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1、LF精炼工艺与技术,刘建华（010）62332358，北京科技大学冶金与生态工程学院冶金研究中心金属学会炼钢分会炉外精炼学术委员会,1 炉外精炼的产生,半世纪以来迅速发展的钢铁冶金重要技术；提高生产率、降低生产成本；代替电炉还原期、缓冲、温度调整（洁净度、C、N）提高钢质量；去除钢种的有害元素及气体，S、O、N、H、C 等；成分调整；夹杂物去除及控制满足不同钢种的特殊要求，扩大品种（转炉）。,1 炉外精炼的产生,1.1 炉外精炼发展历程20世纪3040年代，合成渣洗、真空模铸1933年，法国佩兰（R.Perrin)应用高碱度合成渣，对钢液进行“渣洗脱硫”现代炉外精练技术的萌芽；50年代，大功率
2、蒸汽喷射泵技术的突破，发明了钢包提升脱气法(DH)及循环脱气法(RH)1935年H.Schenck 确定大型钢锻件中的白点缺陷是由氢引起的-氢脆。1950年，德国Bochumer Verein(伯施莫尔-威林）真空铸锭。1953年以来，美国的10万千瓦以上的发电厂中，都发现了电机轴或叶片折损的事故。1954年，钢包真空脱气。1956年，真空循环脱气（DH、RH）。,1 炉外精炼的产生,6070年代，高质量钢种的要求，产生了各种精炼方法60、70年代是炉外精炼多种方法发明的繁荣时期与60年代起纯净钢生产概念的提出、连铸生产工艺稳定和连铸品种扩大的强烈要求密切相关炉外精炼正式形成了真空和非真空两大
3、系列不同功能的系统技术；同时铁水预处理技术也得到迅速发展，它和钢水精炼技术前后呼应，经济分工，形成系统的炉外处理技术体系，使钢铁生产流程的优化重组基本完成,1 炉外精炼的产生,这个时期，还基本奠定了吹氩技术作为各种炉外精炼技术基础的地位和作用这一时期发展的技术：VODVAD、ASEASKF、RHOB、LF、喷射冶金技术（SL、TN、KTS、KIP）、合金包芯线技术、加盖和加浸渍罩的吹氩技术（SAB、CAB、CAS）,8090年代，连铸的发展，连铸坯对质量的要求及炼钢炉与连铸的衔接RHKTB、RHMFP、RHOB；RHIJ（真空深脱磷），RHPB、WPB（真空深脱硫）、VKIP、SRP脱磷21世
4、纪，更高节奏及超级钢的生产。,1 炉外精炼的产生,1.2 我国90年代四项突出炉外处理技术成果（1）钢水真空处理综合精炼技术开发与应用（2）镁质铁水脱硫技术和转炉铁水预处理技术开发与应用（3）适于中小钢包钢水精炼技术的开发与生产应用的发展（4）中间包以镁钙锆系材料及流场优化为中心的中间包冶金技术的开发应用（5）与钢包精炼炉吹氩、喂丝等基本技术相结合,1 炉外精炼的产生,1.3 近几年内炉外处理技术的重点发展方向（1）以转炉作为主要手段的全量铁水预处理不仅会大大提高铁水预处理的生产效率，还将为现有冶金设备的功能优化重组开辟新的方向（2）中间包冶金及钢水凝固过程的精炼技术将逐渐显示其对最终钢铁产品
5、质量优化的重要意义（3）电磁冶金技术对炉外处理技术的发展将起到积极推动作用（4）钢铁生产固体原料预处理技术研究,1 炉外精炼的产生,（5）我国中小型钢厂炉外处理技术将会有重大突破性进展（6）配套同步发展辅助技术包括冶炼炉、精炼炉准确的终点控制技术和工序衔接技术智能化,1 炉外精炼的产生,1.4 炉外精炼的内容脱氧、脱硫、脱H、脱N去气、去除夹杂、夹杂物改性调整钢液成分及温度,1 炉外精炼的产生,1.5 炉外精炼作用和地位（1）提高冶金产品质量，扩大钢铁生产品种不可缺少的手段；（2）优化冶金生产工艺流程，进一步提高生产效率、节能强耗、降低生产成本的有力手段保证炼钢连铸连铸坯热送热装和直接轧制高温
6、连接优化的必要工艺手段优化重组的钢铁生产工艺流程中独立的，不可替代的生产工序,1 炉外精炼的产生,2 炉外精炼的手段,渣洗 最简单的精炼手段；真空 目前应用的高质量钢的精炼手段；搅拌 最基本的精炼手段；喷吹 将反应剂直接加入熔体的手段；调温 加热是调节温度的一项常用手段。,2.1 合成渣洗根据要求将各种渣料配置成满足某种冶金功能的合成炉渣；通过在专门的炼渣炉中熔炼，出钢时钢液与炉渣混合，实现脱硫及脱氧去夹杂功能；使渣和钢充分接触，通过渣-钢之间的反应，有效去除钢中的硫和氧（夹杂物）；不能去除钢中气体；必须将原炉渣去除；同炉渣洗、异炉渣洗。,2 炉外精炼的手段,2.2 真空处理脱气的主要方法 提
7、高真空度可将钢中C、H、O降低；,2 炉外精炼的手段,新开发了脱硫功能：KTB 代表性装置：RH、VD、VOD。,2 炉外精炼的手段,2.3 搅拌目的：加速反应的进行均匀成分、温度手段：电磁搅拌吹气搅拌,2 炉外精炼的手段,2.4 喷吹技术喷吹实现脱碳、脱硫、脱氧、合金化、控制夹杂物形态；单一气体喷吹 VOD；混合气体喷吹 AOD；粉气流的喷吹 TN；固体物加入 喂线。,2 炉外精炼的手段,2.5 升温工艺提高生产率的需要；保证连铸的顺利进行；加热方法：电加热：电弧加热、感应加热、等离子加热等化学热升温装置：LF加热 CAS化学加热 OB,2 炉外精炼的手段,2.6 主要的精炼工艺LF(Lad
8、le Furnace process)；AOD(Argon-oxygen decaburizition process);VOD(Vacuum oxygen decrease process);RH(Ruhrstahl Heraeus process);CAS-OB(Composition adjustments by sealed argon-oxygen blowing process)；喂线(Insert thread)；钢包吹氩搅拌(Ladle argon stirring)；喷粉(powder injection)。,2 炉外精炼的手段,LF 精炼是在大气压力（Ar 气氛）下进行电弧
