精炼炉渣成分优化夹杂物去除效果的研究

引言

在现代高品质钢种的生产过程中，钢液洁净度已成为决定材料性能与服役寿命的核心指标。夹杂物作为影响钢材各向异性、疲劳强度及加工性能的关键因素，其数量、尺寸、形态与分布必须得到有效控制。

一、精炼炉渣体系的热力学基础与成分调控机制(一)碱度对渣相反应活性与界面行为的影响

碱度作为衡量炉渣酸碱性质的核心参数，通常以 CaO/SiO₂ 比值表示，其高低直接决定了渣的脱硫能力与氧化物溶解度。高碱度渣富含自由 CaO，能够显著提升渣相的硫容量，促进钢液中[S]向渣相的转移。在热力学层面，硫的分配比（ (Ls=[%S]/(%S) ）随碱度升高呈非线性增长趋势，尤其当 CaO/SiO₂ 比值超过 3.0 后，Ls 值趋于稳定，表明脱硫效率达到平台期。然而，过高的碱度亦带来负面影响，如渣中自由 CaO 颗粒增多，易与钢液中的[Al]发生还原反应，生成 Al₂O₃ 夹杂，反而增加钢液中固态夹杂物的生成风险。

(二)氧化镁与氧化铝的协同稳定作用

MgO 与 Al₂O₃ 作为炉渣中常见的两性氧化物，其含量变化对渣系的相图结构与物理性能具有显著影响。MgO 主要来源于炉衬材料的溶蚀或人为添加，其在渣中的溶解度受碱度与温度制约。适量 MgO （质量分数 8%～12% ）可有效降低渣对镁碳砖的侵蚀速率，因当渣中MgO 达到饱和时，形成 MgO-CaO 固溶体，抑制进一步的界面反应。此外， MgO 的引入可调节渣的粘度与熔化温度，改善其流动性，尤其在高温精炼条件下，有助于维持渣相的均匀性与反应连续性。 Al₂O₃ 则主要来自钢液脱氧产物或合金添加，其在渣中的积累易导致高熔点矿物（如尖晶石、铝酸钙）析出，恶化渣的流动性。然而，当Al₂O₃含量控制在 15% 以下，并与 MgO 协同作用时，可促进生成低熔点的镁铝尖晶石固溶体，避免局部高熔点相的聚集。热力学计算表明，在 CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO 四元系中，存在一个低粘度、高硫容量的“窗口区”，其成分特征为 CaO45%～50% ， SiO₂12%～ 15% ， Al₂O₃10%～14% ， MgO8%～12% 。在此区间内，渣相不仅具备良好的脱硫能力，且对夹杂物的捕获效率显著提升，体现了 MgO 与Al₂O₃在渣系稳定化中的协同效应。

二、夹杂物在渣-钢界面的迁移与转化机制

(一)夹杂物上浮动力学与渣相捕获效率

夹杂物从钢液内部向渣相的迁移过程受斯托克斯定律支配，其上浮速率与夹杂物粒径平方成正比，与钢液粘度成反比。因此，促进微小夹杂物的聚合长大是提升去除效率的关键。精炼炉渣通过提供异相形核核心与界面吸附位点，显著加速夹杂物的碰撞与聚合。当夹杂物接近渣-钢界面时，其能否被有效捕获取决于润湿角θ：当 Π)<90^∘ 时，夹杂物易被渣相润湿并进入渣中； 时，则倾向于反弹回钢液。热力学分析表明，高碱度渣对 Al₂O₃ 夹杂的润湿角较小，具备良好的吸附能力。然而，单一 Al₂O₃ 夹杂表面能高，易发生团聚，但尺寸分布不均，部分微米级颗粒仍难以上浮。通过渣中 CaO 的缓慢溶解，可使 Al₂O₃逐步转化为低熔点的钙铝酸盐（如 12CaO⋅7Al₂O₃; ），该类夹杂物在钢液中呈液态，流动性好，更易聚合并与渣相融合。

