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1、国内部分厂家纯净钢生产与研究,刘建华北京科技大学冶金与生态工程学院（010）62332358，,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,1.1 钢帘线纯净度要求子午线轮胎钢帘线的直径极其细小，在其高面缩率拉拔、高扭转力合股的加工过程中，对于原料帘线钢的成份及组织的均匀性、纯净度，尤其是夹杂物的数量、特性有极其严格的要求。在帘线钢的冶炼时，一方面要通过各种工艺手段降低钢的夹杂物含量，另一方面要使夹杂物无害化，即控制夹杂物的类别、大小、组成等，使之转变成为可变形的塑性夹杂。后者尤为重要，技术难度更高。帘线钢的夹杂物控制技术，国外只有少数钢铁企业掌握，能稳定生产高质量的帘线钢。,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,
2、非金属夹杂物破坏了钢基体的连续性，引起应力集中，促进裂纹提前形成，降低钢的强度、塑性、韧性和疲劳性能等力学性能，使钢的冷热加工性能恶化。夹杂物对钢的性能影响程度取决于夹杂物的数量、大小、形态、组成及分布。这与工艺制度密切相关，由此形成了夹杂物控制理论的研究、工艺技术的开发。,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,1.2 夹杂物控制技术炼钢工业生产中，一般采用两种终脱氧工艺来控制夹杂物一种是铝脱氧工艺，把钢中的溶解氧降低，其脱氧产物Al2O3夹杂物一部分可以通过各种工艺手段加以排除，必要时还对夹杂物进行变性处理，如有的钢种还要进行钙处理，将残留的Al2O3夹杂物变性成低熔点的危害性较轻的夹杂物，此外有的
3、钢种要对硫化物进行球化处理；另一种是非铝脱氧工艺，采用硅锰合金进行预脱氧，再通过钢水精炼进行深脱氧，严格控制钢中的酸溶铝及钙含量，达到控制夹杂物组成和形态，使夹杂物趋向无害。,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,这种夹杂物控制的新理念新工艺的创新，改变拓宽了以往冶金工作者片面苛求超低氧来减少夹杂物数量达到提高钢水纯净度的传统思路，转为力图少用或不用强脱氧剂（铝合金等），使钢水在一定的氧含量下，促使夹杂物无害化，并成功地使之工业化，解决了对夹杂物要求极其严格的钢种（比如高级别弹簧钢、轮胎帘线钢）的纯净度难题。,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,1.3 帘线钢的夹杂物控制技术用硅锰脱氧的帘线钢的非金属夹杂物
4、，主要分为三大类硫化物（A类）氧化铝（B类）硅酸盐（C类）。各类夹杂物数量所占比率及在钢水精炼前、中、后的变化，从一个实例大体可知，见表1。表1 各类夹杂物数量所占比率（%）,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,1.3.1 硫化物夹杂帘线钢中的硫化物夹杂主要以MnS及其复合夹杂物的形式出现，塑性良好变形能力较强，只要其数量、粒度在一定范围内，在钢帘线的加工过程中对延伸率、断面收缩率影响甚微，视为无害。帘线钢的硫化物夹杂物数量与钢水的硫含量的控制相关。,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,1.3.2 氧化铝夹杂由炉料、合金等带入的金属铝形成的氧化铝夹杂物，对于子午线轮胎钢帘线用钢是最有害的这类夹杂，如高Al
5、2O3含量的刚玉、镁铝尖晶石、钙铝酸盐等，在钢的热加工的整个温度范围内都无塑性，因而帘线钢进行轧制、拉拔、合股时，这些不变形夹杂与金属基体脱开，并使基体划伤，在夹杂物周边产生微裂纹或空洞，随后发生断裂。为了最大限度地减少帘线钢中的B类夹杂，要采取各种工艺手段如采用低铝高纯铁合金、非铝质耐材钢包、专用钢水脱氧剂、非铝钢渣改质剂、专用精炼顶渣、合适的吹氩搅拌模式等等，达到控制产生B类夹杂的源头铝，又设法让夹杂物尤其是大颗粒夹杂充分上浮，被精炼顶渣所吸附。,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,1.3.3 硅酸盐夹杂帘线钢中此类夹杂大多为复合硅酸盐夹杂含有MnO-CaO-Al2O3-SiO2，在钢的凝固过程
6、中，由于冷却速度快，一些液态的硅酸盐来不及结晶，其全部或部分以玻璃态的形式存在。硅酸盐在热加工的温度范围（800-1300）内，依其组成不同塑性差别很大。硅酸盐夹杂在帘线钢钢水炉外精炼时的行为特性如颗粒度、上浮速度、突破渣金界面进入渣层所需要的搅拌能等，决定了它比氧化铝夹杂更难以从钢水中排除,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,图1 夹杂物Al2O3含量与夹杂物变形能力的关系,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,其变形能力即对于帘线钢的危害程度与其组成密切相关国外多个文献指出，硅酸盐复合夹杂物的Al2O3含量对夹杂物变形能力的影响是显著的，具有最好变形能力的复合夹杂物的Al2O3含量为20左右，它正好落在
