钢包炉((LF)渣的功能和选用

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摘要：介绍了AI镇静和Si镇静多钢种LF渣的选用。在引入LF精炼后，可以降低[S]和[O]，还可以用Si脱氧取代Al脱氧，因而可以减少水口堵塞。

关键词：钢包渣；AI镇静钢；Si镇静钢

钢水在钢包炉(LF)内精炼是生产优质钢必不可少的环节。钢水未经I．F精炼难以生产出优质钢。

BOF和EAF的炼钢过程是氧化过程。出钢后在LF内精炼过程是还原过程。将氧化渣转化为还原渣，要加入脱氧剂将氧化渣脱氧，还要加人熔剂调整还原渣的熔点和流动性使之适应于下道工序或出钢的要求。为了实现这一过程，首先要挡好BOF出钢时的氧化渣，而EAF则要采用偏心炉底出钢。在钢包底吹Ar的搅拌作用下，还原渣有很好的脱硫、脱氧能力、可以将[S]和[O]降低到很低的水平。由于净化了钢质，可以减少在浇注时的水口堵塞，也可以简化中间罐净化钢水的功能。用LF精炼时，钢水可以用Si脱氧取代Al脱氧，可以将[O]控制到与Al脱氧不相上下的水平，还可以进一步减少水口堵塞。LF渣的合理选用也可以控制钢中夹杂物的形态使之适应于该钢种性能的要求，即可以用钢包渣工程来实现夹杂物工程。LF渣成分的选用和LF渣还原程度的控制要因钢种而异。

1 BOF挡渣

BOF出钢时挡好渣可以减少脱氧剂(Al、FeSi等)的耗量，对于低碳钢，挡渣可以减少的耗量更多，还可以减少造渣材料(石灰、萤石或合成的Ca-AI熔剂)的用量，同时可以避免扒除钢包内的渣子及附加的温度损失，并可以减少回磷量(10~30)×10^-6(质量分数)。VAI各种出钢方式的下渣量见表1。

2 LF精炼对中间罐挡墙设置的影响

在过去一些年，由于钢水进入中间罐前在LF精炼时已将钢水纯净度提到相当高的程度。在这种情况下，中间罐挡墙已不再具有继续改善钢质的作用。在这种情况下，除对钢水纯净度要求特别高的钢种外，在中间罐内可以不设置挡墙。

Columbus不锈钢厂用无挡墙中间罐浇出1 000 t 304钢，用有挡墙中间罐浇出3 000t 304钢，二者的二级品率和废品率没有区别。

根据上述结果，该厂从2001年10月到2002年3月的6个月内在生产不含Ti的不锈钢时取消了中问罐挡墙，对钢质没有不良影响。但在生产Ti稳定化的不锈钢时，仍保留挡墙，因为这种钢的夹杂物含量高。

3 LF渣对水口堵塞的影响[3]

用连铸生产高碳钢(ω(C)=0．6％～0．8％)时，LF精炼渣的碱度(CaO CaF)/SiO₂对水口堵塞有影响，见图1。

从图1可见，在钢包处理结束时，LF渣的碱度≥3时，可使钢中S和O降低，因而使堵塞水口的倾向减少。

4 LF渣FeO MnO的控制

LF渣FeO MnO的控制要依钢种和所要解决的质量问题而定。

板坯连铸机生产用于易拉罐(D&I，drawnand ironed)的LCAK钢时，要求将LF渣的ω(FeO MnO)的控制在0．9％～1．3％，这样既可以使钢中Al₂O₃夹杂减少，保证易拉罐的表面质量，也可以防止Al₂O₃堵塞水口。

Rob Dekkers等对Ispat Inland Bar Products钢厂在生产ω(C)=0．2％，ω(A1)=0．02％～0．04％并用Ca处理的钢中，从定经水口取出的堵塞物试样中发现，在堵塞物内的沉积物由CaS、铝酸钙和尖晶石MgO·Al₂O₃组成。他们认为MgO·Al₂O₃对水口堵塞的作用大于CaS和铝酸钙。MgO·Al₂O₃的生成是因为Ca的脱氧能力大于Al。用Ca处理钢水可以使[O]更为降低。[O]低使Mg更容易从熔渣和MgO-C质耐水材料中还原出来，因而产生Al₂O₃·MgO，其反应式如下：

MgO C=Mg(g) CO(g)

CO(g)=[C] [O]

Mg(g) [O] A1₂O₃=MgO·A1₂O₃

LTV用连铸小方坯生产Al细粒钢时，将顶渣ω(FeO MnO)控制在5％，见图2。

以此来控制[O]不过低，虽然对脱S有些不利，但却有利于防止MgO·Al₂O₃生成。为了使[O]不过低，以防止MgO·Al₂O₃生成，Rob Dek—ker·s等提出Al应在LF处理后期加入，然后再用Ca处理钢水，将Al₂O₃变性为液态铝酸钙。

