洁净钢炉外精炼技术.ppt

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1、洁净钢炉外精炼技术,中国金属学会炼钢分会2006年12月,深圳,洁净钢生产技术高级研讨会,主要内容,一 前 言二 洁净钢冶炼技术概述三 铁水预处理、转炉冶炼与洁净钢的关系四 LF精炼技术的发展五 脱氧与非金属夹杂物控制六 RH精炼技术的发展,一 前 言,炉外精炼的作用和地位,钢铁冶炼工艺路线,大型联合企业冶炼工艺流程,特殊钢厂冶炼工艺路线,短流程钢厂冶炼工艺路线,(1)改善冶金化学反应的热力学条件;(2)加速熔池传质速度;(3)增大渣钢反应面积;(4)精确控制反应条件，均匀钢水成分、温度;(5)健全在线检测设施，对精炼过程实现计算机智能化控制。,炉外精炼的冶金特点,炉外精炼的手段,(1)渣洗精

2、炼(2)气氛控制（真空、惰性气体保护、还原、氧化气氛）(3)熔池搅拌(4)喷射冶金(5)加热与控温(6)容器材料（耐火材料、）(7)添加精炼剂(脱氧剂、变性剂.)(8)外场作用(电磁、电场、超声、机械力),各种炉外精炼设备的冶金功能比较,不同冶炼方法可达到的钢的洁净度,钢中杂质元素单体控制水平的发展趋势（极限值）,向组合、多功能化炉外精炼方向发展对不同规模、不同的产品配备不同精炼技术钢水全量进行处理去除废钢中有害元素，如Cu、Sn、Pb、As、Sb、Ni、Mo、Co和Bi 等；外场作用的引入(电磁、电场、超声、机械力)；钢水、耐火材料与熔渣之间反应定量化，夹杂物的定性定量预报技术；炉渣分离技术

3、和炉渣成分精确控制技术；避免钢水与空气接触的钢水密封技术；钢包内壁上钢、渣附着物的防止和简便清除技术。,炉外精炼的发展趋势,精炼设备的选择问题,钢种成分与质量 钢水处理的目的，要求精炼方法应具有的功能，是选择时首先应考虑的基本因素。如欲降低钢水中的气体夹杂，则应考虑该精炼法需具有良好的脱气功能；要解决钢水处理过程中的温降问题，则应考虑采用具有热补偿加热功能的精炼方法等。流程匹配 初炼炉精炼炉连铸机的匹配与衔接是一个非常重要的问题。后加的炉外精炼系统应通过温度、流量、时间节奏、钢水成分和纯净度的衔接与匹配来促进连铸连浇、促进连铸机和轧机的衔接和匹配。成本 在保证质量的前提下，尽量简化精炼环节。,

4、VD与RH 精炼效果的比较无论是精炼效率和钢水质量RH比VD更具有优越性,杂质元素及夹杂物控制技术,二 洁净钢冶炼技术概述,钢水深脱碳技术（1）,深脱碳用精炼设备 AOD VOD，SS-VOD，VOD-PB、VD VCR（Vacccum Converter Refiner）RH,RH-OB,RH-KTB,2.1 脱碳技术,碳含量：2030ppm,提高RH脱碳速度的措施：增大环流量：增大吸嘴内径，改圆形吸嘴为椭圆形 增大驱动氩气流量 增大泵的抽气能力，其中采用水环泵和蒸气泵联用可提高泵的抽气能力，降低RH能耗和水耗 向驱动氩气中掺入氢气，在碳含量小于2010-6时可使脱碳速率增加一倍 在真空侧墙

5、安装氩气喷嘴，在增大反应面积 减少真空室的法兰盘数可提高真空度，减少漏气 真空吹氧(RH-KTB/OB)喷吹铁矿粉(RH-PB),钢水深脱碳技术（2）,a-RH-OB法；b-RH-PB法,RH-PB法脱碳机理,由于氧化铁颗粒在钢水中分解出O2，成为脱碳反应的氧气来源浸入钢液中均匀分布的细小的铁矿粉颗粒成为形成CO气泡的核心排出钢液面的气泡直径：吹氧时30-50mm，喷粉时10-15mm。气液界面比吹氧时大25倍，其脱氮速度是普通RH的2倍,防止钢水增碳技术：无碳钢包覆盖渣和保温剂 无碳中包覆盖渣和保温剂 无碳结晶器保护渣 降低连铸耐火材料的含碳量,钢水深脱碳技术（3）,低氮钢冶炼技术,铁水脱氮

6、技术 复吹转炉脱氮技术 不脱氧出钢，控制出钢口形状不散流 适宜的钢包顶渣改质与控制 真空脱氮技术 l控制低硫、低氧钢水 l适宜的炉渣成分 l合理的底吹搅拌工艺 全程保护浇注,2.2 氮,氮在气-液两相中的平衡,，,，,氮在铁液中的溶解反应可表示为：,脱氮的热力学,1600时合金元素对氮在液态铁中活度系数的影响,1600铁液中元素对氮的相互作用系数,目前冶金界比较一致的看法是，大多数情况下，钢液吸氮和脱氮的速率受液相传质和界面反应混合控制。在高氧位、高硫位条件下，主要受界面反应的控制，这是因为钢液中氧、硫等界面活性物质对氮在气泡表面的吸附和解离有显著的阻碍作用（二级反应）。在高真空、低氧位、低硫

