LF精煉渣發泡性能影響因素研究

李 萍，李四軍，劉俊寶，寧 偉，席浩棟，呂 明

(1.萊蕪鋼鐵集團銀山型鋼有限公司，山東 萊蕪 271104；2.西安建筑科技大學 冶金工程學院，陜西 西安 710055)

1 前 言

LF精煉能有效實現去除鋼中夾雜物和控制非金屬夾雜物形態，精確調整鋼液成分和溫度，提高鋼材穩定性，是煉鋼工藝的重要環節[1]。LF精煉過程爐渣泡沫化有利于埋弧加熱，提高精煉熱效率，減少電弧對包壁的高溫輻射，同時能防止鋼液二次氧化[2-5]。

精煉泡沫渣埋弧操作要求必須具備氣源和爐渣儲泡能力[6]。氧化性熔渣可利用渣層內碳氧反應提供大量CO氣體作為氣源，對于精煉還原性熔渣而言，難以產生大量氣體使爐渣本身實現泡沫化[7]。盡管底吹氬氣可為LF精煉過程提供一定量的氣體，有助于爐渣發泡，但由于氣泡直徑較大，在爐渣中停留時間較短，無法穩定提供足夠氣源，導致爐渣發泡效果較差且不穩定，嚴重影響LF精煉造泡沫渣操作和鋼液保護效果。爐渣發泡性能受爐渣物理性質、爐渣內固體顆粒、精煉溫度、氣體產生量、氣泡大小及密集程度等因素影響。目前，關于研究LF精煉不同精煉階段發泡性能的變化與影響因素的報道較少。

為此，本文基于某鋼廠LF精煉工藝過程，對不同階段精煉渣進行取樣檢測分析，并設計發泡性實驗，檢測不同階段精煉渣發泡性能，研究LF精煉過程不同底吹流量、不同精煉操作、熔化溫度和黏度對爐渣發泡性能的影響，為LF精煉造渣發泡工藝提供依據。

2 實驗方案

將稱取的30 g渣料裝于石墨坩堝中；打開井式爐(型號為DK-9-17)底吹氣體閥門，調整氬氣流量為0.8 L/min，將剛玉保護坩堝和裝料的石墨坩堝放入井式爐中；底吹氬氣5 min后，打開井式爐，升溫至1 530 ℃后，通氣剛玉管插入渣面到標記高度，保溫1 h后，使用細鋼棒測量熔渣高度，記為H1；打開頂吹氬氣流量閥，調節流量至0.4 L/min，吹氣10 min后，再次使用鋼棒測量熔渣高度，記為H2；調節流量至0.6 L/min，吹氣10 min后，再次使用鋼棒測量熔渣高度，記為H3。實驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 爐渣發泡性實驗裝置示意圖

根據爐渣成分、物性及精煉作用，將LF精煉過程分為LF精煉進站(LF1)、造白渣后(LF2)以及軟吹前(LF3)三個階段，并對各階段精煉渣分別取樣。爐渣組分如表 1所示。采用X射線衍射儀檢測爐渣物相組成。采用MTLQ-RD-1600型礦渣熔化溫度特性測定儀檢測爐渣熔化溫度，Factsage7.1軟件計算爐渣黏度。

表1 LF精煉爐渣成分及含量

3 精煉渣發泡性的影響因素

在同一實驗條件下，實驗條件對爐渣發泡影響具有一致性，因此，以發泡高度變化值與初始高度的比值作為衡量爐渣發泡性能的標準，其中發泡性能衡量指標如式(1)所示。

(1)

式中：H0為初始熔渣高度，m；Hi為發泡之后熔渣高度,m；i在本實驗中取1、2。

3.1 底吹流量

不同階段底吹流量對爐渣發泡指數影響如圖2所示，底吹流量越大，發泡指數越大。與造白渣時期爐渣相比較，LF進站和軟吹時期的爐渣發泡指數相對較低，而進站和軟吹時期爐渣發泡指數基本相同，但軟吹時期的爐渣發泡指數受底吹流量影響更大，可知爐渣的泡沫化性能和供氣量具有相關性。在實驗中發現，供氣量過大，精煉渣發泡不穩定，容易產生氣泡破裂和噴濺，反而不利于爐渣發泡穩定性。

