1. 引言
低碳铝镇静钢多为热轧向钢种,对成分硅的要求比较严格,通常硅含量要控制到0.03%以下,当硅含量超过0.03%时,钢材屈服强度和抗拉强度上升,严重影响钢材冲压性能 [1]。湛江钢铁炼钢厂低碳铝镇静钢工艺流程为KR→LD→LATS→CC。正常情况下,转炉吹炼结束后,钢水中硅被氧化至微量,完全符合钢种要求。但KR故障或定修时,转炉出钢后钢水需要进LF炉脱硫,对应工艺流程为LD→LF→CC。LF处理过程中,渣中(SiO2)会被还原进入钢水,导致钢水硅含量增加,2018年以来数次出现硅含量超标,改钢降级的问题。因此,有必要对影响LF炉钢水回硅的因素进行分析,稳定控制钢水硅含量。
转炉采用前后挡渣或留钢留渣操作,减少炉后下渣量 [2] 可以从根本上减少硅的还原,但是前后挡渣操作会严重缩短转炉滑板使用寿命,影响生产节奏;留钢–留渣操作,留钢量无法稳定控制,会对炉产量的稳定造成一定的负面影响。因此,本文主要分析LF炉过程参数控制对钢水回硅量的影响,通过改变LF炉造渣方法,加强温度、过程铝含量及处理时间的控制,达到降低LF炉处理过程钢水回硅量得目的。
2. LF炉回硅分析
LF炉处理过程中,钢水回硅反应方程式如下所示 [3] :
(1)
(2)
(3)
式中:
——钢液中硅的质量分数;
——标态平衡常数;
——渣中(SiO2)活度;
——渣中(Al2O3)活度;
——钢液中硅的活度系数;
——钢液中铝的活度系数。
湛江钢铁未脱硫铁水,转炉吹炼结束后钢水硫含量范围为0.015%~0.040%,而低碳铝镇静钢,由于钢种的不同,硫含量上限在0.006%~0.020%之间,LF炉脱硫前后钢液及炉渣成分如表1和表2所示。
由于LF炉处理终钢水硅和铝含量较低,钢液中硅活度系数
和铝活度系数
均取1,渣中(SiO2)和(Al2O3)活度可由熔渣等活度图确定 [4]。将炉次结束温度、钢液及炉渣成分带入(2)~(3)式计算可得,LF炉处理结束时的钢水硅含量与平衡硅含量的关系如图1所示。从图1可知,LF炉处理结束时,钢液回硅反应远未达到平衡状态,实际硅含量约为平衡硅含量的三分之一,即LF炉处理结束后,渣中(SiO2)仍然具有强烈的还原趋势,在适当的反应条件下,钢水硅含量仍然可能进一步增加 [5]。同时由(SiO2)-[Al]反应方程式可知:降低渣中(SiO2)含量或降低钢液铝含量均可减少硅的还原,增加渣中(Al2O3)含量或提高钢水温度也可以一定程度抑制硅还原反应的发生。
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Table 1. Temperature and composition change of low carbon steel before and after LF desulfurization
表1. 低碳钢LF炉脱硫前后钢水温度及成分变化
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Table 2. Slag composition change before and after LF treatment of low carbon steel
表2. 低碳钢LF炉处理前后炉渣成分变化
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Figure 1. Relationship between actual silicon content and calculation balance silicon content of LF treatment
图1. LF炉处理结束实际硅含量与平衡硅含量的关系
3. 过程铝含量对硅还原的影响
LF炉处理过程中,必须保证钢液铝含量降低钢液及渣中氧,才能确保脱硫效果,但钢水铝含量增加,会促进渣中(SiO2)的还原,钢水回硅量增加。处理前渣中(SiO2)含量6.40%~12.5%,(Al2O3)含量29.5%~40.3%的条件下,过程铝含量与成品硅含量的关系如图2所示。
从图2可知,随着过程铝含量的增加,钢液硅含量呈增加的趋势。当过程铝低于0.03%时,成品硅可以稳定控制在0.03%以下;过程铝均高于0.07%时,基本所有炉次硅含量均在0.03%以上。为了降低钢液回硅量,过程铝应控制到0.03%以下,但研究表明 [6],铝含量低于0.02%时,渣–金硫分配比急剧降低,炉渣脱硫能力变差,铝含量在0.03%左右时,实际硫分配最佳,综合考虑脱硫效果和回硅量,LF炉脱硫过程铝目标可控制在0.02%~0.04%之间。
