钢液合成渣处理      (synthetic slag treatment)

利用合成渣与钢水在钢包内混合，去除杂质提高钢质量的一种炉外精炼方法，亦简称为“渣洗”它不需特殊设备，工艺简便，占用时间短，成本低，效果也比较好。合成渣处理可获得钢水脱硫、脱氧、脱磷和去除杂质等改善钢的质量的冶金效果。1925年苏联工程师托钦斯基(A．C．ToиHCKии)提出在钢包中用合成渣去除夹杂物的方法；1933年法国工程师别尔良(P．Perrin)取得用液态石灰-氧化铝渣处理金属方法的专利。合成渣有液体的和固体的，液体合成渣是在电弧炉、埋弧熔炼炉或其他专用化渣设备中炼制的；固体合成渣则是按要求的成分和粒度配制的。一般用渣量为钢水量的3％～6％。

合成渣的组成及类别        一般合成渣由3部分组成：(1)基本氧化物，如CaO、SiO₂、Al₂O₃；(2)熔剂，如CaF₂、MgO、CaCl₂、AlF₃ ,Na₃AlF₆ 、Na₂CO₃等；(3)混杂成分：如MnO，FeO，TiO₂等。生产上常用的渣系如表1所示。

                            表1合成还原渣系组成和效果

 
    渣  系

 
    组  成

 
用量／kg·t-1

    效  果
 

脱硫率／％

脱氧率／％

CaO-CaF2

 70％CaO，30％CaF2

  10～12

  30～40

 CaO-A12O3

 53％～55％CaO，43％～45％A12O3

  30～50

  50～70

    50

 Ca0-A12O3-SiO2

 48％～56％Ca0，12％～18％Al2O3，15％～20％Si02

  40～50

  30～40

 CaO -Al2O3- Si02-
 
MgO

50％～58％Ca0，12％～16％A1203，19％～23％Si02，
 
5％～8％MgO

 
  40～50
 

 
  40～70
 

 
  30～40
 

 
 Si02- Al2O3
 

 48％～49 ％SiO2，17％～18％Al2O3，8％～9％MgO，
 
6％～8％Ca0

在各种合成渣成分中，Al₂O₃是两性氧化物，它与CaO结合成一系列化合物，当Al₂O₃为40％～45％时，CaO-Al₂O₃的熔点最低(1396～1525℃)且a_CaO最大。Al₂O₃与钢液间具有高的界面能力，容易从钢水中析出。含Al₂O₃高的渣甚至以固体形式使用也能清除钢中夹杂物。

渣洗原理        利用氧和硫在渣钢间的分配比，将钢中的氧和硫脱出到渣中：

合成渣中a _(FeO) 、a_(s)很小，处理过程中进行重新分配使之达到较高值，从而达到去除钢中氧和硫的目的。合成还原渣中CaO、。Al₂O₃、SiO₂等还能够与Si、Al的脱氧产物结合成低熔点的化合物，从而降低了脱氧产物的活度，强化脱氧反应。根据脱氧反应一般式：

式中E为脱氧元素；E_mO_n为脱氧产物；a_EmOn   为脱氧产物的活度；f _(E)   、F_(O)   ，为活度系数。在其他条件不变时，降低脱氧产物活度就能够减少平衡的[O]。当合成渣液滴与非金属夹杂物界面张力σ _渣-夹 比钢水和非金属夹杂物界面张力 σ _钢-夹 小时，即σ _渣-夹 <σ _钢-夹时，合成渣与夹杂物融合并去除到钢水表面，使钢水纯净。合成渣含有氟离子，有利于降低σ _渣-夹，也即有利于去除夹杂物。钢中非金属夹杂物总浓度约可降低50％。

合成渣与钢水间的反应速度和程度除与渣成分和性质有关外，主要决定于扩散速度，而扩散速度又主要决定于渣-钢单位接触面积F_单位，增加F_单位的最有效的方法是出钢时钢流以较大高度冲入钢包，使渣较好的乳化，即F_单位与渣滴弥散程度有关。假设乳化渣滴呈小球状颗粒，则

式中R为渣滴半径，若将半径减小n倍(即为R/n)，则F_单位将增加n倍。渣滴乳化程度愈高，渣滴数量愈多，F_单位值愈大，则反应速度愈快，反应程度愈高。

渣滴半径r_最小与钢流落下高度H和界面张力σ _金-渣 的关系可用下式计算：

式中γ_金为金属密度，kg／m³；c为金属液中渣滴流线系数。起重要作用的是冲击搅拌功(A₁ )，它取决于钢流落下高度、出钢量和钢流流量。可用下式计算搅拌功和搅拌功率：

