关于精炼过程中合成渣行为的探讨

关于精炼过程中合成渣行为的探讨

本钢马春生

随着科学技术的进步和炼钢工艺的发展，炉外精炼已经成为提高钢的纯净度、改善钢质量的必不可少的工艺手段。而在炉外精炼的工艺过程中主要的化学反应和工艺目的大多数都是通过各种合成渣来实现。对应于不同的工艺、不同的品种要求，应该选择不同的合成渣。因此，对于炉渣，特别是精炼过程中使用的合成渣的研究、开发和应用越来越受到人们的重视。本文将对各种合成渣的作用，选择及精炼过程中的物理化学行为进行初步的探讨。

1 渣洗用合成渣（即精炼渣）

所谓的渣洗就是通过机械的方法让合成渣与钢水充分搅拌、混合，创造良好的渣、钢之间进行化学反应的动力学条件，从而实现诸如脱硫、脱磷、脱氧等工艺目的。

1.1 合成渣的制作方法

其制作方法大致可以分为如下种类：

1.1.1 机械混合型

将各种原料破碎成一定粒度，按照要求的比例配制，并通过机械方法混匀。

这种渣料的制作工艺简单、成本低廉，但是直接加入钢液里时熔点高、热量损失大、反应速度慢。

另一种机械混合型是将各种原材料制成<1mm的粉状，再按一定的比例混匀，加入一定量的结合剂制成小球状，并通过烘干去掉水份加入钢中。，

这种渣料的原料布局比例均匀，比颗粒混合型制作工艺复杂，成本较高。直接加入钢液时熔点稍低、熔速稍快，由于钢、渣之间接触面较大，故反应速度较快。

1.1.2熔化炉予熔型

将原料按一定配比通过小冲天炉（化渣炉）利用焦炭作为热源进行熔化，经水淬、干燥后按需要投入钢水中。这种渣料，经过预熔已经形成多元相，其成份比较接近设计目标，而且熔点较低，在钢液中溶化速度快，反应迅速。但是由于焦炭经燃烧后的灰份绝大部份是SiO2，加之炉膛耐火材料的熔损，最终成份很难达到理想状态。特别是生产低SiO2、低C含量的渣料时，采用该方法生产是难以实现的。

1.1.3 电弧炉预熔渣

利用电弧炉将原料加热熔化成熔融状态。一种是现场有电弧炉的时候可直接将熔融状态的渣料直接用钢水冲混。一种是现场没有电弧炉的时候将熔融渣料冷却、破碎、干燥后投入到钢包内用钢水冲洗。前者对钢水降温极少，且钢渣充分接触，反应速度极快、精炼效果良好，而后者则对钢水有一定的降温作用，且需一定时间熔化，反应速度相对较慢。总体讲，电弧炉生产的预熔渣，成份十分接近设计标准、熔点低、杂质少、精炼效果优良。唯一的不足是成本高。

1.14 化学纯渣料

这是一种用化学纯原料配制的渣料，成份理想、价格昂贵，只能在实验室中使用，没有大生产使用的价值。

1.2 合成渣的成份选择

合成渣的作用在于对钢水精炼，故叫做精炼渣，最终的目的是脱硫、脱氧,吸附夹杂或改变夹杂物的形态。为了取得最佳的冶炼效果，根据精炼目的的不同侧重点要求合成渣具备相应的物理化学性质，而合成渣的成份是炉渣物理化学性质的决定因素。

早期冶炼含硅钢时，对成份主要是在钙、硅、铝、镁渣系中选择，在冶炼低硅钢时主要是在钙、镁、铝渣系或钙、铝渣系中选择。如果脱硫是精炼的重点时要适当添加一定量具有脱硫能力的材料，如果把脱氧作为精炼时，适当配加脱氧剂，如果要改变夹杂物形态，需添加稀土、钙合金等。

1.3 合成渣的物化性质基本要求

1.3.1 碱度

目前，一般精炼用合成渣，多半采用高、中碱度标准的碱度表示方法为：

R=（CaO%）+(MgO%)/0.94(SiO2)+0.18(Al2O3)

