低硅钢种LF精炼控硅脱硫技术进展_盖一铭.pdf

通信作者：杨健（），男，博士，教授；：；收稿日期：低硅钢种 精炼控硅脱硫技术进展盖一铭，杨健（上海大学 材料科学与工程学院，上海 ）摘要：对前人开发的低硅钢种控硅脱硫技术的最新进展进行了总结。通过控硅热力学分析，明确了为达到目标 含量，钢液中 和 的控制目标含量。为防止脱硫过程中回硅，应重点控制转炉下渣量、脱硫 精炼时间、进站铝含量，采用合适的渣系，还应控制钢液中钙含量。由于脱硫要求增加吹氩量以强化钢渣间界面反应，但控硅要求吹氩量不宜过大，所以存在最佳吹氩量。为提高脱硫率，应采用碱度为 的精炼渣，还应控制钢水温度高于 。关键词：低硅钢；脱硫；控硅；精炼中图分类号：文献标志码：文章编号：（），：，：；低硅钢种因其具有良好的抗拉性和延展性，经热轧后，其冷轧再加工性能仍然较好，因而深受用户欢迎，市场需求量大，业已成为各大钢铁企业重点生产的品种钢之一。然而由于此类钢种对硅、硫等元素含量要求较低，所以低硅钢种一般要求在精炼后增硅质量分数不超过 。硅含量提高虽会使钢带的屈服、抗拉强度增加，但会降低冲压性能，并且冷轧薄板表面容易生成氧化物“红锈”，给热镀锌工序造成不利影响，因此冶炼过程中要严格控制钢中硅含量。增硅主要发生在精炼阶段，深脱氧后的脱硫过程中，不断还原渣中 是导致增硅的主要原因。精炼最主要的任务就是造还原渣脱硫，而脱硫和控硅又是一个相互矛盾的过程，脱硫要求钢液氧位低，而控硅要求钢液氧位高。在精炼过程中，如何在保证钢水脱硫的同时，又能有效抑制钢水增硅，现已成为低硅钢种生产的一项重要课题。本文总结了前人在低硅钢种的控硅脱硫技术方面所做的研究，分析了精炼过程工艺参数对钢液中硅、硫含量的影响，以及低硅钢种的生产工艺流程，阐述了国内外学者及各钢铁公司控硅脱硫技术开发的最新进展。年月第 卷 第期炼钢 精炼过程增硅的热力学分析 精炼最主要的任务就是造还原渣脱硫，而脱硫和控硅在热力学控制上相互矛盾。增硅主要发生在 精炼过程，在深脱氧后的脱硫过程中，不断还原渣中 而导致增硅，反应如式（）所示。（）（）（）钢中元素的活度系数满足公式（），为钢水中存在的元素，表为 下 、的相互作用系数。（）表 ，和 的相互作用系数 通过式（）可以计算得到的不同氧含量和不同内控成分条件下 和 值。将低碳低硅钢的精炼渣样成分折算成以 三元氧化物的成分，并将该点投影在 三元氧化 物 的 等 活 度 曲 线 图 上，可 以 得 到 ，。当反应（）达到平衡时，钢中 和 的关系可以整理成如式（）的形式。（）为了减小（）（）值，达到减少钢水回硅的目的，应该适当降低钢液中 含量，并降低钢中 值。进一步根据式（），在温度为 、时，参考内控成分元素含量，图是在不同氧含量和温度下的 平衡曲线。为了达到目标（），在精炼过程中温度为 时，当钢液中（）时，钢液中的（）应小于 ；当钢液中（）时，钢液中的（）应小于 。在浇铸过程中温度为 时，当钢液中（）时，钢 液 中 的（）应 小 于 ；当钢液中（）时，钢液中的（）应小于 。实际生产中发现，钢水经钙处理后，增硅更加明显，其增硅量占整个精炼过程增硅量的 。这主要是因为钙是强还原性元素，喂钙线过程中，钢水中的 与渣中 发生还原反应，反应如式（）所示。（）（）（）图在不同温度和氧质量分数下的 平衡曲线 使用公式（）及表中的数据计算出了目标成分下 和 的值。将低 碳 低 硅 钢 的 精 炼 渣 样 成 分 折 算 成 以 三元氧化物的成分投影在等活度曲线上可以得到 ，。当反应达到平衡时，钢中 和 的关系可以整理成如式（）的形式：（）为了减少（）（）值，达到减少钢水回硅的目的，应该适当降低喂钙量以降低钢中 含量，并提高钢渣碱度。进一步根据式（），分别做出了在 、时，不同氧含量和温度下的 平 衡 曲 线 如 图。从 图 可 以 看 出，当（）的条件下，平衡的 含量很低。当（）时，为了达到目标（），在精炼过程温度为 时，钢液 炼钢第 卷中的（）应小于 ；在连铸过程温度为 时，钢液中的（）应小于 。