高鐵水比電爐提高鋼水純凈度的工藝實踐

王 婧，劉唆根，方 煒，宋水根，劉永剛， 李波毅

(新良特殊鋼有限責任公司,江西 新余 338013)

電弧爐煉鋼是當今世界主要煉鋼方法之一[1-2]。合理利用資源，實現高效、低耗、清潔生產是電弧爐煉鋼技術發展的要求。隨著冶金工藝、裝備的發展，電弧爐煉鋼技術也隨之飛速發展。相對于轉爐煉鋼，其以廢鋼為主要原料，具有流程短、能耗低、碳排少等特點[3-4]，是鋼鐵工業朝綠色制造發展的重要方向。現代電弧爐煉鋼，廣泛采用強化供氧技術進行冶煉。強化供氧冶煉技術在加快煉鋼節奏的同時，也帶來了冶煉終點困難等問題，終點鋼液過氧化問題普遍存在[5-6]。

本公司電爐短流程煉鋼采用高鐵水比不通電冶煉，在生產過程中，通過對顧客使用過程中的缺陷坯料進行成分、金相、掃描電鏡、能譜分析、大樣電解后發現，產生缺陷的主要原因是MnS、鋁酸鈣以及簇狀的Al2O3等夾雜物，使產品結構以及質量受限。針對此，采用復合吹煉強化熔池攪拌有效控制終點鋼液氧含量[7-8]；電爐出鋼過程連續噴粉脫氧[9]，減少鋼中大型夾雜物；利用精煉渣系優化，促進夾雜物上浮吸附；優化中間包渣系，改進保護澆注，抑制鋼液二次氧化，有效提高了鋼水純凈度。

1 電爐煉鋼終點氧控制

電爐爐型設計具有爐膛大、熔池淺的特點，同時受廢鋼熔化和爐門流渣的影響，熔池攪拌強度難以提高，冶金反應動力學條件差，造成鋼液成分、溫度不均勻，終點氧含量和渣中氧化鐵含量偏高，最終影響電爐冶煉指標和鋼材質量。因此，需通過強化電爐煉鋼熔池攪拌，加快電爐煉鋼熔池物質能量傳遞速度，減輕鋼液過氧化，降低煉鋼終點碳氧積，穩定電爐煉鋼終點鋼液氧含量。

1.1 爐料結構優化

爐料結構的合理與否關系到整個冶煉工藝、生產成本、產品質量等實際問題，不合理的配料往往會造成冶煉周期延長，精煉鋼水成分調整難度增加等問題，甚至產生廢品，影響正常生產。

根據不同鋼種、鐵水成分、溫度制定合理的爐料結構制度，如表1所示，有效降低冶煉波動，使終點成分及溫度更加可控。

表 1 電爐冶煉爐料結構制度

1.2 熔池內氧氣噴吹+爐壁供氧工藝

在開發電爐煉鋼多功能供氧技術基礎上，為進一步提高氧氣利用效率，改善電爐熔池冶金反應動力學條件，開發了 “熔池內氧氣噴吹+爐壁供氧”新工藝，將電爐噴吹方式從熔池上方移至鋼液面以下，實現了熔池內部氣體大流量噴吹，大大提高了電爐煉鋼熔池攪拌強度，為電爐冶煉終點穩定控制奠定了基礎。圖1為常規工藝和新工藝氧槍匹配示意圖，圖2為電爐熔池內噴槍耐材砌筑現場圖。

圖1 電爐熔池內噴吹與爐壁氧槍匹配優化示意圖

圖2 電爐熔池內噴槍安裝耐材砌筑現場圖

結合50t電爐煉鋼現場實際工況，對采用“熔池內氧氣噴吹+爐壁氧槍”方式的50 t電爐煉鋼過程的物料及能量平衡分析，根據各冶煉時段內電爐煉鋼熔池冶金反應特征和操作工藝需求，最終確定了生產過程的供氣和造渣制度，分別見表2和表3。

表2 供氣制度

表3 造渣制度

2 精煉過程氧含量控制

2.1 出鋼過程在線噴粉脫氧

電爐煉鋼普遍采用強化供氧操作，終點鋼液氧含量偏高，通常采用直接向鋼包內投入鋁、硅鐵等進行鋼液預脫氧，脫氧劑消耗量較高，預脫氧后鋼液成分不穩定，且產生大量大型夾雜物。

針對以上問題，進行了電爐出鋼過程在線連續噴粉脫氧改造，如圖3所示，利用脫氧劑-載氣混合射流直接沖擊出鋼鋼流，碳質微粒與高溫鋼液快速接觸，瞬態反應生成脫氧氣泡實現無鋁(硅)優先脫氧達(150～200)×10-6，鋼中初始沉淀脫氧產物減少40%～50%，鋼液大型夾雜物顯著減少，產品質量明顯提升。

