LF爐外精煉鈣處理的工藝?yán)碚撆c實(shí)踐

武曉陽，李樹軍，溫巨文，趙曉虎，武學(xué)強(qiáng)

（唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 063600）

0 引言

目前，很多鋼種均采用鋁進(jìn)行脫氧，而鋁鎮(zhèn)靜鋼在澆鑄過程中容易發(fā)生因保護(hù)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(yán)重影響連鑄正常生產(chǎn)；與此同時(shí)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(diǎn)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(shí)，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(jìn)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(jìn)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(jìn)行鈣處理的必要性進(jìn)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(shí)踐效果進(jìn)行了總結(jié)。

1 生產(chǎn)工藝流程及鈣處理反應(yīng)機(jī)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(jìn)行脫氧、脫硫以及對夾雜物的形態(tài)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行變性處理，將高熔點(diǎn)的夾雜變成液態(tài)低熔點(diǎn)的12CaO·7Al2O3和3CaO·Al2O3。

1.3 鈣鋁反應(yīng)機(jī)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(jìn)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(dòng)性和可澆鑄性能，鈣的加入量要進(jìn)行合理控制，鈣不足時(shí)無法形成液態(tài)的鋁酸鈣，鈣量過大時(shí)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(diǎn)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(jìn)入連鑄之前在鋼液中上浮去除，例如高熔點(diǎn)的Al2O3與CaO結(jié)合形成低熔點(diǎn)的鈣鋁化合物12CaO·7Al2O3熔點(diǎn)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(jī)理

向鋼包中喂入鈣線時(shí)，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(dāng)反應(yīng)（2）和（3）達(dá)到平衡時(shí)，則a[O]Ca=a[O]Al，即:

由反應(yīng)式（4）可看出，當(dāng)鋼液中加入的鈣較多時(shí)，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(dāng)鋼液中[Al]較低時(shí)，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(diǎn)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(shí)夾雜物變形不發(fā)生拉脆斷現(xiàn)象。當(dāng)鋼液中[Al]較高時(shí)，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(shí)，鈣處理后，不僅能改善鋼液的可澆鑄性，不堵水口，同時(shí)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(shí)，可獲得理想的鈣處理效果[3]。因此，在實(shí)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(shí)際來看，進(jìn)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(jìn)行了脫氧和脫硫處理，實(shí)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(shí)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(shí)，鈣線以液態(tài)或者鈣蒸汽的形式隨鋼液流動(dòng)下行，延長了鈣與鋼液的接觸時(shí)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(jìn)行脫氧，并且進(jìn)行大氣量攪拌使其脫氧完全，喂入鈣線時(shí)，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(shí)間，使喂入的鈣線充分與氧化鋁夾雜進(jìn)行反應(yīng)，對其進(jìn)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(jìn)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(dāng)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(biāo)含量。各種合金元素與氧的親和力由弱到強(qiáng)的順序?yàn)椋篊u→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(shí)踐效果

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

表2 唐鋼不銹鋼廠實(shí)芯鈣鋁包芯線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 鈣鋁包芯線配入量計(jì)算

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

以出鋼量100t 計(jì)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(jì)算得出：鋼中每增加1ppm 的鈣，需要實(shí)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(shí)具有較好的改性效果。按照[Ca]/[Als]=0.15 計(jì)算，鈣處理工藝中實(shí)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(shí)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(jì)劃執(zhí)行，按照表3 中的計(jì)算數(shù)據(jù)對LF 爐冶煉過程喂入的鈣鋁包芯線長度進(jìn)行控制，對后期相應(yīng)爐次的連鑄機(jī)中包水口狀況以及塞棒狀態(tài)進(jìn)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(dòng)，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(shí)踐表明，在生產(chǎn)鋁鎮(zhèn)靜低合金鋼時(shí)，通過LF爐鈣處理工藝改變夾雜物形態(tài)，同時(shí)嚴(yán)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(dòng)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(dāng)保證一定范圍[Ca]/[Als]數(shù)值，控制在0.13～0.2 范圍內(nèi)時(shí)可有效改善鋼液中夾雜物的形態(tài)，降低夾雜物的熔點(diǎn)，保證連鑄澆鑄順利。

（2）鈣處理前對鋼渣進(jìn)行充分的脫氧脫硫處理，使精煉渣中FeO＜1.0%，同時(shí)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(jìn)行反應(yīng)，起到改性的效果。

（3）鈣處理時(shí)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。