罗开敏^*，靳随城，何志斌

宝钢湛江钢铁有限公司炼钢厂，广东 湛江

收稿日期：2019年11月22日；录用日期：2019年12月9日；发布日期：2019年12月16日

本文结合350 t LF炉低碳钢冶炼过程数据，分析了LF炉过程参数控制对低碳铝镇静钢回硅的影响。结果表明：LF炉处理结束后，硅的还原反应远没有达到平衡，渣中(SiO₂)仍可被还原；随着LF炉初始温度的增加，回硅量逐渐降低；随着铝含量的降低，钢水回硅量逐渐减少，当过程铝含量低于0.03%时，有利于将硅含量控制到0.03%以下；采用铝铁脱氧，使炉渣保持一定的弱氧化性，可以保证脱硫效果的同时，有效降低硅的还原。通过将LF炉初始温度控制在1600℃ ± 10℃，过程铝含量控制到0.02%~0.04%，使用铝铁代替铝渣脱氧，同时缩短LF炉处理时间，可以将低碳铝镇静钢硅含量稳定控制到0.03%以下。

关键词 :LF炉，低碳铝镇静钢，硅还原

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低碳铝镇静钢多为热轧向钢种，对成分硅的要求比较严格，通常硅含量要控制到0.03%以下，当硅含量超过0.03%时，钢材屈服强度和抗拉强度上升，严重影响钢材冲压性能 [ 1 ]。湛江钢铁炼钢厂低碳铝镇静钢工艺流程为KR→LD→LATS→CC。正常情况下，转炉吹炼结束后，钢水中硅被氧化至微量，完全符合钢种要求。但KR故障或定修时，转炉出钢后钢水需要进LF炉脱硫，对应工艺流程为LD→LF→CC。LF处理过程中，渣中(SiO₂)会被还原进入钢水，导致钢水硅含量增加，2018年以来数次出现硅含量超标，改钢降级的问题。因此，有必要对影响LF炉钢水回硅的因素进行分析，稳定控制钢水硅含量。

转炉采用前后挡渣或留钢留渣操作，减少炉后下渣量 [ 2 ] 可以从根本上减少硅的还原，但是前后挡渣操作会严重缩短转炉滑板使用寿命，影响生产节奏；留钢–留渣操作，留钢量无法稳定控制，会对炉产量的稳定造成一定的负面影响。因此，本文主要分析LF炉过程参数控制对钢水回硅量的影响，通过改变LF炉造渣方法，加强温度、过程铝含量及处理时间的控制，达到降低LF炉处理过程钢水回硅量得目的。

LF炉处理过程中，钢水回硅反应方程式如下所示 [ 3 ] ：

3 ( SiO 2 ) + 4 [ Al ] = 2 ( AL 2 O 3 ) + 3 [ Si ] (1)

Δ G θ = − 658027.31 + 107.1 T = − R T ln K θ (2)

ω [ Si ] = ( K θ ⋅ a ( SiO 2 ) 2 ⋅ f [ Al ] 4 ⋅ ω [ Al ] 4 f [ Si ] 3 ⋅ a ( Al 2 O 3 ) 2 ) 1 / 3 (3)

式中： ω [ Si ] ——钢液中硅的质量分数； K θ ——标态平衡常数； ——渣中(SiO₂)活度； ——渣中(Al₂O₃)活度； ——钢液中硅的活度系数； ——钢液中铝的活度系数。

湛江钢铁未脱硫铁水，转炉吹炼结束后钢水硫含量范围为0.015%~0.040%，而低碳铝镇静钢，由于钢种的不同，硫含量上限在0.006%~0.020%之间，LF炉脱硫前后钢液及炉渣成分如表1和表2所示。

由于LF炉处理终钢水硅和铝含量较低，钢液中硅活度系数 和铝活度系数 均取1，渣中(SiO₂)和(Al₂O₃)活度可由熔渣等活度图确定 [ 4 ]。将炉次结束温度、钢液及炉渣成分带入(2)~(3)式计算可得，LF炉处理结束时的钢水硅含量与平衡硅含量的关系如图1所示。从图1可知，LF炉处理结束时，钢液回硅反应远未达到平衡状态，实际硅含量约为平衡硅含量的三分之一，即LF炉处理结束后，渣中(SiO₂)仍然具有强烈的还原趋势，在适当的反应条件下，钢水硅含量仍然可能进一步增加 [ 5 ]。同时由(SiO₂)-[Al]反应方程式可知：降低渣中(SiO₂)含量或降低钢液铝含量均可减少硅的还原，增加渣中(Al₂O₃)含量或提高钢水温度也可以一定程度抑制硅还原反应的发生。

表1. 低碳钢LF炉脱硫前后钢水温度及成分变化

表2. 低碳钢LF炉处理前后炉渣成分变化

图1. LF炉处理结束实际硅含量与平衡硅含量的关系

LF炉处理过程中，必须保证钢液铝含量降低钢液及渣中氧，才能确保脱硫效果，但钢水铝含量增加，会促进渣中(SiO₂)的还原，钢水回硅量增加。处理前渣中(SiO₂)含量6.40%~12.5%，(Al₂O₃)含量29.5%~40.3%的条件下，过程铝含量与成品硅含量的关系如图2所示。

