炉外精炼论文 0945562124 田国建.docx

炉外精炼论文 炉外精炼论文 题 目 LF精炼过程钢中硫、磷、氮、氧含量控制及非金属夹杂物的行为研究学 生 田国建指导教师 卓伟伟班 级 冶金一班学 号 0945562124 学 院 冶金与材料工程学院 LF精炼过程钢中硫、磷、氮、氧含量控制及非金属夹杂物的行为研究 田国建（江苏科技大学 冶金与材料学院 0945562124 ）摘要：主要介绍转炉钢水过LF精炼时，钢水中硫、磷、氮、氧含量的控制以及非金属夹杂物的行为研究。进而通过对工艺的优化和完善，在生产中提高LF精炼炉的精炼效果，提高钢水纯净度。关键词：LF精炼；脱硫；脱磷；氮、氧含量；非金属夹杂物Abstract:The paper discusses the control of the conten of sulfur/phosphorus/nitrogen/oxygen and the behavior of non-metallic inclusions during the process of LF treatment.By optimizing the process,better refining effect and molten purity are obtained.Key words:LF refining;desulfurization; nitrogen/oxygen conten;dephosphorization;non-metallic inclusions1引言：钢材的质量及性能是根据需要而确定的，不同的需要，要有不同的元素含量。硫；是钢中的有害杂物，含硫较高的钢在高温进行压力加工时，容易脆裂，通常叫做热脆性。磷；能使钢的可塑性及韧性明显下降，特别的在低温下更为严重，这种现象叫做冷脆性。通常情况下，氮被视为钢中的有害元素，而氧元素主要以氧化物系非金属夹杂物的形式存在于钢中。减少LF炉精炼工艺过程钢液增氧、去除钢中氢含量是生产优质钢的关键环节。此外，控制钢中夹杂物是提高钢材使用性能的有效途径。2 转炉LF精炼脱硫与脱磷2.1脱硫2.11脱硫方法硫是钢中的长存元素之一,它会使大多数钢种的加工性能和使用性能变坏,因此除了少数易切削钢种外,它是需要在冶炼中脱除的有害元素。硫在钢中以FeS形式存在,常以S表示。钢中含锰高时,还会有一定的MnS存在。目前炼钢生产中能有效脱除钢中硫的方法有碱性氧化渣脱硫、碱性还原渣脱硫和钢中元素脱硫三种。2.1.2 脱硫影响因素脱硫影响因素与碱性氧化渣脱硫不同,LF碱性还原渣脱硫反应方程式为:FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO) (1) MnS+(CaO)=(CaS)+(MnO) (2)由于钢中的S大部分以FeS形式存在,因此脱硫反应主要以式(1)为主。从式中可以发现,影响脱硫的主要因数有:炉渣中(CaO)的含量,即碱度高低的影响;炉渣中(FeO)含量;该反应是渣钢界面反应,炉渣流动性影响;渣量的影响等。具体如下：由脱硫的反应式可见,渣中含有(CaO)是脱硫的首要条件,由于酸性渣中的(CaO)全部被(SiO2)所结合而无脱硫能力,所以脱硫要在碱性渣下才能进行。随着碱度的增大,渣中自由的(CaO)含量增多,炉渣的脱硫能力增大。但碱度过高会引起炉渣的黏度增大,恶化双相反应的动力学条件而不利于脱硫反应的进行。生产经验表明,炉渣碱度2.5-3.5时,脱硫效果最好。炉渣碱度与硫的分配系数Ls的关系如图1所示。渣中(FeO)的含量。在LF精炼造渣过程中,随着扩散脱氧的进行,渣中(FeO)的含量逐渐降低。