鋼包爐精煉過程夾雜物有效控制策略研究

萬來寶

（新疆八一鋼鐵有限公司，新疆 烏魯木齊 890022）

金屬材料在現(xiàn)代社會中扮演著不可或缺的角色，其廣泛應(yīng)用于建筑、交通、能源等各個領(lǐng)域，而夾雜物對金屬材料的性能和質(zhì)量具有重要影響。在該背景下，如何降低金屬材料中夾雜物的含量，優(yōu)化精煉工藝，成為提高金屬制品質(zhì)量和附加值的關(guān)鍵一環(huán)，也是金屬冶煉產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的迫切任務(wù)。盡管金屬冶煉領(lǐng)域取得了一定的技術(shù)進(jìn)步，但夾雜物仍然是制約金屬材料質(zhì)量提升的重要瓶頸之一。特別是在高強(qiáng)度、高韌性等特殊要求的應(yīng)用領(lǐng)域，夾雜物問題愈發(fā)凸顯，嚴(yán)重制約了金屬材料的進(jìn)一步應(yīng)用和推廣。

本文通過深入分析夾雜物的類型、形成機(jī)理以及對精煉過程的影響，旨在尋找切實(shí)可行的技術(shù)策略，有效降低夾雜物含量，提升金屬材料的質(zhì)量和性能。

1 夾雜物的類型和形成機(jī)理分析

在冶煉或連鑄過程中，夾雜物是一類與鋼機(jī)體無任何聯(lián)系、呈獨(dú)立存在的氧化物、硫化物、氮化物等非金屬相。這些夾雜物經(jīng)過加工或熱處理后仍無法消除。它們來自多個渠道，如原料中的雜質(zhì)、礦石中的脈石、耐火材料帶入的夾雜物，還包括鋼液在冶煉過程中的反應(yīng)產(chǎn)物等。夾雜物在材料工程中具有重要影響，不同類型的夾雜物有不同的形成機(jī)制，因此在優(yōu)化精煉過程時，須綜合考慮不同因素，以實(shí)現(xiàn)夾雜物的有效控制。

1.1 氣體夾雜物

氣體夾雜物是由氣體在材料中析出或吸收而形成的微小氣體包囊，在精煉爐造渣過程中，夾雜物的形成與原材料中氣體的溶解度以及爐內(nèi)氣氛的變化密切相關(guān)。在金屬冶煉過程中，原材料中的氣體溶解度會受到溫度和壓力的影響而變化，當(dāng)溫度升高或壓力降低時，原材料中的氣體會逐漸析出，形成微小氣泡。這些氣泡會在金屬凝固過程中被包裹在金屬晶界或內(nèi)部，形成氣體夾雜物。相反，如果溫度下降或壓力升高，之前析出的氣泡會重新被溶解，從而減少夾雜物含量。

1.2 氧化夾雜物

精煉爐內(nèi)的高溫條件導(dǎo)致原材料中存在的金屬氧化物顆粒進(jìn)一步析出，附著在金屬表面或嵌入晶界中，從而形成氧化夾雜物。在精煉過程優(yōu)化中，通過調(diào)整爐內(nèi)溫度，可以減緩或抑制金屬氧化物的生成速率，從而降低氧化夾雜物的含量。此外，減少金屬與氧氣的接觸也是降低氧化夾雜物的重要手段，精煉爐的氣氛控制和氧氣含量調(diào)節(jié)，可以有效減少氧氣對金屬表面的影響，從而降低氧化夾雜物的生成。通過合理設(shè)計精煉爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)氣氛控制，可以最大程度地減少金屬氧化物的形成，進(jìn)而提高金屬材料的純凈度和性能。

1.3 硫化夾雜物

在金屬冶煉中，硫是一種常見的雜質(zhì)元素，其存在容易導(dǎo)致硫化夾雜物的形成。為了降低夾雜物含量，控制原材料中硫的含量是首要任務(wù)之一，通過篩選低硫原料，可以有效減少硫化夾雜物的源頭。此外，精煉爐過程中的溫度和反應(yīng)條件也會影響硫的析出和合金化反應(yīng)。因此，在精煉爐的操作中，適當(dāng)調(diào)整溫度和反應(yīng)條件，有助于控制硫的含量和分布，從而減少硫化夾雜物的生成。此外，還可以考慮加入硫化物抑制劑等措施來控制硫化夾雜物的生成，硫化物抑制劑可以與硫化物發(fā)生競爭性反應(yīng)，阻止硫的析出，從而減少硫化夾雜物的形成。

