1. 引言
SPHC钢种是一种重要的冷轧机料，用途十分广泛，随着社会工业的发展，冷轧厂对SPHC钢种质量也提出了更高要求，就要最大限度提高钢液的纯净度[1]。LF精炼炉因设备结构简单，冶金性能稳定，且能够有效提高钢水纯净度，已被大多数钢厂广泛应用。LF精炼炉精炼渣在冶炼中起着重要作用，不仅能够净化钢水，还能去除夹杂物，炉渣成分决定着炉渣对钢水的冶炼质量。精炼炉渣成分在合适的范围内能够有效提高钢水纯净度，并且可以减少钢水中B类夹杂，反之炉渣流动性变差，对精炼效果有影响。天铁在生产SPHC钢种时氧含量波动较大，硫含量不稳定，导致时有絮流和硫超标现象发生，连铸浇注很难突破多炉数连浇，造成成本偏高[2] [3]。为了寻求高品质低成本发展，本文对SPHC钢种的合适精炼渣系进行计算研究，并用于在现场试验取得了良好效果，为SPHC钢种的高品质低成本生产提供理论与实践的指导意义重大[4] [5]。
2. 精炼渣系优化热力学计算及现有渣系现状
2.1. 精炼渣系热力学计算
SPHC钢种在精炼过程中所需的精炼炉渣成分主要为MgO、CaO、SiO2、Al2O3，因此研究不同的MgO含量对精炼炉渣CaO-SiO2-Al2O3四元渣系的影响。利用FactSage热力学计算软件计算氧化镁在6%~10%的四元渣系等温相图，当氧化镁为10%时，没有合适的低熔点区域，因此选择了MgO含量为6%~9%的四元渣系等温相图作比较见图1，根据相图发现随着氧化镁的提升，炉渣低熔点区间逐渐缩小，结合现场精炼的控制情况，MgO质量分数为5%~7%时，从图1中可以看到精炼炉渣的低熔点范围是可以实现的，在此范围内炉渣熔点较低，炉渣的熔点在1500℃之内，精炼渣的流动性和脱氧效率会增强，为了方便后续采用MgO质量分数为7%进行热力学计算。
通过FactSage热力学计算软件计算当MgO为7%时得到CaO-SiO2-Al2O3四元渣系的等温相图，计算结果见图2。从图2可知，当MgO为7%时，CaO-SiO2-Al2O3四元渣系的熔点低于1500℃的范围有1区和2区，也就是蓝色区域。180 t LF精炼炉精炼渣需要满足钢水脱硫和脱氧的条件，需使用合适碱度和低熔点精炼渣，因此为了以最大限度的节约成本，将低熔点区域中SiO2质量分数低于18%的部分单独划分为2区。1区域虽然炉渣熔点较低，但是SiO2的质量分数在38%~73%，CaO的质量分数在8%~53%，碱度无法满足精炼需求，无法达到精炼效果，不能作为精炼渣应用到实践中，因此由相图中可知只有2区域的精炼渣系才能作为精炼造渣使用。2区域炉渣成分范围为：CaO 38%~52%，Al2O3 27%~61%，SiO2 0~18%。在2区内的炉渣熔点均在1500℃以内，这是由于CaO和Al2O3生成铝酸钙类盐的低熔点化合物造成，因此在冶炼中选用2区的炉渣成分范围就能够保证精炼效果，但是在此范围内精炼炉渣的成分还是比较宽，然后再结合炉渣的碱度(R)、钙铝比(ω(CaO)/ω(Al2O3))对炉渣的影响，逐步优化炉渣成分，以便得到最佳的精炼渣系。
Figure 1. Changes in isothermal phase diagrams of CaO-SiO2-Al2O3 slag systems with different MgO
图1. CaO-SiO2-Al2O3不同MgO渣系等温相图的变化情况
Figure 2. Isothermal phase diagram of CaO-SiO2-Al2O3slag system
图2. CaO-SiO2-Al2O3渣系等温相图
2.2. 碱度和钙铝比对渣系影响
Figure 3. Effect of refining slag basicity and ω(CaO)/ω(Al2O3) on the melting point of refining slag
图3. 精炼炉渣碱度、ω(CaO)/ω(Al2O3)对精炼炉渣熔点的影响
