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1、钢包喂实芯纯钙线工业试验及热力学验证刘伟【摘要】概述了在天钢炼钢厂1号LF精炼工序进行120t钢包喂实芯纯钙线的试 验情况.试验结果表明:与原来喂硅钙线相比,实芯纯钙线在喂入过程中未出现卡线、 断线等异常情况，喂线速度在2.3 m/s,平均喂线量在162.3 m/h,钙的平均收得率为 16.9%,钙处理成本降低了 3.31元/t钙处理热力学分析和现场试验结果显示,120t 钢包的实芯纯钙线的喂线速度采用2.3 m/s是合理的.【期刊名称】 天津冶金【年(卷),期】 2018(000)004【总页数】4页(P1-4)【关键词】 钙处理;实芯纯钙线;喂线速度;热力学【作 者】 刘伟【作者单位】 天
2、津钢铁集团有限公司技术中心,天津300301【正文语种】 中文0引言LF精炼钢包喂钙线技术是一种非常重要的炉外精炼方法，其主要优势在于喂钙线 具有脱氧、脱硫及改变夹杂物形貌作用，且喂线设备投资少、占地面积小，操作非 常简单。天津钢铁集团有限公司炼钢厂LF精炼钢包一直采用硅钙包芯线进行喂钙线处理。 由于硅钙线内部是以粉末状填充的，在LF精炼钢包喂钙线进行钙处理过程中经常 会出现硅钙线卡线及断线等异常情况，现场工人不得不停止喂线设备，进行接线和 设备调整，既延长了 LF精炼时间，加增加了工人的劳动强度，影响炼钢的生产节 奏同时，在喂硅钙线时，LF精炼工位会冒出大量烟雾，造成环境污染。硅钙线 的直径
3、较大，比表面积大，在空气中容易被氧化造成表面生锈，在喂入表面生锈的 硅钙线时容易带入杂质污染钢液。因此，天津钢铁集团有限公司与某冶金新材料有 限公司合作，进行了钢包喂实芯纯钙线工业性试验，取得了良好的冶金效果和经济 效益。1 钙处理的作用 在炼钢生产过程中，通常采用铝作为脱氧剂来降低钢水中氧的含量，用铝脱氧后钢 中会形成AI2O3夹杂物。这种夹杂物熔点较高，在精炼过程中除部分会上浮外， 其余大部分会残留到钢液中。一方面，在连铸过程中，随着钢液温度的降低，容易 在浸入式水口中析出并富集，造成水口结瘤；另一方面，当连铸坯中存在纯Al2O3夹杂物时，在铸坯轧制过程中，纯Al2O3夹杂物极易破碎，并沿
4、轧制方向 连续分布在钢材的基体中，造成钢的机械性能下降1。钢中硫化物夹杂物主要以FeS和MnS形式存在。FeS夹杂物熔点为1261K，在 钢材进行热加工过程中，容易在晶界处熔化产生“热脆”； MnS 夹杂物具有范性， 在连铸坯进行轧制过程中MnS夹杂物容易沿轧制方向变形成条带状，严重降低钢 材的横向机械性能。钢包喂入钙线主要是对钢液进行钙处理，一方面利用钙与钢液中高熔点的Al2O3 夹杂物进行反应，从而形成低熔点的铝酸钙，这类夹杂物在炼钢温度下呈液态，可 以迅速地从钢液中上浮，然后被炉渣吸收；另一方面，钢液中的钙能够与硫化物夹 杂物进行反应，文献2表明硫化物夹杂物中只要含钙3%10%,就会生成
5、球形或 团状CaS或（Ca、Mn）S，避免了钢液中形成MnS和低熔点的FeS夹杂物。2 实芯纯钙线和钙铁线相关指标2.1 实芯纯钙线和硅钙线生产工艺 实芯纯钙线的生产过程为：采用纯钙锭在高温高压进行热拉拔形成母材，外层使用 钢壳对母材进行包裹防止其氧化失效，再经过排线、检验，包装形成实芯纯钙线。硅钙线的生产过程为：首先将钙和硅按比例混合成粉剂，并装填在预先被加工成U 型的钢带中，再使用相关模具将U型钢带的两边，在其纵向方向上进行搭接，将 粉剂进行包裹，然后使用精整模具将包裹好的芯线进行轧实，并精整成外形规整的 包芯线。2.2 实芯纯钙线和硅钙线性能指标 实芯纯钙线和硅钙线基本性能指标如表1所示
