低碳低硅SPHC钢精炼渣优化研究

工程科学学报，第38卷，增刊1：175-180,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,Suppl.1:175-180,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.s1.029:http://journals.ustb.edu.cn 低碳低硅SPHC钢精炼渣优化研究 廖 航2》，朱利斌2)，杨树峰12)四，李京社2) 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家新技术重点实验室，北京100083 2)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:yangshufeng(@usth.edu.cn 摘要为改善SPHC钢LF精炼效果，本研究首先利用FactSage热力学计算软件，分析了SPHC钢LF精炼渣系的理化特性， 提出相应的精炼渣优化方案，并进行了工业实验验证.研究结果显示，通过对LF精炼渣系的优化，出站时钢中全氧T[O]由 优化前的24×10-6下降至优化后的20×10~6，显微夹杂物总数去除率由优化前的56.57%增加至优化后的71.54%，大型夹 杂物数量也由原来的85.42mg/10kg下降至42.45mg/10kg 关键词SPHC钢：精炼渣：优化：非金属夹杂物 分类号T769.2 Optimization of the refining slag composition of SPHC steel with low silicon low carbon LAO Hang),ZHU Li-bin,YANG Shu-feng LI Jing-she 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Metallurgy and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yangshufeng@ustb.edu.cn ABSTRACT To improve the effect of LF refining on SPHC steel,thermodynamics software FactSage was used to analyze the physi- cochemical properties of the LF refining slag system,and then the corresponding optimization scheme was verified by industrial verifi- cation.Experimental results show that at the end of LF refining,the total oxygen T[O]in steel decreases from 24 x 10 to 20 x 10,the total removal rate of micro inclusions increases from 56.67%to 71.54%,and the amount of large inclusions decreases to 42.45 mg/10 kg from 85.42 mg/10kg by the optimization of the LF refining slag system. KEY WORDS SPHC steel;refining slag:optimization:non-metallic inclusions 随着工业社会的不断发展，各行各业对钢材质量比5可，有利于脱氧和脱硫，但碱度过高，精炼渣的粘 的要求也越来越高，治金领域对LF精炼渣的理化性 度过大，流动性变差，则会降低精炼效果.精炼渣中的 能和钢水洁净作用也越来越重视.钢包精炼过程采用 AL,0,含量可以有效调节Ca0-Si0,一A山20，三元渣系的 了真空脱气、透气砖吹氩、合成渣精炼技术等一系列成 熔点，使精炼渣处于低熔点区域：在精炼渣中添加 熟的精炼技术，良好的精炼渣系在精炼过程中可以更 CaCO,、MgCO,、BaCO,等成分，可以作为发泡剂，提高熔渣 好的起到脱硫、脱氧、去气、除夹杂的精炼效果以及保 的泡沫化性能，为精炼过程提供足够的内生气源▣ 温钢液和保护钢包内衬的作用-习 本文针对国内某钢厂低碳低硅SPC钢生产中 合成精炼渣的组成成分直接影响精炼渣的治金效LF精炼所使用的Ca0-AL,O,SiO,Mg0精炼渣系对钢 果，通过调整精炼渣中的Ca0和SiO2的成分含量，可 中非金属夹杂物的调控和去除效果不佳的问题，通过 以精确控制精炼渣的碱度B。高碱度精炼渣有利于 FactSage热力学计算软件对LF精炼渣的理化特性进 降低钢水中平衡氧的含量，提高疏在渣、钢之间的分配 行了调整和优化，探讨和分析控制SPHC钢中低熔点 收稿日期：201601一12

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1: 175--180，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，Suppl． 1: 175--180，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． s1． 029; http: / /journals． ustb． edu． cn 低碳低硅 SPHC 钢精炼渣优化研究 廖 航1，2) ，朱利斌1，2) ，杨树峰1，2) ，李京社1，2) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家新技术重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: yangshufeng@ ustb． edu． cn 摘 要 为改善 SPHC 钢 LF 精炼效果，本研究首先利用 FactSage 热力学计算软件，分析了 SPHC 钢 LF 精炼渣系的理化特性， 提出相应的精炼渣优化方案，并进行了工业实验验证． 研究结果显示，通过对 LF 精炼渣系的优化，出站时钢中全氧 T［O］由 优化前的 24 × 10 － 6下降至优化后的 20 × 10 － 6，显微夹杂物总数去除率由优化前的 56. 57% 增加至优化后的 71. 54% ，大型夹 杂物数量也由原来的 85. 