无氟预熔型精炼渣的设计与应用

引用本文

刘伟, 赖朝彬, 冯小明, 陈三芽. 无氟预熔型精炼渣的设计与应用[J]. 有色金属科学与工程, 2012, 3(5): 45-49. DOI:10.13264/j.cnki.ysjskx.2012.05.017. 复制到剪切板

LIU Wei, LAI Chao-bin, FENG Xiao-ming, CHEN San-ya. Design and application of LF refining pre-melted slag without CaF₂[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2012, 3(5): 45-49.DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2012.05.017. 复制到剪切板

无氟预熔型精炼渣的设计与应用

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刘伟¹, 赖朝彬¹, 冯小明², 陈三芽²

1. 江西理工大学冶金与化学工程学院，江西赣州 341000;
2. 新余钢铁有限责任公司，江西新余 338001

通信作者：赖朝彬（1964-），男，博士，教授，主要从事洁净钢方面的研究，E-mail:lcb5115@126.com

作者简介：刘伟（1984-），男，硕士研究生，从事洁净钢方面的研究，E-mail:liuweilove2006@yahoo.com.cn

收稿日期：2012-05-01

摘要：为了避免含氟精炼渣中氟的污染，结合炉渣基础理论，经过熔渣黏度和熔点影响因素的分析并通过正交试验得出优选的无氟预熔型精炼渣组成CaO=48 %、Al₂O₃=40 %、SiO₂=4 %、MgO=8 %，该精炼渣的黏度和熔点分别为：0.78 Pa·s和1389 ℃.精炼渣的工业试验表明，精炼初期成渣速度快，为加快生产节奏奠定了基础.与原含氟精炼渣相比，避免氟污染问题；钢液平均脱硫率为86.5 %，提高了7.5 %；连铸坯中N、H、O的平均含量分别为：47.5×10^-6、2.4×10 ^-6、32.5×10^-6，分别降低了13 %、15 %、15 %；连铸坯中夹杂物的尺寸显著地减小，连铸坯的质量得到提高.

关键词： LF精炼预熔精炼渣脱硫无氟

Design and application of LF refining pre-melted slag without CaF₂

LIU Wei¹, LAI Chao-bin¹, FENG Xiao-ming², CHEN San-ya²

1. School of Metallurgical and Chemical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;
2. Xinyu Iron and Steel Co. Ltd., Xinyu 338001, China

Abstract: Preferred fluorine-free pre-melting slag composition was attained by analyzing the slag viscosity and melting point of impact factors and orthogonal experiments (CaO=48 %, Al₂O₃=40 %, SiO₂=4 %, MgO=8 %) to avoid the fluorine pollution based on the molten slag theory. The viscosity and melting point were 0.78 Pa·s and 1389 ℃. The industrial tests showed that the slag quickly formed at the beginning of refining, which established the foundation to accelerate the production pace. The slag, compared with the slag with CaF₂, showed no pollution of fluorine. The average desulfurization rate of steel was 86.5 % with an addition by 7.5 %. The average contents of N, H, O in the billet were 47.5×10^-6, 2.4×10^-6, 32.5×10^-6 respectively, with reductions by 13 %, 15 % and 15 %. The billet inclusion size dropped significantly with improving billet.

Key words: LF refining pre-melted refining slag desulphurization non-fluoride

0 前言

目前，新钢特钢公司电炉炼钢厂，在LF精炼过程中，采用石灰系混合渣作为精炼渣.该混合渣主要是由生石灰（活性石灰）配以必要的辅助材料（如萤石、矾土、火砖块，高铝熟料等）混合而成^[1].而构成这种混合渣的原料一般含有水分同时具有较高的熔点，预热和熔化需要很长的时间，增加了精炼的负担，造成精炼设备利用率不高^[2-7].混合渣中的萤石在冶炼过程中会导致炉渣对炉衬造成严重侵蚀，同时又会与混合渣中的水分及其他一些物质发生反应，生成有毒的HF，SiF₄，AlF₃，TiF₆等氟化物气体，造成环境污染^[8-9].混合渣内含有较多的活性石灰极易吸收水和CO₂而发生变质，影响冶金效果.

预熔型精炼渣的生产过程为：按设计配比将原料单独粉碎筛分后混合均匀、球团化后入炉熔化，将出炉液渣经水淬后形成玻璃相非晶态基料；然后将基料二次破碎筛分后添加辅料混合后造粒干燥，最后包装、入库^[10].因此预熔型精炼具有化学物理性能均一稳定，低熔点，低黏度等良好的冶金效果.

本文针对新钢特钢的生产情况和冶炼钢种的特征，优化设计了一种无氟预熔型精炼渣，并进行了工业性试验，取得了良好效果.

1 无氟预熔型精炼渣的设计 1.1 无氟预熔型精炼渣成分范围的确定

（1）CaO.CaO是精炼渣系主要组成成分，能够保证精炼渣的碱度，使精炼渣具有较高的脱硫和吸附夹杂物的能力.为了保证良好的脱硫效果，要求精炼渣系中含有较高的自由态CaO.根据图 1所示，当CaO含量大于70 %以上时CaO过饱和，其活度显著下降^[11-13].根据图 2所示，当CaO含量在45 %~55 %范围内时，可以生成C1₂A₇低熔点化合物^[14]，这种物质可以降低精炼渣的熔点.根据图 3所示，当CaO含量在55 %~60 %范围内，Al₂O₃含量在38 %~42 %范围内，SiO₂含量在6 %以内时硫的分配比存在一个较高的区域.所以将CaO的含量范围确定在45 %~60 %.