Figure 4. Slag composition of MgO 7% CaO-SiO2-Al2O3 slag system
图4. MgO为7%CaO-SiO2-Al2O3渣系的炉渣成分
在图2中可知低熔点2区作为研究范围，本文通过计算精炼炉渣碱度(R)和ω(CaO)/ω(Al2O3)对精炼炉渣熔点的影响，计算结果见图3所示。从图3可知，精炼炉渣碱度在3~7时，碱度变化区域内，精炼炉渣的低熔点区域范围大，当碱度大于7时，炉渣低熔点区域变化不大，碱度再升高对低熔点区域的增大就不明显了，同时碱度的增加伴随着ω(Al2O3)增加否则熔点会增高，精炼炉渣流动性差，对精炼效果和脱硫不利，因此当碱度在3~7之间较为合适。当ω(CaO)/ω(Al2O3)为1~2时，精炼炉渣在低熔点区域内，当ω(CaO)/ω(Al2O3)小于1.5时，会增加ω(Al2O3)的质量分数，当ω(CaO)/ω(Al2O3)大于2.5时，炉渣熔点就不在低熔点区域了。因此钙铝比为1.5%~2%时，精炼渣渣系中CaO、Al2O3的质量分数时最容易控制，也是最有利于去除Al2O3夹杂物，因此根据实际钙铝比ω(CaO)/ω(Al2O3)为1.5~2为合适。
根据对精炼炉渣碱度(R)和ω(CaO)/ω(Al2O3)对精炼炉渣熔点的影响分析，将精炼渣碱度(R)为3~7和钙铝比ω(CaO)/ω(Al2O3)为1.5~2的部分作为最终的炉渣成分范围是合适的见(图4)，在图4中描红的小三角区域为精炼炉渣的最佳成分，根据图4可知SPHC钢种的炉渣成分范围为：CaO 50%~54%，Al2O3 30%~34%，SiO2 12%~17%，MgO 4%~7%。
2.3. 生产SPHC渣系现状
目前180 t LF精炼炉在生产SPHC钢种时的现有精炼炉渣成分为：ω(CaO) = 41.17%~47.60%平均44.59%、ω(SiO2) = 5.13%~10.37%平均7.50%、ω(MgO) = 4.39%~8.31%平均7.11%、ω(Al2O3) = 16.44%~26.26%平均21.29%、R = 6.46~9.80平均7.55、TFe 0.6~1.98平均1.03。以上是精炼渣系研究前的随机抽查的数据，结果见表1所示。
从表1可知，现有渣系平均CaO质量分数为44.59%，与理论计算还有5.41%的差距，Al2O3质量分数平均为21.29%，与理论计算还有9.71%的差距，现有炉渣的钙铝比平均为2.11，整体钙铝比较大，与理论计算相比高了0.11，可见现有炉渣CaO质量分数、Al2O3质量分数均低于理论计算值，钙铝比大于理论计算值，根据理论计算结果可知，现有炉渣不利于去除Al2O3夹杂和脱硫，因此现有炉渣需要结合理论计算结果进行改进。
Table 1. LF refined slag composition before adjustment
表1. 改进前LF精炼渣成分
| 炉座 |
炉数 |
CaO% |
SiO2% |
MgO% |
TFe% |
R |
Al2O3 |
钙铝比 |
| 1#平均值 |
13 |
44.56 |
7.82 |
8.31 |
1.96 |
7.11 |
23.36 |
1.91 |
| 5 |
47.14 |
7.58 |
7.97 |
0.60 |
6.50 |
19.03 |
2.48 |
| 3 |
43.45 |
5.16 |
4.39 |
1.98 |
8.49 |
26.26 |
1.65 |
| 7 |
41.17 |
10.37 |
7.76 |
1.43 |
6.46 |
16.44 |
2.50 |
| 2#平均值 |
11 |
45.45 |
7.58 |
8.24 |
1.88 |
7.59 |
25.61 |
1.77 |
| 8 |
47.60 |
6.76 |
7.53 |
1.87 |
7.52 |
19.98 |
2.38 |
| 3 |
45.67 |
5.13 |
6.55 |
1.29 |
