轉爐煉鋼脫氧工藝的優化方法分析

牟貝成

（天津榮程聯合鋼鐵有限公司，天津 300350）

隨著社會經濟發展形式的轉變，鋼鐵行業同樣也需要實現創新，引進一些新的工藝，控制好產品的生產成本，促使產品質量得到本質性提升。站在轉爐煉鋼角度來說，脫氧工藝領域之中一直存在問題，所以說，想要真正實現工藝的全面優化，應采用高效的鋼液脫氧處理措施，讓煉鋼成本中的脫氧成本得到全面控制，確保鋼產品質量穩步上升，為相關企業發展創造有利條件。

1 轉爐煉鋼脫氧工藝

實際轉爐煉鋼過程中，能夠實現生鐵中碳元素的部分氧化，最終形成化學和物理性質較高的鋼，進而完成整個冶煉過程。反觀煉鋼液，內部氧氣的存在形式為溶解氧以及非金屬雜物形式，主要產生自吹氧煉鋼和原料等環節之中。想要將鋼中的硫和磷等元素控制到鋼種所需的目標值，則需要大量的氧氣或者主要通過氧化反應，因此，氧化反應的產生顯得十分重要，人們可以通過氧化合物出現，將更多的雜質析出。但同時鋼液中的含氧量也會迅速提升，相關工作人員需要進行脫氧處理，即使這樣在晶界附近，還是會析出氧化亞鐵，這對于連鑄坯凝固組織結構及穩定性極為不利。如果無法實現全面的脫氧處理，容易導致鋼塑性大幅下降，甚至還會出現熱脆情況，致使鋼鐵出現氧化現象，進而在鋼鐵之中混入氧化物，降低鋼產品的力學性能。由于氧化程度的不同，鋼液也會出現不同程度的沸騰狀態，進而涌現出一些一氧化碳氣泡，讓鋼鐵密度和強度受到影響[1]。

在脫氧工藝的作用下，能夠通過添加脫氧劑的形式，與鋼液中的氧發生化學反應，促使氧和鋼液相互分離。就現有情況來看，常用的脫氧工藝主要是沉淀脫氧法和擴散脫氧法。其中，沉淀脫氧法的操作很簡單，可以直接將脫氧劑加入到鋼液之中，最終得到氧化物沉淀。如果是應用擴散脫氧法，可以借助于具體的分配定律作用，將鋼液之中的氧化鐵直接轉移到爐渣之中，之后通過脫氧劑的添加，控制好氧化鐵含量。更為重要的是，人們也可以借助于真空脫氧手段，讓鋼液始終處于真空狀態，之后將碳氧的內在平衡關系破壞，讓碳和氧氣發生相應反應，確保一氧化碳能夠從鋼液中順利析出。在實際工作之中，具體選擇哪種脫氧工藝，還要根據鋼產品種類進行確認。

2 轉爐煉鋼脫氧工藝問題和氧的產生和危害

2.1 轉爐煉鋼脫氧工藝問題

現階段，轉爐煉鋼過程之中應用的脫氧工藝存在很多問題，導致鋼產品質量受到極大影響。另外，在整個普通碳鋼脫氧時，主要加入的物質種類有硅鐵（FeSi）以及錳鐵（FeMn），以此來實現脫氧合金化，該過程還需要與鋼水相結合，確保脫氧進度變得更加有序，在精煉之前，還需要增加一些鋁粒，讓鋼種要求得到滿足。但在該工藝實施過程中，合金收得效率為80%到90%，會消耗大量鋁合金，所呈現出的利用率十分有限。按照具體的工藝步驟，工作人員需要由強到弱依次加入脫氧劑，做到一步脫氧，但該方式無法實現錳、鋁等合金的循環利用。為此，部分企業選擇使用兩步脫氧法，先在其中加入適量的脫氧劑，隨后再加入各種合金，確保脫氧效果的提升，最后利用喂鋁線對脫氧度進行適當調整，提升合金回收效率。站在低碳鋼生產角度來說，主要添加的物質為FeMn 以及AlMnF 等，借助于鋁線對脫氧度以及Als含量進行充分調整，精煉時，同樣需要加入鋁粒。但該過程所呈現出的合金收得率大約為80%，合金消耗量同樣很大，而且還會產生很多氧化鋁，鋼水中的氮元素增加。在超低碳鋼脫氧操作之中，所應用到的脫氧劑有FeMn 以及鋁錠，借助于喂鋁線，做到對鋼水中含氧量的全面調整，吹氬需要達到3min 以上，通過鋁造渣球等擴散脫氧劑，真正提升脫氧效率。另外，在執行真空脫氧操作時，當氬氣吹入之后，鋼液能夠得到充分攪拌，進而引發碳氧反應，此時，即使出現一氧化碳氣泡，鋼液也能通過攪拌將其排出，相比之下，脫氧劑的消耗量大幅下降。但從精煉處理角度來說，鋼水之中氧含量較高，連鑄澆筑操作時會出現很多Als損失，平均損失量為0.017%，無法呈現出良好的經濟性特征[2]。