9、加热，是日本大同特钢公司 1971年在 ASEASKF 精炼技术的基础上开发的；采用钢包底吹氩气的方法使钢液获得搅拌动能，具有与电磁搅拌同样好的脱硫、脱氧效果，更有利于钢中夹杂物上浮；它用强还原性渣脱硫、脱氧，进而实现夹杂物控制和电弧加热熔化铁合金、调整成分、温度等主要冶金功能；钢包精炼时进行电弧加热，不仅可以调整钢水的温度，而且可以加入大量的合金。,3 LF精炼,由于电炉LF连续铸钢方式使电炉生产率大大提高，及近终形连铸的采用，高效短流程生产普通钢的电炉炼钢法也得到了大力发展；在转炉工厂采用 LF 精炼，能够生产特殊钢（合金钢），确定“粗精炼炉外精炼”构成的多品种、高质量钢的大生产体制。,3
10、 LF精炼,3.1 功能及优点最常用的精炼方法取代电炉还原期解决了转炉冶炼优钢问题具有加热及搅拌功能脱氧、脱硫、合金化,3 LF精炼,LF炉精炼原理1-电极；2-合金料斗；3-透气砖；4-滑动水口,1-电极；2-合金料斗；3-透气砖；4-滑动水口,精炼功能强，适宜生产超低硫、超低氧钢；具备电弧加热功能，热效率高，升温幅度大，温度控制精度高，控温准确度可达5K；具备搅拌和合金化功能，易于实现窄成分控制，提高产品的稳定性；采用渣钢精炼工艺，精炼成本较低；设备简单，投资较少。,3.1 功能及优点,3.1 功能及优点,3.1 功能及优点,3.2 LF炉生产流程,转炉、电炉EBT出钢，出钢过程加合金、加
11、渣料(石灰、萤石等2%)，底吹氩、通电升温、化渣，10分钟取样分析，加渣料(1)，测温取样，加合金看脱氧，准备出钢。一般3050分钟，电耗5080kwh/t；现代转炉、电炉与连铸联系的纽带。,3.2 LF炉生产流程,（1）加热与温度控制LF炉采用电弧加热，加热效率一般60，高于电炉升温热效率。吨钢水平均升温1耗电0.50.8kWh。升温速度决定于供电比功率（kVA/t），供电比功率的大小又决定于钢包耐材的熔损指数。通常LF炉的供电比功率为150200kVA/t，升温速度可达35/min，采用埋弧泡沫技术可提高加热效率1015。采用计算机动态控制终点温度可保证控制精度5。,3.3 LF精炼的主要
12、工艺内容,（2）白渣精炼工艺利用白渣进行精炼，实现脱硫、脱氧、生产超低硫和低氧钢。白渣精炼是LF炉工艺操作的核心：出钢挡渣，控制下渣量5kg/t钢包渣改质，控制R2.5，渣中w(TFe+MnO)3.0白渣精炼，一般采用Al2O3-CaO-SiO2系炉渣，控制R4，渣中w(TFe+MnO)1.0控制炉内气氛为弱氧化性，避免炉渣再氧化适当搅拌，避免钢液面裸露，并保证熔池内具有较高的传质速度。,3.3 LF精炼的主要工艺内容,3.3 LF炉精炼的主要工艺内容,（3）合金微调于窄成分控制在线建立快速分析设施，保证分析相应时间3min精确估算钢水重量和合金收得率钢水脱氧良好，实现白渣精炼计算机在线准确计
13、算各种合金加入量，保证钢水成分的准确性与稳定性。,3.3 LF炉精炼的主要工艺内容,（4）吹氩工艺从钢包进入LF站开始，就要进行全程吹氩操作;并且在冶炼过程中，要选择不同的氩气流量，尤其是在冶炼中期，要创造深脱硫的动力学条件，又要防止钢液增碳及吸氮，氩气流量控制在生产中尤其重要。,3.3 LF炉精炼的主要工艺内容,在进行深脱硫时，随钢中硫含量的降低，反应速度也随之降低，此时延长处理时间是非常必要的，要根据生产节奏和深脱硫的程度来控制LF的处理时间。实际生产中控制LF炉的处理时间为4050分钟,钢中微量元素（如铌、钒、钛）选择在精炼后期加入，并保证充分的弱搅拌时间。,目标较好的流动性、发泡埋弧作
14、用、脱硫及吸收夹杂物的能力某厂LF精炼目标渣系,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,钢包渣的作用：熔池的保温隔热，维持钢水的温度从钢中去除夹杂保护钢水免受氧化，控制钢水化学成分脱除有害夹杂硫，改善钢的性质稳定电弧和埋弧加热，使耐材免受弧光烧蚀同耐材友好，最大限度减少耐材侵蚀。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,精炼渣的设计必须考虑上述要求；而精炼渣的类型同生产的钢种，进站的钢水成分、原料、各炼钢厂的实际需要等因素有关。例如，某钢厂转炉生产流程，高效率生产，要求钢包炉只起调温、缓冲的作用，精炼渣的埋弧加热显得特别重要。另一钢厂炉精炼钢种时，特别要求脱硫，精炼渣除具备常规功能外，需要有良好的脱硫能力
15、。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,3.4.1 精炼渣的物理化学性能1.碱度二元碱度光学碱度,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,2.氧化性全铁法全氧法%FeO+%MnO,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,3 硫容量I定义硫容量是根据渣一气平衡定义的式中Cs：硫容量；（%S）渣中硫的质量分数，%；：渣气间平衡时气相中的氧分压和硫分压。Cs 即为炉渣与钢平衡的硫容量，由炉渣成分和温度确定，表示炉渣吸收硫的能力,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,1627时CaO-SiO2-Al2O3-MgO(5%)渣系的等硫容量曲线,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,后来为了运用和计算方便，又根据渣与钢液的平衡定
