CAS–OB法发表评论(0)编辑词条

    CAS–OB(Composition Adjustment by Sealed Argon Bubbling–Oxygen Bubbling)精炼工艺的基本原理是在钢包底吹氩气搅拌钢液的条件下，在浸罩内部钢水表面少渣或无渣以及低氧化性的氩气氛下，完成钢液的脱氧、合金化以及升温等操作。由于具备了加热功能，使得许多任务可以在CAS站完成，CAS–OB工艺也随之向多功能化方向发展。在国外，部分钢厂在原有的CAS站增设了喷粉精炼装置，根据不同的处理要求，采用不同的处理手段和喷吹粉剂，实现钢水升温、脱氧、脱硫、合金化以及夹杂物变性处理等精炼功能，大大降低了炼钢的成本。而在国内，这方面的研究还几乎空白。本工作以此为着眼点，开发CAS–OB喷粉精炼工艺，以期最大限度地发挥现有CAS–OB的精炼作用。

    CAS–OB喷粉精炼工艺

    1 工艺提出的背景

    CAS的核心是浸渍罩内无渣氩气氛下的钢水合金化成分调整。这一方面最大限度地提高了合金收得率，另一方面充分的吹氩搅拌也可大大改善钢水的洁净度。但目前钢包带渣不可避免，尽管合金化是在浸渍罩内无渣条件下进行的，但罩外的顶渣始终在与钢水接触，这种接触必然通过渣金反应影响合金的收得率。同时，脱硫无疑也是钢水炉外精炼的重要任务之一，而目前CAS无脱硫功能，仅仅依靠钢水与顶渣的反应(尤其是在不改渣的情况下)是无法实施有效脱硫的。另外，加入发热剂吹氧升温的过程不可避免地要产生大量新生、细小、难以去除的氧化物(尤其是Al2O3)夹杂，这些夹杂物残留在钢中，不仅直接恶化了钢水的可浇性，而且也将严重地影响成品钢材的质量和性能。针对这些问题，本项工作在CAS–OB设备上增加喷粉装置，通过向钢水中喷吹合适的粉剂，期望达到如下效果：

    (1) 增加CAS–OB的脱硫功能；

    (2) 促进OB产生的夹杂物的排除；

    (3) 对残存于钢中的Al2O3变性；

    (4) 改善钢包顶渣从而有效地保持CAS的钢水成分精确调整效果。

    2 与IR–UT工艺的比较

    IR–UT(Injection Refining with Up Temperature)工艺系上个世纪70年代日本开发出的炉外精炼工艺，该技术采用吹氧枪和供搅拌(或喷粉)用的浸入式喷枪，对钢水进行升温以及喷粉处理等操作。由于IR–UT工艺也同时具备了化学升温、合金化和喷粉精炼的功能，因此有必要说明CAS–OB喷粉精炼工艺与IR–UT工艺的不同之处。

              图1 IR–UT工艺示意图             图2 CAS–OB喷粉精炼工艺示意图

    (1) 喷粉处理包含两个反应，即顶渣的持续反应和粉剂的瞬间反应，前者决定了整个体系的热力学，而后者则起加快反应速率的作用。CAS–OB钢包顶渣主要是由转炉出钢过程中流入钢包的炉渣和铁合金脱氧产物组成，氧化性较高而碱度较低，对钢水的精炼能力(脱氧、脱硫)差，因此，CAS–OB喷粉精炼工艺的实施有一个前提，即顶渣改质。顶渣改质的目的就是要适当提高覆盖渣的碱度，降低氧化性。改质剂通过喷粉枪喷入熔池，一方面为脱硫创造了有利的热力学条件，同时也避免加入的合金通过渣金反应而消耗于渣层中，进一步提高了合金化的精确度。而IR–UT工艺未有顶渣改质，虽然隔离罩内钢水的精炼效果良好，但罩外钢水始终接触顶渣，会出现钢水回硫以及合金元素的损失。

    (2) IR–UT工艺对熔池的搅拌主要依靠喷枪顶吹氩气，并且由于与浸渍罩的碰撞会使钢水损失一部分动能，因此钢水的混匀时间较长。而CAS–OB喷粉精炼工艺的喷枪在浸渍罩外布置，喷枪顶吹氩气和CAS的底吹氩气共同搅拌钢液，使钢水的混匀时间大大缩短(水模试验已经验证了这一点)；并且，由于熔池中同时存在两股气流，在精炼后期小气量喷吹，更容易捕捉到钢水中的夹杂物。因此，与IR–UT工艺相比，CAS–OB喷粉精炼工艺的精炼效率更高，精炼周期更短。

    精炼效果的决定因素

    1 喷吹粉剂的选择

    喷吹粉剂主要由两部分组成：顶渣改质剂和脱硫剂。可以选择CaO–Al2O3–Al作为炉渣改质剂，在喷吹一开始时喷入熔池完成对顶渣的改质，改质剂的加入量由钢包带渣量决定。加入方式可以选择在出钢过程中加入，也可以与脱硫剂一起喷吹加入。从热力学上考虑，脱硫的同时必须脱氧，因此脱硫剂中必须含有脱氧元素Al。而目前大都采用CaO、CaSi以及CaO–Al2O3系合成渣等对钢水进行脱硫处理，实践证明，CaSi以及CaO–Al2O3系合成渣具有良好的脱硫性能，可以满足现场对钢水硫含量的要求。

