以优化脱氧方式降低脱氧剂单耗的研究

孙海坤，张忠福，李 毅，晏 武，王 哲，张彦龙，付有彭，张李鹏

（日照钢铁控股集团有限公司， 山东 日照276800)

1 影响脱氧的主要因素

1.1 脱氧的必要性

在氧气转炉和电弧炉的炼钢过程中，均采用向金属熔池供氧以氧化除去铁水中的碳、硅、磷、硫等杂质的方法。为了获得高的反应效率，必须向熔池供入足够的氧，在冶炼临近结束时，钢液处于“过度氧化”状态。即钢液中高于与钢中碳、锰等元素的氧含量。

1.2 氧对钢性能的影响

氧是在钢的凝固过程中偏析倾向最严重的元素之一，在钢液的凝固和随后的冷却过程中由于溶解度的急剧下降，钢中原来溶解的氧由a或b相中析出，并以铁氧化物、氧硫化物等细微夹杂物富集在晶界处。钢中氧含量的增加会降低钢材的延性、冲击性和抗疲劳破坏性能，提高钢材的韧—脆的转换温度，降低钢材的耐腐蚀性能，此外，氧含量高的钢材还容易发生时效老化，在高温加工时由于结晶处的杂质偏析形成低熔点网膜，还会导致产生热脆。

1.3 钢中氧元素与有害元素硫元素的关系

硫是活泼的非金属元素之一，性质与氧类似，通常以单质形态溶解于铁液中。对于大多数钢种而言，硫的存在都会降低其加工和使用性能。一般钢种w(S)＜0.03%，优质的钢种要求硫含量更低一些，然而炼钢过程中的氧化反应不利于脱硫。根据实验表明：刚水中的氧化物远远比其硫化物要稳定，因此只有钢水中的氧经脱氧剂充分的预脱氧才能生成硫化物。

经试验研究以及数据积累，硫化钙的溶解度积最小，因而CaS是最有效的脱硫剂，硫化钙的溶解度积和氧化钙的溶解度积均对铁液中的氧化钙脱硫有很重要的意义（具体公式详见1、2）[1]。

氧化钙的脱硫反应反应式：

式中：a[O]为钢水氧浓度；a[S]为钢水硫浓度。

实验数据表明：必须用强脱氧剂把氧活度降下来，才能使脱硫反应向生成硫化物的方向进行。

1.4 脱氧产物的去除

根据流体力学原理，即上浮的速度与固体颗粒和液体之间的差成正比，与液体的黏度成反比，颗粒与半径的平方成反比，由于钢液的黏度、钢液和脱氧产物的密度差不会有很大的变化，长期以来人们认为主要靠夹杂物的半径才能有效地去除钢液的脱产物。

1.5 LF炉脱氧剂种类

目前LF炉才用的脱氧方式有直接脱氧、扩散脱氧、真空脱氧法三种方法[2]。直接脱氧是用于氧亲和力较铁与氧亲和力强的元素铝（见下页图1）作为脱氧剂，脱氧剂直接与钢液直接作用，反应产物右钢液上浮排除，到达脱氧目的。

直接脱氧是目前为普遍采用的一种脱氧方式。炼钢脱氧时，对于一些质量比较轻或易气化的脱氧剂则多采用向钢液喂丝线或喂包芯线的方式加入到钢液中，直接脱氧反应速率快，操作简单，成本低。当前LF炉采用的是铝线、铝粒、电石的复合脱氧的方式。但是铝制品脱氧目前成本比较高，而且部分脱氧产物会滞留在钢液中成为非金属夹杂物。接下来需要解决脱氧剂消耗高带来的成本问题[3]。

图1 铝元素特性

电石化学名称为碳化钙，分子式为CaC2，外观为灰色、棕黄色、黑色或褐色块状固体，使用钙系脱氧剂优化脱氧工艺后，锰铁和硅铁回收率与硅铝脱氧剂相比较提高5.1%和2.72%，同样脱氧脱硫也达到很好的效果，用电石脱氧既节约一定的石灰渣料，也通过CO气泡的上浮进一步出去N、H气体，还可以提高合金Mn的回收率。同时可以改善钢水的流动性，有效地去除钢中的夹杂物，提高钢水的纯净度，防止水口的结瘤。转炉出钢使用电石主要是将过高的溶解氧去除。部分形成的产物更有利于去除，是脱氧工艺的进步，在生产中切实可行[4]。

2.脱碳炉脱氧方式

脱碳炉改进方式：由料仓加入铝锭大于300 kg进行预脱氧调整为铝锭+铝线+硅铁的方案（如表1），同时在出钢过程中手动加入电石和碳粉进行预脱氧，减轻LF炉的脱氧压力。

表1 不同废钢比脱氧方式

3 LF炉脱氧方式

3.1 优化电石的加入方式

通过优化电石的加入方式、调整电石加入时机、增加电石用量（见表2）；在保证埋弧的前提下，电石可以达到脱钢渣中一部分氧，从而降低脱氧剂单耗，图3为电石消耗与脱氧剂消耗关系。

3.2 优化精炼渣系

通过引进钢渣改质剂、优化石灰的用量、优化电石的加入方式等调节渣系，提高钢渣的流动性，加快变渣速度，降低铝粒的消耗。

通过渣系三元相图可得，渣中CaO逐渐在降低；渣中Al2O3含量逐渐升高；渣中SiO2无明显的波动；渣样数据显示渣样打点的整体区域正在向左偏移，钢种渣系向低熔点中心方向偏移（图4、表3），通过优化渣系提高变渣速度，减少铝制品的消耗，降低脱氧剂单耗。

表2 不通碳含量电石加入量

图3 电石单耗约脱氧剂单耗趋势

图4 精炼渣三元相图

表3 精炼渣成分计算表

3.3 LF炉石灰用量控制

通过脱碳炉的终点的变化，灵活的调整LF炉的石灰用量（特定钢种）见下页表4，控制LF炉石灰的加入频次，控制石灰质量（降低生杂）减低脱氧剂。

4 结论

1）根据废钢比调节脱碳炉的脱氧方式，可降低脱氧剂单耗。

表4 石灰用量标准

2）提高电石加入量及优化电石加入方式，在保证埋弧的前提下可以降低脱氧剂单耗。

3）使用钢渣改质剂提高渣中Al2O3含量，提高钢渣流动性加快变渣速度，可以降低脱氧剂的单耗。

4）根据脱碳炉终点宏观调控LF炉石灰用量，优化石灰量质，控制LF炉补加石灰频次可以降低脱氧剂单耗。