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        轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧工藝的優(yōu)化方法分析

        2020-03-15 07:55:16牟貝成
        中國金屬通報(bào) 2020年23期
        關(guān)鍵詞:脫氧劑鋼液煉鋼

        牟貝成

        (天津榮程聯(lián)合鋼鐵有限公司,天津 300350)

        隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展形式的轉(zhuǎn)變,鋼鐵行業(yè)同樣也需要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新,引進(jìn)一些新的工藝,控制好產(chǎn)品的生產(chǎn)成本,促使產(chǎn)品質(zhì)量得到本質(zhì)性提升。站在轉(zhuǎn)爐煉鋼角度來說,脫氧工藝領(lǐng)域之中一直存在問題,所以說,想要真正實(shí)現(xiàn)工藝的全面優(yōu)化,應(yīng)采用高效的鋼液脫氧處理措施,讓煉鋼成本中的脫氧成本得到全面控制,確保鋼產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)步上升,為相關(guān)企業(yè)發(fā)展創(chuàng)造有利條件。

        1 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧工藝

        實(shí)際轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中,能夠?qū)崿F(xiàn)生鐵中碳元素的部分氧化,最終形成化學(xué)和物理性質(zhì)較高的鋼,進(jìn)而完成整個(gè)冶煉過程。反觀煉鋼液,內(nèi)部氧氣的存在形式為溶解氧以及非金屬雜物形式,主要產(chǎn)生自吹氧煉鋼和原料等環(huán)節(jié)之中。想要將鋼中的硫和磷等元素控制到鋼種所需的目標(biāo)值,則需要大量的氧氣或者主要通過氧化反應(yīng),因此,氧化反應(yīng)的產(chǎn)生顯得十分重要,人們可以通過氧化合物出現(xiàn),將更多的雜質(zhì)析出。但同時(shí)鋼液中的含氧量也會(huì)迅速提升,相關(guān)工作人員需要進(jìn)行脫氧處理,即使這樣在晶界附近,還是會(huì)析出氧化亞鐵,這對(duì)于連鑄坯凝固組織結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性極為不利。如果無法實(shí)現(xiàn)全面的脫氧處理,容易導(dǎo)致鋼塑性大幅下降,甚至還會(huì)出現(xiàn)熱脆情況,致使鋼鐵出現(xiàn)氧化現(xiàn)象,進(jìn)而在鋼鐵之中混入氧化物,降低鋼產(chǎn)品的力學(xué)性能。由于氧化程度的不同,鋼液也會(huì)出現(xiàn)不同程度的沸騰狀態(tài),進(jìn)而涌現(xiàn)出一些一氧化碳?xì)馀荩屼撹F密度和強(qiáng)度受到影響[1]。

        在脫氧工藝的作用下,能夠通過添加脫氧劑的形式,與鋼液中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng),促使氧和鋼液相互分離。就現(xiàn)有情況來看,常用的脫氧工藝主要是沉淀脫氧法和擴(kuò)散脫氧法。其中,沉淀脫氧法的操作很簡單,可以直接將脫氧劑加入到鋼液之中,最終得到氧化物沉淀。如果是應(yīng)用擴(kuò)散脫氧法,可以借助于具體的分配定律作用,將鋼液之中的氧化鐵直接轉(zhuǎn)移到爐渣之中,之后通過脫氧劑的添加,控制好氧化鐵含量。更為重要的是,人們也可以借助于真空脫氧手段,讓鋼液始終處于真空狀態(tài),之后將碳氧的內(nèi)在平衡關(guān)系破壞,讓碳和氧氣發(fā)生相應(yīng)反應(yīng),確保一氧化碳能夠從鋼液中順利析出。在實(shí)際工作之中,具體選擇哪種脫氧工藝,還要根據(jù)鋼產(chǎn)品種類進(jìn)行確認(rèn)。

