CaO-Al2O3-MgO三元渣对钢液洁净度影响的研究

３６　案加熟　

ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ　ＨＥＡＴＩＮＧ　２０１４年第４３卷第１期　ＶＯ１．４３　ＮＯ．１　２０ｌ４　

ＤＯＩ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００２—１６３９．２０１４．０１．０１０　

ＣａＯ．Ａ１２０３．ＭｇＯ三元渣对钢液洁净度影响的研究　

杨景军，成国光　

（北京科技大学冶金与生态工程学院，北京１０００８３）　

摘要：由于Ａｌ的烧损，炉渣＠ｗ（Ａｌ２０３）明显增加，ｗ（ＣａＯ）明显降低，而ｗ（ＭｇＯ）降低幅度不大。通过ＣａＯ－Ａ１２０３－ＭｇＯ渣系对钢　

液洁净度影响的实验表明，钢液中硫含量基本呈先降低后增加的趋势，钢液中氮和氧的含量基本呈降低的趋势，与溶解速率实验　

的结果基本相符，炉渣成分为５０％ＣａＯ一４５％Ａ１２Ｏ３－５％ＭｇＯ时脱氧速率常数最大。　

关键词：酸溶铝；硫含量；氮含量；总氧含量　中图分类号：ＴＦ７６９．１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００２－１６３９（２０１４）０１－００３６－０４　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ＣａＯ－ＡＩｚＯａ－ＭｇＯ　Ｔｅｒｎａｒｙ　Ｓｌａｇ　ｏｎ　Ｆｌｕｉｄ　Ｓｔｅｅｌ　Ｃｌｅａｎｎｅｓｓ　

ＹＡＮＧ　Ｊｉｎｇｊｕｎ，ＣＨＥＮＧ　Ｇｕｏｇｕａｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｂｕｒｎｉｎｇ　ｌｏｓｓ　ｏｆＡ１　ｅｌｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆＡ１２０３　ｉｎ　ｓｌａｇ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｗ（ＣａＯ）ｄｒｏｐｓ　ｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ　

ａｎｄ　ｗ（ＭｇＯ）ｒｅｄｕｃｅｓ　ｓｌｉｇｈｔｌｙ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆＣａＯ－Ａ１２０３－ＭｇＯ　ｓｌａｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　ｌｉｑｕｉｄ　ｓｔｅｅｌ　ｐｕｒｉｔｙ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ：ｗ（Ｓ）ｉｎ　ｌｉｑｕｉｄ　ｓｔｅｅｌ　ｔｅｎｄ　ｔｏ　

ｄｒｏｐ　ａｔ　ｔｈｅ　ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｉｎｃｒｅａｓｅ；ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ＩＮ】ａｎｄ［Ｏ］ｉｎ　ｌｉｑｕｉｄ　ｓｔｅｅｌ　ａｒｅ　ｂａｓｉｃａｌｌｙ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ａｂｏｖｅ　ｉｓ　ｉｎ　ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ　

ｗｉｔｈ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ＇．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓｌａｇ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｓ　５０％ＣａＯ－４５％Ａ１２０３—５％ＭｇＯ，ｔｈｅ　ｂｉｇｇｅｓｔ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｏｆ　ｄｅｏｘｉｄａｔｉｏｎ　

ｒａｔｅ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｃｉｄ．ｓｏｌｕｂｌｅ　Ａ１；ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　Ｓ；ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ［Ｎ］；ｔｏｔａｌ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ［Ｏ］　

