CN111719036A - 一种lf炉采用电石渣冶炼的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低碳低硅铝镇静钢领域，具体为一种LF炉采用电石渣冶炼的方法。LF炉进行精炼时，电石渣做为脱氧剂与精炼渣中FeO反应，并且其反应产生的CO使其具有发泡功能，改善炉渣埋弧效果，减少钢水裸露，促使渣钢反应界面迅速增加，并且可避免钢水二次氧化。通过LF炉精炼引进电石渣的加入，降低A1₂O₃含量，降低精炼渣的熔点，精炼渣的熔点控制在1350～1460℃范围内，A1₂O₃质量含量控制在10％～30％。本发明解决现有技术中铝镇静钢存在的生产成本高，铸坯质量不理想的主要问题，主要采用电石渣代替铝质脱氧剂进行脱氧操作，降低铝质脱氧剂的消耗量来降低铝镇静钢中A1₂O₃夹杂物的形成。

Description

一种LF炉采用电石渣冶炼的方法

技术领域

本发明涉及低碳低硅铝镇静钢领域，具体为一种LF炉采用电石渣冶炼的方法。

背景技术

随着社会对钢种性能要求的日益提高，研究如何提高钢种洁净度已然成为一个主要发展趋势。加铝深脱氧可在短时间内有效降低钢中溶解氧，是获得洁净钢水的重要手段。但实践表明对于含铝较高的钢种，在开浇及浇铸过程中容易出现水口结瘤现象，造成铸机停浇，导致生产率下降。很多研究者已对铝镇静钢的水口堵塞进行了深入研究，意图解决钢水的可浇性，但到目前为止铝镇静钢的连浇依旧比较困难。

在中国钢市“三高一低”(即高产量、高库存、高成本、低价格)显著特征的影响下，钢材价格一直是涨涨跌跌，跌跌涨涨。一直没有一个良好的突破。价格低、市场需求少、成本压力大、钢材出口形势不容乐观，出口量减少等因素。在这样环境下，充分利用原有生产经验和国内外先进技术水平，深入研究其生产工艺。首先稳定产品质量，降低产品生产成本，提高产品市场竞争力，是目前主要研究方向。

低碳低硅铝镇静钢在生产中因脱氧不适导致钢水可浇性变差，浇铸时发生水口结瘤，引发生产事故；另外，水口粘附物掉入结晶器内，会对铸坯质量造成严重隐患。因此，对低碳低硅钢浇铸水口堵塞现象进行研究，有利于改善钢水的可浇性，增加连浇炉数，降低生产成本。很多研究者对于铝镇静钢水口结瘤的生成机理进行了研究，因其主要成分为A1₂O₃，产生于钢中溶解氧和加入的铝之间的反应，是典型的脱氧生成的夹杂物，其熔点为2323.15K，具有较高的界面能，与钢水的润湿角为1400，界面张力较大，且A1₂O₃有相互聚群倾向，两个10μm Al₂O₃夹杂粘结只需0.03s，粘结力很大且粘附后有足够的强度。因此，氧化铝夹杂容易通过碰撞、积聚形成大颗粒夹杂，在浇注过程中析出，并粘附在水口周围，造成水口结瘤。已经证实Al₂O₃形成的串状夹杂物，如：Al₂O₃、Al₂O₃-MgO和Al₂O₃-SiO₂难以从钢液中去除，容易引起水口堵塞，从而导致整个浇铸过程中断，是影响铝镇静钢可浇性的主要因素。

含铝钢种生产时，采用铝质脱氧剂进行脱氧工艺，由于钢水中加入大量的铝质脱氧剂，导致钢水整体夹杂物含量增加；为了保证钢水可浇性，必须严格控制钢水铝含量以及钢中夹杂物，特别要求高熔点A1₂O₃夹杂物要少，需要钙处理改变A1₂O₃夹杂的存在形态，提高钢水纯净度。另外针对目前钢铁市场的严峻形势，降低生产成本成为主要控制方向，LF冶炼含铝钢时，采用大量铝质脱氧剂，成本较高。为了提高铸坯质量，降低生产成本，引进非铝质脱氧剂为达到以上任务的重要控制手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LF炉采用电石渣冶炼的方法，解决现有技术中铝镇静钢存在的生产成本高，铸坯质量不理想的主要问题，主要采用电石渣代替铝质脱氧剂进行脱氧操作，降低铝质脱氧剂的消耗量来降低铝镇静钢中A1₂O₃夹杂物的形成。

