高效潔凈常壓下碳脫氧技術研究與實踐

梅雪輝 ，吳春杰 ，張曉軍 ，李曙光 ，李德軍

（1.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021；2.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009）

在常規的鋼鐵生產方法中，脫氧主要依靠鋁系或硅系等與氧親和力比鐵大的合金及單質鋁來完成。這些元素與溶解在鋼液中的氧結合，生成不溶于鋼水的脫氧產物，由于其上浮而使鋼水中氧含量降低。碳是已知最便宜的脫氧劑，在世界上分布廣泛。在鋼鐵生產中，碳脫氧工藝主要應用于RH、VD等真空精煉設備。但采用真空方式進行碳脫氧的成本高，常用于超低碳鋼等高級別鋼種的生產。除了真空碳脫氧工藝，轉爐煉鋼碳脫氧技術的研究通常是在出鋼過程中加入碳粉等碳質材料進行脫氧。但是該技術有兩個矛盾難以解決，一是碳脫氧反應時間與出鋼時間之間的矛盾，人們希望碳脫氧反應時間盡量長一些，使反應充分，但其受出鋼時間短的限制，影響反應效果；二是控制溢渣與碳質脫氧材料加入量之間的矛盾，在出鋼過程中加入碳質脫氧材料會出現鋼渣上漲，容易出現溢渣，碳質脫氧材料加得越多越難控制溢渣，給鋼鐵生產帶來安全隱患。但多數碳脫氧的場景需要多加碳質脫氧材料才能滿足脫氧要求。本文論述的方法是在常壓下，采用轉爐沸騰出鋼，沸騰鋼水在LF先后加入渣料、碳素脫氧劑（指焦炭類增碳劑或石油焦類增碳劑），在LF升溫過程中利用電弧的高溫、碳素脫氧劑和渣料中的白灰造電石渣脫氧，提高鋼水潔凈度，并解決了轉爐出鋼碳脫氧技術的上述兩個矛盾，取得了較好的效果。

1 常壓下碳脫氧技術的可行性分析

1.1 電石渣脫氧的熱力學分析

鋼水進LF前，平均溫度按1 570℃（1 843 K）計算。在LF先后加入渣料、碳素脫氧劑并攪拌，之后降電極升溫。電弧區溫度高達3 000℃（3 273 K）以上。 雖然 3 000 ℃超出了測定標準生成吉布斯自由能的范圍，但仍假定鋼鐵冶金原理（第三版）附表2中化合物的標準生成吉布斯自由能公式在3 000℃是成立的。在這個假設的前提下，進行如下的推理計算。

（1）在升溫前和升溫過程中，C和O直接發生如下反應：

在鋼水中碳氧反應：

在渣中碳氧反應：

（2）在電弧區，C和CaO發生如下反應：

式中，ΔG為吉布斯自由能；R為氣體常數；T為鋼水開氏溫度；K為平衡常數。

所以由式（5）、（6）得出：

當T=3273K時，ΔG＜0，說明反應能夠進行下去。

式中，K為標準平衡常數；a、a、a分 別 為CaC、C和CaO的活度；P為CO的壓力。

T=3 273K時，K=10，說明反應進行的很完全。在LF電弧的高溫下，碳素脫氧劑和以CaO為主的渣料能夠反應生成電石渣。

（3）在升溫過程中，電石的脫氧反應如下：

1.2 電石渣脫氧的動力學分析

電石渣是一種強還原劑，可以對鋼渣和鋼水進行脫氧。因電極升溫及升溫過程吹氬，LF頂渣轉變為高度泡沫化的電石渣，鋼渣乳化作用極大地加快了鋼水罐內的脫氧反應速度。此外，LF升溫時間長達8～10 min，在此期間，電石渣持續生成并保證了充分的脫氧時間。在升溫結束后，頂渣的氧化鐵含量可以達到較低的水平。

2 常壓下碳脫氧技術的生產實踐

鞍鋼煉鋼生產工藝流程應用最多的是轉爐—LF—鑄機，具體為：轉爐出鋼使用脫氧合金脫氧，鋼水進入LF先加脫氧合金鎮靜鋼水，之后加渣料。攪拌化渣后升溫、攪拌脫硫、合金化、上機。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠分別在高、中、低碳鋼上進行了常壓下碳脫氧試驗，均取得了較好的效果。以典型的低碳鋁鎮靜鋼鋼種DX51D+Z和SWRCH22A為例，對試驗的結果進行介紹，鋼種成分見表1。

表1 鋼種成分（質量分數）Table 1 Compositions in Steel（Mass Fraction） %

2.1 轉爐出鋼工藝控制

2.1.1 轉爐終點碳的控制

對于鋼種DX51D+Z，轉爐終點碳含量目標控制在0.04%～0.06%。如鋼水碳含量低于0.04%，則鋼水氧化性較高，會增加鋁脫氧劑的消耗。對于鋼種SWRCH22A，轉爐的終點碳含量目標控制大于0.04%，盡可能留碳出鋼，以降低鋼水的氧化性。