42 mg /10 kg 下降至 42. 45 mg /10 kg． 关键词 SPHC 钢; 精炼渣; 优化; 非金属夹杂物 分类号 TF769. 2 Optimization of the refining slag composition of SPHC steel with low silicon low carbon LIAO Hang1，2) ，ZHU Li-bin1，2) ，YANG Shu-feng1，2)  ，LI Jing-she1，2) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Metallurgy and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: yangshufeng@ ustb． edu． cn ABSTＲACT To improve the effect of LF refining on SPHC steel，thermodynamics software FactSage was used to analyze the physi￾cochemical properties of the LF refining slag system，and then the corresponding optimization scheme was verified by industrial verifi￾cation． Experimental results show that at the end of LF refining，the total oxygen T［O］in steel decreases from 24 × 10 － 6 to 20 × 10 － 6，the total removal rate of micro inclusions increases from 56. 67% to 71. 54% ，and the amount of large inclusions decreases to 42. 45 mg /10 kg from 85. 42 mg /10 kg by the optimization of the LF refining slag system． KEY WOＲDS SPHC steel; refining slag; optimization; non-metallic inclusions 收稿日期: 2016--01--12 随着工业社会的不断发展，各行各业对钢材质量 的要求也越来越高，冶金领域对 LF 精炼渣的理化性 能和钢水洁净作用也越来越重视． 钢包精炼过程采用 了真空脱气、透气砖吹氩、合成渣精炼技术等一系列成 熟的精炼技术，良好的精炼渣系在精炼过程中可以更 好的起到脱硫、脱氧、去气、除夹杂的精炼效果以及保 温钢液和保护钢包内衬的作用［1--2］． 合成精炼渣的组成成分直接影响精炼渣的冶金效 果，通过调整精炼渣中的 CaO 和 SiO2 的成分含量，可 以精确控制精炼渣的碱度［3--4］． 高碱度精炼渣有利于 降低钢水中平衡氧的含量，提高硫在渣、钢之间的分配 比［5--7］，有利于脱氧和脱硫，但碱度过高，精炼渣的粘 度过大，流动性变差，则会降低精炼效果． 精炼渣中的 Al2O3含量可以有效调节 CaO--SiO2 --Al2O3三元渣系的 熔点，使精炼渣处于低熔点区域［8--9］; 在精炼渣中添加 CaCO3、MgCO3、BaCO3等成分，可以作为发泡剂，提高熔渣 的泡沫化性能，为精炼过程提供足够的内生气源［10］． 本文针对国内某钢厂低碳低硅 SPHC 钢生产中 LF 精炼所使用的 CaO--Al2O3 --SiO2 --MgO 精炼渣系对钢 中非金属夹杂物的调控和去除效果不佳的问题，通过 FactSage 热力学计算软件对 LF 精炼渣的理化特性进 行了调整和优化，探讨和分析控制 SPHC 钢中低熔点

·176 工程科学学报，第38卷，增刊1 夹杂物的炉渣成分优化方向，提出相应的精炼渣优化 和钢水成分为依据，对精炼渣的理化性能进行了热力 方案，并进行了工业实验验证，从而实现提高夹杂物去 学计算. 除率、改善钢水洁净度的目的 LF钙处理前钢水平均成分如表2所示，统计LF 钙处理前钢水的平均温度为1865K,且温度变化较为 1精炼渣优化的热力学计算 稳定，因此，在本研究中不考虑温度对计算或实验结果 原SPHC生产过程中精炼渣成分变化如表1所 的影响.另外，根据现场经验，精炼渣中Mg0含量（质 示，由表可知，LF钙处理前精炼渣化渣基本完成，且后 量分数)约为10%时，精炼渣对耐火材料侵蚀较小，因 续治炼过程中精炼渣成分较为稳定，变化较小，因此， 此，FactSage热力学计算中，精炼渣中Mg0含量固定为 本研究采用FactSage软件，以LF钙处理前精炼渣成分 10%左右. 表1SPHC钢水精炼过程中精炼渣成分和碱度 Table 1 Slag composition and basicity during SPHC steel refining 精炼渣成分（质量分数）/% 工序 碱度(R) Ca0/A203 Si02 A203 Mgo Ca0 FeO MnO LF进站 7.490 14.0 7.95 51.2 2.95 1.220 6.84 3.66 LF钙处理前 5.880 34.4 8.45 52.0 0.54 0.058 8.84 1.51 LF钙处理后 5.540 24.3 8.54 51.2 0.79 0.064 9.24 2.11 LF出站 5.345 29.1 8.56 51.2 0.68 0.054 9.59 1.76 表2LF钙处理前SPHC钢水平均成分（质量分数） Table 2 Average chemical composition of SPHC steel before calcium treatment % Mn Si Alt Als Ca 0 0.04 0.17 0.009 0.016 0.02 0.036 0.033 0.0025 0.003 0.0025 注：A为钢中全铝含量，Als为钢中溶解铝含量 1.1精炼渣与钢中硅含量的关系 ISiV%e 钢液与Ca0-AL,0,Si02-10%Mg0四元渣系[Si] 0.9 0.1 和[]平衡关系可以表示如式(1)所示.