LF炉脱硫工艺制度的研究与优化优秀毕业论文 可复制黏贴.pdf

1 譬1 0 3 1 4 2 4 分类号 u d c 密级 单位代码 1014 6 学号：3 3 0 0 0 4 辽宁科技大学 工程硕士学位论文 论文题目：l f 炉脱硫工艺制度的研究与优化 作者：王金辉 指导教师姓名：刘坤李镇 专业名称：冶金工程 二o0 七年三月一日 辽宁科技大学工程硕士论文 摘要 l f 炉脱硫工艺制度的研究与优化 捅矍 随着科学技术的不断发展，对炼钢生产率、钢的成本、钢的纯净度以及使用 性能等方面，都提出了越来越高的要求。这使传统的炼钢设备和炼钢工艺难以满 足需求。炉外精炼也称二次精炼或钢包冶金，将在常规炼钢炉中完成的精炼任务， 部分或全部地移到钢包或其它容器中进行，达到提高钢质量的目的。l f 炉作为炉 外精炼设备的一种，具有优异的综合性能，钢液经过l f 炉处理可以提高纯净度。 本文在分析研究脱硫的热力学和动力学基础上，针对鞍钢第二炼钢厂l f 炉的生 产实际，对其工艺参数及操作制度进行了研究和优化。本研究采用的渣系，精炼渣加 入量为钢水量的1 0 ，平均加热功率为1 4 5 3 5 k w ，平均吹氩时间为3 5 m i n ，能够达到 良好的深脱硫效果。通过控制转炉下渣量、l f 炉快速造渣及加快脱硫反应速率等措施， 可以实现l f 炉生产工序及整个炼钢车间生产工序的高产、优质、低成本。 关键词：l f 炉，脱硫，合成精炼渣 辽宁科技大学工程硕士论文 a b s t r a c t s t u d ya n do p t i m i z ed e s u l p h u r i z a t i o nt e c h n i c ss y s t e mi nl f a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，p r o d u c t i v i t y ，c o s t ，p u r i t y , a n d p r o p e r t ya r er e q u i r e dh i g h e ra n dh i g h e r a l lm a k et r a d i t i o n a le q u i p m e n ta n dp r o c e s sm e e t t h ed e m a n dd i f f i c u l t l y s e c o n d r yr e f i n i n gi sa l s oc a l l e dl a d l em e t a l l u r g y t oi m p r o v et h e q u a l i t yo fs t e e l ，t e r m i n gt a s k si nv e s s e la r et r a n s f o r m e dt ol a d l eo ro t h e rv e s s e lp a r t l yo r w h o l l y l f ，a sas e c o l l d r r yr e f i n i n gf a c i l i t y ，i th a ss u p e r i o rp r o p e r t y l i q u i ds t e e lt h a ta r e t r e a t e di nl fc a nb ei m p r o v e dp u r i t y i nt h ep a p e r , b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e m m d y n a m i e sa n dk i n e t i c st h ep a r a m e t e r sa n d o p e r a t i o ns y s t e mh a v eb e e nr e s e a r c h e da n do p t i r 血e df o rp r a c t i c ei nn o 2s t e e l m a k i n gp l a n t o fa n s h a ni r o na n ds t e e lg r o u p a d o p t e ds l a gs y s t e mc a l lo b t a i ng o o de f f e c t i nd e e p d e s u l f u r i z a t i o n t h eq u a t i t yo fr e f i n i n gs l a gi s1 o o fs t e e l s a v e r a g eh e a t i n gp o w e ri s 1 4 5 3 5 k w t i m eo fb l o w i n ga ri s3 5m i n u t e s c o n t r o l l i n gq t m t i t yo fs l a gf r o mc o n v e r t e r ， s l a g f o r m a t i o n a n d r a t eo f d e s u l f u r i z a t i o n r e a c t i o n a n ds o o l l ，h