LF炉精炼渣的组成及冶金性能的分析
LF炉精炼渣的组成及冶金性能的分析
冉锐
摘要: 钢水炉外精炼是当前国内外炼钢工业的前沿新技术.随着纯净钢生产技术的进步和连铸技术的发展,以及降低生产成本的要求,炉外精炼工艺与（略）.日本、欧美等先进的钢铁生产国家,炉外精炼比超过90%,其中真空精炼比超过50%,有些钢厂已经达到100%.钢水炉外精炼是高技术含量新产品的质量保证基础,是现代炼钢生产流程与产品高质量水平的标志.各种炉外精炼设备的冶金功能主要包括:熔池搅拌功能,（略）和温度,保证钢材质量均匀;提纯精炼功能,通过钢渣反应、真空冶炼以及喷射冶金等方法,去除钢中S、P、C、N、H（略）质和夹杂物,提高钢水纯净度;钢水升温和控温功能,对钢水实现成分微调;生产调节功能（略）连铸生产.介绍了几种常见的炉外精炼工艺:LF、RH、VD与VOD和CAS和气体搅拌等精炼工艺的特点. 从埋弧渣的物理性能和化学成分入手,探索其熔化性能,脱硫脱氧能力等物化性能,研究埋弧渣的成分和其发泡效果. 埋弧基渣的储泡能力与炉渣的物理化学性能有关,炉渣的物理性能指炉渣的密度,粘度,表面张力.
关键字: 钢水炉外精炼.纯净钢.泡沫渣.脱硫.
前言
随着社会经济的高速发展,对钢铁产品的要求也越来越高,比如与传统板坯相比，薄板坯连铸的结晶器热流大，在弯月面附近处的凝固坯壳产生较高的表面张力，往往导致形成纵向表面裂纹。尤其是碳含量在0065%～0.15%范围内时，凝固过程中形成单向奥氏体的温度愈高，铸态钢奥氏体晶粒就愈大，钢的塑性就愈低，就愈易产生表面裂纹。为此应尽量避开这一碳含量区域。如果生产冷轧带卷，必须有高质量的钢水，尤其对原料的要求很高；若电炉炼钢，应加海绵铁并使用优质废钢；对铝和氮的要求也很严格，以避免氮化铝的析出，脆化奥氏体晶界面，使连铸坯出现角横裂或振痕处的横裂。而国外许多大型钢铁企业都非常重视LF炉精炼工艺的改进,值得我们国家的钢铁企业学习借鉴.
炉外精炼技术的特点与功能
炉外精炼是指在钢包中进行冶炼的过程,是将真空处理、吹氩搅拌、加热控温、喂线喷粉、微合金化等技术以不同形式组合起来,出钢前尽量除去氧化渣,在钢包内重新造还原渣,保持包内还原性气氛。炉外精炼的目的是降低钢中的C、P、S、O、H、N、等元素在钢中的含量,以免产生偏析、白点、大颗粒夹杂物,降低钢的抗拉强度、韧性、疲劳强度、抗裂性等性能。这些工作只有在精炼炉上进行,其特点与功能如下:
1)可以改变冶金反应条件。炼钢中脱氧、脱碳、脱气的反应产物为气体,精炼可以在真空条件下进行,有利于反应的正向进行,通常工作压力≥50Pa,适于对钢液脱气。
2)可以加快熔池的传质速度。液相传质速度决定冶金反应速度的快慢,精炼过程采用多种搅拌形式(气体搅拌、电磁搅拌、机械搅拌)使系统内的熔体产生流动,加速熔体内传热、传质的过程,达到混合均匀的目的。
3)可以增大渣钢反应的面积。各种精炼设备均有搅拌装置,搅拌过程中可以使钢渣乳化,合金、钢渣随气泡上浮过程中发生熔化、熔解、聚合反应,通常1吨钢液的渣钢反应面积为0.8～1.3mm2,当渣量为原来的6%时,钢渣乳化后形成半径为0.3mm的渣滴,反应界面会增大1000倍。微合金化、变性处理就是利用这个原理提高精炼效果。
4)可以在电炉(转炉)和连铸之间起到缓冲作用,精炼炉具有灵活性,使作业时间、温度控制较为协调,与连铸形成更加通畅的生产流程。
