邢 凱 胡建東 張永集

(1.天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457；2.中南大學資源加工與生物工程學院，湖南410083)

精煉渣對潔凈鋼的冶煉有著非常重要的作用，其主要作用體現(xiàn)在以下方面：第一，埋弧加熱，防止吸氣；第二，脫除鋼水中的氧和硫；第三，合理的精煉渣成分能夠有效的吸附夾雜。傳統(tǒng)的精煉渣使用的是CaO-SiO2二元渣系，為了降低該精煉渣的熔點，提高精煉渣熔化后的流動性，需要添加一定量的螢石(主要成分CaF2)，但這會加劇精煉渣對精煉包耐火材料的侵蝕。同時，渣中(CaF2)和(SiO2)在高溫下會反應生成有毒氣體SiF4，造成工作環(huán)境的污染。對于允許使用鋁脫氧的鋼種，為了提高鋼水的潔凈度，降低精煉渣對精煉包的侵蝕，我們使用高Al2O3精煉渣進行鋼水精煉。該精煉渣主要組元為CaO-SiO2-Al2O3，避免螢石的使用。由于可以使用含Al材料進行脫氧，鋼液中溶解氧含量能夠得到很好的控制，鋼水脫S也相應較為容易。但是良好的精煉渣需要對其組元配比進行合理選擇。

1 原精煉渣分析

原精煉渣分析時，選取了7爐某產(chǎn)品煉鋼用精煉渣進行取樣，而后逐爐次進行化學成分分析，求其平均值，得到精煉渣成分見表1。

從表1可看出，原精煉渣的主要物相為硅酸二鈣和硅酸三鈣，其熔點都大于2000℃，精煉渣中的其他一些物相為RO(RO為MgO、CaO、FeO和MnO的總稱)，如圖1(a)為CaO-SiO2的二元相圖。硅酸二鈣和硅酸三鈣熔點較高，從而使得精煉渣的整體熔點很高。MgO和CaO熔點較高，而且其離子團相比其他離子團要大得多，因此會增大精煉渣黏度，降低鋼渣間化學反應速度。

為了降低該精煉渣的熔點和粘度需要使用螢石材料。從圖1(b)CaO-SiO2-CaF2三元相圖中可以看出，為了降低精煉渣的熔點到1500℃以下，需要配入一定量的螢石。根據(jù)公司2016～2017年的統(tǒng)計結果，在使用CaO-SiO2精煉渣冶煉時，螢石的平均使用量見表2，螢石比例和相圖分析基本相符。

表1 原精煉渣取樣化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions oforiginal refining slag(mass fraction,%)

表2 CaO-SiO2精煉渣螢石用量Table 2 Amount of fluorite in CaO-SiO2 refining slag

2 高Al2O3精煉渣配比優(yōu)化

對于允許Al鎮(zhèn)靜的鋼種，我們使用高Al2O3精煉渣進行鋼水精煉。通過理論分析和前人工作統(tǒng)計，優(yōu)化選擇組元配比。

(a)CaO-SiO2二元相圖(b)CaO-SiO2-CaF2三元相圖圖1 精煉渣系相圖[1]Figure 1 Refining slag system phase diagram

圖2 1500℃時CaO-Al2O3-SiO2-MgO(6%)的低熔點區(qū)域Figure 2 Low melting regions of CaO-Al2O3-SiO2-MgO(6%)at 1500℃

(1)熔點控制

選用精煉渣時，一般多選在相圖的低熔點位置，保證精煉渣的流動性較好，有利于鋼水的脫氧和脫硫效果。利用Factsage計算1500℃時的CaO-SiO2-Al2O3相圖，同時考慮MgO(固定比例6%)，如圖2。該相圖中基本分成兩個低熔點區(qū)域，即區(qū)域A和區(qū)域B，能夠?qū)崿F(xiàn)精煉渣熔點相對較低。

(2)堿度控制

堿度是精煉渣一個重要的參數(shù)。渣的堿度對精煉過程的脫氧、脫硫均有較大影響。堿度提高可使鋼中平衡氧降低，而且可提高硫在渣-鋼之中的分配比，即利于脫氧和脫硫。原渣系中二元堿度R=w(CaO)w(SiO2)=1.6，其堿度相對較低，屬于低堿度渣。因此新渣系選擇組元配比時考慮適當提高渣中Al2O3的比例，即向圖2中區(qū)域B靠近。

(3)精煉渣吸附夾雜物研究

吸附Al2O3夾雜的能力與渣中CaO與Al2O3的活度有直接關系。Al2O3的活度降低有利于鋁氧平衡向正向反應，促進鋼中Al2O3進入渣中；而CaO活度提高，有利于CaO與Al2O3形成多種鈣鋁酸鹽化合物，有利于吸附Al2O3夾雜，降低鋼水中[O]含量，提高精煉渣脫氧能力。Al2O3的含量在很大程度上影響了CaO-SiO2-Al2O3精煉渣的熔化溫度，控制渣中Al2O3適當?shù)暮靠梢缘玫搅鲃有粤己玫木珶捲?，提高鋼液潔凈度水平?/p>

趙東偉等人[2]利用Factsage計算了精煉渣CaO-SiO2-Al2O3各組元的活度并得到：當w(CaO)w(SiO2)=4～6時可以得到Al2O3的活度較低，CaO的活度較高的渣系；當SiO2的含量一定時，w(CaO)w(Al2O3)比值增加，Al2O3的活度減小，而CaO的活度增加。當w(CaO)w(Al2O3)=1.5～2時可以得到Al2O3的活度較低，CaO的活度較高的渣系。

(4)精煉渣上浮的考慮

在精煉過程中，由于精煉包底部吹Ar的作用，鋼水和精煉渣受到嚴重擾動，出現(xiàn)卷渣現(xiàn)象，因此設計精煉渣時需要考慮精煉渣從鋼水中上浮去除。夾雜物要能容易上浮去除，則要求精煉渣表面張力要大，而且渣-鋼間的界面張力較大為好。有研究表明[3]：高Al2O3精煉渣的表面張力隨著堿度的增加而增加，渣-鋼間的界面張力隨著堿度的增加也增加。但是，當Al2O3含量一定時，為了獲得較大的精煉渣表面張力，需要提高渣中CaO的含量，從而導致精煉渣的熔點上升，精煉渣熔化困難，渣的粘度過大，流動性不好，這也將影響脫氧、脫硫效果和Al2O3夾雜物的吸附。

表3 高Al2O3精煉渣成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 3 Compositions of high contents Al2O3refining slag(mass fraction, %)

表4 CaO-SiO2-Al2O3精煉渣化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 4 Chemical compositions of CaO-SiO2-Al2O3refining slag(mass fraction,%)

(5)優(yōu)化方案

綜合考慮以上各方面，建議使用的CaO-SiO2-Al2O3精煉渣各組元配比方案見表3。

3 應用實踐

試驗爐次產(chǎn)品在精煉階段出鋼前取精煉渣樣，進行熒光光譜分析，分析結果見表4。

通過對比表3和表4，試驗過程中精煉渣分析結果基本符合原設計，達到了預期設計目標。生產(chǎn)實踐中，新設計精煉渣化渣速度與原來相比明顯提高，縮短了冶煉時間，精煉過程中未發(fā)現(xiàn)新的不利問題，鍛件最終的UT檢測結果也均合格，說明該渣系能夠很好地滿足生產(chǎn)需要。但是，精煉渣中(MgO)含量與原精煉渣相比降低幅度不大，仍有進一步改善空間。