LF爐外精煉鈣處理的工藝理論與實踐

武曉陽，李樹軍，溫巨文，趙曉虎，武學(xué)強

（唐山鋼鐵集團有限責(zé)任公司，河北 063600）

0 引言

目前，很多鋼種均采用鋁進行脫氧，而鋁鎮(zhèn)靜鋼在澆鑄過程中容易發(fā)生因保護澆注差導(dǎo)致的鋼水二次氧化，造成鋼液中的[Als]氧化生成Al2O3夾雜。這些Al2O3夾雜顆粒容易黏附在中包水口內(nèi)壁和塞棒棒頭，嚴重影響連鑄正常生產(chǎn)；與此同時鋼液氧化生成的少量FeO 與Al2O3結(jié)合成一種鐵鋁尖晶石（FeAl2O4熔點1780℃），粘附到水口內(nèi)壁上，共同堵塞水口[1-2]。通過對水口堵塞物的分析，發(fā)現(xiàn)其主要成分為CaO·6Al2O3，這些固態(tài)的CaO·6Al2O3夾雜對連鑄的生產(chǎn)及鋼材的熱加工、延展、抗疲勞性能都有危害[3]。目前冶煉鋁鎮(zhèn)靜鋼時，一般采取鈣處理工藝最大限度的去除Al2O3夾雜物并對殘留的Al2O3進行改性處理來保證鋼水的可澆鑄性。

本文介紹了鋁鎮(zhèn)靜鋼的主要生產(chǎn)工藝流程，對鋁鎮(zhèn)靜鋼連鑄過程鋼水二次氧化生成的Al2O3夾雜的危害進行了分析，結(jié)合夾雜物形態(tài)改變的原理對鋁鎮(zhèn)靜鋼進行鈣處理的必要性進行闡述，提出了鈣處理過程中LF 爐的關(guān)鍵控制措施，并對措施實踐效果進行了總結(jié)。

1 生產(chǎn)工藝流程及鈣處理反應(yīng)機理

1.1 鋁鎮(zhèn)靜鋼生產(chǎn)工藝流程

國內(nèi)生產(chǎn)鋁鎮(zhèn)靜鋼，按照鋼種的性能要求主要有兩種煉鋼生產(chǎn)工藝路線：一是LF 爐單聯(lián)工藝，轉(zhuǎn)爐出鋼→LF 精煉脫氧造渣、升溫、調(diào)整溫度成分及鈣處理→連鑄；二是雙聯(lián)工藝，轉(zhuǎn)爐出鋼→LF 精煉脫氧、造渣、升溫→RH真空處理→連鑄。

1.2 鈣處理工藝

鈣處理是指在LF 爐精煉過程中向鋼液中加入鈣線或者鈣系合金對鋼液進行脫氧、脫硫以及對夾雜物的形態(tài)進行控制。由于鈣與氧的親和力大于鋁、錳和鐵，其形成的氧化物CaO 穩(wěn)定性較好，向鋼包中加入鈣線能降低鋼液中氧的活度，有效控制鋼液中氧的含量。LF 爐精煉后期進行鈣處理的主要目的是對鋼液中的氧化鋁夾雜物形態(tài)進行控制：一是減少鋼中夾雜物的總量，二是改變夾雜物的形態(tài)，三是減少中包水口結(jié)瘤堵塞。目前國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)主要利用鈣線對Al2O3夾雜物進行變性處理，將高熔點的夾雜變成液態(tài)低熔點的12CaO·7Al2O3和3CaO·Al2O3。

1.3 鈣鋁反應(yīng)機理

1.3.1 氧化鋁夾雜物變性路線

氧化鋁夾雜物變性路線：隨著鋼液中鈣含量的增加，Al2O3夾雜物沿著Al2O3（2052℃）→CaO·6Al2O3（1850℃）→CaO · 2Al2O3（1750℃）→CaO · Al2O3（1605℃）→12CaO·7Al2O3（1455℃）→3CaO·Al2O3（1535℃）的路線進行改變。為了使鋼水在連鑄的溫度下夾雜物的形態(tài)為液態(tài)，提高鋼水的流動性和可澆鑄性能，鈣的加入量要進行合理控制，鈣不足時無法形成液態(tài)的鋁酸鈣，鈣量過大時又容易形成大量CaS堵塞水口，因此要求鋼液中[Ca]/[Al]控制的最佳范圍為0.13～0.2（見圖1）。