Voest—Alpine Stahl GmbH生产钛ULC IF钢时的生产流程为：BOF—LF—RH—CC。

该厂将S含量的控制放在铁水脱S(将S脱到ω(S)=0．003％)和低S废钢的选用上，LF渣不脱氧，只加入MgCO₃和Al₂O₃，所以LF渣的ω(FeO MnO)高，如表2所示。

该厂LF渣不脱氧是为了在RH处理时将钢中的C脱到尽可能低的水平(在RH处理终了时ω([C]_平均)=23．9×10^-6)和在LF、RH过程中不增N。但LF顶渣不脱氧也有缺点，即Al回收低，A1回收低还会引起水口堵塞。水口堵塞引起结晶器液面起伏，液面起伏引起裹渣，裹渣引起ULC IF钢产生条片(S1irer)，所以该厂尝试在LF进行少量脱氧，见图3。

5 轮胎钢丝钢LF渣成分的控制

轮胎钢丝钢在拔成很细的丝时容易断头。G．M．Fauling认为：为了减少断头，钢丝在冷拔时钢中夹杂物应以可变形夹杂钙斜长石(anorthite，CaO·A1₂O₃·2SiO₂)状态存在。

G．M．Fauling认为钢水用Mn-Si脱氧时形成的蔷薇辉石(rhodonite，MnO·SiO₂)可以转化为锰铝石榴子石(spessartite，3MnO·A1₂O₃·3SiO₂因为在废钢和FeSi中含有的少量Al就足以实现这种转化。他认为spessartite在热加工时是可变形夹杂(即玻璃体)，但在热加工后的冷却过程中会由原来的玻璃体变为结晶体。如果将结晶体的spessartite进行冷拔，则容易发生断头。他提出在LF内加入硅灰石(wollastonite，CaO·SiO₂，熔点1 540℃)为主要成分的LF渣(与硅灰石一起加入少量萤石或Al₂O₃，可以将熔点降低到1 200℃左右)，可以将spessatrite变态为anorthite。anorthite不但在热加工时是可变形夹杂，而且在冷加工时仍然是可变形夹杂。在热加工时产生的细长anorthite夹杂在冷加工时被破碎分离并沿细钢丝的长度方向分布。这种极细的夹杂物碎片在冷加工时对钢丝断头很少有影响。

如果用A1₂O₃作包衬，LF渣应控制m(SiO₂)／m(CaO)=0．9，ω(A1₂O₃)=10％。如果用MgO作包衬，LF渣应控制m(SiO₂)／m(CaO)=0．9～1．1，ω(Mg)=15％，ω(A1₂O₃)=1％，ω(CaF₂)=10％。这样，可以将ω([O]_熔)控制在(10～20)×10^-6范围内。当ω([O]_熔)>20×10^-6时，会生成不变形的富SiO₂夹杂，当ω([O]_熔)<10×10^-6时，会生成不变形的富Mg硅酸盐。

6 轴承钢LF渣成分的控制

POSCO生产轴承钢的流程如下：铁水预生6理脱磷→BOF→LF→RH→大方坯连铸。轴承钢的ω(A1)=0．02％～0．03％。

POSCO主要由于优化了LF渣成分，将LF渣成分从传统型A改用为改进型B，使轴承钢的ω（[O]_总）从12×10^-6左右降到8×10^-6左右.A型和B型LF渣成分见图4。

A型和B型渣的共同点是SiO₂含量都很少，从而减少SiO₂作为氧源从LF渣向钢水扩散。根据他们的研究，当LF渣m(CaO)/m(SiO₂)>4时，这少量的SiO₂也不是氧源。A型渣的a_Al2O3低，但熔化温度高(1 505℃)，B型渣的a_Al2O3高，但熔化温度低(1 349℃)，因而采用A型渣时，Al₂O₃从钢水向顶渣转移多，但转移慢；采用B型渣时，Al₂O₃从钢水向顶渣转移少，但转移快。该厂权衡这两方面的利弊后，决定弃用A型渣，改用B型渣。为得到改进型B的顶渣成分，采用表3所示的措施。

RH处理后，m(CaO)／m(Al₂O₃)控制在1．7～1．8时，将轴承钢钢水中的Al₂O₃夹杂去除到顶渣中最有效，从而将ω[O]从(10～16)×10^-6降低到(5～8)×10^-6。