本发明的技术方案是：

一种LF炉采用电石渣冶炼的方法，LF炉进行精炼时，电石渣做为脱氧剂与精炼渣中FeO反应，并且其反应产生的CO使其具有发泡功能，改善炉渣埋弧效果，减少钢水裸露，促使渣钢反应界面迅速增加，并且可避免钢水二次氧化。

所述的LF炉采用电石渣冶炼的方法，电石渣加入方式：先加入生石灰，通电1～2min加入电石渣，再分批次加入铝粒。

所述的LF炉采用电石渣冶炼的方法，通过LF炉精炼引进电石渣的加入，降低A1₂O₃含量，降低精炼渣的熔点，精炼渣的熔点控制在1350～1460℃范围内，A1₂O₃质量含量控制在10％～30％。

所述的LF炉采用电石渣冶炼的方法，钢中Als含量控制0.030wt％，钙含量Ca/Als≥0.08。

所述的LF炉采用电石渣冶炼的方法，LF炉精炼时进行钙处理，钙铁线的喂线深度为距离钢包底部300～400mm深处，喂线速度应在2.5～3.5m/s间，钙铁线使用为300～400m/炉。

本发明的优点及有益效果是：

⑴本发明电石即CaC₂非铝质脱氧剂，使用电石代替铝粒进行脱氧可以有效提高钢水纯净度，并且很大的降低生产成本。目前炼钢厂精炼LF炉主要以板坯含铝钢生产为主，生产过程易出现絮流现象，并且由此带来铸坯质量问题，并且针对目前成本压力，LF炉采用电石渣冶炼工艺将带来良好的经济以及社会效益。

⑵本发明LF炉采用电石渣冶炼的工艺以后，炼钢厂生产含铝钢种以及H08系列控氧钢种可浇性得到明显提高，铸坯质量得到了改善。并且降低了铝质脱氧剂、钙铁线的消耗，有效降低了炼钢厂成本，为炼钢厂带来良好的经济以及社会效益。

⑶本发明通过电石渣代替铝质脱氧剂冶炼铝镇静钢，降低钢水Al₂O₃夹杂物形成，铝镇静钢钢水纯净度得到提高，非金属夹杂物评级不高于2.0级。

⑷本发明通过电石渣加入时机、方式不同的试验，找到了使用电石渣最为有效的加入方式。

附图说明

图1为现有技术中水口堵塞物检测分析示意图。其中，(a)中间包絮流物一，(b)中间包絮流物二，(c)中间包絮流物的成分分析图。

图2为化渣前后渣色变化图。其中，左图为化渣前，右图为化渣后。

图3为不同电石渣加入方式渣色情况图。其中，左图为方式一，右图为方式二。

图4为CaO-SiO₂-Al₂O₃三元相图。

图5为钢中酸溶铝与夹杂物之间的关系。

图6为喂线速度与钙铁线回收率之间的关系。

图7为连浇炉数与换水口情况图。

具体实施方式

如图1所示，针对出现中间包絮流炉次的中间包絮流物进行取样、电镜扫描，结瘤物呈白色，且不均匀。将其制样进行成分分析，扫描分析结果显示水口结瘤物主要组成为A1₂O₃-CaO-MgO，其中A1₂O₃质量分数在70％以上。通过扫描絮流物质，确定为物质为A1₂O₃夹杂，则得出中间包水口结瘤的主要原因是A1₂O₃夹杂堵塞水口导致。鉴于以上分析，控制A1₂O₃夹杂含量成为控制水口结瘤的主要因素。

