提高钢水洁净度的冶炼工艺实践

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摘要阐述天管冶炼洁净钢生产技术的工艺实践。电炉采用无渣出钢、优化喷吹工艺、控制钢水的过氧化；精炼采用预熔型精炼合成渣、脱氧、脱硫、吹氩搅拌和钙处理工艺，改善铸坯内部夹杂物分布，促使夹杂物碰撞、聚合上浮。

关键词配料，预熔型精炼合成渣，脱氧，脱硫

1 前言

天津钢管集团有限公司是一座专业生产无缝钢管的现代化大型企业，公司生产的产品按照用途可分为十三大类，以石油管材生产为主，其它产品包括管线管、液压支架管、高、低中压锅炉管、高压气瓶管、石油裂化管等，拥有当今世界一流的炼钢、轧制、管加工成套技术设备。随着炼钢厂120万吨的改造项目的完成，生产节奏明显加快，需要对钢中夹杂物进行控制。针对产品的特殊使用环境要求比较苛刻，洁净钢冶炼工艺要求钢中的氧、氮、磷、硫、氢含量和非金属夹杂物含量夹杂物含量要低，尺寸要小，分布均匀、以及合适的夹杂物形态，对后期进行的各项工艺造成的影响要小。洁净钢生产技术的工艺贯穿整个炼钢过程，包括电炉配料、喷吹工艺、预脱氧脱硫、精炼处理控制等工艺。

2 电弧炉的洁净钢生产技术

2．1 酉己料工艺

配料方案总体分为三类，对特殊要求钢种，采用“优质废钢 1．5包铁水”配料方案，第一篮料的料篮底部必须加人约2～3吨的石灰；对高钢级钢种(包括气瓶、高锅、抗硫、管线管用钢)，采用“优质废钢 1包铁水 DRI”配料方案；普通要求钢种(包括结构、J55套管等用钢)，采用“普通废钢铁水 DRI”配料方案。

2．2优化吹氧喷碳工艺

天管150吨超高功率电弧炉，采用综合喷吹技术，强化和优化氧气和燃料的利用，增加辅助能量，从而提高冶炼强度。对电炉的氧枪系统进行改造，在电炉原有〝三支KT氧枪两支KT碳枪两支炉门氧枪〞的基础上，增加一支KT氧枪和一支KT碳枪，将原有KT氧枪安装方式(在耐火砖上打孔)改为水冷铜套式，并且对氧枪角度做了调整，形成分散吹氧和喷碳技术，从而实现沿炉壁周向的优化的吹氧和喷碳，达到均衡熔化均匀反应和均匀升温，造好泡沫渣，降低渣中氧化铁，减少加热过程中大气中的氮被电离后进人钢水中，达到进一步减少钢液吸氮的目的。电炉改造后的氧碳枪位置图见图1。

2．3 防止钢水过氧化

2．3．1 通过不断总结，每炉调整钢铁料配碳量(生铁铁水)到60～65吨，确保了合适的人炉钢铁料配碳量，降低钢水中的氧过剩的现象，为控制钢水过氧化创造条件，减少氧化物的生成。

2．3．2 电炉根据熔清样碳含量合理控制炉门双氧枪的使用，进而控制钢水的终点碳含量，当熔清样碳含量≤0．50％时，电炉炉门使用单氧枪，适当调整氧枪角度，缩短过供氧时间，控制101样碳在0．10％左右(低碳钢种除外)，保正钢水到精炼的硅≥0．15％。对防止钢水过氧化起到至关重要的作用。

2．4 出钢操作技术：

2．4．1 无渣出钢

150吨超高功率电弧炉出钢采用偏心炉底无渣出钢，出钢量控制在138～141吨，防止氧化渣带人钢液，如果下渣，必须倒渣，改善钢液纯净度；采用留钢留渣操作，炉内留钢液20吨左右，使炉渣和钢液物理热能贮存在炉内，降低冶炼电耗。严格按工艺卡规定控制合适的出钢温度，严禁低温出钢，出钢时间≤3 min。确保出钢后30min内，到精炼的钢水温度≥1520℃。

2．4．2预脱氧规定

2．4．2．1 出钢过程预脱氧

电炉出钢开始时，先加人小批量渣料，形成早渣覆盖钢液面，大批渣料(石灰和精炼渣)和合金随后加入，以减少吸气，合金提高进限率，为精炼处理创造条件。钢水量达到25～35吨时，严格先弱后强的顺序加脱氧剂和合金，使用复合脱氧剂硅锰合金、硅铝铁合金，降低钢水的氧化性，生成的脱氧产物熔点低，在钢液中碰撞易于聚集生成大颗粒夹杂而浮出钢液表面。预脱氧根据钢种化学成分铝要求调整铝块和硅铝钙钡的加入量，气瓶钢采用硅钙钡合金脱氧。

2．4．4．2 炉后钢包车脱氧

对铝要求Al≤0．010％钢种及气瓶钢、27 SiMn，不喂铝丝。其它钢种参见表1

2．4．3 预脱硫用渣料规定

在电炉出钢过程中，采用MPE法加顶渣进行钢渣混冲，脱除钢水中的硫。对硫含量要求不同的钢种分别按要求加入精炼渣和脱硫剂。出钢后，控制好氩气搅拌强度。对于CrMo钢种氩气强搅拌时间增加2分钟，其他不变；出钢开始时钢包吹氩流量调整为2001／min，出钢结束时吹氩流量调整为1001／rmin，以钢液面不裸露为宜，防止卷渣和钢液吸氮。

