LF冶煉低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼鈣處理吸收率影響因素研究

溫 瀚

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

LF冶煉鋁鎮(zhèn)靜鋼過程中易生成Al2O3夾雜物，Al2O3夾雜物屬于高熔點夾雜物，若不及時去除的話，既影響鋼水的純凈度，又會造成鑄機(jī)澆注過程中水口結(jié)瘤，影響到連澆爐數(shù)和生產(chǎn)穩(wěn)定。因此一般鋼廠對鋁鎮(zhèn)靜鋼進(jìn)行鈣處理的方式為：使高熔點的Al2O3夾雜物變性為低熔點鈣鋁酸鹽，從而減少連鑄水口結(jié)瘤，以此來提高鋼水的可澆性和質(zhì)量。

過去幾十年中，研究者對鈣處理變性夾雜物做了大量的研究。針對Al2O3的變性，通過結(jié)合CaO-Al2O3的二元相圖，一些學(xué)者[1]提出Ca對Al2O3的變性順序為Al2O3→CA6→CA2→CA→CAx（liquid）→CaO（sat．）（其中C表示CaO，A表示Al2O3）。因在煉鋼溫度下只有C12A7，C3A兩種鈣鋁酸鹽為液態(tài)，因此鋼水中的鈣含量對變性后的夾雜物的形態(tài)至關(guān)重要，并且鈣的加入量存在一個合適的范圍，即“l(fā)iquid window”。為了確保鈣處理后夾雜物在這個液態(tài)區(qū)間，精確控制鋼水中的鈣含量至關(guān)重要。有的學(xué)者沿用一些文獻(xiàn)的結(jié)果，提出了根據(jù)鋼水中的“鈣鋁比”來確定鈣的加入量的觀點［2-3］。但在實際操作中，控制效果并不理想。

目前鋼廠鈣處理普遍采用喂絲的方式將鈣線通過喂絲機(jī)打入鋼水中。鈣線主要分為鈣鐵線、硅鈣線、單層純鈣線、雙層純鈣線。其中喂鈣鐵線吸收率低，喂線量大，喂絲過程中煙塵大，鋼水二次氧化嚴(yán)重；硅鈣線增硅，易造成低硅鋼種成分硅超標(biāo)；單層純鈣線噴濺嚴(yán)重，鋼水二次氧化嚴(yán)重；雙層純鈣線相對噴濺較小，喂線量少，鈣的吸收率較高。因此目前冶煉低硅鋼種主要使用雙層純鈣線進(jìn)行鈣處理。京唐鋼鐵公司經(jīng)過十余年的生產(chǎn)實踐，根據(jù)喂線過程中的噴濺、鈣的吸收率、成本、變性效果等因素，對鈣工藝進(jìn)行優(yōu)化，目前也選擇使用雙層純鈣線進(jìn)行鈣處理的工藝。

由于鈣的熔點低（838℃），沸點低（1450℃），加入鋼液后會很快氣化，并且鈣在鋼液中的溶解度很?。ó?dāng)溫度為1600℃、鈣蒸氣壓為0.186 MPa時，溶解度為0.03%），鈣的密度也很小，只有1.55 g/cm3，加入鋼液中易上浮到鋼渣表面，與空氣中的氧及頂渣中的氧化物反應(yīng)而燒損掉。因此鈣處理的吸收率一般偏低，并且波動較大，若鈣處理后產(chǎn)生的夾雜物不在液相區(qū)，而是產(chǎn)生高熔點夾雜物，則會惡化鋼水的可澆性，影響鑄機(jī)的生產(chǎn)穩(wěn)定性。在“轉(zhuǎn)爐—LF爐—板坯連鑄”生產(chǎn)工藝中，LF爐冶煉低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼對鋼水進(jìn)行鈣處理后，可使Al2O3夾雜物變?yōu)榈腿埸c的鈣鋁酸鹽（12CaO·7Al2O3）［4］，提高了鋼水可澆性，減少了軋鋼的質(zhì)量問題［5］。如何精確控制鋼水中的鈣含量便成了各大鋼鐵企業(yè)面臨的共同課題，因此需要針對自身冶煉的品種、設(shè)備裝備、生產(chǎn)工藝進(jìn)行深入分析，優(yōu)化現(xiàn)場工藝，提高喂線鈣吸收率和穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)穩(wěn)定性，開展對影響鈣處理過程中的吸收率的技術(shù)研究。

