翻渣工藝在含鋁鋼生產中的實踐應用

李永輝，張 虎，張琳琳

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島 266000）

某煉鋼廠配備有2 座KR 脫硫、1 座轉爐、3 座LF精煉爐、1 臺RH 真空精煉爐和2 臺連鑄機（一臺七機七流，另一臺十機十流），主要生產的產品有胎圈用鋼、焊絲用鋼及圓管坯用鋼，其中含鋁鋼在七機七流的連鑄機上澆注，可生產斷面主要有Φ200～Φ500 mm 圓坯和180 mm×240 mm 的方坯，其冶煉工藝均需經過LF爐處理，另外部分產品需進行RH 爐真空脫氣。

隨著市場的嚴峻性，在保證產品質量的前提下降低生產成本成為當前的重要任務之一。該煉鋼廠結合現場實際情況，在含鋁鋼生產中通過采用翻渣工藝重復使用煉鋼頂渣，減少輔料使用量，提高鋼水成材率降低了煉鋼工序成本，提高了產品的市場競爭力。

下面以中碳鋼合金結構鋼35CrMo（其化學成分見表1）為例來說明該煉鋼廠翻渣工藝的生產實踐情況。

表1 合金結構鋼35CrMo 中各化學元素的質量分數 %

1 含鋁鋼生產工藝

1.1 含鋁鋼生產工藝介紹

精煉造渣在冶煉中極其重要，其直接影響到鋼水冶煉質量、耐火材料消耗等。精煉渣的使用可以更好地完成精煉過程的脫硫、脫氧、去除夾雜等任務，從而提高鋼水質量保證鋼水的可澆注性，同時良好的精煉渣系可以有效地去除非金屬夾雜物保證鋼水的純凈度。

為了取得最佳的精煉效果，含鋁鋼要求精煉渣具備相應的物理化學性質，而渣的成分是其物理化學性質的決定因素，對于鋼包精煉爐而言，選擇精煉渣系的主要依據有以下幾點[1]：①良好的流動性即合適的熔點及黏度，以利于增大渣/鋼接觸面及渣/鋼反應；②合適的堿度和渣量以脫硫；③吸收非金屬夾雜物能力強；④化渣速度快，快速化渣有利于提高精煉效果，減少鋼水夾雜物量；⑤熱量傳遞及穩定電弧以便在加熱時可以埋弧工作，提高鋼水溫度；⑥對包襯耐火材料侵蝕輕微，保護精煉鋼包的爐襯；⑦有較好的絕熱性能，減少鋼水鋼水溫降。

目前，國內鋼廠生產含鋁鋼的渣系主要有CaOCaF2、CaO-Al2O3-CaF2、CaO-Al2O3和CaO-Al2O3-MgOSiO2等[2]，但大多數廠家通常使用CaO-Al2O3-MgOSiO2渣系作為精煉頂渣，其使用的造渣材料主要有冶金石灰、合成精煉渣、鋁礬土等。

1.1.1 CaO-CaF2渣系

具有很強的脫氧、脫硫能力，其硫容量在二元渣系中是最高的。在CaO-CaF2渣系中，CaF2的主要作用是改善渣的流動性，降低渣的熔點，增大脫硫產物的擴散速度，改善脫硫動力學條件。由于在這種渣系中CaF2含量相對較高，對爐襯侵蝕嚴重，同時，這種渣系黏度較小，不利于埋弧操作，導致電弧對包襯的輻射侵蝕，此外，CaF2還會與渣中其他組元反應，生成含氟氣體（SiF4）污染環境，因此逐步被渣系取代。

1.1.2 CaO-Al2O3-CaF2渣系

渣中的硫含量主要取決于CaO/Al2O3比值的大小，而CaF2含量對其影響很小。當CaO/Al2O3的比值增加，渣中硫含量顯著增加。由于原料中不可避免會帶入部分SiO2，因而CaO-Al2O3-CaF2渣系實際上為CaOAl2O3-CaF2-SiO2四元渣系，但是該渣系因采用了污染環境的螢石，因此也逐漸被替代。