i g h y i e l d ，q u a l i t ya n d l o w c o s t i nl fp r o c e s sc a l lb ea c h i e v e d k e yw o r d s ：l f ，d e s u l p h u r i z a t i o n ，s y n t h e s i sr e f i n i n gs l a g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：至鲤日期：丑：至：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：圣垒丝导师签名：型鱼 日期：盟1 r 辽宁科技大学工程硕士论文引言 引言 近年来，随着我国钢产量的提高及钢材市场由原来的卖方市场向买方市场的 转变，用户对钢材质量提出了越来越高的要求，对钢中硫含量的要求越来越严。各 钢厂为提高市场占有率，纷纷采用新技术、新工艺来提高产品的竞争力。以目前 国际上公认的现代炼钢工艺路线( 高炉铁水预处理一转炉一炉外精炼一连铸； 废钢预热一超高功率电弧炉一炉外精炼一连铸) 为主线，钢铁冶金新技术、新工 艺得到了长足的发展。炉外精炼技术作为其中重要的一环，以其对提高钢的内在 质量、改善钢材的化学和力学性能及在转炉和连铸之间起到的缓冲调节作用，越 来越引起人们的重视，其中l f 钢包精炼炉( 简称l f 炉) 因其设备投资少、精炼 效果明显雨发展很快。l f 钢包精炼炉除了采用还原气氛、埋弧加热、真空脱气和透 气砖吹氩搅拌等二项二次精烁较为成熟的技术外，还引用了合成渣精炼技术。合成渣 的使用可以更好地完成精炼过程的脱硫、脱氧、去气、去夹杂的任务，而合成精炼渣 冶金效果的好坏与它的组成有直接的关系。因此，研究合成精炼渣组分对其冶金性能 的影响是十分必要的。 硫在钢中以f e s 和v l n s 形式存在，f e s 在晶界上呈网状分布，m n s 在压力加t 过程中沿变形方向延伸呈线链状分布。因此恶化了钢材的塑性，对钢材的使用产生了 不良影响。因此，消除m n s 和f e s 夹杂的不良影响，对特殊用途的一些部件是很重 要的。这样就必须使钢中硫含量降低，减少硫化物夹杂物的存在。 l f 炉是生产超低硫钢种的有效精炼设备之一。如何在现有的设备技术水平和原材 料的条件下，合理优化工艺参数和操作制度，达到快速脱硫的目的，有效地提高生产 效率和降低生产成本是十分重要的。 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 1 1 炉外精炼技术的发展 第一章绪论 随着现代科学技术的发展和工农业对钢材质量要求的提高，钢厂普遍采用了炉外 精炼工艺流程，它已成为现代炼钢工艺中不可缺少的重要环节。由于这种技术可以提 高炼钢设备的生产能力，改善钢材质量，降低能耗，减少耐材、能源和铁合金消耗， 因此，炉外精炼技术己成为当今世界钢铁冶金发展的方向，对于炉外精炼技术存在的 问题及发展方向有必要进行探讨。钢中的硫、磷、氢、氧、氮含量大大地影响了钢 的性能，如抗拉强度、成型性、可焊性、抗腐蚀性和疲劳性能等。当钢中硫、磷 之和低于0 0 0 4 ，且氢、氧、氮含量较低时，钢的性能会产生较大的变化，尤其 是抗腐蚀性、低温脆性、可焊性和成型性会有几倍甚至几十倍的提高，这比添加 合金元素更有效。为此，作为冶炼高级优质钢的必要手段炉外精炼，必须有 效地脱除杂质元素来提高钢的质量、改善钢的性能。 1 1 1 国外炉外精炼技术发展 国外从2 0 世纪3 0 年代起就使用高碱度合成渣进行炉外脱硫，以提高钢水质量， 如法国1 9 3 3 年开发的合成渣洗法，是现代炉外精炼技术的萌芽。渣洗在电炉冶炼 中的普遍采用，对钢水在脱硫、脱氧和去除夹杂等方面都有着显著的效果。4 0 年 代，在低真空度下对钢水进行脱气处理。5 0 年代初期，由于高真空、大抽速蒸汽 泵的问世，钢液真空处理技术得到了发展，先后出现了真空提升脱气法( d h ) 和 真空循环脱气法( r h ) ，解决了脱氢、脱碳等难题。6 0 年代，随着具有感应搅拌、 电弧加热、真空脱气、熔渣精炼、微调合金成分等功能的精炼炉的出现，如美国 1 9 6 6 年提出的f i n k l - - v a d 精炼炉，由瑞典a s e a 公司i , s k f 公司在1 9 6 5 年提出并 应用的f i n k l s k f 精炼炉，v o d 炉等，进一步降低了生产成本，提高了质量和 铬的回收率。7 0 年代，日本出现的l f 精炼炉以其底吹氩搅拌代替了设备复杂、维 修困难、投资大的电磁感应搅拌，使精炼设备成本降低，被普遍看好和广泛使用。 其他的精炼方法中尤以7 0 年代联邦德国蒂森公司投入运行的喷射冶金法( t n ) 为 优，它采用先加铝脱氧，然后喷入含钙材料脱硫的方法，具有设备简单、投资少、 见效快、精炼效果显著的特点。8 0 年代，合金包丝线喂丝法脱颖而出。9 0 年代至 今，各种精炼方法不断改进，或单独或组合使用在生产中发挥着重要的作用口“。 炉外精炼之所以得到迅速发展，是因为其具有传统炼钢不可取代的优点，为 生产超纯挣钢和特殊用钢创造了条件：为钢铁生产节能、降耗、保护和改善环境 污染开辟了广阔的前景。