合成渣

合成渣是最新研製開發的新一代煉鋼輔助材料。它適用於鋼包精煉作精煉淨化劑。具有很強的脫氧、脫硫效果，可減少鋼中氣體、降低鋼中夾雜。採用出鋼過程中加入合成渣，利用出鋼過程強大的動能和勢能優勢，使鋼渣充分混合，不但能使合成渣提前熔化，同時高鹼度、低熔點的合成渣與鋼水混合起到了渣洗精煉的作用，提高了鋼水的純淨度。精煉進站爐渣鹼度高，氧勢低，有利於進一步利用鋼渣的界面反應脫除鋼中的氧和硫。

基本介紹

• 中文名：合成渣
• 外文名：Synthetic slag
• 定義：新一代煉鋼輔助材料
• 適用：鋼包精煉作精煉淨化劑
• 性質：很強的脫氧、脫硫效果
• 學科：冶金工程

簡介

合成渣是最新研製開發的新一代煉鋼輔助材料。它適用於鋼包精煉作精煉淨化劑。具有很強的脫氧、脫硫效果，可減少鋼中氣體、降低鋼中夾雜。該產品是用各種精料通過熔融，生成以12CaO、7Al2O3為主的礦物，其含量大於90%，大量的鈣化成份能與鋼中的氧、硫反應生成低熔點易於上浮的產物，達到淨化鋼液的目的。從目前投入使用的廠家實例證明：在原始硫0.027%較低的情況下，能實現脫硫到0.0052%的效果，脫硫率達到80%以上，達到預期目的。

轉爐冶煉終點爐渣的氧化性高，通常渣中TFe含量可達到12%～18%，成為鋼水的污染源。而LF精煉過程中主要是靠鋼渣界面反應進一步脫除鋼中氧、硫等雜質元素，達到淨化鋼水的目的。這種高氧化性爐渣本身氧勢高，要想脫除鋼中氧必須先脫除渣中氧，同時出鋼過程中採用的矽脫氧降低了爐渣的鹼度，低鹼度的爐渣對於脫硫幾乎沒有作用，勢必造成精煉加入大量石灰造渣，但單純加入石灰很難熔化，通常加入螢石化渣，這樣不但增加造渣時間，同時大量螢石的加入造成了環境污染。

採用出鋼過程中加入合成渣，利用出鋼過程強大的動能和勢能優勢，使鋼渣充分混合，不但能使合成渣提前熔化，同時高鹼度、低熔點的合成渣與鋼水混合起到了渣洗精煉的作用，提高了鋼水的純淨度。精煉進站爐渣鹼度高，氧勢低，有利於進一步利用鋼渣的界面反應脫除鋼中的氧和硫。

現有合成渣存在的問題

隨著品種結構的不斷最佳化以及鋼水質量的穩定提高，煉鋼精煉工序的負荷加大，將精煉合成渣提前加入鋼包底部，起到提前造渣的目的，有利於生產組織和各工序功能分配的最佳化，但受成本的壓力，合成渣僅僅是石灰與螢石及少量其他材料的簡單配比。主要問題有：

1）配比不合理，生產工藝落後，容易造成合成渣各組分的偏析，使用效果不穩定。

2）易吸水、易粉化，降低了合成渣中各組分的反應活性。

3）需人工加入，勞動強度大，工作環境惡劣。

4）合成渣不易熔化，精煉時間長，電耗高。

新型高效精煉合成渣的設計開發

鹼度

採用合成渣進行爐渣精煉的目的旨在進一步脫除鋼水中的氧和硫，淨化鋼水，減少鋼中的夾雜物。合成渣中有效CaO 組分的含量是決定合成渣脫硫效果的重要因素，即：

CaO+[S]+[M]=CaS+（MO）（1）

但轉爐下渣帶入大量的FeO、MnO 及脫氧過程產物SiO2，其他冶金原料也不可避免地會帶入FeO、SiO2等氧化物以及硫、磷等雜質，這些氧化物一方面降低了爐渣鹼度，同時高氧化性的爐渣在鋼渣界面發生置換反應：

（FeO）+[M]=（MO）+[Fe]， （2）

3（SiO2）+4[Al]=2（Al2O3）+3[Si]， （3）

不但降低了合金的收得率，也使鋼中夾雜物增加，污染鋼液，對鋼水的純淨度極為不利。

隨著鹼度的增加，FeO 的活度係數降低，因此提高合成渣的鹼度會抑制反應（2）的進行，對提高鋼水純淨度有利。由反應（3）可見，渣中SiO2含量高時，對於鋁脫氧鋼就會與鋼中鋁產生反應，從而增加鋼水中矽含量，改變低碳鋁鎮靜鋼的化學成分。因此，對於鋁脫氧鋼，要儘量選用含矽低的材料，提高合成渣的鹼度。

渣系確定

研究表明，冶金功能優良的高鹼度合成渣一般鹼度>4.0，熔點1 200～1 400 ℃，黏度0.2～2.0 Pa·s。從成分來看，可基於CaO-SiO2-Al2O3 和MgO-SiO2-Al2O3兩種渣系進行成分設計。

MgO-SiO2-Al2O3渣系，當MgO 含量超過40%後，渣系熔點均會超過1 400 ℃，合成渣不易熔化。CaO 系渣更有利於脫硫，爐渣也更穩定。

預熔料的加入

預熔料是將石灰、鋁礬土等原料經預熔後形成低熔點的12CaO·7Al2O3。預熔料的熔點低（1 100～1 200 ℃），一方面有利於合成渣的熔化，減少螢石的加入量；另一方面出鋼過程中液態熔渣與鋼水充分混合，促進了鋼水脫硫和夾雜物的吸附排出，提高了鋼水潔淨度。