        2 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧工藝問題和氧的產(chǎn)生和危害

        2.1 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧工藝問題

        現(xiàn)階段,轉(zhuǎn)爐煉鋼過程之中應(yīng)用的脫氧工藝存在很多問題,導(dǎo)致鋼產(chǎn)品質(zhì)量受到極大影響。另外,在整個(gè)普通碳鋼脫氧時(shí),主要加入的物質(zhì)種類有硅鐵(FeSi)以及錳鐵(FeMn),以此來實(shí)現(xiàn)脫氧合金化,該過程還需要與鋼水相結(jié)合,確保脫氧進(jìn)度變得更加有序,在精煉之前,還需要增加一些鋁粒,讓鋼種要求得到滿足。但在該工藝實(shí)施過程中,合金收得效率為80%到90%,會(huì)消耗大量鋁合金,所呈現(xiàn)出的利用率十分有限。按照具體的工藝步驟,工作人員需要由強(qiáng)到弱依次加入脫氧劑,做到一步脫氧,但該方式無法實(shí)現(xiàn)錳、鋁等合金的循環(huán)利用。為此,部分企業(yè)選擇使用兩步脫氧法,先在其中加入適量的脫氧劑,隨后再加入各種合金,確保脫氧效果的提升,最后利用喂鋁線對(duì)脫氧度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,提升合金回收效率。站在低碳鋼生產(chǎn)角度來說,主要添加的物質(zhì)為FeMn 以及AlMnF 等,借助于鋁線對(duì)脫氧度以及Als含量進(jìn)行充分調(diào)整,精煉時(shí),同樣需要加入鋁粒。但該過程所呈現(xiàn)出的合金收得率大約為80%,合金消耗量同樣很大,而且還會(huì)產(chǎn)生很多氧化鋁,鋼水中的氮元素增加。在超低碳鋼脫氧操作之中,所應(yīng)用到的脫氧劑有FeMn 以及鋁錠,借助于喂鋁線,做到對(duì)鋼水中含氧量的全面調(diào)整,吹氬需要達(dá)到3min 以上,通過鋁造渣球等擴(kuò)散脫氧劑,真正提升脫氧效率。另外,在執(zhí)行真空脫氧操作時(shí),當(dāng)氬氣吹入之后,鋼液能夠得到充分?jǐn)嚢?,進(jìn)而引發(fā)碳氧反應(yīng),此時(shí),即使出現(xiàn)一氧化碳?xì)馀?,鋼液也能通過攪拌將其排出,相比之下,脫氧劑的消耗量大幅下降。但從精煉處理角度來說,鋼水之中氧含量較高,連鑄澆筑操作時(shí)會(huì)出現(xiàn)很多Als損失,平均損失量為0.017%,無法呈現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)性特征[2]。

        2.2 轉(zhuǎn)爐煉鋼中氧的產(chǎn)生和危害

        在鋼液之中,氧主要的存在形式為非金屬夾雜物形式,以及溶解氧氣兩種,對(duì)于氧的主要來源,主要是煉鋼原料以及吹氧煉鋼。另外,在具體煉鋼時(shí),碳、硅等元素以及其他化學(xué)雜質(zhì)能夠順利去除,而且該過程會(huì)應(yīng)用大量氧氣,借助于氧化反應(yīng),使得氧氣和雜質(zhì)能夠通過結(jié)合,以氧化物形式析出,確保得到較高純度的鋼。從這里也能夠看出,氧在鋼液中是必不可少的,尤其是吹氧煉鋼時(shí),需要氧化的雜質(zhì)含量越高,消耗的氧氣量也就越大,導(dǎo)致鋼液中氧含量大幅上升。如果工作人員不能對(duì)鋼液中的剩余氧進(jìn)行處理,導(dǎo)致鋼液中氧含量過高,在鋼液凝固時(shí),會(huì)與鐵發(fā)生氧化反應(yīng),最終出現(xiàn)氧化亞鐵,讓鋼液處于不能使用的狀態(tài)。

