CAS–OB噴粉精煉工藝開發(fā)

1、第十四屆全國煉鋼學(xué)術(shù)會(huì)議文集PAGE PAGE 272CASOB噴粉精煉工藝開發(fā)趙成林 鄒宗樹(東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004)摘 要：CASOB噴粉精煉工藝是CASOB工藝結(jié)合浸入式噴粉工藝，在原有鋼水升溫、脫氧、合金化、吹氣去除夾雜物等精煉功能的基礎(chǔ)上，增加鋼水脫硫和夾雜物變性處理功能。此項(xiàng)技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵在于選擇合適的噴吹粉劑和創(chuàng)造最佳的精煉動(dòng)力學(xué)條件。本文通過總結(jié)前人的研究成果，推薦噴吹A(chǔ)lCaOCaSi或Al和12CaO7Al2O3型合成渣粉作為精煉粉劑，并選擇CaOAl2O3Al作為爐渣改質(zhì)劑，同時(shí)應(yīng)最大限度地增加粉劑進(jìn)入鋼水的比例、延長粉劑在鋼水中的停留時(shí)間并縮短熔池的

2、均混時(shí)間。為了防止鋼液吸氮、二次氧化以及溫降過大，建議在CAS鋼包頂部加密封蓋。關(guān)鍵詞： CASOB 噴粉 脫硫 夾雜物變性處理 熱力學(xué) 動(dòng)力學(xué) Technical Empolder for Powder Injection in CASOB Refining of SteelsZhao Chenglin Zou Zongshu(School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shengyang, 110004, China)Abstract：Powder injection in CASOB process was C

3、AS-OB technology combined with submerged powder injection, additional functions of desulphurization of molten steel and reforming of inclusions can be realized in addition to the functions of heating, deoxidization, alloying and removing inclusions by argon bubbling. The key of this technology is to

4、 choose a suitable refined powder and to create the best conditions for refined dynamics. AlCaOCaSi or Al and 12CaO7Al2O3 synthetic slag powder was recommended as refined powder and CaO-Al2O3-Al powder for the primary slag modification, simultaneity should maximize the proportion of powder into the

5、molten steel, extende the residence time of particle in the molten steel and shorten the mixing time of molten bath. To prevent steel liquid nitrogen adsorption, re-oxidation and the temperature drops too much, addition airproof cover in the CAS ladle top was proposed.Key words：CASOB, powder injecti

6、on, desulphurization, inclusion modification, thermodynamics, kinetic 1 前言CASOB(Composition Adjustment by Sealed Argon BubblingOxygen Bubbling)精煉工藝的基本原理是在鋼包底吹氬氣攪拌鋼液的條件下，在浸罩內(nèi)部鋼水表面少渣或無渣以及低氧化性的氬氣氛下，完成鋼液的脫氧、合金化以及升溫等操作。由于具備了加熱功能，使得許多任務(wù)可以在CAS站完成，CASOB工藝也隨之向多功能化方向發(fā)展。在國外，部分鋼廠在原有的CAS站增設(shè)了噴粉精煉裝置，根據(jù)不同的處理要求，采用不同

7、的處理手段和噴吹粉劑，實(shí)現(xiàn)鋼水升溫、脫氧、脫硫、合金化以及夾雜物變性處理等精煉功能，大大降低了煉鋼的成本1-2。而在國內(nèi)，這方面的研究還幾乎空白。本工作以此為著眼點(diǎn)，開發(fā)CASOB噴粉精煉工藝，以期最大限度地發(fā)揮現(xiàn)有CASOB的精煉作用。2 CASOB噴粉精煉工藝2.1 工藝提出的背景CAS的核心是浸漬罩內(nèi)無渣氬氣氛下的鋼水合金化成分調(diào)整。這一方面最大限度地提高了合金收得率，另一方面充分的吹氬攪拌也可大大改善鋼水的潔凈度。但目前鋼包帶渣不可避免，盡管合金化是在浸漬罩內(nèi)無渣條件下進(jìn)行的，但罩外的頂渣始終在與鋼水接觸，這種接觸必然通過渣金反應(yīng)影響合金的收得率。同時(shí)，脫硫無疑也是鋼水爐外精煉的重要任

