关于AOD 还原过程和一种判断还原效果方法的探讨

庞文坚，匡海浪，肖 壮，周 涛

（北部湾新材料有限公司，广西 北海 536000）

1 AOD还原现状概述

（1）还原时间基本不充足、存在不少炉次因省时间而缩短还原时间的情况，还原时间不够，还原不充分，脱氧、去除杂质不彻底，导致的还原成分偏差大，补加料合金消耗多以及后续的一些质量问题。

（2）对还原的任务认识不足，还原料加入量计算不够准确，有些炉次还原回来没硅，部分金属氧化物未还原回来，留在渣中倒出到渣盘导致合金的浪费。

（3）如何依据还原回来的渣色渣性判断炉内还原情况能力欠缺，对还原性差的渣子、无硅的渣子、渣子流动性不好的渣子判断不好。

2 研究AOD 还原的意义

（1）确保AOD 还原充分，还原成分准确，提高合金收得率，降低不必要的消耗。

（2）还原期尽量多去除杂质，提高钢水质量。

（3）认识还原渣，根据还原渣性渣色估测钢水中硅、硫的含量，及时调整，缩短冶炼时间。

3 AOD还原的任务

（1）调整钢液合金成分，保证成品钢中所有元素含量都符合钢种要求。

（2）调整炉渣成份，使炉渣碱度合适，流动性良好，具有较好还原性，把渣中金属氧化物充分还原回来。

（3）除去钢水中磷、硫等非金属杂质，充分脱氧和去除氧化物杂夹。

（4）根据需要调整好钢水温度。

这些任务间有着紧密联系，脱氧是核心，温度是条件，造渣是保证。

4 AOD还原原理

4.1 金属氧化物的还原反应

AOD 氧化期结束后，炉渣中包含较多的金属氧化物，主要包括Cr2O3、MnO、FeO 等，需要加入还原剂进行还原。AOD 还原剂主要是硅铁或者硅锰合金。涉及的反应方程式如下[1]。

4.2 还原温度控制

还原温度的控制基本决定了出钢温度。根据钢种对温度的不同要求，要在还原期调整好还原温度。还原温度主要受氧化期终点温度、还原期冷料加入量影响，综合考虑这两方面因素，计算还原温度不达到要求的要在还原前烧硅升温。还原温度计算公式。

T——还原终点温度。

T1-——氧化终点温度。

T2-——烧硅升温温度。

T3-——还原料降温温度。

T4-——冷却气降温和熔池散热热量损失。

烧硅升温温度计算:查询资料得每氧化1%硅熔池升温约343℃[2]，举例以75 吨目标钢水量按75m³/min 流量供氧，氧气利用率92%，以此计算AOD 炉送氧1 分钟的温升。

氧气质量M=1.429*75*0.92=98.601kg。

烧硅反应方程式：Si(s)+O2=SiO2。

一分钟氧气消耗硅：98.60/32*28=86.27kg。

换算成硅铁：86.27/0.75=115.03kg。

每分钟升温：86.27/75000*343*100=39.45℃。

冷料降温计算：通过计算冷料固体状态的升温比热容和升温数，熔化热耗以及液体状态的比热容和升温数，可以大致算出各冷料加入熔池的降温经验值，见表1。

每炉加入合金料约8 吨，萤石1.5 吨。

熔池降温数：T3=8*16+1.5*22=161℃。

冷却气搅拌7 分钟降温和散热综合经验值为4.5℃/min。

氧化终点温度1680℃，送氧气3 分钟。

综上，计算75 吨目标钢水量，以75m³/min 氧流量烧硅升温，加入9.5 吨还原冷料还原7 分钟，则还原终点熔池温度理论值：T=1680+39.45*3-161-31.5=1605.85℃。