16、义出另一种硫容量式中：渣钢平衡时钢液中的氧和硫活度。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,硫容量不表示炉渣从钢液中脱硫的多少。钢中硫的去除同以下因素有关：钢同渣的混合程度渣量温度钢中氧含量炉渣氧化程度炉渣的粘度,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,II.硫容量与渣的光学碱度（）的关系Sosinsky D J等归纳了由CaO、SiO2、Al2O3和MgO等组成的二元、三元、四元渣系的许多试验数据，得到1400一1700条件下熔渣的硫容量与熔渣光学碱度八的关系,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,III.硫分配比和硫容量关系,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,一般情况下，钢中除了碳、硅含量较高外，钢中硫
17、活度系数接近，可用wS代替as硫容量增加到n倍与氧活度降低到1/n对硫分配系数的影响是等效的。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,LF炉精炼的主要工艺内容合理炼钢渣系的确定,合适的硫容量某厂实际生产渣测得精炼后硫的分配比为200350，理论计算得出钢水的残余平衡硫含量小于0.001%，同时渣量也符合渣量为金属量28的LF用渣原则。,4 MI指数渣指数(=CaO/SiO2:Al2O3 比值)反映了保证精炼渣一定的碱度下，使炉渣有适宜的流动性。研究表明，当渣指数为 0.20.4 时，硫的分配比超过 80,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,5 粘度、表面张力、熔点,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,
18、6 泡沫化性能有多种指数表示熔渣的发泡效果:(1)相对发泡高度:=(hn-h0)/h0式中h0：原渣高度/m；hn 渣发泡最大高度/m。(2)起泡率:=hn/h0(3)发泡持续时间:t(min)(4)发泡指数(或P),3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,3.4.2 脱硫工艺及理论利用白渣进行精炼，实现脱硫、脱氧、生产超低硫和低氧钢。白渣精炼是LF炉工艺操作的核心出钢挡渣，控制下渣量5kg/t钢包渣改质，控制R2.5，渣中w(TFe+MnO)3.0白渣精炼，一般采用Al2O3-CaO-SiO2系炉渣，控制R4，渣中w(TFe+MnO)1.0控制炉内气氛为弱氧化性，避免炉渣再氧化适当搅拌，避免钢液面
19、裸露，并保证熔池内具有较高的传质速度。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,1 精炼渣脱硫机理脱硫反应：S+(CaO)=(CaS)+O,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,2 炉渣各组分对脱硫的影响 I.碱度对精炼渣脱硫性能的影响精炼渣碱度对精炼过程的脱硫、脱氧均有较大的影响。碱度提高可使钢中平衡氧降低，而且可提高硫在渣钢间的分配比。实验表明，当R3.0时，继续增加R，Ls下降。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,在各脱硫渣系中，对脱硫起主要作用的组元是CaO，其含量的高低将直接影响脱硫效果的好坏；随着CaO的提高，S降低，但当(CaO)60%以后，CaO含量提高使脱硫效果降低。由于CaO含量过高
20、后，渣中会有固相质点析出，使熔渣出现非均相，炉渣粘度上升，流动性变差，从而影响了脱硫的动力学条件。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,王展宏等人在上进行合成精炼试验，熔炼钢种均为镇静钢，研究发现：随着炉渣碱度提高，硫的分配比增大，有利于脱硫进行；当碱度大于2.3以后硫的分配比可以超过100；当炉渣碱度大于4.0以后，炉渣熔化困难；该研究提出适合精炼的炉渣碱度在2.33.5之间。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,赵和明等人在250tLF上进行了埋弧加热的工业试验，通过CaO一SiO2一MgO一Al2O3渣系脱硫试验时发现，渣碱度对硫分配比具有较大影响。当碱度小于3.0时，碱度增加，Ls随之增加