3 炉外精炼技术在生产中的应用目前得到公认并被广泛应用的炉外精炼方法有:LF法、RH 法、VOD法。
3.1 LF法(钢包精炼炉法)
它是1971年由日本大同钢公司发明的,用电弧加热,包底吹氩搅拌。
3.1.1 工艺优点
1)电弧加热热效率高,升温幅度大,控温准确度可达±5℃;
2)具备搅拌和合金化的功能,吹氩搅拌易于实现窄范围合金成份控制,提高产品的稳定性;
3)设备投资少,精炼成本低,适合生产超低硫钢、超低氧钢。
3.1.2 LF法的生产工艺要点
1)加热与控温LF采用电弧加热,热效率高,钢水平均升温1℃耗电0.5～0.8kW·h,LF升温速度决定于供电比功率(kVA/t),而供电的比功率又决定于钢包耐火材料的熔损指数。因采用埋弧泡沫渣技术,可减少电弧的热辐射损失,提高热效率10%～15%,终点温度的精确度
≤±5℃。
2)采用白渣精炼工艺。下渣量控制在≤5kg/t,一般采用Al2O3-CaO-SiO2系炉渣,包渣碱度
R≥3,以避免炉渣再氧化。吹氩搅拌时避免钢液裸露。
3)合金微调与窄成份范围控制。据试验报道,使用合金芯线技术可提高金属回收率,齿轮钢中钛的回收率平均达到87.9%,硼的回收率达64.3%,钢包喂碳线回收率高达90%,ZG30CrMnMoRE 喂稀土线稀土回收率达到68%,高的回收率可实现窄成份控制。
3.1.3 LF法在生产实践中的应用
2000年6月,鞍钢第一炼钢厂新建的连铸车间正式投产,精炼设备由两座LF钢包精炼炉,年处理钢水200万t;一座VD钢水真空处理装置,年处理钢水80万t组成。LF炉最大升温速度为4℃,LF炉平均处理周期≤28min;处理效果:平均[H]≤0.0002%;最低[H]≤0.0001%。
我国现有家重轨生产厂(攀钢、包钢、鞍钢和武钢)生产典型的工艺路线如
下:LD→LF→VD→WF→CC,钢包吊到LF处理线的钢包车上后,由人工接通钢包底吹氩的快速接头,根据要求的钢水成分及温度确定物料的投入量(含喂丝)重轨钢含碳量较高,因而增碳显得很重要,转炉出钢时钢水含碳量控制为0.2%～0.3%(wt),炉后增碳至0.60%～0.65%(wt),在LF炉处理时再增0.10%～0.15%(wt)个碳至标准成份的中上限,经VD处理后即可达到钢种成分要求。
3.2 RH法(真空循环脱气法)这种方法是1958年西德发明的,其基本原理是利用气泡将钢水不断的提升到真空室内进行脱气、脱碳,然后回流到钢包中。
3.2.1 RH法的优点
1)反应速度快。真空脱气周期短,一般10分钟可以完成脱气操作,5分种能完成合金化及温度均匀化,可与转炉配合使用。
2)反应效率高。钢水直接在真空室内反应,钢中可达到
[H]≤1.0×10-6,[N]≤25×10-6,[C]≤10×10-6,的超纯净钢。
3)可进行吹氧脱碳和二次燃烧热补偿,减少精炼过程的温降。
3.2.2 RH法工艺参数
1)RH循环量。循环量是指单位时间内通过上升管或下降管的钢水量,单位是t/min。有关资料给出的计算公式为: Q=0.002×Du1.5·G0.33,式中:Q———循环流量,t/min;Du———上升管直径,cm;G———上升管内氩气流量,L/min。
2)循环因数。他是指在RH处理过程中通过真空室的钢水与处理量之比,其公式为:μ=w·t/v 式中:μ———循环因数,次;w———循环量,t/min;t———循环时间,min;v———钢包容量,t。