国内、外炉外精炼设备总数已超过1 0 0 0 座l l j ，形成了目前 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 比较成熟和完善的钢水炉外精炼体系。迄今为止，由各厂家开发并应用于生产的 炉外精炼方法已超过四十种，但这些精炼方法的基本手段却是相同的，无外乎渣 洗、真空、搅拌、加热和喷吹，各种精炼方法都是这五种基本手段的组合。 1 ，1 2 国内炉外精炼技术发展 2 0 世纪5 0 年代，我国开始建设小容量钢水静态脱气装置，由于抽气能力小、 真空度低，处理效果不理想。6 0 年代中期，随着国内大型蒸汽喷射真空泵设计制 造技术的发展，开始了现代二次精炼技术的开发与系统研制。1 9 6 6 年，设计和试 制了1 5 3 0 t 和1 0 0 t d h 真空处理装置，先后在上钢一厂和鞍钢安装使用。1 9 6 7 年， 从原西德引进旋转升降型r h 真空处理装置。我国在7 0 年代从瑞典引进了1 0 0 t 和 3 0 t a s e a - - s k f 钢包精炼炉各1 台。8 0 年代初期，西安变压器电炉厂等单位设计制 造了h b 一4 0 钢包精炼炉，在上钢五厂投入运行，同时引进v o d v h d 精炼炉、s l 喷粉装置。在消化这些装置的同时，又自己研制开发了v o d 精炼炉、l f 精炼炉、 a o d 精炼炉、v d 真空处理装置以及各种形式的钢包喷粉设施。8 0 年代后期，又成 功开发了铜包喂丝设备。1 9 8 8 年底无锡钢厂建成1 座l f v 一4 0 型钢包精炼炉。引进 日本技术，中日联合设计：第二重型机器厂制造、安装、调试和使用的1 5 0 t 钢包精 炼炉具有8 0 年代世界先进技术水平；1 9 9 6 年上海浦钢公司投产了了二台三相三臂 式1 0 0 t l f 钢包精炼炉；1 9 9 7 年上海五钢公司建成了一台三相电极吊挂l f 精炼炉； 1 9 9 8 年4 国内经过炉外精炼处理的钢水占钢产量比例的2 0 ，而发达国家己达到 8 0 。1 9 9 9 年武汉钢铁公司一炼钢厂建成了一台三相单臂式1 0 0 t l f 精炼炉；同年， 鞍钢建成二台1 0 0 t - i 相三臂式l f 精炼炉，2 0 0 0 - - 2 0 0 3 年，鞍钢又建成投产三台l f 精炼炉。随着二次精炼技术的飞速发展，二次精炼过程自动化控制系统也相应地 得到发展并逐渐完善。自动控制的主要对象是钢液的成分和温度，而控制目标是 使炼钢实现过程控制、优化管理及优化运行一体化。自动控制模式的成功与否直 接影响着精炼炉的产量、质量及炉体寿命的长短 2 1 。 我国钢铁工业在品种、质量、消耗、成本及劳动生产率等方面与发达国家相 比还很落后，主要表现在钢的化学成分波动范围大，硫、磷等有害元素和气体、 非金属夹杂物含量相对较高，即钢的纯净度差，从而使钢材的性能不稳定。随着 中国加入世界贸易组织，中国钢材己进入全球化序列。现在我们已清醒感觉到危 机感和竞争意识，因此，提高钢水在线精炼率，采用适合我国国情的精炼设备并 吸取发达国家成功的经验，选择那些对降低成本、提高质量有突出作用的关键技 术，用以发展和提高我国炉外精炼技术已成为当务之急。 辽宁科技大学工程硕士论文第一章绪论 1 1 3 炉外精炼的发展趋势 当前炉外精炼技术发展的趋势主要表现为： 1 ) 钢水百分之百地进行精炼处理 在实际生产中，炉外精炼设备百分之百地在线运行。 2 ) 向组合化、多功能精炼站的方向发展 炉外精炼技术常用的组合模式有： 1 ) 以钢包吹氩为核心加上喂丝、喷粉、化学加热、合金成分微调等多种技术 复合的精炼站，用于转炉一连铸生产； 2 ) 以真空装置为核心并与上述技术复合的精炼站，也主要用于转炉一连铸生 产： 3 ) 以l f 为核心与上述技术及真空处理相复合的精炼站，主要用于电炉一连铸 生产； 4 ) 以a o d 和v o d 为主组成包括转炉顶底复吹在内的超低碳钢和不锈钢精炼技 术。 ( 3 ) 不同类型工厂对炉外精炼技术的选择根据用户对钢质量的要求以及工艺 和市场的的需求而定。 初步模式有以下类型： 1 ) 生产板带类钢材的大型联合企业。一般配有两种类型的精炼站，即以 c a s o b 为主的复合精炼站，以及以真空处理为主的复合精炼站，当然它们也都配 有铁水预处理站； 2 ) 以生产棒材为主的3 0 t 以下中小型转炉工厂。一般配有钢包吹氩、喂线、合 金成分微调的综合精炼站，并越来越重视钢水温度补偿技术的开发和应用； 3 ) 电炉工厂的精炼站也有三种模式，即：生产不锈钢、带、棒、线材的工厂， 一般均采用a o d 精炼方式，或者匹配l f 炉或v o d v a d 炉。非不锈类的合金钢生 产厂，一般配有以l f v 炉为核心的多功能复合精炼装置。普钢和低合金钢生产厂则 配有以l f 炉为核心的多功能复合精炼装置。 1 2l f 钢包精炼炉精炼工艺条件及处理特性 1 2 1 实施l f 炉精炼工艺的必要条件嘲 为了获得l f 钢包精炼炉对钢液进行加热及还原精炼的最佳效果，必须考虑下列 潜在不利条件：出钢带渣，钢包耐火材料选择，钢水与空气接触等。 ( 1 ) 无渣出钢 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 l f 炉使用气体搅拌钢水，应尽可能减少初炼炉出钢带渣量。