将表2的数 0.8 0.2 据代入式(2)中，可以得到1865K温度下SPHC钢水 0> 03 与Ca0一AL,0,-SiO,-10%Mg0四元渣系平衡等硅线， Si0,质量分数 .6 0.4 如图1所示. 05 0 4[A]+3(Si02)=2(AL,0,)+3[Si], 0.4 ,质量分数 0.6 △G9=-658300+107.2T,J/mol. (1) 0.3 0,7 5=A 113 02 0.8 (2) 0.1 R=88 0.9 1 式中：Si]为Si在溶液中的质量分数，%：[A]为Al 0.90.80.70.60.50.40.30201A1,0, 在溶液中的质量分数，%：K为热力学反应平衡常数： Ca0质量分数 aso,是Si0,在溶液中的活度：auo,是A山，0，在溶液中的 图1钢液与Ca0-A山203Si02-10%Mg0平衡时等硅线 活度∫代表Si在溶液中的活度系数：∫u代表Al在溶 Fig.1 Silicon equivalence line when liquid steel and Ca0-Al2 O- 液中的活度系数. Si02-10%Mgo is in balance 根据图1所示，精炼渣碱度越高，钢水中与之平衡 的硅含量则越低，原工艺精炼渣碱度为8.8，计算钢水 量分数)则须控制在7%以下. 平衡硅含量（质量分数）为1.7%~2.4%之间，实际钢 1.2精炼渣与钢中氧含量的关系 水中硅含量大约为0.02%，达到SPHC钢水内控要求 基于Factsage软件计算，可以得到l865K温度下 成分，因此，为避免钢渣反应使得钢水发生增硅现象， Ca0-Al,0,Si02H0%Mg0四元渣系中Si02活度，由此 应控制精炼渣碱度高于8.8，精炼渣渣中Si02含量（质 钢液与Ca0-Al,0,Si02-10%Mg0渣系平衡时的氧含

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 夹杂物的炉渣成分优化方向，提出相应的精炼渣优化 方案，并进行了工业实验验证，从而实现提高夹杂物去 除率、改善钢水洁净度的目的． 1 精炼渣优化的热力学计算 原 SPHC 生产过程中精炼渣成分变化如表 1 所 示，由表可知，LF 钙处理前精炼渣化渣基本完成，且后 续冶炼过程中精炼渣成分较为稳定，变化较小，因此， 本研究采用 FactSage 软件，以 LF 钙处理前精炼渣成分 和钢水成分为依据，对精炼渣的理化性能进行了热力 学计算． LF 钙处理前钢水平均成分如表 2 所示，统计 LF 钙处理前钢水的平均温度为 1865 K，且温度变化较为 稳定，因此，在本研究中不考虑温度对计算或实验结果 的影响． 另外，根据现场经验，精炼渣中 MgO 含量( 质 量分数) 约为 10% 时，精炼渣对耐火材料侵蚀较小，因 此，FactSage 热力学计算中，精炼渣中 MgO 含量固定为 10% 左右． 表 1 SPHC 钢水精炼过程中精炼渣成分和碱度 Table 1 Slag composition and basicity during SPHC steel refining 工序 精炼渣成分( 质量分数) /% SiO2 Al2O3 MgO CaO FeO MnO 碱度( Ｒ) CaO /Al2O3 LF 进站 7. 490 14. 0 7. 95 51. 2 2. 95 1. 220 6. 84 3. 66 LF 钙处理前 5. 880 34. 4 8. 45 52. 0 0. 54 0. 058 8. 84 1. 51 LF 钙处理后 5. 540 24. 3 8. 54 51. 2 0. 79 0. 064 9. 24 2. 11 LF 出站 5. 345 29. 1 8. 56 51. 2 0. 68 0. 054 9. 59 1. 76 表 2 LF 钙处理前 SPHC 钢水平均成分( 质量分数) Table 2 Average chemical composition of SPHC steel before calcium treatment % C Mn S P Si Alt Als Ca O N 0. 04 0. 17 0. 009 0. 016 0. 02 0. 036 0. 033 0. 0025 0. 003 0. 0025 注: Alt 为钢中全铝含量，Als 为钢中溶解铝含量． 1. 1 精炼渣与钢中硅含量的关系 钢液与 CaO--Al2O3 --SiO2 --10% MgO 四元渣系［Si］ 和［Al］平衡关系可以表示如式( 1) 所示． 将表 2 的数 据代入式( 2) 中，可以得到 1865 K 温度下 SPHC 钢水 与 CaO--Al2O3 --SiO2 --10% MgO 四元渣系平衡等硅线， 如图 1 所示． 4［Al］+ 3( SiO2 ) = 2( Al2O3 ) + 3［Si］， ΔG = － 658300 + 107. 2T，J /mol． ( 1) ［Si］ [ = Ka3 SiO2 ( fAl［Al］) 4 a2 Al2O3 f 3 ] Si 1 /3 ． ( 2) 式中: ［Si］为 Si 在溶液中的质量分数，%; ［Al］为 Al 在溶液中的质量分数，% ; K 为热力学反应平衡常数; aSiO2 是 SiO2在溶液中的活度; aAl2O3 是 Al2O3在溶液中的 活度; fSi代表 Si 在溶液中的活度系数; fAl代表 Al 在溶 液中的活度系数． 根据图 1 所示，精炼渣碱度越高，钢水中与之平衡 的硅含量则越低，原工艺精炼渣碱度为 8. 8，计算钢水 平衡硅含量( 质量分数) 为 1. 7% ～ 2. 4% 之间，实际钢 水中硅含量大约为 0. 02% ，达到 SPHC 钢水内控要求 成分，因此，为避免钢渣反应使得钢水发生增硅现象， 应控制精炼渣碱度高于 8. 8，精炼渣渣中 SiO2含量( 质 图 1 钢液与 CaO--Al2O3--SiO2--10% MgO 平衡时等硅线 Fig． 1 Silicon equivalence line when liquid steel and CaO--Al2 O3-- SiO2--10% MgO is in balance 量分数) 则须控制在 7% 以下． 1. 2 精炼渣与钢中氧含量的关系 基于 Factsage 软件计算，可以得到 1865 K 温度下 CaO--Al2O3 --SiO2 --10% MgO 四元渣系中 SiO2活度，由此 钢液与 CaO--Al2O3 --SiO2 --10% MgO 渣系平衡时的氧含 · 671 ·

