炉外精炼工艺及其发展.pdf
北京科技大学2007年7月炉外精炼工艺技术的发展包燕平主主 要要 内内 容容?前言?炉外精炼的冶金功能?炉外精炼设备与精炼工艺?洁净钢精炼工艺?炉外精炼技术的发展技术1 1、前言、前言炉外精炼作为现代炼钢流程中的重要生产工序,被世界绝大多数钢铁厂采用,近炉外精炼作为现代炼钢流程中的重要生产工序,被世界绝大多数钢铁厂采用,近20 年,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,炉外精炼工艺与设备迅速普及。日本、欧美等先进的钢铁生产国家,炉外精炼比超过年,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,炉外精炼工艺与设备迅速普及。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其中真空精炼比超过50%,有些钢厂已达有些钢厂已达100%。2 2、炉外精炼的冶金功能、炉外精炼的冶金功能2.1 炉外精炼的冶金特点2.2 炉外精炼设备的冶金功能各种炉外精炼设备都具备高效精炼的特点各种炉外精炼设备都具备高效精炼的特点,适宜冶炼各类纯净钢、超纯净钢。其原因在于各种炉外精炼设备的工艺与设备设计能满足以下冶金特点:适宜冶炼各类纯净钢、超纯净钢。其原因在于各种炉外精炼设备的工艺与设备设计能满足以下冶金特点:(1)改善冶金化学反应的热力学条件改善冶金化学反应的热力学条件;(2)加速熔池传质速度加速熔池传质速度;2.1 2.1 炉外精炼的冶金特点炉外精炼的冶金特点(3)增大渣钢反应面积增大渣钢反应面积,对各种炉外精炼设备均采用各种搅拌或喷粉工艺对各种炉外精炼设备均采用各种搅拌或喷粉工艺,造成钢渣乳化、颗粒气泡上浮、碰撞、聚合等现象造成钢渣乳化、颗粒气泡上浮、碰撞、聚合等现象,显著增加渣钢反应面积显著增加渣钢反应面积,提高反应速度。提高反应速度。(4)精确控制化学反应条件精确控制化学反应条件,使各种冶金反应更趋近平衡。使各种冶金反应更趋近平衡。(5)对精炼过程实现计算机智能化控制。保证精炼终点的命中率和控制精度对精炼过程实现计算机智能化控制。保证精炼终点的命中率和控制精度.各种炉外精炼设备的冶金功能主要包括:各种炉外精炼设备的冶金功能主要包括:(1)熔池搅拌功能熔池搅拌功能,均匀钢水成分和温度均匀钢水成分和温度,保证钢材质量均匀;保证钢材质量均匀;(2)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、T.O等杂质和夹杂物,提高钢水纯净度;等杂质和夹杂物,提高钢水纯净度;(3)钢水升温和控温功能,对钢水实现成分微调;钢水升温和控温功能,对钢水实现成分微调;(4)生产调节功能,均衡炼钢生产调节功能,均衡炼钢连铸生产。连铸生产。2.2 2.2 炉外精炼设备的冶金功能炉外精炼设备的冶金功能为实现上述冶金功能为实现上述冶金功能,各种炉外精炼设备一般均采用以下精炼方法各种炉外精炼设备一般均采用以下精炼方法:(1)渣洗精炼渣洗精炼(2)真空精炼真空精炼(3)熔池搅拌熔池搅拌(4)喷射冶金喷射冶金(5)加热与控温加热与控温表表1列出了各种炉外精炼设备的冶金功能比较。列出了各种炉外精炼设备的冶金功能比较。表表1 各种炉外精炼设备的冶金功能比较各种炉外精炼设备的冶金功能比较3 3、炉外精炼设备与精炼工艺、炉外精炼设备与精炼工艺3.1 LF3.2 CAS与气体搅拌3.3 RH3.4 VD与VODLF炉是炉是 70 年代初由日本开发成功，并大量推广，成为当代最主要的炉外精炼设备。