2.2 轉爐煉鋼中氧的產生和危害

在鋼液之中，氧主要的存在形式為非金屬夾雜物形式，以及溶解氧氣兩種，對于氧的主要來源，主要是煉鋼原料以及吹氧煉鋼。另外，在具體煉鋼時，碳、硅等元素以及其他化學雜質能夠順利去除，而且該過程會應用大量氧氣，借助于氧化反應，使得氧氣和雜質能夠通過結合，以氧化物形式析出，確保得到較高純度的鋼。從這里也能夠看出，氧在鋼液中是必不可少的，尤其是吹氧煉鋼時，需要氧化的雜質含量越高，消耗的氧氣量也就越大，導致鋼液中氧含量大幅上升。如果工作人員不能對鋼液中的剩余氧進行處理，導致鋼液中氧含量過高，在鋼液凝固時，會與鐵發生氧化反應，最終出現氧化亞鐵，讓鋼液處于不能使用的狀態。

鋼液中如果含有大量氧氣和硫元素，該元素同樣能夠與氧氣產生反應，生成氧化硫等物質，這些物質一旦出現，很難與鋼液分離，影響了鋼成品質量，影響最終鋼產品的力學性能。鋼液冷凝時，鋼液中的氧氣還能與碳發生化學反應，生成一氧化碳，讓冷凝過程伴隨著沸騰情況，而且氧氣含量越高，生成的一氧化碳數量也就越多，促使沸騰現象更為明顯。鋼液脫氧時，隨著脫氧程度的不同，所產生的沸騰現象也存在差異，根據最終的沸騰程度，人們將鋼型劃分成鎮靜鋼、半鎮靜鋼和沸騰鋼。倘若鋼液之中存在大量的一氧化碳氣泡，鋼錠內部會出現物質疏松化情況，影響成品鋼的密度，強度也會大受影響。

3 轉爐煉鋼脫氧工藝的優化方法分析

總的來說，轉爐煉鋼屬于是氧化過程，當整體程序即將結束時，鋼水之中依然存在一些氧，人們就將其稱之為溶解氧。出鋼時，鋼包中會出現脫氧合金化現象，將溶解氧轉變成其他氧化物。從現階段實際情況中能夠看出，常見的冶煉鋼材脫氧工藝有真空脫氧工藝、擴充脫氧工藝以及沉淀脫氧，轉爐煉鋼常用沉淀脫氧工藝。沉淀脫氧也被稱之為直接脫氧，主要指將脫氧劑直接放入到鋼水之中，讓脫氧劑和氧結合，產生穩定氧化物，上浮于鋼水表面，進而達到脫氧目的。

