低碳铝镇静钢LF炉精炼渣优化研究

巴钧涛 高建军 王 欢 时一钧

(中国第一重型机械股份公司天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

试验研究

低碳铝镇静钢LF炉精炼渣优化研究

巴钧涛 高建军 王 欢 时一钧

(中国第一重型机械股份公司天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

我公司冶炼低碳铝镇静钢LF炉采用CaO-Al2O3渣系。通过化学成分及X射线衍射分析发现原用渣系中铝酸钙主要以3CaO·Al2O3形式存在。该组成对夹杂物吸收能力弱，是造成钢锭中氧化物夹杂含量高的重要原因。为使CaO-Al2O3渣系中铝酸钙以低熔点相12CaO·7Al2O3形式存在，通过降低萤石加入量，提高Al2O3量优化渣系，使CaO/Al2O3的摩尔比为1.7左右。优化渣系的现场应用结果表明，渣中铝酸钙大多以12CaO·7Al2O3形式存在，钢锭中氧化物夹杂明显减少。同时由于减少了萤石的加入，炉衬冲刷减轻，避免了钢锭中镁铝尖晶石夹杂物的出现。

低碳铝镇静钢；渣系;夹杂物；优化

我公司部分重点锻件为低碳铝镇静钢，锻件中产生的大多数夹杂为氧化铝夹杂或含有氧化铝的尖晶石类复合夹杂物。为了充分润湿、吸附及溶解夹杂物，我公司在低碳铝镇静钢的精炼上采用CaO-Al2O3渣系。因为该渣系主要组元为铝酸钙，具有高的Al2O3和CaO容量，在冶炼过程中可以通过加入石灰提高碱度，不仅可增大脱硫能力，而且其本身具有高的Al2O3含量，所以对钢中铝脱氧产物Al2O3夹杂的润湿、吸附及溶解能力很强[1]。北京科技大学陈斌等人研究发现，12CaO·7Al2O3炉渣组成为SiO2=6%，Al2O3=46%，CaO=48%。与合金结构钢钢液进行了试验，结果表明，该渣具有很高的碱度，90 min反应结束后钢中TO=0.000 6%～0.001 3%，S=0.000 4%～0.001 0%。为控制钢中总氧含量，应将炉渣碱度控制在9左右。钢中生成的夹杂物大都是低熔点、球状、尺寸很小的钙镁铝硅酸盐类夹杂物，这类夹杂物能够避免钢材产生各向异性，并且在轧制时能够稍许变形，能够提高钢材的抗疲劳性能[2]。

CaO-Al2O3渣系精炼造渣过程加入石灰后渣中的Al2O3将发生如下变化：Al2O3→CaO·6Al2O3→CaO·2Al2O3→CaO·Al2O3→12CaO·7Al2O3→3CaO·Al2O3，其中12CaO·7Al2O3的熔点最低(约1 455℃)，渣子流动性好，对脱硫及吸附氧化铝夹杂具有良好的动力学和热力学条件。为了获得12CaO·7Al2O3相，需要控制精炼渣中加入石灰的量和钢液中加入的铝量，保证渣中CaO与Al2O3的摩尔比为1.7∶1左右。CaO-Al2O3系的5个中间相及其物理性质如表1所示，其CaO-SiO2-Al2O3系相图中的分三角形如图1所示。

表1 CaO-Al2O3系的中间相及其物理性质Table 1 Intermediate phase & physical properties of CaO-Al2O3 slag system

表2 原用CaO-Al2O3渣系化学成分(质量分数，%)、碱度及CaO/Al2O3摩尔比Table 2 The chemical composition(mass fraction, %) & alkalinity & CaO/Al2O3 mol ratio of original CaO-Al2O3 slag system

图1 CaO-SiO2-Al2O3系相图中的分三角形Figure1 The dividing triangles in the phase diagram of CaO-SiO2-Al2O3 slag system

图2 原用渣X射线衍射分析结果Figure 2 The X-ray diffraction result of original slag

1 原用渣系评价

为了对原用铝酸钙渣系进行评价，取11炉低碳铝镇静钢的渣样，每一炉次在出钢前取渣样对其进行化学成分分析及X射线衍射分析。分析其晶体结构组成，并对其中6120196炉次所对应钢锭靠近冒口端锭身取钢样进行金相和扫描电镜分析，分析其夹杂物类型、数量及大小。