3)供氧强度与含碳量的关系。向RH内吹氧可以提高脱碳速度,即RH-OB法。当[C]/[O]>0.66时钢包内氧的传质速度决定脱碳速度,其计算公式为:
QO2=27.3×Q·[C]式中:QO2———氧气强度,Nm3/min;Q———钢水循环
量,t/min;[C]———含碳量,Nm3/t。
3.2.3 RH法在生产实践中的应用
日本的山阳钢厂将LF与RH配合生产轴承钢形成EF-LF-RH-CC轴承钢生产线,钢中总氧量达到5.8×10-6。LF-RH法首先利用LF炉将钢水升温,利用LF搅拌和渣精炼功能进行还原精炼,是钢水脱硫和预脱氧,然后将钢水送入RH中进行脱氢和二次脱氧。经过这样处理大大的提高了钢水的清洁度,同时钢水的温度达到连铸需要的温度。
宝钢炉外精炼设备有RH-OB、钢包喷粉装置、CAS精炼装置,RH-OB的冶炼效果较理想,脱氢率为50%～70%,脱氮率为20%～40%,一般情况下,经RH-OB处理后
[H]≤2.5×10-6,[C]≤30×10-6,去除钢中非金属夹杂物一般能达到70%,钢中总氧量
≤25×10-6,而且在RH中合金处理可以提高合金的收得率和控制的精确度,[C]、[Si]、[Mn]的控制精度能达到±0.01%,铝的精确度可达到1.5×10-3,取得了较好的炉外精炼效果。3.3 VOD法(真空罐内钢包吹氧除气法)
3.3.1 VOD的特点VOD法是1965年西德首先开发应用的,它是将钢包放入真空罐内从顶部的氧枪向钢包内吹氧脱碳,同时从钢包底部向上吹氩搅拌。此方法适合生产超低碳不锈钢,达到保铬去碳的目的,可与转炉配合使用。他的优点是实现了低碳不锈钢冶炼的必要的热力学和动力学的条件-高温、真空、搅拌。
3.3.2 VOD法在生产实践中的应用
20世纪90年代初,上海大隆铸锻厂从德国莱宝(leybold)公司进口1台15tVODC的关键设备和技术软件。采用电炉初炼钢水经VODC炉外精炼的工艺方法,精炼了超低碳不锈钢、中低合金钢和碳钢,取得了很好的冶金效果,钢中非金属夹杂物减少,氢含量小于3×10-6氧含量小于6.5×10-6,不锈钢中铬回收率达98%～99%,精炼后的钢具有十分优越的性能。VODC精炼工艺成熟,控制容易,适应中小型钢厂和铸钢厂的多钢种、小吨位精炼生产需要,对发展铸钢行业的精炼生产会起到很大积极作用,具有广阔的发展前景10。
抚顺特殊钢有限公司有30tVOD炉,采用EAF+VOD技术精炼不锈钢,可使
[H]≤2.58×10-6,T[O]≤41.9×10-6,铬回收率达到99.5%,脱硫率64.2%,精炼高碳铬轴承钢T[O]≤12.13×10-6 。
4 发展炉外精炼技术需解决的问题及发展方向炉外精炼技术已经应用40年,对提高钢的纯净度、精确控制成分含量及细化组织结构等方面都起了重要作用,使冶炼成本大幅降低,同时提高了钢的品质和性能。但在发展的过程中也出现了一些问题,有待于解决,使这项技术更加完美。
1)实现炉外精炼工艺的智能化控制,根据来料钢水的各种技术参数,利用信息技术,制定最佳的精炼工艺方案,并通过计算机控制各精炼工序。精炼工位配备快速分析设备,实现数据网络化,减少热停等待时间。
2)炉外处理设备将实现“多功能化”。在水钢精炼设备中将渣洗精炼、真空冶金、搅拌工艺以及加热控温功能全部组合起来,实现精炼,以满足超纯净钢生产的社会需求。
