渣洗工艺冶金效果分析与评测*

朱立光 王硕明 姬旦旦 张彩军

(河北联合大学)

渣洗工艺冶金效果分析与评测*

朱立光 王硕明 姬旦旦 张彩军

(河北联合大学)

综合国内外文献对渣洗工艺进行了简要介绍，阐述了国内外渣洗料的发展及其冶金特性，并结合某钢铁企业的生产数据分析了渣洗工艺冶炼效果，结果表明，通过渣洗工艺处理可以对钢液起到脱氧、脱硫、去除钢中夹杂物的作用。

SS400钢 渣洗 脱硫率 夹杂物

0 引言

目前，电炉、转炉炼钢普遍采用炉外精炼技术，即将炼钢过程中脱氧、脱硫、降低气体、减少夹杂物、调整钢的成分和温度等全部或部分转移到钢包炉中完成，以求获得洁净钢并取得高产、优质的良好效果。

但是，随着国际金融危机的不断扩大及客户对钢材的高质量要求，低成本生产高品质钢种已成为国内外钢铁行业的发展趋势。由于LF精炼处理工艺对大量物料及人力资源的消耗，成本相对高，特别是高效连铸机的不断应用，LF精炼处理生产高洁净度钢液已经不能满足炼钢厂的快速生产需求。

“转炉→渣洗+吹氩→连铸”则是一种设备简单、工艺简便易行、成本低廉，随着实践的不断发展及工艺的不断进步，以前必须通过LF处理的一些钢种，现改为只用“渣洗+吹氩”处理，就能起到脱氧、脱硫、去夹杂，改善钢包渣流动性等作用，满足了成品钢水的生产要求，获得高洁净度钢，降低了冶炼成本。

1 渣洗工艺简介

1.1 国内外渣洗料发展

世界上最早的渣洗料为1933年法国人Perirn开发出来的。其工作原理是把预先在化渣炉中熔化好的一定组分的炉渣倒入盛钢桶内，吊运至转炉出钢位，然后正常操作出钢，利用出钢过程钢液的冲击，使钢渣乳化，创造良好的条件，使钢中非金属夹杂物及硫的脱除达到最好的效果，同时改善钢中夹杂物的形态［1］。至20世纪50年代，渣洗精炼在前苏联得到了广泛的应用及发展，当时渣中主要组分及其含量为CaO:50%～60%，A12O3:30%～40%，FeO:≤0.5%，SiO2:≤3.0%，但是由于该渣系在反应过程中会产生大量的点状夹杂物，这种夹杂物容易滞留在钢液中从而影响钢的洁净度，所以发展比较缓慢。到了60年代，中国上钢五厂采用渣洗工艺对轴承钢的冶炼开启了中国渣洗精炼工艺的发展历程。随着后来低硫钢，超低硫钢以及耐HIC管线钢等钢种需求量的增加，如何冶炼出含硫量更低的钢种逐渐引起的冶金工作者的重视［2］。

目前生产中采用的精炼渣主要有石灰－高铝熟料(主要成分为CaO－A12O3)渣系、石灰－氟化钙(主要成分为CaO－CaF2)渣系和石灰－高铝熟料－氟化钙(CaO－Al2O3－CaF2)渣系。石灰－氟化钙渣系成渣速度快且有良好的脱硫效果，但是对于包衬侵蚀严重，会造成钢包使用寿命的降低。其次，石灰－氟化钙渣系埋弧效果差，也会造成一定的环境污染;石灰－高铝熟料渣系使用A12O3部分或者全部代替氟化钙后，既能达到良好的脱硫效果，又降低了对环境的污染，另外此渣系虽在防止包衬的侵蚀方面及埋弧操作方面有所改进，但是其成渣速度及精炼效果受到了一定的影响，所以发展前景也不是很好。