21、，而当碱度大于3.0时，继续增加w(CaO)/w(SiO2)，Ls下降。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,首钢LF炉精炼渣碱度为2.794.36，当(FeO十MnO)含量小于1.5%时，硫的分配比分布在26148范围内。碱度在3.53.7时，硫的分配比达到最大值，碱度过高将恶化脱硫的动力学条件，使硫的分配比降低。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,国外LF精炼渣碱度较高(有时渣中CaO含量高达65%)；国内LF精炼渣碱度多数处于中(2.23.0)、低(1.62.2)水平。但目前许多钢厂均采用高碱度工艺技术路线。对产品的最终硫含量要求不同，实际生产中各厂及不同钢种碱度差别较大。,3.4 LF炉
22、精炼造渣技术及理论,国内A厂生产X70 LF造渣前炉渣成分/%,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,国内A厂生产X70 LF造渣后炉渣成分/%,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,A厂LF精炼脱硫率最高可达66.67，平均为62.5%,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,国内B厂生产X65管线钢LF精炼渣成分VD精炼后钢中S处于10-20ppm，脱硫率达79.5%,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,II CaF2对脱硫的作用CaF2本身不具备脱硫作用；主要作用是降低脱硫渣的熔点，改善脱硫渣的流动性；CaF2与CaO等形成一系列低熔点共晶物来助熔化渣，,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,随着脱硫反应的
23、进行，渣一金界面将有CaS固相形成，而CaS固相的存在，阻止了脱硫反应的继续进行，而且使液相量减少。渣中加入CaF2，有利于固相的破坏，使液相量增加，改善了脱硫条件。但当渣中CaF2含量达到足以阻止CaS固体形成时，继续增加CaF2，会造成渣中CaO被稀释，使有效CaO浓度降低，不利于脱硫。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,乐可襄等人对CaO一SiO2一MgO一Al2O3精炼渣的脱硫性能研究发现，在精炼渣碱度为3.0左右的条件下，逐步增加CaF2含量，可使Ls从55%增加至87%。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,CaF2含量高，渣中自由O2-离子增多；按照反应S+（O2-）=（S2-）+
24、O，如果熔渣中有足够的O2-，金属液中深解的氧足够低，反应将向右进行，有利于脱硫；CaF2能显著降低CaO-SiO2-MgO-Al2O3渣系的熔点，提高其流动性。保证了脱硫的动力学条件。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,CaF2与CaO等形成一系列低熔点共晶物来助熔化渣，但在电弧温度下，将有下述反应发生。产生的SiF4为气体，并随炉气散失。,再生成的CaO会增大炉渣的粘度;熔池温度越高时，炉渣由稀变粘的速度越快；萤石的助熔作用是有限的，特别是在高温电弧下。萤石的加入对包衬有较强的浸蚀作用。SiF4的放出对环境污染较大。,对于CaF2的最佳加入量，目前并没有统一的观点。综合前人的研究成果，合成
25、精炼渣中CaF2含量波动于7.5%30%之间。总之，进行合成精炼渣系设计时应以碱度作为主要参考因素，而则应在考虑渣系流动性、耐材消耗以及符合环保要求的前提下进行适量添加。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,III.渣中MgO对脱硫的影响MgO为碱性物质，与硫有一定的结合能力；但不如CaO，其主要作用是降低渣中aSiO2，提高aCaO，从而提高Ls;,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,不利因素是MgO提高渣的熔点，特别是当MgO含量大于6.0%-8.0%时，渣迅速稠化，不利于反应进行。对于CaO-SiO2-MgO-Al2O3四元渣系，当Al2O3含量为15%-25%时，MgO10%左右熔渣即进入
26、两相区。精炼渣中适量的MgO含量可以起到保护镁质炉衬的作用，减少炉衬向熔渣的熔解过程。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,IV.Al2O3在精炼渣中的作用根据CaO-SiO2-Al2O3三元相图，随着渣中Al2O3含量在一定范围内的提高，渣的熔化温度降低。提高渣中的Al2O3含量，能够促进化渣，进行快速造渣。富含的Al2O3还原渣有疏松和泡沫特性，反应面积大，可提高渣中的氧离子活度。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,由于Al2O3两性特征，故能适当提高熔渣碱度，降低熔渣中硫离子的活度系数；同时，其含量的提高对炉渣粘度影响较小，能保证炉渣有高的碱度和良好的流动性；还能提高熔池的升温速度，提高硫
