LF精炼炉脱硫工艺制度的研究与优化

LF精炼炉脱硫工艺制度的研究与优化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。

LF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LF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，结合LF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。

通过控制转炉下渣量、LF炉快速造渣及加快脱硫反应速率等措施，可以实现LF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: LF炉；脱硫；造渣1.1 炉外精炼技术的发展[1]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0.004%，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。

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。

1.2 实施LF炉精炼工艺的必要条件[2]为了获得LF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。

1.2.1 无渣出钢LF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FeO、Si02、P205和MnO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(EBT)、气动挡渣等。

1.2.2 钢包耐火材料钢包耐火材料含有不同量的Si02、FeO、碱金属和H2。

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。

LF炉精炼工艺要达到最佳效果，包衬至少应由70%A1203耐火砖砌筑，并且使用时应将其预热到1090℃，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<0.002%)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。

1.2.3 隔绝空气LF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。

1.2.4 LF钢包耐火材料侵蚀[4]32O Al 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MgO —C 砖。

减少钢包侵蚀的措施还有：1.制渣过热；2.使用抑制MgO 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(CaO —32O Al 一Si02)中加入一定量的MgO(6—10%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。

1.3 埋弧加热特性在连铸生产中，由于钢包具有加热功能，在炼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LF 炉的加热效率，保护钢包和包衬耐火材料，采用埋弧加热方式，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℃/min 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LF 的配套技术，可以显著改善LF 精炼的技术经济指标，给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[4]。

1.4 LF 炉的精炼工艺及效果1.4.1 LF 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LF 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。

LF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LF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LF 炉精炼需要结合真空系统(即LFv)或者和VD，RH等真空精炼设备联合。

基本工艺如图1 所示：1.4.2 LF炉精炼效果LF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。

LF精炼方法可达到的纯洁度如表1 所示。

表1 LF精炼方法可达到的纯洁度精炼方法可达到的纯净度/×10—6[S][O][H][N]LF～1010～30 1.5～2.5～1.5经过LF处理的钢可达到很高的质量水平:1.脱硫率可达50%，可生产出硫含量≤0.01%的钢。

如果处理时间充分，甚至可达到硫含量≤0.005%的水平。

2.可生产高纯度钢，钢中夹杂物总量可降低50%，大颗粒夹杂物几乎全部能去除；钢中含氧量可达到10—30ppm，3.成分控制精度高,可以生产出诸如[C]士0.01%、[Si]士O.02%、[Mn]土0.02%等元素含量范围很窄的钢。

4.LF炉精炼对钢水成分的影响除能脱氧、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、H20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。

2 LF精炼炉脱硫的基本理论2.1 硫在钢中的危害性及目前存在的问题2.1.2 硫的危害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，使脱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]≥0.08%时，在不加[Mn]的情况下凝固时，在晶界产生低熔点的共晶化合物FeO→FeS(熔点为940℃)，高浓度的氧加速了它的形成。

其熔点远低于轧、锻温度(1150℃左右)，热加工时即在钢坯内液体处开裂。

合适的锰含量可防止这一现象的发生。

但过高的硫会产生过多的MnS夹杂物，轧锻后的硫化物夹杂被拉长，降低钢的强度。

使钢的磨损增大，明显的降低钢的横向机械性能，降低钢的深冲压性能[5]。

2.疲劳断裂。

钢材的疲劳断裂是由于在使用过程中钢材内部显微裂纹不断扩展的结果。

在加工时，钢材内的非金属夹杂物周围能产生此类裂纹。

因此，在分析夹杂物对钢材疲劳性能的影响时，不易分清何种显微裂纹是主要的疲劳断裂的起因。

根据统计，在加工过程中，较脆而不易变形的夹杂物，比塑性夹杂物，对疲劳性能更为有害。

很多硫化物在加工温度下，甚至在钢材的工作温度下，都有高度的变形塑性，在钢与夹杂物的界面上并不发生裂纹，因此这些硫化物对疲劳性能并无有害影响。

据报道：硅酸盐夹杂物中存在的硫化物相能减少硅酸盐夹杂物对疲劳陛能的有害影响。

3.机械性能。

硫化物夹杂对钢材机械性能的影响，除了与其数量、大小及分布有关外，还和其形状有关系。

当钢材中存在着条状或片状的夹杂物的时候，钢材的横向拉伸性能和冲击性能一定会受到不良影响。

相反，如果能使钢中夹杂物的数量和大小都得以减小，那么上述机械性能也将得到改善。

硫化物一般容易在加工过程中变成长条或片状，这对钢材的机械性能是不利的因素。

为改善硫化物形状，近年来发展了喷粉脱硫技术。

喷粉冶炼过程不仅能减少硫在钢中的含量，从而也就是减少硫化物夹杂的数量和控制其大小，而且还能控制硫化物和其它化合物夹杂的形状。

目前，得到含硫量0.005%的钢己不是困难的事。

在同样的含硫量或含硫化物夹杂量的情况下，夹杂物的大小起着很大的作用，夹杂物大，对钢材的局部性能的影响也就大了。

对于夹杂物如何影响钢豹机械性能所进行的基础研究是非常重要的。

钢中不可能没有夹杂物，因此可以认为夹杂物是钢的不可避免的组成部分。

它们的性质、形状、大小和分布不同会给钢材带来不同的影响，而工艺手段能在一定程度上影响夹杂物的性质、形状、大小和分布。

近来在这方面的研究已给炼制高质量的钢提供了必要的依据，促进了炉外脱硫和炉外精炼脱硫等新工艺的发展。

例如，硫化物夹杂对钢的塑性断裂有影响。

断裂过程实际上是在硫化物夹杂周围形成空洞和空洞长大聚合的过程。

硫化物夹杂和铜基体之间的结合力很弱，微小的应变就会使界面上形成空洞。

沿主应变方向空洞会长大，而空洞的横长大还未发现过。

在发生断裂以前，这些空洞要聚合。

而空洞的聚合和钢内硫化物夹杂的体积分数、夹杂大小和分布均有密切联系，如果对这一关系有所了解，那么就有可能对钢的清洁度提出适当的要求，因而对炼钢工艺也能提出相应的要求。