蘇圣龍
（南鋼板材第一煉鋼廠，江蘇 南京 210035）
摘 要：轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中，鋼液脫氧處理的過(guò)程極為關(guān)鍵，其進(jìn)程推進(jìn)的效果決定了煉鋼最終的生產(chǎn)質(zhì)量與產(chǎn)品的應(yīng)用情況。若鋼液中氧氣含量過(guò)多，將必然降低產(chǎn)品的塑造效率，并導(dǎo)致其組織結(jié)構(gòu)有較為明顯的疏松表現(xiàn)，甚至產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象。本文簡(jiǎn)述了煉鋼過(guò)程中的質(zhì)量影響因素，并就煉鋼環(huán)節(jié)氧的產(chǎn)生與危害性進(jìn)行了深入分析，闡述了煉鋼生產(chǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)爐煉鋼的常用脫氧工藝，希望能夠?yàn)橥袠I(yè)工作者提供一些幫助。
關(guān)鍵詞：煉鋼生產(chǎn)；展露煉鋼；脫氧工藝
鋼鐵產(chǎn)業(yè)的崛起與行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的愈發(fā)激烈，使得各類鋼鐵企業(yè)提高了對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量與成本的重視，期望通過(guò)持續(xù)的生產(chǎn)工藝優(yōu)化方式將產(chǎn)品的質(zhì)量整體提升，繼而達(dá)到降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本與保持鋼鐵企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的目的。以轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)環(huán)節(jié)為例，氧氣的產(chǎn)生對(duì)氧氣煉鋼的最終質(zhì)量造成了極大的影響。因此，深入分析轉(zhuǎn)爐煉鋼的脫氧處理過(guò)程極為關(guān)鍵，這一環(huán)節(jié)工藝的優(yōu)化在將鋼產(chǎn)品質(zhì)量予以提升的同時(shí)，也是降低生產(chǎn)成本、建立高效良性鋼生產(chǎn)鏈條的重要基礎(chǔ)。
1 轉(zhuǎn)爐冶煉概述
轉(zhuǎn)爐冶煉原則是將直接氧化生鐵中的碳再加上其他有關(guān)雜質(zhì)之后，可以制造得比鐵有更高化學(xué)和物理性能的鋼鐵。即生鐵與鋼之間的最主要差別，即碳的含量。如果碳的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò) 2.1%，就可以產(chǎn)生鋼鐵。其次，在生鋼鐵中，當(dāng)鐵與碳元素生成過(guò)飽和的固溶體時(shí)，其硬度和強(qiáng)度均會(huì)隨著鐵碳含量的提高而上升，但同時(shí)其韌性和可塑性也會(huì)降低。從而，生鋼材將具備更加優(yōu)異的物理、化學(xué)和機(jī)械性能。可進(jìn)行拉深、沖壓、熱軋等加工過(guò)程、以及沖磨、拉深等機(jī)械加工方式。而低合金鋼又是轉(zhuǎn)爐煉鋼的重點(diǎn)產(chǎn)品，因?yàn)樗梢援a(chǎn)生比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的脫碳速率更快、鋼中含氣量較少、生鋼材的熱塑性效果更佳、焊接能力和深沖特性更強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛用來(lái)生產(chǎn)低碳軟鋼絲、熱軋和冷軋薄板，以及冷彎型鋼和鍍鋅板。