7、CaO-Al2O3-SiO2三元相图的假硅灰石与钙斜长石的共晶线附近的区域及MnO-Al2O3-SiO2三元相图的锰铝榴石区域，见图2，即Al2O3含量为20左右，SiO2含量约为4555，CaO或MnO等约为2030。,图2 夹杂物的目标组成,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,夹杂物Al2O3含量与钢水的酸溶铝含量密切相关，其关系如图3所示。根据热力学理论，钢水酸溶铝的来源为炉料、合金、炉渣和耐火材料降低酸溶铝生成量的主要对策：采用低铝铁合金，达到控制钢水极低酸溶铝含量；造合适碱度的精炼渣来保持钢水的一定的氧含量，以抑制炉渣及耐材的Al2O3还原。,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,图3 钢水酸溶铝
8、含量与夹杂物Al2O3含量的关系,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,用硅锰合金初脱氧的产物在钢水和夹杂物之间一般存在下列关系：Si+2 MnO（s）=SiO2（s）+2 MnS+MnO(s)=MnS(s)+O 2 Al2O3（s）+3 Si=3 SiO2(s)+4 Al用CaO-SiO2-Al2O3 系精炼渣以及脱氧剂进行钢水精炼时，又存在如下关系：2 Ca+SiO2（s）=2 CaO（s）+Si,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,在钢水精炼结束时，夹杂物与钢水的反应趋向平衡，夹杂物的组成落在目标区域。帘线钢精炼前后的夹杂物组成变化的实例见表2。表2 精炼前后的夹杂物组成（%）,1.宝钢帘线钢夹杂物控
9、制技术,钢帘线夹杂物控制的关键正在于此。为了使帘线钢中的夹杂趋于上述组成范围，在钢水精炼工序，要采取一系列手段进行控制，其中很重要的是选择合适的精炼渣与脱氧剂，它的功效有：对钢水进行再脱氧，控制钢水酸溶铝含量，调整夹杂物的组成，吸附夹杂物等。再辅以其他工艺措施，最终达到使夹杂物控制的目的,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,1.4 宝钢帘线钢夹杂物控制的实物水平开发各种有实效的控制帘线钢夹杂物工艺技术，把帘线钢夹杂物成分控制在合适的范围，在轧制拉拔过程中延伸成丝状夹杂，其宽度10m，成为无害的塑性夹杂物 1.4.1 钢坯夹杂物的电解分析 表3 C0.72%帘线钢坯的夹杂物总量及其分量（%）,1.宝钢
10、帘线钢夹杂物控制技术,1.4.2 钢坯夹杂物评级表4 夹杂物评级（级）,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,1.4.3 盘条夹杂物宽度分布,图4 夹杂物宽度分布,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,1.4.4 盘条夹杂物组成表5 夹杂物组成（%）,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,夹杂物形貌,1.宝钢帘线钢夹杂物控制技术,轧坯中夹杂物形貌,2.鞍山转炉-ANS-连铸工艺生产低碳铝镇静钢洁净度,采用转炉ANS精炼连铸工艺生产低碳铝镇静钢，ANS处理后钢液TO含量在3556ppm之间，铸坯中总氧含量在25ppm左右。铸坯中主要的非金属夹杂物为微小的块状Al2O3夹杂物和少量较小尺寸的簇群状Al2O3夹杂物，铸坯中
11、尺寸大于50m的大型非金属夹杂物含量低于1mg/10kg。,2.鞍山转炉-ANS-连铸工艺生产低碳铝镇静钢洁净度,2.1 生产工艺低碳铝镇静钢被广泛地用于生产深冲用冷轧钢板，对钢的洁净度即钢中非金属夹杂物的含量有严格的要求。鞍钢生产低碳铝镇静钢主要采用两种工艺：1)转炉RH精炼连铸工艺流程；2)转炉ANS精炼连铸工艺流程，其中转炉ANS精炼连铸工艺生产低碳铝镇静钢的成本较低。炼钢用铁水在铁水罐中进行喷粉脱硫预处理，在180吨氧气顶底复吹转炉炼钢，出钢采用挡渣球挡渣并在出钢过程进行初脱氧和合金化。钢水经ANS精炼处理和最终脱氧及成分调整。,2.鞍山转炉-ANS-连铸工艺生产低碳铝镇静钢洁净度,表
