CAS-OB 法：氩氧处理的先进炉外精炼技术

CAS-OB 炉外精炼工艺概述

CAS-OB 法是二次冶金包处理工艺，用于通过化学手段加热钢液。CAS-OB 代表“密封氩气鼓泡成分调整-吹氧”。20世纪80年代由日本新日铁开发并获专利。CAS-OB 过程中最重要功能：将温度调整至最佳水平、精准加入合金元素。加热目的是确保送连铸机钢液具备足够温度。CAS-OB 属常压作业工艺。

CAS-OB 设计用于钢液成分温度均匀化控制。是为加热和合金化液态钢设计的包处理工艺。广泛用于不需真空脱气处理的钢种。近因真空脱气应用扩大，CAS-OB 使用有所减少。

CAS-OB 实现持续高合金得率，利用氧铝放热反应再热钢液。凭借良好化学成分控制、钢液均匀化、再热能力，CAS-OB 成为二次冶金理想缓冲工位。目标：均匀化控制钢液成分温度。报道称 CAS-OB 实现更好调度、改进温控、更高夹杂纯度。

工艺原理

CAS-OB 是为加热合金化液态钢设计的包处理工艺。工艺允许惰性氩气环境下加合金。允许顶枪同步加铝吹氧，反应生成氧化铝放大量热（放热反应），从而化学加热液态钢。

化学加热工艺中，钢通过溶解元素与氧吹放热反应加热。铝为首选化学加热元素。报道称液态钢中0.1%溶解铝与氧反应可产生+34℃温升。显然也存在辐射和包壁散热损失。图1展示 CAS-OB 工艺原理。

工艺设备

液态钢处理在配滑板水口和透气砖吹氩的包中进行。工艺设备含：固定可动支架上的吸嘴（亦称钟罩）。吸嘴顶部设端口，用于向吸嘴加铝铁合金（如需）及排气至煤气净化系统。吸嘴设计可下放氧枪、工艺仪表枪（取样、测温、测溶氧）、喷射金属粉、脱硫剂、钙硅线的枪。

吸嘴分两部分：上部仅内衬，下部内外双衬。吸嘴衬里通常用2%不锈钢针强化高铝浇注料。氧枪和吹氩浸没枪（底部透气砖无法供氩时用）衬里同用此料。吸嘴底部也用铬镁砖。有专门形状浸没枪供额外氩搅拌。

吸嘴顶部衬里寿命通常400-600包，底部衬里50-150包。氧枪衬里≥100包，吹氩枪≥150包。

CAS-OB 工艺流程

初炼（转炉或电弧炉）液态钢最初倒入包。包由钢壳内衬耐火砖或浇注料组成。耐火层提供隔热，耐~1600℃钢液腐蚀环境。处理中钢成分与加氧反应形成渣相。氧化物加入物溶入渣相。典型渣成分：FeO、SiO₂、MgO、Al₂O₃、CaO。CAS-OB 中渣相参与反应，保护液态钢隔绝大气并作绝缘层。

CAS-OB 设计在钢面上方建立惰性氩气氛，允许加合金不接触大气氧或氧化渣。通过底部透气砖吹氩在液面形成无渣区（称“渣眼”）。氩气泡到达钢面推开包顶渣层形成无渣区。形成所需渣眼大小的氩流量随透气砖状况、包顶渣深度、渣流动性变化。渣眼形成后降吸嘴入渣眼。

工艺操作通过三项核心要素：(1) 包顶耐火吸嘴，可容纳氩气惰性气氛或氧铝化学反应；(2) 氩气供应；(3) 水冷氧枪。这些是工艺核心。

工艺主特征：耐火吸嘴下加合金。吸嘴提供保护环境加合金，钢面敞开但受保护隔绝周围大气。也确保吸收氮保持低水平。氩鼓泡也提供搅拌均匀钢温成分。

钢包定位使吸嘴正对透气搅拌砖上方。确保钢液激荡面限于吸嘴下方。必要时专用浸没枪额外氩搅拌。再热通过注氧配合加铝实现。

底吹氩气在渣层形成“敞开渣眼”。吸嘴降至渣层敞开渣眼上方液面。特别允许顶枪同步加铝吹氧。生成氧化铝需上浮产出洁净钢。在此无渣区加铁合金得率更高。

工艺主要阶段：加热、渣还原、合金化（可选）。加热阶段目的：连铸前将液态钢温度升至目标值。实际加热前，底吹氩搅拌钢液在钢浴表面形成无渣敞开渣眼区。随之耐火吸嘴部分浸入液态钢。

