炼钢生产中转炉炼钢脱氧工艺分析

亢旭晨，刘小冬，马桂芬

（天津市新天钢联合特钢有限公司，天津 301500）

由于世界各地的钢厂之间竞争激烈，各钢铁企业不断地、逐步地增加资本支出和质量管理。利用最新的技术和工艺改进产品，降低投资成本，这也是钢铁企业在提高产品竞争力阶段的一个重要目标。在目前的钢铁生产过程中，在转炉炼铁中不可避免地会产生氧气，因此有必要了解氧气在钢铁冶金中的有害作用，实施合理的脱氧方案，引进合理的脱氧技术，提高有效脱氧效果［1-6］。

1 转炉炼钢脱氧工艺理论分析

转炉炼钢的主要设备是旋转炉，旋转炉呈球状，由炉壁上的可燃气体混合物组成，炉体可在任何方向上旋转360°，生铁生产的主要原料是废钢，转炉炼铁在整个冶炼阶段是一个抗氧化反应，其中主要能量被引导到脱碳、磷化、脱硫和脱氧，以去除有害空气、杂质等。并提高温度，改变成分。在铁水温度和成分的冶炼期间，采用热平衡法，加入白灰、软烧式等冶炼系统，达到钢铁冶炼最理想的温度和成分条件，使冶炼结果有效，正确的pH值和氧化镁C、P、S等都合理地产生，予以消除。在钢铁冶炼阶段应采用脱氧合金技术，以满足钢铁生产的要求，因为吹炼阶段不符合钢铁质量的要求，铁水、废钢等在空气顶吹和高炉上方产生强烈的化学氧化反应，最后铁水中充满氧气，无法满足钢铁工业和钢铁产品的要求。

2 炼钢生产中氧的产生及其危害

冶炼钢水中的氧气通常是由溶解的非金属氧形成的，主要是在各种金属原料的加热过程中以及在生产过程中吹氧炼铁形成。无论哪种钢铁生产技术，从钢铁中去除碳、磷、硅和锰等重金属元素都需要空气氧化反应，空气和杂质结合形成氧化合物，杂质被完全溶解。然而，钢水中缺乏氧气的问题不能被忽视。当钢水的成分被氧化，杂质的浓度降低时，钢水中的高氧浓度开始增加。然而，在钢水尚未脱氧时，钢水中的高氧浓度氧化物和冷却过程中钢水发生的化学反应，导致奥氏体晶界处的大部分FeO分解，半成品的连铸钢坯不能形成足够的凝固结构。这种情况会损害钢铁的质量，削弱钢的成型性，造成热脆性和钢的进一步氧化。同时，钢水中的氧含量会促进硫的降解，并与其他化合物反应，形成氧化物杂质，渗透到钢中，降低其热力学性能。当钢液硬化时，钢中的溶解氧和碳发生化学反应，形成CO气泡，这些气泡分解后会导致铁流的沸腾。铁流中的氧气浓度越高，产生的CO就越多，铁流沸腾的时间就越长。根据沸点和脱氧技术的能力，钢水可分为沉淀、半沉淀和沸腾钢。这些钢水产生大量的CO气泡，导致钢锭中气体含量高，钢锭结构松散，钢的热容量和硬度下降。因此，需要充分的除氧，以控制铸铁流的氧饱和度，防止钢水中的氧转移，避免铁流的沸腾。为了提高钢的质量，钢坯或钢锭的设计和配置应满足上述要求。