        鋼液中如果含有大量氧氣和硫元素,該元素同樣能夠與氧氣產(chǎn)生反應(yīng),生成氧化硫等物質(zhì),這些物質(zhì)一旦出現(xiàn),很難與鋼液分離,影響了鋼成品質(zhì)量,影響最終鋼產(chǎn)品的力學(xué)性能。鋼液冷凝時(shí),鋼液中的氧氣還能與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成一氧化碳,讓冷凝過程伴隨著沸騰情況,而且氧氣含量越高,生成的一氧化碳數(shù)量也就越多,促使沸騰現(xiàn)象更為明顯。鋼液脫氧時(shí),隨著脫氧程度的不同,所產(chǎn)生的沸騰現(xiàn)象也存在差異,根據(jù)最終的沸騰程度,人們將鋼型劃分成鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼。倘若鋼液之中存在大量的一氧化碳?xì)馀?,鋼錠內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)物質(zhì)疏松化情況,影響成品鋼的密度,強(qiáng)度也會(huì)大受影響。

        3 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧工藝的優(yōu)化方法分析

        總的來說,轉(zhuǎn)爐煉鋼屬于是氧化過程,當(dāng)整體程序即將結(jié)束時(shí),鋼水之中依然存在一些氧,人們就將其稱之為溶解氧。出鋼時(shí),鋼包中會(huì)出現(xiàn)脫氧合金化現(xiàn)象,將溶解氧轉(zhuǎn)變成其他氧化物。從現(xiàn)階段實(shí)際情況中能夠看出,常見的冶煉鋼材脫氧工藝有真空脫氧工藝、擴(kuò)充脫氧工藝以及沉淀脫氧,轉(zhuǎn)爐煉鋼常用沉淀脫氧工藝。沉淀脫氧也被稱之為直接脫氧,主要指將脫氧劑直接放入到鋼水之中,讓脫氧劑和氧結(jié)合,產(chǎn)生穩(wěn)定氧化物,上浮于鋼水表面,進(jìn)而達(dá)到脫氧目的。

        3.1 沉淀脫氧工藝優(yōu)化

        在沉淀脫氧之中,脫氧劑所呈現(xiàn)出的脫氧效果顯得十分重要。相關(guān)試驗(yàn)研究表明,經(jīng)過對(duì)之前脫氧工藝的全面優(yōu)化,成功制作出以鈣系脫氧劑為主的沉淀脫氧技術(shù),效果良好。

        3.1.1 鈣系脫氧劑的理化成分

        常見的鈣系脫氧劑成分主要有鈣、碳、鋁、硅等,通過這些成分的有效配比,能夠?qū)⒚撗鮿┖脱醯慕Y(jié)合程度大幅提升。具體鈣系脫氧劑理化成分如表1 所示。

        表1 鈣系脫氧劑理化成分

        3.1.2 鈣系脫氧劑的工作原理

        鈣屬于是第二主族元素范疇,能夠與很多元素相結(jié)合。另外,鋇屬于是鈣的同族元素,脫氧效果很好,如果在硅鋁鐵之中加入鋇,從而生成硅鋁鋇,脫氧能力大大提升。與鋇相比,鈣的脫氧能力更強(qiáng),具體鈣和鋇的摩爾質(zhì)量比值為1:3.43,同該數(shù)值上也能夠看出,想要達(dá)到1kg 鈣的效果,需要加入的鋇含量為3.43kg。但鈣在鐵液中的溶解度有限,例如,鐵液溫度為1600℃時(shí),溶解度僅為0.03%,如果是在固態(tài)鐵之中,鈣幾乎不會(huì)溶解。更為重要的是,鈣蒸汽壓力很高,在1600℃煉鋼液之中,鈣的蒸汽壓數(shù)量為1.98.如果單純以鈣作為脫氧劑,涉及到的鈣消耗量很大,成本也會(huì)有所提升。為此,想要更好的提升脫氧效益,企業(yè)需要提升鈣在鐵液中的溶解程度,人們可以選擇在鈣劑之中添加碳、硅、鋁等來實(shí)現(xiàn)。例如,在其中加入1%的碳,鈣的溶解度將提升1 倍。站在鈣系脫氧劑應(yīng)用角度來說,需要將鈣合金制作成小于15mm 的顆粒,如果粒度太大,鈣的溶解會(huì)受到邊界層擴(kuò)散影響,局部很難達(dá)到飽和狀態(tài),影響鈣的溶解性,最終導(dǎo)致大量鈣元素浪費(fèi)。而且通過降低顆粒粒度,鈣和鐵液的接觸面積也會(huì)提升,自然能夠展示出更好的溶解度[3]。