表1 加入1%冷却剂时降温经验数据

图1 钢水中硅含量与渣中Cr203 含量的关系

图2 碱度与渣中Mn0 含量的关系

表2 某钢厂200 系主要元素含量表

4.3 硅铁消耗计算

充分认识硅铁在还原期的作用，才能明白硅铁应该加入多少量。硅铁在还原期的主要作用有三方面：升温、还原、合金化。

4.3.1 升温

冶炼200 系列钢种，在还原期加入了大量的还原料，还原温度不足，必须烧硅升温。升温的时间根据实际温度要求控制，按照烧硅升温方法可算出升温耗损的硅铁量。依然以75m³/min 流量供氧三分钟计算消耗硅铁量：m=1.429*75*0.92*3/32*28/0.75=345.1kg。

4.3.2 还原

AOD 渣中主要氧化物有Cr2O3、MnO、FeO,而其中Cr2O3占绝大部分。计算出还原铬所需要的硅铁量，基本上就可以确认还原所需要的总量。AOD 铬的收得率基本在96%左右，根据碳样的铬含量和加入的铬总量，可估算出被氧化的铬的质量，根据反应方程式（1）即可算出还原铬所需要硅的量。被氧化的铬的质量有两种计算方法：①被氧化的铬质量=铁水中铬的质量+高碳铬铁的铬质量-氧化终点的铬质量；铁水中铬的质量和高碳铬铁的铬质量都可以直接计算，氧化终点铬的质量需要根据碳样的铬含量进行估算。②经验公式：被氧化的铬质量=(理论铬含量-碳样铬含量)*理论钢水量；以75 吨目标钢水量冶炼J1 钢种举例：铁水兑入59 吨，铁水含铬3.5%，加入高铬15.5 吨（铬含量55%），碳样铬13.0%、锰0.4%。加入还原料9 吨（硅锰、电解锰）合金化后理论计算钢水量78 吨，则还原前的钢水量可按理论钢水量的83%计算（因为氧化的程度和各炉次喷溅不同，还原前的钢水量也不一样，83%是经验值，对绝多数炉次较准确），即78*0.83=64.74 吨。

（1）理论被氧化的铬=59000*0.035+15500*0.55-64740*0.13=2173.8kg。

铬收得率按96%计算，减去总量的4%。

即（59000*0.035+15500*0.55）*0.04%=423.6kg。

需要还原的铬：2173.8-423.6=1750.2kg。

需要的硅：84*1750.2/208=707kg。

换算成硅铁：707/0.75=942kg。

（2）被氧化的铬=（15.2-13）*0.01*78000=1716kg。

需要的硅：84*1716/208=693kg。

换算硅铁：693/0.75=924kg。

比较两种算法结果基本相近，但方法B 过程计算较快速。

同理可算出被氧化的锰的质量和还原锰需要的硅：（59000*0.008-64740*0.004）*28/110=54kg。

则还原MnO 所需要的硅铁为72kg；氧化亚铁等其他氧化物的量根据经验值耗费200kg 硅铁即可（300 系钢种可同理推算）。

4.3.3 合金化

根据终端成份对硅含量的要求计算。J1 硅含量0.27-0.6%，按0.35%计算：75000*0.0035=262.5kg，换算成硅铁：262.5/0.75=350kg。

综合需要硅铁总量：345+942+72+200+350=1809kg，换算成高硅硅锰（28%）4846kg。

还原回来的硅到底需要有多少，才能保证还原充分，查阅相关资料，没有一个统一的说法。于是统计了大量的还原样以及还原渣数据分析，得出如下图1、图2 的数据。

从图中数据可以看出随着钢水中硅含量的提高，渣中Cr2O3的含量相应减少；渣中MnO 含量随碱度变化明显，碱度越低，其含量越高。综合数据分析，钢水中硅含量应保证大于0.20%，碱度大于1.80，方可保证渣中氧化物的充分还原。图3 为常见硅低于0.2%的还原渣状态。