另外，合成渣中Al2O3組分的增加，一方面降低爐渣黏度，促進渣鋼反應，有利於脫硫；另一方面Al2O3屬於表面活性物質，有利於泡沫渣的維持。

還原劑的加入

根據鋼種的不同，合成渣中添加Al、SiC 或CaC等還原劑，提高合成渣的還原能力，可進一步降低鋼包頂渣的氧化性，使精煉渣中（FeO）+（MnO）含量降低，精煉進站爐渣基本呈黃白渣，減輕了高氧化性爐渣對鋼水的污染，縮短了精煉時間，延長了白渣保持時間。

新型高效精煉合成渣特點

成分均勻

原合成渣的生產工藝落後，各種塊狀和粉狀原料按配比稱量後人工攪拌混料，由於原料比重不同，造成配料過程各組分偏析嚴重。新的生產技術將所有原材料分別經破碎、制粉、按配比稱量後，機械攪拌混勻，不添加黏結劑直接壓製成球。單個合成渣球內部和各個合成渣球之間成分均勻，保證了合成渣實際成分與配比成分偏差的最小化。對生產的合成渣進行隨機取樣，成分偏差在5%以內。

強度高

我國粉體造粒技術的研究自20 世紀80 年代開始，分為攪拌法、壓力成型法、熱熔融成型法、噴霧和分散彌霧法，其中壓力成型法是唯一不添加任何黏結劑、最大限度保存了物質本身物性的成型方法。由於合成渣的使用要求必須儘量減少成分中的水分、灰分等雜質，同時保持合成渣的反應活性，因此乾法壓力成型技術是最適宜的方法。新型高效精煉合成渣採用高壓力成型機，壓制的合成渣球體強度高、粒度均勻、成球率高。

可實現機械化、自動化作業

1）合成渣生產過程機械化、自動化。新設計的合成渣生產工藝流程，從原料的破碎、制粉、混勻、壓球、包裝成品，可全部實現機械化、連續化生產，不但提高了生產效率，同時減輕了操作人員的勞動強度，改善了工作環境。

2）煉鋼生產中合成渣加入機械化、自動化。合成渣造球後，可在爐前爐頂料倉、精煉料倉或爐後料斗中直接加入，減少搬運、不占用場地，有利於現場管理以及數據的自動採集，便於煉鋼標準化操作和管理，減少人為因素的影響，同時減少人員配置，降低成本。

不易吸潮

壓球後的合成渣，表面緻密、光潔，不易吸水，最大限度地保證了合成渣的反應活性，特別是在雨季，不會出現因合成渣中水分過高造成的加入過程翻騰的現象。

工業套用

將生產的高鹼度合成渣套用於煉鋼（鋼種55C、SM490YB），噸鋼加入量5～8 kg。根據條件採用隨鋼流手動加入、出鋼前加入包底、爐頂料倉或加料漏斗等加入方式均取得了良好效果。

1）精煉渣鹼度高。套用表明，進站鹼度平均2.35，滿足精煉要求，有利於進一步脫氧、脫硫。

2）渣中TFe 含量低。轉爐渣渣中TFe 含量通常在12%～18%，這部分渣進入鋼包成為鋼水的污染源，LF 精煉是利用鋼渣的界面反應來淨化鋼液，必須通過精煉造白渣將渣中氧降低到一定程度，鋼中的氧、硫等雜質才會通過界面進入渣中。因此爐渣的氧化性，即渣中TFe 含量是衡量爐渣精煉效果的一個重要指標。通常白渣條件下，渣中TFe 含量<2%。加入合成渣後，爐渣中TFe 含量平均由14.24%降至2.1%，說明加入該合成渣後進站爐渣的氧化性基本消除，呈黃白渣，使精煉的白渣保持時間延長，提高了精煉效果。

3）脫硫效果好。合成渣的脫硫效果可以通過鋼中硫含量的降低來反應，也可以從爐渣中硫含量的增加即硫容量來反應。轉爐渣的硫容量平均為0.07%，加入合成渣後，渣量增大，但渣中硫含量由0.07%增加到0.33%，脫硫效果顯著，同時也反應出該合成渣設計合理，爐渣的硫容量大，對於冶煉低硫鋼和超低硫鋼具有良好的脫硫效果。

4）成渣速度快，縮短了精煉時間和電耗。由於合成渣成分均勻，並且配加了較大比例的全預熔渣，合成渣熔化速度快，改變了過去進站爐渣集結成塊不熔化的現象，進站爐渣基本化好，呈黃白色泡沫渣。精煉取第1 個樣的時間（即化渣時間）由8～10 min 減少到5～7 min，前期通電化渣時間減少3 min，縮短了精煉時間和電耗。按化渣時電耗300kW·h/min 計算，噸鋼電耗減少了近7 kW·h。

總結

1）本項目根據冶金學原理，選擇CaO-Al2O3-SiO2渣系，設計出高鹼度、低熔點合成渣，加入後，爐渣鹼度高，渣硫容量高，合成渣中的還原劑降低了頂渣的氧勢，成渣速度快，精煉效果好。

2） 採用該合成渣，精煉進站爐渣基本化好，精煉化渣時間縮短3 min，精煉過程不加螢石或根據添加石灰量加入少量螢石，對環境污染小。

3） 採用均質成型技術配合高效制粉、混勻生產工藝生產的合成渣，成分、粒度均勻，無任何添加劑，最大限度地保證了各種原料的物性。

4） 均質成型技術生產的合成渣強度高，可直接從料倉加入，計量更準確，有利於實現自動化、標準化操作，同時降低了操作人員的勞動強度，加入過程無粉塵，減少了環境污染，改善了工作環境。