ＣＡＳ工艺合金熔化与溶解过程调查及实验尹弘斌，金山同北京科技大学冶金系，北京１０００８３ 摘要炉外精炼ＣＡＳ操作的一个主要的优越性就是合金收得率较常规吹氩法大大提高，但实际调查 表明，铝的回收率并未达到最佳，而且合金回收率的波动也比较严重，这些问题均给实际操作带来 困难，本文针对这些问题从理论和实验两方面进行了探讨，给出了优化操作的一些基本考虑。关键 词炉外精炼，合金，熔化，溶解ＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳ ｔｕｄｉｅｓｏｎｔｈｅＡｌｌｏｙＭｅｌｔｉｎｇａｎｄＤｉｓｓｏｌｖｉｎｇＢｅｈａｖｉｏ ｕｒｓｉｎＬｉｑｕｉｄＳｔｅｅｌｉｎＣＡＳＰｒｏｃｅｓｓ￥ＹｉｎＨｏｎｇｂｉｎ；Ｊｉｎ Ｓｈａｎｔｏｎｇ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｙ，ＵＳＴＢ，Ｂｅｉｊｉｎ ｇ１０００８３）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＯｎｅｏｆｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆＣＡＳｐｒｏ ｃｅｓｓｉｓｔｈｅｍｏｒｅｈｉｇｈｅｒｙｉｅｌｄｏｆａｌｌｏｙｔｈａｎｔｈｅｃｏｎｖｅ ｎｔｉｏｎａｌａｒｇｏｎｂｕｂｂｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｂｕｔｉｎｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔ ｈｅｙｉｅｌｄｏｆＡｌｄｏｅｓｎｏｔｒｅａｃｈｔｈｅｍａｘｉｍｕｍａｎｄｔｈｅｓｔａｂ ｉｌｉｔｙｏｆａｌｌｏｙｒｅｃｏｖｅｒｙａｒｅｎｏｔｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ．Ｔｈｅｓ ｅｐｒｏｂｌｅｍｓｂｒｉｎｇａｂｏｕｔｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｏｆＣＡＳ．ｏｐｅ ｒａｔｉｏｎ．Ｓｏｔｈｅｏｒｉｔｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓ ａｒｅｇｉｖｅｎｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｘｔｅｒ ｎａｌｒｅｆｉｎｉｎｇ，ａｌｌｏｙｓ，ｍｅｌｔｉｎｇ，ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ中图分类号 ：ＴＦ７６９．９ＣＡＳ工艺的突出的优点就是能提高合金的收得率，它通过使用隔离罩防止合金 与空气中的氧和氧化性炉渣相接触而造成的损耗．宝钢３００ｔＣＡＳ处理站目前碳、硅、锰合金 元素的收得率已达到１００％甚至更高，铝的收得率对于铝硅镇静钢和铝镇静钢已分别达到６９％ 和６７％，这一效果较顶吹氩和底吹氩工艺均高出许多．但是从优化操作的角度讲，实际生产当中 还存在着许多问题，其中最突出的是合金回收率的波动比较大，这就给ＣＡＳ合金微调处理带来很 大的问题．１宝钢ＣＡＳ工艺合金收得率实际调查分析图１（ａ）是现场统计的Ａｌ─Ｓｉ镇静钢 铝的回收率分布情况．由图可见，铝回收率在第一作者 男３０岁 博士 副教授６０％以下的占 到２８％，在８０％以上占到２５％。如果允许的回收率波动为±１０％的话，将有一半以上的炉 次需要对铝含量进行再调整．