潔凈鋼生產(chǎn)中精煉爐控制淺析①

周賀賀， 曹余良， 吳國平

(南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京　210035)

引　言

隨著現(xiàn)代工業(yè)化和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，與國民經(jīng)濟(jì)相關(guān)的各行業(yè)對鋼材質(zhì)量的要求日益提高，優(yōu)質(zhì)鋼和純凈鋼的需求量不斷增長，加之鋼鐵企業(yè)對煉鋼流程高效率、低成本的要求，精煉爐成為高效率生產(chǎn)潔凈鋼的必備設(shè)備和流程。鋼水二次精煉的主要目的是：脫碳、脫氣(N，H)、脫氧、脫硫、去除夾雜物、控制夾雜物的形態(tài)、調(diào)整成分及溫度等。采用爐外精煉技術(shù)可以提高鋼的質(zhì)量，擴(kuò)大品種，縮短冶煉時間，提高生產(chǎn)率，調(diào)節(jié)煉鋼爐與連鑄的生產(chǎn)節(jié)奏，并可降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

1　生產(chǎn)工藝控制

以鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→LF精煉爐→RH精煉爐→連鑄的工藝流程為導(dǎo)線，展開精煉爐生產(chǎn)過程中潔凈鋼的操作、工藝控制。

1.1　鋼包耐火材料的選用

LF精煉爐也是鋼包爐精煉，鋼包耐火材料必然對潔凈鋼生產(chǎn)帶來一定的影響，因此，選用的鋼包耐火材料必須滿足潔凈鋼的冶金要求和過程要求[1]，在煉鋼溫度下其成分和物理性質(zhì)必須穩(wěn)定，渣線有抗頂渣和鋼包攪拌對它的化學(xué)侵蝕和機(jī)械侵蝕的能力，耐火材料內(nèi)襯既不能含有易還原性組員，也不能含有重要的殘余元素來源。在處理澆注完的鋼包時，必須將上爐鋼水的殘留物清理干凈，以免污染下一爐鋼水。

1.2　氮含量控制

鋼中氮含量高會使鋼材產(chǎn)生應(yīng)力，降低鋼的成形性及高溫韌性和塑性，并影響鋼的焊接性能。精煉爐增氮的主要原因有前期化渣階段渣況不好，精煉中后期脫氧良好的鋼液與大氣接觸、電弧電離、原材料帶入等，供電制度也會對其產(chǎn)生影響[3]，RH精煉爐真空度和真空時間也對脫氮有影響；因此需加強(qiáng)操作，嚴(yán)格控制精煉爐過程增氮。精煉爐處理過程氮含量變化如圖1所示。

(1)盛鋼鋼包在LF爐?？课粫r嚴(yán)禁大流量氬氣攪拌或旁通操作，避免鋼液翻騰裸露與空氣接觸導(dǎo)致增氮與二次氧化；

(2)盛鋼鋼包在LF爐工作位時通過調(diào)節(jié)除塵擋板，嚴(yán)格控制鋼包和水冷爐蓋內(nèi)氣體的分壓，確保冶煉全程微正壓操作；

(3)LF精煉爐前期3～5 min化渣階段，如鋼包頂渣化渣效果不好，將成為精煉過程主要增氮階段，期間過程增氮4×10-6～6×10-6；為提高化渣效果，化渣前鋼包頂渣加入少許頂渣改質(zhì)劑(鋁粉、螢石、預(yù)熔精煉渣等)，保證鋼包頂渣快速熔化；

(4)LF精煉中后期，成渣后大功率供電，短時間內(nèi)鋼液迅速升溫，可以減少電弧電離增氮的機(jī)會，同時減少高溫渣存在時間，不利于鋼液增氮；

(5)合理安排生產(chǎn)節(jié)奏，縮短鋼水在LF爐停留時間和冶煉時間，降低鋼液增氮的幾率；

(6) RH爐抽真空時確保真空度和其保持時間滿足工藝要求，RH脫氮率10%左右。

1.3　氫含量控制

氫是導(dǎo)致鋼產(chǎn)生白點和發(fā)裂的主要原因，雖然LF精煉爐無法去除氫，但可以采取措施防止鋼液吸氫：1) 鋼包烘烤良好；2)加入干燥的渣料；3)加入的合金、脫氧劑等要進(jìn)行烘烤，除去水分；4)冶煉時隨時檢查設(shè)備有無漏水，特別是水冷爐蓋，杜絕冷卻水與鋼液接觸。通過上述措施，LF精煉爐過程增氫控制在1.5×10-6以內(nèi)。圖2為精煉爐處理過程氫含量變化趨勢。

