（冶金工程专业论文）川威lf炉精炼渣的组成及冶金性能的研究.pdf

重庆大学工程硕士学位论文中文摘要 摘要 钢水炉外精炼是当前国内外炼钢工业的前沿新技术。随着纯净铜生产技术的 进步和连铸技术的发展，以及降低生产成本的要求，炉外精炼工艺与设备迅速普 及。日本、欧美等先进的钢铁生产国家，炉外精炼比超过9 0 ，其中真空精炼比 超过5 0 ，有些铜厂已经达到1 0 0 。钢水炉外精炼是高技术含量新产品的质量 保证基础，是现代炼钢生产流程与产品高质量水平的标志。各种炉外精炼设备的 冶金功能主要包括：熔池搅拌功能，均匀钢水成分和温度，保证钢材质量均匀； 提纯精炼功能，通过钢渣反应、真空冶炼以及喷射冶金等方法，去除钢中s 、p 、 c 、n 、h 、t o 等杂质和夹杂物，提高钢水纯净度：钢水升温和控温功能，对钢 水实现成分微调；生产调节功能，均衡炼钢一连铸生产。介绍了几种常见的炉外 精炼工艺：l f 、r h 、v d 与v o d 和c a s 和气体搅拌等精炼工艺的特点。 从埋弧渣的物理性能和化学成分入手，探索其熔化性能，脱硫脱氧能力等物 化性能，研究埋弧渣的成分和其发泡效果。 埋弧基渣的储泡能力与炉渣的物理化学性能有关，炉渣的物理性能指炉渣的 密度，粘度，表面张力炉渣的化学性能指炉渣的c a o 、s i 0 2 、m g o 、a 1 2 0 3 、 c a f 2 的合理配置表面张力较低的炉渣有利于泡沫渣的形成和稳定炉渣起泡指 数与炉渣的粘度成正比针对川威生产的实际情况，提出适合川威埋弧渣的配方 及其适宜的精炼渣成分，达到埋弧精炼的目的。 对精炼渣的脱硫能力进行了实验研究，讨论了渣中c a o 、s i 0 2 、m g o 、 a 1 2 0 3 、c a ：2 对精炼渣的脱硫性能的影响并确定了l f 炉埋弧精炼渣的优化配 方最后，对c a o c a f 2 基的渣系的成分进行了研究针对不同的钢钟，提出了 不同的优化的精炼渣配方。 根据川威1 2 炉的设计参数，对钢包内气体搅伴功率进行了计算，供生产参 考，以确保埋弧渣加热和脱硫的需要川威7 0 t 钢包气体搅拌，当吹氩景为 4 0 l m i n 1 ，6 0 l m i n 1 ，8 0 l m i n l ，1 0 0 l m i n l 时，搅拌功率分别为1 9 7 1 0 4 缈， 2 9 6 x 1 0 4 矿，3 9 4 1 0 4 9 ，4 9 3 1 0 4 矽。精炼渣在川威l f 炉工业性实验获得成 功。 关键词：炉外精炼、泡沫渣、脱硫、l f 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t n l es e c o n dr e f i n i n gi st h en e wa d v a n c e dt e c h n o l o g yo fi r o na n ds t e e li n d u s t r y i n l a n da n da b r o a d w i 血t h ed e v e l o p m e n to fp u r l f ys t e e lt e c h n o l o g ya n dc o n t i n u ec a s t t h ee q u i p m e n ta n df a c i l i t yo fs e c o n dr e f i n i n g ，t h ed e m a n do fp r o d u c t i o nc o s t i nt h e i n d u s t r i a lc o u n t r i e s ，s u c ha sj a p a n u s a ，t h er a t eo f s e c o n dr e f i n i n gi so v e r9 0 t h e r a t eo fv a c u u ms e c o n dr e f i n i n gi so v e r5 0 a n ds o m ep l a n t si su pt o1 0 0 n l e s e c o n dr e f i n i n gi st h eb a s i co fa d v a n c e dt e c h n o l o g yp r o d u c t e dq u a l i t ys t e e l ，a n di ti s s i g no fm o d e mi r o na n ds t e e lp r o c e s sa n dh i g hp r o d u c t i o nq u a l i t ys t e e l t h em a i n f u n c t i o no fs e c o n d i n gr e f i n i n gi si n c l u d i n g ：m i x i n go fb