7、位下，反应速率受液相传质控制（一级反应）。,钢液吸氮和脱氮的动力学,一级反应吸氮和脱氮的反应速度表达式,kN表观速度常数；A气-液相界面面积；V熔体体积；%Ne与气相平衡时钢液的氮含量；%N 某一时刻钢液中实际含氮量。,二级反应吸氮和脱氮的反应速度表达式,万谷志朗等人获得了表观脱氮速率常数与O、S含量的实验关系式：,1873K下钢液中氧、硫含量对吸氮速率常数的影响,超低碳氮钢冶炼理论小结（1）,提高温度和降低CO分压是脱碳的热力学条件低碳区碳的传递是脱碳的限制环节，熔池中大量细小弥散的气泡（O2、CO、Ar、N2）和强搅拌是深脱碳的动力学条件成分一定时钢液中氮的溶解度主要取决于气相中的N2分压

8、，因此，稀释气体（O2、CO、Ar）和真空是脱氮的热力学条件,超低碳氮钢冶炼理论小结（2）,大多数情况下，钢液吸氮和脱氮的速率受液相传质和界面反应混合控制降低钢液中表面活性物质O、S含量可以提高脱氮速度而对于初炼炉为防止出钢时吸氮应使钢水保持足够的氧化性和适当硫含量快速脱碳有利于提高脱氮速度，因此高配碳和强化供氧有利于低氮钢冶炼在低氮区，加强熔池搅拌以提高氮的传质速度，细小弥散的稀释气泡以增大反应界面是超低氮钢冶炼的主要动力学措施,脱碳过程的脱氮效率指数,=kN/kc=（1/%N）/%C其物理意义是：脱氮速度常数与脱碳速度常数的比值。越大说明相同脱碳速度下脱氮速度越大。2.5t真空感应炉实验表

9、明：真空脱气、吹氧+吹氩、喷吹氧化粉剂的值分别为2、1400、2400,氢的去除技术,初炼炉脱氢，碳氧反应熔池沸腾去氢 真空脱氢 造渣料、合金、耐材辅助料的严格干燥 保护浇注,2.3 脱氢,转炉或电炉终点钢水低氧位控制技术 挡渣出钢技术 l 电炉EBT出钢 l 转炉：挡渣帽，挡渣球，气动挡渣，多棱锥挡渣 炉渣改性技术 l 降低渣中（FeO）+(MnO)含量 l 提高炉渣吸收Al2O3夹杂物的能力 优化脱氧工艺 l 碳脱氧技术，真空碳脱氧技术 l 复合脱氧剂 l 优化脱氧剂的加入顺序 钙处理夹杂物变性技术 钢包、中间包和结晶器控流技术 钢包、中间包和结晶器惰性气体保护浇注 低氧位耐火材料的应用,

10、2.4 低氧钢及夹杂物去除技术,铁水预处理：脱硅+脱磷 转炉法预脱磷 初炼炉脱磷：转炉、电炉脱磷 档渣出钢技术防止钢包钢水回磷 钢包脱磷技术：造CaO+FeO渣+扒渣 低磷铁合金,2.5 低磷钢冶炼技术,铁水预脱硫 转炉防止回硫技术 钢包渣改质及顶渣控制技术 LF深脱硫技术 l白渣精炼技术 l钢包喷粉技术 VD过程真空脱硫技术 RH深脱脱硫技术 lRH-PB：喷吹CaO+CaF2粉剂 lRH真空槽内加预熔精炼渣,2.6 超低硫钢冶炼技术,转炉终点控制技术：静态模型+动态模型 副枪、炉气分析控制 出钢过程合金化模型 LF和RH终点控制技术：合金化模型+温度预报与控制模型 中间包冶金技术 结晶器成

11、分微调技术 炼钢精炼连铸全流程温度制度和控制技术,2.7 钢水成分和温度精确控制技术,2.8 下渣控制,是洁净钢冶炼的关键因素之一铁水包下渣转炉（电炉）下渣钢包向中包下渣中包向结晶器下渣结晶器卷渣,2.9 生产管理与钢质量的稳定性,规范化和模式化的工艺操作制度原材料的稳定与严格把关-堵住“病从口入”操作的定量化、简单化，取消模糊化计算机炼钢,取消经验炼钢,三、铁水预处理、转炉冶炼与洁净钢的关系,3.1 铁水预处理与纯净钢,为了提高钢的质量，改善高炉和转炉的生产条件，铁水炉外预处理技术已在世界各国广泛应用。铁水预处理优点：1）铁水炉外脱硫能给高炉减轻负荷，可降低焦比，减少渣量和提高生产率。2）铁

12、水炉外脱磷、脱硫，可使转炉炼钢渣量减少，做到无渣或少渣炼钢，并可缩短冶炼时间，提高生产能力。3）同时，磷硫的去除对于提高转炉钢的质量是极为有利的。,铁水炉外脱硫,铁水炉外脱硫在理论上和技术上都是可行的，因为铁水脱硫的条件比钢水脱硫更为有利。其原因是：铁水中C、Si、P等元素含量较高，使硫的活度系数增大；铁水中氧含量低，使硫的分配系数增大：铁水含氧低，因而可以使用强脱硫剂强化脱硫而不会造成强烈氧化。铁水炉外脱硫的经济性也是可观的，如某铁厂采用铁水炉外脱硫后，高炉碱度从1.25降低到1.06，焦比降低36kg/t，生产率提高36。,各种铁水脱硫处理方法分类,世界各国铁水脱硫应用的情况,各种脱硫剂的