由此可見(jiàn)，各種硬鋼絲結(jié)構(gòu)鋼和軸承鋼都早已得到了廣泛的應(yīng)用。雖然在實(shí)際冶金過(guò)程中制造高碳鋼材存在著一些困難，但是它也可以改善生鋼材的生產(chǎn)質(zhì)量。其重點(diǎn)就是可以降低碳牽引和脫磷，或者如果有輔槍，就需要直接通過(guò)輔槍進(jìn)行操作?；蛘呷绻麤](méi)有輔槍，就必須在爐前快速分析，又或者由于高碳鋼終點(diǎn)溫度低，且脫磷時(shí)間較短，因此需要雙渣操作，主要是脫碳初期釋放初渣，初期釋放進(jìn)入渣中的磷。然而，雙渣操作會(huì)導(dǎo)致更多熱量和鐵損失，因此通常不使用。
2 煉鋼過(guò)程中的質(zhì)量影響因素分析及脫氧技術(shù)的現(xiàn)狀
質(zhì)量與設(shè)備控制是煉鋼過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)節(jié)，想要確保煉鋼基本要求滿足實(shí)際應(yīng)用所需，就應(yīng)對(duì)煉鋼各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)予以深入分析，保證原料供給的穩(wěn)定性與操作調(diào)節(jié)組織的合理性［1］ 。從實(shí)際的煉鋼情況來(lái)看，鋼爐是影響最終煉鋼質(zhì)量的關(guān)鍵因素。以轉(zhuǎn)爐煉鋼環(huán)節(jié)為例，氧氣含量、鐵水處理等皆是應(yīng)關(guān)注的生產(chǎn)重點(diǎn)，對(duì)由于氧氣含量的變化帶給轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)效果的影響進(jìn)行全面分析，具有提升鋼鐵最終強(qiáng)度與整體質(zhì)量的關(guān)鍵作用，具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。
在冶金鋼鐵過(guò)程中，硅是最早的金屬去氧材料，硅的大量生產(chǎn)也就形成了鎮(zhèn)靜鋼。用硅去氧化物的最主要弊端就是去氧能力不夠，而且易形成去氧化物不完全和鋼皮下的泡沫過(guò)多問(wèn)題；用大硅去氧化物，還會(huì)造成在鋼材中加入了大量的大硅鹽酸，對(duì)鋼材的使用性能也產(chǎn)生了不良影響；去氧化物后所產(chǎn)生的物質(zhì)如 SiO2等也是一個(gè)強(qiáng)酸性式化合物，同時(shí)還會(huì)造成了鋼液中磷和硫的大量回收問(wèn)題。到了 20 世紀(jì) 30 年代，由于電解鋁技術(shù)進(jìn)步以及其相關(guān)工藝和技術(shù)的逐步完善，氧化鋁產(chǎn)品價(jià)格也較為便宜。于是，大硅去氧的技術(shù)革命便應(yīng)運(yùn)而生了，也帶來(lái)了對(duì)冶金鋼去氧化物的技術(shù)革命。而歐美也是第一個(gè)選擇氧化鋁作為脫氧劑的國(guó)家，這主要是因?yàn)檠趸X擁有巨大的去氧能力，可把鋼水中的氧化物消除在非常低的水平上。與硅去氧相比，鋁去氧不僅能夠有效提高去氧效率，而且還能夠有效降低鋼中的二氧化硅含量。而在同時(shí)，又由于氧化鋁陶瓷是一種中性物質(zhì)，并不會(huì)降低熔煉鋼渣的堿度，也不容易將鋼水中的磷和硫進(jìn)行回收。因此目前，氧化鋁仍為中國(guó)國(guó)內(nèi)煉鋼廠所用的主要脫氧劑。但是，因?yàn)檠趸X的比重較少，且回收率也較低（10%~25%），且大煉鋼鐵生產(chǎn)成本也較高。因此為了有效提升生產(chǎn)氧化鋁的效率，大鋼廠已先后開(kāi)發(fā)了硅鋁鐵、鋁錳鐵、硅鋁鋇等鋁合金系的復(fù)合脫氧劑。其中，鎂基脫氧劑的密度比純鋁合金高，且在加入鋼液中時(shí)的浮動(dòng)時(shí)間也足夠，從而能夠明顯提高生產(chǎn)效率。其次，鋁合金材料中去氧生成的金屬氧化鋁陶瓷也會(huì)對(duì)鋼材的機(jī)械性能，尤其是熱疲勞特性產(chǎn)生負(fù)面影響。為了更合理地解決這一問(wèn)題，可以提高溫度和控制金屬夾雜物形狀變化的非鋁復(fù)合型脫氧劑也將逐步問(wèn)世。