7 阀簧钢LF渣成分的控制

阀簧与轮胎线和钢轨都要求钢中夹杂物在热；轧或拔丝时具有超高塑性。阀簧钢SA E9254 的成分见表4。

在SAE9254阀簧钢中容许Al质量分数最高：为30×10^-6，在生产这种钢时要求将ω(A1)限制在生产这种钢时要排除Al也要限制造渣材料中的A1₂O₃进入钢水。

钢中的Al含量受控于LF渣中的Al₂O₃含量。LF渣中m(CaO)／m(SiO₂)和Al₂O₃含量对夹杂物成分和ω[T．O]有影响，见图5。

由图5可见，LF渣A中ω(A1₂O₃)=10％，m(CaO)／m(SiO₂)=1．25；LF渣B中ω(A1₂O₃)

=1％，m(CaO)／m(SiO₂)=1．0。

8 Si脱氧的碳钢LF渣成分的选定

由于钢包精炼的推广，一些原来用Al脱氧的钢种改用Si脱氧。Si脱氧钢有助于消除水口堵塞，而且用优化的LF渣亦能使Si脱氧钢的[O]等同于Al脱氧钢。Si脱氧钢的ω[O]可以低到<10×10^-6，所以用Si不用A1脱氧也不会在连铸坯内产生皮下气泡。

Nucor Hertford钢厂生产的低氧低硫ω(C)=0．16％的钢原先按Al镇静钢来生产，后来改按Si镇静钢来生产。

钢水脱氧后，钢液中O先受控于脱氧，而后受控于钢包渣。

按Si镇静钢来生产时，为了将ω([O])控制在10×10^-6以下，根据[Si] 2[O]=(SiO₂)的反应，必须将LF渣在1 600℃时的a_SiO2降低到0．003 5以下。

为了将LF渣的以a_SiO2降低到0．003 5以下，并保持LF渣的流动性，该厂采用往LF渣中加人Al₂O₃。Al₂O₃与SiO₂一起作为熔剂，并加入石灰。用Al₂O₃取代一部分SiO₂能提高CaO的熔解度和降低a_SiO2。

MgO也是熔剂，当渣中含有Al₂O₃时，MgO的最佳质量分数为8％～10％。在此含量时，不但使的a_SiO2进一步降低，而且还使钢包耐火材料不受损。

在CaO饱和的LF渣中，当ω(MgO)=8％，用Al₂O₃取代SiO₂时，[O]的计算值见表5。

当钢中ω(Si)=0．16％和0．25％，并用Si脱氧时，为了将ω([O])控制在<8×10^-6，该厂选定的LF渣成分见表6。

9 Ti稳定化不锈钢LF渣成分的选定

Columbus钢厂2001年生产的Ti稳定化铁素体不锈钢409和Ti稳定化奥氏体不锈钢321的成分见表7。

409的水口堵塞倾向大于321。这是因为前者[N]和[O]的熔解度低，液相线和浇注温度高。

Columbus钢厂多数钢种是Si镇静钢，因为在进入SEN前A1镇静钢钢水中的Al—O乘积处于过饱和状态，当钢水进入SEN时，Al₂O₃析出，使SEN容易堵塞。

LF造渣剂由CaF₂、铝酸钙和石灰组成。加入Al₂O₃可以稀释SiO₂，因而可以降低Si—SiO₂平衡的a_SiO2。a_SiO2<0．005时，可以用[Si]控制[O]([Si] 2[O]=SiO₂_液)和降低Ti损(3[Ti] 5／2SiO₂_液=5／2[Si] Ti₃O₅_固)。用Si来控制[O]可以提高钢的洁净度，在该厂生产的成品钢中很少看到Ti的氧化物夹杂。LF渣的成分见表8．

该厂所用上述LF渣当ω(CaF₂)<10％，ω(CaO)=55％时，可以吸收15％(质量分数)的TiO₂。

提高m(CaF₂)／m(SiO₂)和提高m(Al₂O₃)／m(CaO)可以提高CaO·TiO₂在LF渣中的熔解度，虽然ω(CaF₂)>10％不再有好处。

1 0攀枝花钢铁厂重轨钢的LF操作

攀枝花钢铁厂重轨钢的生产流程为：BOF—LF(130 t)一RH(130t)一6流大方坯连铸。

LF操作为首先加人造渣剂石灰、萤石和炉渣脱氧剂Al粒或CaC₂，或在特定条件下加SiC₂，然后第1次加热5 min将LF渣熔化。加入FeSi和FeMn后，第2次加热，使温度达到RH开始处理的温度。为了减少Mg从渣线处的MgO-C砖中熔解出，要避免加热温度过高，以免在不含Al的重轨钢中形成硬的夹杂物。