13、脱硫反应,MgO(s)+S=MgS(s)+OCaO(s)+S=CaS(s)+OBaO(s)+S=BaS(s)+ONa2O(l)+S=Na2S(l)+OMg(g)+S=MgS(s)Ca(l)+S=CaS(s)CaC2(s)+S=CaS(s)+2C,常用脱硫剂的脱硫能力-CaC2、CaO、Na2CO3、Mg,1350 下典型脱硫剂的平衡常数和平衡%S,由计算可见，脱硫剂的脱硫能力秩序为Na2CO3、CaC2、Mg、CaO，并且都能满足工业应用中的脱硫要求。,图 2 ATH法脱硫装置示意图1 喷枪 2喷粉罐 3操作平台 4鱼雷罐车,铁水包喷粉反应区示意图1持久反应区 2瞬时反应区,CaO+Mg混合喷

14、吹铁水脱硫设备示意图,CaO+Mg粉,N2,N2,N2,优点：投资少缺点：粉剂偏析,CaO+Mg复合喷吹铁水脱硫设备示意图,Mg粉,CaO,N2,N2,N2,N2,N2,N2,Mg粉单独喷吹铁水脱硫,Mg粉,N2,N2,N2,优点：投资少;温降少;适合于小容量处理,A,B,C,D,E,A:Mg(s)Mg(l)Mg(g)B:Mg(g)MgC:Mg(g)+S MgS(s)D:Mg+S MgS(s)E:MgS(s)上浮 渣相,Mg+气体,镁脱硫动力学,提高脱硫速度的措施:降低镁粒喷入铁水的速度减小镁粒尺寸增加喷枪的插入深度较低的铁水温度增加MgS的形核中心,镁脱硫的副反应及载气的选择,镁与其他物质的

15、反应Mg(g)+1/2O2=MgO(s)Mg(g)+1/3N2=1/3Mg3N2(s)Mg(g)+1/2CO2=MgO(s)+1/2C(s)Mg(g)+H2O=MgO(s)+H2Mg(g)+O=MgO(s)Mg+O=MgO(s),载气的种类及选择 空气:镁氧化 氮气:镁少量损失,常用 氩气:价格贵 天然气:对镁呈惰性/分解吸热,使出口处温度下降,有利于镁的溶解,理想的载气,1/3Mg3N2(s)+S=MgS+1/3N2,镁的利用率,Mg,大气,溶解(铁水),载气,顶渣,脱氧,脱硫,24.8%,100%,67%,7.2%,1%,铁水包喷粉扒渣示意图,铁水包喷粉扒渣耙示意图,铁矿石中的磷在高炉的还

16、原气氛下将全部进入铁水中，而磷对炼钢来说则是有害元素。转炉炼钢脱磷效率高，但要加入较多的选渣料和熔剂，并且延长冶炼时间，降低生产率。近年来，对铁水炉外脱磷的研究有了进一步发展，有些技术已用于工业性生产。为使铁水中的磷有效地去除，首先要供给氧化剂将铁水中的磷氧化，然后供给强有力的固定剂，使磷的氧化物能稳定地结合在炉渣中。此外，对一些高熔点的固定剂还需要加入熔剂使其熔化成渣，达到固定磷氧化物的目的。,铁水炉外脱磷,高炉铁水脱磷技术的国内外现状,铁水预处理脱磷方法的可以按两种方法分类。一是根据所用容器不同，可分为铁水罐或鱼雷车中脱磷和转炉内铁水脱磷两大类。二是根据脱磷剂组成可以分为苏打精炼法和石灰系

17、熔剂精炼法。,（1）苏打精炼法,苏打精炼法最典型的工艺是日本住友金属鹿岛厂开发的“住友碱精炼法”()，于1982年5月正式投产。其工艺过程为：铁水流入鱼雷车后，先喷吹烧结矿粉进行脱硅处理，处理后使硅含量0.01%，再用真空吸渣法排除渣后，喷入苏打粉同时脱磷脱硫，处理后铁水0.01%，0.003%。这种方法的效率高，生产低磷钢时精炼成本较低，但缺点是在处理过程中产生大量烟雾，钠的损失大且会污染环境，因而没有得到大规模推广使用。这种工艺也不适合目前一钢公司的生产线。,（2）在鱼雷车或铁水包中采用石灰系熔剂精炼法进行铁水脱磷,1978年7月新日铁君津厂开发了铁水脱硅、脱磷技术，于19821983年在

18、君津一、二炼相继投产，称之为工艺(Optimizing Refining Process)，旨在把过去传统转炉进行脱硅、脱磷、脱硫、脱碳的工序分3段进行，以使各工序在热力学最佳条件下进行冶炼。所谓3段工序是在高炉出铁槽中进行脱硅，在铁水罐或混铁车内进行脱磷、硫，在转炉中进行脱碳。当高炉铁水含硅量高时，尚需在铁水罐或混铁车中进行二次脱硅，其脱硅目标值应为si0.15%，以满足铁水脱磷要求。,工艺,铁水脱硅在高炉出铁槽中进行，吨铁脱硅剂加入量一般为30kg，铁水脱磷在混铁车中进行，吨铁脱磷剂(铁矿石粉或烧结矿粉)加入量一般为50kg，平均月处理铁水量已达20万，从1982年9月至1983年7月共处

