朱立光 王碩明 姬旦旦 張彩軍

(河北聯(lián)合大學)

渣洗工藝冶金效果分析與評測*

朱立光 王碩明 姬旦旦 張彩軍

(河北聯(lián)合大學)

綜合國內(nèi)外文獻對渣洗工藝進行了簡要介紹，闡述了國內(nèi)外渣洗料的發(fā)展及其冶金特性，并結(jié)合某鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析了渣洗工藝冶煉效果，結(jié)果表明，通過渣洗工藝處理可以對鋼液起到脫氧、脫硫、去除鋼中夾雜物的作用。

SS400鋼 渣洗 脫硫率 夾雜物

0 引言

目前，電爐、轉(zhuǎn)爐煉鋼普遍采用爐外精煉技術(shù)，即將煉鋼過程中脫氧、脫硫、降低氣體、減少夾雜物、調(diào)整鋼的成分和溫度等全部或部分轉(zhuǎn)移到鋼包爐中完成，以求獲得潔凈鋼并取得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的良好效果。

但是，隨著國際金融危機的不斷擴大及客戶對鋼材的高質(zhì)量要求，低成本生產(chǎn)高品質(zhì)鋼種已成為國內(nèi)外鋼鐵行業(yè)的發(fā)展趨勢。由于LF精煉處理工藝對大量物料及人力資源的消耗，成本相對高，特別是高效連鑄機的不斷應(yīng)用，LF精煉處理生產(chǎn)高潔凈度鋼液已經(jīng)不能滿足煉鋼廠的快速生產(chǎn)需求。

“轉(zhuǎn)爐→渣洗+吹氬→連鑄”則是一種設(shè)備簡單、工藝簡便易行、成本低廉，隨著實踐的不斷發(fā)展及工藝的不斷進步，以前必須通過LF處理的一些鋼種，現(xiàn)改為只用“渣洗+吹氬”處理，就能起到脫氧、脫硫、去夾雜，改善鋼包渣流動性等作用，滿足了成品鋼水的生產(chǎn)要求，獲得高潔凈度鋼，降低了冶煉成本。

1 渣洗工藝簡介

1.1 國內(nèi)外渣洗料發(fā)展

世界上最早的渣洗料為1933年法國人Perirn開發(fā)出來的。其工作原理是把預(yù)先在化渣爐中熔化好的一定組分的爐渣倒入盛鋼桶內(nèi)，吊運至轉(zhuǎn)爐出鋼位，然后正常操作出鋼，利用出鋼過程鋼液的沖擊，使鋼渣乳化，創(chuàng)造良好的條件，使鋼中非金屬夾雜物及硫的脫除達到最好的效果，同時改善鋼中夾雜物的形態(tài)［1］。至20世紀50年代，渣洗精煉在前蘇聯(lián)得到了廣泛的應(yīng)用及發(fā)展，當時渣中主要組分及其含量為CaO:50%～60%，A12O3:30%～40%，F(xiàn)eO:≤0.5%，SiO2:≤3.0%，但是由于該渣系在反應(yīng)過程中會產(chǎn)生大量的點狀夾雜物，這種夾雜物容易滯留在鋼液中從而影響鋼的潔凈度，所以發(fā)展比較緩慢。到了60年代，中國上鋼五廠采用渣洗工藝對軸承鋼的冶煉開啟了中國渣洗精煉工藝的發(fā)展歷程。隨著后來低硫鋼，超低硫鋼以及耐HIC管線鋼等鋼種需求量的增加，如何冶煉出含硫量更低的鋼種逐漸引起的冶金工作者的重視［2］。

