邢 凯 胡建东 张永集

(1.天津重型装备工程研究有限公司，天津300457；2.中南大学资源加工与生物工程学院，湖南410083)

精炼渣对洁净钢的冶炼有着非常重要的作用，其主要作用体现在以下方面：第一，埋弧加热，防止吸气；第二，脱除钢水中的氧和硫；第三，合理的精炼渣成分能够有效的吸附夹杂。传统的精炼渣使用的是CaO-SiO2二元渣系，为了降低该精炼渣的熔点，提高精炼渣熔化后的流动性，需要添加一定量的萤石(主要成分CaF2)，但这会加剧精炼渣对精炼包耐火材料的侵蚀。同时，渣中(CaF2)和(SiO2)在高温下会反应生成有毒气体SiF4，造成工作环境的污染。对于允许使用铝脱氧的钢种，为了提高钢水的洁净度，降低精炼渣对精炼包的侵蚀，我们使用高Al2O3精炼渣进行钢水精炼。该精炼渣主要组元为CaO-SiO2-Al2O3，避免萤石的使用。由于可以使用含Al材料进行脱氧，钢液中溶解氧含量能够得到很好的控制，钢水脱S也相应较为容易。但是良好的精炼渣需要对其组元配比进行合理选择。

1 原精炼渣分析

原精炼渣分析时，选取了7炉某产品炼钢用精炼渣进行取样，而后逐炉次进行化学成分分析，求其平均值，得到精炼渣成分见表1。

从表1可看出，原精炼渣的主要物相为硅酸二钙和硅酸三钙，其熔点都大于2000℃，精炼渣中的其他一些物相为RO(RO为MgO、CaO、FeO和MnO的总称)，如图1(a)为CaO-SiO2的二元相图。硅酸二钙和硅酸三钙熔点较高，从而使得精炼渣的整体熔点很高。MgO和CaO熔点较高，而且其离子团相比其他离子团要大得多，因此会增大精炼渣黏度，降低钢渣间化学反应速度。

为了降低该精炼渣的熔点和粘度需要使用萤石材料。从图1(b)CaO-SiO2-CaF2三元相图中可以看出，为了降低精炼渣的熔点到1500℃以下，需要配入一定量的萤石。根据公司2016～2017年的统计结果，在使用CaO-SiO2精炼渣冶炼时，萤石的平均使用量见表2，萤石比例和相图分析基本相符。

表1 原精炼渣取样化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical compositions oforiginal refining slag(mass fraction,%)

表2 CaO-SiO2精炼渣萤石用量Table 2 Amount of fluorite in CaO-SiO2 refining slag

2 高Al2O3精炼渣配比优化

对于允许Al镇静的钢种，我们使用高Al2O3精炼渣进行钢水精炼。通过理论分析和前人工作统计，优化选择组元配比。

(a)CaO-SiO2二元相图(b)CaO-SiO2-CaF2三元相图图1 精炼渣系相图[1]Figure 1 Refining slag system phase diagram

图2 1500℃时CaO-Al2O3-SiO2-MgO(6%)的低熔点区域Figure 2 Low melting regions of CaO-Al2O3-SiO2-MgO(6%)at 1500℃

(1)熔点控制

选用精炼渣时，一般多选在相图的低熔点位置，保证精炼渣的流动性较好，有利于钢水的脱氧和脱硫效果。利用Factsage计算1500℃时的CaO-SiO2-Al2O3相图，同时考虑MgO(固定比例6%)，如图2。该相图中基本分成两个低熔点区域，即区域A和区域B，能够实现精炼渣熔点相对较低。

(2)碱度控制

碱度是精炼渣一个重要的参数。渣的碱度对精炼过程的脱氧、脱硫均有较大影响。碱度提高可使钢中平衡氧降低，而且可提高硫在渣-钢之中的分配比，即利于脱氧和脱硫。原渣系中二元碱度R=w(CaO)w(SiO2)=1.6，其碱度相对较低，属于低碱度渣。因此新渣系选择组元配比时考虑适当提高渣中Al2O3的比例，即向图2中区域B靠近。

(3)精炼渣吸附夹杂物研究

吸附Al2O3夹杂的能力与渣中CaO与Al2O3的活度有直接关系。Al2O3的活度降低有利于铝氧平衡向正向反应，促进钢中Al2O3进入渣中；而CaO活度提高，有利于CaO与Al2O3形成多种钙铝酸盐化合物，有利于吸附Al2O3夹杂，降低钢水中[O]含量，提高精炼渣脱氧能力。Al2O3的含量在很大程度上影响了CaO-SiO2-Al2O3精炼渣的熔化温度，控制渣中Al2O3适当的含量可以得到流动性良好的精炼渣，提高钢液洁净度水平。

赵东伟等人[2]利用Factsage计算了精炼渣CaO-SiO2-Al2O3各组元的活度并得到：当w(CaO)w(SiO2)=4～6时可以得到Al2O3的活度较低，CaO的活度较高的渣系；当SiO2的含量一定时，w(CaO)w(Al2O3)比值增加，Al2O3的活度减小，而CaO的活度增加。当w(CaO)w(Al2O3)=1.5～2时可以得到Al2O3的活度较低，CaO的活度较高的渣系。

(4)精炼渣上浮的考虑

在精炼过程中，由于精炼包底部吹Ar的作用，钢水和精炼渣受到严重扰动，出现卷渣现象，因此设计精炼渣时需要考虑精炼渣从钢水中上浮去除。夹杂物要能容易上浮去除，则要求精炼渣表面张力要大，而且渣-钢间的界面张力较大为好。有研究表明[3]：高Al2O3精炼渣的表面张力随着碱度的增加而增加，渣-钢间的界面张力随着碱度的增加也增加。但是，当Al2O3含量一定时，为了获得较大的精炼渣表面张力，需要提高渣中CaO的含量，从而导致精炼渣的熔点上升，精炼渣熔化困难，渣的粘度过大，流动性不好，这也将影响脱氧、脱硫效果和Al2O3夹杂物的吸附。

表3 高Al2O3精炼渣成分(质量分数，%)Table 3 Compositions of high contents Al2O3refining slag(mass fraction, %)

表4 CaO-SiO2-Al2O3精炼渣化学成分(质量分数，%)Table 4 Chemical compositions of CaO-SiO2-Al2O3refining slag(mass fraction,%)

(5)优化方案

综合考虑以上各方面，建议使用的CaO-SiO2-Al2O3精炼渣各组元配比方案见表3。

3 应用实践

试验炉次产品在精炼阶段出钢前取精炼渣样，进行荧光光谱分析，分析结果见表4。

通过对比表3和表4，试验过程中精炼渣分析结果基本符合原设计，达到了预期设计目标。生产实践中，新设计精炼渣化渣速度与原来相比明显提高，缩短了冶炼时间，精炼过程中未发现新的不利问题，锻件最终的UT检测结果也均合格，说明该渣系能够很好地满足生产需要。但是，精炼渣中(MgO)含量与原精炼渣相比降低幅度不大，仍有进一步改善空间。