8、務(wù)之一，而目前CAS無脫硫功能，僅僅依靠鋼水與頂渣的反應(yīng)(尤其是在不改渣的情況下)是無法實(shí)施有效脫硫的。另外，加入發(fā)熱劑吹氧升溫的過程不可避免地要產(chǎn)生大量新生、細(xì)小、難以去除的氧化物(尤其是Al2O3)夾雜，這些夾雜物殘留在鋼中，不僅直接惡化了鋼水的可澆性，而且也將嚴(yán)重地影響成品鋼材的質(zhì)量和性能。針對(duì)這些問題，本項(xiàng)工作在CASOB設(shè)備上增加噴粉裝置，通過向鋼水中噴吹合適的粉劑，期望達(dá)到如下效果：增加CASOB的脫硫功能；促進(jìn)OB產(chǎn)生的夾雜物的排除；對(duì)殘存于鋼中的Al2O3變性；改善鋼包頂渣從而有效地保持CAS的鋼水成分精確調(diào)整效果。2.2 與IRUT工藝的比較IRUT(Injection Re

9、fining with Up Temperature)工藝系上個(gè)世紀(jì)70年代日本開發(fā)出的爐外精煉工藝，該技術(shù)采用吹氧槍和供攪拌(或噴粉)用的浸入式噴槍，對(duì)鋼水進(jìn)行升溫以及噴粉處理等操作3。由于IRUT工藝也同時(shí)具備了化學(xué)升溫、合金化和噴粉精煉的功能，因此有必要說明CASOB噴粉精煉工藝與IRUT工藝的不同之處。吹氧槍噴粉槍浸滯罩鋼水吹氧槍噴粉槍浸滯罩鋼水吹氬口圖1 IRUT工藝示意圖 圖2 CASOB噴粉精煉工藝示意圖Fig. 1 Sketch of IRUT technology Fig. 2 Sketch of CASOB powder injection technology噴粉處理包含

10、兩個(gè)反應(yīng)，即頂渣的持續(xù)反應(yīng)和粉劑的瞬間反應(yīng)，前者決定了整個(gè)體系的熱力學(xué)，而后者則起加快反應(yīng)速率的作用4。CASOB鋼包頂渣主要是由轉(zhuǎn)爐出鋼過程中流入鋼包的爐渣和鐵合金脫氧產(chǎn)物組成，氧化性較高而堿度較低，對(duì)鋼水的精煉能力(脫氧、脫硫)差，因此，CASOB噴粉精煉工藝的實(shí)施有一個(gè)前提，即頂渣改質(zhì)。頂渣改質(zhì)的目的就是要適當(dāng)提高覆蓋渣的堿度，降低氧化性。改質(zhì)劑通過噴粉槍噴入熔池，一方面為脫硫創(chuàng)造了有利的熱力學(xué)條件，同時(shí)也避免加入的合金通過渣金反應(yīng)而消耗于渣層中，進(jìn)一步提高了合金化的精確度。而IRUT工藝未有頂渣改質(zhì)，雖然隔離罩內(nèi)鋼水的精煉效果良好，但罩外鋼水始終接觸頂渣，會(huì)出現(xiàn)鋼水回硫以及合金元素的損

11、失。IRUT工藝對(duì)熔池的攪拌主要依靠噴槍頂吹氬氣，并且由于與浸漬罩的碰撞會(huì)使鋼水損失一部分動(dòng)能，因此鋼水的混勻時(shí)間較長。而CASOB噴粉精煉工藝的噴槍在浸漬罩外布置，噴槍頂吹氬氣和CAS的底吹氬氣共同攪拌鋼液，使鋼水的混勻時(shí)間大大縮短(水模試驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了這一點(diǎn))；并且，由于熔池中同時(shí)存在兩股氣流，在精煉后期小氣量噴吹，更容易捕捉到鋼水中的夾雜物。因此，與IRUT工藝相比，CASOB噴粉精煉工藝的精煉效率更高，精煉周期更短。3 精煉效果的決定因素3.1 噴吹粉劑的選擇噴吹粉劑主要由兩部分組成：頂渣改質(zhì)劑和脫硫劑。可以選擇CaOAl2O3Al作為爐渣改質(zhì)劑，在噴吹一開始時(shí)噴入熔池完成對(duì)頂渣的改質(zhì)，