27、在熔池中的传质系数，这些都有利于提高硫在渣钢间的分配比，提高脱硫速度。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,另一方面，Al2O3富含的还原渣中，铝酸钙熔点低，对钢液的粘附力大，能迅速从钢液中浮出；且CaS能很好地润湿铝酸钙，并一起浮出钢液，从而降低钢中夹杂物含量。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,V.FeO+MnO的影响炉渣氧化性是影响炉渣脱硫效果的主要因素。FeO+MnO含量大于1%时，脱硫效率将明显下降。渣中FeO十MnO含量小于1%，可得了较好的冶金效果。在FeO十MnO含量小于的炉次，脱硫率可达到86%，硫的分配比可达120150。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,IV.炉渣物理性质
28、对LF脱硫的影响 炉渣的物理性质包括的内容较多，主要有密度、粘度、熔化温度、表面张力和电导率等。相对于脱硫而言，影响最大的因素是粘度和熔化温度。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,1）炉渣粘度的影响炉渣粘度是影响渣一钢界面脱硫反应的主要因素;液相中的传质速率与熔渣的粘度成反比。若炉渣粘度过大，则恶化了脱硫的动力学条件，造成脱硫困难。提高炉渣的流动性，可以减小乳化渣滴的平均直径，增大渣钢接触面积，促进脱硫。若粘度过小，炉渣向耐火材料的渗透能力强，会造成耐火材料损耗增加，同时在精炼炉中也不利于实现埋弧操作。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,2）炉渣熔化温度的影响炉外精炼脱硫过程能否正常进行，往往
29、和炉渣的熔化温度有关。在一定的炉温下，炉渣的熔化温度越低，过热度越高，流动性越好，渣一钢间脱硫反应就越快。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,对熔化性能的影响因素T、碱度、SiO2、Al2O3、MgO,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,IIV 冶炼工艺条件对脱硫的影响1）LF操作温度的影响热力学讲，脱硫反应属于吸热反应，因而高温有利于脱硫。温度对脱硫的影响主要在动力学方面，随着温度的升高，炉渣粘度下降，改善钢渣流动性，从而提高了脱硫的动力学条件。温度升高，将使渣一钢间的扩散速度加快，也有利于脱硫。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,2）渣量的影响当熔渣组成一定时，其脱硫效率主要取决于渣量。在考
30、虑合成渣用量时，必须注意进入钢包内的氧化渣量、脱氧产物及包衬侵蚀量等的影响。既要满足合理的熔渣组成要求，又要满足对渣量的要求，同时要兼顾到允许一定温降。冶炼超低硫钢时，文献推荐的渣量为12kg/t钢一20kg/t钢。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,3）钢中全氧量（溶解氧）的影响钢水氧位是影响硫平衡分配比的重要因素之一，低氧位的钢水对于极低硫钢的冶炼是十分必要的。硫和氧属同族元素，具有相似的性质，但氧的化学性质比硫更为活泼，要得到极低硫钢必须先得到超低氧钢。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,炉渣脱硫反应表明，随着钢中氧含量的提高，将抑制脱硫反应的进行，应尽量采取措施降低钢中氧含量。渣中氧含
31、量也会影响到钢中的溶解氧含量。在渣/钢间存在着氧的平衡分配，炉渣氧化性较高时，炉渣会向钢中供氧，增加钢液中的溶解氧量。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,4）底吹氩搅拌的影响底吹氩气搅拌是影响脱硫速度的主要因素。搅拌的作用主要在于它能提高传质系数，扩大渣/钢接触面积，而且能促进夹杂物上浮如果吹氩量太大，会造成渣层波动过大，甚至钢液裸露，造成二次氧化，会提高钢水氧位，降低渣钢硫平衡分配。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,部分文献认为认为，吹氩量增大，脱硫率提高。供氩量越大，钢水搅拌越强烈，钢渣混合程度就越好，脱硫反应界面积越大，越有利于脱硫反应动力学条件的改善。实际生产中，应在保证不吹开渣层造
32、成钢液面裸露和允许温降的范围内，适当加大吹氩量。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,国内A厂生产管线钢X70LF吹氩工况100t钢包，分两种搅拌方式：强搅拌吹氩量400-550NL/min弱搅拌吹氩量250-300NL/min高温脱硫时采用强搅拌,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,国内B厂X65LF精炼吹氩工艺LF进站吹氩量100NL/min，升温期间吹氩量200NL/min，脱硫期间吹氩量400NL/min，LF精炼结束软吹氩量40NL/min；处理时间4050分钟，LF精炼结束温度1650。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,IIIV LF炉脱硫的优势：1)有良好的还原性气氛；2)能造含