钢液中的总氧由溶解氧和氧化物夹杂中的氧两部分　

组成ｌ１］。对高铝钢而言，钢中的溶解氧可由铝脱氧反应　

的化学平衡决定，而氧化物夹杂中的氧则与钢中Ａ１２０３夹　

杂物的去除有关，这两者均与精炼渣的成分有关¨２４Ｊ。根　

据渣钢平衡，钢液中溶解氧与炉渣中氧化铝的活度有关，　

炉渣中氧化铝的活度越低，钢液中的溶解氧含量越低［５１；　

而氧化物夹杂中的氧主要与炉渣对氧化铝夹杂物的去除　

程度有关，夹杂物在炉渣中的溶解速率越快，其到达渣　

钢界面后越能被熔渣快速吸收，从而降低了被钢液重新　

卷回的可能性＿６Ｊ。　

目前，国外高铝钢中的总氧含量可以控制在（２～　

７）×１０一ＥＴ］，而国内高铝钢中的总氧含量可以控制在　

１２×１０－６以下ｌ８ｊ，还有一定的差距。然而到目前为止，国　

内对高铝钢的精炼渣成分进行的研究还是很少，而研究　

高铝钢的精炼渣成分对降低高铝钢的总氧含量具有重要　

的指导意义。因此，本文采用高温渣一钢实验，评价了　

ＣａＯ－Ａ１２０３一ＭｇＯ体系高碱度区域炉渣对高铝钢总氧含量　

的影响，以进一步深入考察炉渣的脱氧能力。　

收稿日期：２０１３—１０－１０；修回日期：２０１３－１２－２６　作者简介：杨景军（１９７８一），男，博士研究生，主要从事钢种开发　与精炼工作．　１实验　

首先要对所需炉渣进行制备，共７种，成分见表１　

和图１，ｗ（ＭｇＯ）由０增加到１０％。制备该７种炉渣所需　

的原料为纯化学试剂ＣａＯ、Ａ１２Ｏ３、ＭｇＯ。每份炉渣的重　

量为３００　ｇ，将纯化学试剂按照表１中的比例制备，制备　

好后完全混匀，放入袋中密封保存，待用。为了进一步　

了解ＣａＯ—Ａ１２０３－ＭｇＯ三元渣对高铝钢钢液洁净度的影　

响，在真空感应电炉内进行渣钢反应实验。由ＭｇＯ坩埚　

盛装试样，反应在感应炉的恒温区进行，实验条件如表　

２所示。所需材料有：内径１０５　ｍｍ、外径１２５　ｒｎｍ、高　

１８０　ｍｍ的ＭｇＯ坩埚，取样器，工业纯铁，Ａｌ块，７种　

不同成分的炉渣等。　

表１实验用炉渣成分　

％　２０１４年第４３卷第１期　ＶＯ１．４３　ＮＯ．１　２Ｏ１４　童加熟　３７　

ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ　ＨＥＡＴＩＮＧ　

３０　４０　５Ｏ　６Ｏ　Ａｌ：Ｏ，）／％　

图１实验中的炉渣成分　

表２实验条件　

２实验结果与讨论　

实验过程中各元素的变化如表３所示。其中，Ｗ（［Ａｑ）　

表示钢中的酸溶铝含量，ｗ（　Ｏ）为钢中总氧含量。　

表３实验过程中各元素的含量变化　％　

２．１酸溶铝含量的变化　

钢液中酸溶铝含量的变化如图２所示。可以看出，　

钢液中酸溶铝含量基本呈降低趋势；酸溶铝的烧损是由　于Ａ１与炉渣、耐火材料及大气等发生了反应。酸溶铝烧　

损会导致炉渣中Ａ１２０３增加，从而引起炉渣各成分发生变　

化。根据物料平衡，可以计算出实验过程中炉渣成分的　

变化如表４所示。实验过程中炉渣成分变化趋势如图３　

所示。可以看出，实验过程中由于Ａｌ的烧损，炉渣中氧　

化铝含量明显增加，氧化钙含量明显降低，而氧化镁含　

量降低幅度不大。　

图２钢液中酸溶铝含量的变化　

表４实验过程中炉渣成分计算值　

％　３８　童加熟　

ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ　ＨＥＡＴＩＮＧ　２０１４年第４３卷第１期　ＶＯ１．４３　ＮＯ．１　２０ｌ４　