19、理铁水量已达204万。高炉出铁硅目标值为si0.15%；脱磷工序目标值视冶炼钢种要求而异，当冶炼低磷钢时，要求处理后的铁水含磷量为0.01%0.02%；炼普碳钢时要求铁水含磷量为0.03%0.05%。,太钢二炼钢的铁水预处理站,日本川崎制铁引进。铁水处理在55专用包内进行。有运罐车在处理工位和扒渣工位运行。根据三脱的需要，顶部设有三个贮粉罐，分别装三种粉剂(脱硅剂、脱磷剂和脱硫剂)。下部共用一个喷粉罐，可单脱硫处理或同时脱磷脱硫处理。单脱硫处理操作流程是：高炉铁水罐兑入65专用包扒渣、测温、取样喷入脱硫剂扒渣、测温、取样兑入转炉。脱磷处理操作流程是：高炉铁水炉前脱硅(至0.45%si)高炉铁水

20、罐兑入65专用包扒渣、测温、取样喷入脱硅剂(至0.15%)扒渣、测温、取样喷入脱磷剂扒渣、测温、取样兑入转炉。,（3）转炉铁水脱磷预处理的工艺,住友金属开发的(Simple Refining Process)工艺是转炉铁水预处理脱磷技术的典型代表。1999年3月和歌山厂新建2座210顶底复吹转炉，采用工艺。兑入转炉铁水为0.1%，经脱磷后铁水中降至0.01%。当冶炼低磷钢时一般脱磷后铁水中量至0.01%0.02%；一般钢种脱磷后铁水含磷量控制在为0.03%0.05%。脱磷转炉氧耗133/；脱碳转炉氧耗为453/。转炉脱磷后出半成品，采用挡渣，因此进入钢包中渣量减少，不需扒渣；但对冶炼0.01%

21、的钢种需进行扒渣。脱磷渣碱度控制在2.22.7，根据冶炼钢种考虑，温度愈低，脱磷率愈高，温度目标值一般控制在1350。,国内某厂铁水罐喷吹脱磷工艺,（1）在设备上具有埋入消耗式顶枪喷粉系统和水冷式顶枪吹氧系统。（2）铁水脱磷站具有补充脱硅功能。当铁水硅含量高于0.15%时，要进行补充脱硅操作，用喷粉枪喷入脱硅剂并加氧化铁皮，同时使用氧枪在铁水表面吹氧。该工艺具备较高的脱硅效率。（3）采用埋入式喷枪用N2作载气直接将脱磷粉剂喷入铁水包底部，由于载气的强搅拌和喷入的铁氧化物在包底迅速分解为FeO，使脱磷反应具有很好的动力学条件，脱磷剂在上浮到熔池表面时，反应能充分进行，因而具有高的脱磷速度和脱磷率

22、。,（4）通过控制水冷氧枪的吹氧量可以有效地控制铁水的温度。使铁水温度不过高以便有利于脱磷，铁水温度不过低，有利于化渣，特别是有利于转炉冶炼。（5）采用CaO+CaF2和铁矿粉、氧化铁皮作为脱磷粉剂，成本低，安全性高。（6）脱磷处理后配备有效的扒渣设备，以防止后步工序回磷。（7）喷吹系统可实现全自动化操作，运用模型控制可实现工艺操作的自动化。（8）根据不锈钢生产对铁水需求量的不同，处理的铁水量可在较大范围内变化，每罐为50-95吨。,铁水脱磷关键技术分析,铁水初始硅含量对脱磷率的影响,(1)铁水硅含量的影响:从热力学上讲硅优先于磷氧化，即硅的存在抑制脱磷反应的进行。而硅氧化后由于降低了炉渣的碱

23、度也不利于脱磷。在实际工艺中人们普遍的共识是满足铁水脱磷的起始硅含量应小于0.1-0.15%。,（2）铁水温度,低温有利于脱磷。但过低的温度不仅对后步冶炼造成影响，而且也不利于反应的动力学条件并使炉渣的流动性恶化。根据大量的实验和生产数据统计，脱磷前的温度在1300-1350，脱磷后的温度在1280-1320范围内是合理的。而且尽量用顶吹氧枪控制铁水的温降，使温降值小于50。,（3）脱磷粉剂组成,1）氧化剂氧化剂的作用是将铁水中的磷氧化生成P2O5。常用的氧化剂有铁精矿粉或烧结矿粉、轧钢铁鳞（氧化铁皮）、转炉除尘灰和转炉渣等。有关实验表明，采用轧钢铁皮效果最好。有资料介绍采用少量锰矿替代氧化铁

24、做氧化剂可以促进造渣提高脱磷效果。,2）固定剂,固定剂的作用是与氧化生成的P2O5结合形成稳定的化合物使P稳定存在于渣中。也可以理解为固定剂能显著降低渣中P2O5的活度系数，使磷稳定存在与渣中。因而固定剂是高碱度的组元。最常用的固定剂是CaO。研究表明，用更高碱度的组元Na2O、BaO、SrO部分代替CaO可以提高铁水脱磷效果。常用的固定剂有CaO、Na2CO3，其反应为：,3）助熔剂助熔剂的作用是降低脱磷剂的熔化温度，改善炉渣的流动性，提高脱磷反应速度。最常见的助熔剂是CaF2。而用CaCl2代替CaF2可以进一步提高脱磷效果。,国内外一些钢厂或研究者所用的脱磷剂组成,CaO/Fe2O3比例

