高效洁净常压下碳脱氧技术研究与实践

梅雪辉 ，吴春杰 ，张晓军 ，李曙光 ，李德军

（1.鞍钢股份有限公司炼钢总厂，辽宁 鞍山 114021；2.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山 114009）

在常规的钢铁生产方法中，脱氧主要依靠铝系或硅系等与氧亲和力比铁大的合金及单质铝来完成。这些元素与溶解在钢液中的氧结合，生成不溶于钢水的脱氧产物，由于其上浮而使钢水中氧含量降低。碳是已知最便宜的脱氧剂，在世界上分布广泛。在钢铁生产中，碳脱氧工艺主要应用于RH、VD等真空精炼设备。但采用真空方式进行碳脱氧的成本高，常用于超低碳钢等高级别钢种的生产。除了真空碳脱氧工艺，转炉炼钢碳脱氧技术的研究通常是在出钢过程中加入碳粉等碳质材料进行脱氧。但是该技术有两个矛盾难以解决，一是碳脱氧反应时间与出钢时间之间的矛盾，人们希望碳脱氧反应时间尽量长一些，使反应充分，但其受出钢时间短的限制，影响反应效果；二是控制溢渣与碳质脱氧材料加入量之间的矛盾，在出钢过程中加入碳质脱氧材料会出现钢渣上涨，容易出现溢渣，碳质脱氧材料加得越多越难控制溢渣，给钢铁生产带来安全隐患。但多数碳脱氧的场景需要多加碳质脱氧材料才能满足脱氧要求。本文论述的方法是在常压下，采用转炉沸腾出钢，沸腾钢水在LF先后加入渣料、碳素脱氧剂（指焦炭类增碳剂或石油焦类增碳剂），在LF升温过程中利用电弧的高温、碳素脱氧剂和渣料中的白灰造电石渣脱氧，提高钢水洁净度，并解决了转炉出钢碳脱氧技术的上述两个矛盾，取得了较好的效果。

1 常压下碳脱氧技术的可行性分析

1.1 电石渣脱氧的热力学分析

钢水进LF前，平均温度按1 570℃（1 843 K）计算。在LF先后加入渣料、碳素脱氧剂并搅拌，之后降电极升温。电弧区温度高达3 000℃（3 273 K）以上。 虽然 3 000 ℃超出了测定标准生成吉布斯自由能的范围，但仍假定钢铁冶金原理（第三版）附表2中化合物的标准生成吉布斯自由能公式在3 000℃是成立的。在这个假设的前提下，进行如下的推理计算。

（1）在升温前和升温过程中，C和O直接发生如下反应：

在钢水中碳氧反应：

在渣中碳氧反应：

（2）在电弧区，C和CaO发生如下反应：

式中，ΔG为吉布斯自由能；R为气体常数；T为钢水开氏温度；K为平衡常数。

所以由式（5）、（6）得出：

当T=3273K时，ΔG＜0，说明反应能够进行下去。

式中，K为标准平衡常数；a、a、a分 别 为CaC、C和CaO的活度；P为CO的压力。

T=3 273K时，K=10，说明反应进行的很完全。在LF电弧的高温下，碳素脱氧剂和以CaO为主的渣料能够反应生成电石渣。

（3）在升温过程中，电石的脱氧反应如下：

1.2 电石渣脱氧的动力学分析

电石渣是一种强还原剂，可以对钢渣和钢水进行脱氧。因电极升温及升温过程吹氩，LF顶渣转变为高度泡沫化的电石渣，钢渣乳化作用极大地加快了钢水罐内的脱氧反应速度。此外，LF升温时间长达8～10 min，在此期间，电石渣持续生成并保证了充分的脱氧时间。在升温结束后，顶渣的氧化铁含量可以达到较低的水平。

2 常压下碳脱氧技术的生产实践

鞍钢炼钢生产工艺流程应用最多的是转炉—LF—铸机，具体为：转炉出钢使用脱氧合金脱氧，钢水进入LF先加脱氧合金镇静钢水，之后加渣料。搅拌化渣后升温、搅拌脱硫、合金化、上机。鞍钢股份有限公司炼钢总厂分别在高、中、低碳钢上进行了常压下碳脱氧试验，均取得了较好的效果。以典型的低碳铝镇静钢钢种DX51D+Z和SWRCH22A为例，对试验的结果进行介绍，钢种成分见表1。