在LF精煉操作過程中，底吹氬氣流量對精煉渣發泡起到重要作用，由圖2(a)可知，LF進站初期，相對于0.4 L/min的底吹流量，底吹流量為0.6 L/min的發泡指數較高，且不同爐次間爐渣發泡指數較為穩定，主要在于精煉通電過程中需要借助較大流量的強攪拌作用破殼。由圖2(b)可知，在造好白渣后，采用較大底吹流量能充分攪拌鋼液，有利于脫硫反應和調整鋼液成分，雖然發泡指數相對進站時期更高，但各爐次間的發泡穩定性較差，主要在于添加各種造渣輔料改變了爐渣發泡性能，導致此階段流量大小對不同爐次間爐渣發泡穩定性不確定。由圖2(c)可知，在喂線和軟吹時，底吹流量較大更有利于精煉渣發泡[8]，但不同爐次間爐渣發泡穩定較差，且此階段要求采取較小的底吹流量以去除鋼中夾雜物，同時防止底吹過大吹開渣面而導致鋼液裸露造成二次氧化。

圖2 氬氣流量與精煉渣發泡指數關系

因此，爐渣發泡穩定性取決于供氣量和爐渣性質的綜合表現。對于實際生產過程，不同時期采取適合此階段冶煉要求的流量更利于提高鋼液質量和夾雜物優化控制，如唐鋼[9]在生產中厚板時，120 t LF爐精煉過程中，送電加熱期間氬氣流量300～400 L/min(標準)，合金化期間400～500 L/min(標準)，增碳、脫硫期間800～900 L/min(標準)，軟吹期間60 L/min(標準)。

3.2 爐渣成分

在同一底吹流量下，不同階段精煉渣發泡指數如圖3所示。LF進站初期，不同爐次發泡指數整體相同，主要是此階段未經過調渣改性；在LF精煉造白渣過程中，添加螢石、石灰、硅鈣鋇和鋁渣等造渣劑調渣，改變爐渣堿度和FeO含量等，致使精煉渣物性發生變化。LF精煉爐渣發泡主要是利用底吹氣體攪拌為渣層內提供氣體作為氣源[10]，促進熔渣發泡。對于堿性還原渣，爐渣成分決定爐渣結構，對爐渣發泡性能具有重要影響。

圖3 LF精煉不同階段爐渣成分與發泡指數關系

精煉渣堿度降低，可降低爐渣表面張力，SiO2作為表面活性物質，硅酸根離子吸附于氣泡表面，增強吸附膜強度和彈性，提高發泡指數和穩定性，有利于爐渣發泡。當爐渣堿度較低時，MgO含量增高，爐渣黏度增大，可改善爐渣發泡性能，但MgO含量過高時，爐渣流動性變差，爐渣內的氣體不穩定而影響發泡性能。當爐渣堿度較高時，MgO含量較低，更有利于發泡。FeO含量增加，精煉渣系發泡性能逐漸降低，主要在于爐渣密度和表面張力增加，黏度降低；因而，FeO含量越低，越有利于精煉渣發泡。造渣過程添加螢石造渣，主要是CaF2中的F-使復合陰離子解體，可有效改變爐渣黏度和熔化溫度。在簡單陰離子中，O2-比F-有較大靜電勢，能改變爐渣結構中O2-離子結構，隨著CaF2含量增加，爐渣表面張力下降，有利于提高爐渣發泡指數，但過高的CaF2會嚴重侵蝕爐襯，降低使用壽命。

對于精煉造渣過程，A1、A5和A6三個爐次發泡指數相對較高，且不同爐次之間發泡相對較為穩定。因此，應控制爐渣成分為24%～27%SiO2、45%～50%CaO、13%～17%(MgO+Al2O3)、11%～14%CaF2、全鐵含量和堿度分別控制在1.0和2.0左右時，精煉渣發泡性能最好，這與趙和明等人[7]所得結論基本一致。

3.3 爐渣物相

綜合整個精煉過程，A5爐次精煉渣發泡指數最有利于精煉操作，對應精煉過程物相變化如圖 4所示，爐渣中主要物相以CaO、SiO2和兩者共同形成的Ca2SiO4為主，且爐渣主要物相成分變化不大，主要是爐渣中Ca2SiO4作為硅酸鹽復合物相比于其他硅酸鹽物相具有相對穩定的結構，且熔化溫度較低，在精煉溫度下更有利于形成。