因为初炼炉炉渣含有 f e o 、s i 0 2 、p 2 0 3 和m _ n o 等氧化物和氢，这些活性氧化物不稳定，在搅拌过程中与 钢水混合，会导致回磷，此外还会增加钢中的氧活度，影响脱硫精炼效果。目前已开 发出多种挡渣技术，可消除或把钢包内氧化渣降至最低，如挡渣帽、挡渣塞、滑动水 口出钢、偏心炉底出钢( e b t ) 、气动挡渣等。 圆钢包耐火材料 钢包耐火材料含有不同量的s i 0 2 、f e o 、碱金属和h 2 。当这些氧化物与脱氧后的 钢水接触时，显得很不稳定，如果含量较大，就会造成类似初炼炉炉渣的有害作用。 l f 炉精炼工艺要达到最佳效果，包衬至少应由7 0 a 1 2 0 3 耐火砖砌筑，并且使用时应 将其预热到1 0 9 0 。c ，以使精炼处理过程中钢水温度损失和结渣最少，当精炼超低硫钢 ( s ( 0 0 0 2 ) 和超纯净钢时，应使用白云石或碱性包衬，至少渣线应该采用碱性耐 火材料，以避免造渣和加热侵蚀。 6 ) 隔绝空气 l f 炉精炼过程中向钢包加入特殊配比的合成渣料，在电弧加热下熔化成液态渣， 对钢液起到绝热、保温的目的及防止钢水的二次氧化。电弧加热过程电极周围空气中 的水分子，氮气极易电离而进入钢液使气体含量增加，通过渣层覆盖钢液，可以有效 地防止吸入气体。 1 2 2l f 炉精炼处理特性 1 i 9l f 包内搅拌特性 3 】 l f 炉精炼法采用气体搅拌，气体搅拌形式有三种： 1 ) 由一个或多个透气砖组成的钢包底吹方式； 2 ) 用风嘴或埋入式喷枪组成的顶吹搅拌方式； 3 ) 项底复合吹气搅拌方式。 目前，普遍采用第一种形式，顶吹喷枪搅拌正在普及中，第三种复合式是发展方 向。搅拌气体通常使用氩气，n 2 的使用取决于所炼的钢种。 神户制钢所在2 4 0 吨l f 炉顶吹氩条件下的均匀化特性、物质传输特性与a s e a s k f 比较得出： 1 ) 成分均匀化特性 在1 ：1 3 的水模型装置上，添加示踪剂_ k c l ，测定均匀混合时间t 。l f 炉上 试验，添加c u o 2 k g t 连续取样，测定浓度无变化的时间，得到均匀混合时间t 和搅拌 功率值e 的关系。和用电磁搅拌的a s e a - - s k f 法相比，顶吹氩气搅拌l f 炉法的均 匀化时间t 略大。 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 2 ) 渣金之间物质传递特性 水模型装置同上，在水面上添加经浸泡的发泡苯乙烯，测定浸泡物质在水中的浓 度。采用顶吹氩搅拌的l f 炉与a s e a - - s k f 炉相比，尽管均匀混合特性略低，但渣 金之间物质移动特性极为优越，对进行渣精炼有利。同时说明顶吹氩l f 炉比底吹l f 炉更合理。 2 、l f 炉合成精炼渣的特性【4 】 l f 炉精炼过程中向钢包j j n , , k n 殊配比的合成渣料，在电弧加热下熔化成液态渣， 达到进一步精炼钢液，绝热保温的目的，其冶金作用如下。 1 ) 采用高碱度，高还原性渣料可以迸步脱除钢中硫，氧。由于在l f 炉精炼中 采用底部吹氩搅拌，增加了渣一钢接触面积和机会，可获得满意的效果。 2 ) 保护包衬，提高热效率。合成渣料熔化成渣后形成部分泡沫渣，可对电弧进 行埋弧加热操作，减轻了电弧对包衬，包盖耐火材料的损坏。 3 ) 捕捉钢中夹杂物，净化钢液。l f 炉通过底部吹氩搅拌，促使钢中夹杂物聚集 上浮，与合成渣接触并被其吸收，可以精炼出超纯净钢液。 4 ) 隔绝空气，防止钢液吸收气体。电弧加热过程电极周围空气中的水分子，氮 气极易电离而进入钢液使气体含量增加，通过渣层覆盖钢液，可以有效地防止吸入气 体。 3 、l f 钢包耐火材料侵蚀恻 a h 0 3 浓度高的低熔点渣对钢包侵蚀较大。由于电弧加热，钢包耐火材料侵蚀增 加，渣线部位必须使用m g o c 砖。减少钢包侵蚀的措施还有： 1 ) 制渣过热： 2 ) 使用抑制m g o 析出的渣系； 3 ) 埋弧操作过程中防止闪弧造成的局部侵蚀； 为了实现( 1 ) ，( 3 ) 点，在供电负荷及适当气体搅拌的同时，渣的低熔点化， 低粘性化是必要的。但低熔点，低粘性的渣通常被认为是加剧耐火材料侵蚀的。所以， 在一般使用的渣系( c a o - - a 1 2 0 3 一s i 0 2 ) 中加入一定量的m g o ( 6 1 0 渣量) ，既 抑制了对耐火材料的侵蚀，又组成了低熔点的渣。这就使得高功率操作成为可能，同 时渣线耐火材料被侵蚀的速度大幅度下降，提高了包衬的使用寿命。 4 、埋弧加热特性 在连铸生产中，由于钢包具有加热功能，在嫉钢炉与连铸机之间充当了缓冲器， 所以提高了生产率。为了提高l f 炉的加热效率，保护钢包和包衬耐火材料，采用埋 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 弧加热方式，加热速度随着时间的增加而增加。使用低熔点、高流动性的渣，可以得 到4 。c m i n 以上的加热速度例。 为了提高加热速度，除增大电力负荷外，造适于埋弧加热的渣也是必要的。埋弧 渣属于l f 的配套技术，可以显著改善l f 精炼的技术经济指标，绘企业带来较大的经 济效益。 