a t h ，u n i f o r m i t yo fs t e e l c o m p o n e n ta n dt e m p e r a t u r e ，p u r i f i c a t i o no fr e f i n i n g ，r e a c t i o no fs l a ga n dm e t a lb a t h ， v a c u u l l ls e c o n dr e f i n i n ga n di n j e c t i n gm e t a l l u r g y , d e s 、d e p 、d e - i n c l u s i o n ，a d j u s t i n g t h ep r o c e s s , i m p r o v i n gp u r l f yd e g r e ea n dc o n t r o l l i n gt h et e m p e r a t u r e t h ep a p e r i n t r o d u c e ds e v e r a ls e c o n dr e f i n i n gt e c h r m o l o g y ：l f 、r h 、v d 、v o da n dm 泌r o u n d ， f o r mt h ec h e m i cc o m p o n e n ta n dp h y s i t sc h a r a c t e ro fs l a g ，t h i sp a p e rr e s e a r c ht h e c o m p o s i t i o na n dm e l t i n gp o i n to f s l a ga n db u b b l i n gc h a r a c t e r i s t i c 1 1 1 ec a p a b i l i t yo fs l a gg a ss t o r a g eh a st h er e l a t i o n s h i p 、i t hp h y s i c sa n dc h e m i c c h a r a c t e ro fs l a g p h y s i c sc h a r a c t e ro fs t a ga r ea b o u td e n s i t y , v i s c o s i t y , s u r f a c et e n s i o n c h e m i cc h a r a c t e ro fs t a ga r er e a s o n a b l ec o m p o s i t i o no fc a o 、s i 0 2 ，m g o ，a 1 2 0 3 、 c a f 2 t h ei o ws u r f a c et e n s i o na v a i l a b l et of o r m i n ga n ds t a b i l i z a t i o no fs l a g e x p o n e n t o fr i s i n ga i rb u b b l eh a st h es a n l er e l a t i o n s h i po fv i s c o s t i y a i ma tt h ei n s t a n c eo f c h u a n w 截i r o na n ds t e e lc o m p a n y ( c w i s c ) ，t h i sp a p e ro f f e rt h es u i t a b i l i t ys l a g c o m p o n e n ta n dp r e s c r i p t i o n sf o rc w i s c ，i no r d e r t om e e td e m a n do fs e c o n dr e f i n i n g r e s e a r c h d e s u l f u r i z e a b i l i t y o f s l a g ，t h i s p a p e r d i s c u s s t h ee f f e c t o f c a o 、s i 0 2 、 m g o 、a 1 2 0 3 、c a f 2i ns l a g ，a n dc o n f i r mo p t i m i z ep r e s c r i p t i o no fl fs l a g a tl a s t , t h e s ep a p e r sr e s e a r c ht h ec o m p o n e n to fc a o - c a f 2s e r i e so fs l a g t od i f f e r e n ts e r i e s s t