12、1为试验炉次中间包钢水试样的化学成分,2.鞍山转炉-ANS-连铸工艺生产低碳铝镇静钢洁净度,图2 不同阶段钢中总氧含量的变化,2.鞍山转炉-ANS-连铸工艺生产低碳铝镇静钢洁净度,表2 铸坯表层部位试样中的大型非金属夹杂物含量,3 石钢LDLFCC流程生产45钢的工艺优化,基本做到钢中全氧控制在3010-6以下，连铸中包连浇时水口不“结瘤”。为扩大品种，提高产品质量，增加企业的竞争实力，国内一些中型转炉钢厂（转炉公称容量3050吨）相继配备了LF，试图经过钢水精炼，达到脱氧、脱硫、去除夹杂、生产洁净钢的目的。由于这些中型转炉的生产节奏很快（LD的冶炼周期大都在30分钟以内），而且以生产线、棒材
13、为主，多采用小方坯高效连铸技术，因而普遍面临LF精炼时间短（一般小于25min）、钢水脱氧和脱硫困难、连铸中包水口结瘤等工艺难题，LF炉的作用难以充分发挥。如何挖掘中型转炉配LF工艺流程生产洁净钢的潜力，使流程各个作业单元充分发挥其最佳的功能，是这些企业在进行工艺优化时带有共性的问题。石家庄钢铁有限责任公司转炉分厂在生产45、40Cr等系列钢种时，在这方面进行了有益的尝试，取得了令人满意的结果。,3 石钢LDLFCC流程生产45钢的工艺优化,2 工艺方案及要点21 流程概况石钢转炉分厂主要设备配置情况：30吨转炉2座；40吨钢包精炼炉2座；四机四流弧形连铸机，中间包容量18t；铸坯断面1501
14、50、150220；步进式翻转冷床，铸坯最大定尺12m。LD采用高拉碳操作模式，LD出钢结束前用多面体挡渣器挡渣，LD出钢后期加调渣剂对LD出钢下渣进行改质，钢水经过LF精炼后，喂铝线和硅钙线，对钢水进行钙处理和软吹，给连铸上钢。大包加盖保护、大包到中包采用长水口、中包到结晶器采用浸入式水口全程保护浇注。,3 石钢LDLFCC流程生产45钢的工艺优化,22 优化工艺的要点根据中型转炉厂在LF工位处理时间短、各工序之间生产节奏不匹配的的客观事实，一味强调发挥LF调整温度、调整成分、白渣精炼、脱氧、脱硫、促进脱氧产物和夹杂上浮的综合功能并不现实。特别是对于生产低氧含量钢种（钢水全氧小于3010-6
15、）的工艺要求，必须从系统优化的角度合理安排各个作业单元的处理内容，并在操作理念上把LF的综合处理功能进行分解或有所侧重，使之发挥最佳潜能。为此，提出了以下工艺方案：,3 石钢LDLFCC流程生产45钢的工艺优化,3 石钢LDLFCC流程生产45钢的工艺优化,严格界定LD出钢碳含量和温度意在减少钢水过氧化程度，降低钢水脱氧过程中产生的脱氧产物（内生夹杂）的数量，提高钢水热容量，减轻LF工位的升温负荷和脱氧负荷，缩短化渣、钢水提温和脱氧的时间间隔；控制转炉出钢下渣层厚度，目的是减少氧化性炉渣对钢水污染的机会用硅铝钡强化钢水沉淀脱氧控制LF进站钢水氧含量在一合适范围（由于受生产节奏的制约，LF扩散脱
16、氧能力有限）；,3 石钢LDLFCC流程生产45钢的工艺优化,向大包加入调渣剂对炉渣改质把LF进站的大包顶渣中FeO+MnO控制在3%以下，并保证合适的顶渣碱度，为LF精炼创造良好的初始条件；LF工位配加预熔渣进行钢水精炼，用碳化硅粉剂实施扩散脱氧，用石灰调整炉渣碱度和流动性，把过程炉渣调整到合适的成分范围，力争实现白渣出钢；精炼结束后，喂铝线和硅钙线，调整钢中酸熔铝和钙铝比；控制软吹操作，保证脱氧产物聚合上浮,3 石钢LDLFCC流程生产45钢的工艺优化,对于快的生产节奏（LF处理时间小于25min），在LF工位指望依靠扩散脱氧方式把钢中全氧降低到3010-6以下，几乎很难实现。在LD出钢过
17、程中，有意识增加硅铝钡用量，稳定LF进站钢水酸熔铝，强化钢水沉淀脱氧过程。这意味着在LF工位调整顶渣的目的主要是吸附钢水内部上浮的脱氧产物，抑制顶渣含氧向钢水的传递，对钢水脱硫。把钢水实际的脱氧任务提前到LD 出钢过程中来完成，从而减轻LF的精炼负荷。但在LF工位必须注重如何有效地促进脱氧产物及时上浮去除。,3 石钢LDLFCC流程生产45钢的工艺优化,3 快速脱氧理论分析快速脱氧指利用强化沉淀脱氧方式，把钢水氧含量迅速降低到合适范围。同时，利用炉渣改质和精炼，控制顶渣成分，有效吸附脱氧产物，抑制炉渣含氧向钢水内部的传递。由于绝大部分脱氧剂与合金都在出钢过程中加到包内，钢水脱氧、合金化与炉渣改
18、质几乎同时进行。钢水全氧既要受顶渣氧势的牵制，也与钢水成分、脱氧产物的组成及其上浮速度有关。又由于大部分脱氧产物都能上浮，则通过热力学计算，能基本掌握钢中溶解氧是受钢水成分控制，还是受顶渣氧势的牵制。,3 石钢LDLFCC流程生产45钢的工艺优化,计算中，炉渣改质后的钢水成分按45钢的成分中限考虑。此时的大包顶渣以CaO、SiO2、MgO和（FeO+MnO）为主。当顶渣碱度合适时，渣中FeO和MnO对钢水溶解氧的牵制作用最敏感。而钢水中Si或Als对溶解氧的作用最显著。通过热力学计算，比较炉渣氧势和钢水成分二者对钢水溶解氧的作用大小（平衡时溶解氧的高低），可以大致确定溶解氧主要受那些因素制约。
