高效潔凈常壓下碳脫氧技術(shù)研究與實(shí)踐

梅雪輝 ，吳春杰 ，張曉軍 ，李曙光 ，李德軍

（1.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021；2.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009）

在常規(guī)的鋼鐵生產(chǎn)方法中，脫氧主要依靠鋁系或硅系等與氧親和力比鐵大的合金及單質(zhì)鋁來完成。這些元素與溶解在鋼液中的氧結(jié)合，生成不溶于鋼水的脫氧產(chǎn)物，由于其上浮而使鋼水中氧含量降低。碳是已知最便宜的脫氧劑，在世界上分布廣泛。在鋼鐵生產(chǎn)中，碳脫氧工藝主要應(yīng)用于RH、VD等真空精煉設(shè)備。但采用真空方式進(jìn)行碳脫氧的成本高，常用于超低碳鋼等高級別鋼種的生產(chǎn)。除了真空碳脫氧工藝，轉(zhuǎn)爐煉鋼碳脫氧技術(shù)的研究通常是在出鋼過程中加入碳粉等碳質(zhì)材料進(jìn)行脫氧。但是該技術(shù)有兩個矛盾難以解決，一是碳脫氧反應(yīng)時間與出鋼時間之間的矛盾，人們希望碳脫氧反應(yīng)時間盡量長一些，使反應(yīng)充分，但其受出鋼時間短的限制，影響反應(yīng)效果；二是控制溢渣與碳質(zhì)脫氧材料加入量之間的矛盾，在出鋼過程中加入碳質(zhì)脫氧材料會出現(xiàn)鋼渣上漲，容易出現(xiàn)溢渣，碳質(zhì)脫氧材料加得越多越難控制溢渣，給鋼鐵生產(chǎn)帶來安全隱患。但多數(shù)碳脫氧的場景需要多加碳質(zhì)脫氧材料才能滿足脫氧要求。本文論述的方法是在常壓下，采用轉(zhuǎn)爐沸騰出鋼，沸騰鋼水在LF先后加入渣料、碳素脫氧劑（指焦炭類增碳劑或石油焦類增碳劑），在LF升溫過程中利用電弧的高溫、碳素脫氧劑和渣料中的白灰造電石渣脫氧，提高鋼水潔凈度，并解決了轉(zhuǎn)爐出鋼碳脫氧技術(shù)的上述兩個矛盾，取得了較好的效果。

1 常壓下碳脫氧技術(shù)的可行性分析

1.1 電石渣脫氧的熱力學(xué)分析

鋼水進(jìn)LF前，平均溫度按1 570℃（1 843 K）計算。在LF先后加入渣料、碳素脫氧劑并攪拌，之后降電極升溫。電弧區(qū)溫度高達(dá)3 000℃（3 273 K）以上。 雖然 3 000 ℃超出了測定標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能的范圍，但仍假定鋼鐵冶金原理（第三版）附表2中化合物的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能公式在3 000℃是成立的。在這個假設(shè)的前提下，進(jìn)行如下的推理計算。

（1）在升溫前和升溫過程中，C和O直接發(fā)生如下反應(yīng)：

在鋼水中碳氧反應(yīng)：

在渣中碳氧反應(yīng)：

（2）在電弧區(qū)，C和CaO發(fā)生如下反應(yīng)：

式中，ΔG為吉布斯自由能；R為氣體常數(shù)；T為鋼水開氏溫度；K為平衡常數(shù)。

所以由式（5）、（6）得出：

當(dāng)T=3273K時，ΔG＜0，說明反應(yīng)能夠進(jìn)行下去。

式中，K為標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)；a、a、a分 別 為CaC、C和CaO的活度；P為CO的壓力。

T=3 273K時，K=10，說明反應(yīng)進(jìn)行的很完全。在LF電弧的高溫下，碳素脫氧劑和以CaO為主的渣料能夠反應(yīng)生成電石渣。

（3）在升溫過程中，電石的脫氧反應(yīng)如下：

1.2 電石渣脫氧的動力學(xué)分析

電石渣是一種強(qiáng)還原劑，可以對鋼渣和鋼水進(jìn)行脫氧。因電極升溫及升溫過程吹氬，LF頂渣轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨扰菽碾娛撛榛饔脴O大地加快了鋼水罐內(nèi)的脫氧反應(yīng)速度。此外，LF升溫時間長達(dá)8～10 min，在此期間，電石渣持續(xù)生成并保證了充分的脫氧時間。在升溫結(jié)束后，頂渣的氧化鐵含量可以達(dá)到較低的水平。