    a) Al–CaO–CaSi

    喷吹CaO脱硫效果一般，只适合处理对硫含量要求不高的钢种。CaSi喷入熔池后会产生钙蒸汽，钙蒸气与硫具有很强的亲和能力，在1600℃下，kS=1.37×107。同时钙蒸汽对Al2O3夹杂也有良好的变性能力，因此单独喷吹CaSi粉就能对钢水进行有效的精炼。但喷吹CaSi容易使钢水增硅，不适合处理对硅含量有严格要求的钢种，同时也增加了精炼的成本，因此应尽量减少CaSi的用量。为了达到有效精炼同时少用CaSi粉的目的，可以考虑在喷吹的第一阶段[%S]较高时喷吹CaO粉，既可以脱除一部分硫，同时可以使熔池中的一部分Al2O3夹杂被变性成CaO–Al2O3夹杂，Al2O3的活度大大降低从而促使[Al]脱氧反应继续发生，达到进一步深脱氧的目的；继而在第二阶段喷吹CaSi粉，由于第一阶段已经脱除了一部分硫和氧，因此第二阶段所需的CaSi粉量相应减少，而且可以更有效地用于脱硫和控制夹杂物形态。

    (b) Al和CaO–Al2O3系合成渣

    合成渣精炼钢水技术最早开始于上世纪30年代，主要作用是脱硫和去除夹杂，至今仍被广泛应用于炉外精炼工艺。对于CAS–OB喷粉精炼来说，合成渣应具有较低的熔点和较高的碱度，具备较强的脱硫能力，同时，CAS–OB喷粉精炼过程使用大量的Al对钢液实施脱氧和升温处理，熔池中存在大量的Al2O3夹杂，因此合成渣还应对Al2O3夹杂具有很好的吸附能力。12CaO·7Al2O3渣系是近几年国外发展起来的新型合成精炼渣，研究结果表明：12CaO·7Al2O3渣系熔化后的主要物相为12CaO·7Al2O3，并含有少量CaO·Al2O3或3CaO·Al2O3；渣系的熔化温度在1300℃~1400℃，脱硫效果优于普通的钙系脱硫剂；同时由于渣系中含有较高的Al2O3，因此对Al2O3夹杂具有良好的吸附能力，从而可以在精炼过程中配加大量的石灰而不会造成合成渣成分和物理化学性质有大的波动。

表1 12CaO·7Al2O3型渣系的化学组成

Table 1 Chemical composition of 12CaO·7Al2O3 slag system

组成 CaO SiO2 FeO Al2O3 MgO
12CaO·7Al2O3 40~43 3.8~4.0 1.8~2.0 45~50 4.2~5.8

    2 精炼动力学条件

    对CAS–OB喷粉精炼过程来讲，在确定的热力学和化学动力学(喷吹粉剂和处理温度等)条件下，传输动力学条件直接决定着精炼的效率。对于浸入式喷粉这类喷吹条件下的提炼冶金反应来说，整个反应过程由提炼相的输入、反应物间的弥散和混合、单个粉剂颗粒上的化学变化以及反应产物的析出等组成。当微观动力学的传质条件一定时，总的宏观动力学速率由以下一些因素决定：

    (1) 相与相之间交换面积的大小。为了达到高的生产率，反应物间必须有较大的交换面积，对喷粉提炼反应来说，这是通过提炼相弥散化来达到的，因此要求金属相中精炼用粉剂颗粒的尺寸要小，以保证有尽可能大的反应面积。

    (2) 物质传递到相界面及从相界面上传走的速率。通常情况下，实现这种传递要求系统有强烈的搅拌，即熔池必须具有很好的混合。

    (3) 精炼相和金属相的物质量或体积量之比。这要求喷吹的粉剂要尽可能多地进入金属液中，即金属相中分配有尽可能多的粉剂颗粒。

    由此可知，CAS–OB喷粉过程的精炼效率取决于熔池内弥散粉剂颗粒的数量、颗粒的尺寸、颗粒于熔池内的停留时间以及熔池混匀程度，概括起来讲，提高浸入式喷粉精炼反应的效率是通过增加粉剂的有效利用(即增加进入金属相中精炼粉剂的数量以及其于熔体内的停留时间)和减少系统均匀混合时间来达到。喷吹粉剂的有效利用首先决定于喷吹时气—粉两相流的动力学特征，同时也与粉剂颗粒在熔池内的运动行为(包括粉剂进入金属相的比例、粉剂在金属相中停留时间等)有关，而系统均混时间的减少则主要取决于喷吹条件。因此，应该为精炼过程创造这样的动力学条件：最大限度地增加粉剂进入钢水中的比例、最大限度地延长粉剂在钢水中的停留时间以及最大限度地缩短熔池的均混时间。这些目标的实现主要取决于喷吹粉剂的选择和喷吹参数的控制。

    3 需要注意的问题

    喷粉过程中若载气量过大会在顶渣面上出现“裸露眼”，钢水和大气通过此“裸露眼”进行接触，因而吸氮和二次氧化在所难免。同时，渣面裸露必然增加钢水的温降，由于辐射散热量与温度存在四次方关系，因此即使渣面裸露面积很小，钢液的散热量也远大于渣面的散热量。由此建议在目前的CAS钢包顶部加密封盖，由于加盖密封，吹氩后包内气氛中的N2、O2均可降到很低的水平，同时密封盖还起到对钢液保温的作用，并加强精炼前的钢包烘烤，防止因包衬蓄热给钢水带来大的温降。

    CAS–OB喷粉精炼工艺是CAS–OB工艺结合浸入式喷粉工艺，在原有钢水升温、脱氧、合金化、吹气去除夹杂物等精炼功能的基础上，增加了钢水脱硫和夹杂物变性处理功能，进一步拓展了CAS处理钢水的能力。此项技术实施的关键在于选择合适的喷吹粉剂和创造最佳的精炼热力学和动力学条件，这些工作还有待于实验过程中的进一步摸索。