年代初由日本开发成功，并大量推广，成为当代最主要的炉外精炼设备。LF 炉的工艺优点包括:炉的工艺优点包括:精炼功能强，适宜生产超低硫、超低氧钢；精炼功能强，适宜生产超低硫、超低氧钢；具有电弧加热功能，热效率高，升温幅度大，温度控制精度高；具有电弧加热功能，热效率高，升温幅度大，温度控制精度高；具备搅拌和合金化功能，易于实现窄成分控制，提高产品的稳定性；具备搅拌和合金化功能，易于实现窄成分控制，提高产品的稳定性；采用渣钢精炼工艺采用渣钢精炼工艺,精炼成本低；设备简单，投资较少。精炼成本低；设备简单，投资较少。3.1 LF3.1 LF精炼炉精炼炉LF 炉的精炼工艺主要包括三项内容炉的精炼工艺主要包括三项内容:(1)加热与温度控制:加热与温度控制:LF炉采用电弧加热,对钢水加热效率一般 炉采用电弧加热,对钢水加热效率一般 60%,高于电炉升温热效率。吨钢水平均升温,高于电炉升温热效率。吨钢水平均升温1耗电耗电 0.50.8 kWh。LF炉的升温速度决定于供电的比功率炉的升温速度决定于供电的比功率(kVA/t),而供电比功率的大小又决定于钢包耐火材料的熔损指数。通常而供电比功率的大小又决定于钢包耐火材料的熔损指数。通常,LF炉的供电比功率为炉的供电比功率为150200 kVA/t,升温速度可达到,升温速度可达到35/min,采用埋弧泡沫技术,可减轻电弧的幅射热损失采用埋弧泡沫技术,可减轻电弧的幅射热损失,提高加热效率提高加热效率10%15%。LF炉采用计算机动态控制终点温度,可保证终点温度的控炉采用计算机动态控制终点温度,可保证终点温度的控制精度制精度5。(2)白渣精炼工艺:白渣精炼工艺:LF炉利用白渣进行钢水精炼炉利用白渣进行钢水精炼,实现钢水脱硫、脱氧,生产超低硫钢和低氧钢。因此实现钢水脱硫、脱氧,生产超低硫钢和低氧钢。因此,白渣精炼是白渣精炼是LF炉工艺操作的核心炉工艺操作的核心,也是提高钢水纯净度的重要保证。白渣精炼的工艺要点是也是提高钢水纯净度的重要保证。白渣精炼的工艺要点是:出钢挡渣,控制下渣量 出钢挡渣,控制下渣量 5 kgt;钢包渣改质钢包渣改质,控制包渣控制包渣R2.5,渣中渣中w(TFe+MnO)3.0%;白渣精炼白渣精炼,一般采用一般采用 Al2O3-CaO-SiO2系炉渣系炉渣,控制包渣碱度控制包渣碱度R4,渣中渣中w(TFeO+MnO)1%,保证脱硫、脱氧效果保证脱硫、脱氧效果;控制控制 LF炉内气氛为弱氧化性炉内气氛为弱氧化性,避免炉渣再氧化避免炉渣再氧化;适当搅拌适当搅拌,避免钢液面裸露避免钢液面裸露,并保证熔池内具有较高的传质速度。并保证熔池内具有较高的传质速度。(3)合金微调与窄成分控制,合金微调与窄成分控制技术是保证钢材成分性能稳定的关键技术之一,也是合金微调与窄成分控制,合金微调与窄成分控制技术是保证钢材成分性能稳定的关键技术之一,也是LF的重要冶金功能。例如,生产齿轮钢,要求保证钢材淬透性带度的重要冶金功能。例如,生产齿轮钢,要求保证钢材淬透性带度4 HRC,必须精确控制钢材各种合金元素的成分,必须精确控制钢材各种合金元素的成分,避免波动。实现合金微调的主要措施是避免波动。实现合金微调的主要措施是:在线建立快速分析设施在线建立快速分析设施,保证分析响应时间保证分析响应时间3 min;精确估算钢水重量和合金收得率;精确估算钢水重量和合金收得率;钢水脱氧良好,实现白渣精炼;钢水脱氧良好,实现白渣精炼;计算机在线准确计算各种合金加入量计算机在线准确计算各种合金加入量,保证钢水成分保证钢水成分的准确性与稳定性。