e e l ，t h i sp a p e rg i v eh ed i f f e r e n to p t i m i z es l a gp r e s c r i p t i o n a st h eb a s eo fc w i s cl fp a r a m e t e r , c a l c u l a t et h eg a sm i xr o u n dp o w e ri ns t e e l l a d l e t n j e c t i o na r g o ni nl fl a d l ec a nm e e tt h ed e m a n do fh e a tu pa n dd e s u l f u r i z i n g t h e m i x i n gp o w e r 7 0 tl a d l ei nc w i s c t h eg a sm i xr o u n dp o w e ri s1 9 7x1 0 4w ， 2 9 6 x 1 0 w ，3 9 4 1 0 4 w 。4 9 3 1 0 w , w h e nt h ea r g o nf l o w r a t e i sa b o u t 4 0 l m i n ，6 0 l m i n l ，8 0 l m i n l ，1 0 0 l m i n 1 h 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 k e y w o r d s ： s e c o n dr e f i n e d e s u l f u r i z e f o a ms l a g l f i i l 重庆大学工程硕士学位论文1 钢水炉外精炼工艺技术的发展 l 钢水炉外精炼工艺技术的发展 钢水炉外精炼是当前国内外炼钢工业的前沿新技术被誉为炼钢生产具有流 程革命的重大技术。近2 0 年，随着纯净钢生产技术的进步和连铸技术的发展，以 及降低生产成本的要求，炉外精炼工艺与设备迅速普及。日本、欧美等先进的钢 铁生产国家，炉外精炼比超过9 0 ，其中真空精炼比超过5 0 ，有些钢厂已经达 到1 0 0 。钢水炉外精炼是指在已有的氧气顶吹转炉( b o f ) 和连铸( c c ) 之间 增设一钢包精炼炉( l f ) 和循环真空脱气装置( r h ) 组成炉外精炼站或车间， 使钢水的温度、成分、气体、有害元素与夹杂进行经济、有效的调整、净化，达 到洁净、均匀、稳定的目的，实现钢材由量到质的转变，使产品结构得到调整。 钢水炉外精炼是高技术含量新产品的质量保证基础，是现代炼钢生产流程与产品 高质量水平的标志。炉外精炼工艺流程及各工位的冶金功能如图所示。 厂1 鬲彳l = 毒罢兰：_ i 元i 1 _ 精炼跨坐包位 i 竺竺岛i 磊函磊一竺竺卜橱烁_ 予包位 补加敲辩r 一 或徽裁元素合盘化 图l 炉外精炼部分的工艺流程及各工位的冶金功能 f i gls c h a m a f i co fr e f i n i n gs t e e la n dm e t a l l u r g yf u n c t i o n 各种炉外精炼设备的冶金功能主要包括：( 1 ) 熔池搅拌功能，均匀钢水成分 和温度，保证钢材质量均匀：( 2 ) 提纯精炼功能。通过钢渣反应、真空冶炼以及 喷射冶金等方法，去除钢中s 、p 、c 、n 、h 、t o 、等杂质和夹杂物，提高钢水 纯净度；( 3 ) 钢水升温和控温功能，对钢水实现成分微调；由于转炉工艺的局限， 钢的成分及质量很难达高质量钢的要求，因而长线产品居多。而市场急需的高附 加值产品，如冷热轧薄板、冷轧硅钢片、涂镀薄板、油气管线、冷墩钢等优质钢 无法生产。因为，这些钢种对钢中有益和有害元素的含量、气体和夹杂物的含量 重庆大学工程硕士学位论文1 钢水炉外精炼工艺技术的发展 有极严格的要求，要生产洁净的钢水，才能充分展示钢的优异性质，满足用户要 求。洁净钢是指钢中总氧量、硫、磷、氢、氮总和【s + 【p 】+ t o 】+ 【n + h 】l o g x 1 0 * ，先进钢厂已达至u 8 0 1 0 6 以下。不同钢种对钢性能要求不同，洁净度所要求 的控制因素也不同。例如油气管线钢是超纯洁低碳低硫低磷微合金化钢，c 0 0 6 ，s 0 0 0 1 ，p 0 0 1 ， 0 】2 0 x l o 。， h 】1 3 1 0 4 ，这种钢具有良好 的冲击韧性和抗h i c ( 氢诱导致裂) 性能。为了提高i f 钢的高延展性及优良的表面 性能，要求钢中碳、氢、氧、硫、磷尽可能低。因此，市场需要的高技术含量的 新钢种只能在炉外精炼装置上完成。没有钢水的炉外精炼，就没有高效益的新钢 种。l f 炉是7 0 年代初由日本开发成功，并大量推广，成为当代最主要的炉外精炼 设备。l f 钢包精炼炉见图2 。