从脱硫反应式(1)中可以看出,渣中氧化铁(FeO)含量的降低有利于脱硫反应向右进行。在还原气氛下,只要保持炉渣具有较高的碱度脱硫效果就极为显著,这表明了脱硫与脱氧的一致性。因此在冶炼过程中,脱氧越完全,对脱硫也越有利。同时炉渣中(FeO)+(MnO)含量%与硫的分配系数有以下关系,(FeO)+(MnO)含量%越高,硫的分配系数越低(参见图2)。由于该反应是渣钢界面反应,只有保持流动性良好的炉渣,保证钢渣界面传递畅通无阻,才能使得反应向脱硫方向进行。因此在精炼过程中必须保持全程良好的炉渣流动性。在保证炉渣碱度的条件下,适当加大渣量可以稀释渣中脱硫产物(CaO)的浓度,对去硫有利;但渣量过大时会使渣层变厚,脱硫反应不活泼,钢液中的硫并不随渣量的增加而按比例下降。一般渣量控制在3%-5%较为合理。2.2脱磷2.2.1磷元素转化趋势分析炼钢过程中,钢水中磷进入炉渣有两种方式,即氧化脱磷和还原脱磷,如图1所示.当体系氧势高于某一临界值,磷元素以P5+形式进入炉渣(氧化脱磷),并且氧势越高,进入炉渣的磷元素越多,氧势减小,渣中磷将返回钢中(回磷);当体系氧势等于这一临界值时,氧化脱磷和还原脱磷的趋势相同;当体系氧势低于临界值,磷元素将主要以P3-形式进入炉渣(还原脱磷),并且体系氧势越低该过程越易进行.考虑到碱性渣中主要的阳离子是Ca2+,若发生氧化脱磷,则脱磷产物为3CaOP2O5或4CaOP2O5,若发生还原脱磷,则脱磷产物为Ca3P2。2.2.2 LF精炼过程还原脱硫的可能性分析LF精炼是对钢水脱氧后开始的.宝钢EAF出钢过程进行脱氧,BOF是在RH内脱氧合金化,所以钢水进入LF工位时,钢水中的溶解氧含量已经于3010-5,在LF精炼过程中向渣内加入扩散脱氧剂,使渣中氧和钢中氧迅速下降,致使LF精炼后期,钢水中溶w(O)/%已经小于100-3,渣中FeO质量分数为0105%,当采用钡系脱氧剂时,钢中氧w(O)/%可达到2010-43010-4,渣中FeO质量分数小于004%.LF精炼终点典型炉渣化学成分见表3.经试验研究，在LF内热力学上具备了还原脱磷的条件。另外，LF精炼过程具有较高的温度，采用还原脱磷优于氧化脱磷.在较高温度下，采用铝钙合金，可以避免钙的过分气化损失.LF炉内衬采用镁质耐火材料，使还原脱磷剂对炉衬的侵蚀减小到最低.所以，在LF精炼过程中进行还原脱磷是可行的，并可同时降低钢中硫含量。3 LF精炼过程中氮、氧元素含量的控制研究3.1 钢中氮氧含量在各个工序中的变化3.1.1钢中氮含量在各个工序中的变化图1列出各工序钢中氮含量的变化情况，其中20号、45号钢在出钢、LF炉精炼和浇注过程氮含量有所增加，而普通船板钢氮含量略有增加。3.1.2 钢中氧含量在各个工序中的变化由图3中看出45号、20号、普通船板钢3个钢种经过转炉出钢到形成铸坯的整个过程，钢中全氧含量逐步下降，且LF炉精炼过程对减少钢中全氧含量(即夹杂物含量)的作用十分显著，LF炉精炼成为脱氧控制的关键环节。上述3个钢种酸溶铝含量均小于0.005%，钢的脱氧由Si控制。LF炉精炼通过造渣、吹氛制度控制钢的脱氧水平。在钢水浇注到中间罐、结晶器的过程，钢中O呈现出明显的下降趋势，即夹杂物上浮脱离钢水。从LF炉搬出到浇注到中间罐、结晶器内，随温度下降，钢水中溶解的氧析出，在中间罐、结晶器内与钢中的脱氧元素结合形成夹杂物上浮去除。在洁净钢的生产中，控制好LF炉搬出钢水温度和中间罐内钢水温度，在中间罐、结晶器内创造有利于夹杂物上浮的条件，提高钢水的洁净度。3.2 LF精炼过程减少钢水增氮、降低钢中全氧含量3.2.1 LF精炼过程减少钢水增氮LF炉实施泡沫渣工艺可以减少精炼过程钢水增氮。在高强船板钢上做了巧炉泡沫渣试验。每炉试验在电极加热期间加人两批发泡剂，间隔7min。