图在不同温度和氧质量分数下的 平衡曲线 工艺参数对增硅的影响 转炉下渣量对增硅的影响陈玉鑫发现获得较低硅含量的钢水冶炼难度较大，尤其是冶炼（）的钢种。由于硅元素是铁水或废钢中富有的元素，同时转炉或电炉炼钢过程加入的熔炼渣料均含有一定量 ，在钢包精炼过程很容易被还原到钢水中，最终造成钢水中 超出标准要求。对于一般低硅钢种，可以通过减少电炉或转炉下渣量，降低炉渣与钢水的界面反应，提高钢水氧化性等措施实现低硅冶炼。钢水增硅主要是由于在还原性气氛中钢液中的 将渣中的 还原所致，精炼处理过程的回 多源于钢包带渣，故抑制增硅的首要任务是降低钢包带渣量。转炉下渣包含部分：即前期下渣，约占；出钢过程的涡流卷渣，约占；出钢后期下渣，约占。目前国内部分钢厂采用双挡渣模式，即挡渣塞或挡渣帽挡前期下渣，挡渣球或挡渣镖挡后期下渣。而对于约占下渣总量 的涡流卷渣并无有效的控制措施。大量实践表明，涡流卷渣强度与熔渣黏度密切相关，故对于低硅钢种冶炼，可在提枪后向炉内投加适量石灰或白云石（一般为 ），使炉渣稠化，并根据终点熔渣状况提前放渣，这样一方面可避免终点渣抛影响，第一时间撂炉到位减少前期下渣；另一方面，稠化后的炉渣涡流卷渣效应明显减弱，有效减少了过程下渣，为后续精炼脱硫与抑制增硅创造了必要条件。唐钢冷轧用钢 在出钢过程中实施挡渣出钢工艺，下渣量为 。在出钢过程中加入铝脱氧剂使一部分 还原。导致钢包渣中的 质量分数降低，钢中的 质量分数提升 。精炼渣量 。结果表明初始精炼渣中 质量分数每增加，钢中 质量分数将增加 。该工艺的增硅主要发生在精炼过程中。陈永洪 对邯宝公司生产的 炉低碳低硅钢的进站渣厚和增硅量之间的关系进行了统计。图是钢包渣厚与增硅量的关系，发现渣厚和回硅量呈正相关关系。当渣厚达到 后，回硅量明显增多，所以最好控制渣厚小于 。图钢包渣厚与增硅量的关系 新疆八一钢铁公司生产 工艺流程是：铁水脱硫处理 转炉 精炼板坯连铸 轧制冷轧。精炼渣中的 主要来源于三个方面：造渣材料、扩散脱氧剂、转炉下渣。实际生产中转炉是否下渣及下渣量的多少，可依据钢水回磷的多少进行判断。李立民对实际生产中的 炉钢水回磷量与增硅量进行统计，得出钢水回磷质量分数小于等于 时，转炉下渣控 制 良 好，钢 水 增 硅 质 量 分 数 可 控 制 在 以内，随着钢水回磷量的增加，钢水增硅量也在增加，回磷质量分数 ，且增硅质量分数超过 。朱万军 对武钢 流程生产的 炉低碳低硅铝镇静钢进行统计，得出随着回磷量增加，回硅量也在增加。因此，控制转炉下渣量可有效控制钢水增硅量。在 流程的实际生产中，由于下渣造成硅含量超标的炉次约占。第期盖一铭，等：低硅钢种 精炼控硅脱硫技术进展 精炼时间对增硅的影响钢中硅通过 扩散反应还原渣中 得到的量较少，因为扩散反应过程非常缓慢，所以通过吹氩强度的调整可以改变 扩散反应的速度。图是精炼时间与钢中硅含量关系。随着精炼时间的增加增硅量不断上升，但是只要控制精炼时间小 于 ，钢 中 的 硅 质 量 分 数 基 本 小 于 。所以低硅钢精炼时间一般控制在 左右，但是只要控制好精炼过程的吹氩强度就可以较好地降低硅含量。图精炼时间与钢中硅含量关系 钢渣成分对增硅的影响 精炼为还原性气氛，精炼过程要造还原渣脱氧、脱硫，深脱氧是深脱硫的前提。从成品硫含量与硅含量的对应关系可知，精炼脱硫越彻底，炉渣氧化性越低，成品硅含量越高，说明在还原性气氛下 精炼氩气搅拌脱硫过程中一直进行着硅的还原反应。当渣由氧化性渣完全转变为还原性渣后，钢中 主要与渣中 发生还原反应，因此应降低入炉铁水及废钢中的硫含量，确保转炉供 精炼钢液中硫含量较低，减轻 脱硫压力。当钢中 合格后要减少精炼后期铝粉用量，控制底吹氩气强度，避免脱氧、脱硫过深造成回硅。钢水增硅主要是因为在精炼过程中，钢、渣中的氧被铝、电石等脱氧剂去除到一定程度后，渣中 被钢中铝还原。通过精炼顶渣数据分析，不同程度的还原气氛下，钢水增硅量也不同，随着还原气氛逐步增强，钢水增硅量增加。