爐外精煉論文 0945562124 田國(guó)建.docx

爐外精煉論文 爐外精煉論文 題 目 LF精煉過(guò)程鋼中硫、磷、氮、氧含量控制及非金屬夾雜物的行為研究學(xué) 生 田國(guó)建指導(dǎo)教師 卓偉偉班 級(jí) 冶金一班學(xué) 號(hào) 0945562124 學(xué) 院 冶金與材料工程學(xué)院 LF精煉過(guò)程鋼中硫、磷、氮、氧含量控制及非金屬夾雜物的行為研究 田國(guó)建（江蘇科技大學(xué) 冶金與材料學(xué)院 0945562124 ）摘要：主要介紹轉(zhuǎn)爐鋼水過(guò)LF精煉時(shí)，鋼水中硫、磷、氮、氧含量的控制以及非金屬夾雜物的行為研究。進(jìn)而通過(guò)對(duì)工藝的優(yōu)化和完善，在生產(chǎn)中提高LF精煉爐的精煉效果，提高鋼水純凈度。關(guān)鍵詞：LF精煉；脫硫；脫磷；氮、氧含量；非金屬夾雜物Abstract:The paper discusses the control of the conten of sulfur/phosphorus/nitrogen/oxygen and the behavior of non-metallic inclusions during the process of LF treatment.By optimizing the process,better refining effect and molten purity are obtained.Key words:LF refining;desulfurization; nitrogen/oxygen conten;dephosphorization;non-metallic inclusions1引言：鋼材的質(zhì)量及性能是根據(jù)需要而確定的，不同的需要，要有不同的元素含量。硫；是鋼中的有害雜物，含硫較高的鋼在高溫進(jìn)行壓力加工時(shí)，容易脆裂，通常叫做熱脆性。磷；能使鋼的可塑性及韌性明顯下降，特別的在低溫下更為嚴(yán)重，這種現(xiàn)象叫做冷脆性。通常情況下，氮被視為鋼中的有害元素，而氧元素主要以氧化物系非金屬夾雜物的形式存在于鋼中。減少LF爐精煉工藝過(guò)程鋼液增氧、去除鋼中氫含量是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此外，控制鋼中夾雜物是提高鋼材使用性能的有效途徑。2 轉(zhuǎn)爐LF精煉脫硫與脫磷2.1脫硫2.11脫硫方法硫是鋼中的長(zhǎng)存元素之一,它會(huì)使大多數(shù)鋼種的加工性能和使用性能變壞,因此除了少數(shù)易切削鋼種外,它是需要在冶煉中脫除的有害元素。硫在鋼中以FeS形式存在,常以S表示。鋼中含錳高時(shí),還會(huì)有一定的MnS存在。目前煉鋼生產(chǎn)中能有效脫除鋼中硫的方法有堿性氧化渣脫硫、堿性還原渣脫硫和鋼中元素脫硫三種。2.1.2 脫硫影響因素脫硫影響因素與堿性氧化渣脫硫不同,LF堿性還原渣脫硫反應(yīng)方程式為:FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO) (1) MnS+(CaO)=(CaS)+(MnO) (2)由于鋼中的S大部分以FeS形式存在,因此脫硫反應(yīng)主要以式(1)為主。從式中可以發(fā)現(xiàn),影響脫硫的主要因數(shù)有:爐渣中(CaO)的含量,即堿度高低的影響;爐渣中(FeO)含量;該反應(yīng)是渣鋼界面反應(yīng),爐渣流動(dòng)性影響;渣量的影響等。