3 氧在煉鋼中的產(chǎn)生與危害分析
氧化物在鋼液中主要的存在形式為非金屬材料或摻雜物質(zhì)，部分則以溶解氧的形態(tài)出現(xiàn)，其來(lái)源多是吹氧煉鋼過(guò)程中與原材料本身產(chǎn)生的氧化物含量。對(duì)煉鐵環(huán)節(jié)而言，為了將過(guò)程的中鋼液化學(xué)雜物全部除去，一般采用氧化物參與其中的方法，在氧氣還原反應(yīng)的作用下去除其含有的磷、碳、錳等微量元素，以實(shí)現(xiàn)氧化物與各種化學(xué)雜物高效結(jié)合的目的，進(jìn)而將其形成的氧物質(zhì)全部分離出來(lái)，以此達(dá)到鋼液去雜質(zhì)目標(biāo)。由于氧化物的參與，導(dǎo)致了鋼液中氧化物的存在無(wú)可避免，但隨著氧化物數(shù)量和化學(xué)雜質(zhì)濃度的逐步減少，吹氧煉鋼焊接的氧氣含量將有明顯的促進(jìn)提升表現(xiàn)［2］ 。若鋼液中包含的氧氣沒(méi)有采取對(duì)應(yīng)的合理方式進(jìn)行預(yù)先 處理，則在氧氣含量較高的鋼液生產(chǎn)條件下，凝固環(huán)節(jié)將極容易與原本的鋼液發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生結(jié)晶，繼而產(chǎn)生氧化亞鐵。此種物質(zhì)的出現(xiàn)對(duì)鑄坯的破壞極為嚴(yán)重，并對(duì)最終的鋼產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，甚至導(dǎo)致出現(xiàn)變形現(xiàn)象影響到鋼產(chǎn)品效果的正常發(fā)揮，廢棄件數(shù)量增多從而產(chǎn)生較多的無(wú)效生產(chǎn)成本。再加上此種狀態(tài)通常伴隨熱脆出現(xiàn)，從而對(duì)鋼鐵產(chǎn)生深層次的氧化影響。氧含量的增多同樣是導(dǎo)致鋼液中硫元素危害加重的主要原因，后續(xù)產(chǎn)生的多種化學(xué)反應(yīng)不僅會(huì)導(dǎo)致各類氧化雜質(zhì)出現(xiàn)，且會(huì)對(duì)最終鋼產(chǎn)品的力學(xué)性能造成不可逆轉(zhuǎn)的嚴(yán)重?fù)p害。從鋼液冷凝過(guò)程的角度來(lái)看，溶解氧與碳之間所發(fā)生的反應(yīng)將會(huì)產(chǎn)生一氧化碳?xì)馀荩瑲馀菰阡撘簠R總所產(chǎn)生的反應(yīng)將會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)鋼液沸騰現(xiàn)象，并會(huì)伴隨一氧化碳?xì)馀莸牟粩嘣黾邮宫F(xiàn)象愈發(fā)劇烈［3］ 。在鋼液的脫氧環(huán)節(jié)，程度的不同是沸騰現(xiàn)象劇烈程度不一的主要原因，若從沸騰劇烈程度的角度來(lái)看，可將其鋼液種類分為半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼以及沸騰鋼。需要注意的是，由于鋼液中多數(shù)包含一氧化碳?xì)馀?，則所產(chǎn)生的鋼錠其內(nèi)部組織將過(guò)于疏松，繼而影響其密度對(duì)鋼強(qiáng)度造成不良影響。為解決以上問(wèn)題，就需要選擇應(yīng)用科學(xué)的脫氧處理方式，以達(dá)到持續(xù)降低鋼液中氧含量的目的。