在具体实施过程中，低碳低硅铝镇静钢的生产工艺路线：混铁炉—铁水预处理(脱S、扒渣)—120吨转炉(顶底复吹)—钢包底吹氩—120吨LF炉精炼—双流板坯连铸。

本发明LF炉采用电石渣冶炼的方法，钢水可浇性控制过程如下：

在铝镇静钢浇铸过程中，为了避免固态A1₂O₃的形成，常用的方法是对钢水进行钙处理，使高熔点的A1₂O₃与CaO结合形成低熔点的铝酸钙，从而提高钢水的浇注性能。钙处理后，钢水中夹杂物要控制在合适的熔点，如果钙处理不当，不但不能改善钢水的浇注性能，反而会导致夹杂物熔点过高或造成水口内壁侵蚀，加剧水口结瘤。另一个方法是对精炼渣进行调整，控制渣中低A1₂O₃活度和高CaO活度，提高炉渣吸收A1₂O₃或高A1₂O₃含量夹杂物的能力。总之，需要降低钢水中A1₂O₃夹杂含量。通过采用非铝质脱氧电石渣来代替一部分铝质脱氧剂方式来降低A1₂O₃夹杂的形成，再通过造渣、钙处理等工艺优化来实现降低钢水中A1₂O₃夹杂含量。

1、炼钢工艺优化

有资料表明，钢水中悬浮的A1₂O₃是水口堵塞物中A1₂O₃的主要来源团。根据夹杂物上浮排除理论，夹杂物直径越大，随着软吹氩或钢水镇静的时间延长，越易从钢水中排除。因此，转炉“脱氧前移”对夹杂物的去除无疑是非常有利。炼钢厂转炉工序采取一下几点措施来执行“预脱氧”工艺。

⑴严格控制终点氧含量，防止钢水过氧化，另外冶炼过程避免“点吹”以及出钢“下渣”，防止钢水过氧化，从源头减少钢水夹杂物生成量。

⑵转炉出钢合金化以后，加入150～200kg生石灰，出钢结束后吹氩搅拌3min，调整氩气至软吹状态，向渣面加入15～20kg铝粒。

⑶点吹、下渣以及过氧化的炉次，铝粒使用量增加10～15kg。

通过预脱氧工艺，有利于大颗粒夹杂的上浮，并且通过此工艺降低了炉渣氧化性，稳定了氩站成分铝含量的控制，进一步降低了LF精炼炉的处理难度。采用预脱氧工艺前后炉渣组份见表1，预脱氧前后铝含量变化情况见表2。

表1预脱氧前后炉渣组份

由表1可见，预脱氧后降低了渣中TFe含量。

表2预脱氧前后铝含量变化

铝含量	最高(wt％)	最低(wt％)	平均(wt％)
				老工艺	0.085	0.012	0.055
预脱氧	0.065	0.020	0.042

由表2可见，铝含量较老工艺控制稳定。

2、LF炉精炼工艺优化

第一，脱氧剂的优化使用

⑴电石渣代替铝粒造渣的可行性分析

①理论分析

电石渣主要成分为CaC₂，其与氧反应方程式如下：

CaC₂+3[O]＝CaO(s)+2CO(g) △G＝-75300-37.51T

CaC₂+3(FeO)＝CaO+3Fe+2CO(g)

通过反应方程式可以看出，电石渣可以做为脱氧剂与精炼渣中FeO反应，并且其反应产生的CO使其具有发泡功能，可以改善炉渣埋弧效果，减少钢水裸露，促使渣钢反应界面迅速增加，并且可避免钢水二次氧化。

②实践验证

从理论上进行分析，电石渣可以实现脱氧的目的。为了确定其实际情况，在生产实际过程中进行试验标定。主要采取手段为在LF炉化渣期间不使用其他脱氧剂，仅加入电石渣来试验其是否具备脱氧能力，通过LF炉化渣前后渣中FeO含量变化以及渣色变化来衡量其是否可以达到脱氧的效果。化渣前后渣中FeO含量变化见表3，渣色变化见图2。