具體如下：由脫硫的反應(yīng)式可見(jiàn),渣中含有(CaO)是脫硫的首要條件,由于酸性渣中的(CaO)全部被(SiO2)所結(jié)合而無(wú)脫硫能力,所以脫硫要在堿性渣下才能進(jìn)行。隨著堿度的增大,渣中自由的(CaO)含量增多,爐渣的脫硫能力增大。但堿度過(guò)高會(huì)引起爐渣的黏度增大,惡化雙相反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件而不利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明,爐渣堿度2.5-3.5時(shí),脫硫效果最好。爐渣堿度與硫的分配系數(shù)Ls的關(guān)系如圖1所示。渣中(FeO)的含量。在LF精煉造渣過(guò)程中,隨著擴(kuò)散脫氧的進(jìn)行,渣中(FeO)的含量逐漸降低。從脫硫反應(yīng)式(1)中可以看出,渣中氧化鐵(FeO)含量的降低有利于脫硫反應(yīng)向右進(jìn)行。在還原氣氛下,只要保持爐渣具有較高的堿度脫硫效果就極為顯著,這表明了脫硫與脫氧的一致性。因此在冶煉過(guò)程中,脫氧越完全,對(duì)脫硫也越有利。同時(shí)爐渣中(FeO)+(MnO)含量%與硫的分配系數(shù)有以下關(guān)系,(FeO)+(MnO)含量%越高,硫的分配系數(shù)越低(參見(jiàn)圖2)。由于該反應(yīng)是渣鋼界面反應(yīng),只有保持流動(dòng)性良好的爐渣,保證鋼渣界面?zhèn)鬟f暢通無(wú)阻,才能使得反應(yīng)向脫硫方向進(jìn)行。因此在精煉過(guò)程中必須保持全程良好的爐渣流動(dòng)性。在保證爐渣堿度的條件下,適當(dāng)加大渣量可以稀釋渣中脫硫產(chǎn)物(CaO)的濃度,對(duì)去硫有利;但渣量過(guò)大時(shí)會(huì)使渣層變厚,脫硫反應(yīng)不活潑,鋼液中的硫并不隨渣量的增加而按比例下降。一般渣量控制在3%-5%較為合理。2.2脫磷2.2.1磷元素轉(zhuǎn)化趨勢(shì)分析煉鋼過(guò)程中,鋼水中磷進(jìn)入爐渣有兩種方式,即氧化脫磷和還原脫磷,如圖1所示.當(dāng)體系氧勢(shì)高于某一臨界值,磷元素以P5+形式進(jìn)入爐渣(氧化脫磷),并且氧勢(shì)越高,進(jìn)入爐渣的磷元素越多,氧勢(shì)減小,渣中磷將返回鋼中(回磷);當(dāng)體系氧勢(shì)等于這一臨界值時(shí),氧化脫磷和還原脫磷的趨勢(shì)相同;當(dāng)體系氧勢(shì)低于臨界值,磷元素將主要以P3-形式進(jìn)入爐渣(還原脫磷),并且體系氧勢(shì)越低該過(guò)程越易進(jìn)行.考慮到堿性渣中主要的陽(yáng)離子是Ca2+,若發(fā)生氧化脫磷,則脫磷產(chǎn)物為3CaOP2O5或4CaOP2O5,若發(fā)生還原脫磷,則脫磷產(chǎn)物為Ca3P2。2.2.2 LF精煉過(guò)程還原脫硫的可能性分析LF精煉是對(duì)鋼水脫氧后開(kāi)始的.寶鋼EAF出鋼過(guò)程進(jìn)行脫氧,BOF是在RH內(nèi)脫氧合金化,所以鋼水進(jìn)入LF工位時(shí),鋼水中的溶解氧含量已經(jīng)于3010-5,在LF精煉過(guò)程中向渣內(nèi)加入擴(kuò)散脫氧劑,使渣中氧和鋼中氧迅速下降,致使LF精煉后期,鋼水中溶w(O)/%已經(jīng)小于100-3,渣中FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0105%,當(dāng)采用鋇系脫氧劑時(shí),鋼中氧w(O)/%可達(dá)到2010-43010-4,渣中FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于004%.LF精煉終點(diǎn)典型爐渣化學(xué)成分見(jiàn)表3.