3)开发高纯度、高密度、高强度的优质碱性耐火材料,以适应不同精炼炉的需要,注重产品质量的稳定性。耐火材料的使用条件应尽可能与炉渣相适应,最大限度地降低侵蚀速度。要根据精炼设备的实际情况形成不同层次的配套材料,研究开发保温和修补技术,提高炉衬的使用寿命。
4)减少精炼过程的污染排放,精炼过程会产生大量废气,其中含SO2、Pb、金属氧化物、悬浮颗粒等,在真空脱气冷却水中含有固态悬浮物、Pb、Zn等,这些污染物须经企业内部的相关处理,把污染程度降低到符合排放标准后再排放,加强环境保护意识。
5 结束语
炉外精炼技术是一项提高产品质量,降低生产成本的先进技术,是现代化炼钢工艺不可缺少
的重要环节,具有化学成分及温度的精确控制、夹杂物排除、顶渣还原脱S、Ca处理、夹杂物形态控制、去除H、O、C、S等杂质、真空脱气等冶金功能。只有强化每项功能的作用,才能发挥炉外精炼的优势,生产出高品质纯净钢种。
LF钢包精炼炉从2O世纪70年代出现以来，由于具有设备简单、投资费用低、操作灵活和精炼效果好的特点在炉外精炼领域得到广泛应用。利用精炼渣对钢液进行精炼是LF钢包精炼炉的一个主要功能，LF精炼渣多以CaO—A1 0。一CaF为主要成分，其高碱度、低氧化性的特点保证了钢液低硫、低氧含量的精炼效果，但是LF炉精炼废渣的大量产生也造成环境的严重污染和资源的浪费。
LF炉精炼废渣中大量存在的CaO，SiO。，A1。()。和MgO是炼钢渣和精炼剂的主要成分，这些物质在冶金工业中的利用非常鲜见，仅有少量用作炼铁烧结溶剂。这是因为经过精炼后，LF炉精炼废渣中含有大量硫对钢液有害的物质，故阻碍了其在冶金工业中的再利用。将精炼废渣再生处理，降低其有害物质含量，使其在冶金工业中再利用，这对降低成本、节约资源、加强环保等很有意义。
研究LF炉精炼废渣渣相组成和形成机理是对其进行再生处理和再利用的基础。本文以某厂管线钢LF炉精炼废渣为研究试样，采用等离子体质谱分析、x射线衍射、电子探针、扫描电镜、能谱分析、光学显微镜等微观研究手段和热力学方法，对渣相的组成、形成机理和硫等化合物的存在形式进行研究，以期为废渣的再生处理和利用提供理论依据。
1 LF炉精炼废渣渣样来源
某厂管线钢的生产工艺流程为：转炉出钢脱氧、合金化一吹氩、成分微调一RH 脱气、成分微调一
LF炉造渣脱硫一连铸。在整个冶炼过程中严格控制转炉下渣量，取生产流程完毕后的废渣为本研
究的LF炉精炼废渣试样来源。
． 2 LF炉精炼废渣渣相组成及形成
机理
2．1 LF炉精炼废渣渣相组成
2．1．1 LF炉精炼废渣成分
用ICP电感耦合等离子体质谱仪对LF炉精炼废渣成分进行检测，LF炉精炼废渣成分如表1所示。
表1 LF炉精炼废渣成分
Table 1 Chemical compositions of refining spent slag
成分 CaO Si02 Ale03 MgO FeO CaF2 S
wB／ 58．O5 13．7O 18．78 5．40 0．76 1．40 0．51
从表1成分检测结果可以看出，基于钢包炉脱硫工艺对碱度和还原性的要求，LF炉精炼完成后废渣仍保持有较高的碱度和较强的还原性；钢包炉精炼脱硫工艺完成后，废渣的硫含量很
高，达到0．5
炼渣系，该渣系具有较好的脱硫、脱氧和吸附夹杂的能力。