廖航等：低碳低硅SPHC钢精炼渣优化研究 177 量（质量分数）可以表示为式(3)和式(4)： 吸附能力越强：当精炼渣中Si02含量低于30%时，精 [Si]+[0]=(Si0,),△G°=576440+218.2T: 炼渣中Ca0的含量成为影响Al,0,活度的主要因素， (3) 精炼渣中Ca0含量越高，则精炼渣中Al,03活度越低. 由于SPHC钢种是低碳低硅钢，为避免渣中SiO2 [O]=（KS6 (4) 含量过高而导致钢水出现增硅现象，渣中S0,含量应 式中：[O]为0在溶液中的质量分数，%；S]为Si在 控制在7%以下.因此，为提高精炼渣吸收AL,0的能 溶液中的质量分数，%∫。为0在溶液中的活度系数. 力，应提高渣中CaO含量，原SPHC钢生产工艺中精炼 将表2的数据代入式(4)，利用FactSage可以得到 Ca0-Al,0,Si0,-10%Mg0四元渣系中Ca0含量（质 在1865K温度条件下，当Ca0-Al20,-Si02-10%Mg0 量分数)已控制在51%~52%范围内，但钢中高L,03 渣系与SPHC钢液处于高温平衡状态时钢液中的等溶 含量的夹杂物仍较多，一方面主要是F钙处理不充 解氧线，如图2所示.从热力学角度而言，在精炼渣液 分，导致AL,0,夹杂变性不完全，另一方面是因为精炼 相区域内，精炼渣碱度越高，则钢液中与其相平衡的溶 渣流动性较差，精炼包内动力学条件不利于精炼渣对 解氧含量越低.当精炼渣碱度在1.5以上时，精炼渣 Al,O、夹杂的吸收.因此，建议将精炼渣Ca0-AL,O,一 中Ca0/AL,0,越小，钢液中平衡溶解氧含量越高：而当 Si0210%Mg0四元渣系中Ca0含量控制在42%~ 精炼渣碱度在1.22以下时，精炼渣Ca0/AL,0,越小， 48%范围内. 则钢液中平衡溶解氧含量越低 Sio Si0, [o/x10* 0.9 0.1 09 0.1 0.8 02 0.8 1928 02 0.7 07 10的9 0.3 Si0,质量分数 0.6 0.4 S0,质量分数 0.6 i436 0.4 05 ,O,质量分 05 0.007 8 0.5 0.4 ,O,质量分数 05 0.6 04 0.6 03 0.01 0.7 0.3 02 07 0.2 0.8 0.2 Ca0/AL0,=2.4 CaO/ALO,=1.0 08 0.1 Q02 0.9 0.05 0.1 R=85 32 0.9 “卡年 Ca00.90.80.7 0.6050.4030.20.1A0 0.90.80.70.60.50.40.3020.1A10 CaO质量分数 CaO质量分数 图3钢液与Ca0-A203-Si02-Mg010%平衡时等A203活度线 图2钢液与Ca0-Al203Si0210%Mg0平衡时等溶解氧线 Fig.3 Al2O activity equivalence line when liquid steel and Cao- Fig.2 Oxygen equivalence line when liquid steel and CaO-Al2O- Al203-Si02-10%Mgo is in balance Si02-10%Mgo is in balance 通过以上对精炼渣与钢中硅、氧含量以及夹杂物 原工艺精炼过程中精炼渣成分如图2中三个圆点 中AL,0,含量的关系分析后可知，为达到尽早化渣、避 标记所示，精炼渣碱度控制在8.8~9.6范围内，Ca0/ 免增硅、降低钢中氧含量、提高渣对夹杂的吸附能力的 AL,0,比为1.5~2.1范围时，钢中平衡溶解氧含量在 目的，精炼渣成分适宜控制区域如下：其中精炼渣中 28×106~45×106之间，实际钢中氧含量处于27× Mg0含量约为10%，精炼渣碱度在9以上，Si0,含量低 106~42×106之间.根据以上计算结果分析，为提高 于7%以下，精炼渣中Ca0含量在42%~48%范围内， 渣中钙铝比值(Ca0/AL,0,)在1~1.5之间. 精炼渣脱氧能力，应适当升高精炼渣碱度以降低钢渣 平衡溶解氧含量，同时降低精炼渣钙铝比值，为钢渣反 2LF精炼渣系优化工业实验 应提供良好的动力学条件。因此，建议将精炼渣碱度 本研究对SPHC钢的LF精炼进行了现场工业优 控制在9以上，Ca0/Al20,比值在1~1.5之间 化实验，对LF精炼工艺的钢液进行取样，并与原工艺 1.3精炼渣与夹杂物中1,0，含量的关系 记录进行对比，以验证优化方案的优化效果. 通过Factsage软件计算，可以得到1865K温度下， 根据CaO一Al,O,SiO,一MgO精炼渣的热力学计算 Ca0-AL,0,Si020%Mg01四元渣系的等A山，0，活度线 及高温平衡实验，将精炼渣成分（质量分数）调整为： 如图3所示.当精炼渣中Si02含量（质量分数）高于 AL203,40.079%:Mg0,10.18%:Ca0,47.78%:Si02, 40%时，渣中A1,0,含量越低，则其对A1,0,夹杂物的 1.56%.为了验证LF精炼渣优化方案对SPHC钢的积

廖 航等: 低碳低硅 SPHC 钢精炼渣优化研究 量( 质量分数) 可以表示为式( 3) 和式( 4) : ［Si］+［O］= ( SiO2 ) ，ΔGO = #576440 + 218. 2T; ( 3) ［O］ ( = aSiO2 KfSi［Si］f 2 ) O 1 /2 ． ( 4) 式中: ［O］为 O 在溶液中的质量分数，%; ［Si］为 Si 在 溶液中的质量分数，% ; fO为 O 在溶液中的活度系数． 将表 2 的数据代入式( 4) ，利用 FactSage 可以得到 在 1865 K 温度条件下，当 CaO--Al2 O3 --SiO2 --10% MgO 渣系与 SPHC 钢液处于高温平衡状态时钢液中的等溶 解氧线，如图 2 所示． 从热力学角度而言，在精炼渣液 相区域内，精炼渣碱度越高，则钢液中与其相平衡的溶 解氧含量越低． 当精炼渣碱度在 1. 5 以上时，精炼渣 中 CaO /Al2O3越小，钢液中平衡溶解氧含量越高; 而当 精炼渣碱度在 1. 22 以下时，精炼渣 CaO /Al2 O3 越小， 则钢液中平衡溶解氧含量越低． 图 2 钢液与 CaO--Al2O3--SiO2--10% MgO 平衡时等溶解氧线 Fig． 2 Oxygen equivalence line when liquid steel and CaO--Al2 O3-- SiO2--10% MgO is in balance 原工艺精炼过程中精炼渣成分如图 2 中三个圆点 标记所示，精炼渣碱度控制在 8. 8 ～ 9. 6 范围内，CaO / Al2O3比为 1. 5 ～ 2. 1 范围时，钢中平衡溶解氧含量在 28 × 10 － 6 ～ 45 × 10 － 6之间，实际钢中氧含量处于 27 × 10 － 6 ～ 42 × 10 － 6之间． 根据以上计算结果分析，为提高 精炼渣脱氧能力，应适当升高精炼渣碱度以降低钢渣 平衡溶解氧含量，同时降低精炼渣钙铝比值，为钢渣反 应提供良好的动力学条件． 