埋弧精炼可以有两种方法： 1 ) 增加渣量，提高渣厚达到埋弧精炼的目的。 2 ) 通过加入发泡剂，使基础渣体积膨胀，厚度增加，达到埋弧精炼的目的 5 1 。 1 3l f 炉的精炼功能 l f 炉精炼主要是靠钢包内的白渣或制造的高碱度还原渣，在低氧的气氛中，由包 底吹入惰性气体( 一般为氩气) 进行搅拌，并由石墨电极对经过初炼炉的钢水加热而 进行脱氧、脱硫、合金化等冶金反应来精炼钢液。氩气搅拌能使钢液与精炼渣充分接 触，加速渣一钢之间的化学反应，促进钢液温度和合金成分的均匀化，保证钢液成分、 温度满足浇注工序温度及产品质量的要求。l f 炉用电弧加热进行温度补偿，可以保证 较长时间的精炼时间，从而可使钢中的氧、硫含量降低( 可达到1 0 p p m 以下) 。发明 者称l f 炉是a s e a s k f ，v a d ，v o d 的改进型设备，l f 和a s e a s k f ，v a d ， v o d 等精炼法比较见表1 1 。 表1 1l f 与a s e a s k f 、v a d 、v o d 精炼方法的比较 项目lf a s e a - s k fv a dv o d 渣洗 真空 精炼 搅拌 手段 喷吹 加热 主要脱气 冶金脱氧 功能去除夹杂 控制夹杂物形态 脱硫 合金化 7 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 调温 脱碳 + 注：符号+ 表示可以添加的手段及能取得的冶金功能 l f 增设真空手段后被称为l f v ，它具备与s k f 相同的精炼手段和冶金功能 l f 炉的几大精炼功能是互相影响、互相依从与互相促进的，如图1 1 所示。 图1 1l f 炉精炼功能的关系 炉内的还原气氛和在加热条件下的钢液搅拌，提高了炉渣的精炼能力，创造了一 个理想的炼钢环境。 1 4 国内、外l f 精炼炉发展概述 1 4 1 国外l f 精炼炉的发展 自1 9 7 1 年日本大同特殊钢公司在瑞典a s e a 公司和s k f 公司开发a s e a - - s k f 精炼炉的基础上研制出l f 钢包精炼炉以来，l f 钢包精炼炉以其所具有的加热和渣精 炼功能、投资较少、冶炼钢种广泛、精炼成本较低等优点发展很快a1 9 8 5 年以后，l f 炉就已经超过了a s e a - - s k f 炉的台数。据资料表明，日本1 1 家主要电炉厂生产的 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 4 6 9 4 万吨钢中，5 3 9 经过l f + r h 精炼。西欧，美国，加拿大发展也较快，仅美国 1 9 8 9 - - - 1 9 9 0 年就建成l f 炉9 台。近年来，l f 炉在新建的炉外精炼设备中占有很大比 重，是有发展前途的炉外精炼方法【6 】。 l f 炉是以电弧加热为主要技术特征的炉外精炼方法，包括电极系统、加料系统、 吹氩搅拌系统、喂线系统、炉盖冷却水系统( 有的没有冷却系统) 、除尘系统、测温取 样系统、钢包及钢包车控制系统。从电极加热方式可分为交流钢包炉和直流钢包炉。 目前国内基本上是用交流钢包炉。对于小容量钢包炉( 5 0 t 以下) 采用交流形式会加重包 衬的热负荷，钢包寿命大幅度下降，宜采用直流形式。 l f 精炼炉以其简单的操作工艺和良好的精炼效果而成为炉外精炼的主要手段。它 可以与氧气转炉及电炉配合使用，对钢液进行还原精炼，提高钢的质量，扩大生产线 的产品种类，同时可以对钢液进行调质、调温处理，较长时间的保存钢液，协调初炼 炉与连铸机间的生产节奏，从而成为冶金过程中十分必要的一个工艺环节 ”。 1 4 2 国内l f 精炼炉发展概述 1 、武钢l f 炉工艺研究【8 】 通过武汉钢铁公司对9 0 吨u h p ，l f 炉工艺研究表明： 1 ) 包粗调合金、脱硫情况与分析 9 0 吨u h p 电炉成分粗调，在炉后钢包中进行。对要求探伤的，需要铁合金多的 品种钢，要求在出钢前3 0 分钟，将烘烤的钢包开至出钢位按顺序将石灰，萤石( 或 脱硫剂) 及总量7 0 的铁合金加入包底后立即返回钢包加热位，继续加热。一般按中 下限加入铁合金。为稳定所调成分，提高铁合金的回收率，要求严格防止炉内氧化渣 进入钢包并加强包内原始钢液的脱氧( 1 3 0 - - 1 5 0 k g a l 炉脱氧) 。对不留钢，不留渣及 直接模注的炉号，在出钢前，取完出钢样后，立即往炉内加入一批s i c 粉脱氧。当出 钢成分，温度合适时，对钢液进行预脱氧，将锰调至o 3 。9 0 吨u h p 电炉炉后钢包 铁合金回收率统计表明，钢包粗调成分铁合金回收率波动范围大，这与氧化渣进入钢 包等因素有关。f 拿一s i 平均收得率为7 5 ，f p 讹平均收得率为9 0 ，f f 为 弱脱氧剂，其脱氧产物m n o 表面张力较大，能大部分上浮进入钢包顶渣，经铝脱氧 后，钢包渣( 包括部分氧化渣) 中m n o 很容易被铝还原，致使f e 最高收得率 达1 3 2 ，而f e s i 为较强脱氧剂比重轻，当大量氧化渣进入钢包后，很容易被渣包 裹而氧化烧损，致使f e s i 收得率最低仅为3 9 。 