目前生產(chǎn)中采用的精煉渣主要有石灰－高鋁熟料(主要成分為CaO－A12O3)渣系、石灰－氟化鈣(主要成分為CaO－CaF2)渣系和石灰－高鋁熟料－氟化鈣(CaO－Al2O3－CaF2)渣系。石灰－氟化鈣渣系成渣速度快且有良好的脫硫效果，但是對于包襯侵蝕嚴重，會造成鋼包使用壽命的降低。其次，石灰－氟化鈣渣系埋弧效果差，也會造成一定的環(huán)境污染;石灰－高鋁熟料渣系使用A12O3部分或者全部代替氟化鈣后，既能達到良好的脫硫效果，又降低了對環(huán)境的污染，另外此渣系雖在防止包襯的侵蝕方面及埋弧操作方面有所改進，但是其成渣速度及精煉效果受到了一定的影響，所以發(fā)展前景也不是很好。

目前國際比較流行的渣系為 CaO－Al2O3－CaF2渣系，該渣系通過將活性石灰，高鋁熟料及螢石按照一定的比例配置，可滿足大部分鋼種的冶煉要求［3］。

渣洗料的組分通常包括:基礎(chǔ)渣料，脫硫劑，發(fā)泡劑，還原劑和助熔劑。其常用組成成分及作用見表 1［4］。

表1 預(yù)熔渣成分及其作用

1.2 渣洗冶煉工藝分類

所謂渣洗，就是用合成渣或預(yù)熔渣來處理鋼液的一種爐外處理方法。根據(jù)煉鋼工藝分，目前國際上比較常用的渣洗方法主要有三種，即同爐渣洗、異爐渣洗和混合煉鋼三種［5］。

1)同爐渣洗精煉法就是在電爐冶煉快到達終點時把渣洗料加入電爐內(nèi)熔化，待其完全熔化后把渣洗料和鋼液同時倒入鋼包中進行一系列反應(yīng)的渣洗精煉方法。山東萊鋼在20世紀90年代曾使用此法進行電爐煉鋼，實踐表明，采用同爐渣洗進行碳素鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)時，平均冶煉時間可減少30 min，噸鋼平均電耗下降10 kW·h，爐襯壽命提高20%［6］。

2)異爐渣洗精煉法是目前最有代表性的一種渣洗精煉法，其具體做法為在選擇一座容量較小的電爐改裝成化渣爐，先用該化渣爐把渣洗料完全熔化混勻后倒出冷卻，然后粉碎成需要的粒度，待煉鋼爐出鋼時，隨著鋼流一起加入到鋼包中進行渣洗精煉的一種精煉方法。實際生產(chǎn)中應(yīng)用異爐渣洗較多，通常所說的渣洗也指異爐渣洗。

3)混合煉鋼就是先在大容量的煉鋼爐中按普碳鋼的標準把冶煉鋼種冶煉成半成品鋼液，然后根據(jù)鋼中需要和煉鋼爐中鋼液的鋼液量計算所需要的合金量和渣洗料用量，然后把所需要的合金和渣洗料加入到另一座容量較小的電弧爐中熔化，待其完全熔化混勻后倒入到鋼包中，然后大容量的煉鋼爐出鋼把鋼水倒入到盛有熔融合金和渣洗料的鋼包中，使鋼液和熔渣及合金完全碰撞、混沖及反應(yīng)，最終得到目標鋼種所需要的成分。

根據(jù)精煉渣生產(chǎn)工藝不同可分為三種類型:

1)機械混合型。該工藝是將LF鋼包爐精煉渣所需的各種原料(石灰、礬土、螢石等)破碎后按一定比例機械混合而成，具有原料來源廣泛、價格低廉、生產(chǎn)工藝簡單等特點，目前國內(nèi)鋼包精煉基本上采用此類粉狀精煉渣，又稱固體合成渣。這種渣由于組分比重的差異易產(chǎn)生成分偏析、性能不穩(wěn)定，其熔化溫度高)一般在1440℃左右［7］，放置時間長時易水化，影響精煉效果，甚至使鋼液［H］增加，引起質(zhì)量問題［8］。

2)燒結(jié)型，將要求成分的粉料添加粘結(jié)劑混勻后燒結(jié)成塊狀，破碎成顆粒狀后使用。這種渣使用情況較機械混合渣有所改善，但此法工序較多生產(chǎn)效率低。