2 夾雜物對精煉過程和產(chǎn)品質(zhì)量的影響

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，金屬材料的質(zhì)量和性能直接關(guān)系到產(chǎn)品的可靠性和耐用性，然而，夾雜物的存在往往會降低金屬材料的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性和耐蝕性，從而影響產(chǎn)品的綜合品質(zhì)與市場競爭力。

2.1 內(nèi)部缺陷引發(fā)的性能下降與失效風(fēng)險

夾雜物在金屬結(jié)構(gòu)中是應(yīng)力集中點(diǎn)和微小裂紋的引發(fā)因素，容易導(dǎo)致材料斷裂，從而削弱金屬的機(jī)械性能，包括強(qiáng)度、韌性和塑性。由于夾雜物通常存在于材料的內(nèi)部，它們成為內(nèi)部缺陷，在受到外部力作用時引發(fā)微小裂紋，隨著應(yīng)力的積累，這些裂紋會擴(kuò)展并導(dǎo)致材料失效。

2.2 結(jié)構(gòu)不均勻性增加的加工難度與能源消耗

夾雜物含量過高會導(dǎo)致金屬材料的結(jié)構(gòu)變得不均勻，這導(dǎo)致切削工具的過度磨損和斷裂，進(jìn)而顯著增加了加工的難度和成本。如在冷軋過程中，夾雜物導(dǎo)致金屬板材的不均勻壓下，引發(fā)表面皺紋或不均勻的變形，不僅降低了產(chǎn)品的表面質(zhì)量，還增加了加工難度，需要額外的工藝進(jìn)行修復(fù)和調(diào)整。

另外，夾雜物的存在會吸收精煉爐內(nèi)的熱量，直接導(dǎo)致爐內(nèi)溫度下降，進(jìn)而對整個精煉過程產(chǎn)生諸多影響，這種現(xiàn)象影響了爐內(nèi)的爐料熔化速度和反應(yīng)速率，導(dǎo)致煉爐時間延長，從而對生產(chǎn)效率產(chǎn)生不利影響。

2.3 影響金屬液流動性減弱精煉效果

夾雜物的存在會導(dǎo)致金屬液的流動變得不暢，因?yàn)樗鼈冊诮饘僖褐行纬晌⑿F(tuán)聚體或氣泡，這阻礙了渣液和金屬液的有效分離、混合，以及連鑄坯的凝固過程，流動性不佳導(dǎo)致渣液在爐內(nèi)無法均勻分布，從而影響了爐內(nèi)各種反應(yīng)的進(jìn)行。其次，金屬液中的夾雜物團(tuán)聚體或氣泡導(dǎo)致金屬液的混合不均勻，影響了金屬的組織均勻性和成分一致性，最終導(dǎo)致冶煉出的金屬材料的純凈度下降，精煉效果降低，甚至影響材料的性能和用途。

2.4 影響生產(chǎn)連續(xù)性

夾雜物過高會與爐料中的其他元素發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)，導(dǎo)致爐渣成分發(fā)生變化，產(chǎn)生不穩(wěn)定的渣體。夾雜物中的化學(xué)元素與爐料中的元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的化合物或改變原有的爐渣成分，這些變化會影響爐渣的粘度、流動性和脫除效率。變化的爐渣成分導(dǎo)致精煉爐內(nèi)的爐渣不穩(wěn)定，難以控制和調(diào)整。

3 鋼包爐精煉夾雜物控制策略

隨著現(xiàn)代工業(yè)不斷發(fā)展，鋼鐵等金屬冶煉行業(yè)對高效、環(huán)保的生產(chǎn)方式的需求不斷增長，夾雜物的生成與多個因素密切相關(guān)，各因素間相互作用，共同影響夾雜物的含量和性質(zhì)。為此，需要綜合考慮原材料成分、溫度控制、爐渣配方以及操作參數(shù)等多個因素，提高煉鋼效率，以期減少廢渣產(chǎn)生，降低能耗，從而推動鋼鐵工業(yè)向更加智能、綠色和可持續(xù)發(fā)展的方向邁進(jìn)。