3 精炼炉的洁净钢生产技术

为了满足高效连铸对钢水的纯净度提出的更高要求，精炼炉处理的钢水质量也必须相应提高。通过钢包炉(LF)和真空炉(VD)完成对钢液的精炼处理，完成脱硫、脱氧、脱气、去夹杂等任务，天管炉外精炼工艺包括：开发预熔型精炼渣合成渣，优化渣脱氧制度；合理钢包底吹氩搅拌工艺。通过脱氧、脱硫．、控制夹杂物和钙处理工艺达到生产洁净钢目的。

3．1 开发预熔型精炼渣合成渣

LF中的冶金反应是在钢渣界面之间进行，炉渣的性能直接影响冶炼效果和钢的质量。对于深脱硫钢，为强化渣钢界面的脱硫反应，采用强搅拌方式。

天津钢管公司与东北大学研制出一种高效预熔型精炼渣，预熔型精炼渣CcaO—A1₂O₃一MgQ渣系的组成要求：高碱度以利于脱硫，低氧化性(FeO、MnO低)以利于脱氧，好的流动性以利于渣一钢反应。其中CaO可以保证精炼渣的碱度，是达到预熔精炼性能的主要成分；MgO成分是为了降低熔渣对炉衬的侵蚀，在精炼渣中所含量较少。渣中A1₂O₃能改善渣子的流动性，提高脱硫能力，但A1₂O₃含量过多会降低碱度，影响发泡脱硫效果，预熔型精炼渣的成分及物理性质见表2。

实践表明，预熔型精炼渣CaO－A1₂O₃－MgO渣系，具有较低熔点，成渣迅速，良好的起泡性，缩短冶炼时间，降低电耗等优良特性，精炼渣碱度R控制在2．5～3．0范围内，炉渣既有良好的脱硫、脱氧能力，又有较好的吸附夹杂物的能力。在此基础上，根据炼钢生产实践，多次进行精炼渣印化学成分的调整试验。

改进前加人量一般为5－8 kg／(t·s)时，改进后加入量一般为4—6 kg／(t·s)时，精炼渣碱度R控制在3．0～4．0范围内，平均脱硫率由原来的85％提高到95％左右，钢中[S]可降到0．003％。

3．2优化脱氧制度

在保证钢水质量基础上，钢包炉进一步优化精炼脱氧工艺，采用新型复合脱氧剂，以提高脱氧效果和效率，不断降低钢中全氧含量，并为深脱硫创造稳定的条件。在钢中氧含量过高，则角状夹杂物及宏观夹杂物增多，易产生脆性断裂，影响钢水表面质量。早期脱氧，降低全氧含量，为氧化物上浮创造时间，开展一系列措施：

精炼钢水到位后，向钢水中喂铝线脱除钢水中的氧，并使[ALs]达到要求成分；LF处理过程根据炉渣情况使用合成脱氧剂、硅铁粉、无铝脱氧剂强化脱氧；LF精炼还原气氛的控制，主要使用碳化硅在炉内的造渣，在白渣下进行脱硫和合金微调，通过添加脱氧剂降低钢水氧活度，使钢水的最终氧含量控制在20 ppm左右，对于特殊要求的钢种甚至能达到10ppm。

3．3 优化钢包底吹氩技术

在LF--VD精炼过程中应用钢包吹氩搅拌技术，促进渣钢界面反应，去除钢中夹杂物。利用钢渣之间氧的传质现象，降低钢水氧活度，可以提高钢水的洁净度。结合我厂冶炼工艺特点，按照钢种冶炼的难易程度，将弱搅拌以及镇静时间的要求分为4个星级：即☆☆☆☆级、☆☆☆级、☆☆级和☆级，此规定下发到相关岗位认真执行。

通过向钢包底部吹氩，产生微小汽泡，使细小的夹杂物附着在汽泡上一同浮出钢液。控制好精炼过程氩气氩气搅拌的强度对钢水洁净度至关重要，大氩气流量“强搅”有利于脱硫，加合金、均匀成分时采用中等强度搅拌，氩气流量调整到l0001／min，降低钢水的硫含量和氧含量，但流量过大会污染钢液，导致二次氧化，同时也会造成“卷渣”现象。小氩气流量“弱搅’’有利去除夹杂物，在加热和镇静期间，氩气流量调整到l001／min，不裸露钢液面，促使夹杂上浮被渣吸收。

3．4 钙处理

对钢液进行钙处理工艺，把滞留在钢中的夹杂物进行充分的变性处理，主要是用喂丝机以一定的速度，将Ca—Si丝直接插人钢液与钢水有较大接触，利用Ca元素强还原性和对夹杂物的变性作用，改变钢液中夹杂物的组成、性质和分布状态，使钢水中A1₂O₃形成球状低熔点的夹杂物铝酸钙(12 CaO．7 A1₂O₃)，避免浇注过程中发生堵塞水口现象，消除A1₂O₃在轧制过程中因不变形而造成的危害，改善钢的各向异性。喂钙丝处理的生产实践表明，使钢中［Ca］／[ALs]比值范围控制在0．10～0．13较为适宜。

喂CaSi丝后弱搅拌要确保不裸露钢水面扰动，弱搅拌时间普通钢种不小于3 min，高钢级钢种弱搅时间5～10 min。