图 1 SiO₂的活度, CaO的活度（实线），Al₂O₃的活度（虚线）

图 2 CaO-Al₂O₃渣系相图

图 3 CaO-Al₂O₃-SiO₂三元渣系硫分配比(1600 ℃，[Al]=300×10^-6，(MgO)=8 %)

（2）Al₂O₃.精炼渣中含Al₂O₃能够降低炉渣的黏度，提高炉渣的流动性，有利于脱硫^[15-18].当Al₂O₃的含量过高时，不利于精炼渣吸收Al₂O₃夹杂物同时会降低CaO的活度，抑制脱硫反应.根据图 3所示，将Al₂O₃含量范围确定在38 %~42 %.

（3）SiO₂.精炼渣中含有一定的SiO₂能起到助熔的作用^[19].但是SiO₂的含量过多会降低精炼渣的碱度，不利于脱氧、脱硫.为了保持炉渣的碱度，一般要求其含量尽可能的少，这样可以实现深脱硫.根据图 3所示，将SiO₂的含量范围确定在6 %以内.

（4）MgO.精炼渣含有MgO主要是为了保护炉衬^[20-22].陈俊峰^[23]研究表明精炼渣中MgO含量在8 %左右时，炉渣中的MgO与炉衬耐火材料中的MgO达到平衡，能够阻止炉渣对炉衬的侵蚀.因此，将MgO含量确定为8 %.

1.2 无氟预熔型精炼渣正交试验

根据已经确定精炼渣组分范围，实验以CaO、Al₂O₃、SiO₂作为考察因素，固定MgO的含量.每个因素选取3个水平，采用L₉（3⁴）正交实验方案（见表 1）.采用工业纯试剂制备配方，测定每组配方的黏度和熔点.根据测定数据范围，通过级差分析选出实验中综合性能最优的精炼渣配方，其主要成分和性能见表 2.

表1 精炼渣正交实验表

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表2 优选精炼渣的主要化学组成及性能

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2 无氟预熔型精炼渣工业试验

新钢特钢厂生产20管钢的主体工艺流程为EAF (40 t)-LF (40 t)-CC (三机三流圆坯).为了对比预熔型精炼渣与原混合型精炼渣的冶金效果，共进行4炉生产试验.炉号分别为D112-6549、D112-6550、D112-6551，D112-6552.前两炉加入混合型精炼渣，后两炉加入预熔型精炼渣.加入方法为：电炉出钢过程中加入150 kg精炼渣，200 kg石灰.在LF钢包精炼阶段采用钢砂铝、CaC₂、碳粉作为脱氧剂；采用Si-Fe、Mn-Fe作为合金化材料；采用Ca-Si线来使夹杂物变性.根据精炼情况适当补加活性石灰造渣.

3 冶金效果分析 3.1 成渣速度

在电炉出钢时加入150 kg精炼渣，至LF工位进行观察，预熔型精炼渣已经形成均匀渣层，时间大概为5 min左右.而混合型精炼渣，并未形成完全熔化的渣层，可以看到固态石灰颗粒.在LF工位精炼过程，发现预熔型精炼渣在钢水表面呈现良好的流动性，这与该渣的低熔点、低黏度相匹配.

3.2 脱硫效果

精炼渣脱硫效果见表 3，由表 3可见，预熔型精炼渣平均脱硫率为86.5 %，混合型精炼渣平均脱硫率为79.0 %，在LF炉精炼过程中脱硫率提高了7.5 %.说明预熔型精炼渣的脱硫效果显著.

表3 精炼渣脱硫效果/%

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3.3 连铸坯中气体含量

连铸坯气体含量见表 4，由表 4可见，使用预熔型精炼渣时钢中N、H、O的平均含量比使用混合型精炼渣分别下降13 %、15 %、15 %.可见预熔型精炼渣水分含量少，同时能够快速形成渣层，有效地防止了钢液吸收空气.

表4 连铸坯气体含量/（×10^-6）

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3.4 连铸坯显微夹杂物

对各试验炉次连铸坯取样并根据GB/T10561-1989中规定的方法制备成金相钢样，然后在金相显微镜下进行观察.结果如图 4、图 5所示.

图 4 混合型精炼渣试验连铸坯金相显微图

图 5 预熔型精炼渣试验连铸坯金相显微图

通过金相观察可以看出使用预熔型精炼渣后，钢中非金属夹杂物尺寸较小同时聚集程度较低.说明预熔型精炼渣能够进一步吸收钢液中的夹杂物，提高了钢液的洁净度.

3.5 连铸坯低倍组织分析

连铸坯低倍组织分析情况见表 5，由表 5可见，使用预熔型精炼连铸坯低倍组织评级只出现了0.5级中心疏松，并未出现皮下裂纹、中心裂纹、缩孔.说明该精炼渣具有较强吸附夹杂物能力，可以提高连铸坯的质量.

表5 连铸坯低倍组织分析情况

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4 结论

（1）经过现场试验，无氟预熔型精炼渣具有低熔点、低黏度、成渣速度快等优点；同时能够加快生产节奏，提高精炼设备的利用率.

（2）无氟预熔型精炼渣成分控制在48 % CaO、40 %Al₂O₃、4 %SiO₂、8 %MgO有较好的脱硫和吸附夹杂物的能力.

（3）无氟预熔型精炼渣本身不含有CaF₂，在生产过程中不会对人体和环境产生危害.

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