)。

表1　　吹氩过程喂线量

终点[C]含量(%)	＜0.06	0.06-0.09	≥0.01
Al线(米/吨钢)	0.5-0.8	0.3-0.5	0.3
BaCaSi线(米/吨钢)	3.0-4.0	2.0-3.0	1.0-2.0

4 效果分析

4.1 Q345C钢包渣主要成分

　结合CaO-SiO₂-A1₂0₃三元相图，并结合实践认为顶渣成分控制CaO：45％～50％，Si0₂：18％～25％，A1₂0₃：10％～15％，形成较高碱度，低氧化性，流动性好的钢包渣，能够较好的实现顶渣精炼的各项功能(见表2)。

图1 CAS顶渣精炼功能鱼刺图

表2　　改性前后钢包渣成分变化　　　单位：％

	CaO	SiO₂	Al₂O₃	∑(FeO+MnO)	CaO/SiO₂
改性前钢包渣成分	32.37-41.05 37.22	23.87-27.50 24.11	3.09-7.64 5.64	4.12-6.73 4.56	1.18-1.72 1.52
改性后钢包渣成分	48.55-51.90 50.11	18.87-22.50 19.72	11.99-15.42 13.46	1.56-2.31 1.98	2.15-2.75 2.54
比较	7.50-19.53 12.89	-1.37— -8.36 -4.39	4.35-12.33 7.82	-2.56— -4.42 -2.58	0.43-1.57 1.02

4.2 Q345C顶渣精炼脱氧效果分析

4.2.1 脱氧效果

　通过应用顶渣精炼工艺，使得Q345C氩后钢中a[o]大体控制在l0～20ppm之间，平均为16.01ppm，脱氧率达到56.2％，比工艺优化前提高18.2％，并且氩后钢中a[o]较稳定，可浇性有所改善(见图2)。

图2 应用顶渣精炼工艺与普通工艺钢液氧活度变化

4.2.2 脱氧工艺分析

　 (1)使用碱性渣进行渣洗

　钢中氧活度一方面取决于钢中脱氧元素的含量，另一方面取决于脱氧产物的活度。出钢过程进行渣洗，使得脱氧产物SiO₂、A1₂0₃等生成复合化合物，从而降低SiO₂、A1₂0₃的活度，促进脱氧反应向生成脱氧产物的方向移动，提高脱氧效果，在钢中脱氧元素含量相同的情况下，使钢中的溶解氧迅速降低。

　 (2)顶渣扩散脱氧

　根据炉渣是由离子键和共价键化合物组成的结构理论出发，金属和渣中的氧化铁平衡活度是相等的，即：a[FeO]=a(FeO)=Ko[0]。

　因此，钢中的平衡氧含量和渣中氧化铁的活度是接近平衡的，向渣中加入Al粉和含有CaC₂的顶渣剂对钢包渣进行改性，有较好的脱氧效果。

　 (3)吹氩喂线

　吹氩过程采用喂线处理后，吹氩过程钢水氧活度可平均降低17.45ppm，较不喂线的炉次降低6.85ppm以上，可知喂线脱氧有较好效果。

　 (4)吹氩降罩，防止二次氧化

　 CAS精炼过程将浸罩浸入到钢渣界面附近以及处理过程中保证浸罩外渣液面必须高于浸罩下沿，避免处理过程吸气，是实现大气量吹氩搅拌，防止二次氧化的关键。

4.3 顶渣精炼的脱硫效果分析

4.3.1 顶渣精炼的脱硫效果

　应用顶渣精炼工艺，钢中脱[S]率平均达到32％，硫的平均分配比达到22.6，具有良好的脱硫效果。

表3 　　CAS顶渣精炼过程脱S效果

	[S]含量%		脱[S]率%	Ls
	精炼前	精炼后	脱[S]率%	Ls
炉数	26	26	26	26
X	0.025	0.017	32	22.6
X_min-X_max	0.022-0.027	0.015-0.019	29.1-43.5	19.6-29

4.3.2 顶渣精炼脱硫工艺分析

　 (1)提高碱度，降低钢包渣和钢液的氧化性

　脱硫的主要反应为：[FeS]+[CaO]=(CaO)+(FeO)，由此可得L_s=(S)/[S]=Ks×(CaO)_自由÷(FeO)，由上式可知，提高渣中自由(CaO)含量，即提高炉渣碱度，降低渣中氧化铁含量，能够提高硫的分配比Ls，从试验效果来看，具有流动性好、高碱度顶渣成分、充分脱氧的炉次脱硫效果较好，与理论较为相符。

　 (2)脱硫动力学条件

　在顶渣精炼操作中，由于钢流含硫量较低，可以认为钢渣界面间脱硫反应的限制性环节是硫在钢水的传质行为。增加钢渣接触面积，延长钢渣接触时间是提高顶渣脱硫效果的重要手段。因此在脱硫过程中应采用大气量搅拌，合理增加吹氩时间，并在碱性渣中配加一定量CaF₂的顶渣剂，提高炉渣的流动性。

