LF冶炼低碳铝镇静钢钙处理吸收率影响因素研究

2021-07-27温瀚

山西冶金 2021年3期

温瀚

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）

LF冶炼铝镇静钢过程中易生成Al2O3夹杂物，Al2O3夹杂物属于高熔点夹杂物，若不及时去除的话，既影响钢水的纯净度，又会造成铸机浇注过程中水口结瘤，影响到连浇炉数和生产稳定。因此一般钢厂对铝镇静钢进行钙处理的方式为：使高熔点的Al2O3夹杂物变性为低熔点钙铝酸盐，从而减少连铸水口结瘤，以此来提高钢水的可浇性和质量。

过去几十年中，研究者对钙处理变性夹杂物做了大量的研究。针对Al2O3的变性，通过结合CaO-Al2O3的二元相图，一些学者[1]提出Ca对Al2O3的变性顺序为Al2O3→CA6→CA2→CA→CAx（liquid）→CaO（sat．）（其中C表示CaO，A表示Al2O3）。因在炼钢温度下只有C12A7，C3A两种钙铝酸盐为液态，因此钢水中的钙含量对变性后的夹杂物的形态至关重要，并且钙的加入量存在一个合适的范围，即“liquid window”。为了确保钙处理后夹杂物在这个液态区间，精确控制钢水中的钙含量至关重要。有的学者沿用一些文献的结果，提出了根据钢水中的“钙铝比”来确定钙的加入量的观点［2-3］。但在实际操作中，控制效果并不理想。

目前钢厂钙处理普遍采用喂丝的方式将钙线通过喂丝机打入钢水中。钙线主要分为钙铁线、硅钙线、单层纯钙线、双层纯钙线。其中喂钙铁线吸收率低，喂线量大，喂丝过程中烟尘大，钢水二次氧化严重；硅钙线增硅，易造成低硅钢种成分硅超标；单层纯钙线喷溅严重，钢水二次氧化严重；双层纯钙线相对喷溅较小，喂线量少，钙的吸收率较高。因此目前冶炼低硅钢种主要使用双层纯钙线进行钙处理。京唐钢铁公司经过十余年的生产实践，根据喂线过程中的喷溅、钙的吸收率、成本、变性效果等因素，对钙工艺进行优化，目前也选择使用双层纯钙线进行钙处理的工艺。

由于钙的熔点低（838℃），沸点低（1450℃），加入钢液后会很快气化，并且钙在钢液中的溶解度很小（当温度为1600℃、钙蒸气压为0.186 MPa时，溶解度为0.03%），钙的密度也很小，只有1.55 g/cm3，加入钢液中易上浮到钢渣表面，与空气中的氧及顶渣中的氧化物反应而烧损掉。因此钙处理的吸收率一般偏低，并且波动较大，若钙处理后产生的夹杂物不在液相区，而是产生高熔点夹杂物，则会恶化钢水的可浇性，影响铸机的生产稳定性。在“转炉—LF炉—板坯连铸”生产工艺中，LF炉冶炼低碳铝镇静钢对钢水进行钙处理后，可使Al2O3夹杂物变为低熔点的钙铝酸盐（12CaO·7Al2O3）［4］，提高了钢水可浇性，减少了轧钢的质量问题［5］。如何精确控制钢水中的钙含量便成了各大钢铁企业面临的共同课题，因此需要针对自身冶炼的品种、设备装备、生产工艺进行深入分析，优化现场工艺，提高喂线钙吸收率和稳定性，降低生产成本和提高生产稳定性，开展对影响钙处理过程中的吸收率的技术研究。

1 纯钙线吸收率影响因素分析

纯钙线喂丝工艺是通过喂丝机将纯钙线以一定速度打入高温钢液中（如下页图1），喂丝过程中纯钙线先穿过渣层进入高温钢液后，在高温的作用下纯钙线外表钢带迅速熔化，芯部金属钙与高温钢液接触，由于金属钙熔点低、沸点低，很快气化，首先一部分钙立即被钢液吸收，在钢液的静压力作用下剩余的钙气化后向钢液表面快速上浮，钙蒸汽在上浮的的过程中一部分被吸收，其余钙蒸汽从钢液表面外溢进入空气。提高纯钙线的吸收率就是要减少钙的损失，即减少钙蒸汽从钢液中溢出的比例。纯钙线的吸收率主要与喂丝速度、钢液温度、钢中铝含量、钢渣氧化性、喂丝导管距钢液间距等工艺参数有关，根据喂丝工艺过程中纯钙线的物理化学反应特性，结合以上工艺参数对冶炼低碳铝镇静钢SPHC进行现场试验对比，以得到最优的工艺参数，从而提高和稳定喂丝钙处理的吸收率。

