连铸钢水快速精炼工艺实践

2007年炉外精炼年会论文集352007年7月LadleRefining2007AnnualmeetingProceedingsJuly.2007连铸钢水快速精炼工艺实践杜松林1,2)吴坚2)胡义贵2)高振波2)包燕平2)1）北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083；2）马钢第三钢轧总厂，安徽马鞍山，243000摘要本文通过在吹Ar合金微调站加入Al脱氧和SiCa对夹杂物变性，选择合适的造渣剂CaO—SiO2+CaC2以及软吹Ar工艺，可以在不影响连铸机匹配的条件下（18分钟内）使钢水中活度氧降低到20ppm以下，渣中的FeO+MnO＜3%，而连铸浇注时不会发生水口堵塞现象。满足了马钢三钢轧总厂从美国新引进的使用油润滑浇铸的小异形坯连铸机对钢水质量和生产匹配的要求。关键词精炼；脱氧；水口堵塞；钢水钢水经过LF等精炼工艺之后，很容易使钢的全氧、硫含量达到较低的水平，但是其精炼时间长、成本高。另一方面，如果单纯使用Al脱氧来降低钢中氧含量，对Q235类钢当铸坯中Als大于0.003%相应的活度氧40~50ppm以下时[1]就有可能发生水口堵塞而浇铸困难。对一些不需要深度精炼而又要求氧含量比较低的情况，就需要意中快速的脱氧精炼方法，来满足高效生产的连铸机对钢水纯净度的某些特殊要求。文献[2]报道了使用CaO-Al2O3精炼剂处理，用来脱硫和脱氧，取得了脱硫率40%和一定的脱氧效果。仅仅使用精炼剂脱氧和造渣，其速度难以满足转炉与连铸机的匹配的要求。本文所应用的快速精炼工艺，是通过在吹Ar合金微调站加入Al和SiCa，选择合适的钢渣改质造渣剂CaO-SiO2，加上电石脱氧，可以在不影响连铸机匹配的条件下（18分钟内）很快速的使钢水中活度氧降低到20ppm以下，渣中的FeO+MnO＜3%，而连铸浇注时不会发生水口堵塞现象，满足了马钢三钢轧总厂从美国新引进的使用油润滑浇铸的小异形坯连铸机对钢水质量和生产匹配的要求。1生产条件与检验方法1.1生产条件1）50t复吹转炉，平均出钢量70t；2）底吹Ar合金微调站，双线喂线机；3）贺利氏在线定氧仪；4）异形坯连铸机，断面为：430*300*90；320*220*85；5）油润滑浇铸；6）钢种SS400等。1.2所用的材料1）试验工艺分别采用Al线、SiCa线脱氧；2）两种不同类型造渣剂，一种是CaO-Al2O3质（本文中称作A），另一种是CaO-SiO2质（本文中称作B），主要化学成分如下：表1造渣剂的主要成分Table1Mainchemicalcompositionofslaggingmixture成分渣系CaOAl2O3SiO2AlCaC2A（%）24.1238.166.810.69B（%）40~50＜825~40若干2.3工艺流程转炉出钢→加入造渣剂→定氧、喂Al线→取渣样观察调渣→喂SiCa线→软吹Ar2结果与分析2.1脱氧1）使用Al脱氧。脱氧量与Al线喂入量之间的关系见图1和式（1）。图1实际生产的数据表明，Al脱氧效果稳定，通过喂入的Al线量可以很好的预测脱氧量；但是，使用Al脱氧，当钢中Als含量大于0.003%时[1]，就可能发生水口堵塞，而无法浇铸。在马钢三钢厂条件下，如果不和Ca联合使用，Al线喂入量一般小于40m，对Q235类钢，氧活度在40ppm以上。To=8.211+.672L+0.000115L2（S=10.1；R=80%）式中：To—脱氧量，ppmL—喂Ca线量，m•36•2007年炉外精炼年会论文集2007年7月Al线量,m脱氧量△[O],ppm1401201008060402014012010080604020S10.0859R-Sq80.6%R-Sq(adj)80.0%图1脱氧量（ppm）与Al线喂入量（m）之间的关系Fig.1Relationshipbetweendeoxidizingamount（△O）andAlwirefeeding（m）2）使用SiCa脱氧。