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。