表1 钢种成分（质量分数）Table 1 Compositions in Steel（Mass Fraction） %

2.1 转炉出钢工艺控制

2.1.1 转炉终点碳的控制

对于钢种DX51D+Z，转炉终点碳含量目标控制在0.04%～0.06%。如钢水碳含量低于0.04%，则钢水氧化性较高，会增加铝脱氧剂的消耗。对于钢种SWRCH22A，转炉的终点碳含量目标控制大于0.04%，尽可能留碳出钢，以降低钢水的氧化性。

2.1.2 转炉出钢的控制

转炉出钢采取沸腾出钢，为了防止因出钢碳氧反应剧烈而导致钢水温度损失过大，加入硅锰合金和少量铝系脱氧剂，适当减弱碳氧反应，从而减少出钢温降。

2.2 LF精炼工艺控制

先加入渣料稀释顶渣，再加碳素脱氧剂。升温过程中利用电弧的高温造电石渣脱氧，升温后终脱氧。

2.2.1 溢渣控制及电石渣的生成

转炉生产的沸腾钢水进入LF后，因为C、CaC的脱氧反应会产生大量气体，所以，加入碳素脱氧剂及升温时均存在溢渣风险。控制溢渣的一个解决方法是稀释渣中FeO的浓度，减弱上述反应，即先加入适量的渣料，对顶渣中的氧进行稀释。

在常规LF生产中，先加入脱氧合金镇静钢水，之后加入渣料，渣料不易熔化。但采用常压下碳脱氧工艺时，沸腾钢水中的FeO为很好的化渣剂。渣料一经加入，在吹氩搅拌的作用下快速熔化。为了使渣料熔化得更快并提高电石渣的流动性，白灰和化渣剂的重量配比为2.5:1至3:1。渣料熔化后，加入碳素脱氧剂。

降电极升温，在电极产生的高温下，碳素脱氧剂和渣料中的CaO反应生成CaC。脱氧反应生成的大量气体、底吹氩气与CaC和渣料的混合物共同形成高度泡沫化的电石渣。

2.2.2 电石渣埋弧加热及升温时间的确定

埋弧加热是LF电极升温的一个显著特点，优点是热辐射损失小、电弧加热效率高，对钢水罐渣线损害小，有利于提高电极升温效率，降低LF电耗。

炉渣泡沫化是实现埋弧加热的前提条件，LF泡沫渣的产生除了需要具备一定粘度和表面张力的炉渣，还需要稳定的气源，使炉渣持续发泡。LF吹氩条件下的电石渣就具备上述条件和特点。电石渣保持时间长，可以在升温全过程稳定存在，埋弧效果良好，其升温效率远高于采用精炼渣埋弧加热。

统计生产数据，得到常压下碳脱氧技术钢水升温时间与平均升温速率的关系，见图1。由图1可知，电极升温时间如短于8 min，电石渣升温效率低。但生产中长于10 min又会导致局部温度过高，对钢水罐的渣线可能造成损害。为了保证脱氧效果、升温效率和保护钢水罐渣线，一般电极升温时间控制在8～10 min。在此范围内，时间越长，升温效率越高。如钢水进LF温度过低，则需要分两次升温，将钢水温度升至1 590℃以上进行脱硫。

图1 常压下碳脱氧技术钢水升温时间与平均升温速率的关系Fig.1 Relationship between Heating Time and Average Heating Rate of Molten Steel by Carbon Deoxidization Process at Atmospheric Pressure

2.2.3 碳素脱氧剂加入量的确定

利用碳脱氧技术生产低碳钢，首先要对钢水的涨碳进行控制。既要利用碳素脱氧剂对钢水钢渣进行脱氧，同时又要减少对钢水的增碳。解决这个矛盾除了需要加入适量的碳素脱氧剂之外，还要利用氩气泡边界的碳氧反应原理，即在吹氩搅拌和升温过程中，沸腾钢水中的C和O在氩气泡的边界进行反应。氩气泡对于CO气体相当于真空，在此条件下，C、O可以反应生成CO。钢水罐进站后升温8～10 min，加上前期的搅拌化渣时间，钢水中的碳氧反应时间可以长达10 min左右，从而减少钢水涨碳。

对于钢种DX51D+Z，碳素脱氧剂加入量根据进站定氧得到的钢水中溶解氧的质量分数确定如下：

碳素脱氧剂加入量=钢水量×（成品碳上限-钢水中碳含量+钢水中溶解氧的质量分数-0.02%）/碳素脱氧剂碳含量；其中，钢水中溶解氧的质量分数范围为 200×10～900×10。

对于钢种SWRCH22A，不定氧，按钢种上限加入碳素脱氧剂即可。

2.2.4 首批铝加入量的确定

LF脱氧主要包括脱除钢水中的氧和钢渣中的氧。钢水中的氧可以通过定氧测得，但钢渣中的氧无法测得。LF工序的首批铝加入量主要依靠操作者的经验，采用试探法加铝，加铝量存在很大的不确定性，很难一次加准。多次加铝会增加铝耗及延长处理时间，对钢水的质量不利，会导致钢水中夹杂物含量升高。

