天钢LF炉脱硫工艺的研究和精炼渣优化技术开发;冶金工程

安徽工业大学毕业设计（论文）说明书1天钢LF炉脱硫工艺的研究和精炼渣优化技术开发冶金工程专业陶乃标(069014162)指导教师：乐可襄教授摘要本论文主要研究了天钢LF炉脱氧、脱硫、去夹杂的效果以及埋弧操作的情况，并在实验研究的基础上提出了相应的改进措施。在现场调研的基础上，论文对天钢LF炉精炼传统工艺进行了全面深入的分析和讨论，发现天钢LF炉精炼存在诸多问题和不足，针对这些问题和不足，论文提出了相应的改进措施。出于优化天钢LF炉精炼渣的目的，在天钢具体生产条件的基础上，用热模拟装置对CaO-SiO2-MgO-A12O3系精炼渣的脱硫性能进行了实验室研究。通过正交实验发现碱度和A12O3含量对脱硫率影响最为显著。并对碱度、A12O3、CaF2和MgO做了单因素实验，以确定其最佳范围。为了提高天钢LF炉精炼的脱硫率，论文提出了新型的精炼渣配方和改进的造渣工艺。同时，出于改善天钢LF精炼埋弧效果的目的，在对熔渣发泡性能研究的基础上，论文提出了适宜的发泡剂配方。在本论文提出的改进措施的基础上，天钢做了适当调整，并进行了工业性实验。本论文对工业性实验的相关生产数据进行了分析和讨论，确定了最佳的生产工艺。总之，新型精炼渣、发泡剂的使用以及造渣工艺的改进使天钢LF炉脱氧、脱硫、埋弧和去夹杂效果取得了显著提高。关键词：脱硫，发泡剂，夹杂物去除，精炼渣，钢包炉安徽工业大学毕业设计（论文）说明书2AbstractMetallurgicaleffectsofLFrefininginTianjinIron&SteelGroupCo.,suchasdeoxidation,desulphurization,inclusionremovingandsubmergedarcoperation,werestudiedinthepaper.Andimprovementmeasureswereproposedbasingontheexperiments.RoundedanalysisandevaluationoftraditionalprocessofLFinTianjinIron&SteelGroupCo.havebeendoneinthispaperandproblemsoftraditionalprocesswerefounded.Forthepurposeofoptimizingrefiningladleslagprescription,thedesulphurizingcharacteristicsofCaO-SiO2-MgO-A12O3refiningslagwerestudiedinlaboratory.TheresultesoforthogonalexperimentshowthatthebasicityandA12O3contenthavethestrongestimpactondesulfurizationratio­η.Theoptimumrangeoffourfactorsweredeterminedbysinglefactorexperiment.Inordertoimprovethedesulfurizationratio,newslagprescriptionangmidifiedslagmakingprocesswereproposed.Basedonthestudiesofbubblingcharacteristicoffoamingslag,thispaperalsoofferthesuitablefoamingagentprescriptionforTianjinIron&SteelGroupCo.,inordertomeetthedemandofsubmergedarcoperationinladlefurnace.Afterappropriatereadjustment,newrefiningslagandnewprocesswereadoptedinindustrialtestswhichhavebeendoneinTianjinIron&SteelGroupCo..Andproductiondatawasanalyzedanddiscussed.Dependedontheanalysisandthediscussion,theoptimalprocessofLFwasdetermined.Inaword,duetonewrefiningslag,foamingagentandmidifiedslagmakingprocess,metallurgicaleffectsofLFrefininginTianjinIron&SteelGroupCo.wereimprovedgreatly.Keywords:desulphurization,LF,refiningslag,foamingagent,inclusionremoval安徽工业大学毕业设计（论文）说明书I1.文献综述1.1LF炉发展概况炉外精炼技术开发于20世纪中期，最初仅针对有特殊性能要求的钢种，在一次熔炉后将初炼钢水倒入具有加热或真空脱气功能的装置中，进行重炼和脱气精炼。后来由于氧气转炉的发明和电弧炉炉容量的大型化，原来的炉外精炼手段已跟不上发展的需要。冶金行业迫切需要寻找一种完整、可靠的钢液精炼手段，并能适应冶金快速反应和炉型迅速增大的要求，于是产生了钢液在钢包中完成精炼工序的先进技术即钢包精炼技术。世界上首先推出钢包精炼技术的是瑞典的ASEA-SKF公司。1961年，该公司开发了一种全新的钢包炉型，它的功能在于将三相电极加热的技术应用于对钢包中的钢液加热升温，并将电磁搅拌装置安装在钢包的一侧或两侧，使钢液获得强烈的搅拌功能。当钢液在加热工位或脱气工位时，钢液的搅拌可均匀钢液的温度和成分，并与钢渣产生良好的混合反应。该炉型还配有排渣工位和补加合金的手段，堪称为当时最为完整的二次精炼手段。LF炉是日本特殊钢公司1971年开发成功的。其本来用意是把电弧炉的还原期操作移到钢包中进行。由于LF炉具有冶金功能齐全、结构简单、操作方便、投资少等优点，在特殊钢、普通钢和铸钢等工业生产中得到了广泛的应用，已经成为生产纯净钢的主要炉外精炼方法之一[24]。后来，由于转炉挡渣出钢技术的日臻完善和电弧炉偏心炉底出钢技术的广泛应用，形成了世界上普遍选用的LF/V或LF/VD和LF/RH的钢液二次精炼技术。在钢包精炼技术的开发过程中，还出现了VAD或VHD法，它的加热功能和脱气功能设计在同一工位，要求三根电极在真空盖中上下移动。VAD和VHD法对密封技术要求很高，影响了该技术的推广使用，而LF精炼技术由于其独特的性能在世界范围内迅速推广开来。1.2LF炉工艺与精炼功能LF（LadleFurnace），是钢包炉的缩写。无真空工位的叫LF法，带有真空工位的叫LFV（LadleFurnaceVacuum）法。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书II1.2.1LF炉系统的组成LF炉是以电弧加热为主要技术特征的炉外精炼方法，LF炉主要设备包括钢包炉体、电弧加热系统、合金与渣料加料系统、底吹氩气搅拌系统、炉盖及冷却水系统、喂线系统、除尘系统、测温系统、钢包车控制系统等。按照供电方式分为交流钢包炉和直流钢包炉，目前国内多数LF炉使用交流钢包炉。炉体有普通钢包制成，包盖上装有三根加热用的电极，包底装有底吹氩气用的透气砖。1.2.2LF炉的精炼功能LF精炼的特点是使用埋弧加热，热效率比较高，并且可以减轻电弧对炉衬的热辐射作用；采用高碱度还原性渣进行精炼，可在炉内造成还原性气氛；采用底吹氩对钢液进行搅拌，加速了钢―渣间的反应。（1）白渣精炼理想的LF炉利用白渣进行精炼。LF炉内有良好的还原气氛和氩气搅拌，这两者相互作用使白渣在LF炉内具有很强的还原性。通过白渣的精炼作用可以大大降低钢中的硫、氧及夹杂物的含量。（2）埋弧加热LF炉采用3根石墨电极进行加热。