此外，炉外精炼还起到定时、定温、定品质地提供连 铸钢水，稳定连铸生产，使炼钢生产技术，稳步向洁净化、连续化和高效化方向 发展。 图2l f 炉外精炼炉示意图 f i g2s c h e m a t i co f l fr e f i n i n gf l l l m a c c 1 1 国内外钢水炉外精炼概况 1 1 1 国内钢水炉外精炼的历史 钢水的炉外精炼技术早在三、四十年代就显示了其提高质量，扩大品种方面 的作用。如最早在3 0 年代就开始应用的合成渣精炼钢水技术( 主要是去硫和去除 夹杂) ，至今还在广泛应用。4 0 年代就有了真空模铸的报道。5 0 年代终后期，由 于大功率的蒸汽喷射技术的突破，相继发明了钢包内钢水提升脱气法( d h ) 、循 环脱气法( r h ) 。6 0 年代和7 0 年代，是钢水炉外精炼多种方法发明的繁荣时期， 这和6 0 年代起纯洁钢生产的概念的提出，各工业、建筑、军事、交通行业对钢材 质量和性能提出了越来越严格的要求，连铸生产工艺的稳定和连铸品种扩大的强 大要求是密切相关的。可以说，这个时期炉外精炼的发展发生了三方面的根本变 2 重庆大学工程硕士学位论文1 钢水炉外精炼工艺技术的发展 化，即： ( 1 1 钢水精炼最初诞生的目的是为了解决冶炼炉不能顺利生产高质量品种，而不 去采用价格昂贵、生产效率很低的重熔技术生产的问题，到这时候，已成为大部分品 秘生产和全面提高质量的不可缺少的手段。 ( 2 ) 由于连铸生产的发展，炉外处理技术不仅可以减少磷、硫等有害元素及氢、 氧、氮等有害气体及由它们生成的夹杂物，使连铸坯生产工艺更加稳定，减少工艺与 质量事故的重要作用更为明显( 有的品种甚至不经过精炼，根本不能进行连铸) ，而且 越来越显示出它协调生产节奏，优化衔接炼钢、连铸甚至连铸坯热送热装全流程的 关键作用。具有划时代意义的新日铁大分厂不建初轧开坯，实行全连铸生产，其生产 初期全部钢水进行r h 处理对确保全连铸生产的质量与稳定工艺起了重要的保证作 用。也就是说，炉外精炼的迅速发展，在很大程度上是适应了连铸生产飞速发展的需 要，而且确实促进了连铸生产的优化。 ( 3 ) 炉外精炼正式形成了真空和非真空两大系列不同功能的系统技术；同时，也 同样应钢的质量要求不断提高，连铸生产品种效率的需要，铁水预处理技术也得到 了迅速发展，它和钢水精炼技术前后呼应，经济分工，形成了系统的炉外处理技术体 系使钢铁生产流的优化重组基本完成。这个时期真空处理技术中用于超低碳不锈 钢生产的v o d - v a d 技术；a s e a s k f 用电磁搅拌和加热、真空脱气的方法生产不锈 钢、轴承钢技术；为了提高超低碳钢的生产效率，日本新日铁公司又发明了吹氧脱碳 升温的r h 旬b 技术等。非真空处理技术中有用于低碳不锈钢生产的氩氧精炼炉 a o d ；配合超高功率电炉生产潜代电炉还原期对铜水进行精炼的l f 钢包炉技术及 后来配套发展起来的v d 技术( v d 技术早在5 0 年代就已应用于生产，但与l f 配套才 得以迅速发展) ：喷射冶金技术( 主要是s l 和t n ，k t s ，k i p 等) ，它同时也促进了铁水预 处理在质量和效率、生产能力等各个方面的大幅度提高；著名的日本各企业的铁水 三脱技术就是在此时发展起来的。我国还发明了含钒铁水喷雾法提钒独特的铁水 预处理技术；会金包芯线技术也开始应用，还有加盖和加浸渍罩的吹氩技术 ( s a b ，c a b ，c a s ) 等。这个时期，基本奠定了吹氩技术作为各种炉外精炼技术基础的 地位和作用。 进8 0 年代以来，直至现在，炉外精炼和铁水预处理技术已成为现代钢铁生产 流程水平与钢铁产品高质量水平的标志，它的发展也朝着功能更全、效率更高、冶 金效果更佳的方向迅速完善。这一时期主要发展起来的代表技术有钢水 r h k t a ( 相似的还有r h - m f p , r h o 等) ；钢水r h i j 真空深脱磷，r h p b 、w p b 真空深 脱硫技术；v - k i p 技术；铁水用转炉进行脱磷，直至三脱、铁水提钒预处理等，主要是日 本住友金属的s r p 脱磷、神户制钢h 炉、我国攀钢的提钒转炉。八十年代国产l f 钢 包糟炼炉，合金包芯喂丝、喷射冶金等精炼技术得到初步发展，这期阅宝钢引进 重庆大学工程硕士学位论文 1 钢水炉外精炼工艺技术的发展 大型现代化r h 装置，武钢和宝钢引进了k t s 喷粉装置，认识到钢水炉外精炼在开 发高质量钢材品种和优化钢铁流程中的重要作用，但钢水炉外处理仅占产钢总量 的2 以下。9 0 年代以来，随着连铸生产的增长和市场对钢铁产品质量目益严格要 求，钢水炉外精炼技术得到了迅速发展，不仅装备数量增加，钢水处理量已增长 n 2 0 0 0 年全国平均2 0 左右。表1 列出近年来炉外精炼技术发展情况。 表1中国炉外精炼技术发展情况 ! ! ! ! ! ! 鎏! ! ：! ! 婴粤! 垡! ! 