常压下碳脱氧技术采用造电石渣对钢渣进行脱氧，脱氧后顶渣FeO含量接近恒定。首批铝加入量主要由钢水中的氧值决定，钢种DX51D+Z升温后首批铝加入量主要根据进站定氧值加入；钢种SWRCH22A升温后因钢水中碳含量能达到0.15%左右，故不需要定氧，首批铝加入量为定值。如上述钢水S含量较高（大于0.030%），可适当增加首批铝加入量。该技术一次加铝比率达到90%以上，杜绝了三次以上加铝，能够提高钢水的洁净度，有利于稳定LF处理时间进而稳定炼钢工序生产节奏。

3 常压下碳脱氧技术的效果

3.1 降低渣中氧化铁的含量

以钢种DX51D+Z为例，碳脱氧后渣中成分见表2。由表2可知，LF工序碳脱氧后（加铝镇静之前），渣中FeO含量均值由29.71%降低到8.76%，MnO含量均值由4.31%降低到1.52%。可见，碳脱氧后LF顶渣氧化性明显降低。

表2 碳脱氧后渣中成分（质量分数）Table 2 Compositions in Slag after Carbon Deoxidization （Mass Fraction） %

3.2 提高一次加铝比率

常压下碳脱氧工艺与常规工艺的LF加铝比率对比见图2。由图2看出，该工艺的一次加铝比率远高于常规工艺。

图2 常压下碳脱氧工艺与常规工艺LF加铝比率对比Fig.2 Comparison of Al Mixture Ratio Added into LF by Carbon Deoxidization Process at Atmospheric Pressure and Conventional Process

3.3 降低脱氧合金的消耗量

常压下碳脱氧工艺生产低碳铝镇静钢比常规工艺降低铝消耗量约27%～33%。不考虑钢水质量提升带来的效益，按2021年年初合金价格计算，仅降低合金成本创效可达10～20元/t钢。

3.4 提高电极升温速率

碳素脱氧剂和渣料在电弧的高温下生成电石渣埋弧效果好。常压下碳脱氧工艺与常规工艺的LF平均升温速率对比见图3。由图3可知，该工艺比常规工艺的平均升温速率高约44%。

图3 两种工艺LF平均升温速率对比Fig.3 Comparison of Average Heating Rates of Molten Steel in LF by Two Processes

3.5 降低LF搬出Si含量

常压下碳脱氧工艺与常规工艺的LF搬出Si含量对比见图4。由图4可知，采用该工艺LF搬出Si含量可以稳定控制在0.024%以下。最低达到0.011%，避免了常规工艺生产低硅铝镇静钢硅含量易超标的情况。

图4 两种工艺LF搬出Si含量对比Fig.4 Comparison of Content of Si in Molten Steel after Refining in LF by Two Processes

3.6 对LF处理时间的影响

统计常压下碳脱氧工艺与常规工艺的LF平均处理时间分别为32.3 min和32.4 min，两种工艺没有明显差异，不会影响炼钢生产的节奏。

3.7 对LF脱硫的影响

统计常压下碳脱氧工艺与常规工艺的LF搬出S含量均值，分别为0.007 8%和0.008 5%，该工艺的LF搬出钢水S含量比常规工艺的略低。

3.8 对LF搬出碳的影响

统计常压下碳脱氧工艺与常规工艺的LF搬出C含量均值，分别为0.057%和0.054%，该工艺LF搬出钢水C含量与常规工艺接近，满足钢水对C含量的要求。

4 结论

（1）常压下碳脱氧技术生产低碳铝镇静钢的顶渣氧化性明显降低。LF一次加铝比率可达到90%以上，杜绝了三次以上加铝。能够提高钢水洁净度并减少铝系、硅系脱氧剂的消耗。不考虑钢水质量提升带来的效益，仅降低合金成本创效可达10～20元/t钢。该技术也可用于大多数高、中、低碳钢的生产。

（2）常压下碳脱氧工艺LF升温效率高，平均升温速率比常规工艺高约44%。在LF处理时间上，该工艺与常规工艺没有明显差异，不会影响炼钢生产的节奏。

（3）常压下碳脱氧工艺能够将低硅铝镇静钢钢水的Si含量稳定控制在0.024%以下，避免了常规工艺生产低硅铝镇静钢Si含量易超标的情况，且对LF处理后钢水的C和S含量没有影响。