加热阶段：固体铝颗粒加入吸嘴内自由钢面。超音速枪吹氧氧化铝，放热反应升钢温。生成氧化铝进入钢面上方渣相，部分铝溶入钢。铝氧反应热可使钢温以≤10℃/min 速率升高，无过度设备磨损。

强烈枪吹除铝外，部分钢相其他金属（锰、硅、铁）氧化入渣。经济上不利，故通常加热后需渣还原。

除增加渣中氧化铝，吹氧导致渣中 FeO、SiO₂、MnO 增加。为避免金属成分过度损失，加热后进行渣还原。还原阶段提升吸嘴结构，底部透气砖吹氩搅拌钢液。剧烈氩搅拌产生包内钢循环运动。

渣还原阶段：底吹惰性气体（通常氩）强烈搅拌钢相。气体搅拌迫使钢相作圆周运动。钢渣界面流动钢使顶渣层脱离微小液滴。渣滴和钢形成乳浊液，相间巨大界面面积加速钢渣传质，提供有利还原反应条件。

钢循环流对顶渣施加剪切应力使微小液滴脱离，导致钢渣界面积剧增。巨大界面积提供高还原率有利条件。

工艺通常分加热、合金化、渣还原。加热阶段目标：固体铝颗粒加入熔池、顶枪同步吹氧，化学加热升钢温。实践中化学加热速率受限，避免热传递（辐射对流）给壁结构带来过大热应力。

CAS-OB 处理程序：定义钢液液位确定吸嘴浸入深度。降吸嘴前增大氩流量形成无渣敞开渣眼供吸嘴浸入。吸嘴降入后减小底吹，铝或硅铝脱氧钢液。视测温结果，脱氧后进行化学加热。加热阶段固体铝颗粒加入钢面、顶枪同步吹氧。加热完成后可能合金化阶段。吸嘴提升前加热前和合金化后取钢样。图2示意 CAS-OB 装置示意图。

送包至处理位后，启动包底透气砖吹氩，目视监测吹氩情况。同步测游离板高度计算钟罩移动值。确保钟罩下端浸入液钢≥200mm。测液钢温度和溶氧活度。

降吸嘴前增氩流使吹氩区液面形成“敞开渣眼”。在“敞开渣眼”区降吸嘴。吸嘴降入液钢至所需深度后减氩流。吸嘴内渣上方钢液自由表面作为加颗粒铝和其他脱氧添加剂场所。随后均匀化液钢4-5分钟。再减氩流取样测温。按测温结果计算化学加热所需铝量和氧量。

CAS-OB 工艺特殊特征

CAS-OB 多特殊特征。吸嘴下至钢面在“渣眼”（鼓泡羽流推开渣形成无渣区）上方产生惰性区。吸嘴下进行合金加入和氧铝注射化学再热。产生氧化铝比包精炼炉多，氧化铝需上浮得洁净钢。

吸嘴直径对确保渣层无渣区关键。需知底吹时敞开渣眼直径确定。敞开渣眼直径可借鼓泡羽流几何（羽流锥）估算，取决于气流速率。

CAS-OB 中底吹透气砖开启对确保敞开渣眼重要。为避免透气砖开启失败风险，采用吸嘴位置切换系统。此布置可将吸嘴位置切换至良好吹氩区域。

CAS-OB 总氧含量通常与氩鼓泡法和包精炼炉相似，略逊于 RH 真空脱气工艺。

工艺中 skull 附着于吸嘴上部，氧化物附着吸嘴下部。吸嘴下部氧化物生长导致与出钢包边缘冲突致钟罩损坏。

优缺点

CAS-OB 优势：(1) 出钢温度降低约15℃；(2) 转炉重吹包数减少；(3) 快速可靠合金均匀化；(4) 合金材料高且可预测得率；(5) 铝消耗低；(6) 连铸目标温度达成更一致；(7) 处理后总氧含量低；(8) 实现窄公差合金化；(9) 降低合金消耗成本；(10) 废包减少；(11) 转炉与连铸机间缓冲改善出钢条件。

CAS-OB 缺点：(1) 渣料需包运输至工位前加入；(2) 工艺无法脱硫。建设 CAS-OB 工位投资成本高于 IR-UT（喷射精炼升温）等其他加热工艺，尽管 CAS-OB 加热速率更高。此外渣常粘附钟罩结构导致钟罩重量体积增加，可能对 CAS-OB 操作产生不利影响。