铁矾土代替萤石造LF精炼渣的研究与应用

丁胜利，房志琦，温春普，吴雨辰，韩春良

(河钢集团承钢公司 棒材事业部，河北 承德 067000)

由于萤石的主要成分是CaF2，使其具有熔点低且与CaO、CaSiO3生成低熔点共晶物质的特征，故传统的LF炉外精炼工艺大多采用萤石作为助熔剂进行造渣。但是，萤石会与渣中的多种氧化物反应，生成含氟气体，严重污染环境、侵蚀设备和损害人员健康[1-2]。萤石的化渣助熔作用会随着含氟气体的挥发而逐渐失效，因而萤石的化渣助熔作用时间短，不利于炉渣稳定，影响冶炼顺利进行。此外，含CaF2的炉渣会对钢包耐材产生严重的侵蚀，降低钢包的使用寿命，增加钢铁企业的成本负担[3-6]。

为了降低生产成本，提高钢包使用寿命，减少对环境和人身健康的危害，河钢承钢改进了现行的造渣工艺，在100 t LF炉上进行了铁矾土代替萤石造渣的试验，经过多炉次的试验研究，获得了较好的效果，现已成功投入使用。

1 渣系的设计

通过相关文献和CaO-Al2O3相图可知(见图1)，增加炉渣中的Al2O3含量可以促使Al2O3与CaO形成低熔点化合物12CaO·7 Al2O3促进化渣[7-8]。铁矾土Al2O3的含量较高，可达到45%以上，且铁矾土中所含有的SiO2和Fe3O4成分都具有很好的助熔效果，所以本实验选用铁矾土代替萤石作为助熔剂，通过调节铁矾土的加入量，将渣中的CaO与Al2O3控制在以低熔点的铝酸钙12CaO·7 Al2O3为主体相范围内。12CaO·7 Al2O3在CaO-Al2O3相图中的位置如图1所示。由图1可知，12CaO·7 Al2O3的熔点为1 362℃比萤石的熔点1 371℃要低，且这种化合物所具有的多孔疏松结构，使其更易于熔解，同时可作为促进渣中其它组分熔化的熔剂，使精炼渣的总体熔点下降。因此用本方法造的精炼渣具有熔点低的特性，有利于精炼渣的快速形成，提高冶炼效率和效果。

图1 CaO-Al2O3相图

1.1 渣成分与脱硫能力间的定量关系

CaO-Al2O3-SiO2-MgO渣系的硫的分配系数和硫容量之间存在下列关系[7,9]：

lgω((S))/ω([S])=-770/T+1.30+lgCS-

lga[o]

(1)

炉渣的脱硫能力可以根据式(1)进行计算，炉渣的硫容量CS可以根据式(2)～(4)渣钢间的平衡反应来计算。

[S]+(O2-)=(S2-)+[O]

(2)

lgCS=12.6Λ-12.3

(3)

Λ=XAΛA+XBΛB+…

(4)

可知渣的硫容量取决于渣的组成，渣的脱硫能力是光学碱度Λ、温度和钢水氧化性a[o]的函数。

1.2 渣成分与脱氧能力间的定量关系

精炼渣要具有一定的脱氧能力，不仅要考虑钢中溶解氧，还要考虑钢液中脱氧产物的去处。精炼渣脱氧能力的大小可用式(5)进行计算[10]。

ω(TO)=-744.17+2 138.39Λ-1 465.14Λ2

(5)

1.3 渣成分与发泡能力的关系

LF炉精炼渣的泡沫埋弧作用，不仅可以减少钢液温度的损失，电弧对包衬的辐射，还能降低钢液的吸气量。渣成分的合适配比与适宜的物性是气-渣能够充分乳化、增强熔渣储泡能力的关键。发泡指数与光学碱度的关系式为[11-12]：

Σ=-79.56+230.50Λ-0.266ω(Al2O3)-

162.80Λ2+0.348Λω(Al2O3)+0.14×

10-3ω(Al2O3)

(6)

根据以上精炼渣的脱硫、去氧、发泡能力与光学碱度的关系，联立式(1)～(6)，并将钢水中的硫含量，全氧含量、白渣等作为优化条件，可建成非线性优化方程组，对方程进行求解可得到精炼渣目标成分，如表1所示。

表1 LF精炼炉渣目标成分组成 %

2 试验过程

2.1 原料分析

用石灰作为渣料，使用铁矾土作为助溶剂，并且辅以碳化硅、电石和硅钙粉在LF炉中精炼造渣，所用原料的主要化学成分如表2～4所示。

2.2 工艺方案

整个精炼过程中，每吨钢中加入石灰量为2～6 kg，加入铁矾土量为2～4 kg，碳化硅的加入量为0.5～1.5 kg。钢水到达LF精炼站后，先将石灰、铁矾土和碳化硅物料向钢包内加入总量的2/3，其余在加热过程中视炉渣熔化情况加入；在下降电极前，每吨钢中加入电石0.2～0.4 kg，然后下降电极进行造还原渣精炼，为了确保整个LF精炼过程炉渣发泡，每吨钢需使用电石0.5～1.2 kg；在精炼过程中，根据当前炉次的脱硫任务和炉渣的冶炼状况，向渣中投入0.2～0.5 kg硅钙粉(每吨钢)。

表2 铁矾土和石灰主要化学成分 %

表3 硅钙粉主要化学成分 %

表4 碳化硅和电石主要化学成分 %

3 结果与讨论

3.1 应用效果

用上述方法进行LF炉精炼生产中，精炼渣表现出熔点低、化渣快，脱氧、脱硫能力强，钢包内衬寿命长等特点，并且炉渣状况稳定，始终处在较好状态并能够保障埋弧精炼的效果。为了验证该方法造的LF炉精炼渣是否满足预设的渣成分要求，选取了4个具有代表性炉次的精炼渣进行化学成分分析，结果如表5所示。

表5 LF精炼渣成分 %

从表5可以看出精炼渣的成分控制较好，均达到了表1设定的目标范围。

3.2 效益分析

随着人们的不断开采，萤石资源日益短缺，价格不断提升，当前价格均在1 200元/t以上。铁矾土由于资源丰富，价格相对便宜(600元/t左右)。使用铁矾土代替萤石造精炼渣，吨渣成本能降低200～300元。用铁矾土代替萤石造渣，不仅能够减轻萤石对钢包耐火材料的侵蚀，提高钢包的使用寿命，而且减少了萤石产生的氟化物对除尘设备、水质和人身健康带来的危害，具有很大的经济和环保效益。

4 结 论

1) 铁矾土能有效的调整LF炉精炼渣成分，降低炉渣熔点，促进化渣。使用铁矾土代替萤石作为助熔剂造精炼渣的方法是切实可行的。

2) 使用价格低廉的铁矾土代替萤石造LF炉精炼渣能够显著降低生产成本，吨渣成本降低200～300元。

3) LF炉用铁矾土代替萤石进行造渣，能明显改善操作条件，提高钢包耐材和除尘设备的使用寿命，降低对环境的危害。