25、对脱磷影响,CaF2对脱磷率影响,（4）粉剂消耗量,粉剂消耗量通常在30-50kg/t范围内。在相同铁水条件和脱磷率下主要取决于粉剂种类和操作工艺参数。而当工艺和粉剂种类确定时，则取决于铁水的原始成分和磷的处理目标值。此时应建立一个工艺数学模型，预测终点磷含量与粉剂消耗量的关系。,（5）载气操作参数,用于载送脱磷剂的气体一般为N2、O2或空气。在用N2为载气的情况下混入少量O2有利于防止喷枪堵塞，也有利于脱磷。粉气比与采用的载气有关，通常在30-60kg/kg。如果用O2可以小一些。在用惰性气体的情况下，一般要大于50kg/kg。不同厂家的喷吹模式不仅相同。有的固定脱磷剂组成，通过改变气粉比、

26、喷吹速度和喷吹时间来控制脱磷反应。有的则可以在喷吹过程中改变脱磷剂的组成。例如，为预防脱磷初期由于不能很快形成一定碱度所诱发的喷溅，而采取了在喷吹过程迅速变化石灰和烧结矿粉组成的措施。具体的喷吹模式还需要进一步做试验确定。,（6）顶吹氧气参数,顶吹氧气可以补偿铁水温降、促进化渣和熔池搅拌、提高氧化性从而提高脱磷效果。顶吹氧供氧强度通常在0.5-1.0 Nm3/t.min，供氧量应达5-7 Nm3/t。因为适当提高O2的气固比，有利于减少熔池温降。控制合理的枪位并采用二次燃烧技术可以减少铁水的脱碳量并提高热效率。,工业技术的发展促使人们寻求更加经济的铁水炉外处理方法，若能在铁水预处理中同时实现脱

27、磷与脱硫，则对降低生产成本，提高生产率都有利。众所周知，铁水脱硫和脱磷所要求的热力学条件是相互矛盾的，要同时实现脱硫与脱磷，必须创造一定的条件才能进行。根据现代冶金炉渣结构理论，冶金炉渣是离子性熔体，炉渣金属间的反应实质是电化学反应。在强的还原条件下(po210-17MPa)，如在CaCaF2渣系下，金属中硫和磷都以阴离子形式同时进行转移，即阴极反应：S+2eS2-P+3eP3-而此时的阳极反应为：Ca-2eCa2+,铁水同时脱硫与脱磷,因此，总的脱硫和脱磷反应式为：,在氧化条件下，脱硫和脱磷的分配比可用下式表示：,其中，磷容量CP和硫容量CS由下面定义：,由(131)和(132)式可知，在温

28、度和金属成分一定的时候，选择磷容量CP和疏容量CS较大的渣系，就能得到较大的LP和LS值，实现铁水同时脱磷与脱硫。同时，当渣系一定时，可以通过控制炉渣金属界面的氧位pO2来调节LP和LS的大小，即增大pO2能提高LP，减小LS；减小pO2能降低LP，增大LS。因此，就可以根据对铁水脱磷和脱硫的程度要求，控制合适的氧位，有效地实现铁水同时脱磷和脱硫。,110t铁水包中喷粉处理时各部位氧位的变化实测值见图18。,在采用喷吹冶金技术时，经试验测定，在喷枪出口处氧位高，有利于脱磷；当粉液流股上升时，其氧位逐渐降低，到包壁回流处氧位低，有利于实现脱硫。因此，在同一反应器内，脱磷反应发生在高氧位区，脱硫反

29、应发生在低氧位区，使铁水磷与硫得以同时去除。,理论上的突破，促进了工艺技术的发展，目前铁水同时脱磷脱硫工艺已在工业上应用。如日本的SARP法(Sumitomo Alkali Refining Process 住友碱性精炼工艺)，它是将高炉铁水首先脱Si，当Si0.1以后，扒出高炉渣，然后喷吹苏打粉19kg/t，其结果使铁水脱硫96，脱磷95。喷吹苏打粉工艺的特点是：苏打粉熔点低，流动性好；界面张力小易与渣铁分离，使渣中铁损小；实现同时去除硫磷；但对耐火材料侵蚀严重；有气体污染。,另一类是以喷吹石灰粉为主的粉料也可实现同时脱磷与脱硫.如日本新日铁公司的ORP法(Optimising the Re

30、fining Process，最佳精炼工艺)，它是把铁水脱硅，当Si0.15后，扒出炉渣，然后喷吹石灰基粉料52kg/t，其结果铁水脱硫率为80，脱磷率为88。喷吹石灰基粉料的工艺特点：渣量大，渣中铁损多(TFe达2030)；石灰熔点高，需加助熔剂；铁水中氧位低，需供氧；成本低。,同时脱磷脱硫条件下一些研究者的粉剂组成和脱磷脱硫效果,3.2 转炉冶炼与钢水洁净度,复吹效果与碳氧浓度积转炉终点控制与钢水氧含量钢水氧含量与钢水洁净度转炉下渣与钢水洁净度出钢脱氧合金化与钢水洁净度辅助材料(渣料、增碳剂）与钢水质量,转炉终点碳含量与氧含量的关系,不同底吹位置复吹转炉的冶金效果（本钢）,不同炉座的碳氧积

31、,不同炉座的钢中磷含量,不同炉座钢中硫含量,不同炉座的钢中氧含量,不同炉座的渣中（FeO）含量,不同炉座的Si回收率,不同炉座的钢中Mn含量,不同炉座的Mn回收率,四、LF精炼技术,1.概述2.埋弧渣 3.炉渣脱硫4 LF的瓶颈问题与高效精炼5.LF炉热效率的理论分析6.电极消耗7.LF精炼与钢种,LF钢包精炼炉的功能,电弧加热造渣：脱硫、脱氧、吸收夹杂物吹氩搅拌合金化和成分调整喂线和夹杂物变性处理,1、概述,（1）还原气氛 LF炉本身不具备真空系统，但由于钢包与炉盖密封，隔离空气，加热时石墨电极与渣中FeO、MnO、Cr2O3等反应生成CO气体，使LF炉内气氛中氧含量减少。精炼过程通过扩散脱