在钢水搬人LF炉和搬出LF炉时取钢样，分析钢中氮、氧、酸溶铝含量。钢水增氮量为(1一13) x 10-6，平均增氮5.27 x 10-6。未采用泡沫渣工艺时钢水增氮0一20 x 10-6，平均增氮6.43x 10-6。对严格控制钢中氮含量的钢种应根据加热和精炼时间的长短加人3 - 4批发泡剂，精炼中间不加铝。生产低氮含量钢应在LF精炼后期喂线加铝、钦;需要真空处理的钢种，应在真空下通过合金加人装置在破真空前Smin加人铝、钦。3.2.2降低钢中全氧含量实施炉外精炼以后，转炉出钢后的钢水罐内脱氧操作对钢水净化作用大大减弱，LF炉精炼操作显著地改善了钢水的洁净度。根据钢种的不同，在LF炉内造碱度不同的顶渣，即使碱度在1.0-1.5的情况下，Si含量也提高了脱氧能力，钢水中全氧含量明显降低，见表44 LF精炼过程中非金属夹杂物的行为研究4.1 实验探究H13钢是热作模具钢中应用最广泛的钢种之一，夹杂物对其性能有严重危害结合某钢厂生产实际情况，以现场取样为基础，用金相显微镜、扫描电镜系统地研究了LF-VD精炼过程中的夹杂物，计算和分析了H13钢冶炼过程中生成AL2O3 、Mg0 . A1203类夹杂物的热力学条件研究结果表明:钢液经LF精炼,VD处理后，钢中夹杂物的数量和面积明显减少，但随着炉渣中A 1203活度的增大，炉渣吸附A1203类夹杂物的能力减弱，去除A120夹杂物的速度减慢;夹杂物在LF精炼前主要以A1203、FeS、Mg0.A1203类夹杂为主，LF精炼结束后为A1203、 FeS、Ca0.A1203类夹杂，VD处理后为A 1203类夹杂。4.2 典型夹杂物形貌5 结论5.1通过以下控制,转炉LF精炼可以得到极低硫钢:1)炉渣碱度控制在2.53.5;2)炉渣中(FeO)+(MnO)0.5%;3)良好的炉渣流动性;4)炉渣渣量控制在80mm内;5)保证充足的通电时间和吹氩时间5.2 LF精炼条件下对钢水还原脱磷是可行的.但必须满足下列条件:1）钢种对氮含量没有特殊要求;2)在满足钢种要求的情况下,尽量降低炉内温度;3)须采用沉淀脱氧与扩散脱氧相结合的脱氧方法降低钢中溶解氧O和渣中(FeO)活度,降低渣钢界面氧势;4)要求一定的吹氩量,赶净体系内的空气,保证体系氧势足够小;5)还原脱氧剂加入到钢水内部。5.3确定控制钢中氮、氧含量的关键技术:1)采用LF炉精炼渣洗和明炉真空渣洗生产洁净钢，根据钢种的质量要求和液相线温度，选用不同碱度的渣系进行渣洗。真空渣洗后补加铝、钦等成分应在破真空前实施。2)生产洁净钢时应严格控制I_F(或VD)搬出钢水温度及中间罐钢水温度。3) LF炉采用泡沫渣工艺、强化连铸保护浇注等措施，可以有效地减少钢中的氮含量。连铸长水口采用新型密封垫非常有效，浇注过程钢水增氮量在8 X 10-6以下。5.4 随着脱氧剂的加入，炉渣成分在LF精炼前、LF精炼结束后,VD处理后发生了变化，渣中A1203的活度分别变为0.019 66, 0.022 99, 0.034 58 0随着炉渣中Al_03活度的增大，炉渣吸附Al_03类夹杂物能力减弱，钢中A1203夹杂物的去除速度减慢。钢液在LF精炼前卞要以Al203, FeS, Mg0.A1203类夹杂为主;LF精炼结束后以A1203和FeS类夹杂为卞，还有少量的Ca0 .A1203类复合夹杂物;VD处理后以A1203类夹杂为主。随着精炼的进行，夹杂物数量和面积逐渐减少，并由不规则形状变为规则形状。在铝脱氧钢的Ca0-Si0-A1203-Mg0四元渣系中，钢中A1含量分别为1.2, 5.02, 31.9 ppm，当Mg含量分别在 0.6726.05, 1.739 766.735, 5.56823