的准确性与稳定性。钢包内喷吹惰性气体钢包内喷吹惰性气体(Ar气气)搅拌工艺搅拌工艺(底吹或喷吹法底吹或喷吹法),又称又称“钢包吹氩钢包吹氩”技术是最普通也是最简单的炉外处理工艺。其主要冶金功能是均匀钢水成分、温度、促进夹杂物上浮。通常钢包吹氩的气体搅拌强度为技术是最普通也是最简单的炉外处理工艺。其主要冶金功能是均匀钢水成分、温度、促进夹杂物上浮。通常钢包吹氩的气体搅拌强度为0.0030.01 Nm3/tmin。提高钢包吹氩强度,有利于熔池混匀和夹杂物上浮。而吹氩强度过大,会使钢液面裸露,造成二次氧化,为解决这一问题提高钢包吹氩强度,有利于熔池混匀和夹杂物上浮。而吹氩强度过大,会使钢液面裸露,造成二次氧化,为解决这一问题,日本发明了采用强吹氩工艺将渣液面吹开后,将封闭的浸渍罩内迅速形成氩气保护气氛,避免了钢水氧化的工艺。这一吹氩工艺通常称为日本发明了采用强吹氩工艺将渣液面吹开后,将封闭的浸渍罩内迅速形成氩气保护气氛,避免了钢水氧化的工艺。这一吹氩工艺通常称为 CAS 法,法,CAS 法不仅提高了吹氩强度法不仅提高了吹氩强度,而且罩内氩气氛使合金收得率提高,又使钢包吹氩工艺增加了合金微调的功能。而且罩内氩气氛使合金收得率提高,又使钢包吹氩工艺增加了合金微调的功能。3.2 CAS3.2 CAS与气体搅拌与气体搅拌为了解决钢水升温的问题为了解决钢水升温的问题,日本又在日本又在CAS上增设顶吹吹氧枪和加铝丸设备上增设顶吹吹氧枪和加铝丸设备,通过溶入钢水内的铝氧化发热通过溶入钢水内的铝氧化发热,实现钢水升温实现钢水升温,通常成为通常成为CAS-OB工艺。工艺。CAS和和CAS-OB装置主要由精炼钢包及钢包车装置主要由精炼钢包及钢包车,CAS 浸渍升降系统浸渍升降系统,OB供氧系统和铝丸加入系统供氧系统和铝丸加入系统,合金加料系统合金加料系统,底吹氩控制系统以及计算机和自动化 检 测 控 制 系 统 等 部 分 设 备 组 成。底吹氩控制系统以及计算机和自动化 检 测 控 制 系 统 等 部 分 设 备 组 成。CAS-OB 的冶金功能和技术优点是的冶金功能和技术优点是:(1)钢液升温和精确控制钢水温度。在所有炉外处理设备中钢液升温和精确控制钢水温度。在所有炉外处理设备中,CAS-OB 的升温速度最快的升温速度最快,可达到可达到612/min,升温幅度可达到升温幅度可达到100,钢水处理终点温度的波动钢水处理终点温度的波动5;(2)促进夹杂物上浮促进夹杂物上浮,提高钢水洁净度。采用提高钢水洁净度。采用CAS-OB 法对钢水进行加热法对钢水进行加热(升温升温 100),可控制钢中酸溶铝可控制钢中酸溶铝0.005%(质量分数质量分数),钢水钢水T.O含量降低含量降低 20%40%;(3)精确控制钢液成分精确控制钢液成分,实现窄成分控制。实现窄成分控制。CAS 处理中处理中Al、Si、Mn等合金的收得率稳定,并可提高合金收得率等合金的收得率稳定,并可提高合金收得率20%50%,实现对钢液成分的精确控制实现对钢液成分的精确控制;(4)均匀钢水成分和温度均匀钢水成分和温度;(5)与喂线配合与喂线配合,可进行夹杂物的变性处理。可进行夹杂物的变性处理。CAS-OB 的操作工艺主要包括的操作工艺主要包括:(1)吹氧升温和终点温度控制。在吹氧过程中连续加入铝丸,控制吹氧升温和终点温度控制。在吹氧过程中连续加入铝丸,控制Al/O2比是避免钢中比是避免钢中 C、Si、Mn 等元素烧损和控制钢中酸溶铝含量的关键技术。由于采用溶解铝氧化升温工艺,属于体相加热,热效率高于等元素烧损和控制钢中酸溶铝含量的关键技术。