圖3 電爐出鋼過程在線噴粉脫氧系統

2.2 精煉渣系優化

精煉渣的基本功能為：脫硫、脫氧、發泡埋弧、去除鋼中非金屬夾雜物，凈化鋼液、改變夾雜物形態、防止鋼液二次氧化和保溫。合理的精煉渣成分對于降低深脫氧脫硫時間、提高LF作業效率具有十分重要的意義。

為實現精煉渣的以上功能，要求精煉渣具有適當高的堿度和還原性，以實現脫氧、脫硫的目的；要求渣鋼之間有較大的界面張力，渣與夾雜物之間的界面張力要小，以具有較高的吸附夾雜物能力，特別是吸收Al2O3的能力；低的熔點和良好的發泡性能，以實現快速成渣埋弧加熱、減少熱損失、保護爐襯的目的。

對精煉渣系各成分及精煉過程進行觀察和分析，發現渣中Al2O3偏低，各成分偏差較大，且發泡能力較差。結合公司精煉爐現狀，通過增加爐渣堿度(CaO/SiO2)和渣中Al2O3含量，提高爐渣還原性，如表4所示，爐渣發泡能力明顯改善，渣-鋼間物質傳遞速度加快，夾雜物吸附能力明顯提高。

2.3 軟吹氬

鋼包吹Ar除了可以均勻成分、溫度外，還有利氣體的排除和非金屬夾雜物上浮。澆注前采用鈣處理后保持適當的軟吹氬時間，對脫氧良好的電爐鋼液(渣中w(FeO)<0.5%)，可獲得硫、氧、非金屬夾雜物都很低的鋼液，如圖4所示。通過工藝制度的嚴格執行和考核，軟吹氬>8min合格率達到95%以上。

表4 改進前后精煉爐終渣成分對比 %

圖4 軟吹時間對鋼中w([O])的影響

3 減少連鑄過程二次氧化

3.1 中間包覆蓋劑改良

中間包液面加碳化稻殼覆蓋能夠絕熱保溫，防止鋼液二次氧化。減少鋼液吸入氧、氮氣體等，但不能吸附上浮夾雜物，而且鋼水容易增碳；如果單純使用覆蓋劑，保溫效果又不能滿足要求。采用中間包液面加一層低碳覆蓋劑(見表5)，形成液渣層，具有吸附上浮夾雜物的作用；在液渣層上面再加一層碳化稻殼，實現雙層覆蓋，利于鋼液夾雜物的吸附和中間包鋼水的保溫。

表5 中間包雙層覆蓋劑成分 %

3.2 連鑄長水口保護澆注

對大包長水口保護澆注采用不同的密封墊形式、氬氣流量、套管形式對比(見表6)，認為長水口保護澆注頂壓力不足是密封效果不良的主要原因。

表6 保護澆注試驗結果(各100爐) ×10-6

對此，采取了氣缸增加配重的方式：

(1)在套管手柄直管段焊接安裝板，安裝板下方地面預制混凝土基礎，同時澆注好預埋鐵，用于固定氣缸底座，氣缸與安裝板連接。

(2)排一路氮氣管道至三位五通電磁換向閥，利用電磁閥控制氣缸上下，向下拉緊時，拉力通過管臂傳遞到大包套管，使套管與鋼包下水口壓緊、密封。

同時對連鑄大包套管進行改造(見圖5)，保護澆注效果改善顯著。以連鑄鋁損≤0.005%為合格計算合格率，合格率由去年的30%提高到65%。

圖5 大包套管改進

4 實施后取得的效果

4.1 鋼中氧含量降低

采取上述一系列措施后，鋼水中的氧含量顯著降低，平均氧含量由25.45×10-6下降至14.87×10-6，如圖6所示。

圖6 改進前后鋼中氧含量對比

4.2 鋼中夾雜物含量降低

技術應用后，鑄坯中夾雜物含量顯著降低，由19.43 mg/10 kg下降至5.12 mg/10 kg，同比下降74.6%；同時，>300 μm和<80 μm夾雜物得到了穩定控制，無明顯可見夾雜。大型氧化物夾雜重量及分布情況分別如表7和圖7所示。

表7 改進前后大樣電解夾雜物對比

圖7 改進前后大型夾雜物分布情況(放大20倍)

4.3 品種結構改善

連鑄坯品種結構也由此發生較大變化，主要集中在某重點用戶，銷量由4.8萬t提高到5.9萬t，占公司圓坯產量的26.66%，合金鋼比由32.35%提高到70.12%，見圖8。

圖8 某重點用戶各鋼種比例對比

5 結 論

(1)通過優化爐料結構，采用“爐壁供氧+熔池內供氧”方式，形成了電弧爐高鐵水比條件下煉鋼多介質復合噴吹終點氧控制技術，有效改善鋼液質量。

(2)研發了電弧爐出鋼過程在線噴粉脫氧技術，精準控制出鋼后鋼液氧含量、降低脫氧劑消耗、減少夾雜物產生，穩定精煉環節工藝節奏。

(3)通過精煉渣系優化、控制軟吹氬時間、中間包覆蓋劑結構優化等手段，有效提升夾雜物去除效率，抑制鋼液二次氧化，提升產品質量。