3 转炉炼钢脱氧技术的现状

在冶炼方面，硅是主要的氧化剂，正是由于硅的生产导致了低碳钢的发展。然而，硅的氧化能力很低，所以氧化往往是不完全的，导致金属内部出现大量的金属气泡。使用氧化硅也会导致大量的硅盐酸进入钢中，这对原钢的利用率有很大影响。然而，氧化过程中产生二氧化碳的化学成分通常是偏向于酸性，导致大量的硫和硫化物从钢溶液中被去除。到了20 世纪30 年代，铝镀锌工艺技术已经变得更加先进，生产氧化铝陶瓷的经济成本也相对较低。因此，铝脱氧技术很快就出现了，这在一定程度上促进了国内冶金和钢铁生产中脱氧技术的创新。铝脱氧剂是由铝脱氧材料组成的，氧化铝陶瓷具有很高的脱氧能力，可以很大程度上消除炼钢水中的金属氧化。与铝脱氧相比，脱氧化铝的氧化不仅能显著提高氧化效果，还能有效降低钢中的SiO2浓度。此外，由于氧化铝是中性的，它不会影响钢渣的pH 值，也不会导致磷或硫回流到水中反向流动。因此，氧化铝仍被用作中国和国内钢厂的主要脱氧材料。然而，氧化铝的总含量太高，不能用于最合理用途，而工业钢铁生产的总成本正在迅速上升。为了提高氧化铝的经济使用价值，复合氧化剂如硅酸铝铁、氧化锰铁和氧化钡与硅铝钡一起生产，与氧化铝陶瓷相比，复合氧化剂的整体密度高于纯氧化铝，从而使还原性更好。同时，复合氧化剂因氧化而分解的温度相对较低，有利于其去除氧气含量。

4 转炉炼钢脱氧工艺分析

沉淀和扩散脱氧法是钢铁冶金的主要脱氧方法，所有脱氧过程都需要使用氧化剂。最常见的氧化剂是锰、硅和氧化铝，它们在氧化过程中与氧气发生化学作用，形成各种氧化合物。例如，锰是一种温和的氧化剂，用于氧化炉钢，铝是一种强氧化剂，用于氧化沉淀钢，而由两种或多种氧化剂组合得到的组合氧化剂具有很好的氧化功能和效果，还可以形成液体氧化剂，它可以用于脱氧物质的上浮和氧化剂的去除。

4.1 沉淀脱氧工艺

当沉淀脱氧工艺应用时，脱氧剂的种类和使用对脱氧工艺有决定性的影响。随着脱氧理论的不断深入和转炉、冶金钢的使用，脱氧技术，特别是以钙为基础的沉淀脱氧技术，在目前的工业生产技术中得到了应用，取得了较为明显的脱氧效果，使脱氧效益得到提高。

（1）钙系脱氧剂的研究。钙系脱氧剂的主要成分是钙、碳、硅、钡、铼和铝等。如果将原钢的性能与钙系脱氧剂的各种成分很好地结合起来，可以改善脱氧剂与吸氧剂的结合，达到优良的脱氧效果。

（2）研究钙系脱氧剂的作用机理。钙作为主族的第二种元素，比其他元素具有更广泛的潜力。钡也与碳酸钙同属微量元素，具有良好的氧化性；硅钡与铝混合在硅铁中可获得氧化作用。钙和钡的平均摩尔比为1.00∶3.43，这意味着需要3.43 kg 的钡达到与上述过程中除去相同数量的金属氧化物后加入1 000 g碳酸钙时相同的脱氧效果。然而，碳酸钙在钢中的溶解度相对较低，在1 600 ℃时高于0.3%，而且它不会直接溶解于固体铁。此外，1 600 ℃时碳酸钙在钢中的最大蒸汽压力是大气压力的两倍，因此碳酸钙产品的最大蒸汽压力很高，使用碳酸钙作为脱氧剂的成本很高，不能提高钢铁工业的效率。因此，为了达到高氧化效果，提高氧化剂的质量，应该提高碳酸钙在钢中的溶解度。这种方法可以与在碳酸钙中加入一定量的硅和碳等元素来提高碳酸钙在钢中的溶解度的方法相结合。

