煉鋼生產(chǎn)中轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧工藝分析

亢旭晨，劉小冬，馬桂芬

（天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

由于世界各地的鋼廠之間競(jìng)爭(zhēng)激烈，各鋼鐵企業(yè)不斷地、逐步地增加資本支出和質(zhì)量管理。利用最新的技術(shù)和工藝改進(jìn)產(chǎn)品，降低投資成本，這也是鋼鐵企業(yè)在提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力階段的一個(gè)重要目標(biāo)。在目前的鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，在轉(zhuǎn)爐煉鐵中不可避免地會(huì)產(chǎn)生氧氣，因此有必要了解氧氣在鋼鐵冶金中的有害作用，實(shí)施合理的脫氧方案，引進(jìn)合理的脫氧技術(shù)，提高有效脫氧效果［1-6］。

1 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧工藝?yán)碚摲治?/h2>

轉(zhuǎn)爐煉鋼的主要設(shè)備是旋轉(zhuǎn)爐，旋轉(zhuǎn)爐呈球狀，由爐壁上的可燃?xì)怏w混合物組成，爐體可在任何方向上旋轉(zhuǎn)360°，生鐵生產(chǎn)的主要原料是廢鋼，轉(zhuǎn)爐煉鐵在整個(gè)冶煉階段是一個(gè)抗氧化反應(yīng)，其中主要能量被引導(dǎo)到脫碳、磷化、脫硫和脫氧，以去除有害空氣、雜質(zhì)等。并提高溫度，改變成分。在鐵水溫度和成分的冶煉期間，采用熱平衡法，加入白灰、軟燒式等冶煉系統(tǒng)，達(dá)到鋼鐵冶煉最理想的溫度和成分條件，使冶煉結(jié)果有效，正確的pH值和氧化鎂C、P、S等都合理地產(chǎn)生，予以消除。在鋼鐵冶煉階段應(yīng)采用脫氧合金技術(shù)，以滿足鋼鐵生產(chǎn)的要求，因?yàn)榇禑掚A段不符合鋼鐵質(zhì)量的要求，鐵水、廢鋼等在空氣頂吹和高爐上方產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)氧化反應(yīng)，最后鐵水中充滿氧氣，無(wú)法滿足鋼鐵工業(yè)和鋼鐵產(chǎn)品的要求。

2 煉鋼生產(chǎn)中氧的產(chǎn)生及其危害

冶煉鋼水中的氧氣通常是由溶解的非金屬氧形成的，主要是在各種金屬原料的加熱過(guò)程中以及在生產(chǎn)過(guò)程中吹氧煉鐵形成。無(wú)論哪種鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)，從鋼鐵中去除碳、磷、硅和錳等重金屬元素都需要空氣氧化反應(yīng)，空氣和雜質(zhì)結(jié)合形成氧化合物，雜質(zhì)被完全溶解。然而，鋼水中缺乏氧氣的問(wèn)題不能被忽視。當(dāng)鋼水的成分被氧化，雜質(zhì)的濃度降低時(shí)，鋼水中的高氧濃度開(kāi)始增加。然而，在鋼水尚未脫氧時(shí)，鋼水中的高氧濃度氧化物和冷卻過(guò)程中鋼水發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致奧氏體晶界處的大部分FeO分解，半成品的連鑄鋼坯不能形成足夠的凝固結(jié)構(gòu)。這種情況會(huì)損害鋼鐵的質(zhì)量，削弱鋼的成型性，造成熱脆性和鋼的進(jìn)一步氧化。同時(shí)，鋼水中的氧含量會(huì)促進(jìn)硫的降解，并與其他化合物反應(yīng)，形成氧化物雜質(zhì)，滲透到鋼中，降低其熱力學(xué)性能。當(dāng)鋼液硬化時(shí)，鋼中的溶解氧和碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成CO氣泡，這些氣泡分解后會(huì)導(dǎo)致鐵流的沸騰。鐵流中的氧氣濃度越高，產(chǎn)生的CO就越多，鐵流沸騰的時(shí)間就越長(zhǎng)。根據(jù)沸點(diǎn)和脫氧技術(shù)的能力，鋼水可分為沉淀、半沉淀和沸騰鋼。這些鋼水產(chǎn)生大量的CO氣泡，導(dǎo)致鋼錠中氣體含量高，鋼錠結(jié)構(gòu)松散，鋼的熱容量和硬度下降。因此，需要充分的除氧，以控制鑄鐵流的氧飽和度，防止鋼水中的氧轉(zhuǎn)移，避免鐵流的沸騰。為了提高鋼的質(zhì)量，鋼坯或鋼錠的設(shè)計(jì)和配置應(yīng)滿足上述要求。