由于采用溶解铝氧化升温工艺,属于体相加热,热效率高于90%。通常每吨钢水升温。通常每吨钢水升温1,耗铝量为耗铝量为350450 g,升温速度快,整个,升温速度快,整个CAS-OB处理周期为处理周期为1116 min,可与转炉生产节奏相匹配。可与转炉生产节奏相匹配。(2)吹吹Ar工艺与夹杂物去除。采用加铝升温工艺与夹杂物去除。采用加铝升温,铝氧化生成大量铝氧化生成大量Al2O3夹杂夹杂,并可能使钢中铝含量升高。因此并可能使钢中铝含量升高。因此,在加热过程中要精确控制在加热过程中要精确控制Al/O2比及搅拌强度；升温后要保证一定时间的吹比及搅拌强度；升温后要保证一定时间的吹Ar搅拌促进夹杂物上浮。搅拌促进夹杂物上浮。(3)合金微调工艺。出钢时合金微调工艺。出钢时,对钢水成分进行精调对钢水成分进行精调,并取钢水样进行快速分析,根据化学分析结果,在并取钢水样进行快速分析,根据化学分析结果,在CAS处理中补加合金进行钢水成分的最终调整,实现窄成分控制。处理中补加合金进行钢水成分的最终调整,实现窄成分控制。RH 法又称真空循环脱气法。其基本工艺原理是利用气泡将钢水不断地提升到真空室内进行脱气、脱碳等反应法又称真空循环脱气法。其基本工艺原理是利用气泡将钢水不断地提升到真空室内进行脱气、脱碳等反应,然后回流到钢包中。因此然后回流到钢包中。因此,RH处理不要求特定的钢包净空高度,反应速度也不受钢包净空高度的限制。和其它各种真空处理工艺相比,处理不要求特定的钢包净空高度,反应速度也不受钢包净空高度的限制。和其它各种真空处理工艺相比,RH 技术的优点是技术的优点是:反应速度快,表观脱碳速度常数可达到反应速度快,表观脱碳速度常数可达到3.5 min-1。处理周期短,生产效率高,常与转炉配套使用；。处理周期短,生产效率高,常与转炉配套使用；反应效率高反应效率高,钢水直接在真空室内进行反应钢水直接在真空室内进行反应,可生产可生产 H 0.510-6(质量分数质量分数,下同下同),N 2510-6,C 1010-6的超纯净钢；的超纯净钢；可进行吹氧脱碳和二次燃烧进行热补偿可进行吹氧脱碳和二次燃烧进行热补偿,减少处理温降；减少处理温降；可进行喷粉脱硫,生产可进行喷粉脱硫,生产 S 510-6(质量分数质量分数)的超低硫钢。的超低硫钢。3.3 RH3.3 RHRH 的基本设备主要包括的基本设备主要包括:合金料仓及加料系统合金料仓及加料系统,真空室和真空泵系统真空室和真空泵系统,钢包车、顶开机构及钢包系统和烘烤维修系统。在普通钢包车、顶开机构及钢包系统和烘烤维修系统。在普通RH顶部安装水冷氧枪,构成顶部安装水冷氧枪,构成RH-KTB工艺工艺,可实现吹氧脱碳和二次燃烧。对可实现吹氧脱碳和二次燃烧。对RH-KTB 配备喷粉系统,通过顶枪向真空室内钢水喷吹脱硫粉剂,构成配备喷粉系统,通过顶枪向真空室内钢水喷吹脱硫粉剂,构成 RH KTB/PB 工艺,可实现真空喷粉脱硫。工艺,可实现真空喷粉脱硫。表表2 给出了各种给出了各种RH工艺及其主要参数。工艺及其主要参数。表表2 各种各种 RH 工艺及其主要参数工艺及其主要参数RH 精炼效率及冶金效果决定于以下基本工艺参数精炼效率及冶金效果决定于以下基本工艺参数:极限真空度与抽气速率极限真空度与抽气速率;钢水的循环流量钢水的循环流量Q；表观反应速度常数表观反应速度常数kx；顶吹供氧强度和枪位控制；顶吹供氧强度和枪位控制；脱硫剂成分及喷粉工艺控制。脱硫剂成分及喷粉工艺控制。