目前国际比较流行的渣系为 CaO－Al2O3－CaF2渣系，该渣系通过将活性石灰，高铝熟料及萤石按照一定的比例配置，可满足大部分钢种的冶炼要求［3］。

渣洗料的组分通常包括:基础渣料，脱硫剂，发泡剂，还原剂和助熔剂。其常用组成成分及作用见表 1［4］。

表1 预熔渣成分及其作用

1.2 渣洗冶炼工艺分类

所谓渣洗，就是用合成渣或预熔渣来处理钢液的一种炉外处理方法。根据炼钢工艺分，目前国际上比较常用的渣洗方法主要有三种，即同炉渣洗、异炉渣洗和混合炼钢三种［5］。

1)同炉渣洗精炼法就是在电炉冶炼快到达终点时把渣洗料加入电炉内熔化，待其完全熔化后把渣洗料和钢液同时倒入钢包中进行一系列反应的渣洗精炼方法。山东莱钢在20世纪90年代曾使用此法进行电炉炼钢，实践表明，采用同炉渣洗进行碳素钢、合金结构钢的生产时，平均冶炼时间可减少30 min，吨钢平均电耗下降10 kW·h，炉衬寿命提高20%［6］。

2)异炉渣洗精炼法是目前最有代表性的一种渣洗精炼法，其具体做法为在选择一座容量较小的电炉改装成化渣炉，先用该化渣炉把渣洗料完全熔化混匀后倒出冷却，然后粉碎成需要的粒度，待炼钢炉出钢时，随着钢流一起加入到钢包中进行渣洗精炼的一种精炼方法。实际生产中应用异炉渣洗较多，通常所说的渣洗也指异炉渣洗。

3)混合炼钢就是先在大容量的炼钢炉中按普碳钢的标准把冶炼钢种冶炼成半成品钢液，然后根据钢中需要和炼钢炉中钢液的钢液量计算所需要的合金量和渣洗料用量，然后把所需要的合金和渣洗料加入到另一座容量较小的电弧炉中熔化，待其完全熔化混匀后倒入到钢包中，然后大容量的炼钢炉出钢把钢水倒入到盛有熔融合金和渣洗料的钢包中，使钢液和熔渣及合金完全碰撞、混冲及反应，最终得到目标钢种所需要的成分。

根据精炼渣生产工艺不同可分为三种类型:

1)机械混合型。该工艺是将LF钢包炉精炼渣所需的各种原料(石灰、矾土、萤石等)破碎后按一定比例机械混合而成，具有原料来源广泛、价格低廉、生产工艺简单等特点，目前国内钢包精炼基本上采用此类粉状精炼渣，又称固体合成渣。这种渣由于组分比重的差异易产生成分偏析、性能不稳定，其熔化温度高)一般在1440℃左右［7］，放置时间长时易水化，影响精炼效果，甚至使钢液［H］增加，引起质量问题［8］。

2)烧结型，将要求成分的粉料添加粘结剂混匀后烧结成块状，破碎成颗粒状后使用。这种渣使用情况较机械混合渣有所改善，但此法工序较多生产效率低。

3)预熔型。该技术是将组成精炼渣的各种原料破碎后按一定比例机械混合后用化渣炉熔化成液态渣，冷却凝固机械破碎后制成。预熔渣精炼技术的研究在近年来引起了国内外的广泛关注，其成分均匀、性能稳定，储存时不吸水，在使用时成渣速度快、吸热小、粉尘少，对环境污染小［9］。目前国外炉外精炼基本上采用此类精炼渣，它不仅缩短了冶炼时间，提高了炉外精炼和钢铁产品的质量，节约了能源和冶金材料的利用，而且减少了钢铁厂的粉尘污染，保护了生态环境。从而达到了高效、节能和环保的效果，因此，预熔型精炼渣是目前国内外冶金工作者研究的重要对象之一［10－13］。

1.3 精炼渣洗原理及冶金效果

渣洗时由于钢渣的混冲，液态的熔渣将被分裂成细小的液态渣滴，并弥散分布于钢液中，这将大大增加钢渣间的接触面积，从而促进渣金反应的进行。粒径越小，与钢液的接触表面积就越大，渣洗作用就越强。乳化的渣滴随着钢流紊乱搅动的同时，不断碰撞、合并、长大上浮而与钢液分离［14］。

由于炉外处理方法不同，渣洗的冶金目的和冶金效果也不同。综合起来可达到以下冶金效果:强化脱氧;强化脱硫;去除钢中的夹杂物及部分改变夹杂物形态;阻止钢液吸气;减少钢水温度散失;强化脱磷;改善钢的力学性能。

