钢水二次精炼技术

钢水二次精炼技术

1. 前言

对世界粗钢产量统计表明，在过去30年里，世界粗钢产量在起伏中持续增长。由于连铸比增加使成材率提高。目前，LD钢厂生产的粗钢占世界总钢产量的60％．电炉钢厂产钢接近40％。

在过去15年里，欧盟15个成员国真空处理能力不断增加。目前，可对产钢量的 80％以上进行真空处理。用于二次精炼的钢包炉首先被引入电炉钢厂。近年来，BOF钢厂钢包炉的使用也在稳定增长。现在，欧盟15个成员国钢产量的30％以上经钢包炉二次精炼。

实际上，连铸技术是70年代初日本和欧洲开发的．后来被引进炼钢厂，目前，这两个地区的连铸比达到95％左右。而美国的发展趋势也是一样，仅用了3—4年，使目前连铸比也达到95％左右。未来几年，这些国家的连铸比肯定会不断增加。据统计，目前世界连铸产量约占钢产量的85％左右。在以后的几年里，这一数据或许会上升到约90％。

2．二次精炼技术的发展

为了均匀成分和温度，出现了钢包内气体搅拌工艺。最引人注目的是二次精炼的采用，大大提高了钢的产量和质量。然而二次精炼的主要任务和目的是什么呢? 在出钢和连铸时分离钢水和渣相、钢水脱氧、根据终点目标进行合金化、调整注温、改进钢水的洁净度、夹杂物变性、去除钢水中溶解的[H]和[N]、脱碳、脱硫、均匀钢水成分和温度。

真空脱碳的引入使大量降低碳含量成为可能。目前可得到碳含量20ppm的钢水，预计特殊用途的钢可达到含碳 10ppm。预计未来特殊用途的钢要求P下降到30ppm。现在，通过铁水和钢液脱S,S含量能稳定达到10ppm。目前，还不需要脱s到更低水平。未来专用钢要求氮含量 20ppm，现在可得到总含氧量15ppm的钢，将来要求氧含量最低可达10ppm左右，通过真空处理，可将氢含量降低到1ppm左右。

目前的炼钢工艺方法相当灵活，取决于炼钢厂的产品范围。一般从铁水预脱硫开始，接着转炉炼钢．然后真空处理(RH处理或钢包炉脱气处理)，如有必要，接下来钢水还可以加热。既可在钢包炉内加热，也可用铝热法加热。在二次精炼结束时，加入含钙材料进行夹杂物变性处理．最后，采用连铸工艺浇铸钢水。

2.1 钢水脱磷

目前，单用转炉工艺可达到磷含量40-100ppm，其高低取决于铁水中硅和磷含量。根据

渣量来确定铁水硅含量，在脱磷期间形成的一定是P

2O

5

。现在铁水脱磷后再进行转炉少渣吹

炼比较普及，尤其在日本比较普遍。据论述表明．采用转炉双联法脱磷，钢水含磷可达40ppm。然而，在这种情况下．必须注意的是，铁水脱磷必须先脱硅，结果，转炉在超低硅含量的情况下冶炼操作，因此转炉具有少渣操作的优越性。另一方面，这一工艺不允许废钢装入比高。二阶段转炉工艺(双联法)，第一个转炉的炉渣扒掉，第二个转炉出钢后炉渣返回到转炉用于下一次吹炼，使转炉吹炼终点磷含量达30ppm，这里全部磷含量指的是转炉吹炼终点的含量。

如果出钢时带少量渣，渣中P

2O

5

还原可使钢水回磷。此外，添加含少量磷的合金元素和锰铁，

也能引起磷含量少量上升，最终产品的磷含量比转炉吹炼终点的磷含量高出 l0ppm左右。

实际上，增加钢包炉和钢水采用不同方法二次精炼，可将磷含量降至较低。这一工序使转炉出钢温度降低50℃左右。降低的钢水温度必须在接下来的二次精炼工序对钢水加热来平衡。曾经对双联法转炉的第二座转炉的磷平衡值进行过比较．转炉渣中铁含量在18％左

