LF精煉渣發(fā)泡性能影響因素研究

李 萍，李四軍，劉俊寶，寧 偉，席浩棟，呂 明

(1.萊蕪鋼鐵集團(tuán)銀山型鋼有限公司，山東 萊蕪 271104；2.西安建筑科技大學(xué) 冶金工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

1 前 言

LF精煉能有效實(shí)現(xiàn)去除鋼中夾雜物和控制非金屬夾雜物形態(tài)，精確調(diào)整鋼液成分和溫度，提高鋼材穩(wěn)定性，是煉鋼工藝的重要環(huán)節(jié)[1]。LF精煉過(guò)程爐渣泡沫化有利于埋弧加熱，提高精煉熱效率，減少電弧對(duì)包壁的高溫輻射，同時(shí)能防止鋼液二次氧化[2-5]。

精煉泡沫渣埋弧操作要求必須具備氣源和爐渣儲(chǔ)泡能力[6]。氧化性熔渣可利用渣層內(nèi)碳氧反應(yīng)提供大量CO氣體作為氣源，對(duì)于精煉還原性熔渣而言，難以產(chǎn)生大量氣體使?fàn)t渣本身實(shí)現(xiàn)泡沫化[7]。盡管底吹氬氣可為L(zhǎng)F精煉過(guò)程提供一定量的氣體，有助于爐渣發(fā)泡，但由于氣泡直徑較大，在爐渣中停留時(shí)間較短，無(wú)法穩(wěn)定提供足夠氣源，導(dǎo)致?tīng)t渣發(fā)泡效果較差且不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響LF精煉造泡沫渣操作和鋼液保護(hù)效果。爐渣發(fā)泡性能受爐渣物理性質(zhì)、爐渣內(nèi)固體顆粒、精煉溫度、氣體產(chǎn)生量、氣泡大小及密集程度等因素影響。目前，關(guān)于研究LF精煉不同精煉階段發(fā)泡性能的變化與影響因素的報(bào)道較少。

為此，本文基于某鋼廠LF精煉工藝過(guò)程，對(duì)不同階段精煉渣進(jìn)行取樣檢測(cè)分析，并設(shè)計(jì)發(fā)泡性實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)不同階段精煉渣發(fā)泡性能，研究LF精煉過(guò)程不同底吹流量、不同精煉操作、熔化溫度和黏度對(duì)爐渣發(fā)泡性能的影響，為L(zhǎng)F精煉造渣發(fā)泡工藝提供依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)方案

將稱取的30 g渣料裝于石墨坩堝中；打開(kāi)井式爐(型號(hào)為DK-9-17)底吹氣體閥門，調(diào)整氬氣流量為0.8 L/min，將剛玉保護(hù)坩堝和裝料的石墨坩堝放入井式爐中；底吹氬氣5 min后，打開(kāi)井式爐，升溫至1 530 ℃后，通氣剛玉管插入渣面到標(biāo)記高度，保溫1 h后，使用細(xì)鋼棒測(cè)量熔渣高度，記為H1；打開(kāi)頂吹氬氣流量閥，調(diào)節(jié)流量至0.4 L/min，吹氣10 min后，再次使用鋼棒測(cè)量熔渣高度，記為H2；調(diào)節(jié)流量至0.6 L/min，吹氣10 min后，再次使用鋼棒測(cè)量熔渣高度，記為H3。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

圖1 爐渣發(fā)泡性實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

根據(jù)爐渣成分、物性及精煉作用，將LF精煉過(guò)程分為L(zhǎng)F精煉進(jìn)站(LF1)、造白渣后(LF2)以及軟吹前(LF3)三個(gè)階段，并對(duì)各階段精煉渣分別取樣。爐渣組分如表 1所示。采用X射線衍射儀檢測(cè)爐渣物相組成。采用MTLQ-RD-1600型礦渣熔化溫度特性測(cè)定儀檢測(cè)爐渣熔化溫度，F(xiàn)actsage7.1軟件計(jì)算爐渣黏度。

表1 LF精煉爐渣成分及含量

3 精煉渣發(fā)泡性的影響因素

在同一實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)條件對(duì)爐渣發(fā)泡影響具有一致性，因此，以發(fā)泡高度變化值與初始高度的比值作為衡量爐渣發(fā)泡性能的標(biāo)準(zhǔn)，其中發(fā)泡性能衡量指標(biāo)如式(1)所示。