19、按式（1）（3）计算，钢水或炉渣中各组元的活度系数按常规方法计算或从相图中估算。,3 石钢LDLFCC流程生产45钢的工艺优化,3 石钢LDLFCC流程生产45钢的工艺优化,炉渣改质后，通常希望把大包顶渣中FeO+MnO的含量控制在3%以下，因此，aMnO和aFeO分别按各自浓度考虑，改质温度按1600。图1为计算结果。可以看出，仅仅控制渣中氧化铁或氧化锰浓度，很难把钢水溶解氧降下来。一是由于改质后大包顶渣中氧化铁或氧化锰含量很难降到很低的范围，要受LD终渣组成、出钢挡渣效果以及扩散脱氧效率的影响。另外，与顶渣氧势平衡的钢水溶解氧比较高（图1中与3%氧化铁平衡的钢水溶解氧大约为16010-6）
20、。因此，必须通过有效的精炼手段，把顶渣中氧化铁或氧化锰含量迅速降低到0.5%以下，才能保证钢水溶解氧小于2010-6。这种要求对于LD-LF-CC流程快生产节奏来说，是非常苛刻的。,3 石钢LDLFCC流程生产45钢的工艺优化,表1 LF精炼过程顶渣主要成分,3 石钢LDLFCC流程生产45钢的工艺优化,在45钢成品硅含量（0.170.37%）范围内，由反应式（4）看出，与上述顶渣平衡时，钢水中应含有一定的酸溶铝。对应的溶解氧可以通过式（5）计算。,3 石钢LDLFCC流程生产45钢的工艺优化,3 石钢LDLFCC流程生产45钢的工艺优化,在1600条件下，根据顶渣主要组元构成的等活度图，Al
21、2O3的活度在0.010.03的范围内，SiO2的活度在0.0010.002的范围内。为简化计算，Al2O3的活度取0.02，SiO2的活度取0.0015，则钢水中Si、Als与O的计算结果如图2所示。只要渣系选择合适，钢-渣界面反应达到平衡时对应的钢水溶解氧在3610-6内变化，说明这种渣系对钢水溶解氧有比较好的抑制作用。与此对应的钢水酸溶铝在206010-6范围内。实际操作中，只要在沉淀脱氧过程中把钢水酸溶铝控制在高于该变化范围的数值时，就可以使系统的总脱氧效率（从LD终点到LF终点）达到所希望的指标。,3 石钢LDLFCC流程生产45钢的工艺优化,当然，在用金属铝或硅铝钡等脱氧剂对LD终
22、点钢水进行强化沉淀脱氧处理时，钢水内部脱氧产物中Al2O3的实际浓度可能比顶渣所含的Al2O3高（相当于Al2O3的活度大），因此，在相同的钢水溶解氧条件下，与上浮的脱氧产物相平衡的钢中酸溶铝含量将高于上述与顶渣组成相平衡的钢中酸溶铝的变化范围。在这种条件下，只要创造有利条件，促进脱氧产物及时聚合上浮，并熔入顶渣中（相当于高Al2O3活度的脱氧产物不断地被低Al2O3活度的液态顶渣所捕捉，而且由于顶渣总量远远大于随后上浮的脱氧产物量，顶渣成分不会因吸附脱氧产物而明显改变其物理化学特性），就可以形成钢中酸溶铝和与顶渣相平衡的钢水酸溶铝对钢水溶解氧可持续保持的抑制作用，达到快速脱氧的目的（其前提是
23、保证脱氧产物能及时上浮，并有效地被液态顶渣所捕获）。,3 石钢LDLFCC流程生产45钢的工艺优化,4 工业试验根据所制订的工艺方案，首先进行了一定炉数的预试验，摸索合适的预熔渣加入量和加入方式。根据LF工位的化渣情况，预熔渣加入量确定为2.5kg/t钢水，并用石灰调整顶渣碱度和流动性。加入方式分在LD出钢过程中加入和在LF送电前加入两种。表2列出连续五炉的试验数据（预熔渣在LF送电前加入）。从表2看出，采用本工艺后，在LF工位平均作业时间低于25min的条件下，仍能达到钢中全氧低于3010-6的水平，并能保证连铸中包连浇时水口不结瘤。为企业进一步拓展优质钢种的生产奠定了很好的基础。,表2 工
24、业试验结果,3 石钢LDLFCC流程生产45钢的工艺优化,从表2看出，虽然钢水全氧已降到比较低的水平，但脱硫效果不明显 主要是受顶渣条件的影响。从现场操作情况看，LF离站的顶渣并未白透，FeO尚未脱除到0.5%以下，对脱硫反应有抑制作用。另外，脱硫是界面反应，需要创造钢渣间充分混合的动力学条件。在顶渣量相对比较少的条件下，由于担心裸露钢水“大面”，造成钢水的二次氧化，实际操作中必须采用弱搅拌的底吹氩方式，限制了高碱度顶渣脱硫效率的充分发挥。,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,采用三种方案在150t BOF-LF上进行了超低硫钢冶炼试验。方案三为最佳方案，在该方案中，采用BOF出钢过程改质+
25、LF加高碱度预熔渣的方法可以实现LF炉高效精炼，LF最短冶炼周期为37min，平均为53min，成品硫含量全部小于3010-6，最低达到1010-6，平均总脱硫率达到71%。,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,1 前言在采用LF炉顶渣吹氩搅拌法生产低硫钢过程中，脱硫速度的快慢决定了顶加合成渣生产工艺的生产效率，是很多钢厂生产中的瓶颈问题，尤其是随着高效连铸技术的发展，LF炉深脱硫过程的生产节奏极大地限制了该工艺的发展，成为困扰国内外超低硫钢冶炼领域的一大问题。,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,2 试验内容2.1 试验条件试验在150t BOF-LF炉冶炼过程中进行，试验钢种的基本冶炼