3)預(yù)熔型。該技術(shù)是將組成精煉渣的各種原料破碎后按一定比例機械混合后用化渣爐熔化成液態(tài)渣，冷卻凝固機械破碎后制成。預(yù)熔渣精煉技術(shù)的研究在近年來引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，其成分均勻、性能穩(wěn)定，儲存時不吸水，在使用時成渣速度快、吸熱小、粉塵少，對環(huán)境污染?。?］。目前國外爐外精煉基本上采用此類精煉渣，它不僅縮短了冶煉時間，提高了爐外精煉和鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量，節(jié)約了能源和冶金材料的利用，而且減少了鋼鐵廠的粉塵污染，保護了生態(tài)環(huán)境。從而達到了高效、節(jié)能和環(huán)保的效果，因此，預(yù)熔型精煉渣是目前國內(nèi)外冶金工作者研究的重要對象之一［10－13］。

1.3 精煉渣洗原理及冶金效果

渣洗時由于鋼渣的混沖，液態(tài)的熔渣將被分裂成細小的液態(tài)渣滴，并彌散分布于鋼液中，這將大大增加鋼渣間的接觸面積，從而促進渣金反應(yīng)的進行。粒徑越小，與鋼液的接觸表面積就越大，渣洗作用就越強。乳化的渣滴隨著鋼流紊亂攪動的同時，不斷碰撞、合并、長大上浮而與鋼液分離［14］。

由于爐外處理方法不同，渣洗的冶金目的和冶金效果也不同。綜合起來可達到以下冶金效果:強化脫氧;強化脫硫;去除鋼中的夾雜物及部分改變夾雜物形態(tài);阻止鋼液吸氣;減少鋼水溫度散失;強化脫磷;改善鋼的力學性能。

從合成渣精煉技術(shù)應(yīng)用于爐外處理開始，人們對合成渣的組成及種類進行了廣泛研究，其中預(yù)熔渣精煉技術(shù)的研究在近年來引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，鑒于預(yù)熔精煉渣在爐外精煉技術(shù)中的重要地位，工業(yè)發(fā)達國家的政府、各研究所、高等院校和企業(yè)都投入大量人力、物力進行開發(fā)研究，并且已得到成熟的商業(yè)化應(yīng)用，如:韓國、日本、歐美等發(fā)達國家。近些年來，也逐漸引起中國冶金行業(yè)的重視［15］。近年來國內(nèi)外對預(yù)熔渣的研究狀況表明，用預(yù)熔合成渣對轉(zhuǎn)爐出鋼過程的鋼水進行“渣洗”，是比較有效的簡易脫硫方法。

實踐證明，不同操作條件下，轉(zhuǎn)爐出鋼“渣洗”的脫硫率可以達到30%～50%。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短LF精煉時間，甚至減少LF精煉環(huán)節(jié)，所研制的合成渣洗料已應(yīng)具備凈化鋼液去除夾雜作用、鋼包渣改質(zhì)作用、脫氧、脫硫作用以及升溫作用［16－17］。為增加轉(zhuǎn)爐冶煉低硫品種鋼的靈活性與可靠性，南鋼提出采用轉(zhuǎn)爐出鋼過程加脫硫劑的方法，將鋼水硫含量控制在相對比較低的水平(鋼中硫的質(zhì)量分數(shù)≤0.02%)［18］。杭州鋼鐵集團公司煉鋼廠通過“渣洗”處理生產(chǎn)45#鋼表明，“渣洗”相較與LF精煉處理，具有不增碳、不增硅的特點;由于渣洗料中配加了一定量的發(fā)熱劑，出鋼溫降與非渣洗爐次相比不大;與非渣洗相比，對鋼包渣起到改質(zhì)作用，渣中Al2O3含量分別為18.7%、9.2%，鋼包渣熔點較低，流動性良好［19］。在石鋼轉(zhuǎn)爐流程的裝備條件下，采用轉(zhuǎn)爐出鋼“渣洗”方法后，僅利用轉(zhuǎn)爐出鋼過程3 min～4 min的“渣洗”時間，脫硫率就達到了32%，比轉(zhuǎn)爐冶煉過程(27 min時的脫硫率大約20%)和LF精煉過程(22 min時的脫硫率大約25%)的脫硫率都高。如果優(yōu)化操作工藝參數(shù)，可進一步提高脫硫效率［20］。