33、Al2O3 的高碱度渣；3)包底吹氩搅拌，渣钢充分，脱硫的动力学条件优越4）温度高,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,3.4.3 泡沫渣精炼工艺冶金过程中炉渣泡沫化的研究与钢铁工艺的发展密切相关。在平炉炼钢时期冶金熔渣的泡沫化现象开始引起了人们的注意；氧气顶吹转炉和顶底复吹转炉的应用使得冶金工作者对于炉渣-金属液滴-气泡体系和炉渣-气泡体系的乳化现象以及泡沫化现象进行了大量的研究；,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,电炉炼钢中与长弧操作相适应的泡沫渣工艺也得到了广泛应用；80 年代中期熔融还原炼铁工艺的开发利用又使人们对于泡沫渣的现象有了进一步的认识。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,根据冶
34、金功用的差别，在不同的反应器中要求渣的泡沫化性质有很大差别；有的冶金过程需要促进熔渣的泡沫化，而有的冶金过程则相反。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,LF 精炼中钢包的炉壁暴露于电弧的辐射之中，炉壁耐火材料的工作环境极为恶劣，造成了钢包的快速消耗，耐火材料的消耗约占钢包精炼炉运行成本的一半以上。在钢包精炼炉中使用泡沫渣精炼工艺，可以做到埋弧加热，稳定电弧，提高精炼过程的热效率；减少加热电弧对钢包炉壁的高温辐射，保护炉衬，提高处理用钢包的使用寿命；减少钢水的二次氧化机会。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,电炉冶金中的泡沫渣技术应用十分广泛，利用了炉渣泡沫化后有效地屏蔽了电弧在熔清期对炉壁耐火
35、材料的强烈辐射等优点。借鉴电炉炼钢的泡沫渣技术来降低钢包精炼炉的运行成本得到重视。基于其自身的特点，LF 不能照搬电炉炼钢的泡沫渣工艺：因为 LF 处理过程中精炼渣的低氧化性是其必须具备的性质，因而不存在电炉中的大量气源，所以必须采用与电炉炼钢不完全相同的工艺达到熔渣泡沫化的目的。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,1 泡沫渣的冶金作用提高热效率。减少对炉衬的热侵蚀。依靠炉渣的电阻转换，在同样的输入功率下，减小了电弧功率。电弧功率减少和电弧被炉渣屏蔽，都有利于减少炉衬的热负荷。减少对炉衬渣线的损害。允许改变电力制度。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,减少或避免熔化过程中的短路灭弧。渣子发泡后
36、，弧区电离化条件得到改善，气体的电导率增加，电弧电阻减少，在同样的电弧电压下，电弧长度增加，保证了电弧的稳定，减少或防止短路灭弧，缩短冶炼时间。降低电极耗损。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,泡沫渣有利于冶金反应，提高钢质量。发泡的炉渣使渣钢界面扩大，有利与脱硫反应的进行。由于电弧有泡沫渣屏蔽，电弧区氮的分压显著降低，有利于吸氮量的减少。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,2 炉渣的发泡I.炉渣的发泡行为泡沫化是气体在液体中被薄液体膜所隔离，不能自由运动的现象。冶金过程中熔渣的泡沫化可以理解为：炉渣液体中存在大量气泡，以球状或多面体状形式存在，并在气泡间形成一定的隔离渣膜；发泡过程增加了表面
37、能，体系有减少表面积消除泡沫的趋势；但由于气泡和分隔渣膜的界面现象，使泡沫能在一定时间内存在。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,II.熔渣泡沫化性能衡量标准1）发泡幅度 相对发泡高度:=(hn-h0)/h0式中h0：原渣高度/m；hn 渣发泡最大高度/m。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,q：气泡源；r：气泡半径；k：摩阻系数；Hf：渣层厚度；v0：熔渣发泡前的体积气泡的直径越小，气泡受力小，气泡在渣中滞留时间长；气泡在熔渣中运动的摩阻系数越大，则发泡幅度就越大。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,表面张力对熔渣中气泡尺寸的影响气泡的形成要经历形核、长大、小气泡的合并及上浮排除等过程。渣中
38、气泡尺寸大小由这几个环节所决定。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,在熔渣中形成气泡的速度及气泡半径大小分别与熔渣表面张力的及一次方成正比。表面张力小，则气泡的形核速度大，且气泡半径小。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,表面张力大小对熔渣中小气泡的合并、长大速度有很大影响。熔渣的表面张力大，气泡合并时的排液速度大，因而合并长大速度就大。反之，低表面张力体系的气泡合并长大速度小。在渣中滞留时间就越长。由熔渣中气泡的形核长大及气泡的合并几个环节的分析可得熔渣的表面张力小，则渣中气泡的尺寸就小。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,表面张力对发泡幅度的影响基渣的表面