3.1 優(yōu)化精煉工藝操作參數(shù)

鋼中夾雜物的產(chǎn)生與氧、氮、硫等元素含量相關(guān)，在鑄造過程中，隨著鋼的溫度逐漸降低，氧、氮、硫等元素逐漸析出[1]。因此，在熔煉溫度控制方面，關(guān)鍵是找到一個適當(dāng)?shù)臏囟确秶员苊鈯A雜物的不良影響。對于一些金屬，過高的溫度可能會導(dǎo)致夾雜物氧化、融合或揮發(fā)，而過低的溫度則可能使夾雜物不容易分離。通過實(shí)時溫度監(jiān)測系統(tǒng)，可以確保在合適的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熔煉適當(dāng)延長熔煉時間，有助于夾雜物的分離和集聚，從而減少夾雜物的含量。相關(guān)研究表明，精煉時間對合金液中氧含量變化及非金屬夾雜物數(shù)量、尺寸、類型特征能夠產(chǎn)生影響，當(dāng)精煉時間達(dá)到90min 時，合金中非金屬夾雜物的數(shù)量和尺寸降至最低[2]。精煉處理時間保持在30min 以上，鋼水夾雜物含量達(dá)到較好的水平；精煉處理時間32min 到60min 時，精煉結(jié)束夾雜物水平基本一致。此外，冶煉氣氛控制方面，通過控制氧氣、氮?dú)獾葰夥盏墓┙o，可以影響夾雜物的化學(xué)性質(zhì)和分離行為。

3.2 改進(jìn)爐渣處理工藝

在煉鋼過程中，石灰的加入量至關(guān)重要，必須與鋼水成分、爐渣堿度、鋼種磷、硫要求相匹配[3]。同時，作為助熔劑，諸如礦石、螢石等的溶劑的投入量需要根據(jù)爐內(nèi)溫度和爐渣狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以確保最佳效果。合理控制石灰的加入量能夠優(yōu)化鋼渣反應(yīng)，促使夾雜物去除和磷、硫分離[4]，從而確保生產(chǎn)高質(zhì)量的鋼材。為進(jìn)一步提升產(chǎn)品品質(zhì)，通過優(yōu)化精煉爐渣料配比，制備流動性良好的白渣，可在冶煉過程中有效地降低鋼中的非金屬夾雜物等級，顯著增強(qiáng)最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。該過程中，渣料不僅能夠與熔融金屬發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，吸附和夾持夾雜物，還能夠調(diào)控金屬液的溫度、成分和氧化還原環(huán)境，為金屬的脫氧、脫硫和脫氮等關(guān)鍵工藝提供有力支持。在渣料設(shè)計方面，首先可以通過選用適宜的渣料成分，來調(diào)整渣液的黏度、密度和表面張力等物理特性，從而影響夾雜物在渣液中的分布與運(yùn)動；其次，在化學(xué)成分方面的優(yōu)化，可以引入一定量的還原劑或氧化劑，以調(diào)控渣液的氧化還原環(huán)境，從而促進(jìn)夾雜物的還原過程，促使氣泡的形成與分離。

在實(shí)際操作工況中，針對不同類型的鋼材和生產(chǎn)工藝，可以采取不同的渣料配比方案。如在不銹鋼冶煉中，可采用高堿度的爐渣，與硫化物反應(yīng)生成易吸附的硫酸鈉等化合物，實(shí)現(xiàn)硫的脫除。而在低合金鋼冶煉中，則可根據(jù)夾雜物的特性，選擇適當(dāng)?shù)难趸瘎┖瓦€原劑，通過渣液的氧化還原反應(yīng)，有針對性地促進(jìn)夾雜物的去除和分離。研究表明，在LF 精煉爐渣中，將MgO 含量控制在適宜范圍，如6%～10%，能夠有效降低熔渣黏度，從而提高爐渣的流動性，為夾雜物控制創(chuàng)造更為有利的條件[5]。