1.3.2 熔点

不管什么形式的精炼渣其熔点应该是越低越好，这样能少损失钢水热量、熔化快、反应快、精炼效果好。合成渣的熔点，可根据渣的成分利用相应的相图来确定。

对于主要成分是CaO和SiO2的渣系，可利用CaO-SiO2二元相图。

图 1 CaO-SiO2二元相图

该渣系在熔融状态有两个稳定的化合物：CaSiO3和Ca2SiO4。相图中主要组元和稳定化合物的熔点分别是：CaO-2600℃；CaSiO3-1540℃;Ca2SiO4-2130℃;SiO2-1713℃。在炼钢温度范围内（1550-1650℃），当这类渣的碱度大于2时，它不可能成为液态。而含SiO2为60%左右的酸性渣可以是液态，它的熔化温度为1500℃左右。所以单纯的CaO和SiO2的渣系不可以当做合成渣使用,必须添加其他组元.

石灰-氧化铝渣可参阅CaO-Al2O3相图。

图2 CaO-Al2O3相图

在该图中有四个化合物。由图可以看出，所有Al2O3和CaO的化合物都不如硅酸钙那么稳定。在CaO-Al2O3系中，当Al2O3为48-56%和CaO为52-44%时，其熔点最低（1450-1500℃）。这种渣当存在少量SiO2和MgO时，其熔点还会进一步下降。SiO2含量对CaO-Al2O3系熔点的影响不如MgO来得明显。该渣系不同成分炉渣的熔点见表2-3。当CaO/Al2O3=1.0-1.15或n CaO/n Al2O3= 1.77-2.1时，渣的精炼能力最好。

对于石灰-粘土渣可利用CaO-SiO2-Al2O3相图。

图3 CaO-MgO-Al2O3相图

该系除了有二元化合物CaSiO3、Ca2SiO4、CaO.Al2O3、3 Al2O3.2SiO2等以外，还有二个三元化合物：钙长石CaO.Al2O3.2SiO2和弹性地腊2CaO.Al2O3.2SiO2，其熔点分别为1600℃和1593℃。熔点为1500℃左右的均质渣具有较低的碱度（CaO/SiO2<1.2），而高碱度的渣，它们的熔点却高达1600℃或更高一些。所以它们不适用于炉外精炼。当CaO-Al2O3-SiO2三元系中加入6-12%的MgO时，就可以使其熔点降到1500℃甚至更低一些。加入CaF2、Na3AlF6、Na2O、

K 2O 等也能降低熔点。

图4 CaO-SiO 2-Al 2O 3相图

CaO-SiO 2-Al 2O 3-MgO 渣系用途很广，用合成渣处理电炉钢液时，广泛应用了该渣系中的石灰-粘土渣，其组成如表2-1所示。为了得到这种渣，可用石灰和废粘土砖块及氧化镁作原料，前苏联学者邱依科早在四十年就研究了这类炉渣，表明这类炉渣有较强的脱氧、脱硫和吸附夹杂的能力。当粘度一定时，这种渣的熔点随渣中（CaO+MgO ）总量的增加而提高。（见表1）

渣中MgO 含量每增加1%，上述成分炉渣的熔点就提高15.5℃。为了得到熔点不超过1400℃的渣，（MgO ）不应大于12%。

1.3.3 流动性。用作渣洗的合成渣，要求有较好的流动性。渣的流动性可以提供良好的化学反应动力学条件,也是影响渣在钢液中乳化的重要因素之一。在相同的温度和混冲条件下，提高合成渣的流动性，可以减小乳化渣滴的平均直径，从而增大渣钢接触界面。

在CaO-Al 2O 3渣系中，随着SiO 2含量的提高，渣的流动性变好，也就是粘度降低。在炼钢温度下，其粘度小于0.2Pa.S 。

CaO-Al 2O 3渣系的粘度变化