轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧工藝的優(yōu)化方法分析

牟貝成

（天津榮程聯(lián)合鋼鐵有限公司，天津 300350）

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展形式的轉(zhuǎn)變，鋼鐵行業(yè)同樣也需要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，引進(jìn)一些新的工藝，控制好產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，促使產(chǎn)品質(zhì)量得到本質(zhì)性提升。站在轉(zhuǎn)爐煉鋼角度來說，脫氧工藝領(lǐng)域之中一直存在問題，所以說，想要真正實(shí)現(xiàn)工藝的全面優(yōu)化，應(yīng)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(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)步上升，為相關(guān)企業(yè)發(fā)展創(chuàng)造有利條件。

1 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧工藝

實(shí)際轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)生鐵中碳元素的部分氧化，最終形成化學(xué)和物理性質(zhì)較高的鋼，進(jìn)而完成整個冶煉過程。反觀煉鋼液，內(nèi)部氧氣的存在形式為溶解氧以及非金屬雜物形式，主要產(chǎn)生自吹氧煉鋼和原料等環(huán)節(jié)之中。想要將鋼中的硫和磷等元素控制到鋼種所需的目標(biāo)值，則需要大量的氧氣或者主要通過氧化反應(yīng)，因此，氧化反應(yīng)的產(chǎn)生顯得十分重要，人們可以通過氧化合物出現(xiàn)，將更多的雜質(zhì)析出。但同時鋼液中的含氧量也會迅速提升，相關(guān)工作人員需要進(jìn)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(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性極為不利。如果無法實(shí)現(xiàn)全面的脫氧處理，容易導(dǎo)致鋼塑性大幅下降，甚至還會出現(xiàn)熱脆情況，致使鋼鐵出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，進(jìn)而在鋼鐵之中混入氧化物，降低鋼產(chǎn)品的力學(xué)性能。由于氧化程度的不同，鋼液也會出現(xiàn)不同程度的沸騰狀態(tài)，進(jìn)而涌現(xiàn)出一些一氧化碳?xì)馀荩屼撹F密度和強(qiáng)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，促使氧和鋼液相互分離。就現(xiàn)有情況來看，常用的脫氧工藝主要是沉淀脫氧法和擴(kuò)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(yīng)用擴(kuò)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(zhuǎn)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(tài)，之后將碳氧的內(nèi)在平衡關(guān)系破壞，讓碳和氧氣發(fā)生相應(yīng)反應(yīng)，確保一氧化碳能夠從鋼液中順利析出。在實(shí)際工作之中，具體選擇哪種脫氧工藝，還要根據(jù)鋼產(chǎn)品種類進(jìn)行確認(rèn)。

2 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧工藝問題和氧的產(chǎn)生和危害

2.1 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧工藝問題

現(xiàn)階段，轉(zhuǎn)爐煉鋼過程之中應(yīng)用的脫氧工藝存在很多問題，導(dǎo)致鋼產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)種類有硅鐵（FeSi）以及錳鐵（FeMn），以此來實(shí)現(xiàn)脫氧合金化，該過程還需要與鋼水相結(jié)合，確保脫氧進(jìn)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(shí)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(xiàn)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(qiáng)到弱依次加入脫氧劑，做到一步脫氧，但該方式無法實(shí)現(xiàn)錳、鋁等合金的循環(huán)利用。為此，部分企業(yè)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(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，提升合金回收效率。站在低碳鋼生產(chǎn)角度來說，主要添加的物質(zhì)為FeMn 以及AlMnF 等，借助于鋁線對脫氧度以及Als含量進(jìn)行充分調(diào)整，精煉時，同樣需要加入鋁粒。但該過程所呈現(xiàn)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(chǎn)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(yīng)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(diào)整，吹氬需要達(dá)到3min 以上，通過鋁造渣球等擴(kuò)散脫氧劑，真正提升脫氧效率。另外，在執(zhí)行真空脫氧操作時，當(dāng)氬氣吹入之后，鋼液能夠得到充分?jǐn)嚢瑁M(jìn)而引發(fā)碳氧反應(yīng)，此時，即使出現(xiàn)一氧化碳?xì)馀荩撘阂材芡ㄟ^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(xiàn)很多Als損失，平均損失量為0.017%，無法呈現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)性特征[2]。

2.2 轉(zhuǎn)爐煉鋼中氧的產(chǎn)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(xué)雜質(zhì)能夠順利去除，而且該過程會應(yīng)用大量氧氣，借助于氧化反應(yīng)，使得氧氣和雜質(zhì)能夠通過結(jié)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(zhì)含量越高，消耗的氧氣量也就越大，導(dǎo)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(jìn)行處理，導(dǎo)致鋼液中氧含量過高，在鋼液凝固時，會與鐵發(fā)生氧化反應(yīng)，最終出現(xiàn)氧化亞鐵，讓鋼液處于不能使用的狀態(tài)。