32、氧和沉淀脱氧造成钢液的还原条件,可以进一步脱氧、脱硫及去除非金属夹杂。（2）氩气搅拌 氩气搅拌加速钢渣之间物质传递，有利于钢液脱氧、脱硫反应。吹氩可以加速Al2O3夹杂物上浮速度，在密封的LF炉，吹氩15min后，可使钢中大于20m的Al2O3夹杂基本清除。,（3）埋弧加热 LF炉三根电极插入渣层中进行埋弧加热，这种方法辐射热小，对炉衬有保护作用，热效率高，浸入渣中石墨与渣中氧化物反应为：C+FeO=Fe+CO C+MnO=Mn+CO 2C+WO2=W+2CO 5C+V2O5=2V+5CO 上述反应不仅提高了渣的还原性，而且还提高合金回收率，生成CO使LF炉内气氛更具还原性。,LF炉操作中通过

33、对炉渣强化脱氧形成白渣，由于渣对钢液中氧化物的吸附和溶解，达到钢液脱氧效果。(无污染脱氧方法)LF炉由于有温度补偿，吹氩强烈搅拌，随渣中碱度提高，硫的分配比增大，可炼出低硫钢或超低硫钢。目前国内外冶炼低硫钢和超低硫钢时渣中（FeO+MnO）的理想控制范围是小于0.5%。,（4）白渣精炼,2 埋弧渣,泡沫渣的作用：1）提高功率因素，降低吨钢电耗；2）减少热损失，提高热效率（从30%提高到60%）；3）减少电弧对炉衬的侵蚀，提高炉衬使用寿命；4）泡沫渣操作能改善冶炼条件，提高钢液洁净度。,1）靠增大渣量、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

34、。,LF埋弧精炼有两种方式：,影响LF炉埋弧渣操作的因素,电弧长度炉渣气泡性能（气泡指数：气体在渣中的停留时间）气源：化学反应，发泡剂,LF的弧长与弧电压有关,可由下式估算:Larc=(Uarc-)/式中:电弧阴极区和阳极区电压降的和，实测值是1020V，该值随电极和炉渣的不同而改变；弧柱中的电位梯度，V/mm，对LF精炼期可取1.1。还有人提出1600时碱性渣情况下电弧长度可通过下式进行计算：Larc=(Uarc-9)/8.4 正常情况下，渣层厚度为弧长的两倍时，热效率较好。LF的渣厚应保持一定的厚度，通常渣厚达到电弧长的两倍时可实现埋弧。,(1)弧长,(2)衡量炉渣泡沫化的指标炉渣泡沫化指

35、数（foaming Index):,s,炉渣总高度减去未吹气时炉渣的高度，cm；所吹气体流量，cm3/s；容器截面积，cm2；气体在炉渣中的表观速度，cm/s；气体在炉渣中的实际速度，cm/s；泡沫化炉渣的高度，cm；炉渣中起泡率。,式中：,可见，炉渣泡沫化指数为气体穿过泡沫层的平均停留时间。,图 炉渣起泡指数与炉渣物性值之间的实验关系,=0.98634,气泡的直径对起泡指数有很大的影响。,要使炉渣泡沫化：1）是要保证精炼基础渣有适宜的物理性质，即较大的粘度，较小的表面张力，适宜的碱度。2）要有足够的气源 A、电极与炉渣反应,氩气搅拌提供一部分气源；B、可通过外加发泡剂产生气体。,(3)发泡剂

36、的选择：,发泡剂的选择考虑要有良好气源，同时又能促进精炼操作。发泡剂的种类：1）碳酸盐：常用的有石灰石、白云石和工业碱，在高温下主要发生以下反应：CaCO3=CaO+CO2 MgCO3=MgO+CO2 Na2CO3=Na2O+CO2,2）碳及含碳化合物：常见的有焦碳、碳化硅和电石。由于LF炉开始阶段钢中氧和渣中（FeO）均较高，这些物质将与炉渣起反应：C+(FeO)=Fe+CO SiC+3(FeO)=3Fe+(SiO2)+CO CaC2+3(FeO)=3Fe+(CaO)+2CO,100g发泡剂产生的气体体积比较/NL,从实验研究结果看，碳酸盐在高温下的分解速度快，反应时间短，且产生的气体体积也

37、较少。采用以SiC和CaC2为主的发泡剂发泡效果较好。但相对比较CaC2发泡效果更好。以SiC和CaC2混合型的发泡剂具有最好的发泡效果。,值得说明的是：尽管CaC2具有良好的发泡效果，但运输和保存比较困难。且SiC和CaC2型的发泡剂在渣中氧化铁含量较高时（LF通电造渣前期）发泡效果显著，而当钢、渣中氧含量较低（LF后期）即到脱氧后期其发泡能力将受到明显限制。对于低硅钢还要注意发泡剂中SiC及渣中SiO2被还原造成的钢水增硅问题。,渣厚随时间的变化曲线,统计表明，某厂LF实现全程埋弧操作后，可使 LF处理的吨钢电耗和电极消耗分别下降12.5%和26.6%，而钢包的平均使用寿命可提高26.8%

