苏圣龙
（南钢板材第一炼钢厂，江苏 南京 210035）
摘 要：转炉炼钢过程中，钢液脱氧处理的过程极为关键，其进程推进的效果决定了炼钢最终的生产质量与产品的应用情况。若钢液中氧气含量过多，将必然降低产品的塑造效率，并导致其组织结构有较为明显的疏松表现，甚至产生热脆现象。本文简述了炼钢过程中的质量影响因素，并就炼钢环节氧的产生与危害性进行了深入分析，阐述了炼钢生产过程中转炉炼钢的常用脱氧工艺，希望能够为同行业工作者提供一些帮助。
关键词：炼钢生产；展露炼钢；脱氧工艺
来源：世界有色金属
钢铁产业的崛起与行业市场竞争的愈发激烈，使得各类钢铁企业提高了对产品质量与成本的重视，期望通过持续的生产工艺优化方式将产品的质量整体提升，继而达到降低产品生产成本与保持钢铁企业市场竞争优势的目的。以转炉炼钢生产环节为例，氧气的产生对氧气炼钢的最终质量造成了极大的影响。因此，深入分析转炉炼钢的脱氧处理过程极为关键，这一环节工艺的优化在将钢产品质量予以提升的同时，也是降低生产成本、建立高效良性钢生产链条的重要基础。
1 转炉冶炼概述
转炉冶炼原则是将直接氧化生铁中的碳再加上其他有关杂质之后，可以制造得比铁有更高化学和物理性能的钢铁。即生铁与钢之间的最主要差别，即碳的含量。如果碳的总质量分数不超过 2.1%，就可以产生钢铁。其次，在生钢铁中，当铁与碳元素生成过饱和的固溶体时，其硬度和强度均会随着铁碳含量的提高而上升，但同时其韧性和可塑性也会降低。从而，生钢材将具备更加优异的物理、化学和机械性能。可进行拉深、冲压、热轧等加工过程、以及冲磨、拉深等机械加工方式。而低合金钢又是转炉炼钢的重点产品，因为它可以产生比传统转炉生产的脱碳速率更快、钢中含气量较少、生钢材的热塑性效果更佳、焊接能力和深冲特性更强等优势，被广泛用来生产低碳软钢丝、热轧和冷轧薄板，以及冷弯型钢和镀锌板。由此可见，各种硬钢丝结构钢和轴承钢都早已得到了广泛的应用。虽然在实际冶金过程中制造高碳钢材存在着一些困难，但是它也可以改善生钢材的生产质量。其重点就是可以降低碳牵引和脱磷，或者如果有辅枪，就需要直接通过辅枪进行操作。或者如果没有辅枪，就必须在炉前快速分析，又或者由于高碳钢终点温度低，且脱磷时间较短，因此需要双渣操作，主要是脱碳初期释放初渣，初期释放进入渣中的磷。然而，双渣操作会导致更多热量和铁损失，因此通常不使用。
2 炼钢过程中的质量影响因素分析及脱氧技术的现状
质量与设备控制是炼钢过程中应重点关注的环节，想要确保炼钢基本要求满足实际应用所需，就应对炼钢各个生产环节予以深入分析，保证原料供给的稳定性与操作调节组织的合理性［1］ 。从实际的炼钢情况来看，钢炉是影响最终炼钢质量的关键因素。以转炉炼钢环节为例，氧气含量、铁水处理等皆是应关注的生产重点，对由于氧气含量的变化带给转炉炼钢生产效果的影响进行全面分析，具有提升钢铁最终强度与整体质量的关键作用，具有极为重要的现实意义。
在冶金钢铁过程中，硅是最早的金属去氧材料，硅的大量生产也就形成了镇静钢。用硅去氧化物的最主要弊端就是去氧能力不够，而且易形成去氧化物不完全和钢皮下的泡沫过多问题；用大硅去氧化物，还会造成在钢材中加入了大量的大硅盐酸，对钢材的使用性能也产生了不良影响；去氧化物后所产生的物质如 SiO2等也是一个强酸性式化合物，同时还会造成了钢液中磷和硫的大量回收问题。到了 20 世纪 30 年代，由于电解铝技术进步以及其相关工艺和技术的逐步完善，氧化铝产品价格也较为便宜。于是，大硅去氧的技术革命便应运而生了，也带来了对冶金钢去氧化物的技术革命。而欧美也是第一个选择氧化铝作为脱氧剂的国家，这主要是因为氧化铝拥有巨大的去氧能力，可把钢水中的氧化物消除在非常低的水平上。与硅去氧相比，铝去氧不仅能够有效提高去氧效率，而且还能够有效降低钢中的二氧化硅含量。而在同时，又由于氧化铝陶瓷是一种中性物质，并不会降低熔炼钢渣的碱度，也不容易将钢水中的磷和硫进行回收。