經(jīng)試驗(yàn)研究，在LF內(nèi)熱力學(xué)上具備了還原脫磷的條件。另外，LF精煉過(guò)程具有較高的溫度，采用還原脫磷優(yōu)于氧化脫磷.在較高溫度下，采用鋁鈣合金，可以避免鈣的過(guò)分氣化損失.LF爐內(nèi)襯采用鎂質(zhì)耐火材料，使還原脫磷劑對(duì)爐襯的侵蝕減小到最低.所以，在LF精煉過(guò)程中進(jìn)行還原脫磷是可行的，并可同時(shí)降低鋼中硫含量。3 LF精煉過(guò)程中氮、氧元素含量的控制研究3.1 鋼中氮氧含量在各個(gè)工序中的變化3.1.1鋼中氮含量在各個(gè)工序中的變化圖1列出各工序鋼中氮含量的變化情況，其中20號(hào)、45號(hào)鋼在出鋼、LF爐精煉和澆注過(guò)程氮含量有所增加，而普通船板鋼氮含量略有增加。3.1.2 鋼中氧含量在各個(gè)工序中的變化由圖3中看出45號(hào)、20號(hào)、普通船板鋼3個(gè)鋼種經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)爐出鋼到形成鑄坯的整個(gè)過(guò)程，鋼中全氧含量逐步下降，且LF爐精煉過(guò)程對(duì)減少鋼中全氧含量(即夾雜物含量)的作用十分顯著，LF爐精煉成為脫氧控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。上述3個(gè)鋼種酸溶鋁含量均小于0.005%，鋼的脫氧由Si控制。LF爐精煉通過(guò)造渣、吹氛制度控制鋼的脫氧水平。在鋼水澆注到中間罐、結(jié)晶器的過(guò)程，鋼中O呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，即夾雜物上浮脫離鋼水。從LF爐搬出到澆注到中間罐、結(jié)晶器內(nèi)，隨溫度下降，鋼水中溶解的氧析出，在中間罐、結(jié)晶器內(nèi)與鋼中的脫氧元素結(jié)合形成夾雜物上浮去除。在潔凈鋼的生產(chǎn)中，控制好LF爐搬出鋼水溫度和中間罐內(nèi)鋼水溫度，在中間罐、結(jié)晶器內(nèi)創(chuàng)造有利于夾雜物上浮的條件，提高鋼水的潔凈度。3.2 LF精煉過(guò)程減少鋼水增氮、降低鋼中全氧含量3.2.1 LF精煉過(guò)程減少鋼水增氮LF爐實(shí)施泡沫渣工藝可以減少精煉過(guò)程鋼水增氮。在高強(qiáng)船板鋼上做了巧爐泡沫渣試驗(yàn)。每爐試驗(yàn)在電極加熱期間加人兩批發(fā)泡劑，間隔7min。在鋼水搬人LF爐和搬出LF爐時(shí)取鋼樣，分析鋼中氮、氧、酸溶鋁含量。鋼水增氮量為(1一13) x 10-6，平均增氮5.27 x 10-6。未采用泡沫渣工藝時(shí)鋼水增氮0一20 x 10-6，平均增氮6.43x 10-6。對(duì)嚴(yán)格控制鋼中氮含量的鋼種應(yīng)根據(jù)加熱和精煉時(shí)間的長(zhǎng)短加人3 - 4批發(fā)泡劑，精煉中間不加鋁。生產(chǎn)低氮含量鋼應(yīng)在LF精煉后期喂線加鋁、欽;需要真空處理的鋼種，應(yīng)在真空下通過(guò)合金加人裝置在破真空前Smin加人鋁、欽。3.2.2降低鋼中全氧含量實(shí)施爐外精煉以后，轉(zhuǎn)爐出鋼后的鋼水罐內(nèi)脫氧操作對(duì)鋼水凈化作用大大減弱，LF爐精煉操作顯著地改善了鋼水的潔凈度。