图3 常见钢水硅低于0.2%的还原渣

4.4 还原期脱硫的反应机理

炼钢过程中，硫等元素的反应主要在熔渣与金属液间进行。钢中的硫主要来自铁水、废钢、铁合金、造渣剂（如石灰、铁矿石等。硫在渣中以的形式存在。钢中常含有大量的合金元素，如Mn、Si、Al、Ti 等。通常只有少量的硫固溶于钢中，大部分则存在于夹杂物中。

在酸性渣中几乎没有自由的离子，因此，酸性渣脱硫作用很小；而碱性渣则不同，具有较强的脱硫能力。影响钢渣间脱硫的因素主要有熔渣成分、钢液成分和熔池温度等，具体如下。

（1）熔池温度。钢渣间的脱硫反应属于吸热反应，吸热在108.2 kJ/mol ～128 kJ/mol 之间，温度升高，反应的平衡常数和硫的分配系数增加，有利于脱硫。另外，升高温度还可加速石灰的溶解和提高渣的流动性，可提高脱硫速度。因此，高温有利于脱硫反应进行。

（2）炉渣碱度。碱度提高，可提高炉渣中(CaO)或的活度，这有利于提高硫分配比。但提高碱度时，应注意保持炉渣良好的流动性。

（3）渣量。增大渣量，可使钢水中的硫含量降低。

4.5 脱氧

脱氧是指向炼钢熔池或钢水中加人脱氧剂进行脱氧反应，脱氧产物进人渣中或成为气相排出。常用脱氧元素有Mn、Si、Al、Mn 和Si，常以铁合金的形式作脱氧剂。

在炼钢实践中，脱氧与合金化一般几乎同时进行。加人钢中的脱氧剂，一部分消耗于钢的脱氧，转化为脱氧产物排出钢液；另一部分则被钢液吸收，起合金化作用。而加入钢中的大多数合金元素，因其与氧的亲和力比铁强，也必然起一定的脱氧作用。因此，有时不可能把脱氧与合金化操作截然分开，而是二者联系紧密。合金化操作的关键问题是合金化元素的加入次序，一般的原则是。

（1）脱氧元素先加，合金化元素后加。

（2）脱氧能力比较强而且比较贵重的合金，应在钢水脱氧良好的情况下加人。

（3）熔点高、不易氧化的元素，可加在炉内。根据以上原则，为使合金化元素损失少、收得率高，合金加入次序应根据合金元素对氧的亲和力决定。Ni、Cu、Mo、Co 等元素与氧的亲和力低，可随炉料一起加人或在冶炼过程中加入；而Mn、Cr、Si、Ti、Al等与氧的亲和力较强或很强，推后加入。

5 通过还原渣性渣色估测还原是否充分的途径探讨

还原期其实就是钢水激烈搅拌的过程，钢液搅拌使钢液成分和温度均匀化并促进冶金反应。还原期的一个重要任务就是把渣中的金属氧化物还原回来，把钢中的杂质尽量除去。而还原得充分与否，与还原渣有重大关系。

5.1 熔渣的粉化机理

AOD 不锈钢渣具有温度高、碱度高、冷却过程相变复杂以及易粉化等特点。AOD 精炼造渣材料主要是石灰、白云石；还原期加入硅铁、硅锰合金等进行还原，萤石球化渣。

粉化反应方程式如下：

反应（5）为主反应，反应（6）为次反应,3CaO•SiO2仅存在于1250℃～1900℃之间，随着温度降低发生反应（7），故冷却后的不锈钢渣主要以2CaO•SiO2和和游离CaO 形式存在。并且随着钢渣的冷却，渣中2CaO•SiO2将发生图4 所示相变，且由于最终相的密度值为2.97，而相的密为3.31；所以，在发生向转变过程中，伴随着发生体积膨胀，体积增加约14%，这就是导致AOD 不锈钢渣冷却过程中粉化的主要原因。低碱度渣中的CaO 和SiO2主要以3CaO•2SiO2相和CaO•SiO2相存在，不存在2CaO•SiO2相，也就不会发生了向转变，钢渣未发生粉化。