1.1 化学成分分析

采用荧光光谱法对原用铝酸钙渣系中的Al2O3、CaO、SiO2、CaF2、MgO、MnO、FeO含量进行测试，并计算CaO/SiO2二元碱度及CaO/Al2O3的摩尔比。表2为11炉渣样各种组元百分含量的平均值、碱度及CaO/Al2O3的摩尔比。

从表2可以看出，我公司冶炼低碳铝镇静钢所用CaO-Al2O3渣系中Al2O3含量只有26.5%，CaO/Al2O3的摩尔比为3。这说明此渣系中铝酸钙主要以3CaO·Al2O3形式存在，该组成对夹杂物吸收能力不如12CaO·7Al2O3强。另外，钢水精炼期间没有含任何MgO的造渣材料加入，但通过测试发现渣中MgO含量却到了惊人的16.6%，这说明精炼包包衬冲刷严重。

1.2 X射线衍射分析

由于荧光光谱只能分析各种组元百分含量，并不能确定铝酸钙以何种晶体结构形式存在，因此采用X射线衍射分析物质内部原子在空间分布状况的结构，以确定铝酸钙的存在形式。图2为6120196炉次出钢前渣样的X射线衍射分析结果。

从图2可以看出，析出的主要晶体为3CaO·Al2O3、CaO和SiO2，与化学成分分析计算结果一致。进一步说明该渣系中Al2O3含量过低或者CaO含量高，并没有形成想要的低熔点12CaO·7Al2O3相。

1.3 金相分析

在进行夹杂物的分析统计时，按夹杂物特征尺寸将其分为小颗粒夹杂和大颗粒夹杂。研究定义的小颗粒夹杂：放大倍数200倍条件下能够准确辨认的50 μm以下的夹杂，其试验统计的夹杂物特征尺寸为10 μm～50 μm；大颗粒夹杂则为特征尺寸大于等于50 μm的夹杂。记录样品中夹杂物大小和数量，每个试样观察150个视场。本次试验放大倍数100倍，每个试样观察200个视场。对6120196炉次所对应钢锭靠近冒口端锭身取试样进行金相分析，发现200个视场中共出现了13个夹杂物。表3为金相夹杂物统计结果。

图3 夹杂物扫描电镜能谱及照片Figure 3 Energy spectrogram of scanning electron microscope and the photo of inclusion appearance

表3 金相夹杂物统计结果Table 3 The statistics results of metallographic inclusions

表4 扫描电镜测试夹杂物的重量百分比及原子百分比(质量分数，%)Table 4 Weight percentage & atom percentage of inclusions tested by scanning electron microscope(mass fraction,%)

由表3可以看出，小于25μm含量的氧化物夹杂物个数较多，无硫化物。

1.4 扫描电镜分析

对做完金相试验的试样做扫描电镜分析。共分析了9个夹杂物，其中两个不规则形状的为镁铝尖晶石，尺寸为10 μm ～15 μm；3个球型夹杂物为铝酸钙夹杂物，最大的一个尺寸为80 μm；两个镁铝酸钙夹杂物；含有MnS、FeO的镁铝酸钙复相夹杂物1个。图3为其中对材料性能影响严重的镁铝尖晶石夹杂物的能谱图及照片。表4为扫描电镜测试夹杂物的重量百分比及原子百分比。

2 优化渣系实验

2.1 设计原则

从原用渣系来看，需要从两方面优化。一是要减小石灰量和增大Al2O3量，使得CaO/Al2O3最佳摩尔比为1.7，这样可使铝酸钙渣系主要以12CaO·7Al2O3低熔点共晶物为主；二是要控制萤石加入量或少加萤石。因为高铝渣系本身熔点很低，在同样钢液过热度下流动性极好，不加萤石或少加萤石可以减轻对包衬的冲刷，提高钢包寿命并减少钢锭中镁铝尖晶石夹杂物的出现。根据这两个原则对原用渣系进行了优化，并在6120214炉次上进行了实验。

图4 优化渣X射线衍射分析结果Figure 4 The X-ray diffraction result of optimized slag

表5 优化CaO-Al2O3渣系化学成分(质量分数，%)、碱度及CaO/Al2O3摩尔比Table 5 Chemical composition (mass fraction, %) & alkalinity & CaO/Al2O3 mol ratio of optimized CaO-Al2O3 slag system