6、。通过表1可以看出，实芯纯钙线 直径为9 mm，单重为216.8g/m、重量比为28.93% ;硅钙线直径为13 mm、 单重 436.39 g/m、重量比 29.72%。表1实芯纯钙线和硅钙线性能指标名称直径/mm单重/gm-1重量比/%实芯纯钙 线 9 216.8 28.93钙铁包芯线 13 436.39 29.722.3 实芯纯钙线的理论喂线速度 喂线速度是影响钢液钙处理效果的重要因素，天钢科研人员将谢志强3及颜根发4等人的研究结果与钙在钢液中的化学反应相结合，从实芯纯钙线熔化的角度出 发，推导出理论喂实芯钙线速度与钢包中钢液重量的关系，如公式（1）所示。式中，vca为喂硅钙线的速度,m
7、/s;S为芯线皮厚度,m;D为芯线直径，m ; W为钢包中钢液重量，t。根据公式（1） ，推导出不同钢液容量下理论的喂线速度，如表2所示。表2喂纯钙线的理论速度与钢液重量的关系W/t 50 100 100 150 150 200200 250 250 300 VCa/ms-1 2.3 2.5 2.5 3.0 3.0 3.7 3.7 4.3 4.3 5.03 工业试验3.1 试验方案在天钢炼钢厂1号LF精炼炉工位进行试验，钢种为一般含铝钢。天钢炼钢厂生产 般含铝钢工艺流程为：铁水+废钢-转炉-LF精炼炉-方坯连铸。将实芯纯钙线与硅钙线对比试验安排在同一浇次进行。在120 tLF精炼区两个工位 分
8、别放置实芯钙线和现用硅钙线，相互交叉进行喂钙线处理；试验过程中记录每炉 钢水重量和喂钙线米数，同时对钙处理后的钢液取样分析钢水中钙含量。3.2 试验结果通过对试验钢水量、实芯纯钙线和硅钙线喂入量及钙处理后钢液中钙的含量进行整 理，如图1所示。图1 硅钙线、实芯纯钙线和钢水量对吨钢喂线量和钙收得率的影响由图1(a )可知，在试验过程中硅钙线处理钢液加入量的范围为212-422 m , 其平均喂线量为317 m ；试验过中纯钙线处理钢液加入量的范围为132-287 m , 其平均喂线量162.3 m。通过对比可以得出，对钢液进行钙处理过程中使用纯钙 线与使用硅钙线相比较，节省了近一半的钙线。从图1
9、(b)可知，在试验过程中喂入硅钙线处理钢液后钙的收得率范围为3% 9%，平均值为 5.1% ；喂入纯钙线处理钢液后钙的收得率范围为 13.5%-21.5%， 平均值为16.6%。通过对比可以得出，在钢液进行钙处理过程中使用纯钙线与使 用硅钙铁线相比较，钙的收得率提高了11.7%。3.3 纯钙线喂线速度工艺优化 在进行上述对比试验以前，先使用实芯纯钙线进行钙处理并分析处理效果。根据以 前喂硅钙线的喂线速度56 m/s直接将纯钙线喂入钢液中；在钢液经过软吹镇静 后，取LF出站试样及中间包中钢液试样进行钙含量分析。分析结果为成品中钙的 收得率为10.7%，达不到该冶金材料公司协议中成品中钙的收得率不
10、低于15%的 要求，结果如表3所示。表3喂线速度优化前钙的收得率炉均喂线量/m LF出站Ca大包收得率/%中包Ca成品收得率/%159.67 19.67 16.5 12.83x10-6 10.7 经过多方面分析可知，造成成品中钙收得率达不到协议要求的主要原因为：以56 m/s的喂线速度加入实芯纯钙线时，喂线速度太快，造成钢水沸腾较大并产生大量的烟气产生，导致钢包卷渣，造成部分钙被氧化，影响了成品中钙的收得率。 天钢科研人员根据公式（1）对纯钙线喂线速度进行了优化，针对钢包中钢液的重 量将纯钙线喂线速度改为2.53 m/s。将纯钙线的喂线速度优化后，进行试验成 品中钙的收得率为16.9%，能够达