4.2 普碳钢脱氧工艺

对于通过碳钢的氧化工艺进行炼钢生产，要遵循以下过程：（1）在氧化过程的第一阶段，在转炉产品中加入相对便宜的气体以增加碳含量。（2）在硅铁和硅锰合金的共同作用下，氧化过程和脱氧合金化过程应依次进行。（3）深层次的氧化过程是在氩气炉中进行的，如果钢是在转炉中生产的，而回旋转炉中的光洁度超过0.05%，则应在钢液填满炉底时加入碳化剂，仔细监测碳化剂的溶解状态和钢包翻腾状态，并检查相应的硅铁和硅锰合金，确保质量符合规范。事实上，如果在检查后加入脱氧合金，可以直接加工，但如果回旋转炉的最终产品小于或大于0.05%，相应的硅铁和硅锰合金是在加工超过20%的钢后加入的，增碳材料和其他原料应按工艺提前氧化。在加工结束后，它们被送回转机炉，完成脱氧合金化过程。吹氩过程中在强度和时间上按照规范严格控制，设备的完整性得到保证。假设在脱氧过程之前使用增碳剂可以生产出高碳的钢，并且使用生产成本较低的硅铁进行脱氧，那么与之前使用的方法相比，脱氧过程优化步骤的经济优势是相当大的，可以通过提高脱氧过程的安全性和稳定性以及减少脱氧时间的方法实现普通碳钢的脱氧。

4.3 真空脱氧工艺

真空氧化法是用抽空氧气的方法提供最大程度的真空，将待处理的钢液置于高真空条件下，破坏碳氧状态，催化碳和氧的化学交换，快速释放出一氧化碳和钢液，完成氧化过程。在低碳氧化过程中加入适当的放射性气体，也可以促进钢铁的燃烧，在整个低碳氧气形成的化学步骤中发挥催化作用。气体中CO 的分解也有助于加速钢铁的碳化，并在低碳氧的整个化学步骤中起到催化作用。气体中的CO分解可以加速钢的碳化，减少钢的劣化。空气中的CO分解还可以通过促进钢材混合和提供更好的化学现象来提高氧化过程的质量，并可以通过减少氧化剂和二氧化硅的用量来减少氧化过程的投资量。一些工业生产过程中使用的技术更为简单，这意味着其他生产过程，如大转炉或电炉，被认为是改善和保证钢铁产品质量的最佳途径。

4.4 扩散脱氧工艺

扩散脱氧的主要方法是将脱氧剂直接注入炉渣中，即利用化学反应减少炉渣中的氧化铁量，使氧化铁按分布规律从钢中转移到原炉渣中。因此，当氧化铁被人为减少时，钢中的氧化铁就会转移到炉渣中。然而，钢中的碳浓度并不是熔池氧气浓度的最重要因素，但焊渣中产生的氧化铁量决定了熔池中的氧气浓度。这种效果可以通过在焊渣中加入减少氧化铁含量的金属混合物或直接加入到钢容器中混合的钢水中来实现。因此，扩散除氧主要有两种类型：炉内脱氧和钢桶脱氧。在炉内脱氧中，氧化剂直接添加到炉渣中，需要结合金属材料，如碳、镁和硅，在炉内氧化也会使金属中的氧化产物减少，合金元素和氧化剂损失明显减少。然而，这种方法有缺点，如扩散速度低，整体生产效率低，炉衬寿命短。如果使用强氧化剂，磷的生物利用率也较高，强氧化剂与钢的质量和炼钢工艺的氧浓度极限密切相关，因此，炼钢工艺应根据氧浓度的风险对炼铁生产设定一定的极限。

5 结 论

炼铁产品的质量取决于炼铁生产过程中对氧浓度的有效控制，因此，炼铁生产过程中氧气浓度的控制应特别以最大允许的氧气浓度为基础。本研究的目的是提供科学和技术指导帮助，特别是通过确定转炉生产炼铁中的限制因素，分析转炉生产炼铁氧的产生及其对炼铁工艺的影响，并介绍脱氧技术及其在转炉生产工艺中的具体应用等问题，从而提高转炉生产炼铁效果，有效提高脱氧效果。