1.1.3 CaO-Al2O3渣系

該渣系多用于低碳低硅鋁鎮靜鋼，維持較高的CaO/Al2O3，也能具有良好的脫硫能力，研究認為鈣鋁酸鹽與鈣硅酸鹽相比，對硫的吸收速度和硫化物的允許容量更大；對夾雜物吸收能力強于CaO－CaF2渣系，生成C12A7 低熔點夾雜易于上浮排除，實際生產中充分發揮好CaO－Al2O3渣系的脫硫和去夾雜能力關鍵在于控制渣中較低的SiO2，代表鋼種為ML08Al。

1.1.4 CaO-Al2O3-MgO-SiO2渣系

CaO-Al2O3-MgO-SiO2渣系是當前應用最為廣泛也最常見的精煉渣系。提高渣中CaO 的含量，可以顯著降低鋼中的硫含量，但當渣中CaO 含量過高時，增大了爐渣黏度，使流動性變差，不利于脫硫及夾雜物的吸附去除，同時也增加了DS 類夾雜物超標的風險。因此為了保證精煉過程頂渣的流動性及夾雜物受控，通常將渣系中CaO、Al2O3的含量控制在一定范圍，為了使精煉渣具有較好的脫硫效果和有利于對上浮Al2O3等脫氧產物的同化和吸收，常將精煉終渣成分選定在CaO-Al2O3-SiO2相圖的12CaO·7Al2O3生成區域，Al2O3含量為30%左右或CaO/Al2O3=1.8 左右時存在Ls 較高的區域[3]。

為了提高鋼水純凈度，縮短精煉化渣時間及精煉周期，該煉鋼廠含鋁鋼造渣，主要采用石灰與合成精煉渣，其主要成分要求見表2、表3。合金結構鋼35CrMo 冶煉主要工藝工序有鐵水預處理、頂底復吹轉爐、LF 精煉爐、RH 爐和連鑄等。經過預處理的鐵水通過轉爐吹煉后去除磷、碳、硅和錳等合金元素，然后再使用鋁鐵進行沉淀脫氧，最后，進行合金化，轉爐冶煉出來的粗鋼進入LF 精煉爐，加入石灰合成渣繼續精煉，脫氧劑使用碳化硅（其成分見表4），待鋼水成分、溫度合適后進行RH爐真空脫氣，RH 爐結束后進行鈣處理，然后軟吹進一步提高鋼水純凈度，最后，澆注成合格的圓坯。通常為了保證產品質量鋼包內會留存一定量的余鋼，常規工藝鋼水澆注結束后鋼包頂渣與余鋼一起翻入渣盆，鋼、渣冷卻后破碎再次利用。而該煉鋼廠通過技術可行性分析研究及科學組織生產，直接將含鋁鋼的鋼包頂渣及余鋼翻入下一爐鋼包內用于精煉同類鋼種的鋼水，以此減少生產過程中原輔料的使用，以及煉鋼廢物的產生、運輸、二次處理等問題，同時提高了鋼水的成材率。

表2 冶金石灰的主要成分要求

表3 合成渣的主要成分要求 %

表4 碳化硅的主要成分要求 %

1.2 精煉過程控制

1.2.1 精煉造渣控制

常規精煉工藝轉爐出鋼加入石灰500 kg/爐，精煉爐再加入精煉渣500 kg/爐，根據精煉過程的埋弧情況精煉可以補加石灰100～150 kg/爐，在送電期間使用碳化硅脫氧，一般使用量150～180 kg。鋼水成分、溫度、節奏及終渣滿足工藝設計后再進行脫氣處理。

翻渣精煉工藝則使用上一次爐次的鋼包頂渣，然后根據精煉過程埋弧效果、冶煉過程電流穩定性及鋼水升溫情況確定補加石灰100～150 kg/爐，而脫氧劑用量一般在140～165 kg/爐。滿足工序標準要求后進行脫氣處理，一般情況下，鋼包頂渣可以重復使用2～3 次。