因此，建议将精炼渣碱度 控制在 9 以上，CaO /Al2O3比值在 1 ～ 1. 5 之间． 1. 3 精炼渣与夹杂物中 Al2O3含量的关系 通过 Factsage 软件计算，可以得到 1865 K 温度下， CaO--Al2O3 --SiO2 --0% MgO1 四元渣系的等 Al2O3活度线 如图 3 所示． 当精炼渣中 SiO2 含量( 质量分数) 高于 40% 时，渣中 Al2O3 含量越低，则其对 Al2 O3 夹杂物的 吸附能力越强; 当精炼渣中 SiO2含量低于 30% 时，精 炼渣中 CaO 的含量成为影响 Al2O3活度的主要因素， 精炼渣中 CaO 含量越高，则精炼渣中 Al2O3活度越低． 由于 SPHC 钢种是低碳低硅钢，为避免渣中 SiO2 含量过高而导致钢水出现增硅现象，渣中 SiO2含量应 控制在 7% 以下． 因此，为提高精炼渣吸收 Al2O3的能 力，应提高渣中 CaO 含量，原 SPHC 钢生产工艺中精炼 CaO--Al2O3 --SiO2 --10% MgO 四元渣系中 CaO 含量( 质 量分数) 已控制在 51% ～ 52% 范围内，但钢中高 Al2O3 含量的夹杂物仍较多，一方面主要是 LF 钙处理不充 分，导致 Al2O3夹杂变性不完全，另一方面是因为精炼 渣流动性较差，精炼包内动力学条件不利于精炼渣对 Al2 O3 夹杂的吸收． 因此，建议将精炼渣 CaO--Al2 O3 -- SiO2 --10% MgO 四元渣系中 CaO 含量 控 制 在 42% ～ 48% 范围内． 图 3 钢液与 CaO--Al2O3--SiO2--MgO10% 平衡时等 Al2O3活度线 Fig． 3 Al2 O3 activity equivalence line when liquid steel and CaO-- Al2O3--SiO2--10% MgO is in balance 通过以上对精炼渣与钢中硅、氧含量以及夹杂物 中 Al2O3含量的关系分析后可知，为达到尽早化渣、避 免增硅、降低钢中氧含量、提高渣对夹杂的吸附能力的 目的，精炼渣成分适宜控制区域如下: 其中精炼渣中 MgO 含量约为 10% ，精炼渣碱度在 9 以上，SiO2含量低 于 7% 以下，精炼渣中 CaO 含量在 42% ～ 48% 范围内， 渣中钙铝比值( CaO /Al2O3 ) 在 1 ～ 1. 5 之间． 2 LF 精炼渣系优化工业实验 本研究对 SPHC 钢的 LF 精炼进行了现场工业优 化实验，对 LF 精炼工艺的钢液进行取样，并与原工艺 记录进行对比，以验证优化方案的优化效果． 根据 CaO--Al2O3 --SiO2 --MgO 精炼渣的热力学计算 及高温平衡实验，将精炼渣成分( 质量分数) 调整为: Al2 O3，40. 07% ; MgO，10. 18% ; CaO，47. 78% ; SiO2， 1. 56% ． 为了验证 LF 精炼渣优化方案对 SPHC 钢的积 · 771 ·

·178 工程科学学报，第38卷，增刊1 极影响，基于此优化方案，本研究进行了三个炉次的现 前后LF出站时氮含量差别也不大，由此可知，精炼渣 场工业实验，通过采用“多级取样，系统分析”的方法 的调整并未减弱其隔绝空气，防止钢液吸收气体的作 研究了优化前后精炼工序中钢中气体含量、显微夹杂 用.通过图4和图5可知，总体而言，优化后钢水中气 物和大型夹杂物的演变规律.因各炉次成分数据变化 体含量较低，对于优化去除夹杂具有一定的作用. 不大，故各成分数据均为三个炉次的平均数据， ☑优化前 2.1优化前后钢中气体含量 优化后 由图4可知，LF进站和LF钙处理前由于钢液搅 动幅度较大，工艺操作不稳定，导致所取的样品中氧含 量较高，而在钙处理后，钢中氧含量下降许多.在LF 出站时，因精炼渣成分的调整，提高了精炼渣的碱度， 从热力学角度而言，在精炼渣液相区域内，精炼渣碱度 提高，能够降低钢液中平衡溶解含量.优化前后对比 发现，LF出站时的钢液中氧含量下降了3×I06,这表 明F精炼渣的调整对于吸附夹杂物具有一定的改进 1进站 钙处理前 钙处理后 1F出站 效果 图5优化前后LF精炼钢水中氮含量（质量分数）变化 2 汤优化前 Fig.5 Changes of nitrogen content in steel before and after optimiza- 优化后 tion during LF refining 2.2优化前后夹杂物对比分析 2.2.1显微夹杂物 由表3可知，优化前，各个粒级的夹杂物总数由精 炼前的76.63个/mm2降低至精炼后的33.28个/mm2, 去除率为56.57%：优化后，各个粒径的夹杂物总数由 精炼前的69.68个/mm2降低至精炼后的19.83个/ mm,去除率升高至71.54%.相比于优化前，优化后 L进站 钙处理前 钙处理后 LF出站 LF精炼对夹杂物的去除更加有效.一方面是由于调 图4优化前后LF精炼钢水中氧含量（质量分数）变化 整了精炼渣中Ca0的含量，增强了精炼渣的流动性， Fig.4 Changes of oxygen content in steel before and after optimiza- 有利于精炼渣对夹杂物的吸收：另一方面，提高了精 tion during LF refining 炼渣的碱度，改善了钢渣反应的动力学条件，增强精 图5所示为优化后F精炼前后钢中氮含量的变 炼渣对夹杂物的吸附能力，从而减少钢液中夹杂物 化.由图5可知，在SPHC钢的LF精炼过程中，钢中氮 的数量.表4为优化后LF精炼钢中显微夹杂物的形 含量有所上升，而整体上看，其上升幅度不大.而优化 貌和成分 表3优化前后LF精炼下钢中显微夹杂物尺寸分布 Table 3 Size distribution of micro inclusions in steel before and after optimization during LF refining 优化前后 数量/（个·mm2) 总数/（个mm2) 0~2.5μm 2.5-5.0um 5.0~10.0um >10.0m LF前 43.80 9.54 15.45 7.84 76.63 优化前 LF后 18.40 7.25 6.45 1.18 33.28 LF前 38.56 8.45 14.23 8.44 69.68 优化后 LF后 11.42 4.21 3.45 0.75 19.83 由表4可知，LF进站和钙处理前，钢中夹杂物种 且提高了精炼渣中AL,O,的活度，更利于精炼渣对A1, 类以纯A山，03、AL,0,-Mn0和AL,0,Ca0类为主，夹杂 0,的吸附.另外，夹杂物中Ca0含量增加，说明钙处理 物中AL,0,含量较高，而在LF钙处理后，原有钙处理 变性效果较好，且夹杂物形貌均呈规则圆形.LF出站 后L,0,含量大于70%的钢中夹杂物数量降低，绝大 时的钢中夹杂物与钙处理后夹杂物类似，由于镇静和 部分的夹杂物中山，0，含量小于60%，这是由于精炼 软吹的效果，夹杂物上浮效果良好，总体上钢中夹杂物 渣中CaO含量得到了调整，加强了精炼渣的流动性并 尺寸逐渐降低，圆球形夹杂物所占比例明显升高

