马晓芬，周四明，吴显辉，周金海
( 上海盛宝冶金科技有限公司，上海 200942)
摘 要: 结合某钢厂低碳低硅SPHC 钢种生产基本情况，分析了SPHC 钢生产工艺流程的特点以及过程中存在的主要问题。通过对其现有生产工艺的优化，脱硫率从35． 7 % 提高到45 5 %，且铸坯中夹杂物小于1． 0级的比例达80 %，在保证转炉冶炼 SPHC 钢质量的同时，冶炼成本可降低约3.14元/t。
关键词: SPHC 钢; 脱氧效率; 脱硫效率; 成本
在钢铁行业普遍存在亏本较为严重的情况下，如何在保证钢材质量的基础上降低生产成本，是各个钢厂一致的工作目标。本文分析了国内某大型钢厂低碳低硅 SPHC 钢生产工艺，通过优化精炼工艺，提高其脱氧、脱硫效率，在保证钢材质量的前提下降低生产成本。
1 生产工艺流程及装备条件
目前，国内各大钢厂 SPHC 钢的生产工艺主要有以下几种［1］: 1) LD→RH→CC; 2) LD→CAS( ANS)→CC; 3) LD→LF→CC。国内某钢厂生产低碳低硅 SPHC 钢，为提高生产效率，节约生产成本，在保证钢材质量的前提下，其生产精炼工艺采用 CAS 代替 LF 为: LD
→CAS→CC。其低碳低硅 SPHC 钢主要成分要求如表 1。该厂主要装备有公称容量 210 t 转炉 2 座，平均出钢量210 t; 多功能 CAS 站 2 座; 板坯连铸机 3 台，LF2 座，RH 1 座.
2 工艺优化设计
2． 1 出钢要求
1) 温度控制: LD→CAS→CC 工艺流程，缺少LF 精炼升温环节，为保证出钢过程所加的石灰充分熔化以及减少脱硫过程中钢水的温降，出钢温度必须相应调高 10 ～ 20 ℃，设计要求为1 660 ～1 690 ℃ 。
2) 出钢碳要求: 终点钢水 w ( C ) 控制在0． 04 % ～ 0． 06 % ，终点碳含量不宜控制太低，否则钢中氧含量过高，钢中夹杂物增多，并且还会造成钢水增氮等，影响钢水质量［2］。
2． 2 脱氧工艺优化
1) SPHC 钢脱氧工艺分析。低碳低硅 SPHC钢的脱氧普遍采用铝脱氧，存在钢液可浇性差的问题，连铸时容易出现堵塞水口现象，影响正常浇铸。经过电镜观察和能谱分析，主要原因是钢中产生大量的 A12O3夹杂，并混有 Mg O·Al2O3尖晶石以及 CaO-Al2O3为主的化合物。Al2O3是高熔点程中不断被水口捕获，附着于水口内壁上，造成连铸水口结瘤。因此改善钢水可浇性主要是解Al2O3夹杂物问题，要从三个方面控制，一是使 Al2O3充分上浮二是对夹杂物充分变性，使高熔点固态夹杂物变成低熔点易上浮的夹杂物，三是避免钢水产生二次氧化，造成二次氧化污染［3］。
2) 新脱氧工艺设计。原工艺采用单一铝块脱氧，生成氧化铝及钙铝酸盐类夹杂物熔点高、不易上浮，且铝块加入量过大，连铸中间包水口容易堵塞，造成浇铸困难; 加入量过小，铸坯容易产生皮下气泡，影响产品质量，增加轧制难度。根据夹杂物上浮排除理论，夹杂物随着软吹氩或钢水镇静的时间延长，越易从钢水中排除［4］，故低碳低硅 SPHC 钢脱氧工艺的优化主要思路是克服钢水采用单一铝脱氧时脱氧产物不易上浮的缺点，进而显著改善钢水流动性，避免结晶器水口结瘤，提高连浇炉数。新工艺设计采用新型铝钙复合脱氧剂代替铝块脱氧，铝钙复合脱氧剂主要含铝、钙以及 C12A7，C12A7是钙和铝形成氧化物中熔点最低的，能够快速熔化，在炼钢温度下呈液态球状上浮，进而对钢水起到复合脱氧作用［5］。同时，形成的低熔点铝酸钙渣系具有较强的吸附夹杂能力，对钢水起到很好的渣洗作用，将钢水中的夹杂物带到渣中，减少钢中夹杂物总量。