堡垒垒吐也曼婪翌 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 塑! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 一垫塑一 2 0 3 1 5 58 21 51 71 82 02 l2 9 铁水预 处理比 钢水精 炼比 钢水吹氢 喂线比 2 6 82 8 21 0 0 61 2 ，01 31 3 51 5 51 7 52 0 23 0 从表1 看出，炉外处理技术的发展，是同企业调整产品结构，优化企业生产 的专业化进程同步。高附加值产品的生产如超低碳、超深冲、超低磷硫优质钢的 生产，都必须采用炉外精炼技术。 近十年，国家组织了l f 钢包精炼技术，r h 真空精炼，c a s o b 加热精炼等 技术的消化吸收。1 9 9 8 2 0 0 0 年，明确提出炼钢精炼连铸三位一体组合 优化的发展方向。要把发展钢水炉外处理技术作为一项重大的战略措施，放到优 先位置上，促进流程工艺、产品和装备的优讫，从而使国内钢水耩炼装置和技术 迅猛发展。其特点是：钢水精炼工艺多采用l f 钢包精炼与r h 和v d 真空处理； 选择适合企业特点的产品，做到功能对口，匹配合理经济：开发独自特色的精炼 渣系列和相关技术。钢铁企业已认识到钢水炉外处理已经在产品优化调整，促进 洁净钢、合金钢、低合金钢的生产中，起到不可替代的重要作用，是优质、商效、 节能降耗、降低成本的可靠保证。表2 列出国内部分企业钢水炉外精炼的方式和 概况。 从表2 可以看出，国内钢水炉外精炼技术发展速度很快，并向国际一流看齐。 现对宝钢、武钢的炉外精炼简扼说明。宝钢纯洁钢的生产，采用b o f ( 3 0 0 吨) 3 0 0 吨r h c c 工艺，3 0 0 吨l f 炉已经投产。钢中纯净度 s + 户+ o + 日+ 朋s 8 0 1 0 - + ，达到了国际一流水平。批量生产纯洁正钢时， 【n 】s 2 5 x 1 0 “，【o 】3 0 9 1 0 。， c 】3 0 x 1 0 。，批量生产纯洁管线钢对， i s 2 0 x 1 0 6 ，【，】s 9 0 x t o - + ，r i o 2 5 1 0 _ 6 ，【】 3 5 1 0 6 ，【h 】2 1 0 巧水平。 武钢现有各种钢水精炼装置1 7 套，其中仅r h 真空处理3 套( 2 2 5 0 t + 1 0 0 t ) ， l f 炉3 套( 2 2 5 0 t + 1 0 0 t ) ，v d ( 1 0 0 t ) 钢包真空炉l 套，喂丝1 0 套。公司钢水 4 重庆大学工程硕士学位论文1 钢水炉外精炼工艺技术的发展 精炼比2 7 4 4 。可稳定生产【s 】2 0 1 0 “，【 3 0 1 0 “，【h 】1 5 1 0 “， 【c 1 3 0 x 1 0 - 6 的超低碳、超低硫的优质钢，精炼终点命中率9 5 ，达到国际一 流水平。重点钢种是深冲汽车板，x 5 2 x 6 5 ，x 7 0 - x 8 0 油气管线用钢、硬线、软 线、高牌号取向和无取向硅钢。 表2 国内部分企钢水炉外精炼的概况 ! 生坦! ! 望! ! 蜊竺! ! 堡! ! 型! g 虫巴查! ! 巴p 型壁垫曼! i ! ! 厂名工艺方式精炼规模钢种和目标 2 0 0 3 年4 月，中国安阳钢铁公司委托德国d a n i e l ic e n t r o lm e t 提供一个完善 的钢水的精练站，它包括l f 、v d 、v o d 炉。年处理1 1 0 万吨，在脱硫中，1 4 6 吨的钢包每天可处理2 8 炉钢水，钢中硫含量从0 0 5 降到o 0 0 1 0 1 0 。同期， 台湾f e n g h s i n 钢铁公司也委托德国d a n i e l i c e n t r o l m e t 提供3 5 和7 0 吨的钢包炉。 这些l f 炉的特点是：水冷，惰性气体保护炉顶防止钢水氧化，自动取样、自动 测温，工艺和过程控制全自动化。 展望2 l 世纪，钢铁仍是最主要的结构材料。开发“性能突出改善”和“性能 间相容性”的新钢材，是今后钢铁材料的发展方向，要做到这一点，钢水必须洁 净、超洁净，因此钢水炉外精炼必然会得到更大发展。今后奋斗目标是：1 1 0 0 钢水炉外精炼，其中真空精炼比将大幅度提高。2 0 0 5 年精炼比5 0 。2 完善和开 发炉外精炼技术，使大规模生产的钢材洁净度要高。某些钢种如钢，石油管线钢，铜 中杂质总量陋+ p + t o + n + h ，】1 0 0 1 0 。，生产部分适销对路的特殊钢及专用 钢。钢中夹杂物控制：d s l o um ，无脆性夹杂物。3 建立大规模、廉价生产洁净 钢的生产体系。 重庆大学工程硕士学位论文l 钢水炉外精炼工艺技术的发展 1 1 2 国外钢水炉外精炼的历史 国外开展钢水炉外精炼的时间较早、开发力度和投资强度远大于国内。