脱氧量与Ca线喂入量之间的关系见图2式（2）。这个结果表明使用Ca脱氧，在同样条件下终点的氧含量散差很大，难以达到稳定的目标值，并且随加入量的增加，脱氧效率明显下降。另一方面，即使由化学反应式和两种金属的价格进行理论计算，Ca脱氧的成本也较高。因此，尽管没有堵水口问题，Ca仍然不是一个好的深脱氧元素。To=-22.7+0.223L+0.00175L2–0.000007L3(S=13.52;R=4.8%)式中：To—脱氧量，ppmL—喂Ca线量，mCaSi线,m脱氧量△[O],ppm300250200150100706050403020100S13.5198R-Sq15.4%R-Sq(adj)4.8%图2脱氧量（ppm）与Ca线喂入量（m）之间的关系Fig.2Relationshipbetweendeoxidizingamount（△O）andCawirefeeding（m）3）本文所应用的精炼工艺中，Ca不作为脱氧剂使用，而是作为夹杂物变性，防止水口堵塞的处理剂使用。文献[4]的理论计算表明，当钢中溶解[Ca]含量在2~34ppm时即生成液态的夹杂物，主要是发生了下列化学反应：3[Ca]+Al2O3=2[Al]+3（CaO）Lgk=15661/T–2.58CaO(s)+Al2O3(s)=CaO·Al2O3(s)△G=–18000.00–18.83T12CaO(s)+7Al2O3(s)=12CaO·7Al2O3(s)△G=–86400.00–200.58T反应产物12CaO·7Al2O3(s)、CaO·Al2O3(s)在浇注温度下均为液态，从而避免水口的堵塞。Ca在SWRCH8A、35K钢中的收得率，见图3。数据表明，喂入250mCaSi线、全钙平均含量40ppm以前，随钙加入量的增加平均钙含量增加，随后钙含量随加入量的增大几乎不再变化。并且钢水中全钙含量与钙加入量之间关系散差很大，Ca的收得率波动在8-20%之间。初步的实践表明，为防止水口堵塞，在马钢三钢轧工艺条件下需要CaSi的加入量如下表：表2Al线喂入量与CaSi喂入量的关系Table2TheCawirefeeding（m）relativetoAlwirefeeding（m）Al线量（m）＜3030—50＞50CaSi线量（m）90120150-200Al脱氧和Ca处理的使用使得18分钟内钢水中活度氧可以很容易地降低到20ppm以下。喂线量m钙含量ppm60050040030020010009080706050403020100喂线量与钙含量关系趋势8A35K图3钢中的全钙量（ppm）与喂线量之间的关系Fig.3Relationshipbetweenthetotal[Ca]inliquidsteelandCawirefeeding（m）2.2造渣2.2.1精炼渣的选择1）从CaO-Al2O3-SiO2的三元系相图上可以看出，以CaO-Al2O3、CaO-SiO2为基础均可以形成低熔点的精炼渣系。文献[3]中关于渣系最大氧化能力的研究表明，当碱度2.0左右时渣系具有最高的氧化能力，随渣中Al2O3的增加，要保持高的氧化能力熔渣的碱度要增加。CaO-SiO2渣系有利于形成高氧化能力的精炼渣，从而有利于July.20072007年炉外精炼年会论文集•37•（FeO）的去除和扩散脱[O]。2）精炼渣成分的选择，要考虑钢水与渣之间可能发生的化学反应。由于[Ca]活度很低，这里主要考察可逆反应：4[Al]+3（SiO2）=2（Al2O3）+3[Si]△G=-719712.4+114.66T当钢水中[Al]高时，使用高SiO2渣，精炼渣就会成为氧化源而污染钢水，因而必须使用高Al2O3渣，限制渣中SiO2含量。当钢水中[Al]低时，尤其是需要限制[Al]含量时，必须控制精炼渣中的Al2O3的含量。也就是说，精炼渣的选择必须和所精炼的钢种的化学成分相适应。