26、工艺为“铁水预脱硫-BOF-LF-CC”。试验钢种化学成分见表1。表1 试验钢种化学成分/%,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,2.2 试验方案试验按三种方案实施。（1）方案在BOF出钢过程随钢流加入石灰，在LF炉采用机混渣造渣，试验炉数6炉。（2）方案在BOF出钢过程随钢流加入“预熔渣和石灰”混合脱硫剂，在LF炉采用“预熔渣和石灰”进行造渣，预熔渣成分见表2，试验炉数4炉。（3）方案在BOF出钢过程随钢流加入铝基钢包改质剂，在LF炉采用“预熔渣和石灰”进行造渣，预熔渣成分见表2，试验炉数7炉。,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,表2 试验预熔渣成分/%,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技
27、术研究,2.3 试验步骤BOF钢水成分及温度合格后出钢，出钢时严格实行挡渣操作，控制转炉下渣量。出钢过程先随钢流加入预脱氧剂及合金，然后加入脱硫剂，出钢过程采用全程底吹氩操作。钢包运输到LF炉工位后，吹氩搅拌、取样、测温，然后加入造渣剂，通电升温造渣脱硫，冶炼过程中进行成分微调和终脱氧，温度和成分合格后，吊包送连铸进行浇注。,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,3 试验结果及讨论3.1 试验结果表3 BOF-LF炉试验数据,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,表4 BOF-LF炉脱硫数据,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,（1）方案在平均总渣量为17.08kg/t条件下，方案100%炉
28、次可以满足钢种硫含量要求。平均总脱硫率达到58.5%，全部炉次钢中成品S6010-6。但试验炉次超低硫钢（S 4010-6）炼成率仅为66.7%，成品T.O含量较高，平均达到51.810-6，而且LF炉冶炼综合指标较差，LF炉冶炼周期较长，平均达到85min，与转炉及连铸的节奏匹配十分困难，根本无法实现多炉连浇。,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,（2）方案在总渣量21.4kg/t条件下，超低硫钢炼成率达到100%。LF炉通电时间较方案缩短2.4min，冶炼周期缩短18min，但电耗较方案增加4.3kWh/t。总脱硫率较方案明显提高，但BOF出钢脱硫效果不稳定，与方案类似，部分炉次出现严重
29、回硫。成品T.O较低，平均为16.510-6。,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,（3）方案在吨钢渣量为14.54kg/t条件下，超低硫钢炼成率达到100%，钢中成品硫含量最低炉次达到1010-6。LF炉通电时间较方案和方案分别缩短4.8min和2.4min，电耗分别降低2.5kWh/t和6.8kWh/t，平均冶炼时间分别缩短32min和14min，冶炼周期缩短为53min，最短达到37min，可以满足LF高效、快速冶炼要求。而且出钢过程脱硫效果十分稳定，出钢脱硫率达到25.3%，占总脱硫率的35.6%，使LF进站钢中平均硫含量达到56.110-6，极大地减轻了LF炉的精炼负担。,4 BO
30、F-LF超低硫钢冶炼技术研究,3.2 分析与讨论（1）方案在转炉目前的渣系条件下，转炉出钢过程中下渣量较大，通常为510kg/t，渣中FeO含量较高，达7%13%，炉渣碱度较低，而此时钢水氧含量也较高，由热力学分析可知，在此条件下要实现BOF出钢脱硫存在极大困难2。试验过程中，加入石灰虽然提高了炉渣碱度并稀释了渣中的FeO含量，但是并没有从根本上解决炉渣及钢水氧化性高的问题。而且石灰在熔化过程中吸热量较大，使钢水温降大，且熔化不均匀，使炉渣粘度增大，流动性变差，虽然采用了加大底吹氩等强搅拌措施，但各炉次仍出现不同程度的炉渣结壳现象，不仅使CaO的有效利用率降低，极大地恶化了脱硫条件，而且这种顶