一般采用埋弧加热法，这种方法热辐射小，对炉衬有保护作用，同时埋弧加热也有较高的热效率。石墨电极与渣中氧化物发生反应，反应结果不仅使渣中不稳定的氧化物（FeO+MnO）含量降低，提高了炉渣的还原性，而且还可以提高合金元素收得率。同时，石墨电极与氧化物作用生成CO，CO气体的生成是LF具有还原性气氛的主要原因，钢液在还原性气氛下精炼，可进一步提高质量。由于LF还具有加热保温功能，在精炼过程中可对钢液温度进行控制，使温度波动控制在±5℃的范围。（3）还原气氛LF本身通常不具备真空系统。在精炼时，钢桶上的水冷法兰盘、水冷炉盖及密封橡皮圈可以起到隔离空气的作用。加热时石墨电极与渣中的氧化物作用生成CO气体，加上脱氧产生的CO气体，增加了炉气的还原性。除此之外，石墨电极还与钢包内的O2作用生成CO，从而可使LF炉内气氛中氧含量降低至0.5％。因而阻止了炉气中的氧向钢液传递，保证了精炼时炉内的还原气氛。（4）氩气搅拌良好的氩气搅拌是LF炉的又一特点。氩气搅拌有利于钢－渣间的化学反应，可安徽工业大学毕业设计（论文）说明书III以加速钢－渣间的物质传递，有利于钢液脱硫、脱氧反应的进行，可以去除非金属夹杂物，特别是对A12O3类夹杂物上浮去除更为有利，同时还可以均匀钢液的温度和成分。1.2.3LF炉精炼工艺流程LF炉几个精炼功能互相影响、互相依存又互相促进。除超低碳、氮等超纯精钢外，几乎所有的钢种都可以采用LF法精炼，特别适合轴承钢、合金结构钢、工具钢及弹簧钢等钢种精炼。LF处理工艺流程如下：图1.1LF工艺流程初炼炉氧化末期的钢水出钢时，要尽可能减少下渣量，以便最大限度降低钢包顶渣的氧化性。至LF炉工位后，在脱氧的同时加入第一批还原渣料，例如石灰、萤石、合成渣、预熔渣等，进行还原精炼。然后钢包入加热位进行电极加热。待第一批渣料熔化完毕，加入第二批精炼渣料，渣料成分与第一批渣料基本相同，但加入量有所变化。精炼过程中，根据化渣与脱硫情况随时调整渣的成分和加入量，以达到最佳的脱硫效果。一般情况下加两批渣料即可，但也有加第三批、第四批渣料的情况。精炼末期可加合金调成分。精炼过程中可以采取分阶段吹氩，也可以采用全程吹氩。精炼时间根据进站钢水的成分、温度以及转（电）炉和连铸工序的周期要求而定。若适当增加加热条件下的搅拌时间、渣量及搅拌功率，转（电）炉出钢时尽可能做到除尽氧化渣，则可在精炼中进一步降低钢中的氧、硫含量，增加钢液的洁净度。1.3LF炉精炼渣脱硫1.3.1硫在钢中的危害性硫是钢中最常见的有害元素之一，对钢材性能有很多不利的影响。冶金过程中硫加脱氧剂加精炼渣加合金加精炼渣出钢脱氧浇注吹氩搅拌加热精炼安徽工业大学毕业设计（论文）说明书IV主要来自高炉焦炭、煤粉、矿石等。由于它对金属材料的危害性，脱硫任务便成为冶金过程中的首要任务。在生产中可以采取相应的措施去除钢中的硫，达到生产和使用的要求。（1）热脆钢中[S]≥0.08％时，在不加Mn的情况下凝固时，在晶界产生低熔点的共晶化合物Fe-FeS（熔点985℃），如果钢中氧含量较高，会形成共晶化合物FeO-FeS（熔点为940℃）。其熔点远低于轧、锻温度（1150℃~1200℃左右），热加工过程中共晶体熔化，造成晶界开裂。合适的锰含量可有效地防止这一现象的发生，一般控制[Mn]/[S]≥7。（2）疲劳断裂在热加工过程中，在硫化物等非金属夹杂物周围能产生内部显微裂纹，并且不断扩展直至形成疲劳断裂。据统计，在加工过程中，较脆而不易变形的夹杂物（塑性夹杂物）对疲劳性能更为有害。（3）机械性能硫化物夹杂对钢材机械性能的影响，除了与其数量、大小及分布有关外，还和其形状有一定的关系。当钢材中存在条状或片状夹杂物时，一定会对钢材的横向拉伸性能和冲击性能产生不良影响。一般情况下，硫化物在加工过程中容易变成长条或片状，这对钢材的机械性能是不利的因素。在相同的含硫量或含硫化物夹杂量的情况下，夹杂物的大小起着很大的作用，夹杂物体积越大，对钢材的机械性能的影响也就越大。1.3.2精炼渣脱硫的理论分析（1）脱硫的热力学分析1）脱硫反应根据炉渣离