圖4 精煉過程中爐渣物相與發泡指數關系

在LF精煉進站，添加的爐渣為根據鋼液冶煉要求確定成分的預熔渣，成分物相相對穩定；在造白渣過程中，添加的石灰和硅鈣鋇等造渣劑含量較小，主要用于調整爐渣氧化性，但爐渣物相變化不大；在軟吹前期，主要調整鋼液合金成分，對爐渣成分和物相影響較小。由于鋼液成分和精煉生產工藝要求，主要采用硅鈣鋇脫氧劑，添加鋁脫氧劑極少，較難生成鈣鋁相，而生成CaO、SiO2，其中又以Ca2SiO4為LF精煉過程主要物相，這與吳啟帆[11]等對LF精煉渣物相組成研究表明主要物相組成為鈣硅相和鈣鋁相基本一致。因此，LF精煉過程中，精煉渣物相變化相對較小，對爐渣發泡指數影響有限。

3.4 熔化溫度與黏度

精煉進站和造白渣過程爐渣黏度和熔化溫度分別受轉爐下渣量、合成渣、脫氧產物和造渣劑等因素影響較大。軟吹前，精煉渣黏度和熔化溫度受其他因素影響較小，精煉渣熔化溫度與黏度和發泡指數之間的關系如圖5所示，軟吹前爐渣黏度穩定在0.1～0.114 Pa·s，熔化溫度在1 420～1 480 ℃，隨著黏度和熔化溫度變化，爐渣發泡指數在0.3～0.85，變化波動較大。

圖5 黏度和熔化溫度與精煉渣發泡指數關系

在LF精煉過程中，精煉渣較低的熔化溫度有利于盡早化渣，盡早形成均勻分布、易與鋼液反應的液態渣，否則化渣效果不好，影響精煉渣的發泡性能。精煉渣黏度決定爐渣流動性好壞，其受溫度、堿度和成分(如MgO、Al2O3)等影響，堿性渣的黏度是影響發泡指數的主要因素。低黏度渣具有較好的流動性，增加化渣速率，但是黏度過低，造成氣泡在熔渣中的滯留時間過短，精煉渣發泡不穩定，產生的氣體分散在熔渣中難以形成穩定的氣孔狀結構，在實際生產過程中形成的泡沫渣不穩定[12]，容易造成噴濺和埋弧造渣效果不理想。若黏度過高，則精煉渣的流動性變差，氣泡難以將熔渣分散成氣孔狀結構，會導致產生的氣泡在熔渣的擠壓之下聚集在一起形成體積比較大的氣泡，熔渣中氣泡分布不均勻，熔渣發泡性降低。

因此，精煉期間爐渣黏度過高或者過低都會影響爐渣性能，較低熔化溫度有利于精煉過程化渣和造渣。在一定范圍內，黏度與精煉渣發泡指數呈正相關，黏度越高，發泡性能越好；熔化溫度與黏度呈負相關，熔化溫度越高，爐渣流動性越差，不利于爐渣發泡。

4 結 論

(1)底吹流量越大，爐渣發泡指數越高，但不利于爐渣穩定發泡。在實際精煉過程中，依據不同時期冶煉要求選擇合適底吹流量更有利于精煉渣發泡和保護鋼液，在進站初期，底吹氬氣流量約為600 L/min(標準)，造白渣過程約為115 L/min(標準)，軟吹前約為140 L/min(標準)較有利于提高和穩定實際精煉過程精煉渣發泡指數。

(2)LF進站初期，不同爐次精煉渣發泡指數變化很小，在造白渣后，爐渣氧化性改變較大，不同爐次精煉渣發泡指數變化較大，在軟吹前期，精煉操作影響較小，不同爐次精煉渣發泡指數變化較小。在精煉造渣過程中，應控制爐渣全鐵含量在1.0%以下，堿度為2.0左右，(MgO+Al2O3)含量為13%～17%和CaF2含量為11%～14%，以獲得較好的精煉渣發泡性能。

(3)在一定范圍內，黏度與精煉渣發泡指數呈正相關，黏度越高，發泡性能越好，否則過高過低的黏度均不利于精煉渣發泡。熔化溫度與黏度呈負相關，熔化溫度越高，爐渣流動性越差，不利于爐渣發泡。應穩定控制爐渣黏度在0.1～0.114 Pa·s，熔化溫度在1 420～1 480 ℃，以有利于精煉渣發泡及其穩定性。