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Figure 2. The effect of process aluminum content on silicon reversion
图2. LF处理过程铝对回硅的影响
4. 初始温度对硅还原的影响
温度LF炉最重要的参数之一,其对处理时间,化渣速度和脱硫速率有直接影响。在过程铝含量0.02%~0.04%的条件下,LF炉初始温度与钢水回硅量的关系如图3所示。
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Figure 3. The effect of initial temperature of LF furnace on silicon reversion
图3. LF炉处理初始温度对回硅的影响
从图3可知,随着初始温度的增加,LF炉结束硅含量呈降低的趋势,硅含量超0.03%的炉次,初始温度均低于1580℃;初始温度高于1605℃时,硅含量可以稳定控制在0.025%以下。分析认为,随着初始温度的增加,化渣速度增快,脱硫速率增加,LF处理周期缩短,有效减少回硅量。从热力学的角度来看,由(2)式可知,提高温度一定程度上抑制了硅的还原,适当提高LF炉初始温度有利于降低钢水回硅量,综合考虑温度控制的可操作性及回硅量控制,LF进站初始温度可控制在1600℃ ± 10℃之间。
5. 辅料加入对硅还原的影响
湛江钢铁LF炉脱硫,采用铝铁和铝渣同步脱氧(铝铁脱钢水氧,铝渣脱渣中氧)。铝渣为成分以金属铝、Al2O3和CaO为主的球状辅料,其特点是铝含量高,密度小,直接加入渣中可迅速将渣里氧化铁和氧化锰还原,形成高还原性炉渣,实现钢水的快速脱硫和深脱硫。但是高还原性渣,容易导致钢水脱硫过深,远超低碳铝镇静钢要求,同时渣中(SiO2)更容易被还原,钢水硅含量增加。铝铁脱氧和铝渣脱氧回硅情况如图4所示。
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Figure 4. The effect of deoxidation method on silicon reversion
图4. 脱氧方式对硅还原的影响
从图4可知,加铝渣炉次硅含量控制不稳定,波动较大,多个炉次硅含量在0.04%以上;铝铁脱氧炉次,硅含量波动较小,硅含量最高仅为0.035%,回硅量整体控制稳定。分析认为,铝铁比重大,投入后直接加到钢水中,脱完钢液中氧后,再以扩散脱氧的方式脱渣中氧,渣中全铁含量在3%左右,使炉渣保持一定弱氧化性,有效降低了硅的还原。铝铁脱氧,炉渣脱氧不完全,炉渣脱硫能力相对变差,但是低碳铝镇静钢本身对硫含量要求不高,完全可以满足钢种脱硫要求。
6. 改进后回硅情况
2018年1~12月,湛江钢铁LF炉生产低碳铝镇静钢149炉,硅高于0.03%炉数20炉,数次出现改钢降级的问题。通过将LF进站目标温度控制在1600℃ ± 10℃,过程铝含量控制到0.02%~0.04%,用铝铁代替铝渣脱渣中氧及缩短LF处理周期,目前LF回硅量可以稳定控制在0.03%以下,2019年1月至今,LF炉生产低碳钢27炉,硅含量低于0.03%炉数27炉,没有出现改钢降级的问题,具体回硅情况如图5所示。
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Figure 5. Comparison of silicon content before and after optimization
图5. 改进前后回硅量对比
7. 结论
1) LF炉处理结束后,渣–金之间硅还原反应远没有达到平衡,渣中(SiO2)仍然可能被还原,钢水硅含量增加。
2) 随着过程铝含量的增加,回硅量增加。在LF炉处理前硅含量 ≤ 12.5%时,过程铝含量低于0.03%时,有利于将回硅量控制在0.03%以下。随着LF炉初始温度的增加,化渣速度增快,脱硫速率增加,处理时间变短,钢水硅还原量降低。
3) 采用铝铁代替铝渣脱渣中氧,使炉渣保持一定的弱氧化性,可以满足低碳铝镇静钢脱硫要求的同时,有效降低钢水回硅量。
4) 渣中初始(SiO2)含量 ≤ 12.5%时,通过将LF炉初始温度控制在1600℃ ± 10℃,过程铝含量控制到0.02%~0.04%,采用铝铁代替铝渣脱氧,同时缩短LF炉处理时间,可以将低碳铝镇静钢硅含量稳定控制到0.03%以下。
NOTES
*通讯作者。