图３实验过程中炉渣成分变化　

２．２硫含量的变化　

钢液中硫含量的变化如图４（ａ）所示。可以看出，　

钢液中硫含量基本呈先降低后增加的趋势。这可能是由　

于前期炉渣中Ａｌｚ０，的浓度较低，其硫容量较高，脱硫效　

果明显；而后期炉渣中氧化铝含量增加，导致炉渣硫容　

量降低，从而引起钢液回硫。实验过程中炉渣硫容量的　

变化如图４（ｂ）所示，其计算公式如式（１）所示：　

ｌｇＣ１＝　Ｂ＋ｌＩ４４５（１）　

其中：　

Ｂ＝５．６２ｗ（ＣａＯ）＋４．１５ｗ（ＭｇＯ）一　

１．１５ｗ（ＳｉＯ２）＋１．４６ｗ（Ａ１２０３）　

Ｄ＝ｗ（ＣａＯ）＋１．３９ｗ（ＭｇＯ）一１．８７ｗ（ＳｉＯ２）＋　

１．６５ｗ（Ａ１２０３）　

式中：Ｃｔ为炉渣硫容量。　０．００８　０．００７　０．００６　０．００５　ｂＤ　一０．００４　０．００３　Ｏ．ｏｏ２　Ｏ．０ｏ１　时间，８　（ａ）钢液中硫含量的变化　

时间／ｓ　（ｂ）炉渣硫容量的变化　

图４成分的变化　

２－３氮含量的变化　

钢液中氮含量的变化如图５所示。可以看出，钢液　

中氮含量基本呈降低趋势，说明实验过程中氮元素的脱　

除效果明显。这可能与钢液中表面活性元素氧和硫含量　

较低有关，研究表明，当铝镇静钢中的硫含量低于０．００５％，　

真空脱氮的效果比较明显。　

图５钢液中氮含量的变化　

２．４总氧含量的变化　

钢中总氧含量的变化如图６所示。可以看出，钢液中　

总氧含量呈先降低后增加的趋势，前期总氧含量降低主要　

与夹杂物的去除有关。而后期总氧含量的增加与炉渣氧化　

铝含量增加导致的钢液溶解氧增加有关，其解释如下：　

钢中总氧Ｗ（Ｔ．Ｏ）由钢液中的溶解氧Ｗ　（Ｏ）和夹杂　

物中的氧ｗ２（Ｏ）两部分组成，即　

Ｗ（Ｔ．Ｏ）＝Ｗ１（Ｏ）＋Ｗ２（Ｏ）　（２）　

高铝钢中溶解氧由铝脱氧平衡决定：　

２［Ａ１］＋３［０］＝Ａ１２Ｏ３　（３）　８　７　６　５　４　３　２　ｌ　∞∞∞∞吣∞∞∞　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　