3.1 沉淀脫氧工藝優化

在沉淀脫氧之中，脫氧劑所呈現出的脫氧效果顯得十分重要。相關試驗研究表明，經過對之前脫氧工藝的全面優化，成功制作出以鈣系脫氧劑為主的沉淀脫氧技術，效果良好。

3.1.1 鈣系脫氧劑的理化成分

常見的鈣系脫氧劑成分主要有鈣、碳、鋁、硅等，通過這些成分的有效配比，能夠將脫氧劑和氧的結合程度大幅提升。具體鈣系脫氧劑理化成分如表1 所示。

表1 鈣系脫氧劑理化成分

3.1.2 鈣系脫氧劑的工作原理

鈣屬于是第二主族元素范疇，能夠與很多元素相結合。另外，鋇屬于是鈣的同族元素，脫氧效果很好，如果在硅鋁鐵之中加入鋇，從而生成硅鋁鋇，脫氧能力大大提升。與鋇相比，鈣的脫氧能力更強，具體鈣和鋇的摩爾質量比值為1:3.43，同該數值上也能夠看出，想要達到1kg 鈣的效果，需要加入的鋇含量為3.43kg。但鈣在鐵液中的溶解度有限，例如，鐵液溫度為1600℃時，溶解度僅為0.03%，如果是在固態鐵之中，鈣幾乎不會溶解。更為重要的是，鈣蒸汽壓力很高，在1600℃煉鋼液之中，鈣的蒸汽壓數量為1.98.如果單純以鈣作為脫氧劑，涉及到的鈣消耗量很大，成本也會有所提升。為此，想要更好的提升脫氧效益，企業需要提升鈣在鐵液中的溶解程度，人們可以選擇在鈣劑之中添加碳、硅、鋁等來實現。例如，在其中加入1%的碳，鈣的溶解度將提升1 倍。站在鈣系脫氧劑應用角度來說，需要將鈣合金制作成小于15mm 的顆粒，如果粒度太大，鈣的溶解會受到邊界層擴散影響，局部很難達到飽和狀態，影響鈣的溶解性，最終導致大量鈣元素浪費。而且通過降低顆粒粒度，鈣和鐵液的接觸面積也會提升，自然能夠展示出更好的溶解度[3]。

3.1.3 鈣系脫氧劑劑量和加入形式

從之前試驗研究中能夠看出，每煉1t 鋼材，需要加入的鈣系脫氧劑質量大約為1.2kg。煉鋼時，加入脫氧劑的方式如下：首先，在出鋼前，會將鈣系脫氧劑全部加入到鋼包內；其次，加入鐵合金實現合金脫氧，實際合金需要在出鋼到四分之一左右加入其中，大約三分之二的位置結束，期間工作人員應控制好終點鋼水以及爐渣氧化特性，出鋼時要保證少下渣，以此來強化合金收得率；最后，當氬氣從鋼水底部吹入后，需要保證整體反應具備明顯的均勻特性，只有這樣，才能讓雜物處于完全上浮狀態，鎮靜一段時間之后，便能執行鋼材的連鑄操作。

3.2 脫氧方式的優化

在傳統轉爐煉鋼工藝執行過程中，鋼材脫氧過程主要以一步脫氧形式為主，具體來說，就是按照脫氧劑由強到弱的順序，分別在其中加入鋁合金、硅鐵以及錳鐵等，達到最終的鋼材脫氧目標。但一步脫氧方式存在很多缺陷，如鋁元素和硅的回收效率有限，無法做到元素的循環利用。為了強化脫氧劑的使用效果，企業可以選擇兩步脫氧方式，將更好的鋼材脫氧效果呈現出來。第一步，在出鋼時加入價格較低的焦炭以及鈣系脫氧劑；第二步，加入錳、硅等合金，實現合金化脫氧；最后，借助于氫站喂鋁線，做好脫氧度的調整工作。從相關實踐研究中能夠看出，兩步脫氧方式能夠將合金回收率提升，降低三氧化二鋁的生成數量，讓水口堵塞率大大降低[4]。

3.3 脫氧工藝優化前后效果對比

通過對整個脫氧工藝的優化和處理，脫氧合金消耗量會大大降低，促使整個連鑄坯質量滿足相關標準要求。從表2 數據中能夠看出，錳和硅等元素的回收率能夠大幅提升，酸溶鋁損失值下降幅度較大。如果對錳、硅吸收率的提高與合金加入量進行考慮，整個脫氧合金成本也會下降，這也是提升煉鋼企業經營效益的本質所在。

表2 優化前后各合金消耗對比

研究表明，使用原本的脫氧工藝執行鋼產品轉爐煉鋼操作，實際脫氧鋁合金消耗量較高，而且還會增加鋼水之中氧化鋁的含量，增加脫氧成本。為此，在實際精煉過程中，相關工作人員需要根據鋼水的具體情況，對脫氧度進行合理化調整，倘若脫氧不足，人們可以在整體操作執行前在鋼液中加入鋁粒，以此來保證轉爐煉鋼脫氧效果不受任何影響。

4 結論

綜上所述，鋼水質量與脫氧效果之間存在直接關系，在具體生產操作執行上，可以選擇應用的脫氧工藝手段有很多，為此，相關企業需要根據自身實際情況，選擇最佳的轉爐煉鋼脫氧工藝。在良好脫氧工藝的幫助下，鋼中夾雜物含量大幅降低，還能讓鋼水的流動性得到有效改善，以此來維護整體操作不受任何影響。