从图2可知，随着过程铝含量的增加，钢液硅含量呈增加的趋势。当过程铝低于0.03%时，成品硅可以稳定控制在0.03%以下；过程铝均高于0.07%时，基本所有炉次硅含量均在0.03%以上。为了降低钢液回硅量，过程铝应控制到0.03%以下，但研究表明 [ 6 ]，铝含量低于0.02%时，渣–金硫分配比急剧降低，炉渣脱硫能力变差，铝含量在0.03%左右时，实际硫分配最佳，综合考虑脱硫效果和回硅量，LF炉脱硫过程铝目标可控制在0.02%~0.04%之间。

图2. LF处理过程铝对回硅的影响

温度LF炉最重要的参数之一，其对处理时间，化渣速度和脱硫速率有直接影响。在过程铝含量0.02%~0.04%的条件下，LF炉初始温度与钢水回硅量的关系如图3所示。

图3. LF炉处理初始温度对回硅的影响

从图3可知，随着初始温度的增加，LF炉结束硅含量呈降低的趋势，硅含量超0.03%的炉次，初始温度均低于1580℃；初始温度高于1605℃时，硅含量可以稳定控制在0.025%以下。分析认为，随着初始温度的增加，化渣速度增快，脱硫速率增加，LF处理周期缩短，有效减少回硅量。从热力学的角度来看，由(2)式可知，提高温度一定程度上抑制了硅的还原，适当提高LF炉初始温度有利于降低钢水回硅量，综合考虑温度控制的可操作性及回硅量控制，LF进站初始温度可控制在1600℃ ± 10℃之间。

湛江钢铁LF炉脱硫，采用铝铁和铝渣同步脱氧(铝铁脱钢水氧，铝渣脱渣中氧)。铝渣为成分以金属铝、Al₂O₃和CaO为主的球状辅料，其特点是铝含量高，密度小，直接加入渣中可迅速将渣里氧化铁和氧化锰还原，形成高还原性炉渣，实现钢水的快速脱硫和深脱硫。但是高还原性渣，容易导致钢水脱硫过深，远超低碳铝镇静钢要求，同时渣中(SiO₂)更容易被还原，钢水硅含量增加。铝铁脱氧和铝渣脱氧回硅情况如图4所示。

图4. 脱氧方式对硅还原的影响

从图4可知，加铝渣炉次硅含量控制不稳定，波动较大，多个炉次硅含量在0.04%以上；铝铁脱氧炉次，硅含量波动较小，硅含量最高仅为0.035%，回硅量整体控制稳定。分析认为，铝铁比重大，投入后直接加到钢水中，脱完钢液中氧后，再以扩散脱氧的方式脱渣中氧，渣中全铁含量在3%左右，使炉渣保持一定弱氧化性，有效降低了硅的还原。铝铁脱氧，炉渣脱氧不完全，炉渣脱硫能力相对变差，但是低碳铝镇静钢本身对硫含量要求不高，完全可以满足钢种脱硫要求。

2018年1~12月，湛江钢铁LF炉生产低碳铝镇静钢149炉，硅高于0.03%炉数20炉，数次出现改钢降级的问题。通过将LF进站目标温度控制在1600℃ ± 10℃，过程铝含量控制到0.02%~0.04%，用铝铁代替铝渣脱渣中氧及缩短LF处理周期，目前LF回硅量可以稳定控制在0.03%以下，2019年1月至今，LF炉生产低碳钢27炉，硅含量低于0.03%炉数27炉，没有出现改钢降级的问题，具体回硅情况如图5所示。

图5. 改进前后回硅量对比

1) LF炉处理结束后，渣–金之间硅还原反应远没有达到平衡，渣中(SiO₂)仍然可能被还原，钢水硅含量增加。

2) 随着过程铝含量的增加，回硅量增加。在LF炉处理前硅含量 ≤ 12.5%时，过程铝含量低于0.03%时，有利于将回硅量控制在0.03%以下。随着LF炉初始温度的增加，化渣速度增快，脱硫速率增加，处理时间变短，钢水硅还原量降低。

3) 采用铝铁代替铝渣脱渣中氧，使炉渣保持一定的弱氧化性，可以满足低碳铝镇静钢脱硫要求的同时，有效降低钢水回硅量。

4) 渣中初始(SiO₂)含量 ≤ 12.5%时，通过将LF炉初始温度控制在1600℃ ± 10℃，过程铝含量控制到0.02%~0.04%，采用铝铁代替铝渣脱氧，同时缩短LF炉处理时间，可以将低碳铝镇静钢硅含量稳定控制到0.03%以下。

罗开敏,靳随城,何志斌. 低碳钢LF炉硅还原影响因素分析Analysis of the Influence Factors of LF Furnace Silicon Reversion in Low Carbon Steel Treatment[J]. 冶金工程, 2019, 06(04): 240-245. https://doi.org/10.12677/MEng.2019.64033