表3化渣前后渣中FeO含量变化

由表3可见，LF化渣后FeO呈降低趋势。由图2可见，化渣前渣色为黑色，化渣后渣色为褐色。鉴于以上分析，电石渣代替铝粒进行渣中脱氧是切实可行的。

⑵电石渣加入方式试验

经过试验已确定电石渣可以代替铝粒进行渣中脱氧，但是如何加入电石渣才能达到最佳效果，主要采取两种方式进行对比分析。

方式一：随生石灰一起加入，铝粒分批次加入60～80kg，观察化渣后渣色情况以及脱硫情况。

方式二：生石灰加入后，通电1min加入电石渣，再分批次加入铝粒60～80kg，观察化渣后渣色情况以及脱硫情况。

通过两种不同加入方式的对比试验，得出对比数据如下，表4为两种加入方式脱硫率对比，图3为渣色对比。

表4两种加入方式脱硫率

脱硫率	最大	最小	平均
				方式一	36％	20％	33％
方式二	50％	20％	42％

由表4可见，方式二脱硫效果相对较好。由图3可见，方式二脱氧效果、渣色变化相对良好。

⑶实际效果

确定加入方式以后，铝粒消耗量明显降低，钢种A1₂O₃夹杂降低。

第二，电石渣对精炼渣系的优化

⑴熔点

精炼渣的熔点一般控制在1300～1500℃的范围内。图4中标识区间为熔点在1350℃以内的CaO-SiO₂-A1₂O₃基础渣成分区间。从相图中熔点的等温曲线分布可以看出A1₂O₃含量对CaO-SiO₂-A1₂O₃基础渣熔点的影响非常明显，所以说A1₂O₃主要是调整炉渣熔点。由图中可以看出，熔点在1350～1460℃范围内的A1₂O₃质量含量控制在10％～30％较为合理。通过LF炉精炼引进电石渣的加入，降低了A1₂O₃含量，降低了精炼渣的熔点，有利于精炼渣的吸附能力。

⑵发泡性能

精炼渣的发泡性能与熔渣的粘度、表面张力和密度有关，一般用发泡指数来衡量。发泡性能有利于夹杂物的碰撞、上浮，加入的电石渣与精炼渣中FeO反应产生大量CO气体，有利于提高精炼渣发泡性能。

⑶吸附A1₂O₃夹杂能力

精炼渣系吸附A1₂O₃能力主要与渣系A1₂O₃和CaO活度有较大关系。由铝氧平衡可知，A1₂O₃活度降低将有利于铝氧平衡正向进行，从而促进钢液中生成的A1₂O₃穿过渣钢界而进入渣中。而CaO能与A1₂O₃形成多种钙铝酸盐，CaO活度的增加将有利于渣系吸附A1₂O₃夹杂，提高渣系脱氧能力。从电石渣反应式⑴可以看出，加入电石渣也增加了精炼渣中的CaO活度，更进一步的提高了渣系吸附A1₂O₃夹杂的能力。鉴于此，电石渣的加入，降低了精炼渣的熔点，提高了其发泡性能，达到了提高精炼渣吸附A1₂O₃夹杂物的能力。

第三，铝含量的控制研究

Als控制过低时会增加溶解氧的含量，不但会造成钢中氧化物增加，还会影响钢的组织性能。随着Als的提高，一方面可以使溶解氧迅速地降低到较低水平，细化钢的晶粒；另一方面浇注时较高的Als会增加钢液的二次氧化，产生滞留在钢中的A1₂O₃夹杂物导致钢水浇注时出现絮流，且生成AlN在铸坯凝固时晶界析出易导致裂纹。

钢中[Al]与T[O]之间的关系是复杂的，常压下铝脱氧能力可用以下方程式进行计算。

2[Al]+3[O]＝(A1₂O₃)

lnk⁰＝64000/T-20.57

根据方程式可知，随着钢中Als的增加，溶解氧将明显降低，也就是说钢中Als对夹杂物有显著的影响，得出的结论如图5所示。鉴于此，钢中Als含量控制0.030wt％为最佳。

第四，钙处理工艺优化

关于夹杂物形态及成分的控制，国内外专家研究表明：当铝脱氧产物通过钙处理转变为12CaO.7A1₂O₃时，因其熔点仅1455℃，因此很容易上浮并被吸附到炉渣中。在进行钙处理时，从理论上讲反应产物应按CA6—CA2—CA—C12A7方向变形，为确保夹杂物变性处理，必须控制加入钢水的钙含量，如Ca不足，则A1₂O₃无法转变为液态铝酸钙；Ca加入量过大，可能生成CaS也容易导致水口堵塞和水口侵蚀加剧。在钙处理中，需要优化喂线量、喂线速度、温度以及喂入深度等参数，确保钢中[Ca]/[Al]等指标以保证生成的钙铝酸盐处于低熔点区域，使夹杂物在钢液中易上浮去除。