9.80 |
20.97 |
2.18 |
| 12 |
41.73 |
9.61 |
6.14 |
1.06 |
6.98 |
18.70 |
2.23 |
| 总平均 |
|
44.59 |
7.50 |
7.11 |
1.03 |
7.55 |
21.29 |
2.11 |
3. 试验方案的制定
根据FactSage的计算结果，在现场结合计算结果进行一个月的数据跟踪，SPHC钢的生产工艺流程为：倒灌站为180 t顶底复吹转炉提供合格的铁水，180 t顶底复吹转炉进行吹炼为180 t LF精炼炉提供初炼钢水，180t LF精炼炉进行精炼处理后为连铸提供合格的钢水，连铸进行浇铸成坯为轧钢提供坯料。其中在180 t顶底复吹转炉生产过程中结合SPHC的目标成分进行脱氧合金化，180 t顶底复吹转炉出钢过程中加入393.52 kg铝块进行脱氧，加入261 kg中碳锰铁进行合金化，加入500 kg高钙石灰作为顶渣使用。在180 t LF精炼炉精炼过程中，为了保证炉渣成分在理论范围内，加入石灰量为1500~2000 kg，改质剂用量为100 kg，铝粒用量为50~100 kg。为了保证热力学计算的精炼渣碱度(R)及钙铝比 ω(CaO)/ω(Al2O3)的要求，每炉补加适当的铝粒来调整炉渣成分，最后微调成分至钢种要求范围内，再经过软吹10分钟以上精炼结束，LF处理结束后，出站将钢包吊至连铸大包平台进行连铸浇铸，中包采用高碱度覆盖剂保持黑液面，连铸在浇铸全程采用保护浇注。
4. 试验过程
4.1. 精炼渣成分统计
根据FactSage软件计算结果，最佳的炉渣成分是图4中的小红色区域，利用现有精炼渣CaO、SiO2、Al2O3成分的质量分数的平均值与MgO为7%的CaO-SiO2-Al2O3渣系的等温相图中进行比较，现有精炼渣的熔点在1600℃以上，现有炉渣成分与理论计算的精炼炉渣的目标成分对比。炉渣中SiO2含量较低，碱度偏高，Al2O3含量偏低，不符合理论炉渣成分要求。
经过对炉渣成分的调整，现场按照最佳炉渣成分进行控制，随机在一个月的时间内对SPHC的精炼炉渣取样，取样结果见表2。从表2可以看到调整后的炉渣成分满足理论计算的结果，碱度(R)在3.51~5.40，平均为4.34，钙铝比ω(CaO)/ω(Al2O3)在1.6~1.8，平均为1.61，氧化镁MgO在5.83~6.96，平均为6.73。为了使得精炼炉渣成分满足理论炉渣成分，在生产中对炉渣进行多次的调整，然后找到冶炼造渣规律后，逐步加快了造渣速度和时间，使得脱氧剂与精炼渣中的TFe、SiO2的反应更充分，全铁含量平均为0.65明显降低，说明了脱氧剂的利用率更高，炉渣的熔点最合适，还原性较好。
Table 2. LF refined slag composition after adjustment
表2. 调整后LF精炼渣成分
| 炉座 |
炉数 |
CaO% |
SiO2% |
MgO% |
TFe% |
R |
Al2O3 |
钙铝比 |
| 1#平均值 |
12 |
50.87 |
9.43 |
6.95 |
0.45 |
5.40 |
30.81 |
1.7 |
| 10 |
53.43 |
14.21 |
6.68 |
0.61 |
3.51 |
34.00 |
1.6 |
| 5 |
50.38 |
13.93 |
6.96 |
0.65 |
4.66 |
33.28 |
1.5 |
| 4 |
50.44 |
15.82 |
6.93 |
0.63 |
3.68 |
32.28 |
1.6 |
| 2#平均值 |
11 |
50.03 |
11.46 |
6.93 |
0.83 |
4.71 |
33.38 |
1.5 |
| 12 |
51.20 |
10.68 |
5.83 |
0.71 |
3.83 |
30.46 |
1.7 |
| 1 |
50.23 |
10.83 |
6.60 |
0.65 |
4.79 |