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 极影响，基于此优化方案，本研究进行了三个炉次的现 场工业实验，通过采用“多级取样，系统分析”的方法 研究了优化前后精炼工序中钢中气体含量、显微夹杂 物和大型夹杂物的演变规律． 因各炉次成分数据变化 不大，故各成分数据均为三个炉次的平均数据． 2. 1 优化前后钢中气体含量 由图 4 可知，LF 进站和 LF 钙处理前由于钢液搅 动幅度较大，工艺操作不稳定，导致所取的样品中氧含 量较高，而在钙处理后，钢中氧含量下降许多． 在 LF 出站时，因精炼渣成分的调整，提高了精炼渣的碱度， 从热力学角度而言，在精炼渣液相区域内，精炼渣碱度 提高，能够降低钢液中平衡溶解含量． 优化前后对比 发现，LF 出站时的钢液中氧含量下降了 3 × 10 － 6，这表 明 LF 精炼渣的调整对于吸附夹杂物具有一定的改进 效果． 图 4 优化前后 LF 精炼钢水中氧含量( 质量分数) 变化 Fig． 4 Changes of oxygen content in steel before and after optimiza￾tion during LF refining 图 5 所示为优化后 LF 精炼前后钢中氮含量的变 化． 由图 5 可知，在 SPHC 钢的 LF 精炼过程中，钢中氮 含量有所上升，而整体上看，其上升幅度不大． 而优化 前后 LF 出站时氮含量差别也不大，由此可知，精炼渣 的调整并未减弱其隔绝空气，防止钢液吸收气体的作 用． 通过图 4 和图 5 可知，总体而言，优化后钢水中气 体含量较低，对于优化去除夹杂具有一定的作用． 图 5 优化前后 LF 精炼钢水中氮含量( 质量分数) 变化 Fig． 5 Changes of nitrogen content in steel before and after optimiza￾tion during LF refining 2. 2 优化前后夹杂物对比分析 2. 2. 1 显微夹杂物 由表 3 可知，优化前，各个粒级的夹杂物总数由精 炼前的 76. 63 个/mm2 降低至精炼后的 33. 28 个/mm2 ， 去除率为 56. 57% ; 优化后，各个粒径的夹杂物总数由 精炼 前 的 69. 68 个/mm2 降低 至 精 炼 后 的 19. 83 个/ mm2 ，去除率升高至 71. 54% ． 相比于优化前，优化后 LF 精炼对夹杂物的去除更加有效． 一方面是由于调 整了精炼渣中 CaO 的含量，增强了精炼渣的流动性， 有利于精炼渣对夹杂物的吸收; 另一方面，提 高 了 精 炼渣的碱度，改善了钢渣反应的动力学条件，增强精 炼渣对夹杂物的吸附能力，从而减少钢液中夹杂物 的数量． 表 4 为优化后 LF 精炼钢中显微夹杂物的形 貌和成分． 表 3 优化前后 LF 精炼下钢中显微夹杂物尺寸分布 Table 3 Size distribution of micro inclusions in steel before and after optimization during LF refining 优化前后 数量/( 个·mm － 2 ) 0 ～ 2. 5 μm 2. 5 ～ 5. 0 μm 5. 0 ～ 10. 0 μm ＞ 10. 0 μm 总数/( 个·mm － 2 ) 优化前 LF 前 43. 80 9. 54 15. 45 7. 84 76. 63 LF 后 18. 40 7. 25 6. 45 1. 18 33. 28 优化后 LF 前 38. 56 8. 45 14. 23 8. 44 69. 68 LF 后 11. 42 4. 21 3. 45 0. 75 19. 83 由表 4 可知，LF 进站和钙处理前，钢中夹杂物种 类以纯 Al2O3、Al2O3 --MnO 和 Al2O3 --CaO 类为主，夹杂 物中 Al2O3含量较高，而在 LF 钙处理后，原有钙处理 后 Al2O3含量大于 70% 的钢中夹杂物数量降低，绝大 部分的夹杂物中 Al2O3含量小于 60% ，这是由于精炼 渣中 CaO 含量得到了调整，加强了精炼渣的流动性并 且提高了精炼渣中 Al2O3的活度，更利于精炼渣对 Al2 O3的吸附． 另外，夹杂物中 CaO 含量增加，说明钙处理 变性效果较好，且夹杂物形貌均呈规则圆形． LF 出站 时的钢中夹杂物与钙处理后夹杂物类似，由于镇静和 软吹的效果，夹杂物上浮效果良好，总体上钢中夹杂物 尺寸逐渐降低，圆球形夹杂物所占比例明显升高． · 871 ·

廖航等：低碳低硅SPHC钢精炼渣优化研究 ·179· 表4优化后LF精炼过程钢中显微夹杂物形貌和成分（质量分数） Table 4 Morphologies and compositions of micro inclusions in steel after optimization during LF refining F精炼过程 夹杂物形貌与成分 5四 5四 3 8 白 IF进站 A1.0I00% N1,0:7892.Mn0:22% Al089E.Mn0:11% 2四 2 jm 钙处理前 4 A1.0:l0% A1,0:84.C0:16% A.0:100% 2 jum 2 um 2gm 钙处理后 .054%.Ca0:42 A1,0,46.C0:39% 1054%.Ca0469. Mg032.Cas0.8% Mg0:5.7.5-9.3% 2四 2 um LF出站 1.055经，Ca034% 片12%A1.043% 1.0,59.Ca0:36, Cas:11袋 Ca045绿 CaS:550 2.2.2大型夹杂物 3 表5所示为优化前后LF精炼前后钢中大型夹杂 结论 物重量对比分析图，由表可知，优化前，LF精炼前、LF (1)精炼渣碱度越高，钢水中与之平衡的硅含量 精炼后钢中大型夹杂物重量分别为159.94mg/10kg 和溶解氧含量越低；当精炼渣碱度在1.5以上时，精炼 和16.67mg10kg,优化后，LF精炼前、LF精炼后钢中 渣中Ca0/L,03越小，钢液中平衡溶解氧含量越高：而 大型夹杂物重量分别为85.42mg/10kg和12.45mg/10 当精炼渣碱度在1.22以下时，精炼渣Ca0/A山，03越 kg·LF精炼前、LF精炼后钢中大型夹杂物重量下降率 小，则钢液中平衡溶解氧含量越低.