2 常壓下碳脫氧技術(shù)的生產(chǎn)實(shí)踐

鞍鋼煉鋼生產(chǎn)工藝流程應(yīng)用最多的是轉(zhuǎn)爐—LF—鑄機(jī)，具體為：轉(zhuǎn)爐出鋼使用脫氧合金脫氧，鋼水進(jìn)入LF先加脫氧合金鎮(zhèn)靜鋼水，之后加渣料。攪拌化渣后升溫、攪拌脫硫、合金化、上機(jī)。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠分別在高、中、低碳鋼上進(jìn)行了常壓下碳脫氧試驗(yàn)，均取得了較好的效果。以典型的低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼鋼種DX51D+Z和SWRCH22A為例，對試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行介紹，鋼種成分見表1。

表1 鋼種成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Compositions in Steel（Mass Fraction） %

2.1 轉(zhuǎn)爐出鋼工藝控制

2.1.1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳的控制

對于鋼種DX51D+Z，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量目標(biāo)控制在0.04%～0.06%。如鋼水碳含量低于0.04%，則鋼水氧化性較高，會增加鋁脫氧劑的消耗。對于鋼種SWRCH22A，轉(zhuǎn)爐的終點(diǎn)碳含量目標(biāo)控制大于0.04%，盡可能留碳出鋼，以降低鋼水的氧化性。

2.1.2 轉(zhuǎn)爐出鋼的控制

轉(zhuǎn)爐出鋼采取沸騰出鋼，為了防止因出鋼碳氧反應(yīng)劇烈而導(dǎo)致鋼水溫度損失過大，加入硅錳合金和少量鋁系脫氧劑，適當(dāng)減弱碳氧反應(yīng)，從而減少出鋼溫降。

2.2 LF精煉工藝控制

先加入渣料稀釋頂渣，再加碳素脫氧劑。升溫過程中利用電弧的高溫造電石渣脫氧，升溫后終脫氧。

2.2.1 溢渣控制及電石渣的生成

轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的沸騰鋼水進(jìn)入LF后，因?yàn)镃、CaC的脫氧反應(yīng)會產(chǎn)生大量氣體，所以，加入碳素脫氧劑及升溫時均存在溢渣風(fēng)險。控制溢渣的一個解決方法是稀釋渣中FeO的濃度，減弱上述反應(yīng)，即先加入適量的渣料，對頂渣中的氧進(jìn)行稀釋。

在常規(guī)LF生產(chǎn)中，先加入脫氧合金鎮(zhèn)靜鋼水，之后加入渣料，渣料不易熔化。但采用常壓下碳脫氧工藝時，沸騰鋼水中的FeO為很好的化渣劑。渣料一經(jīng)加入，在吹氬攪拌的作用下快速熔化。為了使渣料熔化得更快并提高電石渣的流動性，白灰和化渣劑的重量配比為2.5:1至3:1。渣料熔化后，加入碳素脫氧劑。

降電極升溫，在電極產(chǎn)生的高溫下，碳素脫氧劑和渣料中的CaO反應(yīng)生成CaC。脫氧反應(yīng)生成的大量氣體、底吹氬氣與CaC和渣料的混合物共同形成高度泡沫化的電石渣。

2.2.2 電石渣埋弧加熱及升溫時間的確定

埋弧加熱是LF電極升溫的一個顯著特點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)是熱輻射損失小、電弧加熱效率高，對鋼水罐渣線損害小，有利于提高電極升溫效率，降低LF電耗。

爐渣泡沫化是實(shí)現(xiàn)埋弧加熱的前提條件，LF泡沫渣的產(chǎn)生除了需要具備一定粘度和表面張力的爐渣，還需要穩(wěn)定的氣源，使?fàn)t渣持續(xù)發(fā)泡。LF吹氬條件下的電石渣就具備上述條件和特點(diǎn)。電石渣保持時間長，可以在升溫全過程穩(wěn)定存在，埋弧效果良好，其升溫效率遠(yuǎn)高于采用精煉渣埋弧加熱。