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(chǎn)生反應(yīng)，生成氧化硫等物質(zhì)，這些物質(zhì)一旦出現(xiàn)，很難與鋼液分離，影響了鋼成品質(zhì)量，影響最終鋼產(chǎn)品的力學(xué)性能。鋼液冷凝時，鋼液中的氧氣還能與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(shù)量也就越多，促使沸騰現(xiàn)象更為明顯。鋼液脫氧時，隨著脫氧程度的不同，所產(chǎn)生的沸騰現(xiàn)象也存在差異，根據(jù)最終的沸騰程度，人們將鋼型劃分成鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼。倘若鋼液之中存在大量的一氧化碳?xì)馀荩撳V內(nèi)部會出現(xiàn)物質(zhì)疏松化情況，影響成品鋼的密度，強(qiáng)度也會大受影響。

3 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧工藝的優(yōu)化方法分析

總的來說，轉(zhuǎn)爐煉鋼屬于是氧化過程，當(dāng)整體程序即將結(jié)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(xiàn)脫氧合金化現(xiàn)象，將溶解氧轉(zhuǎn)變成其他氧化物。從現(xiàn)階段實(shí)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(kuò)充脫氧工藝以及沉淀脫氧，轉(zhuǎn)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(jié)合，產(chǎn)生穩(wěn)定氧化物，上浮于鋼水表面，進(jìn)而達(dá)到脫氧目的。

3.1 沉淀脫氧工藝優(yōu)化

在沉淀脫氧之中，脫氧劑所呈現(xiàn)出的脫氧效果顯得十分重要。相關(guān)試驗(yàn)研究表明，經(jīng)過對之前脫氧工藝的全面優(yōu)化，成功制作出以鈣系脫氧劑為主的沉淀脫氧技術(shù)，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?qū)⒚撗鮿┖脱醯慕Y(jié)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(jié)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(qiáng)，具體鈣和鋇的摩爾質(zhì)量比值為1:3.43，同該數(shù)值上也能夠看出，想要達(dá)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(tài)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(shù)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(yè)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(shí)現(xiàn)。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(yīng)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(kuò)散影響，局部很難達(dá)到飽和狀態(tài)，影響鈣的溶解性，最終導(dǎo)致大量鈣元素浪費(fèi)。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(yàn)研究中能夠看出，每煉1t 鋼材，需要加入的鈣系脫氧劑質(zhì)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(nèi)；其次，加入鐵合金實(shí)現(xiàn)合金脫氧，實(shí)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(jié)束，期間工作人員應(yīng)控制好終點(diǎn)鋼水以及爐渣氧化特性，出鋼時要保證少下渣，以此來強(qiáng)化合金收得率；最后，當(dāng)氬氣從鋼水底部吹入后，需要保證整體反應(yīng)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(tài)，鎮(zhèn)靜一段時間之后，便能執(zhí)行鋼材的連鑄操作。

3.2 脫氧方式的優(yōu)化

在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝執(zhí)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(qiáng)到弱的順序，分別在其中加入鋁合金、硅鐵以及錳鐵等，達(dá)到最終的鋼材脫氧目標(biāo)。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(huán)利用。為了強(qiáng)化脫氧劑的使用效果，企業(yè)可以選擇兩步脫氧方式，將更好的鋼材脫氧效果呈現(xiàn)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(shí)現(xiàn)合金化脫氧；最后，借助于氫站喂鋁線，做好脫氧度的調(diào)整工作。從相關(guān)實(shí)踐研究中能夠看出，兩步脫氧方式能夠?qū)⒑辖鸹厥章侍嵘档腿趸X的生成數(shù)量，讓水口堵塞率大大降低[4]。

3.3 脫氧工藝優(yōu)化前后效果對比

通過對整個脫氧工藝的優(yōu)化和處理，脫氧合金消耗量會大大降低，促使整個連鑄坯質(zhì)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。從表2 數(shù)據(jù)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(jìn)行考慮，整個脫氧合金成本也會下降，這也是提升煉鋼企業(yè)經(jīng)營效益的本質(zhì)所在。

表2 優(yōu)化前后各合金消耗對比

研究表明，使用原本的脫氧工藝執(zhí)行鋼產(chǎn)品轉(zhuǎn)爐煉鋼操作，實(shí)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(shí)際精煉過程中，相關(guān)工作人員需要根據(jù)鋼水的具體情況，對脫氧度進(jìn)行合理化調(diào)整，倘若脫氧不足，人們可以在整體操作執(zhí)行前在鋼液中加入鋁粒，以此來保證轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧效果不受任何影響。

4 結(jié)論

綜上所述，鋼水質(zhì)量與脫氧效果之間存在直接關(guān)系，在具體生產(chǎn)操作執(zhí)行上，可以選擇應(yīng)用的脫氧工藝手段有很多，為此，相關(guān)企業(yè)需要根據(jù)自身實(shí)際情況，選擇最佳的轉(zhuǎn)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(hù)整體操作不受任何影響。