2 ) 成渣的物化性质、顶渣料成分的选择 为了获得好的脱硫效果，并能减少钢中非金属夹杂物，渣必须具有强的脱硫能力， 硫的分配系数高，能迅速溶化并能很快被钢液乳化以增加钢渣接触面积，由于偏心底 9 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 出钢时间短，因此要求合成渣的溶化速度高，流动性好，钢包内已反应的乳化渣滴要 能上浮排除，要求合成渣具有一定的界面张力与钢液的黏附力要小。渣的物化性质主 要决定于渣的化学成分。渣的脱硫能力，可用硫在渣钢间硫的分配比( s ) 【s 来表示。 用固体渣料处理钢液时，脱硫能力的主要反应为( c a o ) + f e s = ( c a s ) + f f e o ) 。硫的分 配系数可用下式近似计算：( s ) s = k s ( c a o ) d f f e o ) 。 ( c a 0 ) 自自= ( c a s ) + 5 6 4 0 ( m g o ) = 2 + 5 6 6 0 ( s i 0 2 ) 2 5 6 1 0 2 ( a 1 2 0 3 ) 可见，为了脱硫，合成渣必须具有高的碱度和低的f e o 。纯c a o 的熔点高达2 6 0 0 ，而渣料的熔点应低于钢的熔化温度才能有利于在出钢的短时间内迅速熔化成液体 渣被钢流乳化，为降低c a o 熔点可加入一些稀渣剂。降低c a o 熔点，加速石灰熔化 并提高炉渣流动性可加入c a f 2 、址0 3 、s i 0 2 、m g o 、f e o 等。一般主要用c a f 2 和 a 1 2 0 3 。常用合成渣系多为c a o - - c a f 2 ，c a o - - - a 1 2 0 3 和c a p a j 2 0 3 c a f 2 。对c a 口一 c a f 2 渣系，c a f 2 含量大于2 0 以后渣的熔点明显降低，c a f 2 含量为2 0 一3 0 时渣的 熔点在1 5 0 0 - - 1 4 0 0 。c ，因此，钢包中用c a o - - c a f 2 渣处理钢液时，渣料中c a f 2 含量 应大于2 0 。武汉钢铁9 0 吨钢包合成渣由8 0 的石灰和2 0 的萤石组成，这种渣熔 点低、流动性好，在渣量合适，脱氧良好的情况下，渣的脱硫效果较好。 3 ) 包中钢渣含氧量 为了提高钢包合成渣的脱硫率，极为重要的是防止炉内大量氧化渣随钢液进入钢 包，一旦合成渣与炉内氧化渣混合，使渣中氧化铁( f e o ) 增加，钢中 s 】含量明显增 加，脱硫效率将显著降低。当( f e o ) 含量由o 5 增加到1 o ，l s 值将降低一半。为了 提高钢包合成渣的脱硫能力，必须对钢液进行充分的脱氧。这一方面是由于脱氧元素 a 1 、s i 等能提高钢液中硫的活度，有利于脱硫；另一方面由于脱硫是钢渣界面反应， 硫和氧均是表面滑f 生元素，若钢液中含氧量过高，则钢液与脱硫渣的接触面会被覆盖， 使脱硫反应受到抑制，不易脱硫。若钢液已被很好脱氧，当钢中氧含量降至定水平 后( ( o o l ) ，接触面吸附的硫将超过吸附的氧，使脱硫速度及脱硫程度显著提高。 另外，钢中残余脱氧元素能与脱硫反应生成( f e o ) 作用，从而有利脱硫。一般硫的 分配比随钢中铝的含量增加而增加，因此控制钢中一定的酸溶铝有利提高脱硫。为此， 武汉钢铁9 0 吨u h p 电炉钢包中脱氧铝用量经计算做了适当调整，这样既有利于提高 钢包合成渣的脱硫能力，防止大包溢渣事故的发生，又能在一定程度上提高钢包粗调 铁合金的回收率。 4 ) 钢渣混冲时间 1 0 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 脱硫是钢渣界面反应，搅拌强度愈高、钢渣接触面愈大、脱硫越快、越充分，偏 心底出钢，钢渣混冲高度不够，混冲时间短，渣的脱硫能力未能充分发挥。为此，工 艺要求出钢时吹氩搅拌，以促进脱硫反应的充分进行，并有利渣和夹杂物的上浮。 5 ) 钢包渣量 根据脱硫率q s 与渣量u 的关系式o s = 0 0 1 u * l s ( 1 + 0 0 1 u * l s ) * 1 0 0 表明要获得高 的脱硫率必须有足够的渣量。渣量适当地大有利于脱硫，但采用大渣量必须考虑钢液 的温降。 6 ) l f 钢包炉脱氧 一般钢是用一定数量的s i c 粉和f e s i 粉脱氧，交替加入脱氧剂使渣呈泡沫并有 良好的还原气氛。对品种钢为强化脱氧，整个精炼期加一定数量的c a - s i 粉并在精炼 中期加入一定数量的颗粒状电石粒( 粒度l o - - - 3 0 m m ) 脱氧。为保持还原气氛，要求 炉盖盖严。视渣况适时补加渣料( c a o ：c a f 2 = 4 ：1 ) 。要求l f 钢包总渣量为钢水量 的1 。当渣的成分因氧化渣多，不易变白时，可再补加少量电石粒或铝粉脱氧，使 渣迅速变白。为保证脱氧良好，整个精炼期必须始终吹氩搅拌，其吹氩强度以不裸露， 渣呈蠕动为宜。白渣保持时间不少于2 5 分钟，总精炼时间在4 0 分钟以上。 7 ) l f 炉脱硫 l f 钢包炉脱硫效果主要取决于钢包顶渣的碱度，钢液脱氧前含氧量，加入脱氧剂 强弱及脱氧剂量及吹氩搅拌强度及总精炼和白渣保持时间。本l f 炉脱硫率平均为4 2 - - 5 1 ，说明l f 炉脱硫能力有限，其工艺有待完善。