本工艺条件下，钢水中[Si]含量在0.15-0.27，[Al]在0.005-0.008%，通过上式计算的精炼渣的合适成份为CaO42-52%、SiO230-35%，Al2O313-28%。从CaO-Al2O3-SiO2的三元系相图上的CaO、Al2O3的等活度曲线标明[5]，以CaO-SiO2为基础的渣系，Al2O3的活度远比以CaO-Al2O3为基础的渣系低，适当降低渣中Al2O3可能有利于Al2O3夹杂的吸收，防止水口堵塞。3）从造渣材料的价格看，CaO-SiO2渣系较为便宜。基于这些因素，钢种允许的条件下，优先应用CaO-SiO2基精炼渣系，应用CaO-Al2O3基础渣系也进行了少量的实验。两种渣系的比较，尚需进一步的实验研究。2.2.2渣的调整在出钢过程中加入1~2kg/t的精炼渣，然后在合金微调站取渣样，视渣子的状况，分别加入石灰、电石或石英砂加以调整。表3渣况的调整Table3Theadjustmentofrefiningslag渣的黏度渣的颜色黏度大黏度小黑色墨绿色奶油色加入石英砂等加入石灰、电石等加入SiFe粉、电石等电石等所希望的颜色2.3吹Ar搅拌众所周知，吹氩搅拌增加夹杂物的碰撞长大几率，是促进钢中夹杂物上浮的有效手段之一。理论上吹Ar的时间越长越好，但由于工艺条件等限制不可能太长，要求不小于5分钟吹Ar的流量控制是保证软吹效果的另一个重要参数。本工艺中前期需要大流量吹Ar，以获得良好的搅拌效果，以保证脱氧和造渣所需的动力学条件。最后的软吹要求钢水不裸露、渣面微动为佳。这就需要有良好的吹Ar控制设备。2.4精炼效果1）钢中氧含量。根据需要的目标值，按照式（1）确定Al线喂入量，按表2选择喂CaSi线量。可以将钢水中的活度氧很容易的降低到20ppm以下，并且较为稳定。2）渣中FeO、MnO。通过钢水脱氧、使用CaC2去除渣中的FeO、MnO之后，渣子的氧化性大幅度降低。精炼前后渣的典型成分如表4。表4快速精炼后终渣的化学成分Table4ThefinalchemicalcompositionofslagafterrefiningquicklyCaOAl2O3SiO2MnOFeO加入量（kg/t）钢包渣平均成分（%）38.68.925.25.8412.1处理后的平均成分（%）48.97.0531.851.271.712—33）水口堵塞情况应用这种精炼工艺之后连铸能够正常浇铸，水口堵塞率比常规工艺有所提高。这可能是由于过程中钙含量的波动、二次氧化等所因素造成的。表5两种工艺水口堵塞率的比较Table5Thecomparisonoftheratioofnozzlecloggingwithnormalprocesswithrefiningquickly常规工艺，%快速精炼工艺，%0.070.0874）精炼后钢水中的平均硫含量。精炼前后钢中平均硫含量见表6。统计数据表明，应用这种工艺，在马钢工艺条件下，不具有脱硫能力。应用CaO-Al2O3渣系，文献[2]的报导可以获得20~40%的脱硫率。这可能与所使用的CaO-SiO2系精炼渣，碱度比较低、氧位较高有关。表6精炼后的脱S情况Table6Theamountofdesulfur精炼前钢水硫含量%精炼后钢水硫含量%0.02040.02023结论1）在吹Ar合金微调站，通过“Al脱氧+Ca处理+造渣+软吹Ar”工艺，可以实现（转）炉（连铸）机匹配所要求的18分钟内，将低碳钢SS400类钢水中的[O]降低到20ppm以下，渣中•38•2007年炉外精炼年会论文集2007年7月FeO+MnO＜3%，而浇铸时不发生水口堵塞，满足了马钢油润滑的小异形坯连铸机对钢水质量的要求。2）由于Ca的收得率非常不稳定，及钢中残余量的限制，用Ca作为深脱氧元素是不可行的。3）实验表明，在马钢条件下应用“CaO—SiO2渣系+Al脱氧+Ca处理+软吹”快速精炼工艺，几乎没有脱S作用。4）用于快速精炼的改质精炼渣系选择与优化，必须和所精炼的钢种的化学成分相适应。精炼效果好、经济的精炼渣成分优化、以及喂Ca量等工艺问题，尚需进一步研究。参考文献1杜松林.转