如　∞　如　加　∞∞吣吣∞∞∞∞∞∞　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　，０／（

　２０１４年第４３卷第１期　ＶＯ１．４３　ＮＯ．１　２０ｌ４　繁

．．　．熟　ｒ￣ｌｌｐｌｌ　ＡＬ　ＨＥＡ　３９ＩＮＤＵＳＴＲｌ　ＴＩＮＧ　

图６钢中总氧含量的变化　

铝脱氧平衡常数表达式为　

：旦　（垒　！　（　２　ａ３　ａ３　２．５　Ｘ　１０　（Ｉ　８７３　Ｋ）　（４）　

式中：ａｌ为Ａｌ的活度；ａ２为Ｏ的活度；ａ３为Ａｌ２Ｏ３的活　

度；　为Ａｌ的活度系数；　为Ｏ的活度系数。　

钢液中溶解氧表达式为　

ｗ１（Ｏ）＝　／（胼ｗ（Ａ１）　）　（５）　

其中，Ｗ（Ａ１）和Ｗ（Ｏ）以１％溶液为标准态，ＡＩ２０３以　纯物质为标准态。　

综上可以看出，钢中溶解氧含量与炉渣中ＡｌｚＯ　活度　

有密切关系，即Ａ１２０３活度增加可能会导致钢液中溶解氧　含量升高。利用共存理论，可以计算出实验过程炉渣中　

Ａ１２０３的活度，如图７所示。从图７中可以看出，在实验　

过程中，炉渣中ＡＩ２０，活度一直呈增加趋势，有可能导致　

钢中溶解氧含量增加。　

喜　

图７炉渣中Ａ１２０３活度的变化　

因此只有前期的炉渣成分变化不大，其脱氧效果可　

以代表炉渣的脱氧能力。为了比较不同炉渣脱氧能力，　

计算了脱氧反应的速率常数。脱氧速率可以用一级反应　

描述如下：　

ｗ（　Ｏ）＝Ｗｆ（Ｔ．Ｏ）ｅ－ｋ　（６）　

式中：ｗ（　Ｏ）为ｆ时刻的总氧含量，％；Ｗ　（　Ｏ）为初　

始总氧含量，％；ｈ为脱氧速率常数。其指数形式为　

ｌ黜一　因此，可计算得到不同炉渣脱氧速率常数，如表　

５所示。可以看出，除Ｂ１渣外，其他炉渣的脱氧速率　与溶解速率实验的结果基本相符，且Ｂ２渣（５０％ＣａＯ－　

４５％Ａ１２０３—５％ＭｇＯ）脱氧速率常数最大。　表５不同炉渣脱氧速率常数％　ｍｉｎ　

３结论　

（１）实验过程中由于Ａｌ的烧损，炉渣中ｗ（Ａ１２Ｏ３）　

明显增加，ｗ（ＣａＯ）明显降低，而ｗ（ＭｇＯ）降低幅度不大。　

（２）钢液中硫含量基本呈先降低后增加的趋势。这　

可能是由于前期炉渣中氧化铝的浓度较低，其硫容量较　高，脱硫效果明显；而后期炉渣中Ａ１２０３含量增加，导致　

炉渣硫容量降低，从而引起钢液回硫。　

（３）钢液中氮含量基本呈降低趋势，说明实验过程　

中氮元素的脱除效果明显，这可能与钢液中表面活性元　素氧和硫含量较低有关。　

（４）钢液中总氧含量呈先降低后增加的趋势，前期总　氧含量降低主要与夹杂物的去除有关。而后期总氧含量的　

增加与炉渣氧化铝含量增加导致的钢液溶解氧增加有关。　

钢中溶解氧含量与炉渣中Ａ１２０３活度有密切关系，即Ａ１２０３　

活度增加可能会导致钢液中溶解氧含量升高。与溶解速率　

实验的结果基本相符，且Ｂ２渣脱氧速率常数最大。　

参考文献：　［１】程红艳，王雨，李丹科．连铸保护渣组分对熔渣表面张力　的影响［Ｊ】．中国稀土学报，２００８，２６（６）：５４９—５５２．　

［２】ＶＡＬＤＥＺ　ＭＡＲＴＩＮ，ＳＨＡＮＮ０Ｎ　ＧＥＯＲＧＥ，ＳＲＩＤＨＡＲ　ＳＥＥ—　

ＴＨＡＲＡＭＡＮ．Ｔｈｅ　Ａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｌａｇｓ　ｔｏ　Ａｂｓｏｒｂ　Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｉｎ—　ｃｌｕｓｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＳＩＪ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００６，４６（３）：４５０－４５７．　

［３］ＣｈＯＩ　ＪＡ　ＹＯＮＧ，ＬＥＥ　ＨＡＥ　ＧＥＯＮ，ＫＩＭ　ＪＥｏＮＧ　ＳＩＫ．Ｄｉｓ—　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　Ｒａｔｅ　ｏｆＡ１２Ｏ３　ｉｎｔｏ　Ｍｏｌｔｅｎ　ＣａＯ－ＳｉＯ２－Ａ１２０３　Ｓｌａｇｓ［Ｊ】．