一旦出现转炉推迟出钢引起ＣＡＳ操作时间紧张的情况，将会出现Ａ ｌ组份出格的情况．实际调查也表明，因铝成分出格的钢水占出格钢水的绝大比例，调查发现的另 一个关健的问题是Ｓｉ和Ｍｎ的过量回收．由图１（ｃ）和（ｄ）可知Ｓｉ、Ｍｎ回收率超过１０ ０％的炉次占总调查炉次的比例分别为６１．２％和３４．４％．很明显，Ｓｉ和Ｍｎ的过量回收 是以Ａｌ的过量损耗为代价的．这就证明了在目前的ＣＡＳ站操作条件下仍然存在着激烈的渣钢反 应．图１ ３００ｔＣＡＳ处理站的合盆元素收得率统计（ａ）Ａｌ；（ｂ）Ｍｎ；（ｃ）Ｃ；（ ｄ）Ｓｉ考查ＣＡＳ生产条件下铝的物料平衡，加入钢包中的铝有如下的几种分配：①溶解在钢中 的铝；②脱氧消耗的铝；③隔离罩内残留炉渣耗铝；④隔离罩外渣及其它方式耗铝．根据现场取样 和对下罩前钢水裸面大小的实际观察，并在假定罩内渣中的ＦｅＯ全部被Ａｌ还原的条件下估算出 的５炉实际铝的分配情况示于表１．表１ 实测与估算得到的Ａｌ的分配情况 由表１可见，罩内 渣耗铝相对较少，铝的损耗绝大部分是以罩外渣氧化的方式流失的，而且这部分流失是相当严重的 ．它进一步证实了铝与罩外炉渣存在激烈反应的事实．２ＣＡＳ条件下合金熔化及溶解过程分析在 ＣＡＳ法操作中，合金往往是大批量地投入罩内这一狭小的区域．这种操作必然给该区域带来极大 的温降．在现场经常可以看到钢水裸露面因合金投入而暂时冻结的情况，这必然使合金的熔化和溶 解时间大大拖延，一般的讲，合金的熔化和溶解的过程需要的热量来自气体搅拌向罩内不断提供热 的钢水．经过一段时间后，合金冻结的团块会逐渐分裂，最终消失．但每种合金由于其自身的物理 和化学性质差别很大，熔化和溶解过程的差别也较大．Ｄ Ｍａｚｕｍｄａｒ和ＲＩＬＧｕｔｈｒ ｉｅ［１０］用不同密度的木质球来模拟实际钢包的合金添加过程．实测得到的木质球的运动轨迹 示于图２．实验得知，模拟Ａｌ和Ｆｅ─７５％Ｓｉ合金的木球在水下的潜没时间仅有０．５ｓ， 潜入深度为８０～１２０ｍｍ．这说明尽管有隔离罩壁处强的下降流，但就液体捕捉添加剂而言， ＣＡＳ法与常规吹氩法没有差别，因此也不延长添加时合金在钢水中的停留时间．实际情况是Ａｌ 和ＦｅＳｉ将在投入后立即返回到罩内钢水的表面，并被流体推到罩壁处在那里完成熔化，随后即 以液态残留在钢水表面，其溶解将借助于液态合金和钢水之间的界面传质来完成．这样，大量合金 加入罩内将会产生一个很厚的合金层．显然，单纯通过界面的传质很难达到快速溶解的要求．考查 气体搅拌情况下表面的两相界面间的传质，ＳＫｉｍ［２］给出了图３所示的说明．图中，两相传 质被划分为３个区域．在Ⅰ区内上层相为准刚性运动，没有卷混现象，传质系数极小．在Ⅱ区内气 泡群边缘的上层相的舌状体不断破碎形成大量碎片和小滴卷入下层相，由于比表面积急剧增加，传 质速率相应迅速提高．在Ⅲ区内，卷入相小滴的数量和尺寸分布基本稳定，小滴的潜入深度和主相 的再循环流量成为影响传质速率的主要因素．显然，为加速液态合金在钢液中的传质可以借助卷混 现象得以实现．ＳＫｉｍ等［２］还就不同吹气位置情况下油水体系界面的传质现象进行了实测分 析．结果表明，中心吹气时的两相传质速率要比偏心吹气高得多．原因是中心吹气时油层的活图２ 不同密度球在ＣＡＳ法钢包内的运动轨迹ＤＳ─隔离罩直径ＤＬ─熔池直径ＨＳ─罩插入深度Ｈ Ｌ─熔池深度Ｑ─底吹气流量性面非常大，而偏吹时，油层则会形成较大的惰性面积（如图４示） ．