⑴钙铁线喂入点优化选择

喂线的水平位置与钢包吹氩位置有关。对于喂Ca-Fe线而言，Ca的蒸气压很大，而且既使是液态Ca，其密度也比钢液小很多，只有1.48g/cm³(450℃)，因此液态Ca在钢液中所受到的浮力也相当大。所以钙铁线喂入点的水平位置应选择在钢液下降流的中心位置，这样无论Ca是以气态还是以液态进入钢液，都会在下降流的作用下，强制其下降，然后再上浮，或随包底抽吸流被带到透气砖的上升流中去，从而延长了其在钢液中的停留时间，使其充分发挥作用。

⑵钙处理深度确定

合适的喂线深度与包芯线的熔落深度有关。包芯线喂入一定深度时开始熔落，其深度应保证熔落分散的钙气泡受到较大的钢水静压力，促使其在浮到钢液面以前就尽可能完全消耗。喂线深度一般以距离钢包底部300～400mm深处为宜。而为保证喂线深度，喂丝导管应尽量接近钢液面，确保其插入深度。

⑷喂线速度的确定

合适的喂线速度可以提高钙的收得率。如果速度过快，一方面会因局部产生的大量钙蒸气而使得钢液剧烈翻腾，大量钙蒸气直接暴露挥发到空气中，另一方面因钙蒸气来不及溶解而大量上浮，从而降低其收得率；反之，如果速度过慢，会导致喂入深度不足，在其能完全溶解于钢液前便上浮到钢液面而浪费掉。通过试验我们确定最佳的喂线速度应在2.5～3.5m/s间，喂线速度与钙回收率之间的关系见图6。

⑸钙处理量的确定

相关文献指出，为确保A1₂O₃完全转变为12CaO·7A1₂O₃，需要确保Ca/Als≥0.08。而酸熔铝控制目标为0.030％。所以，钙含量需要大于24ppm。根据钙含量需求，以及钙铁线回收率测算得出，钙铁线使用为350m/炉。

3、连铸工序工艺保证

为确保钢水良好的可浇性，连铸机也起到至关重要的作用，为了保持进入连铸环节的钢液的清洁度，必须在此环节防止夹杂物的生成和带入，采取的相应措施如下：

⑴防止钢液的二次氧化

钢液的二次氧化是指钢液脱氧后，继续和空气中的氧或其他氧化物作用，使钢中的氧含量升高。为了防止钢液的二次氧化，应对钢液进行保护浇注，具体措施如下：

①注流的保护。钢液注流的保护包括钢包注流的保护和中间包注流的保护。通常有长水口、浸入式水口及惰性气体屏蔽等方法。通过注流保护浇注，既可以防止注流的二次氧化，又可避免浇注时钢流冲击液面使钢液裸露而造成的二次氧化.因此，全程保护浇铸。

②使用中间包覆盖剂。为了防止钢液的二次氧化，生产高纯净钢，仅仅靠对注流的保护是不够的，因为中间包内高温钢液裸露于空气中，同样会受到空气的污染，因此减少钢液的二次氧化的另一措施就是在中间包内加覆盖剂。从提高钢水清洁度的角度来讲，覆盖剂应具备隔绝空气、绝热保温、吸收从钢液中分离出来的非金属夹杂物的功能。

③使用结晶器保护渣。在结晶器中高温钢液面上加入低熔点的渣，会迅速形成粉渣层，烧结层和液渣层三层结构，并均匀地覆盖整个钢液面，将空气与钢液隔开，有效地阻止空气中的氧进入钢液。但是，渣中氧化物(如FeO)的存在会增加渣金界面的氧势，提高了液渣层中氧的扩散速率，促进空气中的氧经过渣层进入钢液中，因此一般要求保护渣中FeO<4wt％，优选小于1wt％。