圖1　精煉爐處理過程氮含量變化趨勢

圖2　精煉爐處理過程氫含量變化趨勢

對于RH爐真空脫氫時，一定確保真空度和其保持時間滿足工藝要求，通過現(xiàn)場實踐數(shù)據(jù)總結(jié)，當(dāng)真空度在80 Pa以內(nèi)，真空處理20 min以上，脫氫率穩(wěn)定為75%以上，真空處理結(jié)束鋼水氫含量能控制在1.0×10-6以內(nèi)。

1.4　氧含量控制

氧主要以非金屬夾雜物的形式存在于鋼中，影響鋼的韌性、焊接性能、抗HIC性能、耐蝕性、各向異性、加工性能等。LF精煉過程一是采取措施降低鋼中的溶解氧含量和渣中的不穩(wěn)定氧化物含量，二是采取合理的工藝措施，促進(jìn)脫氧產(chǎn)物的上浮去除。

鋼中的溶解氧一般是通過沉淀脫氧方式去除，LF精煉開始破渣后喂入鋁線，迅速脫去鋼液中的溶解氧，而渣中的不穩(wěn)定氧化物則要采取擴(kuò)散脫氧方式去除。LF精煉采用“LF爐8分鐘快速造白渣操作法”快速脫氧成渣：1)喂鋁線快速沉淀脫氧；2)通電狀態(tài)下分批次添加還原劑；3)將鋁粉或鋁絲分批次撒在渣面上，使渣中FeO含量大幅降低，破壞了氧在渣、鋼之間的濃度分配系數(shù)，鋼水中的氧向渣中擴(kuò)散脫氧；4)根據(jù)渣況稀稠適當(dāng)添加渣料。

1.5　硫含量控制

硫在鋼中以網(wǎng)狀FeS和Fe-FeS共晶體形式存在。熱加工過程中，由于晶界硫化物的熔化而造成鋼的“熱脆”，從而使鋼的加工性能和使用性能降低，硫還惡化鋼的橫向機(jī)械性能，影響鋼的焊接性能。LF精煉過程的脫硫一直是重點和難點。

LF精煉過程是一個造堿性還原渣還原反應(yīng)過程，其實就是硫由鋼液向爐渣擴(kuò)散，然后轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定化合物的過程[4]，其脫硫還原反應(yīng)式為

FeS+CaO=CaS+FeO

(1)

由上式可知，爐渣中的CaO是脫硫反應(yīng)的反應(yīng)物，提高爐渣堿度，渣中CaO含量增多，爐渣的脫硫能力增大。從理論上講，堿度越高，脫硫效果越好，但堿度過高會引起爐渣粘稠、爐渣流動性變差，反而影響脫硫效果。實際生產(chǎn)中渣的二元堿度控制在5～9為好。由于渣中Al2O3含量比較高，所以實際堿度并沒有那么高，爐渣的流動性也比較好。為保證爐渣具有足夠的堿度和良好的流動性，在生產(chǎn)中將爐渣的主要成分控制在如下范圍：w(CaO)=50%～55%，w(Al2O3)>25%，w(SiO2)<10%，w(MgO)<10%。

表1　 精煉爐白渣成分

由(1)式可知：LF爐堿性還原渣冶煉時降低爐渣氧化性，有利于脫硫。采用快速造髙堿度還原性白渣法，快速降低爐渣中w(FeO)，使脫硫反應(yīng)充分進(jìn)行，LF精煉爐典型渣樣成分如表1所示。

1.6　磷含量控制

磷在鋼中是一種易偏析元素，能顯著降低鋼的低溫沖擊韌性，提高鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度使鋼發(fā)生“冷脆”。脫磷需要氧化性氣氛，因此LF爐精煉過程控制鋼中磷含量的原則是如何防止渣中的磷還原進(jìn)入鋼液。減少轉(zhuǎn)爐下渣量，是控制LF精煉回磷最有效的方法；添加超低磷合金也是避免LF精煉過程增磷的有效手段。