(二)钙处理对夹杂物形态的改性效应

钙处理是精炼过程中调控夹杂物形态的关键手段，其本质是通过向钢液喂入金属钙或钙合金，使高熔点 Al₂O₃ 夹杂转化为低熔点、球状的钙铝酸盐。该过程不仅改善了夹杂物的可塑性与上浮能力，还降低了其对钢材性能的危害。钙的分配受钢液氧势与渣中Al₂O₃活性控制。当钢中[O]较低且渣中 Al₂O₃ 含量适中时，钙优先进入夹杂物内部进行改性；反之，若渣中 Al₂O₃活性过高，钙将优先与渣反应，生成 CaO⋅Al₂O₃ 系化合物，降低钙利用率。因此，钙处理前的渣系预调至关重要。实验观察发现，在碱度为 4.0、Al₂O₃ 含量为 12%的渣系下实施钙处理，钢中夹杂物由不规则的团簇状 Al₂O₃ 转变为均匀分散的球形 12CaO·7Al₂O₃，尺寸集中在 5～10μm 区间，显著提升了其上浮速率与渣相捕获概率。此外，钙处理还可调节渣-钢界面张力，降低夹杂物脱离钢液所需的能量势垒，进一步促进其向渣相转移。

三、成分优化对夹杂物去除路径的系统调控

(一)碱度与硫容量协同下的脱硫-脱氧耦合机制

在精炼过程中，脱硫与脱氧并非独立过程，而是通过炉渣介质实现的耦合反应。高碱度渣不仅提升硫容量，还通过降低渣中 SiO₂活度，抑制 SiO₂ 对 Al₂O₃的稳定作用，从而促进 Al₂O₃向渣相转移。热力学计算表明，在 CaO-SiO₂ -Al₂O₃三元系中，当碱度从 2.5提升至 4.0 时， Al₂O₃ 在渣中的溶解度增加近一倍。这一现象源于高碱度下形成的CaO⋅Al₂O₃ -SiO₂复杂络合物对 Al₂O₃ 的溶解能力增强。同时，脱硫反应生成的 S^2- ⁻在渣相中与 Ca²⁺ 结合形成 CaS，若 CaS 过饱和，则可能析出并包裹 Al₂O₃颗粒，形成 CaS-Al₂O₃复合夹杂，影响其上浮。因此，需通过控制硫含量与碱度匹配，避免 CaS 的过度析出。实践表明，在目标硫含量低于 0.005% 的钢种生产中，采用分阶段碱度调控策略：初期使用中等碱度渣（ ）进行快速脱硫，后期切换至高碱度渣（ CaO/SiO₂≈4.2 ）以强化脱氧与夹杂物改性，可实现脱硫与脱氧的高效协同。

(二)多组分渣系对夹杂物演变路径的定向引导

现代精炼渣设计趋向于多组分复合体系，通过引入微量组分（如 CaF₂ 、 Li₂O 、 Nao ）进一步优化渣的物理化学性能。CaF₂可显著降低渣的熔点与粘度，改善流动性，但其挥发性强，易造成环境污染与炉衬侵蚀，故用量需控制在 3% 以内。Li₂O 与 Na₂O 作为低熔点添加剂，可有效降低渣的玻璃化倾向，提升高温流动性，但成本较高，多用于特殊钢种生产。在多组分协同作用下，夹杂物的演变路径可被定向引导。例如，在含 Li₂O的渣系中， Al₂O₃ 夹杂更易转化为液态锂铝酸盐，其密度低于钢液，上浮速率更快。热力学模拟与工业试验均证实，多组分优化渣系可使钢中全氧含量降低 15%～20% ，夹杂物总数减少 30% 以上，且尺寸分布向亚微米级偏移，表明其对夹杂物生成与去除全过程的系统调控能力。

结论

多组分复合渣的设计进一步拓展了渣系的功能性，实现了对夹杂物演变路径的定向引导。渣相在精炼过程中的动态演变需通过实时监测与调控予以管理，以确保其在整个精炼周期内保持高效的反应活性。最终，成分优化的精炼渣不仅提升了钢液洁净度，也为高品质钢的稳定生产提供了可靠保障。

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