1 純鈣線吸收率影響因素分析

純鈣線喂絲工藝是通過喂絲機(jī)將純鈣線以一定速度打入高溫鋼液中（如下頁圖1），喂絲過程中純鈣線先穿過渣層進(jìn)入高溫鋼液后，在高溫的作用下純鈣線外表鋼帶迅速熔化，芯部金屬鈣與高溫鋼液接觸，由于金屬鈣熔點低、沸點低，很快氣化，首先一部分鈣立即被鋼液吸收，在鋼液的靜壓力作用下剩余的鈣氣化后向鋼液表面快速上浮，鈣蒸汽在上浮的的過程中一部分被吸收，其余鈣蒸汽從鋼液表面外溢進(jìn)入空氣。提高純鈣線的吸收率就是要減少鈣的損失，即減少鈣蒸汽從鋼液中溢出的比例。純鈣線的吸收率主要與喂絲速度、鋼液溫度、鋼中鋁含量、鋼渣氧化性、喂絲導(dǎo)管距鋼液間距等工藝參數(shù)有關(guān)，根據(jù)喂絲工藝過程中純鈣線的物理化學(xué)反應(yīng)特性，結(jié)合以上工藝參數(shù)對冶煉低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼SPHC進(jìn)行現(xiàn)場試驗對比，以得到最優(yōu)的工藝參數(shù)，從而提高和穩(wěn)定喂絲鈣處理的吸收率。

圖1 純鈣線喂線示意圖

2 工業(yè)對比試驗

為了找到最優(yōu)的工藝控制參數(shù)，精煉工序組織了提高喂絲鈣含量吸收率的生產(chǎn)試驗。主要試驗鋼種為低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼SPHC，通過調(diào)整鈣處理過程中的喂絲速度、鋼液溫度、鋼中鋁含量、鋼渣氧化性、喂絲導(dǎo)管距鋼液間距這五個工藝參數(shù)，統(tǒng)計出鈣含量的吸收率。鈣含量的吸收率按照喂線后鋼水中的鈣含量計算，從中找出影響鈣含量吸收率的關(guān)鍵因素，并結(jié)合生產(chǎn)實際將工藝控制參數(shù)調(diào)整到最優(yōu)值。

2.1 喂絲速度對鈣吸收率的影響

為了對比喂線速率對鈣吸收率的影響，分別試驗鋼水溫度為1595～1600℃，喂絲速度為1.5 m/s、2 m/s、2.5 m/s、3 m/s、4 m/s時鈣線的吸收率，試驗數(shù)據(jù)如圖2。

圖2 不同喂線速率下的鈣吸收率

從圖2可以看出，當(dāng)喂絲速度從1.5 m/s提高至2.5 m/s時，喂絲鈣吸收率逐步提高，當(dāng)喂絲速度從2.5 m/s提高至4 m/s時，喂絲鈣吸收率逐步降低。從以上對比試驗可以得出低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼最優(yōu)喂絲速度為2.5 m/s。

2.2 鋼水溫度對鈣吸收率的影響

為了對比鋼水溫度對鈣吸收率的影響，試驗喂絲時鋼水溫度分別為1580℃、1590℃、1595℃、1600℃、1610℃時鈣的吸收率，并將喂絲速度統(tǒng)一設(shè)定為2.5 m/s，試驗數(shù)據(jù)如圖3。

圖3 不同鋼水溫度下的鈣吸收率

從圖3可以看出，不同的喂絲溫度對低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的鈣吸收率影響不大，因此鋼水溫度不是鈣吸收率的關(guān)鍵影響因素。

2.3 鋼水鋁含量對鈣吸收率的影響

為了對比鋼水鋁含量對鈣吸收率的影響，試驗將鋼水的鋁含量w（Alt）分別控制到0.025%、0.030%、0.035%、0.040%、0.045%時再進(jìn)行鈣處理，并將喂絲速度統(tǒng)一設(shè)定為2.5 m/s，試驗數(shù)據(jù)如圖4。