1.7　夾雜物的控制

LF精煉過程鋼液中除了大量的非金屬夾雜物，還有大量的通過鋼渣混卷進(jìn)入鋼液的大顆粒渣粒、耐火材料以及加合金時帶入的大顆?；覊m等，為了促使它們上浮排出，LF精煉過程需造高吸附能力的還原性白渣[5]，并確保渣量、渣厚合適，而且鈣處理后必須保證合適的軟吹氬時間和一定的鋼水鎮(zhèn)靜時間，以保證充分上浮。

LF精煉終點成分要確保滿足RH抽真空工藝要求，避免RH抽真空過程添加合金，造成二次夾雜。RH抽真空后保證合適的軟吹氬時間和一定的鋼水鎮(zhèn)靜時間，以使夾雜物充分上浮[6]。

2　控制效果

潔凈鋼生產(chǎn)中經(jīng)過對精煉爐操作嚴(yán)格控制，鋼液質(zhì)量得到顯著提升，達(dá)到生產(chǎn)潔凈鋼的目的。經(jīng)精煉爐后鋼液終點數(shù)據(jù)如表2所示，精煉前、后鋼液中的夾雜物分布如圖3所示。

表2　精煉爐后鋼水終點指標(biāo)

從圖3的夾雜物投影相圖中，可以直觀地看出精煉爐冶煉過程夾雜物數(shù)量、類型和尺寸的變化情況。轉(zhuǎn)爐出鋼至LF爐開始處理階段，鋼水和鋼包頂渣未完全脫氧，鋼水中夾雜物以硅錳酸鹽初級脫氧產(chǎn)物為主，并伴有少量的三氧化二鋁夾雜物，夾雜物總量繁多，單位面積總夾雜物87個/mm2。經(jīng)過LF爐深脫氧及造低氧化性高堿度渣精煉處理，夾雜物類型轉(zhuǎn)變?yōu)殍T坯及板材中常見的鈣鋁酸鹽，夾雜物總數(shù)量顯著減少，單位面積總夾雜物12個/mm2。在RH提升氣體流量100 m3/h，真空度190 Pa狀態(tài)下，抽真空處理20 min后，單位面積夾雜物總數(shù)進(jìn)一步降低，仍以鈣鋁酸鹽夾雜物為主，其中45%左右集中在低熔點液態(tài)鋁酸鈣區(qū)域。鈣處理結(jié)束后，夾雜物類型再次發(fā)生轉(zhuǎn)變，集中在CaO-CaS一側(cè)，鈣處理對夾雜物的變性明顯，變性后形成的低熔點夾雜物，在鋼包底吹氬氣的攪拌下，大部分都積聚上浮去除，此階段1～5 μm的小尺寸夾雜物增多，占總數(shù)的98.71%，大于30 μm的大型夾雜物顯著減少；單位面積總夾雜物11個/mm2。

圖3　精煉爐冶煉過程夾雜物變化情況

3　結(jié)束語

(1)通過LF精煉爐深脫氧、造高堿度低氧化流動性精煉渣等冶煉工藝及過程嚴(yán)格精確的操作，RH精煉爐高真空度處理，精煉爐處理結(jié)束，已能穩(wěn)定控制有害元素的含量，達(dá)到w(P)≤80×10-6，w(S)≤10×10-6，w(O)≤8×10-6，w(N)≤35×10-6，w(H)≤1.5×10-6。

(2)鋼水隨著LF爐精煉處理，夾雜物由初期的硅錳酸鹽逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殁}鋁酸鹽，單位面積夾雜物數(shù)量顯著降低，由87 個/mm2減少至12 個/mm2。RH爐真空和鈣處理后，夾雜物類型發(fā)生轉(zhuǎn)變，集中在CaO-CaS一側(cè)，夾雜物尺寸較小，尺寸小于10 μm的夾雜物占99.61%，極少發(fā)現(xiàn)尺寸大于30 μm的夾雜物。

參考文獻(xiàn)：

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