图1 纯钙线喂线示意图

2 工业对比试验

为了找到最优的工艺控制参数，精炼工序组织了提高喂丝钙含量吸收率的生产试验。主要试验钢种为低碳铝镇静钢SPHC，通过调整钙处理过程中的喂丝速度、钢液温度、钢中铝含量、钢渣氧化性、喂丝导管距钢液间距这五个工艺参数，统计出钙含量的吸收率。钙含量的吸收率按照喂线后钢水中的钙含量计算，从中找出影响钙含量吸收率的关键因素，并结合生产实际将工艺控制参数调整到最优值。

2.1 喂丝速度对钙吸收率的影响

为了对比喂线速率对钙吸收率的影响，分别试验钢水温度为1595～1600℃，喂丝速度为1.5 m/s、2 m/s、2.5 m/s、3 m/s、4 m/s时钙线的吸收率，试验数据如图2。

图2 不同喂线速率下的钙吸收率

从图2可以看出，当喂丝速度从1.5 m/s提高至2.5 m/s时，喂丝钙吸收率逐步提高，当喂丝速度从2.5 m/s提高至4 m/s时，喂丝钙吸收率逐步降低。从以上对比试验可以得出低碳铝镇静钢最优喂丝速度为2.5 m/s。

2.2 钢水温度对钙吸收率的影响

为了对比钢水温度对钙吸收率的影响，试验喂丝时钢水温度分别为1580℃、1590℃、1595℃、1600℃、1610℃时钙的吸收率，并将喂丝速度统一设定为2.5 m/s，试验数据如图3。

图3 不同钢水温度下的钙吸收率

从图3可以看出，不同的喂丝温度对低碳铝镇静钢的钙吸收率影响不大，因此钢水温度不是钙吸收率的关键影响因素。

2.3 钢水铝含量对钙吸收率的影响

为了对比钢水铝含量对钙吸收率的影响，试验将钢水的铝含量w（Alt）分别控制到0.025%、0.030%、0.035%、0.040%、0.045%时再进行钙处理，并将喂丝速度统一设定为2.5 m/s，试验数据如图4。

图4 不同钢水铝含量下的钙吸收率

从图4可以看出，随着钢水中的铝含量（Alt）的提高，喂丝钙的吸收率逐步提高，精炼结束Alt按照上限控制有利于钙含量吸收率的提高。

2.4 顶渣氧化性对钙吸收率的影响

为了对比顶渣氧化性对钙吸收率的影响，对试验炉次取渣样并检验渣中FeO和MnO的百分含量，使用w（FeO+MnO）数值来反应顶渣氧化性。LF炉冶炼低碳铝镇静要求造白渣，一般顶渣w（FeO+MnO）≤3%，统计w（FeO+MnO）≤1%，1%＜w（FeO+MnO）≤2%，2%＜w（FeO+MnO）≤3%的炉次，在喂丝速度为2.5 m/s、钢水铝含量w（Alt）在0.045%左右时钢水喂丝钙含量的吸收率，试验数据如图5。

从图5可以看出，顶渣中FeO+MnO含量越低，顶渣氧化性越弱，钙元素被氧化得越少，喂丝钙含量的吸收率越高。

图5 不同Fe O+MnO含量下的钙吸收率

2.5 喂丝套管与钢液面间距对钙吸收率的影响

喂丝过程中钙线通过喂丝套管的导向矫直，从喂丝套管中穿出打入钢水中，丝线进入钢液的速度、角度、力度与喂丝套管的角度、喂丝套管与钢液面间距有关。为了找到最优的喂丝套管与钢液面间距，在喂丝前顶渣为白渣w（FeO+MnO）≤1%的炉次上进行试验，将钢水a·（Alt）控制在0.045%左右，设定喂丝速度为2.5 m/s，并将喂丝套管与钢液面间距设置为200～500 mm、500～800 mm、800～1000 mm、1000～1300 mm，统计试验炉次钙含量吸收率如图6。

图6 不同喂丝套管与钢液面间距下的钙吸收率

从图6可以看出，喂丝套管离钢液面越近，吸收率越高；喂丝套管离钢液面越远，丝线进入钢液的角度变得不垂直，并且力度有所减弱，钙含量吸收率越低，甚至丝线盘在渣面上无法进入钢液而造成钙处理失效。但是喂钙线的过程中反应剧烈、喷溅大，若喂丝套管离钢液面太近易造成喂丝套管粘钢粘渣严重，影响喂丝套管的稳定使用和寿命。因此结合喂丝操作喷溅的情况和钙含量吸收率，喂丝套管与钢液面的间距控制500～800 mm为宜。