(1)

式中：H0為初始熔渣高度，m；Hi為發(fā)泡之后熔渣高度,m；i在本實(shí)驗(yàn)中取1、2。

3.1 底吹流量

不同階段底吹流量對(duì)爐渣發(fā)泡指數(shù)影響如圖2所示，底吹流量越大，發(fā)泡指數(shù)越大。與造白渣時(shí)期爐渣相比較，LF進(jìn)站和軟吹時(shí)期的爐渣發(fā)泡指數(shù)相對(duì)較低，而進(jìn)站和軟吹時(shí)期爐渣發(fā)泡指數(shù)基本相同，但軟吹時(shí)期的爐渣發(fā)泡指數(shù)受底吹流量影響更大，可知爐渣的泡沫化性能和供氣量具有相關(guān)性。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，供氣量過(guò)大，精煉渣發(fā)泡不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生氣泡破裂和噴濺，反而不利于爐渣發(fā)泡穩(wěn)定性。

在LF精煉操作過(guò)程中，底吹氬氣流量對(duì)精煉渣發(fā)泡起到重要作用，由圖2(a)可知，LF進(jìn)站初期，相對(duì)于0.4 L/min的底吹流量，底吹流量為0.6 L/min的發(fā)泡指數(shù)較高，且不同爐次間爐渣發(fā)泡指數(shù)較為穩(wěn)定，主要在于精煉通電過(guò)程中需要借助較大流量的強(qiáng)攪拌作用破殼。由圖2(b)可知，在造好白渣后，采用較大底吹流量能充分?jǐn)嚢桎撘海欣诿摿蚍磻?yīng)和調(diào)整鋼液成分，雖然發(fā)泡指數(shù)相對(duì)進(jìn)站時(shí)期更高，但各爐次間的發(fā)泡穩(wěn)定性較差，主要在于添加各種造渣輔料改變了爐渣發(fā)泡性能，導(dǎo)致此階段流量大小對(duì)不同爐次間爐渣發(fā)泡穩(wěn)定性不確定。由圖2(c)可知，在喂線和軟吹時(shí)，底吹流量較大更有利于精煉渣發(fā)泡[8]，但不同爐次間爐渣發(fā)泡穩(wěn)定較差，且此階段要求采取較小的底吹流量以去除鋼中夾雜物，同時(shí)防止底吹過(guò)大吹開(kāi)渣面而導(dǎo)致鋼液裸露造成二次氧化。

圖2 氬氣流量與精煉渣發(fā)泡指數(shù)關(guān)系

因此，爐渣發(fā)泡穩(wěn)定性取決于供氣量和爐渣性質(zhì)的綜合表現(xiàn)。對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，不同時(shí)期采取適合此階段冶煉要求的流量更利于提高鋼液質(zhì)量和夾雜物優(yōu)化控制，如唐鋼[9]在生產(chǎn)中厚板時(shí)，120 t LF爐精煉過(guò)程中，送電加熱期間氬氣流量300～400 L/min(標(biāo)準(zhǔn))，合金化期間400～500 L/min(標(biāo)準(zhǔn))，增碳、脫硫期間800～900 L/min(標(biāo)準(zhǔn))，軟吹期間60 L/min(標(biāo)準(zhǔn))。

3.2 爐渣成分

在同一底吹流量下，不同階段精煉渣發(fā)泡指數(shù)如圖3所示。LF進(jìn)站初期，不同爐次發(fā)泡指數(shù)整體相同，主要是此階段未經(jīng)過(guò)調(diào)渣改性；在LF精煉造白渣過(guò)程中，添加螢石、石灰、硅鈣鋇和鋁渣等造渣劑調(diào)渣，改變爐渣堿度和FeO含量等，致使精煉渣物性發(fā)生變化。LF精煉爐渣發(fā)泡主要是利用底吹氣體攪拌為渣層內(nèi)提供氣體作為氣源[10]，促進(jìn)熔渣發(fā)泡。對(duì)于堿性還原渣，爐渣成分決定爐渣結(jié)構(gòu)，對(duì)爐渣發(fā)泡性能具有重要影響。