因此目前，氧化铝仍为中国国内炼钢厂所用的主要脱氧剂。但是，因为氧化铝的比重较少，且回收率也较低（10%~25%），且大炼钢铁生产成本也较高。因此为了有效提升生产氧化铝的效率，大钢厂已先后开发了硅铝铁、铝锰铁、硅铝钡等铝合金系的复合脱氧剂。其中，镁基脱氧剂的密度比纯铝合金高，且在加入钢液中时的浮动时间也足够，从而能够明显提高生产效率。其次，铝合金材料中去氧生成的金属氧化铝陶瓷也会对钢材的机械性能，尤其是热疲劳特性产生负面影响。为了更合理地解决这一问题，可以提高温度和控制金属夹杂物形状变化的非铝复合型脱氧剂也将逐步问世。
3 氧在炼钢中的产生与危害分析
氧化物在钢液中主要的存在形式为非金属材料或掺杂物质，部分则以溶解氧的形态出现，其来源多是吹氧炼钢过程中与原材料本身产生的氧化物含量。对炼铁环节而言，为了将过程的中钢液化学杂物全部除去，一般采用氧化物参与其中的方法，在氧气还原反应的作用下去除其含有的磷、碳、锰等微量元素，以实现氧化物与各种化学杂物高效结合的目的，进而将其形成的氧物质全部分离出来，以此达到钢液去杂质目标。由于氧化物的参与，导致了钢液中氧化物的存在无可避免，但随着氧化物数量和化学杂质浓度的逐步减少，吹氧炼钢焊接的氧气含量将有明显的促进提升表现［2］ 。若钢液中包含的氧气没有采取对应的合理方式进行预先 处理，则在氧气含量较高的钢液生产条件下，凝固环节将极容易与原本的钢液发生反应并产生结晶，继而产生氧化亚铁。此种物质的出现对铸坯的破坏极为严重，并对最终的钢产品质量产生不良影响，甚至导致出现变形现象影响到钢产品效果的正常发挥，废弃件数量增多从而产生较多的无效生产成本。再加上此种状态通常伴随热脆出现，从而对钢铁产生深层次的氧化影响。氧含量的增多同样是导致钢液中硫元素危害加重的主要原因，后续产生的多种化学反应不仅会导致各类氧化杂质出现，且会对最终钢产品的力学性能造成不可逆转的严重损害。从钢液冷凝过程的角度来看，溶解氧与碳之间所发生的反应将会产生一氧化碳气泡，气泡在钢液汇总所产生的反应将会导致出现钢液沸腾现象，并会伴随一氧化碳气泡的不断增加使现象愈发剧烈［3］ 。在钢液的脱氧环节，程度的不同是沸腾现象剧烈程度不一的主要原因，若从沸腾剧烈程度的角度来看，可将其钢液种类分为半镇静钢、镇静钢以及沸腾钢。需要注意的是，由于钢液中多数包含一氧化碳气泡，则所产生的钢锭其内部组织将过于疏松，继而影响其密度对钢强度造成不良影响。为解决以上问题，就需要选择应用科学的脱氧处理方式，以达到持续降低钢液中氧含量的目的。通常情况下，对镇静钢含氧量的要求应控制在 0.005%以内，而若为沸腾钢，则含氧量应控制在 0.0025%~0.030%范围内［4］ 。若想进一步提高对钢液沸腾现象的监控效果，就必须针对这一过程进行深入分析，继而确保所制造的钢锭和钢坯都可以符合生产组织的既定条件下去，为从而保证最终生钢产品的强度和品质创造了充分的保证条件。
4 对炼钢生产中转炉炼钢脱氧工艺方式的研究分析
沉淀脱氧、扩散脱氧及真空脱氧是当下在转炉炼钢过程中常用的脱氧工艺，作为关键的脱氧材料，脱氧剂通常包含硅、锰、铝等，并在实际的生产过程中与钢液中的氧气发生反应，对氧气做固定处理以起到脱氧作用。脱氧剂类型的不同，对应产生的脱氧效果也将有明显的差异表现，如相较锰脱氧剂，铝脱氧剂的效果更佳，其也是经常被应用在沸腾钢处理过程中的脱氧剂类型［5］ 。此外，为保证脱氧效果，还应根据对钢液脱氧的具体要求保证脱氧剂配置的科学性，继而将脱氧作用全面提升从而确保最终的钢材质量。
4.1 沉淀脱氧
脱氧剂是影响沉淀脱氧效果的关键因素，在对这一过程做深入调查研究的过程中，需要采取科学措施对脱氧工艺进行持续优化，并使用钙系脱氧剂做深入的沉淀脱氧工艺研究，从而将脱氧效果予以提升。
钙系脱氧剂的主要成分包括钙、硅、碳、铝等，并在保证配比科学性的前提下将钙系脱氧剂的脱氧效果予以全面提升。