通常情況下，對(duì)鎮(zhèn)靜鋼含氧量的要求應(yīng)控制在 0.005%以內(nèi)，而若為沸騰鋼，則含氧量應(yīng)控制在 0.0025%~0.030%范圍內(nèi)［4］ 。若想進(jìn)一步提高對(duì)鋼液沸騰現(xiàn)象的監(jiān)控效果，就必須針對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行深入分析，繼而確保所制造的鋼錠和鋼坯都可以符合生產(chǎn)組織的既定條件下去，為從而保證最終生鋼產(chǎn)品的強(qiáng)度和品質(zhì)創(chuàng)造了充分的保證條件。
4 對(duì)煉鋼生產(chǎn)中轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧工藝方式的研究分析
沉淀脫氧、擴(kuò)散脫氧及真空脫氧是當(dāng)下在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中常用的脫氧工藝，作為關(guān)鍵的脫氧材料，脫氧劑通常包含硅、錳、鋁等，并在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中與鋼液中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，對(duì)氧氣做固定處理以起到脫氧作用。脫氧劑類型的不同，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的脫氧效果也將有明顯的差異表現(xiàn)，如相較錳脫氧劑，鋁脫氧劑的效果更佳，其也是經(jīng)常被應(yīng)用在沸騰鋼處理過(guò)程中的脫氧劑類型［5］ 。此外，為保證脫氧效果，還應(yīng)根據(jù)對(duì)鋼液脫氧的具體要求保證脫氧劑配置的科學(xué)性，繼而將脫氧作用全面提升從而確保最終的鋼材質(zhì)量。
4.1 沉淀脫氧
脫氧劑是影響沉淀脫氧效果的關(guān)鍵因素，在對(duì)這一過(guò)程做深入調(diào)查研究的過(guò)程中，需要采取科學(xué)措施對(duì)脫氧工藝進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，并使用鈣系脫氧劑做深入的沉淀脫氧工藝研究，從而將脫氧效果予以提升。
鈣系脫氧劑的主要成分包括鈣、硅、碳、鋁等，并在保證配比科學(xué)性的前提下將鈣系脫氧劑的脫氧效果予以全面提升。
鈣系脫氧劑的主要工作機(jī)理是：作為二大主族元素，鈣和其他微量元素之間的結(jié)核性較好，而作為鈣的主要同族微量元素，鋇的去氧效果也最好，所以通過(guò)在原來(lái)的硅鋁鐵內(nèi)加入適量的鋇，就可以在產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后重新形成了硅鋁鋇，繼而使其整體的去氧能力得到了提高。但必須注意的是，相對(duì)于鈣來(lái)說(shuō)，鋇所顯示出來(lái)的總體上去氧能力仍然比較弱，而從摩爾質(zhì)量的角度考慮，鈣與鋇之間的比值一般是 1∶3.43，因此如果添加了 1 kg 左右的鈣將增加整個(gè)過(guò)程的去氧效率，而鋇的添加量也必須超過(guò) 3.43 kg，方可發(fā)揮其去氧的優(yōu)勢(shì)。也因?yàn)殇撘褐锈}在其中溶解度表現(xiàn)得較小，在鋼液溫度達(dá)到 1600 ℃的情況下，其溶解度只能達(dá)到 0.03%，且若鈣為固態(tài)則并不會(huì)表現(xiàn)出溶解性。由于鈣本身有較大蒸氣壓表現(xiàn)，在鋼液到達(dá) 1600℃的情況下，鈣的大氣壓通常在 1.98 左右［6］ 。若脫氧過(guò)程僅僅應(yīng)用鈣作為脫氧劑，則將使鈣的消耗量大大增加，繼而產(chǎn)生較多的脫氧成本，不利于其整體經(jīng)濟(jì)效益的持續(xù)提升。為將脫氧劑的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)予以充分發(fā)揮，提升其經(jīng)濟(jì)效益，就應(yīng)選擇合適方案將鋼液中鈣的溶解度予以提升，在鈣劑中加入適當(dāng)?shù)墓?、碳等物質(zhì)，以達(dá)到將鈣溶解度予以提升的目的。