統(tǒng)計生產(chǎn)數(shù)據(jù)，得到常壓下碳脫氧技術(shù)鋼水升溫時間與平均升溫速率的關(guān)系，見圖1。由圖1可知，電極升溫時間如短于8 min，電石渣升溫效率低。但生產(chǎn)中長于10 min又會導(dǎo)致局部溫度過高，對鋼水罐的渣線可能造成損害。為了保證脫氧效果、升溫效率和保護(hù)鋼水罐渣線，一般電極升溫時間控制在8～10 min。在此范圍內(nèi)，時間越長，升溫效率越高。如鋼水進(jìn)LF溫度過低，則需要分兩次升溫，將鋼水溫度升至1 590℃以上進(jìn)行脫硫。

圖1 常壓下碳脫氧技術(shù)鋼水升溫時間與平均升溫速率的關(guān)系Fig.1 Relationship between Heating Time and Average Heating Rate of Molten Steel by Carbon Deoxidization Process at Atmospheric Pressure

2.2.3 碳素脫氧劑加入量的確定

利用碳脫氧技術(shù)生產(chǎn)低碳鋼，首先要對鋼水的漲碳進(jìn)行控制。既要利用碳素脫氧劑對鋼水鋼渣進(jìn)行脫氧，同時又要減少對鋼水的增碳。解決這個矛盾除了需要加入適量的碳素脫氧劑之外，還要利用氬氣泡邊界的碳氧反應(yīng)原理，即在吹氬攪拌和升溫過程中，沸騰鋼水中的C和O在氬氣泡的邊界進(jìn)行反應(yīng)。氬氣泡對于CO氣體相當(dāng)于真空，在此條件下，C、O可以反應(yīng)生成CO。鋼水罐進(jìn)站后升溫8～10 min，加上前期的攪拌化渣時間，鋼水中的碳氧反應(yīng)時間可以長達(dá)10 min左右，從而減少鋼水漲碳。

對于鋼種DX51D+Z，碳素脫氧劑加入量根據(jù)進(jìn)站定氧得到的鋼水中溶解氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定如下：

碳素脫氧劑加入量=鋼水量×（成品碳上限-鋼水中碳含量+鋼水中溶解氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)-0.02%）/碳素脫氧劑碳含量；其中，鋼水中溶解氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為 200×10～900×10。

對于鋼種SWRCH22A，不定氧，按鋼種上限加入碳素脫氧劑即可。

2.2.4 首批鋁加入量的確定

LF脫氧主要包括脫除鋼水中的氧和鋼渣中的氧。鋼水中的氧可以通過定氧測得，但鋼渣中的氧無法測得。LF工序的首批鋁加入量主要依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)，采用試探法加鋁，加鋁量存在很大的不確定性，很難一次加準(zhǔn)。多次加鋁會增加鋁耗及延長處理時間，對鋼水的質(zhì)量不利，會導(dǎo)致鋼水中夾雜物含量升高。

常壓下碳脫氧技術(shù)采用造電石渣對鋼渣進(jìn)行脫氧，脫氧后頂渣FeO含量接近恒定。首批鋁加入量主要由鋼水中的氧值決定，鋼種DX51D+Z升溫后首批鋁加入量主要根據(jù)進(jìn)站定氧值加入；鋼種SWRCH22A升溫后因鋼水中碳含量能達(dá)到0.15%左右，故不需要定氧，首批鋁加入量為定值。如上述鋼水S含量較高（大于0.030%），可適當(dāng)增加首批鋁加入量。該技術(shù)一次加鋁比率達(dá)到90%以上，杜絕了三次以上加鋁，能夠提高鋼水的潔凈度，有利于穩(wěn)定LF處理時間進(jìn)而穩(wěn)定煉鋼工序生產(chǎn)節(jié)奏。