图３ 气流量与两相传质的关系Ａ─上层相表面积 ＫＷ─传质系数 图４ 上层相的传质活性 与吹位的关系 总体来看，ＣＡＳ过程罩内合金的熔化和溶解有其特殊性，极有研究之必要．３实 验现象观察与讨论实验拟定以油水体系模拟液态合金─钢水体系．将油小心注入罩内水面，然后吹 气搅拌观察表面的运动状况，油的密度为０．８３ｇ／ｃｍ３．最初的实验观察到一个明显的事实 ，即罩内的油在气体吹入后，会出现明显的卷混现象，且部分油被卷入水中随后被甩出自身的循环 区上浮到罩外（如图５示）．尤其在大气流量和浅插罩的情况下，甩出的量非常多．在图５中，Ⅰ 区和Ⅱ区是流体流动带动及油滴自身上浮趋势而自发形成的油滴运动的循环区．Ⅲ区则是油滴在流 体携带作用下脱离Ⅰ区和Ⅱ区的束缚迁移到罩外形成的上浮区．在罩插入较浅较时，罩端下降流不 足以抵抗上浮流的作用，形成了水平的液体流动，大部分油滴被带到罩外（如图５（ａ）示）．当 罩深增加时，Ⅰ区特别是Ⅱ区内的油滴量增多，被甩入Ⅲ区的油滴相对减少．从这一现象分析，实 际生产中罩内存在的大量轻的液态合金极有可能以这种方式被卷到罩外与高氧化渣直接接触而损失 掉。当然，合金会在卷入和运动过程中发生溶解，但是如果液态合金的碎片较大，在其上浮到罩外 渣面之前若不能完全溶解，合金的损失就是必然的。另外在Ａｌ被钢水卷入溶解的同时，Ａｌ滴周 围的钢水含有高浓度的铝，使这部分钢水变轻［３］．当这部分轻钢水流出罩外后，由于罩外钢水 相对平稳得多，它们也会因密度差而上浮到罩外渣面引起Ａｌ的流失。因此，必须对这一问题给于 足够的重视。初步实验观察了罩偏置时的情况，如果罩的轴心未与底吹喷嘴的轴心重合，即会出图 ５罩内油被卷出罩外的情况（ａ）浅插罩（ｂ）深插罩←油滴轨迹←─水流轨迹现图４所示的油层 呆滞现象。从卷混的角度看，罩偏置时罩内的油向偏心侧相反的方向聚积，使得大部分油处在距离 涌出峰轴心较远的位置。显然，该距离越远，水的表面流速越小［４］．同时卷混又极大地依赖于 油端水的来流速度。因此，罩偏置时的油的卷入量要低于罩对中放置的情况。从这一现象分析，实 际操作中应保证罩轴心与喷嘴中心对中，以促进液态合金尽快溶解进入钢水。实验还就粒子落入水 中后的轨迹和运动情况进行了观察。使用了５ｍｍ粒度、密度分别为０．９和１．ｌｇ／ｃｍ３的 塑料小球来模拟合金的下落过程。观察发现，密度０．９ｇ／ｃｍ３的小球沉没后立即浮至水面， 而１．ｌｇ／ｃｍ’的小球则缓慢沉入池底。对于实际生产中密度小于钢水的合金块，在添加过程 中如果遇到这一情况就会造成合金的流失。原因是合金加入遇到钢水后，其表面会出现凝固钢壳使 颗粒的实际密度提高。例如２５ｍｍ粒度的Ａｌ球若表面冻结２．５ｍｍ的钢壳，其实际密度将由 ２．７ｇ／ｃｍ３增加到４．８５ｇ／ｃｍ３．这种密度的增加将使其更容易被下降流卷入。随着 钢壳的重新熔化，合金块的密度逐渐减轻，使其上浮速度加快，因此，合金有可能在钢壳熔化之前 已浮到钢渣界面。从这一点看，合金添加的位置宜选在靠近涌出峰中心的位置上。但实际上当大量 合金投入时，由于合金相互碰撞等原因，必然有部分合金会落入下降流区被下降流所携带。为避免 这种合金流失，应选择较深的插罩深度。实验观察了１．１ｇ／ｃｍ３的小球在落水瞬间的减速现 象。对于单个粒子，由于气泡群流的上浮力、液体的浮力以及界面张力的共同作用而突然减速，随后缓慢下沉。如果大量粒子快速投向水面，首先落在水面的粒子的突然减速会影响到后续粒子在水中的下沉，出现了大量粒子暂时在水表面堆积的现象。当冷的固体粒子投向钢水面时，这种暂时的堆积必然引起表面钢水的冻结，从而影响合金的熔化和溶解，因此在实际生产中应尽可能采用连续