圖1 鋼液中[Ca]/[Al]對中間包水口影響

圖2 為CaO 與Al2O3的二元相圖，由圖2 圖可以看出，兩種氧化物相互溶解后，液相線的溫度大大降低，隨著Ca 含量的提高，夾雜物按照Al2O3→CaO·6Al2O3→CaO·2Al2O3→CaO·Al2O3→12CaO·7Al2O3→3CaO·Al2O3→CaO 發(fā)生轉(zhuǎn)變，夾雜物特性如表1 所示。從表1 我們可以看出，夾雜物出現(xiàn)向低熔點區(qū)轉(zhuǎn)變的趨勢，如果能控制脫氧產(chǎn)物的形態(tài)使其在連鑄狀態(tài)下為液態(tài)，就能使其在進入連鑄之前在鋼液中上浮去除，例如高熔點的Al2O3與CaO結(jié)合形成低熔點的鈣鋁化合物12CaO·7Al2O3熔點僅為1455℃，不僅減輕中間包水口堵塞問題，而且增加了鋼水的潔凈度，改善了鋼材的質(zhì)量。

圖2 CaO與Al2O3的二元相圖

表1 夾雜物特性

1.3.2 鈣線對氧化鋁夾雜物變性機理

向鋼包中喂入鈣線時，鋼液中[Ca]與[O]的化學(xué)反應(yīng)式為[4]：

喂鈣線后鋼中的[Ca]和[O]的溶解度都不高，部分未溶解的鈣變成鈣蒸汽也會發(fā)生脫氧反應(yīng)：

鋼液中[Al]與[O]的化學(xué)反應(yīng)式為：

當反應(yīng)（2）和（3）達到平衡時，則a[O]Ca=a[O]Al，即:

由反應(yīng)式（4）可看出，當鋼液中加入的鈣較多時，鈣在鋼液中的平衡蒸汽壓較大，則加入的鈣線優(yōu)先與鋼液中的[O]反應(yīng)，使氧化鋁夾雜物得到還原，改變氧化鋁夾雜物的形態(tài)。當鋼液中[Al]較低時，采用鈣處理后生成鈣長石或者鈣黃長石，夾雜物鈣長石的熔點為1200～1400℃，在鋼液中易于上浮，可澆鑄性良好，不會堵塞中包水口，熱軋時夾雜物變形不發(fā)生拉脆斷現(xiàn)象。當鋼液中[Al]較高時，過量的鈣與鋼液中的固相Al2O3生成不同組成的鋁酸鈣夾雜（CaO·Al2O3），其中，生成液相的12CaO·7Al2O3有利于上浮，且不會堵塞中包水口[5]。

在鈣處理鋁鎮(zhèn)靜鋼工藝中，鋼液中的[Ca]/[Als]比范圍控制在0.13～0.2 之間時，鈣處理后，不僅能改善鋼液的可澆鑄性，不堵水口，同時使夾雜物容易上浮，消除Al2O3不變形夾雜物對鋼液性能影響。

2 鈣處理工藝的關(guān)鍵控制措施

2.1 LF爐精煉渣的影響

理論上鋼渣中FeO＜0.5%時，可獲得理想的鈣處理效果[3]。因此，在實際的鈣處理前要求LF 精煉爐必須造出白渣，從國內(nèi)生產(chǎn)實際來看，進站8min基本能夠造出白渣，并且白渣中FeO＜1.0%，鈣處理前鋼液已經(jīng)進行了脫氧和脫硫處理，實際的鈣處理效果較好。另外，應(yīng)盡量提高造白渣速度，提高還原白渣對夾雜物的吸附效果，同時降低鋼水中[O]和[S]的含量，提高Ca的收得率。

2.2 喂鈣線位置的影響

鋼包采用鋼包底部兩塊狹縫型透氣磚吹氬氣攪拌，攪拌氣體流量可調(diào)，喂入鈣線的位置一定要在吹氬上方鋼液翻騰位置，如此喂入的鈣線直接和鋼水接觸才會有良好的效果，另外氬氣吹入鋼包后，在氣流的作用下鋼包內(nèi)鋼液呈回旋狀態(tài)，喂入鈣線時，鈣線以液態(tài)或者鈣蒸汽的形式隨鋼液流動下行，延長了鈣與鋼液的接觸時間，充分發(fā)揮其作用。