3 常壓下碳脫氧技術(shù)的效果

3.1 降低渣中氧化鐵的含量

以鋼種DX51D+Z為例，碳脫氧后渣中成分見表2。由表2可知，LF工序碳脫氧后（加鋁鎮(zhèn)靜之前），渣中FeO含量均值由29.71%降低到8.76%，MnO含量均值由4.31%降低到1.52%。可見，碳脫氧后LF頂渣氧化性明顯降低。

表2 碳脫氧后渣中成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Compositions in Slag after Carbon Deoxidization （Mass Fraction） %

3.2 提高一次加鋁比率

常壓下碳脫氧工藝與常規(guī)工藝的LF加鋁比率對比見圖2。由圖2看出，該工藝的一次加鋁比率遠(yuǎn)高于常規(guī)工藝。

圖2 常壓下碳脫氧工藝與常規(guī)工藝LF加鋁比率對比Fig.2 Comparison of Al Mixture Ratio Added into LF by Carbon Deoxidization Process at Atmospheric Pressure and Conventional Process

3.3 降低脫氧合金的消耗量

常壓下碳脫氧工藝生產(chǎn)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼比常規(guī)工藝降低鋁消耗量約27%～33%。不考慮鋼水質(zhì)量提升帶來的效益，按2021年年初合金價格計算，僅降低合金成本創(chuàng)效可達(dá)10～20元/t鋼。

3.4 提高電極升溫速率

碳素脫氧劑和渣料在電弧的高溫下生成電石渣埋弧效果好。常壓下碳脫氧工藝與常規(guī)工藝的LF平均升溫速率對比見圖3。由圖3可知，該工藝比常規(guī)工藝的平均升溫速率高約44%。

圖3 兩種工藝LF平均升溫速率對比Fig.3 Comparison of Average Heating Rates of Molten Steel in LF by Two Processes

3.5 降低LF搬出Si含量

常壓下碳脫氧工藝與常規(guī)工藝的LF搬出Si含量對比見圖4。由圖4可知，采用該工藝LF搬出Si含量可以穩(wěn)定控制在0.024%以下。最低達(dá)到0.011%，避免了常規(guī)工藝生產(chǎn)低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼硅含量易超標(biāo)的情況。

圖4 兩種工藝LF搬出Si含量對比Fig.4 Comparison of Content of Si in Molten Steel after Refining in LF by Two Processes

3.6 對LF處理時間的影響

統(tǒng)計常壓下碳脫氧工藝與常規(guī)工藝的LF平均處理時間分別為32.3 min和32.4 min，兩種工藝沒有明顯差異，不會影響煉鋼生產(chǎn)的節(jié)奏。

3.7 對LF脫硫的影響

統(tǒng)計常壓下碳脫氧工藝與常規(guī)工藝的LF搬出S含量均值，分別為0.007 8%和0.008 5%，該工藝的LF搬出鋼水S含量比常規(guī)工藝的略低。

3.8 對LF搬出碳的影響

統(tǒng)計常壓下碳脫氧工藝與常規(guī)工藝的LF搬出C含量均值，分別為0.057%和0.054%，該工藝LF搬出鋼水C含量與常規(guī)工藝接近，滿足鋼水對C含量的要求。

4 結(jié)論

（1）常壓下碳脫氧技術(shù)生產(chǎn)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的頂渣氧化性明顯降低。LF一次加鋁比率可達(dá)到90%以上，杜絕了三次以上加鋁。能夠提高鋼水潔凈度并減少鋁系、硅系脫氧劑的消耗。不考慮鋼水質(zhì)量提升帶來的效益，僅降低合金成本創(chuàng)效可達(dá)10～20元/t鋼。該技術(shù)也可用于大多數(shù)高、中、低碳鋼的生產(chǎn)。

（2）常壓下碳脫氧工藝LF升溫效率高，平均升溫速率比常規(guī)工藝高約44%。在LF處理時間上，該工藝與常規(guī)工藝沒有明顯差異，不會影響煉鋼生產(chǎn)的節(jié)奏。

（3）常壓下碳脫氧工藝能夠?qū)⒌凸桎X鎮(zhèn)靜鋼鋼水的Si含量穩(wěn)定控制在0.024%以下，避免了常規(guī)工藝生產(chǎn)低硅鋁鎮(zhèn)靜鋼Si含量易超標(biāo)的情況，且對LF處理后鋼水的C和S含量沒有影響。