38、。,3.炉渣脱硫,脱硫的问题就目前水平而言已经解决。日本某厂通过炉外精炼的有关操作已可将钢中的硫降到2ppm的水平。脱硫应保证炉渣的高碱度、强还原性即渣中自由CaO含量要高；渣中（FeO+MnO）%要充分低，一般小于0.5%是十分必要的。从热力学的角度讲，温度高有利于脱硫反应的。而且较高的温度可以造成更好的动力学条件而加快脱硫反应。,要使钢水脱硫，首先必须使钢水充分脱氧。此时钢中的铝含量应当高于0.02%。这时可以保证溶解氧不高于24ppm。经常使用的脱硫合成渣是4550%CaO，1020%CaF2，515%Al，05%SiO2。过多的SiO2会降低炉渣的脱硫能力，但是它却可以降低炉渣的熔点，

39、使炉渣尽快参加反应，起到对脱硫有利的作用。只要不超过5%就不会对脱硫造成不利影响。,LF炉脱硫的热力学及动力学分析,LF炉渣金脱硫反应热力学计算公式的导出 热力学计算对应的基本工艺条件 精炼终点渣金硫的平衡分配比及钢水硫含量的计算与分析 LF精炼过程脱硫的动力学分析,渣金脱硫反应方程,对于CaO基的精炼渣:,炉渣的硫容量及其与光学碱度的关系,LF炉钢水硫含量计算,渣金硫的平衡分配比与硫容量的关系,可见，影响渣金硫的平衡分配比的因素包括炉渣碱度（）、钢水中的活度系数（fS）、钢水的平衡氧活度（ao）和温度（T/K）。其中炉渣光学碱度可根据炉渣成分计算得到，而活度系数（fS）可由钢水成分计算得到（

40、在低硫含量下fS1）。,钢水的平衡氧活度可由下面两种途径来计算：,（A）由与钢水氧活度平衡的炉渣中（FeO）含量来计算，根据渣金氧平衡可得：,1873K下，CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元精炼渣系中氧化铁的活度系数(FeO)的实验回归方程为：,1873K下，CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元精炼渣系中Al2O3的活度由以下回归方程表示：,（B）对于铝镇静钢，钢液中氧活度主要由铝含量控制。由Al-O平衡反应可得：,渣中（FeO）含量对渣金间硫的平衡分配比的影响,钢中溶解铝含量对钢水平衡氧活度及渣金硫的平衡分配比的影响,炉渣成分对光学碱度和硫的平衡分配比的影响,渣量对LF精炼终点钢水

41、硫含量的影响,钢水原始硫含量对精炼终点钢水硫含量的影响,渣中原始硫含量对精炼终点钢水硫含量的影响,（1）控制炉渣成分，提高炉渣碱度。为此，炉渣中SiO2的含量要控制在10%以下，最好达到5%的水平。为了对于特殊场合，可以添加BaO，Na2O，Li2O等碱度更高的组元。（2）强化对炉渣和钢水的脱氧。向炉渣中加入扩散脱氧剂，使渣中（FeO+MnO）含量达到1%甚至0.5%以下。控制钢中酸溶铝含量，使钢水中氧活度控制在1.010-3以下。,LF炉冶炼超低硫钢的工艺条件,（3）较高的精炼温度和良好的底吹氩搅拌工艺也是重要脱硫工艺条件。（4）对炉渣和钢水的原始硫含量进行限制，同时也保证相应的渣量，必要时

42、可进行换渣操作。,LF炉冶炼超低硫钢的工艺条件,渣金间脱硫反应的动力学方程,LF精炼过程脱硫的动力学分析,提高 LF精炼过程脱硫速度的措施,提高精炼温度 加强底吹Ar搅拌 提高渣金界面硫的平衡分配比 高碱度炉渣 加强炉渣和钢水的脱氧,4.LF的瓶颈问题与高效精炼,LF在冶炼流程中，特别是转炉流程中已成为瓶颈解决方案：（1）初炼炉适当提高出钢温度、加强钢包烘烤、周转和保温；（2）出钢时加炉渣改质剂、预熔渣和底吹使精炼过程前移；（3）优化供电、造好埋弧渣，提高升温速度；（4）提高自动化水平，缩短取样分析时间，提高成分与温度的控制命中率；（5）1座初炼炉配2座LF；或2座初炼炉配3座LF；（6）对于

43、有2台以上铸机的炼钢厂，可以采用低档钢种与优质品种钢平行冶炼的方式生产，这样可以只走吹氩站的工艺路线，LF只走优质品种钢。,钢包吹氩（顶吹和底吹）,钢包加盖吹氩CAB,钢包小盖吹氩,CAS,CASOB,4.1 选择简易的精炼手段:关键是吹氩工艺,4.2 LF炉快速成渣和高效精炼,LF炉存在的主要缺点是精炼时间长，特别在BOF-LF-CC流程中，LF 炉已成为实现多炉连浇的瓶颈,原因：,出钢时炉渣改质或同时随钢流加入精炼渣，实现LF炉造渣和脱氧前移采用低熔点的预熔渣实现快速造渣高的钢包温度、良好的保温和大功率供电,措施：,精炼渣成分设计与生产,LF炉合成精炼渣目标成分（%）,精炼渣的成分和理化指