鉴于此，对品种钢要求9 0 吨 u h p 电炉出钢硫必须( o 0 3 0 ，一般钢出钢硫( 0 0 4 0 ，对个别炉号由于精炼时间太 短、大量氧化渣进入铜包，使l f 炉渣中( f e o ) 含量高、吹氩透气砖堵塞、氩气管道 漏气，致使搅拌差，均使渣很难变白，导致脱硫率太低，仅为3 8 。 2 、莱钢l f 炉工艺研究 9 1 通过菜钢对5 0 吨钢包炉用精炼渣的研制表明： 1 ) 工艺流程 原料准备一破碎一筛分一称量一混合一烘干一包装一入库 2 ) 渣系选择 l f 炉中冶金反应过程是在钢渣界面之间进行，炉渣的性能直接影响冶炼效果和钢 的质量。因此，精炼渣要求具备脱氧、脱硫、发泡、吸附夹杂物的能力。目前c a o a 1 2 0 3 - - s 1 0 2 系广泛应用于精炼过程。此渣系虽脱氧、脱硫效果好，但发泡功能较差， 故现在不少厂家采用c a p a 1 2 0 3 - - s i 0 2 - - m g o 渣系，其精炼效果较好，莱钢研制的 精炼渣即以此渣系为基础。 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 3 ) 渣子碱度设计 该厂所用外购精炼渣，由于碱度偏低( i 戡0 左右) ，发泡、埋弧效果差，冶炼 电耗高，对包衬侵蚀严重。为了提高脱氧、脱硫能力，减轻包衬侵蚀，应适当提高碱 度，故选择价格比较便宜的萤石为熔剂，炉渣碱度r 和c a f 2 含量对硫的分配有较大 的影响，当r 3 0 时，随r 增加，l s 下降；当c a f 2 小于1 0 时，提高c a f 2 用量，l s 上升。少量使用m g o ，可降低s i 0 2 活度，提高l s 并起到保护包衬的作用，渣中a 1 2 0 3 能改善渣的流动性，提高脱硫能力，但a 1 2 0 3 含 量过多会降低碱度，影响发泡脱硫效果。实践证明，精炼渣碱度r 在2 5 3 0 范围内 炉渣既有良好的脱氧、脱硫能力，又有较好的吸附夹杂物的能力，所以普通钢种渣子 碱度在2 5 _ 3 0 之间是比较合适的。对轴承钢来说，精炼渣碱度在4 o 一嗡0 之间，对 降低钢中氧含量和非金属夹杂物较有利。一般钢种和轴承钢精炼渣化学成分及原料配 比见表1 2 、1 3 。 表1 2 一般钢种和轴承钢精炼渣化学成分比较 表1 3 一般钢种和轴承钢精炼渣原料配比比较 4 ) 精炼渣的使用效果 5 0 吨l f 炉使用上述原料配比的精炼渣，共冶炼合金、优碳、锚链、轴承等钢种 1 3 3 4 炉，从3 个月的使用效果看，该精炼渣发泡埋弧、脱氧、脱硫效果良好，l f 冶 炼电耗及时间明显降低，包衬寿命稳定提高，其综合性能质量明显优于外购精炼渣， 达到了预期的目的，具体精炼数据见表1 4 。 表1 4自产与外购精炼渣精炼参数对比 随着纯净钢生产技术和连铸技术的发展以及市场对钢材质量要求的不断提高，l f 辽宁科技大学工程顼士论文第一章绪论 炉迅速地发展起来，精炼比逐年增加。自1 9 8 1 年上钢五厂第一座国产4 0 t l f 炉投产以 来，全国己有2 0 余座l f 或l f v 精炼炉投入工业生产【3 ，其中最小的1 0 t ，最大的1 5 0 t 。 l f 炉所处理的钢种几乎涉及从特钢到普钢的所有钢种。尽管如此，我国的精炼比和连 铸比相比还有较大的差距，精炼还没有跟上连铸发展的步伐。1 9 9 8 年全国粗钢精炼比 仍只有2 0 左右嘲，而同年发达国家则达8 0 。1 9 9 0 - - - 1 9 9 8 年我国连铸比和精炼比比 较见表1 5 。 表1 5 我国连铸比和精炼比 l f 炉生产中可视质量控制的需要，采用多种不同的工艺操作制度。设计中可按 产品需要进行不同配套组合，满足最终产品质量控制的要求。在组合精炼工艺中， l f + v d 应用较广，是一种发展较为成熟的组合工艺。 国内典型钢厂l f 处理的钢种及配置情况见表1 6 1 0 ： 表1 6 国内典型钢厂l f 相关参数和生产的钢种 厂名 升温速 l f 容变压器容电极直 处理周喂丝机 生产钢种 度 量量m 虾，径，m m期t m i n布置 。c r a i n 油井管，高压锅炉管， 宝钢 中低压锅炉管，一般 电炉厂 管线钢等 硬线钢，弹簧钢， 武钢 重轨钢，低合金钢， 一炼钢厂 焊丝，冷镦钢 普碳钢，低合金钢， 攀钢 优碳钢，深冲钢等 弹簧钢，调质钢， 上钢五厂 高压锅炉管钢 包钢 重轨钢，管线钢， 2 5 1 0在线 1 0 0 1 84 0 04 - 53 6在线 1 2 02 04 0 0 3 5 4 5 2 4 - 3 4 离线 3 0离线 3 3 3 5离线 一 伽 n 体 啪h 眦 辽宁科技大学工程硕士论文第一章绪论 注：( 1 ) 张家港润忠公司、南京钢厂为l f 炉在线布置，其余钢厂为离线布置 ( 2 ) 表中所列钢厂l f 炉均有底吹氩搅拌。 我国职炉主体设备与世界先进水平比较见表1 7 。 