目前澆次的前4 爐采用常規工藝，其他爐次則采用翻渣精煉工藝，2 個工藝的精煉終點渣系組分及碳化硅使用情況見表5。

表5 不同工藝精煉終渣組分及碳化硅使用量

含鋁鋼生產中要求白渣操作，而所謂的白渣通常是渣中的氧化物含量不大于1%[4]，也就是精煉終渣中的TFe+MnO 之和的含量不大于1%，根據表5 中數據分析，采用翻渣工藝后精煉渣組分變化不大，渣中氧化物含量均小于1%，另外翻渣工藝的脫氧劑使用量相對減少。

翻渣工藝的渣料的石灰加入量結合了LF 爐埋弧及碳化硅的使用情況，因此，整體渣系變化不大。翻渣工藝的鋼包頂渣的氧化性整體低于常規工藝合成渣中的TFe%含量，脫氧劑的使用量相對減少。

1.2.2 脫硫效果

統計分析2 個工藝條件下不同工序點鋼水中的硫情況見表6，根據表6 分析2 個工藝的脫硫率效果差異不大，翻渣工藝的精煉終點（硫）含量及脫硫率均略優于常規工藝。氧與硫是同一族元素，而且氧的氧化性高于硫，因此脫硫程度深時，脫氧效果相對較高。通過表6 可以發現在初始硫含量相差不大的前提下，翻渣精煉工藝的脫硫效果略優于常規工藝，因此，翻渣工藝的脫氧效果理論高于常規工藝。

表6 不同工藝狀態下各工序的平均硫及脫硫率

1.3 鋼水可澆注性

對于含鋁鋼生產而言，可澆注性是最重要的考量指標之一，同時也側面反映了鋼水的純凈度[5]。含鋁鋼可澆性變差一般是因水口位置不斷堆積鋁類、鋁酸鈣類夾雜物導致塞棒不停上漲最后造成水口堵塞，或者塞棒不停波動，引起結晶內鋼水液面波動造成結晶器內鋼水卷渣，導致鑄坯質量不能滿足產品要求。生產中通過鋼水澆注過程的塞棒曲線與液面波動曲線可以看出鋼水的可澆注性。

通過圖1 中35CrMo 的鋼水澆注曲線不難發現2個不同精煉工藝冶煉鋼水的塞棒與液面均平穩、無明顯波動，因此采用翻渣工藝后，鋼水的可澆性正常。

圖1 35CrMo 的澆注曲線

1.4 產品質量

成品中夾雜物的含量情況是表征產品純凈度的重要考量指標，其主要包括夾雜物的大小、類別及數量。目前夾雜物的檢測方法通常是采用GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》中的A 法，但該方式無法進行量化比較，存在一定的缺陷。本文通過使用美國FEI 公司生產的Aspex 夾雜物自動分析設備對澆注的成品質量進行掃描分析，研究不同工藝條件下鑄坯中5 μm 以上的夾雜物情況，其掃描位置是鑄坯1/2 半徑的縱截面，具體數據見表7、表8。

表7 不同工藝夾雜物的大小及數量 個

表8 不同工藝鋁類夾雜物的數量情況 個

通過表7 中的數據表明采用翻渣精煉工藝后，連鑄坯中5 μm 以上的夾雜物數量的平均值優于常規生產工藝。

通過表8 中的數據表明采用翻渣精煉工藝后，連鑄坯中5 μm 以上的鋁類夾雜物數量的平均值低于常規工藝，且無20 μm 以上的夾雜物，因此翻渣工藝的鋁類夾雜物控制水平優于常規工藝。

綜上翻渣工藝的產品質量優于常規精煉工藝。

2 效益分析

該廠含鋁鋼生產采用翻渣精煉工藝后，減少了冶金石灰、合成精煉渣、脫氧劑等原材輔料的使用，減少了渣盆的使用量及運輸等問題，同時提高了鋼水的成材率，通過測算實現噸鋼降低成本約28.43 元。

3 結論

1）含鋁鋼采用翻渣工藝后，精煉脫硫、脫氧效果略優于常規工藝，鋼水可澆性無明顯變化，通過Aspex 全自動電鏡掃描分析產品純凈度優于常規工藝，因此翻渣工藝可以進行推行。

2）含鋁鋼翻渣工藝提高了鋼水成材率，降低了生產成本，產品質量提高，提高了市場競爭力，可以進行推廣。