31、渣结壳现象还给LF炉化渣升温造成极大负担。,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,由炉渣熔化特性的测定结果可知，LF炉采用的机混渣熔点高、化渣过程熔化不均匀、成渣速度慢，因此成渣所需要的能量相对较高。而且LF到位时钢水温度低，渣中FeO含量高，炉渣流动性不好，扩散脱氧速度较慢，使LF炉通电造白渣时间较长，个别炉次长达30min以上，在同样时间内参与渣-钢间反应的液相熔渣量有限，相应渣-钢间的物理化学反应滞后，使LF炉各项消耗指标升高，且冶金效果降低。,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,（2）方案与方案类似，虽然在渣料中配入了部分预熔渣，可以减少炉渣熔化过程的吸热，改善炉渣粘度、降低顶渣结壳
32、程度，更有利于脱硫。但由于此方法仍未消除钢水高氧化性和炉渣FeO含量高的问题。因此出钢脱硫效果不稳定，且由于该过程受转炉下渣影响较大，对于下渣量大的炉次，石灰和预熔渣的熔化更不充分，结壳更严重，降低了顶渣的反应性，致使部分炉次发生严重回硫。,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,在LF炉进站时由于无法消除出钢过程顶渣结壳、回硫等造成的影响。LF到位时钢水温度低，渣中FeO含量高，虽然加强了底吹氩搅拌，但炉渣流动性不好，扩散脱氧速度较慢，LF炉造渣时间长达1535min，极大地限制了LF炉的生产效率。而且采用CaO含量低的预熔渣，渣中有效CaO含量低，在同样渣量条件下，参与脱硫反应的有效CaO含
33、量相对减少，炉渣碱度也相应较低。为了达到同样脱硫效果，必须增大渣量。因此虽然采用预熔渣加快了成渣速度，缩短了冶炼时间，但LF炉电耗仍较高。,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,（3）方案出钢过程采用含Al的高碱度改质剂，Al作为强脱氧元素可以有效降低钢包顶渣中的FeO含量，同时也使钢水的氧化性降低，而且Al氧化过程放热可以补偿一定的钢水温降。改质剂中的CaF2等组元还可以改善钢包顶渣的流动性，使顶渣熔化均匀，基本消除了钢包顶渣的结壳现象，而高碱度组元则对提高碱度有利，在强搅拌条件下创造了良好的渣-钢反应条件，出钢脱硫效果稳定。LF到位时，渣中FeO含量全部小于2%，顶渣碱度较高，不仅为LF炉
34、创造了良好的顶渣条件，而且由于钢中氧含量和硫含量的有效降低，也为LF炉创造了良好的钢水条件，LF炉正常操作中造高碱度白渣的过程基本在此过程得到了实现，使LF炉初步具备了高效率化生产超低硫钢的条件。,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,LF冶炼过程中，由于使用CaO含量高的预熔渣与石灰配合使用，成渣速度快，LF炉造白渣时间缩短到315min。预熔渣吸热少，可以迅速提高钢水温度，不仅满足了LF炉的化渣要求，而且在良好的搅拌下满足了脱硫的热力学和动力学条件，实现了快速、深脱硫的目的。因此LF炉的冶炼周期明显缩短，各项消耗指标也优于其它方案。,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,图1 渣中FeO含
35、量对渣-钢间硫的平衡分配比的影响,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,随着渣中FeO含量的降低，渣-钢间硫的分配比提高，而且与的热力学分析相一致出钢后钢包顶渣与钢水间硫的分配比较低，到LF精炼结束，当渣中FeO含量小于2%时，硫的分配比显著提高。在LF精炼终点，方案渣-钢间硫的分配比明显大于方案。在LF炉到位时，采用出钢改质工艺的方案部分炉次的渣-钢间硫的分配比已经达到60以上，这为LF炉实现高效脱硫创造了良好的热力学条件，LF冶炼周期明显缩短，保证了BOF-LF-CC节奏的良好匹配。,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,综上可见，LF炉造渣升温过程是影响LF炉高效顺行的关键因素，是制约L
36、F炉冶炼过程的瓶颈。通过采用高效预熔渣缩短造渣时间、加快成渣速度，并结合出钢过程最佳钢包顶渣改质工艺，有效降低渣、钢氧化性，提高出钢到LF炉到位间的脱硫效果，为LF炉创造良好的顶渣和钢水条件，实现LF炉造渣过程炉外化，是实现“BOF-LF-CC”工艺高效率化冶炼超低硫钢的可靠保证。本试验中，方案基本可以满足“BOF-LF-CC”工艺高效冶炼超低硫钢的要求，但该工艺还有待于进一步优化和完善。,4 BOF-LF超低硫钢冶炼技术研究,4 结论（1）方案二成品T.O最低，平均为16.510-6。（2）采用转炉出钢加Al质改质剂及LF加高碱度预熔渣配石灰的方案三为最佳深脱硫方案。实现LF炉造白渣过程炉前