⑵防止钢包渣、中间包渣和结晶器保护渣的卷入

钢包渣、中间包渣和结晶器保护渣被卷入钢液后将直接成为钢液中的夹杂物或夹渣。钢包渣在一炉钢水浇注后期易进入中间包。中间包渣的卷入是由于中间包入口处钢液扰动导致的，结晶器渣的卷入主要是山于结晶器内钢液面的扰动导致的，针对这几种情况，相应地有三种防止方法。

①为防止钢包渣进入中间包，可采用下渣检测技术。电磁检测法目前已被国际土广泛运用，有效地减少了钢包的下渣量。

②为防止钢水进入结晶器时，在水口上方产生旋涡而使中间包渣卷入结晶器，通常可采用塞棒及控制中间包钢液面高度的方法。为了减少钢液卷渣，必须保证钢液面高于产生旋涡的临界高度。

③为防止结晶器保护渣进入钢液，应采用形状适宜的浸入式水口，并保证浸入式水口的插入深度合理，既要避免深度过浅造成钢液面翻滚卷渣又要避免深度过深造成钢液的冲击深度过深将夹杂物直接带入钢液。另外应避免拉速波动大导致结晶器液面波动，进而发生卷渣。

通过LF采用电石渣冶炼工艺技术研究，板坯铝镇静夹杂物控制水平显著提高，连浇炉次也得到良好控制。夹杂物检测结果见表5，连浇炉次以及换水口情况见图7。

表5非金属夹杂物级别的检测

类别	A	B	C	D
					检测数量/项	130	130	130	130
0级频次/％	75	45	32	80
					0.5级频次/％	43	46	72	41
1.0级频次/％	12	27	20	9
					1.5级频次/％	0	12	8	0

由表5可见，非金属夹杂物平均主要以0、0.5级为主。由图7可见，连浇炉次平均可达到16炉次，平均每浇次更换2支水口。

实施例结果表明：

⑴通过项目可行性分析，确定电石渣在理论上是可以代替铝质脱氧剂进行脱氧，达到降低钢水Al₂O₃夹杂物形成的目的。

⑵通过电石渣的试验使用，确定了电石渣代替铝质脱氧剂造渣的可行性，并通过电石渣加入方式不同，得到了使用电石渣的最优方案。

⑶通过LF精炼炉采用电石渣冶炼工艺，铝质脱氧剂的消耗量明显降低，可浇性提高显著，连浇炉次可稳定在16炉次，最高达到20炉次，整体上降低了生产成本。

⑷通过对水口堵塞物质的检测，确定了降低Al₂O₃夹杂是提高可浇性的主要研究方向。Al₂O₃夹杂物的降低，钙铁线的消耗量相应降低。可浇性提高、连浇炉次的增加。从合金、耐材成本方面均得到良好控制，达到降低生产成本的目的。

Claims (5)

1.一种LF炉采用电石渣冶炼的方法，其特征在于，LF炉进行精炼时，电石渣做为脱氧剂与精炼渣中FeO反应，并且其反应产生的CO使其具有发泡功能，改善炉渣埋弧效果，减少钢水裸露，促使渣钢反应界面迅速增加，并且可避免钢水二次氧化。

2.按照权利要求1所述的LF炉采用电石渣冶炼的方法，其特征在于，电石渣加入方式：先加入生石灰，通电1～2min加入电石渣，再分批次加入铝粒。

3.按照权利要求2所述的LF炉采用电石渣冶炼的方法，其特征在于，通过LF炉精炼引进电石渣的加入，降低A1₂O₃含量，降低精炼渣的熔点，精炼渣的熔点控制在1350～1460℃范围内，A1₂O₃质量含量控制在10％～30％。

4.按照权利要求3所述的LF炉采用电石渣冶炼的方法，其特征在于，钢中Als含量控制0.030wt％，钙含量Ca/Als≥0.08。

5.按照权利要求1所述的LF炉采用电石渣冶炼的方法，其特征在于，LF炉精炼时进行钙处理，钙铁线的喂线深度为距离钢包底部300～400mm深处，喂线速度应在2.5～3.5m/s间，钙铁线使用为300～400m/炉。

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