铝钙复合脱氧剂在转炉出钢 1/4 时加入，与钢水混冲脱氧，其用量较铝块用量增加90 %，出钢后再加入 50 ～100 kg 电石进行渣脱氧。
2． 3 优化造渣工艺
对于“LD→CAS→CC”工艺出现倒炉硫含量高的炉次，如果采用倒炉后炉内脱硫，由于转炉冶炼属于氧化性气氛，脱硫效率有限，并且由于炉内脱硫必须提高温度、增加碱度，势必会造成钢水和炉渣氧化性增加、吹损增加，影响合金回收率和钢铁料消耗等技术指标。因此，当转炉倒炉时，采取渣洗的方法来保证成品硫含量合格。在出钢过程中向钢包加入渣洗材料，使渣料迅速熔化，与钢水充分接触，强化钢水和炉渣脱氧，使钢包顶渣满足脱硫的热力学条件，利用出钢过程良好的动力学条件是钢渣充分反应，使［S］与( CaO) 反应生成( CaS) 脱硫［6］。脱硫方程式:
［FeS］+ ( CaO) = ( FeO) + ( CaS) ( 1)
LgKs= － 920 / T － 0． 578 4 ( 2)
研究表明，脱硫反应是一个受控于传质过程的反应，脱硫速度可表示为:
d［S］/ d t = ( A / V)·k［( % S) － ( % S) / LS］ ( 3)
式( 3) 中: A/V 为单位体积的反应面积; k 为传质系数。
渣-钢接触面积增大，［S］与( O2 －) 接触机会增多，则脱硫反应速度加快; 提高炉渣碱度等于增加了渣中 O2 －的浓度，故可提高脱硫速度［7］。
故新工艺设计出钢过程随钢流需加入石灰600 ～ 700 kg / 炉、萤石 100 kg / 炉用于造渣，在CAS 站可形成高碱度、还原性强、硫容量高的精炼渣系，进一步脱硫。
2． 4 CAS 站工艺优化
由于良好的氩气搅拌有利于钢-渣之间的化学反应，可以加速钢-渣之间的物质传递，有利于钢液的脱氧、脱气反应的进行，去除非金属夹杂物，加速钢液温度与成分均匀［8］。因此，要保证脱硫效率，必须提高出钢过程和脱硫过程的搅拌强度，以保证顶渣熔化良好并促进钢-渣界面的反应。新工艺设计在转炉出钢加入铝钙复合脱氧剂进行脱氧操作，控制 CAS 到站钢水中 w( O) ＜100× 10－ 6，由于铝钙复合脱氧剂比铝块脱氧有一定的滞后，因CAS进站定氧前需保证足够的大底吹时间，促进夹杂物上浮。故新工艺设计出钢后强吹时间控制在 6 ～9 min。
2． 5 过程取样及试样分析
分别在转炉吹炼完毕后用副枪测氧，CAS 到站、CAS 出站测温定氧仪分析氧含量; CAS 站进出站渣样取样分析，并对铸坯夹杂物进行金相分析。
3 试验效果
在某钢厂低碳低硅系列( 主要钢种为 SPHC、SPHC74) ，采用“LD→CAS→CC”生产工艺，出钢过程使用铝钙复合脱氧剂代替铝块脱氧，共试验30 炉。
3． 1 试验数据分析
采用新工艺对原有工艺进行优化，新工艺与原工艺效果对比见表 2、表 3。
表 2 表明，通过对出钢过程脱氧工艺优化后，到 CAS 站的钢水中活性氧含量低于原工艺且稳定，新工艺 CAS 到站 w( O) 较原工艺可降低约2． 32 × 10－ 6，平均在 10 × 10－ 6以下，达到出钢要求，且脱氧效果略优于原工艺，有利于适度使用脱氧能力强的铝线进行终脱氧，实际每炉钢可减少CAS 铝线喂入量 76 m 左右，即可减少喂铝量 28kg。由于铝线量不大，钢水中的 w( O) 控制在( 2～ 4) × 10－ 6，因此产生少量的Al2O3夹杂不会对钢水的可浇性造成较大的影响。