根據(jù)鋼種的不同，在LF爐內(nèi)造堿度不同的頂渣，即使堿度在1.0-1.5的情況下，Si含量也提高了脫氧能力，鋼水中全氧含量明顯降低，見(jiàn)表44 LF精煉過(guò)程中非金屬夾雜物的行為研究4.1 實(shí)驗(yàn)探究H13鋼是熱作模具鋼中應(yīng)用最廣泛的鋼種之一，夾雜物對(duì)其性能有嚴(yán)重危害結(jié)合某鋼廠生產(chǎn)實(shí)際情況，以現(xiàn)場(chǎng)取樣為基礎(chǔ)，用金相顯微鏡、掃描電鏡系統(tǒng)地研究了LF-VD精煉過(guò)程中的夾雜物，計(jì)算和分析了H13鋼冶煉過(guò)程中生成AL2O3 、Mg0 . A1203類(lèi)夾雜物的熱力學(xué)條件研究結(jié)果表明:鋼液經(jīng)LF精煉,VD處理后，鋼中夾雜物的數(shù)量和面積明顯減少，但隨著爐渣中A 1203活度的增大，爐渣吸附A1203類(lèi)夾雜物的能力減弱，去除A120夾雜物的速度減慢;夾雜物在LF精煉前主要以A1203、FeS、Mg0.A1203類(lèi)夾雜為主，LF精煉結(jié)束后為A1203、 FeS、Ca0.A1203類(lèi)夾雜，VD處理后為A 1203類(lèi)夾雜。4.2 典型夾雜物形貌5 結(jié)論5.1通過(guò)以下控制,轉(zhuǎn)爐LF精煉可以得到極低硫鋼:1)爐渣堿度控制在2.53.5;2)爐渣中(FeO)+(MnO)0.5%;3)良好的爐渣流動(dòng)性;4)爐渣渣量控制在80mm內(nèi);5)保證充足的通電時(shí)間和吹氬時(shí)間5.2 LF精煉條件下對(duì)鋼水還原脫磷是可行的.但必須滿(mǎn)足下列條件:1）鋼種對(duì)氮含量沒(méi)有特殊要求;2)在滿(mǎn)足鋼種要求的情況下,盡量降低爐內(nèi)溫度;3)須采用沉淀脫氧與擴(kuò)散脫氧相結(jié)合的脫氧方法降低鋼中溶解氧O和渣中(FeO)活度,降低渣鋼界面氧勢(shì);4)要求一定的吹氬量,趕凈體系內(nèi)的空氣,保證體系氧勢(shì)足夠小;5)還原脫氧劑加入到鋼水內(nèi)部。5.3確定控制鋼中氮、氧含量的關(guān)鍵技術(shù):1)采用LF爐精煉渣洗和明爐真空渣洗生產(chǎn)潔凈鋼，根據(jù)鋼種的質(zhì)量要求和液相線溫度，選用不同堿度的渣系進(jìn)行渣洗。真空渣洗后補(bǔ)加鋁、欽等成分應(yīng)在破真空前實(shí)施。2)生產(chǎn)潔凈鋼時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制I_F(或VD)搬出鋼水溫度及中間罐鋼水溫度。3) LF爐采用泡沫渣工藝、強(qiáng)化連鑄保護(hù)澆注等措施，可以有效地減少鋼中的氮含量。連鑄長(zhǎng)水口采用新型密封墊非常有效，澆注過(guò)程鋼水增氮量在8 X 10-6以下。5.4 隨著脫氧劑的加入，爐渣成分在LF精煉前、LF精煉結(jié)束后,VD處理后發(fā)生了變化，渣中A1203的活度分別變?yōu)?.019 66, 0.022 99, 0.034 58 0隨著爐渣中Al_03活度的增大，爐渣吸附Al_03類(lèi)夾雜物能力減弱，鋼中A1203夾雜物的去除速度減慢。鋼液在LF精煉前卞要以Al203, FeS, Mg0.A1203類(lèi)夾雜為主;LF精煉結(jié)束后以A1203和FeS類(lèi)夾雜為卞，還有少量的Ca0 .A1203類(lèi)復(fù)合夾雜物;VD處理后以A1203類(lèi)夾雜為主。隨著精煉的進(jìn)行，夾雜物數(shù)量和面積逐漸減少，并由不規(guī)則形狀變?yōu)橐?guī)則形狀。在鋁脫氧鋼的Ca0-Si0-A1203-Mg0四元渣系中，鋼中A1含量分別為1.2, 5.02, 31.9 ppm，當(dāng)Mg含量分別在 0.6726.05, 1.739 766.735, 5.56823