37、化，是实现“BOF-LF-CC”工艺高效冶炼超低硫钢的可靠保证。（3）方案三LF炉各项消耗指标均优于其他方案。在吨钢渣量为14.54kg/t条件下，成品钢中硫含量全部小于3010-6，最低硫含量达到1010-6，T.O平均为34.310-6。LF炉平均冶炼周期53min，最短冶炼时间为37min，可以满足LF高效、快速冶炼要求。但该工艺尚不稳定，还需要进一步优化和完善。,5 转炉冶炼低碳低硅钢的脱氧工艺优化研究,研究了转炉冶炼低碳低硅钢的脱氧工艺，分别进行了使用硅钙钡作为终脱氧剂的原脱氧工艺和使用铝锰铁作为终脱氧剂的新脱氧工艺进行工业实验。研究结果表明，使用新脱氧工艺后，能显著地提高冶炼效果：
38、缩短造白渣的时间、提高脱硫水平、降低夹杂物含量、提高产品的力学性能。,5 转炉冶炼低碳低硅钢的脱氧工艺优化研究,脱氧是转炉冶炼低碳低硅钢的关键工艺，由于其含碳量低、含硅量低，同时受连铸设备条件的限制，中小转炉冶炼低碳低硅钢普遍面临如何有效脱氧的问题。如脱氧不完全，轻者会使铸坯中全氧含量过高，使钢液中夹杂物含量过高，同时钢液脱硫困难，降低了低碳低硅钢的质量；重者会铸坯会产生皮下气孔和表面缺陷。而脱氧过度，因为一般采用含AL脱氧剂，轻者会造成钢液流动性恶化，重者造成水口的堵塞和连铸的断浇。针对低碳低硅钢的冶金特点，从转炉冶炼LF精炼小方坯连铸全流程考虑，终脱氧剂采用铝锰铁代替硅钙钡、全面优化了脱氧
39、工艺。,5 转炉冶炼低碳低硅钢的脱氧工艺优化研究,1 试验方法试验是在杭钢转炉炼钢厂进行的。冶炼流程为：40tBOF40tLFCC，试验钢种的化学成分如表1所示。脱氧剂分别采用锰铁、硅钙钡和铝锰铁，其成分见表2和表3，均在出钢过程中加入，同时加入适量的调渣剂。脱氧主要在转炉出钢过程中完成，LF精炼炉主要完成脱硫、成分微调和夹杂物的去除与变性。结果检测主要采用扫描电镜、金相显微镜、大样电解、全氧分析等方法进行夹杂物的检测，同时对轧制后的成品进行了力学性能的检测。,5 转炉冶炼低碳低硅钢的脱氧工艺优化研究,表1 低碳低硅钢的化学成分,表2 硅钙钡的化学成分,表3 铝锰铁的化学成分,5 转炉冶炼低碳
40、低硅钢的脱氧工艺优化研究,2 试验结果及讨论2.1对LF炉造还原渣时间的影响优化前后的LF炉的造白渣时间如图1所示:使用硅钙钡作为终脱氧剂时，造白渣的时间都高于20min；使用铝锰铁作为终脱氧剂时，在实验炉次中造白渣的时间最低仅为10min，最高也才有13min，平均11min。说明使用采用新的脱氧工艺后，能显著地降低钢液内的氧活度,5 转炉冶炼低碳低硅钢的脱氧工艺优化研究,图1 造还原渣时间的差别 图 2 氧活度的差别（1为改进前，2为改进后）（1为改进前，2为改进后）,5 转炉冶炼低碳低硅钢的脱氧工艺优化研究,3.2 对精炼前后钢液中脱硫率的影响LF精炼炉的重要功能之一是脱硫，通过比较脱硫
41、效果同样能显示出不同的脱氧工艺所导致的LF精炼效果的差异。使用铝锰铁作为终脱氧剂，LF精炼后的硫含量明显低于使用硅钙钡作为终脱氧剂的硫含量，二者之间的最大差值达0.012%。说明在出钢过程中，使用新脱氧工艺后，在降低氧活度的基础上，不仅减轻了LF精炼过程中脱氧的任务，而且增加了脱硫的时间，从而促使脱硫率上升，精炼后的硫含量降低。,5 转炉冶炼低碳低硅钢的脱氧工艺优化研究,图3 精炼前后硫含量的差别 图4 精炼前后总氧量的差别（1为改进前，2为改进后）（1为改进前，2为改进后）,5 转炉冶炼低碳低硅钢的脱氧工艺优化研究,2.3 对钢液中总氧量的影响使用新脱氧工艺后，精炼前的总氧量明显低于使用原脱
42、氧工艺时的总氧含量，二者之间的最大差值达9010-4%，平均差值为63.6710-4%，说明采用新脱氧工艺后，钢液的纯净度有了非常明显的提高。,5 转炉冶炼低碳低硅钢的脱氧工艺优化研究,3.4 对钢中夹杂物的影响,图7 精炼前后夹杂物数量的差别（金相）图8精炼前后夹杂物数量的差别（电解）（1为改进前，2为改进后）（1为改进前，2为改进后）,5 转炉冶炼低碳低硅钢的脱氧工艺优化研究,3.5 对产品力学性能的影响成品的力学性能分析（轧制规格为16）结果见图9和图10。图9所示，使用新脱氧工艺后，屈服强度略有提高，最大差值为30，平均增加量为21.67；而抗拉强度变化不大。图10所示，使用新工艺后，
43、无论是延伸率，还是断面收缩率，都有所增加。延伸率的最大差值为4.00%，平均增加量为1.33%；断面收缩率的最大差值为5.50%，平均增加量为4.17%。因为钢中的酸溶铝略有提高，而硅含量略有降低，从而导致成品的塑性、韧性略有增加，强度略有降低。,5 转炉冶炼低碳低硅钢的脱氧工艺优化研究,图9 强度的差别 图10 延伸率和断面收缩率的差别（1为改进前，2为改进后）（1为改进前，2为改进后）,6 天津钢管低氮钢生产技术研究,氮在大多数情况下对钢的质量起有害的作用，特别是在一些高级钢种中，对氮含量的要求更为严格。当氮含量超过100ppm时，在铸铁和钢中会产生气孔。另外氮还易与Ti,V等生成脆性氮化