从合成渣精炼技术应用于炉外处理开始，人们对合成渣的组成及种类进行了广泛研究，其中预熔渣精炼技术的研究在近年来引起了国内外的广泛关注，鉴于预熔精炼渣在炉外精炼技术中的重要地位，工业发达国家的政府、各研究所、高等院校和企业都投入大量人力、物力进行开发研究，并且已得到成熟的商业化应用，如:韩国、日本、欧美等发达国家。近些年来，也逐渐引起中国冶金行业的重视［15］。近年来国内外对预熔渣的研究状况表明，用预熔合成渣对转炉出钢过程的钢水进行“渣洗”，是比较有效的简易脱硫方法。

实践证明，不同操作条件下，转炉出钢“渣洗”的脱硫率可以达到30%～50%。为了提高产品质量，缩短LF精炼时间，甚至减少LF精炼环节，所研制的合成渣洗料已应具备净化钢液去除夹杂作用、钢包渣改质作用、脱氧、脱硫作用以及升温作用［16－17］。为增加转炉冶炼低硫品种钢的灵活性与可靠性，南钢提出采用转炉出钢过程加脱硫剂的方法，将钢水硫含量控制在相对比较低的水平(钢中硫的质量分数≤0.02%)［18］。杭州钢铁集团公司炼钢厂通过“渣洗”处理生产45#钢表明，“渣洗”相较与LF精炼处理，具有不增碳、不增硅的特点;由于渣洗料中配加了一定量的发热剂，出钢温降与非渣洗炉次相比不大;与非渣洗相比，对钢包渣起到改质作用，渣中Al2O3含量分别为18.7%、9.2%，钢包渣熔点较低，流动性良好［19］。在石钢转炉流程的装备条件下，采用转炉出钢“渣洗”方法后，仅利用转炉出钢过程3 min～4 min的“渣洗”时间，脱硫率就达到了32%，比转炉冶炼过程(27 min时的脱硫率大约20%)和LF精炼过程(22 min时的脱硫率大约25%)的脱硫率都高。如果优化操作工艺参数，可进一步提高脱硫效率［20］。

可以看出，无论是实验室实验研究还是工业试验均表明:采用预熔渣不但获得了较好的脱硫效果，可以满足深脱硫的需要而且，通过对渣系的成分选择，可以起到脱硫、去气去夹杂及夹杂物的变性处理的冶炼效果。

为了研究采用渣洗处理的冶金效果，某钢铁公司以SS400钢为研究对象，通过研究新老工艺下钢液脱硫率，显微夹杂成分及含量的变化来分析“转炉→渣洗+吹氩→连铸”工艺生产钢材的洁净度，为现场生产出更高品质的钢种提供理论指导意义。

2 研究内容及研究方案

2.1 研究钢种及所用渣洗料成分

本次实验所取钢种为某钢铁公司炼钢厂所生产的SS400钢种，其成分要求见表2。生产SS400钢种所用渣洗料成分见表3。

表2 SS400钢化学成分

表3 渣洗料成分表

2.2 生产条件

现场分别采取以下两种工艺流程对SS400钢进行生产:

渣洗工艺:原料铁水→转炉+出钢渣洗→吹氩站→中包;

非渣洗工艺:原料铁水→转炉出钢→吹氩站→LF炉→中包。

对两种工艺下生产的钢的脱硫率、及显微夹杂物进行对比分析。

3 冶金效果分析

3.1 两种工艺流程下精炼脱硫率对比分析

渣洗与非渣洗工艺流程下，某钢铁公司炼钢厂SS400钢生产过程中，各工序钢液中硫含量见表4。对生产过程中钢液硫含量以及两种工艺流程下的精炼脱硫率进行分析，如图1所示(成品钢中硫含量为≤0.015%)。

表4 生产过程中各工序钢中硫含量%

图1 各流程下钢液脱硫率

综合分析可知:

1)渣洗工艺下经渣洗精炼处理后，钢液最大脱硫率为44.1%，平均脱硫率为33.4%;流程2下经LF精炼处理后，钢液最大脱硫率为71.8%，平均脱硫率为65.8%;

2)流程2精炼脱硫率是流程1的1.97倍，但是流程2转炉出钢时钢液中［S］含量为流程1出钢时的1.61 倍;