4.4 夹杂上浮和变性效果分析

4.4.1 夹杂上浮和变性效果

　 (1)顶渣精炼前后钢中T(O)变化

　在一定程度上，钢水中的全氧含量代表了氧化夹杂物的数量，经常作为钢水洁净度非常有效的评价指标。本次试验氩前和氩后T(O)变化如表4所示。

表4 　　CAS顶渣精炼过程脱氧情况

项目	精炼前T(O)/%	精炼后T(O)/%	T(O)脱除率/%
炉数	26	26	26
X	0.151	0.092	39.7
X_min-X_max	0.149-0.152	0.093-0.098	34.7-40.2

　由表4可看出：正常CAS处理T(O)脱除率为27.8％，CAS顶渣精炼处理过程T(O)脱除率为39.7％。比正常CAS处理过程提高11.9％(39.7％-27.8％=11.9％)，钢中全氧含量大大降低，平均为92ppm，说明氧化夹杂物上浮效果较好。

　 (2) 钢中夹杂物含量、粒径分级及形态

　委托东北大学进行大样电解检验，其夹杂物总量检验结果如表5，夹杂物的粒径分级如表6，夹杂物外观如图2所示。从大样电解检验结果可以看出经过CAS顶渣精炼处理后钢中夹杂物总量能够控制在2.5mg/10kg以下，较为理想；未发现粒径>0.18mm的夹杂物，说明大颗粒夹杂物在顶渣精炼过程中能够完全上浮，钢中夹杂物的形态大部分呈球状，说明夹杂物变性措施起到一定效果。

表5　　钢中夹杂物总量

样品编号	样品重量/㎏	残样重量/㎏	电解总量/㎏	电解天数/天	钢中夹杂物含量
样品编号	样品重量/㎏	残样重量/㎏	电解总量/㎏	电解天数/天	mg	mg/10kg
1	3.196	0.254	2.942	26	0.7	2.38
2	3.166	0.216	2.950	26	0.6	2.03

表6　　夹杂物的粒径分级

试样1			试样2
粒径/mm	重量/mg	%	粒径/mm	重量/mg	%
＞0.28			＞0.28
0.18-0.28			0.18-0.28
0.1-0.18	0.3	42.86	0.1-0.18	16.67	25
0.05-0.1	0.2	28.57	0.05-0.1	50.00	30
＜0.05	0.2	28.57	＜0.05	33.33	35

4.4.2 顶渣精炼效果分析

　 (1)顶渣吸附夹杂物上浮

　顶渣由多种化合物组成，熔点很低，这就使得顶渣和脱氧产物间有很小的界面张力。一般来说，钢中夹杂物与钢水的界面张力远大于它与顶渣间的截面张力，因此非金属夹杂物易于溶入顶渣。非金属夹杂物被炉渣吸附的完全程度，取决于夹杂物的成分和炉渣的成分。夹杂物的成分和炉渣的成分差异越大，夹杂物越能够更完全的被炉渣同化吸收，当其它条件相同时，非金属夹杂物被炉渣吸收的速度随着炉渣碱度的提高和黏度的降低而增加。

　 (2)气泡对夹杂物的黏附作用

　在吹氩过程，气泡本身通过黏附(浮选)作用也可以去除夹杂物。气泡黏附夹杂的自由能△W可用下式表示：

　 △W=σ_液气(1-cosθ)

　式中：θ—湿润角；

　 σ_液气—钢液表面张力

　当θ=90℃时，△W=σ_液气，当θ=180℃时，△W=2σ_液气。换句话说，钢液的表面张力越大，湿润角越大，气泡对夹杂的黏附功越大。

　 (3)夹杂物改性

　由于顶渣精炼工艺脱氧效果较好，钢中溶解的氧不高，通过喂CaSi线使得钢中存在溶解[Ca]，并与钢中大量分散的作用，改变夹杂物的组成，成为12CaO·7A1₂0₃或3CaO·A1₂0₃，这两种夹杂物在浇注温度下呈液态，按最小界面能原理成为球状，使夹杂物变性得以实现，钢材性能得以改善。

4.5 CAS顶渣精炼处理过程温降

　由表2可看出：原正常CAS精炼过程温降为43.7℃，顶渣精炼处理过程温降为23.3℃，考虑加入精炼渣，需增加温降为10℃，实际上进行顶渣精炼比原正常CAS精炼过程温降降低10.4℃(43.7-23.3-10)=10.4℃。

表7 　　CAS顶渣精炼过程温降情况

钢种	项目	顶渣精炼前温度/℃	顶渣精炼后温度/℃	精炼过程温降/℃
Q345C	炉数	26	26	26
Q345C	X X_min-X_max	1619　　　　　　1612-1647	1597　　　　　1590-1626	21 　　　15-29

5 结论

　 (1)CAS顶渣精炼后钢水a[O]控制在20ppm以下，平均为16.01ppm，脱氧效果较好。

　 (2)CAS顶渣精炼脱S率平均达到32％，硫在渣钢间的分配比Ls为22.6％，该工艺具有较好的脱硫效果。

　 (3)CAS顶渣精炼渣中平均FeO+MnO平均含量为1.98％，A1₂0₃平均含量为13.46％，平均碱度为2.54，满足精炼渣成分要求。

　 (4)CAS顶渣精炼处理过程温降为21℃，过程温降不大。

　 (5)应用CAS顶渣精炼技术，钢中夹杂物含量大大降低，钢的纯净度明显提高。