由于 流程节奏紧，要求钢水中（），这就要求 精炼能够快速为连铸工序提供优质钢水。因此，为实现 快速脱氧、脱硫，需在精炼前期快速造“白渣”，并吹氩搅拌促进渣钢界面脱硫反应进行。钢水增硅主要通过渣钢反应进行，为抑制增硅，应将 固化在钢渣中，同时减少渣钢反应界面积，而这与 精炼快速造渣脱氧、脱硫相矛盾。因此，为满足脱氧、脱硫，同时抑制回硅，需将 精炼渣成分控制在合适范围内。可以通过提高渣中 的方法，抑制反应的进行。钢包顶渣中的 主要来源于铝的脱氧产物与外来加入，单纯的钢水脱氧生成物尚不足以将渣中 质量分数提高至 左右。故可采用在钢水渣洗料与精炼炉渣脱氧剂中配入一定量的 的方式进行补充，一般可使用火砖块或高级轻烧铝矾土来提高渣中 含量，提高渣中 含量可以抑制增硅反应进行。底吹氩气对增硅的影响在 精炼过程中，由于底吹氩搅拌的作用，增加了钢渣界面的面积。由液液相反应的动力学模型双模理论可知，反应的相界面面积增加，界面化学反应速率增加，使反应更容易向增硅的方向进行，为反应提供了良好的动力学条件。图是吹氩量和吹氩时间对夹杂物去除率的影响。随着吹氩时间增加，夹杂物去除率增加。但是存在最佳吹氩量，在该吹氩流量条件下，夹杂物去除率达到最大值。在实际生产中，通过吹氩可以提升钢包炉中夹杂物上浮去除的速度，由于氩气泡的直径大于夹杂物且密度小于夹杂物，所以氩气泡可以拦截夹杂物并且上升，这有利于去除 夹杂。此外，等 研究结果表明，只有小于 的夹杂物才能在钢包炉中停留超过 的钢水处理时间。因此，在钢的处理过程中，为保证夹杂物上浮去除，吹氩时间有必要超过 。为了促进 脱硫，通常实施“三高一低一搅拌”，即高温、高碱度、大渣量、低氧化性、大搅拌的措施。对于低硅钢种，为避免高强度、大流量、长时间的底吹氩搅拌造成的增硅问题，对底吹氩操作需进行一定的调整。在降低底吹强度的同时还要保证 具有一定的脱硫能力，则 吨钢渣量需由原来的小于 增至大于 ，比一般钢种多 以上，从而保证炉渣中足够的 含量，通过提高 容量的方式来稳定 脱硫率。故对于低硅钢种冶炼应确保在转炉出钢环节及 处理过程中加入足量石灰（一般应不 炼钢第 卷图吹氩量和吹氩时间对夹杂物去除率的影响 小于 ）来补充渣中 含量。铝含量控制对增硅的影响过程铝控对增硅有着直接的影响，因为钢中增硅主要通过铝还原得到。图为过程铝含量对增硅量及硅超内控百分比的影响。出钢加铝利用钢水的冲击力能使钢水很好地脱氧，但渣脱氧不太充分。钢水中铝质量分数在 左右时，钢水脱氧比较完全，进站精炼稍加一部分铝造渣即可，成渣快、脱硫率高，故增硅量相对较少。但钢中铝过高不利于精炼控氮，所以一般控制进站铝质量分数在 左右为宜。图过程铝含量对增硅量及硅超内控百分比的影响 为了保证钢水精炼效果，确保炉渣对钢水夹杂的吸附能力，在 精炼过程中必须加入铝粒进行渣改质，然而由于钢水带渣量的差异，转炉脱氧效果不同等诸多因素影响，目前尚无法对 铝粒加入量进行准确计算。实际生产中多以熔渣颜色变化来判断炉渣改质效果，具体颜色变化与顶渣氧化性相关，根据渣中氧化铁含量变化顶渣颜色从白色、墨绿色到黑色，氧化性逐步增强。生产中须严格要求铝粒循序渐进加入，严禁片面追求处理周期一次性加入过多，造成局部富集，引起钢水增硅。钙处理对增硅的影响为提高钢水连浇炉次，流程钢水都需进行钙处理。在实际生产中发现，钢水经钙处理后，增硅也比较明显，其增硅量占整个精炼过程增硅量的 。这主要是因为钙是强还原性元素，喂钙线过程中，钙与渣中 发生还原反应。钙还原 的能力远大于铝还原 的能力，钙处理后，钢液的增硅主要是钢中钙还原渣中 所造成。钙处理时要求钢水处于静吹状态，钙处理时钢包底吹氩流量过大，钢液搅拌剧烈，造成钙粉与钢渣混冲，钙粉参与渣中二氧化硅还原引起回硅。钙处理前，将炉渣中 质量分数控制在以下，降低炉渣回硅潜能；喂钙线时将喂线速度控制在合适范围，控制喂线速度在 ，防止钢液面“沸腾”；为了控制钢液 含量，应根据图 曲线控制钢液中钙含量。喂线结束后进行软吹氩，弱化增硅