右，P

2O

5

含量在 0.4％左右，出钢温度在1700℃时．我们可得到含磷20ppm的钢。

2．2．脱硫

在BOF炉炼钢生产期间，脱硫分为铁水脱硫、转炉内脱硫和钢水炉外脱硫3个阶段。通

过喷吹碳化钙、镁或氧化钙与镁的混合物，可使铁水中的硫含量降到 20ppm，结果主要取决于脱硫剂的喷吹量。转炉或电强炉内的脱硫是少量的，最后就剩钢水脱硫。

为了实现高效脱硫，必须采取以下措施：必须要添加足够的铝，钢包渣必须是饱和的氧化钙．为了确保高效脱硫的动力学条件，必须使钢包内的钢水剧烈沸腾。现已规定用所谓的“氧化钙饱和度”来表示钢包顶渣的特征。用氧化钙饱和度来标识与氧化钙饱和有关的正常钢包顶渣的成分。氧化钙饱和度等于1时表示钢包顶渣是饱和的氧化钙。氧化钙饱和度小于1时表示钢包顶渣是不饱和的氧化钙均匀液态渣。氧化钙饱和度大于l时麦示钢包顶渣是过饱和的氧化钙不均匀渣。已对钢水脱硫期间氧化钙饱和度变化与脱硫率的关系进行了试验。在钢包顶渣是饱和氧化钙的条件下，脱硫率能够达到95％。在钢包顶渣是不饱和氧化钙的条件下，脱硫的效率下降。这是由于钢包顶渣中CaO的活性降低所造成的。在钢包顶渣是过饱和氧化钙的条件下，脱硫的效率也下降。

钢包炉内钢水剧烈沸腾期间，除了脱硫之外，还有其它的反应发生。一方面，钢包顶渣

中的SiO

2：与[A1]反应，生成Al

2

O

3

同时提高了Si的含量。同时AI与空气中的O

2

还产生二

次氧化。考虑到这些不同的反应时，S和AL含量与时间的函数关系。在单纯脱硫的情况下，会有少量的Al烧损，出于渣量的减少，导致在钢水沸腾过程中铝的耗量同步增长，另外考虑到钢水二次氧化时，会再次出现更多的A1被烧损的现象。由于渣量减少，导致钢包顶渣中的Mn0量降低，炉内的Mn含量略有升高。但是．钢包顶渣中SiO

2

量的减少会引起Si含量显著的升高。Si含量升高不利于脱硫，特别是对于低硅钢的生产，对薄板和带材来说更是如此。它能降低钢水沸腾的剧烈程度，必然会严重影响脱硫的效率。在最佳操作条件下，脱硫效率确实能够达到92％。搅拌强度的减弱会导致脱硫效率下降到75％。炉内搅拌强度不够及气流速度低、达不到沸腾时，脱硫的效率只能达到35％。

在最佳脱硫条件下，铁水脱硫后硫含量的最低值仅能达到10或20ppm。对于硫含量较高的情况来说，单独进行钢水脱硫完全可以满足要求。铁水脱硫的效率一般要求达到75％。铁水脱硫后硫含量必须低于30ppm。在二次精炼期间脱硫效率相对较低的情况下，如35％，铁水还必须强化脱硫。在这种情况下，铁水脱硫后硫含量必须降到30ppm左右，才能使最终的硫含量达到最低值50ppm。一般来说，铁水脱硫后硫含量必须降到150ppm，才能使最终硫含量的最低值达到100ppm。

2．3．夹杂物的变性

通过添加含钙材料使夹杂物变性，如CaSi．CaSi能用喷枪吹入炉内，或以芯线的形式

添加到炉内。夹杂物的变性可用 CaO—Al

2O

3

—CaS三元相图进行研究。夹杂物开始是残余的

脱氧产物Al

2O

3

，加入钙后夹杂物由Al

2

O

3

转变为CaO。如果硫含量高，除了脱氧产物Al

2

O

3

转变为液态铝酸钙之外，还生成CaS夹杂物。由于这方面原因，避免随着硫含量的变化而引起CaS的析出，使脱氧产物转变成液态铝酸钙是很重要的。由于在氧化铝转变为液态铝酸钙之前，主要生成CaS，特别在硫含量升高的情况下，使脱氧产物转变成铝酸钙是做不到的。

很显然，脱氧产物从Al

2O

3

到液态铝酸钙的转变过程随着钙的加入量而变化。但是，加

入一定量的钙产生的固体硫化钙取决于硫的含量。在固态硫化钙析出之前生成液态铝酸钙的数量即是液态夹杂物的数量。在二次精炼期间，必须以准确地命中“液态夹杂物”为目标。由于钙被氧化生成了硫化钙，因此在硫含量如此高的情况下，氧化物变性是不可能的。

2．4．去氮

采用转炉底吹气体搅拌，如氮气或氩气，在转炉吹炼终点氮含量可达到20ppm，电炉中的氮含量更高。钢水从转炉或电弧炉出钢进入钢包的过程中，吸氮量的多少取决于一次脱氧元素添加的准确时间。只有沸腾钢出钢不吸氮，接下来在钢包内进行脱氧。

真空处理期间，从原理上讲钢水去氮是可行的。由于氮、硫和氧一样属于一种表面活性元素，因此在真空处理期间，超低硫含量和氧含量是大量去氮的先决条件。在真空处理之前，