当精炼渣中SO, 分别为46.59%和25.31%.由此可见，通过精炼渣 含量（质量分数）低于30%时，精炼渣中Ca0的含量成 优化，降低了该精炼渣中的钙铝比，使得精炼渣成分 为影响AL,O,活度的主要因素，精炼渣中Ca0含量越 点更接近液相区，改善了钢渣反应动力学的条件，增 高，则精炼渣中L,0,活度越低. 强精炼渣对夹杂物的吸附能力，从而使得优化后钢 (2)对现场Ca0-AL,0,-Si02-Mg0精炼渣系成分 中大型夹杂物重量明显低于优化前大型夹杂物 进行了热力学计算，为达到尽早化渣、避免增硅、降低 重量 钢中氧含量、提高渣对夹杂的吸附能力的目的，精炼渣 成分（质量分数）适宜控制区域如下：精炼渣中Mg0约 表5优化前后LF精炼下钢中大型夹杂物重量对比 Table 5 Weight comparision of large inclusions before and after optimi- 为10%，Si0,低于7%以下，精炼渣中Ca0含量的在 42%~48%范围内，精炼渣碱度在9以上，渣中钙铝比 zation during LF refining 值在1~1.5之间. LF精炼 优化前 优化后 (3)LF精炼优化工业实验结果表明，相比较优化 精炼前 159.94mg/10kg 16.67mg/10kg 前，优化后LF精炼渣对夹杂物的吸附和去除能力提 精炼后 85.42mg/10kg 42.45mg/10kg 高，钢中全氧T[0]由优化前的24×10~6下降至优化

廖 航等: 低碳低硅 SPHC 钢精炼渣优化研究 表 4 优化后 LF 精炼过程钢中显微夹杂物形貌和成分( 质量分数) Table 4 Morphologies and compositions of micro inclusions in steel after optimization during LF refining 2. 2. 2 大型夹杂物 表 5 所示为优化前后 LF 精炼前后钢中大型夹杂 物重量对比分析图，由表可知，优化前，LF 精炼前、LF 精炼后钢中大型夹杂物重量分别为 159. 94 mg /10 kg 和 16. 67 mg /10 kg，优化后，LF 精炼前、LF 精炼后钢中 大型夹杂物重量分别为 85. 42 mg /10 kg 和 12. 45 mg /10 kg． LF 精炼前、LF 精炼后钢中大型夹杂物重量下降率 分别为 46. 59% 和 25. 31% ． 由此可见，通过精炼渣 优化，降低了该精炼渣中的钙铝比，使得精炼渣成分 点更接近液相区，改善了钢渣反应动力学的条件，增 强精炼渣对夹杂物的吸附能力，从而使得优化后钢 中大 型 夹 杂 物 重 量 明 显 低 于 优 化 前 大 型 夹 杂 物 重量． 表 5 优化前后 LF 精炼下钢中大型夹杂物重量对比 Table 5 Weight comparision of large inclusions before and after optimi￾zation during LF refining LF 精炼 优化前 优化后 精炼前 159. 94 mg /10 kg 16. 67 mg /10 kg 精炼后 85. 42 mg /10 kg 42. 45mg /10 kg 3 结论 ( 1) 精炼渣碱度越高，钢水中与之平衡的硅含量 和溶解氧含量越低; 当精炼渣碱度在 1. 5 以上时，精炼 渣中 CaO /Al2O3越小，钢液中平衡溶解氧含量越高; 而 当精炼渣碱度在 1. 22 以下时，精炼渣 CaO /Al2 O3 越 小，则钢液中平衡溶解氧含量越低． 当精炼渣中 SiO2 含量( 质量分数) 低于 30% 时，精炼渣中 CaO 的含量成 为影响 Al2O3活度的主要因素，精炼渣中 CaO 含量越 高，则精炼渣中 Al2O3活度越低． ( 2) 对现场 CaO--Al2O3 --SiO2 --MgO 精炼渣系成分 进行了热力学计算，为达到尽早化渣、避免增硅、降低 钢中氧含量、提高渣对夹杂的吸附能力的目的，精炼渣 成分( 质量分数) 适宜控制区域如下: 精炼渣中 MgO 约 为 10% ，SiO2 低于 7% 以下，精炼渣中 CaO 含量的在 42% ～ 48% 范围内，精炼渣碱度在 9 以上，渣中钙铝比 值在 1 ～ 1. 5 之间． ( 3) LF 精炼优化工业实验结果表明，相比较优化 前，优化后 LF 精炼渣对夹杂物的吸附和去除能力提 高，钢中全氧 T［O］由优化前的 24 × 10 － 6 下降至优化 · 971 ·

·180· 工程科学学报，第38卷，增刊1 后的20×106，LF精炼前后显微夹杂物总数去除率由 [5]Li Y,Jiang Z H,Yuan W X,et al.Effect of refining slag on in- 优化前的56.57%增加至优化后的71.54%，大型夹杂 clusions in non-aluminum deoxidation steel.China Metall,2006, 物重量由16.67mg/10kg下降到12.45mg/10kg 16(6):28 (李阳，姜周华，袁伟霞，等.精炼渣对非铝脱氧钢中夹杂物 影响的实验研究.中国治金，2006,16(6)：28) 参考文献 6]Shahbazian F,Sichen D,Seetharaman S.The effect of addition of Pan Y F,Wang Z F.Auxiliary Materials for BOF Steelmaking Al20 on the viscosity of Cao-Fe0-Si02-CaF2 slags.ISIJ Int, Beijing:Metallurgical Industry Press,2007:8 2002,42(2):155 (潘胎芳，王振峰。转炉炼钢功能性辅助材料.