图4 不锈钢渣中2Ca0·Si02 随温度降低发生相变的过程[4]

5.2 渣色

炉渣的氧化性、还原性，取决于(αFeO)的高低。

当w（FeO+MnO）<1%还原充分，有利于反应进行，也是脱氧、脱硫的前提。硫的分配比与渣中w（FeO+MnO）成反比关系。w（FeO+MnO）含量越高，硫分配比越低，脱硫越难。炉渣的颜色分黑、灰、绿、白。从黑到白渣子还原性逐渐增强。

黑渣——w（FeO+MnO）>2%,渣的氧化性很强，不具备还原性，需进行强烈的还原脱氧。调整方向，提高炉温和碱度，保持渣子良好流动性，降低氩气，避免钢水裸露。

灰渣——w（FeO+MnO）处在1%-2%之间，渣的氧化性较弱，但还需要进一步还原。

绿渣——还原性较好，但绿渣中Cr2O3尚有较多。

白渣——渣中w（FeO+MnO）<1%，渣的颜色呈白色是炼钢常造的一种碱性渣。好的白渣均匀地粘在样勺上3mm～5mm厚，冷却后变粉末。白渣下钢种的氧向渣中扩散减少钢中氧含量，白渣形成时间快，有良好的脱氧脱硫能力，白渣有利于与钢水分离而上浮，减少钢水污染。

5.3 渣子形状

玻璃状落片，表明渣子SiO2、MnO 含量高；渣面平滑，则厚度适中，渣况良好；渣面粗糙不平，那么石灰量过大，有未熔化颗粒。

5.4 通过还原渣性渣色估测还原是否充分的一种途径

AOD 还原是否充分，就是对渣中氧化物含量的判断，而渣中氧化物含量的多少主要受钢水中硅含量和碱度影响，S 含量间接体现了碱度。因而，可以通过还原渣判断硅含量、S 含量，推算出碱度大概范围，从而判断还原充分与否。

AOD 还原好后倒炉出渣取样，取样瓢上会沾有还原渣。现场收集了大量样瓢上渣子的样本，总结了如下一种判断还原是否充分的办法。

（1）首先观察样瓢上沾的还原渣，操作工在操作室就可以较清楚看到样瓢上的渣子形态。初步判断此炉钢水S 含量和硅含量，推断碱度。判断方法参考图3、图5；此步骤主要判断S 的大致范围，即S>0.02%、S 在0.01%～0.02%之间以及S<0.01%和硅含量大于等于0.2%的情况。

（2）从还原渣的粉化情况推测钢水S 含量和碱度。判断方法参考还原渣S含量比色卡以及碱度与S含量关系图，见图7、图8；此步骤等渣子粉化后参照比色卡判断具体S 含量。

（3）通过上面2 步判断出硅含量大于0.2%、S 小于0.01%，则可初步得出结论：此次还原具备良好的化学还原条件。此时还要考虑还原期渣子的流动性，也即是渣稀渣稠情况，只有在渣子流动性良好的前提下，才能满足AOD 还原的动力学条件，搅拌到位，还原充分。判断好渣性渣色，确认还原充分即可进行下一步出渣操作。

经过现场验证，通过步骤一初步判断S、Si 含量准确率在95%以上，步骤二判断S 含量(误差0.003%)准确率在90%以上，在一定程度上可帮助AOD 操作工做好还原操作。

6 小结

（1）AOD 还原期作为整个冶炼周期的重要环节，有必要做好还原操作。

（2）还原保证足够的还原剂（硅铁量）方可保证还原充分。

（3）还原终点硅、硫含量的多少是还原充分与否的一个重要衡量依据，正常要求硅大于0.2%、硫小于0.01%以及碱度大于1.80。

（4）还原渣子良好的流动性是还原充分的前提。

图5 还原渣S 含量快速判断对比图

图6 还原渣S 含量与碱度线性关系图

图7 还原渣S 含量比色卡