圖4 不同鋼水鋁含量下的鈣吸收率

從圖4可以看出，隨著鋼水中的鋁含量（Alt）的提高，喂絲鈣的吸收率逐步提高，精煉結(jié)束Alt按照上限控制有利于鈣含量吸收率的提高。

2.4 頂渣氧化性對鈣吸收率的影響

為了對比頂渣氧化性對鈣吸收率的影響，對試驗爐次取渣樣并檢驗渣中FeO和MnO的百分含量，使用w（FeO+MnO）數(shù)值來反應(yīng)頂渣氧化性。LF爐冶煉低碳鋁鎮(zhèn)靜要求造白渣，一般頂渣w（FeO+MnO）≤3%，統(tǒng)計w（FeO+MnO）≤1%，1%＜w（FeO+MnO）≤2%，2%＜w（FeO+MnO）≤3%的爐次，在喂絲速度為2.5 m/s、鋼水鋁含量w（Alt）在0.045%左右時鋼水喂絲鈣含量的吸收率，試驗數(shù)據(jù)如圖5。

從圖5可以看出，頂渣中FeO+MnO含量越低，頂渣氧化性越弱，鈣元素被氧化得越少，喂絲鈣含量的吸收率越高。

圖5 不同F(xiàn)e O+MnO含量下的鈣吸收率

2.5 喂絲套管與鋼液面間距對鈣吸收率的影響

喂絲過程中鈣線通過喂絲套管的導(dǎo)向矯直，從喂絲套管中穿出打入鋼水中，絲線進(jìn)入鋼液的速度、角度、力度與喂絲套管的角度、喂絲套管與鋼液面間距有關(guān)。為了找到最優(yōu)的喂絲套管與鋼液面間距，在喂絲前頂渣為白渣w（FeO+MnO）≤1%的爐次上進(jìn)行試驗，將鋼水a(chǎn)·（Alt）控制在0.045%左右，設(shè)定喂絲速度為2.5 m/s，并將喂絲套管與鋼液面間距設(shè)置為200～500 mm、500～800 mm、800～1000 mm、1000～1300 mm，統(tǒng)計試驗爐次鈣含量吸收率如圖6。

圖6 不同喂絲套管與鋼液面間距下的鈣吸收率

從圖6可以看出，喂絲套管離鋼液面越近，吸收率越高；喂絲套管離鋼液面越遠(yuǎn)，絲線進(jìn)入鋼液的角度變得不垂直，并且力度有所減弱，鈣含量吸收率越低，甚至絲線盤在渣面上無法進(jìn)入鋼液而造成鈣處理失效。但是喂鈣線的過程中反應(yīng)劇烈、噴濺大，若喂絲套管離鋼液面太近易造成喂絲套管粘鋼粘渣嚴(yán)重，影響喂絲套管的穩(wěn)定使用和壽命。因此結(jié)合喂絲操作噴濺的情況和鈣含量吸收率，喂絲套管與鋼液面的間距控制500～800 mm為宜。

3 效果

通過開展以上各影響因素的對比試驗，確定了最優(yōu)的工藝控制參數(shù)。使得LF冶煉低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的喂絲鈣含量吸收率從22.5%提高到26.7%，降低了生產(chǎn)成本，鋼水的可澆性也有了明顯的改善，確保了生產(chǎn)的穩(wěn)定順行。

4 結(jié)語

1）通過對喂絲過程進(jìn)行分析，可知喂絲速度、鋼液溫度、鋼中鋁含量、鋼渣氧化性、喂絲導(dǎo)管距鋼液間距對喂絲鈣含量吸收率關(guān)系密切。

2）通過對比試驗，喂絲速度最優(yōu)值為2.5 m/s，精煉結(jié)束溫度與鈣含量吸收率關(guān)系不大，鋼中鋁含量越高鈣含量吸收率越高，LF頂渣氧化性越低鈣含量吸收率越高，結(jié)合喂絲噴濺情況喂絲導(dǎo)管距鋼液間距最優(yōu)值為500～800 mm。

3）通過對喂絲工藝參數(shù)的優(yōu)化，低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼鈣含量吸收率從22.5%提高到26.7%。