2.3 鋼包吹氬影響

鋼包喂入鈣線前要用鋁線對鋼水進行脫氧，并且進行大氣量攪拌使其脫氧完全，喂入鈣線時，要控制好鋼包底吹氬氣流量，使鋼包液面不裸露，一般氬氣流量40～60Nm3/min，既能保證喂入的鈣線經(jīng)過攪拌充分反應(yīng)，又能保證其收得率。鈣線喂完后要保證好軟吹時間，使喂入的鈣線充分與氧化鋁夾雜進行反應(yīng)，對其進行充分改性處理[5]。

2.4 喂線速度與深度的影響

合適的鈣線深度應(yīng)該保證喂入的鈣線在形成鈣氣泡后，能夠承受較大的鋼水靜壓力，使鈣蒸汽在上浮到鋼水液面前充分與鋼水中的氧化鋁化合物進行改性反應(yīng)。為保證鈣線的收得率，鈣線喂入深度距離鋼包底部300～400mm 為宜，當喂入鈣線的速度為2m/s 左右，至少能夠插入鋼包頁面 下2m 深[6]。

2.5 合金加入順序影響

LF 爐精煉白渣形成后，合金的收得率較高，喂入合金易于命中目標含量。各種合金元素與氧的親和力由弱到強的順序為：Cu→Ni→W→Mo→Fe→Nb→Cr→Mn→V→Si→T→B→Al→Mg→Ca，由此可見，鈣線必須在其他各種合金元素加入后在加入，以保證其收得率。

3 生產(chǎn)實踐效果

唐鋼不銹鋼鈣處理方式主要用喂絲機將鈣鋁包芯線喂入鋼包，其各項指標如表2所示。

表2 唐鋼不銹鋼廠實芯鈣鋁包芯線技術(shù)標準

3.1 鈣鋁包芯線配入量計算

Ca 吸收率按照25%計算，合金化Al 的吸收率按照80%計算，粉芯Ca純度、粉芯Al純度均按98%計算，每米實芯鈣鋁包芯線含Ca 量50×98%=49g，含Al量50×98%=49g。

以出鋼量100t 計算，每增加0.0001%（1ppm）的鈣，需要鈣量為：

需要鈣鋁包芯線長度為400/49=8.16m，鋼中加入鋁量為8.16×49=400g，則增加鋼中[Als]含量為：

由以上計算得出：鋼中每增加1ppm 的鈣，需要實芯鈣鋁包芯線8.16m，增加鋼中[Als]為3.2ppm。由前文提出鋼液中[Ca]/[Als]比值在0.13～0.2 范圍內(nèi)時具有較好的改性效果。按照[Ca]/[Als]=0.15 計算，鈣處理工藝中實芯鈣鋁包芯線加入量對應(yīng)鋼液中酸鋁含量增加如表3所示。

表3 鈣處理用實芯鈣鋁包芯線長度與鋼液酸鋁含量

3.2 鈣處理效果

鋼種其余成分按照控制計劃執(zhí)行，按照表3 中的計算數(shù)據(jù)對LF 爐冶煉過程喂入的鈣鋁包芯線長度進行控制，對后期相應(yīng)爐次的連鑄機中包水口狀況以及塞棒狀態(tài)進行跟蹤調(diào)查。跟蹤結(jié)果如圖3所示，圖中a 為連澆爐次中包水口情況，b 為塞棒位置變化情況。

從圖3 能夠看出，鈣處理后，中包水口比較干凈，無明顯的夾雜物黏結(jié)情況，塞棒位置基本無波動，能夠滿足連鑄順利澆鑄的要求。

圖3 連澆爐次水口狀況及塞棒位置變化情況

4 結(jié)語

實踐表明，在生產(chǎn)鋁鎮(zhèn)靜低合金鋼時，通過LF爐鈣處理工藝改變夾雜物形態(tài)，同時嚴格執(zhí)行LF爐鈣處理的控制措施，可以有效改善鋁鎮(zhèn)靜鋼的流動性和可澆鑄性，消除連鑄中包堵水口現(xiàn)象。

（1）鋼液中應(yīng)當保證一定范圍[Ca]/[Als]數(shù)值，控制在0.13～0.2 范圍內(nèi)時可有效改善鋼液中夾雜物的形態(tài)，降低夾雜物的熔點，保證連鑄澆鑄順利。

（2）鈣處理前對鋼渣進行充分的脫氧脫硫處理，使精煉渣中FeO＜1.0%，同時保證合理的氬氣攪拌，合理的喂入位置以及喂絲的速度，提高鈣的收得率，使其充分與Al2O3夾雜物進行反應(yīng)，起到改性的效果。

（3）鈣處理時鈣必須在其他合金元素調(diào)整完之后加入，以保證鈣的吸收率穩(wěn)定。