39、张力小，则泡沫渣中的气泡尺寸小而分布均匀。此时熔渣具有较大的发泡幅度。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,炉渣表面张力对发泡幅度的影响,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,表面张力降低，发泡幅度增大。但当表面张力降至一定值以后，发泡幅度反而略有下降。由此可见较低的表面张力熔渣有较高的发泡幅度。但过低又会因失去弹性薄膜，而使气泡变脆、破裂、降低发泡幅度。为获得较大的发泡幅度，熔渣须选择合适的表面张力，由实验所得适宜值应控制在430520dyn/cm(1550)之内。在430520dyn/cm(1550)时。可获得最大值。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,为获得较大的发泡幅度，熔渣须选择合适的表面
40、张力，由实验所得适宜值应控制在430520dyn/cm(1550)之内。在430520dyn/cm(1550)时。可获得最大值。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,熔渣粘度对发泡幅度的影响,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,2）起泡率,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,3）泡沫寿命 T泡沫渣的消失从微观来看应该是气泡之间渣液排除的结果。设渣液从泡沫中的排除速率为：式中 V0是泡沫渣的起始体积，V 是泡沫渣的体积，t 是气泡排除的时间，k 为常数,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,式中 h0为泡沫渣的起始高度，h 为泡沫渣高度的变化,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,定义泡沫寿命 T 为：,3.
41、4 LF炉精炼造渣技术及理论,渣的发泡效果应从发泡高度和持续时间两方面来考虑。和没有持续时间的概念,t 则没有表明发泡的高度。为准确评价基渣中发泡剂的发泡性能,冶金工作者提出了发泡指数(P 和)作为衡量精炼渣起泡性能优越的指标。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,4）发泡指数将熔渣发泡高度(H)对泡沫持续时间(t)积分并定义此积分为发泡指数,用P 表示可计算出加入发泡后的熔渣平均涨泡高度,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,K.Ito 等定义的炉渣起泡指数的物理意义为气体穿过泡沫层所需要的平均时间,表达式为：式中:炉渣起泡指数/s；h：炉渣起泡高度(即起泡后的高度与末吹气时炉渣高度差)/m；Q：
42、吹入气体流量/(m3s-1)；A：坩锅内截面积/m2；V g：渣层中气体体积/m3可见,P 综合考虑了渣的发泡高度和持续时间,而 则为V g 与Q 线性关系的斜率。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,Ito 和 Fruehan 定义了发泡指数。当进入熔渣的吹气速度达到某一程度时，熔渣的泡沫高度变化（h）与吹气速度（v）成正比，两者的比值为一常数，将其定义为发泡指数,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,发泡指数表明了泡沫的平均存留时间，其值越大表明发泡性能越好。熔渣发泡指数在一定的实验条件下（熔渣组成，实验温度，钢包及坩埚直径等）是常数,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,III.影响熔渣泡沫化的因
43、素主要影响因素：渣密度、粘度、表面张力；渣成分、气泡大小等其它因素对炉渣的泡沫化性能有所影响。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,1）炉渣物性的影响表面张力渣中表面活性物质对于渣的泡沫化有促进作用，表面张力较低的熔渣有利于泡沫的产生和维持；G=A炉渣泡沫化造成体系渣液和气泡之间界面的增加，相应地使表面能增加，泡沫渣处于不稳定状态，其泡沫有逐渐消除的趋势；如果熔渣的表面张力减小，则形成泡沫渣所需要的功减少，有利于熔渣泡沫的形成；,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,精炼渣的表面张力大小与其成分密切相关：式中 xi为 i 组元的摩尔分数，为纯组元的表面张力。熔渣组元中增加能够降低熔渣表面张力或降低总
44、表面能的成分，会有利于泡沫渣的生成,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,粘度熔渣的泡沫是由熔渣液膜隔离气泡而形成的，气泡形成后它们之间的液膜能否持久存在是泡沫存在的重要影响因素。气泡的消除实质上也可以看成气泡间渣液的排除过程，而熔渣粘度是影响渣液流动的重要因素；粘度适当增加有利于气泡间液膜的存在，也相应能促进泡沫渣的形成和维持。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,密度熔渣的密度如果较大，相当于在泡沫结构上加上了更大的负载，这样会促使渣中气泡的破裂造成发泡高度降低。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,式中 为表面张力，为密度，g 为重力加速度，为粘度，k 为比例常数,3.4 LF炉精炼造渣技术及理