钙系脱氧剂的主要工作机理是：作为二大主族元素，钙和其他微量元素之间的结核性较好，而作为钙的主要同族微量元素，钡的去氧效果也最好，所以通过在原来的硅铝铁内加入适量的钡，就可以在产生化学反应后重新形成了硅铝钡，继而使其整体的去氧能力得到了提高。但必须注意的是，相对于钙来说，钡所显示出来的总体上去氧能力仍然比较弱，而从摩尔质量的角度考虑，钙与钡之间的比值一般是 1∶3.43，因此如果添加了 1 kg 左右的钙将增加整个过程的去氧效率，而钡的添加量也必须超过 3.43 kg，方可发挥其去氧的优势。也因为钢液中钙在其中溶解度表现得较小，在钢液温度达到 1600 ℃的情况下，其溶解度只能达到 0.03%，且若钙为固态则并不会表现出溶解性。由于钙本身有较大蒸气压表现，在钢液到达 1600℃的情况下，钙的大气压通常在 1.98 左右［6］ 。若脱氧过程仅仅应用钙作为脱氧剂，则将使钙的消耗量大大增加，继而产生较多的脱氧成本，不利于其整体经济效益的持续提升。为将脱氧剂的应用优势予以充分发挥，提升其经济效益，就应选择合适方案将钢液中钙的溶解度予以提升，在钙剂中加入适当的硅、碳等物质，以达到将钙溶解度予以提升的目的。
4.2 扩散脱氧法
扩散脱氧法，简要而言是将脱氧剂直接投入至焊渣内与氧化铁进行反应，进而将钢液中氧化铁进行弥散至焊渣中的任务，进而起到了合理调节钢液中氧化铽浓度水平的效果，从而使去氧效果得到了最大限度地提高。在一般情况下，该种去氧方法在点卤还原和炉外精炼阶段中的使用频次相对较高。当氧气继续弥散至焊渣内后，其中氧化铁浓度相对较以往来说将有明显提高。为了使焊渣扩散的能力得到进一步改善，并增加其去氧效率，就必须继续在焊渣内添加脱氧剂，而在实现预期去氧目的得同时，也是充分发挥钢液中氧含量控制优势的关键步骤，继而提升最终钢产品的整体质量。但此种脱氧方法需要耗费大量的时间成本，因此在实际的脱氧环节，一般倾向于同时配合吹氩搅拌手段已将脱氧速度予以提升。
4.3 真空脱氧法
真空脱氧法顾名思义就是通过创设真空环境，使钢液在真空环境下打破碳氧平衡，将氧与碳之间的反应剧烈程度予以提升，从而形成一氧化碳液体向钢液外益处，从而达到提高脱氧作用的目的。使用真空脱氧方法做钢液脱氧处理时，建议在过程中加入适量的惰性氩气配合真空头痒过程实现钢液脱氧目标。从实际操作的角度看，氩气与钢液在充分搅拌后，则钢液中的碳氧反应水平将最大限度地提升，过程中所产生的一氧化碳也不会对钢液造成污染，反而会在所生成的一氧化碳气泡帮助下强化钢液搅拌效果，强化脱氧过程，并降低石灰与脱氧剂的消耗量，达到缩减生产成本的目的。从实际效果来看，无论是在过氧化炉还是在非过氧化炉中，均能够起到较为明显的缩减成本投入的作用，因此此种方法的应用具有普遍性。
5 结 语
综上所述，相较其他脱氧方法，沉淀脱氧法的应用流程较为简单，但效果却与预期目标仍有一定距离；扩散脱氧法虽效果较好，但需要消耗大量时间成本；真空脱氧法时间与流程方面与预期效果相匹配，对设备与操作的要求较高。不同脱氧方法有着各自的优劣势，在实际的脱氧处理过程中应对工艺做持续性的改进与优化，为钢铁强度与质量的整体提升奠定坚实的基础。
参考文献
［1］李彦杰，付春才.浅析炼钢生产中转炉炼钢脱氧工艺［J］.中国金属通报，2020，（3）：149-150.
［2］闫庆涛.炼钢生产中转炉炼钢脱氧工艺探析［J］.冶金管理， 2019，（5）：2.
［3］夏雪生.炼钢生产中转炉炼钢脱氧工艺的分析［J］.中国金属通报，2019，（9）：37-38.
［4］张亚云.探究转炉炼钢脱氧工艺的优化及发展［J］.名城绘， 2020，（1）：156-158.
［5］刘群.浅谈炼钢生产中转炉炼钢脱氧工艺［J］.大科技， 2019，（7）：199-200.
［6］沈辉.转炉炼钢脱氧工艺分析［J］.内蒙古科技与经济， 2020，（16）：89-92.