3 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧技術(shù)的現(xiàn)狀

在冶煉方面，硅是主要的氧化劑，正是由于硅的生產(chǎn)導(dǎo)致了低碳鋼的發(fā)展。然而，硅的氧化能力很低，所以氧化往往是不完全的，導(dǎo)致金屬內(nèi)部出現(xiàn)大量的金屬氣泡。使用氧化硅也會(huì)導(dǎo)致大量的硅鹽酸進(jìn)入鋼中，這對(duì)原鋼的利用率有很大影響。然而，氧化過(guò)程中產(chǎn)生二氧化碳的化學(xué)成分通常是偏向于酸性，導(dǎo)致大量的硫和硫化物從鋼溶液中被去除。到了20 世紀(jì)30 年代，鋁鍍鋅工藝技術(shù)已經(jīng)變得更加先進(jìn)，生產(chǎn)氧化鋁陶瓷的經(jīng)濟(jì)成本也相對(duì)較低。因此，鋁脫氧技術(shù)很快就出現(xiàn)了，這在一定程度上促進(jìn)了國(guó)內(nèi)冶金和鋼鐵生產(chǎn)中脫氧技術(shù)的創(chuàng)新。鋁脫氧劑是由鋁脫氧材料組成的，氧化鋁陶瓷具有很高的脫氧能力，可以很大程度上消除煉鋼水中的金屬氧化。與鋁脫氧相比，脫氧化鋁的氧化不僅能顯著提高氧化效果，還能有效降低鋼中的SiO2濃度。此外，由于氧化鋁是中性的，它不會(huì)影響鋼渣的pH 值，也不會(huì)導(dǎo)致磷或硫回流到水中反向流動(dòng)。因此，氧化鋁仍被用作中國(guó)和國(guó)內(nèi)鋼廠的主要脫氧材料。然而，氧化鋁的總含量太高，不能用于最合理用途，而工業(yè)鋼鐵生產(chǎn)的總成本正在迅速上升。為了提高氧化鋁的經(jīng)濟(jì)使用價(jià)值，復(fù)合氧化劑如硅酸鋁鐵、氧化錳鐵和氧化鋇與硅鋁鋇一起生產(chǎn)，與氧化鋁陶瓷相比，復(fù)合氧化劑的整體密度高于純氧化鋁，從而使還原性更好。同時(shí)，復(fù)合氧化劑因氧化而分解的溫度相對(duì)較低，有利于其去除氧氣含量。

4 轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧工藝分析

沉淀和擴(kuò)散脫氧法是鋼鐵冶金的主要脫氧方法，所有脫氧過(guò)程都需要使用氧化劑。最常見(jiàn)的氧化劑是錳、硅和氧化鋁，它們?cè)谘趸^(guò)程中與氧氣發(fā)生化學(xué)作用，形成各種氧化合物。例如，錳是一種溫和的氧化劑，用于氧化爐鋼，鋁是一種強(qiáng)氧化劑，用于氧化沉淀鋼，而由兩種或多種氧化劑組合得到的組合氧化劑具有很好的氧化功能和效果，還可以形成液體氧化劑，它可以用于脫氧物質(zhì)的上浮和氧化劑的去除。