2.2 化学成分及X射线衍射分析

对6120214炉次优化渣系取样分析化学成分，见表5。X射线图谱如图4所示。

从图4可以看出，析出的主要晶体为12CaO·7Al2O3。说明优化渣系设计成分合理，使铝酸钙大多数以低熔点相12CaO·7Al2O3形式存在。

图5 优化渣系钢锭夹杂物扫描电镜能谱及照片Figure5 The energy spectrogram of scanning electron microscope and the photo of ingot inclusions with the optimized slag system

表6 优化渣系钢锭金相夹杂物统计结果Table 6 Statistics results of metallographic inclusions in the ingot with the optimized slag system

表7 优化渣系钢锭扫描电镜测试夹杂物的重量百分比及原子百分比(质量分数，%)Table 7 Weight percent and atom percent of ingot inclusion with the optimized slag sytem tested byscanning electron microscope(mass fraction,%)

2.3 金相及扫描电镜分析

同样，对6120214优化渣系炉次所对应钢锭靠近冒口端锭身取样进行金相和扫描电镜分析。表6为金相夹杂物统计结果。

由表6可以看出，金相分析发现200个视场中共出现3个夹杂物，单位面积氧化物夹杂数量大大减少，说明优化渣系吸收夹杂物能力强。图5为铝酸钙夹杂物的能谱图及照片。表7为扫描电镜测试夹杂物的重量百分比及原子百分比。

由图5和表7可以确定，优化渣系所对应的都为铝酸钙夹杂物，没有镁铝尖晶石夹杂物出现。说明降低萤石含量后液渣对包衬的冲刷大大减轻，这样可以大幅提高包衬寿命及钢锭冶金质量。

3 结论

(1)冶炼低碳铝镇静钢原用渣系的主要化学成分中Al2O3含量为26.5%，二元碱度为7.6，CaO/Al2O3的摩尔比为3。X射线衍射结果证明原用精炼渣中铝酸钙以3CaO·Al2O3形式存在，与化学分析计算结果一致。

(2)原用渣系中萤石含量较高，包衬冲刷严重，造成渣中MgO含量过高，是钢锭中产生镁铝尖晶石夹杂物的重要原因。

(3)优化渣系通过降低渣中萤石量，提高Al2O3量，使CaO/Al2O3的摩尔比为1.7左右。通过X射线检验证明优化渣中铝酸钙大多以12CaO·7Al2O3形式存在。同时，金相检验结果验证了钢锭中夹杂物数量明显减少，并且由于减少了萤石的加入，炉衬冲刷减轻，避免了钢锭中镁铝尖晶石夹杂物的出现。

[1] 王书桓，唐国章，李福民，等. 12CaO·7Al2O3型精炼合成渣物性与脱硫试验.河北理工学院学报,2001,23(3):9-12.

[2] 陈斌，蒋敏，王新华. 12CaO·7Al2O3炉渣与合金钢液的反应.钢铁研究学报，20(10):14-16.

编辑 杜青泉

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Research on Low Carbon Aluminum-Killed Steel LF Furnace
Refining Slag Optimization

BaJuntao,GaoJianun,Wanghuan,ShiYijun

CaO-Al2O3refining slag system is used by the low carbon aluminum-killed steel LF furnace in our company. By means of chemical composition analysis and X-ray diffraction analysis, it is found out that the calcium aluminate is mainly in the form of existing in the original slag system. This composition has the low absorption capacity for inclusions, which is the main cause of the high oxide inclusions content in the steel ingot. In order to make the calcium aluminate in the 3CaO·Al2O3slag system exist in the form of low melting point phase 12CaO·7Al2O3, the amount of adding fluorite has been reduced, and the Al2O3content has been increase to optimize the slag system, the Mol ratio of CaO/Al2O3has been about 1.7. The application of the optimized slag system in the field shows that calcium aluminate in the slag mostly exist in the form of 12CaO·7Al2O3, and the oxide inclusions content in the ingot has been greatly reduced. In the meantime, due to the decrease in adding fluorite, furnace lining erosion has been mitigated, and has avoided occurrence of the magnesia alumina spinel inclusions.

low carbon aluminum-killed steel; slag system; inclusions; optimize

2013—09—24

TF744

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