2.1.2 轉爐出鋼的控制

轉爐出鋼采取沸騰出鋼，為了防止因出鋼碳氧反應劇烈而導致鋼水溫度損失過大，加入硅錳合金和少量鋁系脫氧劑，適當減弱碳氧反應，從而減少出鋼溫降。

2.2 LF精煉工藝控制

先加入渣料稀釋頂渣，再加碳素脫氧劑。升溫過程中利用電弧的高溫造電石渣脫氧，升溫后終脫氧。

2.2.1 溢渣控制及電石渣的生成

轉爐生產的沸騰鋼水進入LF后，因為C、CaC的脫氧反應會產生大量氣體，所以，加入碳素脫氧劑及升溫時均存在溢渣風險。控制溢渣的一個解決方法是稀釋渣中FeO的濃度，減弱上述反應，即先加入適量的渣料，對頂渣中的氧進行稀釋。

在常規LF生產中，先加入脫氧合金鎮靜鋼水，之后加入渣料，渣料不易熔化。但采用常壓下碳脫氧工藝時，沸騰鋼水中的FeO為很好的化渣劑。渣料一經加入，在吹氬攪拌的作用下快速熔化。為了使渣料熔化得更快并提高電石渣的流動性，白灰和化渣劑的重量配比為2.5:1至3:1。渣料熔化后，加入碳素脫氧劑。

降電極升溫，在電極產生的高溫下，碳素脫氧劑和渣料中的CaO反應生成CaC。脫氧反應生成的大量氣體、底吹氬氣與CaC和渣料的混合物共同形成高度泡沫化的電石渣。

2.2.2 電石渣埋弧加熱及升溫時間的確定

埋弧加熱是LF電極升溫的一個顯著特點，優點是熱輻射損失小、電弧加熱效率高，對鋼水罐渣線損害小，有利于提高電極升溫效率，降低LF電耗。

爐渣泡沫化是實現埋弧加熱的前提條件，LF泡沫渣的產生除了需要具備一定粘度和表面張力的爐渣，還需要穩定的氣源，使爐渣持續發泡。LF吹氬條件下的電石渣就具備上述條件和特點。電石渣保持時間長，可以在升溫全過程穩定存在，埋弧效果良好，其升溫效率遠高于采用精煉渣埋弧加熱。

統計生產數據，得到常壓下碳脫氧技術鋼水升溫時間與平均升溫速率的關系，見圖1。由圖1可知，電極升溫時間如短于8 min，電石渣升溫效率低。但生產中長于10 min又會導致局部溫度過高，對鋼水罐的渣線可能造成損害。為了保證脫氧效果、升溫效率和保護鋼水罐渣線，一般電極升溫時間控制在8～10 min。在此范圍內，時間越長，升溫效率越高。如鋼水進LF溫度過低，則需要分兩次升溫，將鋼水溫度升至1 590℃以上進行脫硫。

圖1 常壓下碳脫氧技術鋼水升溫時間與平均升溫速率的關系Fig.1 Relationship between Heating Time and Average Heating Rate of Molten Steel by Carbon Deoxidization Process at Atmospheric Pressure

2.2.3 碳素脫氧劑加入量的確定

利用碳脫氧技術生產低碳鋼，首先要對鋼水的漲碳進行控制。既要利用碳素脫氧劑對鋼水鋼渣進行脫氧，同時又要減少對鋼水的增碳。解決這個矛盾除了需要加入適量的碳素脫氧劑之外，還要利用氬氣泡邊界的碳氧反應原理，即在吹氬攪拌和升溫過程中，沸騰鋼水中的C和O在氬氣泡的邊界進行反應。氬氣泡對于CO氣體相當于真空，在此條件下，C、O可以反應生成CO。鋼水罐進站后升溫8～10 min，加上前期的攪拌化渣時間，鋼水中的碳氧反應時間可以長達10 min左右，從而減少鋼水漲碳。

對于鋼種DX51D+Z，碳素脫氧劑加入量根據進站定氧得到的鋼水中溶解氧的質量分數確定如下：

碳素脫氧劑加入量=鋼水量×（成品碳上限-鋼水中碳含量+鋼水中溶解氧的質量分數-0.02%）/碳素脫氧劑碳含量；其中，鋼水中溶解氧的質量分數范圍為 200×10～900×10。

對于鋼種SWRCH22A，不定氧，按鋼種上限加入碳素脫氧劑即可。

2.2.4 首批鋁加入量的確定

LF脫氧主要包括脫除鋼水中的氧和鋼渣中的氧。鋼水中的氧可以通過定氧測得，但鋼渣中的氧無法測得。LF工序的首批鋁加入量主要依靠操作者的經驗，采用試探法加鋁，加鋁量存在很大的不確定性，很難一次加準。多次加鋁會增加鋁耗及延長處理時間，對鋼水的質量不利，會導致鋼水中夾雜物含量升高。