12、改質(zhì)劑的加入量由鋼包帶渣量決定。加入方式可以選擇在出鋼過程中加入，也可以與脫硫劑一起噴吹加入。從熱力學(xué)上考慮，脫硫的同時(shí)必須脫氧，因此脫硫劑中必須含有脫氧元素Al。而目前大都采用CaO、CaSi以及CaOAl2O3系合成渣等對(duì)鋼水進(jìn)行脫硫處理，實(shí)踐證明，CaSi以及CaOAl2O3系合成渣具有良好的脫硫性能，可以滿足現(xiàn)場對(duì)鋼水硫含量的要求5-7。AlCaOCaSi噴吹CaO脫硫效果一般，只適合處理對(duì)硫含量要求不高的鋼種5。CaSi噴入熔池后會(huì)產(chǎn)生鈣蒸汽，鈣蒸氣與硫具有很強(qiáng)的親和能力，在1600下，kS=1.37107。 (1)同時(shí)鈣蒸汽對(duì)Al2O3夾雜也有良好的變性能力，因此單獨(dú)噴吹CaSi粉

13、就能對(duì)鋼水進(jìn)行有效的精煉。但噴吹CaSi容易使鋼水增硅，不適合處理對(duì)硅含量有嚴(yán)格要求的鋼種，同時(shí)也增加了精煉的成本，因此應(yīng)盡量減少CaSi的用量。為了達(dá)到有效精煉同時(shí)少用CaSi粉的目的，可以考慮在噴吹的第一階段%S較高時(shí)噴吹CaO粉，既可以脫除一部分硫，同時(shí)可以使熔池中的一部分Al2O3夾雜被變性成CaOAl2O3夾雜，Al2O3的活度大大降低從而促使Al脫氧反應(yīng)繼續(xù)發(fā)生，達(dá)到進(jìn)一步深脫氧的目的；繼而在第二階段噴吹CaSi粉，由于第一階段已經(jīng)脫除了一部分硫和氧，因此第二階段所需的CaSi粉量相應(yīng)減少，而且可以更有效地用于脫硫和控制夾雜物形態(tài)4。Al和CaOAl2O3系合成渣合成渣精煉鋼水技術(shù)

14、最早開始于上世紀(jì)30年代，主要作用是脫硫和去除夾雜，至今仍被廣泛應(yīng)用于爐外精煉工藝。對(duì)于CASOB噴粉精煉來說，合成渣應(yīng)具有較低的熔點(diǎn)和較高的堿度，具備較強(qiáng)的脫硫能力，同時(shí)，CASOB噴粉精煉過程使用大量的Al對(duì)鋼液實(shí)施脫氧和升溫處理，熔池中存在大量的Al2O3夾雜，因此合成渣還應(yīng)對(duì)Al2O3夾雜具有很好的吸附能力。12CaO7Al2O3渣系是近幾年國外發(fā)展起來的新型合成精煉渣，文獻(xiàn)8對(duì)該渣的燒成工藝、物性和脫硫能力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：12CaO7Al2O3渣系熔化后的主要物相為12CaO7Al2O3，并含有少量CaOAl2O3或3CaOAl2O3；渣系的熔化溫度在13001400，脫硫

15、效果優(yōu)于普通的鈣系脫硫劑；同時(shí)由于渣系中含有較高的Al2O3，因此對(duì)Al2O3夾雜具有良好的吸附能力，從而可以在精煉過程中配加大量的石灰而不會(huì)造成合成渣成分和物理化學(xué)性質(zhì)有大的波動(dòng)。表1 12CaO7Al2O3型渣系的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of 12CaO7Al2O3 slag system組成CaOSiO2FeOAl2O3MgO12CaO7Al2O340433.84.01.82.045504.25.83.2 精煉動(dòng)力學(xué)條件對(duì)CASOB噴粉精煉過程來講，在確定的熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)(噴吹粉劑和處理溫度等)條件下，傳輸動(dòng)力學(xué)條件直接決定著精煉的效率。對(duì)于