式中m为钢流重量，kg；m’为钢流流量，kg／s；H_c钢流落下高度，m；9.81为重力加速度，m／s²；τ为出钢时间，s。H_c值与钢包深度和流钢槽口到包底的高度有关。出钢中期，300t炉子搅拌功为25t炉的20倍。显然，钢流量大时，钢流搅拌功足以保证包内合成渣对金属的快速渣洗精炼。但钢水量少时则无此保证。

合成渣的制备和用法(见表2)一般都是将渣在出钢前或出钢过程中加入钢包内。将一种炼制好的液体渣出到钢包中或将固体合成渣装入钢包中，然后去接钢水，利用钢流落下高度与渣混合(即进行渣洗)达到去除杂质的目的。采用这种方法防止冶炼炉氧化性炉渣落入钢包是十分有效的。图1为用中间罐防止氧化渣进入钢包的处理方法。另一种方法是混合处理法，由化渣炉熔化好的合成渣出在渣包中，在熔炼炉出钢时将渣包中的合成渣同时兑入钢包中进行混合。(见图2)

表2  合成渣的制备和用法

使用时渣
的物态

 
    制备和用法

 
 
  液体
 
 

  (1)经电炉或旋风炉熔化后，在出钢前加到钢包
    内；
(2)利用金属热法使渣料预先在钢包内自熔；
(3)先将一部分转炉渣出到钢包内，用铝使渣脱
  氧后再出钢

 
 
  固体
 
 

  (1)出钢时往钢流投掷渣料；
  (2)预先将混合好的渣粉造球或压块，出钢时投
  入钢包；
(3)出钢前加入钢包中一部分，出钢时再加另一
    部分

  团块

将渣粉和合金粉混合并压块后使用

自熔性合成渣        处理钢水用合成渣量的增加，除提高成本外，使用固体合成渣时还会造成钢水过多降温，使出钢温度需较一般情况高出10～15℃，方能满足工艺要求。为此采用了含有发热和降低渣熔点成分的自熔性合成渣。由于条件不同，各厂采用的自熔性合成渣的成分也不同。美国钢铁公司所用的成分为58％石灰、30％赤铁矿和12％铝粉。铝粉氧化放出热量，石灰与Al₂O₃反应生成液态的渣；该渣具有很好的脱硫能力，其最少渣加入量为5kg／t。

Fe₂O₃+2Al→2Fe+Al ₂O₃+Q

Al ₂O₃+3CaO→3CaO•Al ₂O₃(液态)

乌克兰顿涅茨冶金工厂所用自熔合成渣成分为11％～13％铝粉、19％～22％硝酸钠、45％～55％石灰、0～10％工业用Al ₂O₃和10％～20％水晶石或萤石。氧化剂的数量是根据Al粉氧化的需要计算的。放出热量保证合成渣达到1600℃的热容量。熔剂的数量是根据所需氧化速度来调整的。出钢前30min将渣加入钢包中。渣熔点为1250～1350℃，由于含有氧化钠和氟化盐，渣黏度很低。渣燃烧时加热了包衬，因此出钢温度可较一般情况低10～15℃。自熔性合成渣精炼效果不亚于液体合成渣的效果。加入量为3％时，脱硫率为50％～70％，脱氧率为30％～50％，硫化物夹杂减少1／2～2／3，氧化物夹杂减少23％～41％。成功精炼了40Cr等合金钢。

还原性合成渣除了脱硫、脱氧作用外还可以使钢水脱氮。如成分为50％CaO、40％Al ₂O₃和10％TiO₂的合成渣可溶解0.14％的氮。渣中氧的分压愈小，脱氮效果愈好，渣中加入少量(0.5％)的Ti粉或Al粉能显著地降低渣中氧的分压，更是有利于合成渣的脱氮。脱氮必须先脱氧。对1Cr13钢，脱氮率可达50％。而碱性氧化合成渣可使钢水脱磷。如以成分为60％～65％CaO、20％～35％氧化铁的渣处理碱性炉熔炼的钢水，钢中磷由0.06％降到0.01％；处理酸性炉熔炼的钢水，磷由0.05％降到0.01％～0.03％，但处理时，由于FeO+[C]→  {CO}↑反应激烈，必须小心进行。