可以看出，無論是實驗室實驗研究還是工業(yè)試驗均表明:采用預(yù)熔渣不但獲得了較好的脫硫效果，可以滿足深脫硫的需要而且，通過對渣系的成分選擇，可以起到脫硫、去氣去夾雜及夾雜物的變性處理的冶煉效果。

為了研究采用渣洗處理的冶金效果，某鋼鐵公司以SS400鋼為研究對象，通過研究新老工藝下鋼液脫硫率，顯微夾雜成分及含量的變化來分析“轉(zhuǎn)爐→渣洗+吹氬→連鑄”工藝生產(chǎn)鋼材的潔凈度，為現(xiàn)場生產(chǎn)出更高品質(zhì)的鋼種提供理論指導(dǎo)意義。

2 研究內(nèi)容及研究方案

2.1 研究鋼種及所用渣洗料成分

本次實驗所取鋼種為某鋼鐵公司煉鋼廠所生產(chǎn)的SS400鋼種，其成分要求見表2。生產(chǎn)SS400鋼種所用渣洗料成分見表3。

表2 SS400鋼化學成分

表3 渣洗料成分表

2.2 生產(chǎn)條件

現(xiàn)場分別采取以下兩種工藝流程對SS400鋼進行生產(chǎn):

渣洗工藝:原料鐵水→轉(zhuǎn)爐+出鋼渣洗→吹氬站→中包;

非渣洗工藝:原料鐵水→轉(zhuǎn)爐出鋼→吹氬站→LF爐→中包。

對兩種工藝下生產(chǎn)的鋼的脫硫率、及顯微夾雜物進行對比分析。

3 冶金效果分析

3.1 兩種工藝流程下精煉脫硫率對比分析

渣洗與非渣洗工藝流程下，某鋼鐵公司煉鋼廠SS400鋼生產(chǎn)過程中，各工序鋼液中硫含量見表4。對生產(chǎn)過程中鋼液硫含量以及兩種工藝流程下的精煉脫硫率進行分析，如圖1所示(成品鋼中硫含量為≤0.015%)。

表4 生產(chǎn)過程中各工序鋼中硫含量%

圖1 各流程下鋼液脫硫率

綜合分析可知:

1)渣洗工藝下經(jīng)渣洗精煉處理后，鋼液最大脫硫率為44.1%，平均脫硫率為33.4%;流程2下經(jīng)LF精煉處理后，鋼液最大脫硫率為71.8%，平均脫硫率為65.8%;

2)流程2精煉脫硫率是流程1的1.97倍，但是流程2轉(zhuǎn)爐出鋼時鋼液中［S］含量為流程1出鋼時的1.61 倍;

3)流程1下經(jīng)渣洗精煉處理后，中間包鋼液內(nèi)［S］含量為0.01196%;流程2下經(jīng)LF精煉處理后，中間包鋼液內(nèi)［S］含量為0.00997%，比流程1中間包鋼液內(nèi)［S］含量低0.00199%;

4)流程1、2中間包鋼液內(nèi)硫含量與成品鋼內(nèi)硫含量相比較，均低于成品鋼內(nèi)含量，可滿足生產(chǎn)需求。

3.2 兩種工藝流程下鋼中顯微夾雜物對比分析3.2.1 顯微夾雜物成分分析

兩種工藝流程下SS400鋼生產(chǎn)過程中，中間包及鑄坯中顯微夾雜物類型及含量見表5，其典型夾雜物形貌及能譜圖如圖2、圖3、圖4所示，夾雜物成分見表6、表7、表8。

表5 兩種工藝流程下中間包及鑄坯中顯微夾雜物成分 %

圖2 CaO－Al2O3夾雜能譜圖

表6 CaO－Al2O3夾雜成分 %

圖3 CaO－Al2O3－SiO2夾雜能譜圖

表7 CaO－Al2O3－SiO2夾雜成分 %

圖4 Al2O3夾雜能譜圖

表8 Al2O3夾雜成分 %

分析可知:

1)兩種流程下中間包內(nèi)顯微夾雜物主要成分為鈣鋁酸鹽，流程1下中間包內(nèi)無Al2O3夾雜，流程2下中間包內(nèi)Al2O3夾雜含量為占總夾雜物含量的13%;

2)兩種工藝流程所生產(chǎn)的鑄坯中顯微夾雜物主要為鈣鋁酸鹽夾雜。

3.2.2 顯微夾雜物含量分析

兩種工藝流程下SS400鋼生產(chǎn)過程中，各取樣工序中顯微夾雜物含量變化如圖5所示。

圖5 兩種工藝流程下鋼中顯微夾雜物含量

分析可知:

1)渣洗工藝精煉后鋼中顯微夾雜物含量為9.345個/mm2，非渣洗工藝精煉后鋼中顯微夾雜物含量為13.76個/mm2，比渣洗工藝生產(chǎn)鋼中顯微夾雜物含量高出32.1%;

2)穩(wěn)態(tài)澆鑄時，兩種工藝中間包內(nèi)顯微夾雜物含量分別為 4.093 個/mm2、11.67 個/mm2，非渣洗比渣洗工藝高出64.9%;

3)穩(wěn)態(tài)澆鑄時，兩種工藝鑄坯內(nèi)顯微夾雜物含量分別為 5.583 個/mm2、7.05 個/mm2，非渣洗比渣洗工藝高出20.8%;

4)渣洗工藝穩(wěn)態(tài)澆鑄時鑄坯內(nèi)顯微夾雜物含量比中間包內(nèi)升高1.49個/mm2，可能是由于結(jié)晶器卷渣所引起。

4 結(jié)論

1)渣洗處理可起到脫氧、脫硫、去夾雜，改善鋼包渣流動性等作用，滿足了成品鋼水的生產(chǎn)要求，獲得高潔凈度鋼，降低了冶煉成本;

2)渣洗及非渣洗工藝中間包鋼液內(nèi)［S］含量分別為0.01196%、0.00997%，與成品鋼中硫含量相比較，均低于成品鋼內(nèi)控含量，可滿足生產(chǎn)需求;

3)渣洗處理能更好的去除鋼中顯微夾雜物，非渣洗工藝生產(chǎn)的穩(wěn)態(tài)坯中夾雜物含量為渣洗工藝的1.95 倍;

4)渣洗處理可形成低熔點夾雜物，有利于去除鋼中夾雜，提高鋼液潔凈度;

5)渣洗工藝中間包內(nèi)沒有Al2O3夾雜，非渣洗工藝中間包及鑄坯內(nèi)Al2O3夾雜含量分別占總夾雜物含量的13%、8.6%，渣洗處理能更好的去除鋼中Al2O3夾雜。

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ANALYSIS AND EVALUATION ON METALLURGICAL EFFECT OF SLAG WASHING PROCESS

Zhu Liguang Wang Shuoming Ji Dandan Zhang Caijun
(Hebei United University)

It briefly introduced the slag washing process based on documentations at home and abroad，stated its development and metallurgical characteristics and at the same time analyzed metallurgical effect of slag washing process combining with production datus from iron and steel plant.Results shown deoxidation，desulfation and inclusions removing could be achieved from liquid steel through slag washing.

SS400 steel slag washing desulfurization rate inclusion

*河北省自然科學基金資助項目(E2010000931)

*聯(lián)系人:朱立光，副校長，教授，博士生導(dǎo)師，全國冶金物理化學委員會委員、中國金屬學會煉鋼委員會委員，河北.唐山(063009)，河北聯(lián)合大學;

2012—2—2