16、浸入式噴粉這類噴吹條件下的提煉冶金反應(yīng)來說，整個(gè)反應(yīng)過程由提煉相的輸入、反應(yīng)物間的彌散和混合、單個(gè)粉劑顆粒上的化學(xué)變化以及反應(yīng)產(chǎn)物的析出等組成。當(dāng)微觀動(dòng)力學(xué)的傳質(zhì)條件一定時(shí)，總的宏觀動(dòng)力學(xué)速率由以下一些因素決定：相與相之間交換面積的大小。為了達(dá)到高的生產(chǎn)率，反應(yīng)物間必須有較大的交換面積，對(duì)噴粉提煉反應(yīng)來說，這是通過提煉相彌散化來達(dá)到的，因此要求金屬相中精煉用粉劑顆粒的尺寸要小，以保證有盡可能大的反應(yīng)面積。物質(zhì)傳遞到相界面及從相界面上傳走的速率。通常情況下，實(shí)現(xiàn)這種傳遞要求系統(tǒng)有強(qiáng)烈的攪拌，即熔池必須具有很好的混合。精煉相和金屬相的物質(zhì)量或體積量之比。這要求噴吹的粉劑要盡可能多地進(jìn)入金屬液中，即

17、金屬相中分配有盡可能多的粉劑顆粒。由此可知，CASOB噴粉過程的精煉效率取決于熔池內(nèi)彌散粉劑顆粒的數(shù)量、顆粒的尺寸、顆粒于熔池內(nèi)的停留時(shí)間以及熔池混勻程度，概括起來講，提高浸入式噴粉精煉反應(yīng)的效率是通過增加粉劑的有效利用(即增加進(jìn)入金屬相中精煉粉劑的數(shù)量以及其于熔體內(nèi)的停留時(shí)間)和減少系統(tǒng)均勻混合時(shí)間來達(dá)到。噴吹粉劑的有效利用首先決定于噴吹時(shí)氣粉兩相流的動(dòng)力學(xué)特征，同時(shí)也與粉劑顆粒在熔池內(nèi)的運(yùn)動(dòng)行為(包括粉劑進(jìn)入金屬相的比例、粉劑在金屬相中停留時(shí)間等)有關(guān)，而系統(tǒng)均混時(shí)間的減少則主要取決于噴吹條件。因此，應(yīng)該為精煉過程創(chuàng)造這樣的動(dòng)力學(xué)條件：最大限度地增加粉劑進(jìn)入鋼水中的比例、最大限度地延長粉劑

18、在鋼水中的停留時(shí)間以及最大限度地縮短熔池的均混時(shí)間。這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要取決于噴吹粉劑的選擇和噴吹參數(shù)的控制。3.3 需要注意的問題噴粉過程中若載氣量過大會(huì)在頂渣面上出現(xiàn)“裸露眼”，鋼水和大氣通過此“裸露眼”進(jìn)行接觸，因而吸氮和二次氧化在所難免。同時(shí)，渣面裸露必然增加鋼水的溫降，由于輻射散熱量與溫度存在四次方關(guān)系，因此即使渣面裸露面積很小，鋼液的散熱量也遠(yuǎn)大于渣面的散熱量。由此建議在目前的CAS鋼包頂部加密封蓋，由于加蓋密封，吹氬后包內(nèi)氣氛中的N2、O2均可降到很低的水平，同時(shí)密封蓋還起到對(duì)鋼液保溫的作用，并加強(qiáng)精煉前的鋼包烘烤，防止因包襯蓄熱給鋼水帶來大的溫降。4 結(jié)語CASOB噴粉精煉工藝是CASOB工藝結(jié)合浸入式噴粉工藝，在原有鋼水升溫、脫氧、合金化、吹氣去除夾雜物等精煉功能的基礎(chǔ)上，增加了鋼水脫硫和夾雜物變性處理功能，進(jìn)一步拓展了CAS處理鋼水的能力。此項(xiàng)技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵在于選擇合適的噴吹粉劑和創(chuàng)造最佳的精煉熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，這些工作還有待于實(shí)驗(yàn)過程中的進(jìn)一步摸索。參 考 文 獻(xiàn)尹弘斌.CAS鋼包精煉法及其發(fā)展趨勢(shì)J.鋼鐵，1994，29(11)：73-78.尹弘斌，金山同.CASOB工藝的歷史、現(xiàn)狀及未來展望J.化工冶金，1994，