圖3 LF精煉不同階段爐渣成分與發(fā)泡指數(shù)關(guān)系

精煉渣堿度降低，可降低爐渣表面張力，SiO2作為表面活性物質(zhì)，硅酸根離子吸附于氣泡表面，增強(qiáng)吸附膜強(qiáng)度和彈性，提高發(fā)泡指數(shù)和穩(wěn)定性，有利于爐渣發(fā)泡。當(dāng)爐渣堿度較低時(shí)，MgO含量增高，爐渣黏度增大，可改善爐渣發(fā)泡性能，但MgO含量過(guò)高時(shí)，爐渣流動(dòng)性變差，爐渣內(nèi)的氣體不穩(wěn)定而影響發(fā)泡性能。當(dāng)爐渣堿度較高時(shí)，MgO含量較低，更有利于發(fā)泡。FeO含量增加，精煉渣系發(fā)泡性能逐漸降低，主要在于爐渣密度和表面張力增加，黏度降低；因而，F(xiàn)eO含量越低，越有利于精煉渣發(fā)泡。造渣過(guò)程添加螢石造渣，主要是CaF2中的F-使復(fù)合陰離子解體，可有效改變爐渣黏度和熔化溫度。在簡(jiǎn)單陰離子中，O2-比F-有較大靜電勢(shì)，能改變爐渣結(jié)構(gòu)中O2-離子結(jié)構(gòu)，隨著CaF2含量增加，爐渣表面張力下降，有利于提高爐渣發(fā)泡指數(shù)，但過(guò)高的CaF2會(huì)嚴(yán)重侵蝕爐襯，降低使用壽命。

對(duì)于精煉造渣過(guò)程，A1、A5和A6三個(gè)爐次發(fā)泡指數(shù)相對(duì)較高，且不同爐次之間發(fā)泡相對(duì)較為穩(wěn)定。因此，應(yīng)控制爐渣成分為24%～27%SiO2、45%～50%CaO、13%～17%(MgO+Al2O3)、11%～14%CaF2、全鐵含量和堿度分別控制在1.0和2.0左右時(shí)，精煉渣發(fā)泡性能最好，這與趙和明等人[7]所得結(jié)論基本一致。

3.3 爐渣物相

綜合整個(gè)精煉過(guò)程，A5爐次精煉渣發(fā)泡指數(shù)最有利于精煉操作，對(duì)應(yīng)精煉過(guò)程物相變化如圖 4所示，爐渣中主要物相以CaO、SiO2和兩者共同形成的Ca2SiO4為主，且爐渣主要物相成分變化不大，主要是爐渣中Ca2SiO4作為硅酸鹽復(fù)合物相比于其他硅酸鹽物相具有相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，且熔化溫度較低，在精煉溫度下更有利于形成。

圖4 精煉過(guò)程中爐渣物相與發(fā)泡指數(shù)關(guān)系

在LF精煉進(jìn)站，添加的爐渣為根據(jù)鋼液冶煉要求確定成分的預(yù)熔渣，成分物相相對(duì)穩(wěn)定；在造白渣過(guò)程中，添加的石灰和硅鈣鋇等造渣劑含量較小，主要用于調(diào)整爐渣氧化性，但爐渣物相變化不大；在軟吹前期，主要調(diào)整鋼液合金成分，對(duì)爐渣成分和物相影響較小。由于鋼液成分和精煉生產(chǎn)工藝要求，主要采用硅鈣鋇脫氧劑，添加鋁脫氧劑極少，較難生成鈣鋁相，而生成CaO、SiO2，其中又以Ca2SiO4為L(zhǎng)F精煉過(guò)程主要物相，這與吳啟帆[11]等對(duì)LF精煉渣物相組成研究表明主要物相組成為鈣硅相和鈣鋁相基本一致。因此，LF精煉過(guò)程中，精煉渣物相變化相對(duì)較小，對(duì)爐渣發(fā)泡指數(shù)影響有限。