表1 7 我国l f 炉主体设备与世界先进水平比较 序号 项目世界先进水平 中国 1 2 单位功率 电极夹持器 3炉盖 4电极升降控制 最大 全水冷水套式拉链，结构精巧 管式水冷双层结构简洁 抽烟，确保炉内正压 根据分钢种精炼模型，通 过计算机自动控制 最大 鄂式板水冷式拉链，结构笨重 砌砖炉盖，无集烟罩， 未解决除尘问题 根据要求的加热功率确 定电流强度，自动控制， 部分厂为手动 5 变压器二次 全自动有载调档 多数人工无载调档 全自动有载调档 多数人工无载诃档 电压调档 由表1 3 可见，我国l f 炉主体设备与世界先进水平比较还有较大差距a 1 4 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 1 5l f 炉的精炼工艺及效果 ( 1 ) l f 基本精炼工艺的实现 初炼炉氧化末期的钢水出钢时，要尽可能减少下渣量，以便最大限度减弱钢包顶 渣的氧化性。至l f 炉工位后，加还原渣料及脱氧剂，进行还原精炼，精炼末期可加合 金调成分。钢液温度与成分能严格控制。精炼时间结合进站钢水成分、温度以及初炼 炉和连铸工序的周期要求而定。若适当增加加热下的搅拌时间、渣量及搅拌功率，初 炼炉出钢时尽可能做到除尽氧化渣，则可在精炼中进一步降低钢中的氧、硫含量，增 加钢液的洁净度。 l f 炉还可配置真空手段，精炼中加热与真空交替进行，可有效降低钢液中气体含 量，在高碱度还原渣和还原性气氛下扩散脱氧及强搅拌工艺，可使钢中氧含量有很大 程度的降低，甚至可生产冶炼时不能采用任何金属脱氧剂的钢种，如发电机转子用的 铸件等。不同的钢种，可以充分运用l f 炉的还原气氛控制、电弧埋弧加热、吹氩搅拌、 白渣精炼、造渣、成分和温度的微调等功能的不同组合，实施不同的精炼工艺，从而 达到高效、优质、低耗的精炼效果。许多高级钢种的l f 炉精炼需要结合真空系统( 即 l f v ) 或者和v d ，r h 等真空精炼设备联合。 基本工艺如图1 2 所示： 图1 2l f 炉基本工艺流程 这种工艺是用来生产一般纯净钢的，精炼时间大约为3 0 - - q o m i n ，接近电炉还原 期时间，用此种方法处理的钢产量最大。对于生产超洁钢而言，必须采用真空手段加 强脱气。 f 2 ) l f 炉精炼效果 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 l f 炉具备以下冶金效果：( 1 ) 脱氧：( 2 ) 脱硫；( 3 ) 去除夹杂；( 4 ) 成分和 温度调整控制。l f 精炼方法可达到的纯洁度如表1 8 所示。 表1 8l f 精炼方法可达到的纯洁度 经过l f 处理的钢可达到很高的质量水平； 1 ) 脱硫率可达5 0 纠o ，可生产出硫含量0 0 1 的钢。如果处理时间充分， 甚至可达到硫含量0 0 0 5 的水平。 2 ) 可生产高纯度钢，钢中夹杂物总量可降低5 0 ，大颗粒夹杂物几乎全部能去 除；钢中含氧量可达到1 0 - - 3 0 p p m ， 3 ) 成分控制精度高，可以生产出诸如 c 士0 0 1 、 s i 士o 0 2 、呻】土o 0 2 等元 素含量范围很窄的钢。 4 ) l f 炉精炼对钢水成分的影晌 除能脱氧、脱硫等有利影响外，由于操作不当或工艺中的不足，往往容易造成以 下不利影响： 1 ) 增碳，由于石墨电极加热和造渣材料中含碳造成； 2 ) 增氮，主要与电弧加热、吹氩不当以及炉渣发泡不良造成钢液裸露有关； 3 ) 增氢，与渣脱氧、h 2 0 含量以及初始氢含量有关； 4 ) 回磷，主要由于脱氧引起； 5 ) 铝、硅损失，由于脱氧反应，使铝、硅会有损失。 1 6 本课题研究意义、目的及主要内容 1 6 1 本课题研究意义、目的 随着冶金技术的发展，用户对于钢的质量的要求越来越高，对钢中硫含量的要求 也越来越严。炉外精炼是生产优质钢、纯净钢必不可少的环节，寻求合理的精炼制度， 改造现有的精炼渣系是推动我国钢铁企业发展的必要手段。l f 炉是生产超低硫钢种的 有效精炼设备之一。如何在现有的设备技术水平和原材料的条件下，合理优化工艺参 数和操作制度，以达到快速脱硫的目的，有效地提高生产效率和降低生产成本。 本文针对鞍钢第二炼钢厂2 0 0 t 工位l f 炉钢包精炼炉，在对脱硫的热力学及动力 学分析的基础上，在现有的设备技术水平和原材料的条件下，对工艺参数及操作制度 1 6 辽宁科技大学工程硕士论文第一章绪论 进行了优化，即通过控制渣系组成、合成渣的添入顺序、添入时间、添入量等以达到 快速脱硫的目的。有助于实现l f 炉生产工序及整个炼钢车间生产的高产、优质、低 成本。 1 6 2 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 合成精炼渣系组成对脱硫效果的影响 ( 2 ) 精炼工艺操作制度对脱硫效果的影响 i ) 造渣制度对脱硫的影响 2 ) 加料制度对脱硫的影响 3 ) 吹氩制度对脱硫的影响 4 ) 升温制度对脱硫的影响 5 ) 精炼时间对脱硫的影晌 辽宁科技大学工程硕士论文 第二章l f 精炼炉脱硫的基本理论 第二章l f 精炼炉脱硫的基本理论 2 1 硫在钢中的危害性 硫是钢中常见的有害元素之一，对钢材性能有诸多不利影响。钢铁冶金中硫主要 来自燃料和矿石，由于它对金属材料的危害，使a 莞硫任务成为冶金行业的首要任务。 在生产中可以采取相应的措施脱除钢中的硫，达到生产和使用的要求。 ( 1 ) 热脆。即钢中含 s o 0 8 时，在不j j l i l m n 的情况下凝固时，在晶界 产生低熔点的共晶化合物f e o f e s ( 熔点为9 4 0 ) ，高浓度的氧加速了它的形成。 其熔点远低于轧、锻