北京：治金工 7]Deng Z Y,Zhu M Y.Deoxidation mechanism of Al-killed steel 业出版社，2007：8) during industrial refining process.ISI/Int,2014,54(7):1498 2]Ruan X J,Jiang Z H,Gong W,et al.Influence of refining slag [8]Zhang J,Yu H X,Wang X H,et al.Effect of refining slag com- on oxygen content and inclusions in bearing steel.Spec Steel, position on non-metallic inclusions in high-srength low-alloy steel. 2008,29(5):1 J Unig Sci Technol Beijing,2011,33(7):828 (阮小江，姜周华，龚伟，等.精炼渣对轴承钢中氧含量和夹 (张静，于会香，王新华，等.精炼渣成分对高强度低合金钢 杂物的影响.特殊钢，2008,29(5)：1) 中非金属夹杂物影响.北京科技大学学报，2011,33(7)： B]Valdez M,Shannon G S,Sridhar S.The ability of slags to absorb 828) solid oxide inclusions./S/J /nt,2006,46(3)450 Li S Q,Li J,Liu J X,et al.A study on melting temperature of 4]Ding N,Bao Y P,Xie J Y,et al.Study on refining slag and in- pentatomie refining slag series.Spec Steel,2010,31(3):1 clusions in 82B hard wire steel.J Unir Sci Technol Beijing,2012, (李士琦，李瑾，刘锦霞，等.五元精炼渣系熔化温度的研究 34(8):883 特殊钢，2010,31(3)：1) (丁宁，包燕平，解家英，等.82B硬线钢精炼渣和夹杂物研 [10]Ito K,Fruehan R J.Slag foaming in smelting reduction proces- 究.北京科技大学学报，2012,34(8)：883) ses.Steel Res,1988,60(3)151

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 后的 20 × 10 － 6，LF 精炼前后显微夹杂物总数去除率由 优化前的 56. 57% 增加至优化后的 71. 54% ，大型夹杂 物重量由 16. 67 mg /10 kg 下降到 12. 45 mg /10 kg． 参 考 文 献 ［1］ Pan Y F，Wang Z F． Auxiliary Materials for BOF Steelmaking． Beijing: Metallurgical Industry Press，2007: 8 ( 潘贻芳，王振峰． 转炉炼钢功能性辅助材料． 北京: 冶金工 业出版社，2007: 8) ［2］ Ｒuan X J，Jiang Z H，Gong W，et al． Influence of refining slag on oxygen content and inclusions in bearing steel． Spec Steel， 2008，29( 5) : 1 ( 阮小江，姜周华，龚伟，等． 精炼渣对轴承钢中氧含量和夹 杂物的影响． 特殊钢，2008，29( 5) : 1) ［3］ Valdez M，Shannon G S，Sridhar S． The ability of slags to absorb solid oxide inclusions． ISIJ Int，2006，46( 3) : 450 ［4］ Ding N，Bao Y P，Xie J Y，et al． Study on refining slag and in￾clusions in 82B hard wire steel． J Univ Sci Technol Beijing，2012， 34( 8) : 883 ( 丁宁，包燕平，解家英，等． 82B 硬线钢精炼渣和夹杂物研 究． 北京科技大学学报，2012，34( 8) : 883) ［5］ Li Y，Jiang Z H，Yuan W X，et al． Effect of refining slag on in￾clusions in non-aluminum deoxidation steel． China Metall，2006， 16( 6) : 28 ( 李阳，姜周华，袁伟霞，等． 精炼渣对非铝脱氧钢中夹杂物 影响的实验研究． 中国冶金，2006，16( 6) : 28) ［6］ Shahbazian F，Sichen D，Seetharaman S． The effect of addition of Al2O3 on the viscosity of CaO--FeO--SiO2 --CaF2 slags． ISIJ Int， 2002，42( 2) : 155 ［7］ Deng Z Y，Zhu M Y． Deoxidation mechanism of Al-killed steel during industrial refining process． ISIJ Int，2014，54( 7) : 1498 ［8］ Zhang J，Yu H X，Wang X H，et al． Effect of refining slag com￾position on non-metallic inclusions in high-srength low-alloy steel． J Univ Sci Technol Beijing，2011，33( 7) : 828 ( 张静，于会香，王新华，等． 精炼渣成分对高强度低合金钢 中非金属夹杂物影响． 北京科技大学学报，2011，33 ( 7) : 828) ［9］ Li S Q，Li J，Liu J X，et al． A study on melting temperature of pentatomic refining slag series． Spec Steel，2010，31( 3) : 1 ( 李士琦，李瑾，刘锦霞，等． 五元精炼渣系熔化温度的研究． 特殊钢，2010，31( 3) : 1) ［10］ Ito K，Fruehan Ｒ J． Slag foaming in smelting reduction proces￾ses． Steel Ｒes，1988，60( 3) : 151 · 081 ·