以欧 盟1 5 国为例，从1 9 8 3 年开始发展，2 0 0 0 年l f 炉精炼钢水能力占转炉生产能力 的3 8 ，r h 、v d 等真空处理钢水能力占转炉生产能力的8 5 ( 见图2 ) 。其发展 特点是：1 精炼模式多样，真空处理钢水量超过l f 炉；2 大力开展真空脱碳， 真空脱除钢中气体；3 精炼体系的智能自动控制，力求最低成本经济生产。例如 设定钢种连铸温度与成分后，计算并优化出炉外精炼各工序和处理时间，全程自 动监理。奥钢联d o w a w v i z 钢铁厂是一个有五十年历史老厂，有3x6 0 吨b o f ， 配备l f + r h 钢水精炼装置，生产世界闻名的1 2 0 米长钢轨，超低硫石油管线， 含碳o 8 拉拔到0 1 7 m m 钢丝。 图3欧盟钢水炉外处理生产能力 f i g3p r o d u c t i o no f r e f i n m go f e e c 日本大同特殊钢公司，于1 9 7 1 年开发并应用l f 炉，至1 9 9 7 年，日本国内 设置5 2 座l f 炉，几乎普及。l f 炉和r h 配合，组成复合精炼工艺，誉为二次炼 钢技术中划时代的精炼工艺。1 9 7 3 年精炼比为4 4 ，1 9 8 9 年精炼比为7 3 4 ， 真空精炼比达5 4 6 ，目前真空精炼比达8 0 9 0 。日本钢材能出口占领国际市场， 钢水炉外精炼起了重要的作用。最近日本住友和歌山钢厂建立面向2 l 世纪新型炼 钢厂，实现1 0 0 钢水真空精炼。 俄罗斯的下塔吉尔和库兹涅茨克钢铁公司是唯一生产淬火钢轨、车轮和轮箍 的工厂。铁路运输要求保证耐磨、可靠和氢含量极限控制( 2 p p m ) ，钢水必须是 洁净、非金属夹杂和气体极低。下塔吉尔有4 1 6 0 t 转炉，年产钢3 5 0 万吨。1 9 9 6 年建成第一套1 6 0 吨l f + r h 装置，1 9 9 7 年建成第二套1 6 0 吨l f m 装置。钢水 精炼后【0 1 降到8 2 p p m ，i t - r 降到1 5 p p m ，i n 降到2 6 p p m ，达到了钢轨和轮箍钢 对钢水质量的要求。 6 重庆大学工程硕士学位论文 l 钢水炉外精练工艺技术的发展 英国的s c o u n t h o r p e ，t e s s i d c 、p o r tt a t b o r t 和l l a n w e r n 四大钢厂年产钢量分别 为4 4 0 万吨、3 3 0 万吨、3 5 0 万吨和3 0 0 万吨。每个转炉炼钢厂都装各了钢包精炼 和r h 真空装置，生产冷热轧板，涂层钢板等，供应汽车市场。英国冶金者认为， 炉外耪炼保证了产品质量、成份和温度的控制，减少了合金消耗。现继续投资研 究，探索一个精炼装置适应多种功能的处理，工艺流程合理和优化，计算机智能 控制。英国对超低碳钢的要求( 表3 ) 是愈来愈严格，碳含量更低，有害杂质尽 量低，从而保证钢板质量。 表3 英国对超低碳钢板成份的要求p p m t a b l e3 t h ed e m a n do f s u p e r l o wc a r b o ns t e e lc o m p o n e n ti nb r i t a i n rn sp 1 9 9 0 年前 1 0 0 1 0 0 2 0 2 0 0 19983040 1 0 1 5 0 今后 2 0 2 0 6 0 ，高于电炉升 温热效率。每吨钢水平均升温l 耗电0 5 0 8 k w h 。l f 炉的升温速度决定于供电的 比功率( k v a t ) ，而供电比功率的大小又决定于钢包耐火材料的熔损指数。通常， l f 炉的供电比功率为1 5 0 2 0 0 k v a t , 升温速度可达到3 5 c t , 采用埋弧泡沫技术，可 减轻电弧的幅射热损失，提高加热效率1 0 - 1 5 l f 炉采用计算机动态控制终点温 度，可保证终点温度的控制精度5 。( 2 ) 白渣精炼工艺：l f 炉利用白渣进 行钢水精炼，实现钢水脱硫、脱氧，生产超低硫钢和低氧钢。因此，白渣精炼是 l f 炉工艺操作的核心，也是提高钢水纯净度的重要保证。白渣精炼的工艺要点是： 出钢挡渣，控制下渣量叁5 k g , t , 钢包渣改质，控制包渣r 2 5 ，渣中g ( t f e + m n o ) 3 o 白渣精炼，一般采用一，0 3 一c a o s i o z 系炉渣，控制包渣碱度r 4 ，渣中 g ( t f e + m n o l 1 ，保证脱硫、脱氧效果； 控制l f 炉内气氛为弱氧化性，避免炉渣再氧化； 适当搅拌，避免钢液面裸露，并保证熔池内具有较高的传质速度。 ( 3 ) 合金微调与窄成分控制，合金微调与窄成分控制技术是保证钢材成分性能稳 定的关键技术之一，也是l f 的重要冶金功能。例如，生产齿轮钢，要求保证钢材 淬透性带度 ，4 h r e ，必须精确控制钢材各种合金元素的成分，避免波动。