4.1 沉淀脫氧工藝

當(dāng)沉淀脫氧工藝應(yīng)用時(shí)，脫氧劑的種類(lèi)和使用對(duì)脫氧工藝有決定性的影響。隨著脫氧理論的不斷深入和轉(zhuǎn)爐、冶金鋼的使用，脫氧技術(shù)，特別是以鈣為基礎(chǔ)的沉淀脫氧技術(shù)，在目前的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)中得到了應(yīng)用，取得了較為明顯的脫氧效果，使脫氧效益得到提高。

（1）鈣系脫氧劑的研究。鈣系脫氧劑的主要成分是鈣、碳、硅、鋇、錸和鋁等。如果將原鋼的性能與鈣系脫氧劑的各種成分很好地結(jié)合起來(lái)，可以改善脫氧劑與吸氧劑的結(jié)合，達(dá)到優(yōu)良的脫氧效果。

（2）研究鈣系脫氧劑的作用機(jī)理。鈣作為主族的第二種元素，比其他元素具有更廣泛的潛力。鋇也與碳酸鈣同屬微量元素，具有良好的氧化性；硅鋇與鋁混合在硅鐵中可獲得氧化作用。鈣和鋇的平均摩爾比為1.00∶3.43，這意味著需要3.43 kg 的鋇達(dá)到與上述過(guò)程中除去相同數(shù)量的金屬氧化物后加入1 000 g碳酸鈣時(shí)相同的脫氧效果。然而，碳酸鈣在鋼中的溶解度相對(duì)較低，在1 600 ℃時(shí)高于0.3%，而且它不會(huì)直接溶解于固體鐵。此外，1 600 ℃時(shí)碳酸鈣在鋼中的最大蒸汽壓力是大氣壓力的兩倍，因此碳酸鈣產(chǎn)品的最大蒸汽壓力很高，使用碳酸鈣作為脫氧劑的成本很高，不能提高鋼鐵工業(yè)的效率。因此，為了達(dá)到高氧化效果，提高氧化劑的質(zhì)量，應(yīng)該提高碳酸鈣在鋼中的溶解度。這種方法可以與在碳酸鈣中加入一定量的硅和碳等元素來(lái)提高碳酸鈣在鋼中的溶解度的方法相結(jié)合。

4.2 普碳鋼脫氧工藝

對(duì)于通過(guò)碳鋼的氧化工藝進(jìn)行煉鋼生產(chǎn)，要遵循以下過(guò)程：（1）在氧化過(guò)程的第一階段，在轉(zhuǎn)爐產(chǎn)品中加入相對(duì)便宜的氣體以增加碳含量。（2）在硅鐵和硅錳合金的共同作用下，氧化過(guò)程和脫氧合金化過(guò)程應(yīng)依次進(jìn)行。（3）深層次的氧化過(guò)程是在氬氣爐中進(jìn)行的，如果鋼是在轉(zhuǎn)爐中生產(chǎn)的，而回旋轉(zhuǎn)爐中的光潔度超過(guò)0.05%，則應(yīng)在鋼液填滿爐底時(shí)加入碳化劑，仔細(xì)監(jiān)測(cè)碳化劑的溶解狀態(tài)和鋼包翻騰狀態(tài)，并檢查相應(yīng)的硅鐵和硅錳合金，確保質(zhì)量符合規(guī)范。事實(shí)上，如果在檢查后加入脫氧合金，可以直接加工，但如果回旋轉(zhuǎn)爐的最終產(chǎn)品小于或大于0.05%，相應(yīng)的硅鐵和硅錳合金是在加工超過(guò)20%的鋼后加入的，增碳材料和其他原料應(yīng)按工藝提前氧化。在加工結(jié)束后，它們被送回轉(zhuǎn)機(jī)爐，完成脫氧合金化過(guò)程。吹氬過(guò)程中在強(qiáng)度和時(shí)間上按照規(guī)范嚴(yán)格控制，設(shè)備的完整性得到保證。假設(shè)在脫氧過(guò)程之前使用增碳劑可以生產(chǎn)出高碳的鋼，并且使用生產(chǎn)成本較低的硅鐵進(jìn)行脫氧，那么與之前使用的方法相比，脫氧過(guò)程優(yōu)化步驟的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)是相當(dāng)大的，可以通過(guò)提高脫氧過(guò)程的安全性和穩(wěn)定性以及減少脫氧時(shí)間的方法實(shí)現(xiàn)普通碳鋼的脫氧。