3)流程1下经渣洗精炼处理后，中间包钢液内［S］含量为0.01196%;流程2下经LF精炼处理后，中间包钢液内［S］含量为0.00997%，比流程1中间包钢液内［S］含量低0.00199%;

4)流程1、2中间包钢液内硫含量与成品钢内硫含量相比较，均低于成品钢内含量，可满足生产需求。

3.2 两种工艺流程下钢中显微夹杂物对比分析3.2.1 显微夹杂物成分分析

两种工艺流程下SS400钢生产过程中，中间包及铸坯中显微夹杂物类型及含量见表5，其典型夹杂物形貌及能谱图如图2、图3、图4所示，夹杂物成分见表6、表7、表8。

表5 两种工艺流程下中间包及铸坯中显微夹杂物成分 %

图2 CaO－Al2O3夹杂能谱图

表6 CaO－Al2O3夹杂成分 %

图3 CaO－Al2O3－SiO2夹杂能谱图

表7 CaO－Al2O3－SiO2夹杂成分 %

图4 Al2O3夹杂能谱图

表8 Al2O3夹杂成分 %

分析可知:

1)两种流程下中间包内显微夹杂物主要成分为钙铝酸盐，流程1下中间包内无Al2O3夹杂，流程2下中间包内Al2O3夹杂含量为占总夹杂物含量的13%;

2)两种工艺流程所生产的铸坯中显微夹杂物主要为钙铝酸盐夹杂。

3.2.2 显微夹杂物含量分析

两种工艺流程下SS400钢生产过程中，各取样工序中显微夹杂物含量变化如图5所示。

图5 两种工艺流程下钢中显微夹杂物含量

分析可知:

1)渣洗工艺精炼后钢中显微夹杂物含量为9.345个/mm2，非渣洗工艺精炼后钢中显微夹杂物含量为13.76个/mm2，比渣洗工艺生产钢中显微夹杂物含量高出32.1%;

2)稳态浇铸时，两种工艺中间包内显微夹杂物含量分别为 4.093 个/mm2、11.67 个/mm2，非渣洗比渣洗工艺高出64.9%;

3)稳态浇铸时，两种工艺铸坯内显微夹杂物含量分别为 5.583 个/mm2、7.05 个/mm2，非渣洗比渣洗工艺高出20.8%;

4)渣洗工艺稳态浇铸时铸坯内显微夹杂物含量比中间包内升高1.49个/mm2，可能是由于结晶器卷渣所引起。

4 结论

1)渣洗处理可起到脱氧、脱硫、去夹杂，改善钢包渣流动性等作用，满足了成品钢水的生产要求，获得高洁净度钢，降低了冶炼成本;

2)渣洗及非渣洗工艺中间包钢液内［S］含量分别为0.01196%、0.00997%，与成品钢中硫含量相比较，均低于成品钢内控含量，可满足生产需求;

3)渣洗处理能更好的去除钢中显微夹杂物，非渣洗工艺生产的稳态坯中夹杂物含量为渣洗工艺的1.95 倍;

4)渣洗处理可形成低熔点夹杂物，有利于去除钢中夹杂，提高钢液洁净度;

5)渣洗工艺中间包内没有Al2O3夹杂，非渣洗工艺中间包及铸坯内Al2O3夹杂含量分别占总夹杂物含量的13%、8.6%，渣洗处理能更好的去除钢中Al2O3夹杂。

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ANALYSIS AND EVALUATION ON METALLURGICAL EFFECT OF SLAG WASHING PROCESS

Zhu Liguang Wang Shuoming Ji Dandan Zhang Caijun
(Hebei United University)

It briefly introduced the slag washing process based on documentations at home and abroad，stated its development and metallurgical characteristics and at the same time analyzed metallurgical effect of slag washing process combining with production datus from iron and steel plant.Results shown deoxidation，desulfation and inclusions removing could be achieved from liquid steel through slag washing.

SS400 steel slag washing desulfurization rate inclusion

*河北省自然科学基金资助项目(E2010000931)

*联系人:朱立光，副校长，教授，博士生导师，全国冶金物理化学委员会委员、中国金属学会炼钢委员会委员，河北.唐山(063009)，河北联合大学;

2012—2—2