45、论,炉渣成分的影响合成渣处理所用的炉渣主要是 CaO-Al2O3-SiO2-MgO-CaF2渣系，渣中各组分相对含量的变化相应地引起了炉渣物理性质的变化，从而引起炉渣泡沫化性能的改变,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,碱度 R 研究表明，CaO-SiO2系熔渣的发泡指数随碱度的增减呈现波状变化：R 为 1.22 时发泡指数最低；而当 R 大于 1.22 时，发泡指数随 R 的增大而增大；在 R 为 1.92.0 时出现最高值。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,因为 R 增大引起熔渣中固相质点2CaOSiO2 不断增多，提高了熔渣粘度，对气泡运动起到了阻碍作用，延长了气泡在熔渣中的滞留时间，另
46、外，固相质点粘附在气液界面上还提高了液膜的强度和弹性，从而使液膜难以破裂。在 R 大于 2 后发泡指数有下降的趋势。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,八一钢厂70tEAF不同碱度和MgO 含量与发泡高度的关系,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,SiO2 属于表面活性物质，适量增加其含量有利于泡沫渣；而 P2O5 和 S 同样也是表面活性物质，有研究结果却表明它们不利于泡沫的产生。所以，对于熔渣的表面活性物质也不应一概而论,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,Al2O3有研究表明，Al2O3 对泡沫渣的影响与渣中萤石含量有关。当萤石含量为 5时，Al2O3对泡沫化有促进作用；当萤石含量为 10时
47、，Al2O3对泡沫化有抑制作用。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,萤石（CaF2）有的研究者认为精炼渣中的萤石可使熔渣的表面张力下降，促进泡沫的生成；但也有人认为渣中萤石不利于熔渣的泡沫化，只有渣中存在难熔的颗粒时才会促进泡沫产生。这种研究结果的不一致，还表现在 FeO，MgO 等成分上。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,炉渣成分对熔渣泡沫化性能的影响相当复杂由于炉渣成分对熔渣物理性质影响的复杂性而造成的。对于熔渣泡沫化的研究，由于许多研究者所针对的冶金过程不同，研究对象（熔渣）的成分差别很大，研究条件（坩埚材料、实验温度等）也不尽相同，所以其结果缺乏进行直接比较的依据。即使是针对相同成分
48、范围的熔渣，不同的工作者所得到的结果有的也相差很大，甚至有相反的结论。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,研究成果的借鉴与甄别具体到 LF 精炼渣的发泡性能研究，借鉴前人的研究成果是必要的，但不能将不同实验条件，不同成分组成炉渣的研究结果直接套用；针对具体组成的精炼渣进行泡沫化性能实验研究是必要的。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,3 CaO-SiO2-Al2O3系炉渣泡沫化性能实验研究,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,I.泡沫化性能与各成分含量之间的关系(实验炉渣成分范围内)CaO 与 SiO2为保证良好的精炼效果，要求
49、精炼渣中含有较高的自由 CaO 量；但当 CaO 量过大时，熔渣的熔点明显增加，CaO 出现过饱和，其活度显著下降，所以 LF 精炼渣中的 CaO 应该适量；既要保证精炼渣的碱度，又要适当考虑 CaO 对熔渣其他性质的影响。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,SiOSiO2增加对脱氧、脱硫不利。实验结果表明SiO2含量在 5%20%范围内增加时，渣发泡指数上升的趋势较为明显；主要是因为 SiO2 属表面活性物质，其量增加有利于熔渣的表面张力降低，促进熔渣发泡以及泡沫的维持。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,熔渣发泡指数与渣中 SiO2含量的关系,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,熔渣发泡指数
50、与 CaO/SiO2的关系,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,对于 CaO-SiO2渣系，熔渣的泡沫化性能与熔渣成分中 CaO/SiO2比值有关，CaO/SiO2比值在接近于 2 时渣的发泡指数达到最大值；主要原因是实验渣成分范围中存在高熔点化合物 2CaOSiO2；在此组成的熔渣中会有大量 2CaOSiO2固体微粒子弥散在熔渣中；当熔渣泡沫化以后，这些微粒分布在泡沫的气泡壁上，相应的增加熔渣的表观粘度，减慢了熔渣的排液速度，保持熔渣泡沫的存在。,3.4 LF炉精炼造渣技术及理论,在Al2O3 含量比较高的 CaO-Al2O3-SiO2 渣系，在实验渣成分范围内存在熔点较高的 2CaOAl2O