4.3 真空脫氧工藝

真空氧化法是用抽空氧氣的方法提供最大程度的真空，將待處理的鋼液置于高真空條件下，破壞碳氧狀態(tài)，催化碳和氧的化學(xué)交換，快速釋放出一氧化碳和鋼液，完成氧化過(guò)程。在低碳氧化過(guò)程中加入適當(dāng)?shù)姆派湫詺怏w，也可以促進(jìn)鋼鐵的燃燒，在整個(gè)低碳氧氣形成的化學(xué)步驟中發(fā)揮催化作用。氣體中CO 的分解也有助于加速鋼鐵的碳化，并在低碳氧的整個(gè)化學(xué)步驟中起到催化作用。氣體中的CO分解可以加速鋼的碳化，減少鋼的劣化?？諝庵械腃O分解還可以通過(guò)促進(jìn)鋼材混合和提供更好的化學(xué)現(xiàn)象來(lái)提高氧化過(guò)程的質(zhì)量，并可以通過(guò)減少氧化劑和二氧化硅的用量來(lái)減少氧化過(guò)程的投資量。一些工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用的技術(shù)更為簡(jiǎn)單，這意味著其他生產(chǎn)過(guò)程，如大轉(zhuǎn)爐或電爐，被認(rèn)為是改善和保證鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量的最佳途徑。

4.4 擴(kuò)散脫氧工藝

擴(kuò)散脫氧的主要方法是將脫氧劑直接注入爐渣中，即利用化學(xué)反應(yīng)減少爐渣中的氧化鐵量，使氧化鐵按分布規(guī)律從鋼中轉(zhuǎn)移到原爐渣中。因此，當(dāng)氧化鐵被人為減少時(shí)，鋼中的氧化鐵就會(huì)轉(zhuǎn)移到爐渣中。然而，鋼中的碳濃度并不是熔池氧氣濃度的最重要因素，但焊渣中產(chǎn)生的氧化鐵量決定了熔池中的氧氣濃度。這種效果可以通過(guò)在焊渣中加入減少氧化鐵含量的金屬混合物或直接加入到鋼容器中混合的鋼水中來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，擴(kuò)散除氧主要有兩種類(lèi)型：爐內(nèi)脫氧和鋼桶脫氧。在爐內(nèi)脫氧中，氧化劑直接添加到爐渣中，需要結(jié)合金屬材料，如碳、鎂和硅，在爐內(nèi)氧化也會(huì)使金屬中的氧化產(chǎn)物減少，合金元素和氧化劑損失明顯減少。然而，這種方法有缺點(diǎn)，如擴(kuò)散速度低，整體生產(chǎn)效率低，爐襯壽命短。如果使用強(qiáng)氧化劑，磷的生物利用率也較高，強(qiáng)氧化劑與鋼的質(zhì)量和煉鋼工藝的氧濃度極限密切相關(guān)，因此，煉鋼工藝應(yīng)根據(jù)氧濃度的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)煉鐵生產(chǎn)設(shè)定一定的極限。

5 結(jié) 論

煉鐵產(chǎn)品的質(zhì)量取決于煉鐵生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)氧濃度的有效控制，因此，煉鐵生產(chǎn)過(guò)程中氧氣濃度的控制應(yīng)特別以最大允許的氧氣濃度為基礎(chǔ)。本研究的目的是提供科學(xué)和技術(shù)指導(dǎo)幫助，特別是通過(guò)確定轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)煉鐵中的限制因素，分析轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)煉鐵氧的產(chǎn)生及其對(duì)煉鐵工藝的影響，并介紹脫氧技術(shù)及其在轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝中的具體應(yīng)用等問(wèn)題，從而提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)煉鐵效果，有效提高脫氧效果。