表2 及表3 表明，新工艺 CAS 到站 w( Al S) 比原工艺高出0． 008 %，平均成品 w( S) 为0． 011%，满足钢种要求。新工艺平均脱硫率较原工艺高9． 3 % 。
3． 1． 1 脱氧效果分析与对比
从表 4 脱氧对比数据可知，原工艺使用铝块脱氧，新工艺使用铝钙复合脱氧剂，铝块中铝质量分数是铝钙复合脱氧剂的1． 96倍，实际铝钙复合脱氧剂加入量较铝块增加82 %，成本上有一定的优势。
3． 1． 2 渣样数据分析
新工艺 CAS 站出站渣样基本为墨绿色玻璃渣，无气孔或少气孔，致密度良好。从表 5 数据可知，新工艺钢包渣达到了良好的渣洗效果，CAS 站出站渣样碱度平均为12． 33，比原工艺平均提高0． 74，且渣洗后渣中 w( MnO + T． Fe) ＜ 1． 0 % ，说明渣洗料具有较高的碱度和较强的还原性，有利于脱硫反应进行，能有效提高钢水洁净度，可以起到很好的顶渣改质作用。
3． 1． 3 脱硫效果对比
转炉出钢后钢包内钢水氧化性取决于钢水溶解氧含量，而钢水溶解氧含量取决于钢水酸溶铝含量。出钢过程中加入钢包的铝一部分被转炉终点钢水中的氧氧化，另一部分被渣中的FeO 氧化。出钢后钢包中钢水的残余铝含量因转炉终点氧含量和出钢下渣量的不同而波动，因而对渣洗脱硫率产生影响。有研究表明渣洗脱硫率随钢水酸溶铝含量升高而增加。因此，要保证较好的脱硫效果，钢中酸溶铝的控制是关键［9］。两种工艺平均出钢硫含量和平均成品硫含量对比如图 1 所示。新工艺CAS 到站 w( AlS) 比原工艺高出0．008 %，有利于脱硫反应进一步进行，且采用新工艺 CAS 站出站渣碱度高，渣中硫容量高，脱硫效果好，平均成品 w( S) 为0．011 %，满足钢种要求。新工艺脱硫率可从原工艺平均35．7 %提高到45．5 %，如图1 所示。
3． 2 钢中大型夹杂物情况
在进行的“LD→CAS→CC”工艺优化试验中，钢水流动性良好，所有浇炉次均未发生水口结瘤现象。对铸坯夹杂物金相分析结果表明两种工艺中80 % 夹杂物尺寸都小于 10 μm。原工艺和新工艺两种工艺条件下，铸坯中夹杂物尺寸小于 10μm 的比例分别为83 % 、88 % ，新工艺铸坯中夹杂物满足小于1． 0级的比例达80 %，达到 SPHC钢种需求，且夹杂物尺寸较原工艺小，新工艺改善夹杂性优于原工艺。
4 成本分析
新工艺与原工艺脱氧成本如表 6 所示，工艺优化后，每吨钢脱氧成本可下降3． 14元，具有一定的成本优势。
2012 年 4 － 5 月在某钢厂试验，试验结束后从6 月起，该工艺正式用于某钢厂低碳低硅 SPHC钢批量生产，已生产近 300 炉次，产品质量稳定，且生产周期缩短，提高了生产效率，生产成本有一定程度降低。
5 结 论
1) 优化后的生产工艺，生产的低碳低硅SPHC 钢主要化学成分满足要求。
2) 新工艺应用于低碳低硅 SPHC 钢冶炼，采用铝钙复合脱氧剂脱氧，脱氧效果稳定，过程中钢水流动性良好，且综合成本有一定幅度的降低，具有良好的经济效益。
3) 新工艺用于低碳低硅 SPHC 钢冶炼，起到了良好的渣洗效果，CAS 脱硫效率显著高，降低钢水硫含量，有效提高钢水洁净度，达到了良好的冶金效果。
4) 采用优化后的生产工艺生产低碳低硅SPHC 钢，产品质量稳定，且生产周期缩短，提高了生产效率，生产成本有一定程度降低。
参 考 文 献
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