44、标设计,设计原则：精炼设备和功能要求钢种及其质量要求流程时间节奏要求成本要求环境要求,LF精炼基本渣系及生产方法,化学成分：CaO-CaF2基CaO-Al2O3基CaO-Al2O3-SiO2基物理状态：机械混合烧结预熔型（竖炉法、电熔法）,电熔法生产精炼渣设备,国内外几种精炼渣的组成（%）,电熔铝酸钙渣系,用途用于钢水炉外精炼脱硫处理，吸收钢中Al2O3夹杂物等使钢水得到净化的效果。主要适合于铝镇静钢，如碳素结构钢、合金结构钢和深冲钢等。可以在LF炉和RH精炼装置上使用。若制成粉剂还可以用于钢水喷粉脱硫。,电熔铝酸钙渣系,物理化学特征,物相前二种渣的物相以12CaO7Al2O3为主，少量3Ca

45、OAl2O3。后两种同时具有12CaO7Al2O3和3CaOAl2O3，并有少量其它相。熔化温度(熔点)在1300-1365范围内。粒度：通常为1-30mm。也可以根据用户要求的粒度进行生产。包装采用塑料复合编织袋，每包1000kg包装。也可以根据用户需要采用其它形式包装。,电熔铝酸钙渣系主要特点,炉渣的纯净度高，化学成分均匀、物相稳定、熔点低，成渣速度快，可大幅度地缩短精炼时间，提高钢水的洁净度。脱硫和脱氧速度快，可有效迅速地吸收钢水中的硫化物和氧化物夹杂物。不含氟或少量含氟、不侵蚀炉衬和钢包，有效地防止氟对环境的污染。结构致密、不吸水、便于储运仓贮。由于呈颗粒状，不粉化，不挥发，可显著减少

46、对钢铁厂粉尘污染。与其它同类产品（烧结型和冲天炉产品）相比，本产品具有物相和化学成分稳定，杂质少（基本不含氢、氮、碳等杂质），使用时炉渣的物理化学性能稳定，从而保证稳定的精炼工艺和良好的冶金效果，有利于提高钢材品质和降低生产成本。,5 LF炉热效率的理论分析,LF炉能量平衡示意图,Pe变压器输出的有功功率；Pr线路（短网）损失的电能；Parc电弧功率；Par损失的电弧功率；Qab进入渣钢熔池中的电弧热量；Qbath滞留在熔池中的热能；Qch用于渣料、合金熔化升温热；Qm钢水、炉渣的升温热；Qls通过炉衬损失的热量；Qln炉衬的蓄热；Qsa由渣面损失的热量；Qg炉气带走的热量；Qsl由渣面散发出

47、的热量；Qshell由包壳与周围大气的热交换而损失的热量,LF炉几个能量利用率的定义,（1）LF炉的电效率E,（2）LF炉电弧的传热效率arc,（3）熔池的热效率bath,（4）LF炉总的热效率或总的能量利用率LF,电弧埋入炉渣中的行为特征,电弧燃烧的稳定性显著提高炉渣的磁屏蔽效果 炉渣对电弧等离子体成分的影响 炉渣对电弧柱电位梯度的影响,电 弧 传 热,交流电弧传热机理(正半周),交流电弧传热机理(负半周),LF炉电弧的传热行为,（1）电弧柱向钢液的传热量,（2）弧柱向侧面的传热量,（3）炉渣（包括部分钢液）吸收的热量,，,其中,钢液和炉渣总的吸热量,LF炉运行电抗模型,运行电抗模型:,二次

48、侧相电压运行时为：,150tLF炉13级电压下的运行电气特性曲线（Tap13，335V）,1电效率，2功率因数cos 3表观功率S4电弧电压Uarc5操作电抗Xop6有功功率Pe 7电弧功率Parc8无功功率Q9耐材消耗指数RE10短路电抗Xs,电弧功率随运行电流的变化曲线,合理供电制度的确定,最快速升温电流经济电流,最快速升温电流,进入熔池的电弧热量 Qarc最大,熔池钢水升温速度最大,最快速升温工作点,经济电流,在LF炉的能量平衡中，电效率和电弧的传热效率是相互关联的。要使综合效果达到最佳，必须使两者效率的乘积达到最大：,式中ea称之为输入熔池的电热效率。定义当电热效率为最大时的电流为经济

49、电流。,经济电流工作点,热效率分析,在新钢包中，A=2.469，B=0.5871，C=10.86，E=-4.3791+0.0027T初始（若E0.59则取E=0.59）；在周转包中，A=2.569，B=0.3755，C=10.84，E=-4.3481+0.0027T初始（若E0.59则取E=0.59）。,不同钢包状态及通电级数下的平均升温速率：,影响钢水升温的主要因素,进入熔池中的电弧热量钢包状态钢水浸泡时间钢水温度,表 实测钢水温升速度与计算钢水温升速度的比较,提高LF炉热效率的主要技术措施,（1）优化供电制度，提高电效率和电弧的传热效率（2）加强钢包烘烤和实施钢包周转的优化（3）减少热停时

50、间，缩短精炼周期,6 电极消耗研究,LF炉电极消耗机理及模型研究,研究的目的和意义LF炉精炼过程电极消耗机理及模型研究LF炉电极消耗的计算降低电极消耗的措施,6 电极消耗研究,电极消耗分类,电极消耗机理,端部消耗 侧面消耗折断消耗,电极端部消耗示意图,A1电弧行为引起端部消耗主要区域A2电弧行为引起端部消耗的次要区域E钢、渣侵蚀区域,端部消耗,由于电弧的高温使前端部石墨升华即蒸发,因热应力使其崩裂即热剥落,由于钢水和炉渣的侵蚀使石墨溶解或发生化学反应C+（FeO）=CO+Fe C+（MnO）=CO+Mn2C+（SiO2）=2CO+Si 3C+（CaO）=CO+CaC2,侧面消耗,石墨电极表面将