31.03 |
1.6 |
| 11 |
51.38 |
12.04 |
6.68 |
0.70 |
4.64 |
30.10 |
1.7 |
| 总平均 |
|
50.90 |
12.39 |
6.73 |
0.65 |
4.34 |
31.71 |
1.61 |
4.2. 精炼工序全氧及氮的质量分数变化
选取180 t LF精炼前和180 t LF精炼后的全氧含量作对比，结果见图5。从图5可知，SPHC钢种在转炉冶炼后，在出钢过程中进行脱氧合金化，由于铝块脱氧及合金化，再加上钢包底吹氩的搅拌，180tLF精炼到站时钢水中的ω(TO)为20 × 10−6~50 × 10−6。180 t LF在精炼过程中通过电极加热、加铝粒或改质剂再次进行脱氧剂造白渣、吹氩搅拌等措施，LF精炼后的ω(TO)降至16 × 10−6~25 × 10−6。由此可见钢水中的全氧含量明显下降，钢水纯净度提高了，说明调整后LF精炼炉渣脱氧效果有了明显改善，经过炉渣的改进，试验造白渣工艺起到了很好地效果，明显的可以提高SPHC钢的纯净度。
Figure 5. Changes in total oxygen content of molten steel in each process
图5. 各工序钢液全氧量变化
4.3. 硫含量对比
选取炉渣调整前后180 t LF精炼炉出站时的硫含量进行对比，结果见图6所示。蓝色为炉渣调整前的硫含量变化情况，红色为调整后的硫含量变化情况，红色线条明显低于蓝色线条，充分说明了180 t LF精炼炉在精炼过程中通过按照目标精炼炉渣成分控制，炉渣的还原性提高，经过钢包底吹的搅拌脱硫，LF精炼结束时的硫含量由0.014%降至0.012%。说明LF通过调整后的炉渣还原性更强，炉渣熔点进一步降低，容硫的能力更大，脱硫效果明显好转。
Figure 6. Comparison of refined sulfur content before and after adjustment
图6. 调整前后的精炼硫含量对比
4.4. 连拉炉数的对比
通过炉渣成分的调整，LF炉渣的熔点降低，容硫能力增强，炉渣的流动性较好，去除夹杂物能力强，从下线的水口观察发现Al2O3的夹杂物明显减少，絮水口的几率减少，在炉渣改进前，絮水口现象较为明显，拉速不稳定，换水口频繁，偶尔造成连铸拉断事故，连续拉钢困难，最短的连拉炉数只有两炉，给生产成本带来巨大压力，炉渣成分改进后，从连铸浇铸反馈来看，钢水的可浇性提高，拉速也比较稳定，钢水质量明显好转，炉渣成分改进前后的对比见图7。连铸连拉炉数在炉渣成分改进前平均连拉炉数为27炉，连铸连拉炉数在炉渣成分改进后平均连拉炉数为41炉，连铸连拉炉数的增加，生产成本也明显好转。
Figure 7. Comparison of the number of continuous casting and continuous drawing furnaces before and after adjustment
图7. 调整前后连铸连拉炉数对比
5. 结论
(1) 根据FactSage计算，按照MgO为7%，经过碱度(R)、钙铝比(ω(CaO)/ω(Al2O3))对精炼炉渣的熔点、脱硫能力和去除Al2O3夹杂物的影响，最后确定SPHC精炼炉渣目标成分为：ω(CaO)：50%~54%，ω(Al2O3)：30%~34%，ω(SiO2)：12%~17%，ω(CaO)/ω(Al2O3)：1.5~2.0，ω(MgO)：4~7，R：3~7。
(2) 经过现场实践，按照调整后的炉渣成分冶炼SPHC钢种，180 t LF精炼炉钢水在出站时的ω(T.O)可达25 × 10−6以下，硫含量可达0.012%以下，连铸在浇筑SPHC钢种时的连拉炉数达到了40炉以上，改进后的炉渣成分满足冶炼的要求。
180 t LF精炼炉在精炼炉渣调整后，整体生产平稳，钢水质量稳定，连铸连拉炉数得到了提升，整体运行成本得到了控制。