常壓下碳脫氧技術采用造電石渣對鋼渣進行脫氧，脫氧后頂渣FeO含量接近恒定。首批鋁加入量主要由鋼水中的氧值決定，鋼種DX51D+Z升溫后首批鋁加入量主要根據進站定氧值加入；鋼種SWRCH22A升溫后因鋼水中碳含量能達到0.15%左右，故不需要定氧，首批鋁加入量為定值。如上述鋼水S含量較高（大于0.030%），可適當增加首批鋁加入量。該技術一次加鋁比率達到90%以上，杜絕了三次以上加鋁，能夠提高鋼水的潔凈度，有利于穩定LF處理時間進而穩定煉鋼工序生產節奏。

3 常壓下碳脫氧技術的效果

3.1 降低渣中氧化鐵的含量

以鋼種DX51D+Z為例，碳脫氧后渣中成分見表2。由表2可知，LF工序碳脫氧后（加鋁鎮靜之前），渣中FeO含量均值由29.71%降低到8.76%，MnO含量均值由4.31%降低到1.52%?？梢?，碳脫氧后LF頂渣氧化性明顯降低。

表2 碳脫氧后渣中成分（質量分數）Table 2 Compositions in Slag after Carbon Deoxidization （Mass Fraction） %

3.2 提高一次加鋁比率

常壓下碳脫氧工藝與常規工藝的LF加鋁比率對比見圖2。由圖2看出，該工藝的一次加鋁比率遠高于常規工藝。

圖2 常壓下碳脫氧工藝與常規工藝LF加鋁比率對比Fig.2 Comparison of Al Mixture Ratio Added into LF by Carbon Deoxidization Process at Atmospheric Pressure and Conventional Process

3.3 降低脫氧合金的消耗量

常壓下碳脫氧工藝生產低碳鋁鎮靜鋼比常規工藝降低鋁消耗量約27%～33%。不考慮鋼水質量提升帶來的效益，按2021年年初合金價格計算，僅降低合金成本創效可達10～20元/t鋼。

3.4 提高電極升溫速率

碳素脫氧劑和渣料在電弧的高溫下生成電石渣埋弧效果好。常壓下碳脫氧工藝與常規工藝的LF平均升溫速率對比見圖3。由圖3可知，該工藝比常規工藝的平均升溫速率高約44%。

圖3 兩種工藝LF平均升溫速率對比Fig.3 Comparison of Average Heating Rates of Molten Steel in LF by Two Processes

3.5 降低LF搬出Si含量

常壓下碳脫氧工藝與常規工藝的LF搬出Si含量對比見圖4。由圖4可知，采用該工藝LF搬出Si含量可以穩定控制在0.024%以下。最低達到0.011%，避免了常規工藝生產低硅鋁鎮靜鋼硅含量易超標的情況。

圖4 兩種工藝LF搬出Si含量對比Fig.4 Comparison of Content of Si in Molten Steel after Refining in LF by Two Processes

3.6 對LF處理時間的影響

統計常壓下碳脫氧工藝與常規工藝的LF平均處理時間分別為32.3 min和32.4 min，兩種工藝沒有明顯差異，不會影響煉鋼生產的節奏。

3.7 對LF脫硫的影響

統計常壓下碳脫氧工藝與常規工藝的LF搬出S含量均值，分別為0.007 8%和0.008 5%，該工藝的LF搬出鋼水S含量比常規工藝的略低。

3.8 對LF搬出碳的影響

統計常壓下碳脫氧工藝與常規工藝的LF搬出C含量均值，分別為0.057%和0.054%，該工藝LF搬出鋼水C含量與常規工藝接近，滿足鋼水對C含量的要求。

4 結論

（1）常壓下碳脫氧技術生產低碳鋁鎮靜鋼的頂渣氧化性明顯降低。LF一次加鋁比率可達到90%以上，杜絕了三次以上加鋁。能夠提高鋼水潔凈度并減少鋁系、硅系脫氧劑的消耗。不考慮鋼水質量提升帶來的效益，僅降低合金成本創效可達10～20元/t鋼。該技術也可用于大多數高、中、低碳鋼的生產。

（2）常壓下碳脫氧工藝LF升溫效率高，平均升溫速率比常規工藝高約44%。在LF處理時間上，該工藝與常規工藝沒有明顯差異，不會影響煉鋼生產的節奏。

（3）常壓下碳脫氧工藝能夠將低硅鋁鎮靜鋼鋼水的Si含量穩定控制在0.024%以下，避免了常規工藝生產低硅鋁鎮靜鋼Si含量易超標的情況，且對LF處理后鋼水的C和S含量沒有影響。