实现合 金微调的主要措施是： 1 2 重庆大学工程硕士学位论文1 钢水炉外精炼工艺技术的发展 在线建立快速分析设施，保证分析响应时间一 3 m i n ； 精确估算钢水重量和合金收得率： 铜水脱氧良好，实现自渣精炼； 计算机在线准确计算各种合金加入量，保证钢水成分的准确性与稳定性。 1 4 钢的纯洁度评价 关于纯净钢( p u r i t ys t e e l ) 或洁净钢( c l e a ns t e e l ) 的概念，目前国内外尚无统一的 定义，但一般都认为洁净钢是指对钢中非金属夹杂物( 主要是氧化物、硫化物) 进 行严格控制的钢种，这主要包括：钢中总氧含量低，非金属夹杂物数量少、尺寸 小、分布均匀、脆性夹杂物少以及合适的夹杂物形状。而纯净钢则是指除对钢中 非金属夹杂物进行严格控制以外，钢中其它杂质元素含量也少的钢种。钢中的杂 质元素一般是指c 、s 、p 、n 、h 、o ，1 9 6 2 年k i e s s l i n g 把钢中微量元素( p b 、a s 、 s b 、b i 、c u 、s n ) 也包括在杂质元素之列，这主要是因为炼钢过程中上述微量元 素难以去除，随着废钢的不断返回利用，这些微量元素在钢中不断富集，因而其 有害作用日益突出。 理论研究和生产实践都证明钢材的纯净度越高，其性能越好，使用寿命也越 长。钢中杂质含量降低到一定水平，钢材的性能将发生质变。如钢中碳含量从4 0 1 0 4 降低到2 0 1 0 。6 ，深冲钢的伸长率可增加7 。提高钢的纯净度还可以赋予 钢新的性能( 如提高耐磨腐蚀性等) ，因此纯净钢已成为生产各种用于苛刻条件下 高附匀h 值产品的基础，其生产具有巨大的社会经济效益。 需要指出的是对不同钢种其中的杂质元素的种类是不同的，如硫在一般钢中 都视为杂质元素，但在易切削钢中其为有益元素；腰钢中氮是杂质元素，但在不 锈钢中氮可以代替一部分镍和其它贵重合金元素，其固溶强化和弥散强化作用可 提高钢的强度。可以看出，杂质元素的界定取决于人们对钢中溶质元素所起作用 的认识，以及不同钢种在不同用途中所希望的是幂j 用其作用还是避免其作用。 目前典型的纯净钢对钢中杂质元素和非金属夹杂物的要求如表8 所示。由表 8 可见，不同钢种对钢的纯度和清洁度的要求是不一样的。如汽车板有较高的溶 质元素水平c 、n 的要求，但其容许的最大夹杂物尺寸却是1 0 0pm ；而显象管 阴罩用钢则要求夹杂物尺寸小于54m ，这主要因钢的使用条件和级别而异。 钢中各杂质元素单体控铝4 水平的发展趋势如表2 所示。随着社会的发展对钢 材的要求越来越高，即使是大量生产的常用品也因使用条件的恶化而提出了更高 的要求。 重庆大学工程硕士学位论文 1 钢水炉外精炼工艺技术的发展 汽车板 c 3 0t o 2 0 l 矿d 1 0 0u m 超深冲、非时效性 n 3 0表面线状缺陷 d 【罐t o 2 0 x 1 0 。6 d 2 0u m飞边裂纹 大规模集蹙，路用引线 n 5 0 d 5pm冲压成型裂纹 悒 显象管阴罩用钢d5um防止图苎侵蚀缺 阳 轮胎子午线非塑性夹杂d 2 0u i n 冷拔断裂 滚珠轴承 t i 1 5t o 1 0 x 1 0 4 d 1 5u m 疲劳寿命 管线钢 s 1 0 d 1 0 0l j m ，氧化物形状控制酸性介质输送 抗氢致裂纹 钢轨t o 2 0 x 1 0 4 单个d 1 3u m ， 断裂 链状d 2 0 0u 1 1 1 表8 钢中杂质元素单体控制水平发展趋势 t a b l e8 d e v e l o p m e n tl e v e lt r e n do f c o n t r o l l i n gi m p u r i t yi ns t 元素 1 9 6 01 9 7 01 9 8 01 9 9 01 9 9 6 2 0 0 0 1 5 洁净钢的冶炼工艺 纯净钢的生产主要集中在两方面： ( 1 ) 尽量减少钢中杂质元素的含量； f 2 ) 严格控制钢中的夹杂物，包括夹杂物的数量、尺寸、分布、形状、类型。 减少钢中溶质元素的含量主要在各种铁水预处理以及二次精炼设备中营造最 佳去除的热力学和动力学条件来实现，钢中夹杂物的控制主要是减少其生成、对 其进行改性、促其上浮。 通常纯净钢生产工艺包括以下几部分：铁水预处理，转炉复吹，出钢挡渣、 扒渣、对炉渣改性，二次精炼( 真空、吹气、加热、造渣) 、全程保护浇铸、中间 包冶金、结晶器冶金及采取各种促使夹杂物去除的措施等。 1 4 4嘶，62 5 ；m m q ； m 4 m m 瞄7 如m踮如2 瑚瑚枷3柏 c s p n h 阳 重庆大学工程硕士学位论文l 钢水炉外精炼工艺技术的发展 ( 1 ) 低氧钢糟炼工艺技术 硬线钢丝、钢轨、轴承钢、弹簧钢等中高碳合金钢或优质碳钢，对钢中夹杂 物有严格的要求。为保证钢材质量，必须采用低氧钢精炼工艺技术。