3.3 優(yōu)化精煉工藝過程

優(yōu)化攪拌、渣洗、真空去氣、喂線等工藝過程，可以促進(jìn)夾雜物與渣液的交互作用，能夠改變金屬液的物理狀態(tài)、化學(xué)環(huán)境和流動性，使夾雜物更容易被捕捉、吸附和分離，增加夾雜物進(jìn)入渣液的機(jī)會，從而提高去夾雜的效率，可根據(jù)鋼種的需要，進(jìn)行工藝方法選擇和組合[6]。攪拌能夠通過機(jī)械或氣體攪拌裝置，有效地改變金屬液的流動性和溫度分布，從而促進(jìn)夾雜物與渣液的交互，使得夾雜物在金屬液中更容易被捕捉和吸附，進(jìn)而被帶入渣液中。此外，還能改變渣液的氧化還原環(huán)境，通過還原反應(yīng)促使夾雜物還原成更易于被渣液吸附的形態(tài)，進(jìn)一步提高去夾雜效率。

同時，也可通過引入合成渣料來加速夾雜物的分離和脫除，即洗渣工藝，合成渣料具有更強(qiáng)的吸附能力和流動性，能夠更有效地與夾雜物發(fā)生作用。當(dāng)合成渣料與金屬液接觸時，夾雜物會被吸附到渣液中，隨著渣液的流動被帶出金屬液，這種方法能夠快速降低夾雜物含量。真空去氣，不僅可以減少夾雜物的生成，還可以促使已存在的夾雜物浮到金屬液表面被移除。最后，通過喂線工藝降低夾雜物，向金屬液中添加特定的合金材料、氣體或化合物，能夠在金屬液中引入化學(xué)反應(yīng)，從而促進(jìn)夾雜物的聚集和排除，該方法能夠改變金屬液的物理狀態(tài)。如引入氣體可以形成氣泡，將夾雜物聚集在氣泡表面，然后隨氣泡上浮至金屬液表面，從而實(shí)現(xiàn)夾雜物的分離。

3.4 引用先進(jìn)的技術(shù)和控制系統(tǒng)

引入先進(jìn)的在線檢測技術(shù)、傳感技術(shù)和自動化控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的夾雜物控制，從而優(yōu)化精煉爐造渣工藝，降低夾雜物含量，提高金屬制品的質(zhì)量[7]。在精煉爐造渣工藝中，通過光譜分析技術(shù)可以實(shí)時監(jiān)測夾雜物的種類和含量，不同種類的夾雜物在光譜上會呈現(xiàn)出獨(dú)特的特征峰，通過分析這些特征峰的強(qiáng)度和位置，可以準(zhǔn)確地確定夾雜物的存在和含量。基于光譜分析的檢測結(jié)果，操作人員可以及時調(diào)整工藝參數(shù)，如攪拌強(qiáng)度、溫度、喂線速度等，以實(shí)現(xiàn)更精確的夾雜物控制。此外，傳感技術(shù)可以將渣液的溫度、流動性、氧化還原環(huán)境等參數(shù)準(zhǔn)確地傳遞給自動化控制系統(tǒng)，自動化控制系統(tǒng)可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更精確的夾雜物控制。

3.5 鋼水在線直接測量夾雜物

該系統(tǒng)一般用在鋼包和中間包內(nèi)的在線測定鋼中的液態(tài)和固態(tài)夾雜物，其原理是：鋼水流人一空腔時，流入口間加上恒定的電流，由于鋼中含有夾雜物使得流入口間的電阻增加，可測得流入口間的電壓升高，出現(xiàn)一峰值，該峰值高低與夾雜物的大小相關(guān)，峰值數(shù)量與夾雜物的數(shù)量相關(guān)，這樣就能獲得鋼中夾雜物的分布。測定夾雜物的大小為40～300 微米，并分析各自的比例。該系統(tǒng)的使用，可用來作為質(zhì)量控制手段過程控制的工具，減少鋼中的夾雜物，減少中間包水口堵塞的機(jī)率。

4 結(jié)論

為提高產(chǎn)品質(zhì)量，本文深入分析了夾雜物的類型和形成機(jī)理，探究了夾雜物對精煉過程和產(chǎn)品質(zhì)量的影響。并基于上述分析，從工藝操作參數(shù)優(yōu)化、爐渣處理工藝改進(jìn)、精煉過程工藝優(yōu)化和先進(jìn)技術(shù)與系統(tǒng)的引進(jìn)等四個方面，提出了鋼包爐精煉夾雜物控制策略，為有效降低夾雜物含量，提升金屬材料的質(zhì)量和性能提供了參考。