11、到协议的要求。具体结果如表4所示。表4喂线速度优化后的钙的收得率炉均喂线量/%中包Ca成品收得率/%162.325.53x10-6 24.9 17.35x10-6 16.9/m LF 出站Ca大包收得率4 钙处理热力学验证在钢液进行LF精炼后，对钢液进行钙处理，钢水中的钙主要与夹杂物发生反应， 随着钙的加入量不同，可以反应生成：CaO6AI2O3、CaO3AI2O3、CaOAI2O3、 12CaO7AI2O3和3CaOAI2O3这5种不同的钙铝酸盐。根据文献4-5中 AI2O3-CaO二元相图分析可得，在炼钢温度下只有3CaOAI2O3和 12CaO7AI2O3这两种夹杂物呈现液态，在LF精炼
12、中，伴随着吹氩搅拌这两种夹 杂物能够快速地上浮并被炉渣吸附。通过对天钢炼钢厂喂实芯纯钙线进行钙处理后 的钢水分成进行热力学分析，根据钢液中钙含量预测喂实芯纯钙线后夹杂物的类型， 进而对实芯纯钙线的加入量进行优化。天钢炼钢厂喂纯钙线后钢水终点化学成分如表5所示。表5 钢水终点化学成分 %C Si Mn P S 0.15 0.20 0.35 0.018 0.017 Ot 0.004 AIt Cat 0.027 0.001735 钢水中的钙与铝在炼钢温度下发生的反应分别见公式（2）、公式（3）5：在炼钢温度下CaO和AI2O3的活度并不等于1,说明CaO和AI2O3并不是纯物质，而是化合物和固溶体6
13、。钢液中的钙与氧化铝夹杂主要按公式（4）发生如下 反应7：公式（2）、（3）中，氧化物活度是以纯固态为标准态时 CaO 和 AI2O3 的活度在进行热力学分析时要将它们换成以假想纯液态为标准态，则公式（2）、（3） 的平衡常数相应变为：在炼钢温度下和在两个标准状态下的活度比8-9为： 将公式（9）、（10）带入（7）、（8）中，在炼钢温度下可得：由公式（6）、（7）、（8）可推得：在炼钢温度下：KCa-AI=9.7x108。根据亨利定律：由文献4将表 5 中各成分相应含量带入公式（12）中，可得：因此:在钢液进行钙处理后生成的和钢液中形成液态夹杂的条件为10：在钢液进行钙处理后生成的和钢液中形
14、成液态夹杂的条件为：将公式（15）、（16）、（17）、（18）带入公式（4），可得当形成3CaOAI2O3时，%Ca与%AI满足的关系式为：可得：要使CaO和AI2O3生成3CaOAI2O3,必须满足：同理，要使CaO和Al2O3生成12CaO7Al2O3,必须满足：根据公式（20）、（21）做图，如图 2所示。 由图2可以看出，根据天钢炼钢厂进行钙处理后钢液中成分的含量进行热力学计算后，最理想的钙处理效果应保证的比值保持在1.7x104,3.7x105之间。根据 表 5 中%AI=0.027、%Ca=0.001735，计算可得%AI2/%Ca3 = 1.4x105。 根据图2分析说明，公式
15、（1）计算出的理论喂线速度，平均喂线量在160 m左 右时，能够保证生成低熔点的钙铝复合夹杂。图2 1600工时形成液态钙铝酸盐%Ca与%AI之间的关系 根据试验结果，对一般含铝钢钙处理成本进行计算，由于每炉钢进行钙处理后中包 钢液中钙含量不同，为统一成本计算标准，将中包钢液钙含量折合成15x10-6。天钢炼钢厂生产一般含铝钢时使用硅钙线时的吨钢钙处理成本为10.78元，使用 实芯钙线吨钢成本为7.47元；使用实芯钙线吨钢成本比硅钙线吨钢成本节省3.31 元。5 结论 实芯纯钙线在喂线过程中没有出现卡线和断线等异常情况；钙的收得率比使用硅钙 线进行钙处理时提高了11.8%，喂线量减少一半左右，吨钢成本降低3.31元。通 过对试验生产结果进行钙处理的热力学分析，说明理论喂线速度公式可以用来指导 实际生产，取得良好的冶金效果。参考文献【相关文献】1 冯聚和，艾立群，刘建华铁水预处理与钢水炉外精炼M.北京：冶金工业出版社，2008 : 237.2 谢志强，黄志勇，颜根发，等钢包喂实芯纯钙包芯线的工业性试验研究J.安徽冶金，20113 ：5-7.3 杨兆林，宋超钙铁包芯线的制作及其在钙处理中的应用J.安徽冶金，2009，5（2） : 34-35.4 颜根发钢包喂线技术的若