对低氧钢精 炼工艺的基本要求是： ( 1 ) 严格控制钢中总氧含量，一般要求钢中 t o 2 5 x1 0 6 ，对于轴承钢，为 提高钢材的疲劳寿命，则要求钢中i t o 1 0 x1 0 6 。 ( 2 ) 严格控制钢中夹杂物的形态，避免出现脆性a 1 2 0 3 夹杂物。如硬线钢精炼，要 求严格控制钢中夹杂物成分g ( a l ，o s ) 2 5 中。为此，则需要控制钢水含铝量4 1 0 巧即，采用无铝脱氧工艺。 ( 3 ) 严格控制钢中夹杂物的尺寸，避免出现大型夹杂物。为实现上述基本要求， 低氧钢精炼的基本工艺为：精确控制炼钢终点，实现高碳出钢，防止钢水过氧化； 严格控制出钢下渣量，并在出钢过程中进行炉渣改质。控制包渣中 ；( f e o + m n o ) 3 ，炉渣碱度r 2 5 ，避免钢水回磷并在出钢过程中进行s i m n 脱氧。l f 炉内进行白渣精炼，控制炉渣碱度r 3 5 ， 渣中( 一o s ) = 2 5 一3 0 ；渣中l f ( f e o + m n o ) 1 o ( 最好小于0 5 ) ，实现 炉渣对钢水的扩散脱氧。同时完成脱硫的工艺任务。 自渣精炼后，喂入s i c 域，对夹杂物进行变性处理。控制钢中夹杂物成分， 保证( 一，2 0 3 ) 2 5 。 冶炼轴承钢等超低氧钢对( “ t 0 1 0 x1 0 4 ) ，l f 炉自渣精炼后应采 用v d 炉进行真空脱气。在v d 炉脱气过程中应控制抽气速率和搅拌强度，避免渣钢 喷溅。通过v d 炉脱气继续进行钢渣脱氧、脱硫反应。然后加入铝进行深脱氧，并 喂入s i c a 线对夹杂物进行变性处理。 在连铸生产中，应采用全程保护工艺，避免钢水氧化，出现二次污染。应 采用低粘度保温性好的速熔保护渣，采用较低的拉速，保证钢液面平稳。严格控 制钢渡卷渣形成大型皮下夹杂。 为避免铸坯中心疏松和成分偏析，应采用低温浇注工艺，控制钢水过热度 2 0 ，过热度波动1 0 ( 2 ) 低碳低氮钢精炼工艺技术 对于汽车、家电用薄钢板，为了提高钢材的深冲性能，一般要求严格控制钢 中乒l ( 【c 】+ 【b 5 0 x 1 0 6 。为了大量生产d c l + n b 5 0 x 1 0 6 的深；申镪板，使低 碳低氮钢的精炼工艺得到迅速发展。 扎超低碳钢的精炼 采用r h 可以实现超低碳钢精炼。但当钢中i c so 0 0 2 时，由于钢水静压力的影 响，r h 脱碳速度减弱，趋于停止。为了进一步降低钢中含碳量，日本近几年开发 重庆大学工程硕士学位论文1 钢水炉外精炼工艺技术的发展 出以下新工艺： 提高钢水循环流量h ，促进脱碳反应r e d a 法。 新日铁八幡钢厂对3 5 0 t r h 炉进行改造：取消真空室下部槽和吸嘴，将真空室直接 插入钢水 中，利用钢包底吹；k 搅拌能，大幅度提高r h h 钢水的循环流量。使熔池混匀时间 从8 0 s 降低到4 0 - 6 0 s ，脱碳速度明显提高。处理2 0 m i n ，可保证钢水i c i 1 0 1 0 “； 处理3 0 m i n ，钢水【c 】可达3 1 0 一。 提高容量传质系数a l c ，促进脱碳反应。 日本川崎钢铁公司为实现超低碳钢冶炼，采用h 2 作为搅拌气体，吹入r h 真空室。 利用r h 真空脱气的功能，使h 2 气从钢液中逸出时增加了反应界面，提高r h 的容量 传质系数a k 。处理2 0 m i n ，可使钢中【c 】可达3 1 0 一。 b 超低氮钢的冶炼 氮在钢中的作用具有二重性：一方面可作为固溶强化元素，提高钢水的强度；另 一方面，作为间隙原子，显著降低钢的塑性。对于深冲钢冶炼，一般要求控制钢 中f j 2 5 x 1 0 - 6 ”。超低氮钢的冶炼，本质是控制锯液界面处氮的吸附( 吸氮) 与脱附( 脱氮) 这一可逆反应。在一定温度、压力下，存在一l 临界 n ，记为l l 。 当钢中【l ，则脱氮，反应为液相传质速率，呈表观一级反应。当时】( 【l 时， 则吸氮，反应界面反应速率为二级表观反应。脱氮( 或吸氮) 为界面反应，因此， 表面活性元素s 、o 的存在，会明显降低脱氮速度。 冶炼超低氮镛主要依靠真空脱气。但真空脱氮效率不高，对予r h 生产 i l s3 0 x 1 0 。的超低氮钢有很大的困难。采用以下措施，有利于提高真空脱n 效 率。 提高钢水纯净度，降低钢s 、o 含量； 改善r e i 真空密封结构，防止大气中n 2 向钢水渗透、扩教； 喷吹还原气体( 如h z ) 有剥于提高脱碳速度； 喷吹细小凡：q 粉末，有利于真空脱氮； 由于真空脱氮的效率不高，因此，超低氮钢的于真空脱氮的效率不高，因此，超 低氮钢的冶炼必须从炼钢全流程出发，综合采取以下措施： 提高转炉脱碳强度，保持炉内微正压。用c o 洗涤钢水，实现脱n 2 ； 改善终点操作，提高终点脱碳速度和终点命中率。减少倒炉次数； 沸腾出钢，防止钢水吸氮； 真空下进一步降低s