        3.1.3 鈣系脫氧劑劑量和加入形式

        從之前試驗(yàn)研究中能夠看出,每煉1t 鋼材,需要加入的鈣系脫氧劑質(zhì)量大約為1.2kg。煉鋼時(shí),加入脫氧劑的方式如下:首先,在出鋼前,會(huì)將鈣系脫氧劑全部加入到鋼包內(nèi);其次,加入鐵合金實(shí)現(xiàn)合金脫氧,實(shí)際合金需要在出鋼到四分之一左右加入其中,大約三分之二的位置結(jié)束,期間工作人員應(yīng)控制好終點(diǎn)鋼水以及爐渣氧化特性,出鋼時(shí)要保證少下渣,以此來強(qiáng)化合金收得率;最后,當(dāng)氬氣從鋼水底部吹入后,需要保證整體反應(yīng)具備明顯的均勻特性,只有這樣,才能讓雜物處于完全上浮狀態(tài),鎮(zhèn)靜一段時(shí)間之后,便能執(zhí)行鋼材的連鑄操作。

        3.2 脫氧方式的優(yōu)化

        在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝執(zhí)行過程中,鋼材脫氧過程主要以一步脫氧形式為主,具體來說,就是按照脫氧劑由強(qiáng)到弱的順序,分別在其中加入鋁合金、硅鐵以及錳鐵等,達(dá)到最終的鋼材脫氧目標(biāo)。但一步脫氧方式存在很多缺陷,如鋁元素和硅的回收效率有限,無法做到元素的循環(huán)利用。為了強(qiáng)化脫氧劑的使用效果,企業(yè)可以選擇兩步脫氧方式,將更好的鋼材脫氧效果呈現(xiàn)出來。第一步,在出鋼時(shí)加入價(jià)格較低的焦炭以及鈣系脫氧劑;第二步,加入錳、硅等合金,實(shí)現(xiàn)合金化脫氧;最后,借助于氫站喂鋁線,做好脫氧度的調(diào)整工作。從相關(guān)實(shí)踐研究中能夠看出,兩步脫氧方式能夠?qū)⒑辖鸹厥章侍嵘档腿趸X的生成數(shù)量,讓水口堵塞率大大降低[4]。

        3.3 脫氧工藝優(yōu)化前后效果對(duì)比

        通過對(duì)整個(gè)脫氧工藝的優(yōu)化和處理,脫氧合金消耗量會(huì)大大降低,促使整個(gè)連鑄坯質(zhì)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。從表2 數(shù)據(jù)中能夠看出,錳和硅等元素的回收率能夠大幅提升,酸溶鋁損失值下降幅度較大。如果對(duì)錳、硅吸收率的提高與合金加入量進(jìn)行考慮,整個(gè)脫氧合金成本也會(huì)下降,這也是提升煉鋼企業(yè)經(jīng)營效益的本質(zhì)所在。

        表2 優(yōu)化前后各合金消耗對(duì)比

        研究表明,使用原本的脫氧工藝執(zhí)行鋼產(chǎn)品轉(zhuǎn)爐煉鋼操作,實(shí)際脫氧鋁合金消耗量較高,而且還會(huì)增加鋼水之中氧化鋁的含量,增加脫氧成本。為此,在實(shí)際精煉過程中,相關(guān)工作人員需要根據(jù)鋼水的具體情況,對(duì)脫氧度進(jìn)行合理化調(diào)整,倘若脫氧不足,人們可以在整體操作執(zhí)行前在鋼液中加入鋁粒,以此來保證轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧效果不受任何影響。

        4 結(jié)論

        綜上所述,鋼水質(zhì)量與脫氧效果之間存在直接關(guān)系,在具體生產(chǎn)操作執(zhí)行上,可以選擇應(yīng)用的脫氧工藝手段有很多,為此,相關(guān)企業(yè)需要根據(jù)自身實(shí)際情況,選擇最佳的轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧工藝。在良好脫氧工藝的幫助下,鋼中夾雜物含量大幅降低,還能讓鋼水的流動(dòng)性得到有效改善,以此來維護(hù)整體操作不受任何影響。

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