3.4 熔化溫度與黏度

精煉進(jìn)站和造白渣過(guò)程爐渣黏度和熔化溫度分別受轉(zhuǎn)爐下渣量、合成渣、脫氧產(chǎn)物和造渣劑等因素影響較大。軟吹前，精煉渣黏度和熔化溫度受其他因素影響較小，精煉渣熔化溫度與黏度和發(fā)泡指數(shù)之間的關(guān)系如圖5所示，軟吹前爐渣黏度穩(wěn)定在0.1～0.114 Pa·s，熔化溫度在1 420～1 480 ℃，隨著黏度和熔化溫度變化，爐渣發(fā)泡指數(shù)在0.3～0.85，變化波動(dòng)較大。

圖5 黏度和熔化溫度與精煉渣發(fā)泡指數(shù)關(guān)系

在LF精煉過(guò)程中，精煉渣較低的熔化溫度有利于盡早化渣，盡早形成均勻分布、易與鋼液反應(yīng)的液態(tài)渣，否則化渣效果不好，影響精煉渣的發(fā)泡性能。精煉渣黏度決定爐渣流動(dòng)性好壞，其受溫度、堿度和成分(如MgO、Al2O3)等影響，堿性渣的黏度是影響發(fā)泡指數(shù)的主要因素。低黏度渣具有較好的流動(dòng)性，增加化渣速率，但是黏度過(guò)低，造成氣泡在熔渣中的滯留時(shí)間過(guò)短，精煉渣發(fā)泡不穩(wěn)定，產(chǎn)生的氣體分散在熔渣中難以形成穩(wěn)定的氣孔狀結(jié)構(gòu)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中形成的泡沫渣不穩(wěn)定[12]，容易造成噴濺和埋弧造渣效果不理想。若黏度過(guò)高，則精煉渣的流動(dòng)性變差，氣泡難以將熔渣分散成氣孔狀結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的氣泡在熔渣的擠壓之下聚集在一起形成體積比較大的氣泡，熔渣中氣泡分布不均勻，熔渣發(fā)泡性降低。

因此，精煉期間爐渣黏度過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)影響爐渣性能，較低熔化溫度有利于精煉過(guò)程化渣和造渣。在一定范圍內(nèi)，黏度與精煉渣發(fā)泡指數(shù)呈正相關(guān)，黏度越高，發(fā)泡性能越好；熔化溫度與黏度呈負(fù)相關(guān)，熔化溫度越高，爐渣流動(dòng)性越差，不利于爐渣發(fā)泡。

4 結(jié) 論

(1)底吹流量越大，爐渣發(fā)泡指數(shù)越高，但不利于爐渣穩(wěn)定發(fā)泡。在實(shí)際精煉過(guò)程中，依據(jù)不同時(shí)期冶煉要求選擇合適底吹流量更有利于精煉渣發(fā)泡和保護(hù)鋼液，在進(jìn)站初期，底吹氬氣流量約為600 L/min(標(biāo)準(zhǔn))，造白渣過(guò)程約為115 L/min(標(biāo)準(zhǔn))，軟吹前約為140 L/min(標(biāo)準(zhǔn))較有利于提高和穩(wěn)定實(shí)際精煉過(guò)程精煉渣發(fā)泡指數(shù)。

(2)LF進(jìn)站初期，不同爐次精煉渣發(fā)泡指數(shù)變化很小，在造白渣后，爐渣氧化性改變較大，不同爐次精煉渣發(fā)泡指數(shù)變化較大，在軟吹前期，精煉操作影響較小，不同爐次精煉渣發(fā)泡指數(shù)變化較小。在精煉造渣過(guò)程中，應(yīng)控制爐渣全鐵含量在1.0%以下，堿度為2.0左右，(MgO+Al2O3)含量為13%～17%和CaF2含量為11%～14%，以獲得較好的精煉渣發(fā)泡性能。

(3)在一定范圍內(nèi)，黏度與精煉渣發(fā)泡指數(shù)呈正相關(guān)，黏度越高，發(fā)泡性能越好，否則過(guò)高過(guò)低的黏度均不利于精煉渣發(fā)泡。熔化溫度與黏度呈負(fù)相關(guān)，熔化溫度越高，爐渣流動(dòng)性越差，不利于爐渣發(fā)泡。應(yīng)穩(wěn)定控制爐渣黏度在0.1～0.114 Pa·s，熔化溫度在1 420～1 480 ℃，以有利于精煉渣發(fā)泡及其穩(wěn)定性。