4.2 擴(kuò)散脫氧法
擴(kuò)散脫氧法，簡(jiǎn)要而言是將脫氧劑直接投入至焊渣內(nèi)與氧化鐵進(jìn)行反應(yīng)，進(jìn)而將鋼液中氧化鐵進(jìn)行彌散至焊渣中的任務(wù)，進(jìn)而起到了合理調(diào)節(jié)鋼液中氧化鋱濃度水平的效果，從而使去氧效果得到了最大限度地提高。在一般情況下，該種去氧方法在點(diǎn)鹵還原和爐外精煉階段中的使用頻次相對(duì)較高。當(dāng)氧氣繼續(xù)彌散至焊渣內(nèi)后，其中氧化鐵濃度相對(duì)較以往來(lái)說(shuō)將有明顯提高。為了使焊渣擴(kuò)散的能力得到進(jìn)一步改善，并增加其去氧效率，就必須繼續(xù)在焊渣內(nèi)添加脫氧劑，而在實(shí)現(xiàn)預(yù)期去氧目的得同時(shí)，也是充分發(fā)揮鋼液中氧含量控制優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵步驟，繼而提升最終鋼產(chǎn)品的整體質(zhì)量。但此種脫氧方法需要耗費(fèi)大量的時(shí)間成本，因此在實(shí)際的脫氧環(huán)節(jié)，一般傾向于同時(shí)配合吹氬攪拌手段已將脫氧速度予以提升。
4.3 真空脫氧法
真空脫氧法顧名思義就是通過(guò)創(chuàng)設(shè)真空環(huán)境，使鋼液在真空環(huán)境下打破碳氧平衡，將氧與碳之間的反應(yīng)劇烈程度予以提升，從而形成一氧化碳液體向鋼液外益處，從而達(dá)到提高脫氧作用的目的。使用真空脫氧方法做鋼液脫氧處理時(shí)，建議在過(guò)程中加入適量的惰性氬氣配合真空頭癢過(guò)程實(shí)現(xiàn)鋼液脫氧目標(biāo)。從實(shí)際操作的角度看，氬氣與鋼液在充分?jǐn)嚢韬?，則鋼液中的碳氧反應(yīng)水平將最大限度地提升，過(guò)程中所產(chǎn)生的一氧化碳也不會(huì)對(duì)鋼液造成污染，反而會(huì)在所生成的一氧化碳?xì)馀輲椭聫?qiáng)化鋼液攪拌效果，強(qiáng)化脫氧過(guò)程，并降低石灰與脫氧劑的消耗量，達(dá)到縮減生產(chǎn)成本的目的。從實(shí)際效果來(lái)看，無(wú)論是在過(guò)氧化爐還是在非過(guò)氧化爐中，均能夠起到較為明顯的縮減成本投入的作用，因此此種方法的應(yīng)用具有普遍性。
5 結(jié) 語(yǔ)
綜上所述，相較其他脫氧方法，沉淀脫氧法的應(yīng)用流程較為簡(jiǎn)單，但效果卻與預(yù)期目標(biāo)仍有一定距離；擴(kuò)散脫氧法雖效果較好，但需要消耗大量時(shí)間成本；真空脫氧法時(shí)間與流程方面與預(yù)期效果相匹配，對(duì)設(shè)備與操作的要求較高。不同脫氧方法有著各自的優(yōu)劣勢(shì)，在實(shí)際的脫氧處理過(guò)程中應(yīng)對(duì)工藝做持續(xù)性的改進(jìn)與優(yōu)化，為鋼鐵強(qiáng)度與質(zhì)量的整體提升奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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