44、物时，严重影响钢的高温强度和高温塑性。所以在炼钢的过程中要尽可能的把氮控制在一个较低的水平。,6 天津钢管低氮钢生产技术研究,电炉钢相对于转炉钢而言钢水氮含量偏高，如何降低电炉钢水的氮含量一直都是冶金工作者普遍关心的问题天津钢管公司150t超高功率电弧炉在低氮钢的生产水平上,大大落后于目前国内外先进水平。对该厂电弧炉生产低氮钢的整个工艺流程进行分析，找出导致氮含量偏高的主要原因。,6 天津钢管低氮钢生产技术研究,2.试验方法天津钢管公司的产品主要是石油管线钢。生长工艺为150tEAFLFVD连铸。实验通过在电炉、LF炉、VD炉、中间包、连铸坯等工艺点进行取样，分析整个工艺流程中氮含量的变化情况
45、。2.1取样方案试验共取了5炉数据，涉及的钢种有27CrMo410S、30CrMo和20钢。具体取样方案如下:电炉熔清时取样01;电炉出钢前取样02;入LF炉通电5min取样11;出LF炉取样12;出VD时取样21;大包剩100t，中间包取样31;大包剩20t，中间包取样32;连铸坯取样41,6 天津钢管低氮钢生产技术研究,2.2分析结果 表1 氮含量分析结果,6 天津钢管低氮钢生产技术研究,图1.各个工位氮含量的变化情况图,6 天津钢管低氮钢生产技术研究,3.试验结果和分析3.1电炉冶炼过程钢中氮含量的变化在电炉冶炼过程中剧烈的碳氧反应能够脱去很大的一部分氮其原因主要是由于碳氧反应生成的CO
46、气体，对于钢液中的氮来说相当于是一个真空室，其中氮分压极低，钢液中的氮很容易被其带走。现在许多厂家都采取增加炉内配碳量，提高供氧强度等方法促进碳氧反应的产生，从而降低电炉钢的氮含量。,6 天津钢管低氮钢生产技术研究,铁水加入量对钢液氮含量的影响采用DRI或者铁水来代替一部分废钢，DRI由于其本身的氮含量比较低（大约在20ppm），所以很适合于冶炼低氮钢水。加入铁水大大提高了入炉的初始配碳量，配碳量的提高一方面可以加剧碳氧反应使得脱氮量增大，另外一方面由于碳氧反应是强烈的放热反应，可以大大减少冶炼的电耗和缩短冶炼周期。在整个EAFLFVDCC工艺流程中，只有电炉和VD存在着脱氮效果，所以成品连铸
47、坯的氮含量很大程度上取决于初炼炉的冶炼情况。从出钢前钢水的氮含量来看，后两炉的氮含量在43ppm左右，明显低于前3炉的平均67ppm。造成此差别的主要原因就是入炉铁水比的不同。,6 天津钢管低氮钢生产技术研究,表2 5炉钢水的入炉铁水配比,043393炉和043396炉的铁水比比前3炉高出了1倍还要多，铁水比的提高无疑是氮含量降低的关键因素当然钢种的不同，废钢质量的好坏也在很大程度上影响了钢液中的脱氮。,6 天津钢管低氮钢生产技术研究,电炉冶炼中后期的脱氮情况从熔清后到电炉出钢前这段时间本应该是脱氮效果明显的过程，但是从两次实验的结果来看，不但没有脱氮，反而氮有不断升高的趋势。其原因一方面是因
48、为废钢的大小种类不一，没有固定的熔清时间，而且由于现场条件的限制，原本想要当作熔清时进行研究的试样都在出钢前10分钟才取，此时脱碳反应已经将近结束，如果渣层覆盖不好的话就很容易进行吸氮。,6 天津钢管低氮钢生产技术研究,另外一方面由于天津钢管公司的电炉没有底吹气进行搅拌，只能依靠吹氧进行助熔在熔炼的前期，由于希望缩短熔化期，采取了高强度的吹氧以熔化废钢。这样在很多大块废钢还没有完全溶解的情况下，大量的碳便已经消耗，使得在溶清后的碳含量不足，在冶炼的中后期，碳氧反应产生的CO气泡严重不足，满足不了脱氮反应的需要，形成了从溶清后至出钢前几乎没有脱氮效果的现象，,6 天津钢管低氮钢生产技术研究,电炉
49、出钢过程中钢水的吸氮电炉在出钢过程中钢水可能大量吸氮传统的出钢方法吸氮量可达到1030ppm，天津钢管公司电炉采用了先进的偏心炉底出钢方式使得在整个出钢过程中的吸氮量并不大。实验的结果显示出钢过程中的平均增氮量在78ppm左右，其中036195出钢时的增氮量过大，是由于在实际的冶炼中，该炉钢水在冶炼过程中发生炉子侧壁发生炉漏所致。另外注意到036191炉的整个出钢过程中氮含量不但没有增加反而有所减小，可能是进入钢包以后钢液中的碳氧反应依然在继续的缘故。,6 天津钢管低氮钢生产技术研究,3.2钢水精炼过程中氮含量变化情况分析钢液中的其它合金元素对脱氮的影响钢液中的其他合金元素如Cr，Si，Mn等
50、会对氮在钢液中的活度系数产生影响，从而影响氮在钢液中的溶解试验一共取了5炉数据，涉及到的钢种有27CrMo410S，30CrMn和20钢,以刚出精炼炉时钢液中各合金元素成分计算氮的活度系数计算得2炉27CrMo410S（036191、036193）的平均系数为1.12；30CrMo（036195）的平均系数为1.01；2炉20钢（043393、043396）的平均系数为1.05，三者的差别并不是很大，说明钢液中各合金元素对氮的活度系数的影响并不是很大精炼过程中的吸氮主要原因是加铝脱氧，使得钢中的溶解氧降低，从而加剧了吸氮。,6 天津钢管低氮钢生产技术研究,3.2.2 VD处理的钢水脱氮氧硫等表