为了进一步提高为了进一步提高RH的精炼效率的精炼效率,扩大处理能力扩大处理能力,近几年国际近几年国际RH精炼技术的发展趋势是精炼技术的发展趋势是:提高真空泵的抽气能力提高真空泵的抽气能力,使使RH达到极限真空度达到极限真空度(66.7Pa)的抽气时间缩短到的抽气时间缩短到2min。进一步提高钢水的循环流量进一步提高钢水的循环流量Q。大量的实验证明。大量的实验证明,钢水循环流量决定于下降内径钢水循环流量决定于下降内径D,真空室内钢水深度真空室内钢水深度H和吹和吹Ar的气体流量的气体流量G,扩大扩大RH下降管直径下降管直径,提高氩气的供气强度以及提高真空室真空度提高氩气的供气强度以及提高真空室真空度,均有利于提高均有利于提高 RH 的循环流量。的循环流量。进一步提高进一步提高 RH 的容积反应速度常数的容积反应速度常数a Kc,可以提高,可以提高RH 的反应速度。容积反应常数的反应速度。容积反应常数a Kc是熔池传质速度是熔池传质速度Kc与反应界面积与反应界面积A的乘积的乘积,并和以下参数成正比：并和以下参数成正比：a KcA0.32Q1.17Cv1.48 向向RH内吹入纯氧,可以提高内吹入纯氧,可以提高 RH 在高碳低氧区内的脱碳速度，因而有利于提高在高碳低氧区内的脱碳速度，因而有利于提高 RH 的初始含碳量。试验证明，当的初始含碳量。试验证明，当RH内钢水碳氧比内钢水碳氧比C/O0.66 时,时,RH 脱碳速度的限制环节是钢中碳有扩散；当钢水碳氧比脱碳速度的限制环节是钢中碳有扩散；当钢水碳氧比 C/O 0.6时，熔池内氧的传质速度决定了脱碳速度。通常实际工业生产中时，熔池内氧的传质速度决定了脱碳速度。通常实际工业生产中RH aKc=0.8 m3/s,Q=135 t/min，在吹氧条件下，在吹氧条件下RH的表观脱碳速度可达到的表观脱碳速度可达到 0.35 min-1。提高脱硫粉剂中提高脱硫粉剂中CaF2的配比至的配比至 40%，增加脱硫粉剂用量，增加脱硫粉剂用量,有利于提高有利于提高RH脱硫的效率，适宜冶炼脱硫的效率，适宜冶炼S 1010-6的超低硫钢。的超低硫钢。在电炉钢厂在电炉钢厂,VD炉作为真空脱气设备通常与炉作为真空脱气设备通常与LF炉双联炉双联,生产各种合金结构钢、优质碳钢和低合金高强度钢。在生产各种合金结构钢、优质碳钢和低合金高强度钢。在VD炉上增加顶吹供氧系统炉上增加顶吹供氧系统,构成构成VOD 炉炉,可以完成真空吹氧脱碳的功能可以完成真空吹氧脱碳的功能,适宜冶炼低碳不锈钢。适宜冶炼低碳不锈钢。和和RH真空处理工艺相比真空处理工艺相比,VD(VOD、VHD或或VAD)炉的精炼强度受钢包净空度的严格限制。炉的精炼强度受钢包净空度的严格限制。通常通常,完成钢液脱气处理完成钢液脱气处理,要求钢包的净空高度要求钢包的净空高度600 mm;而要进行钢液碳脱氧工艺而要进行钢液碳脱氧工艺,则需钢包净空高度则需钢包净空高度900 mm。实现吹氧脱碳工艺,则要求钢包净空高度。实现吹氧脱碳工艺,则要求钢包净空高度=1.01.2 m。由于钢水脱碳反应强度受到钢包净空高度的严格限制。由于钢水脱碳反应强度受到钢包净空高度的严格限制,因此因此,VD 炉脱碳周期较长炉脱碳周期较长(一般为一般为405min),整个处理周期为整个处理周期为7590 min。另外另外,受钢包盖、炉渣等物理因素的影响受钢包盖、炉渣等物理因素的影响,真空脱气效率有所降低。脱气处理真空脱气效率有所降低。脱气处理2025 min,钢水氢含量可达到,钢水氢含量可达到2 10-6,N含量波动在含量波动在(3045)10-6。氩气消耗量也高于。氩气消耗量也高于RH工艺。工艺。另一方面另一方面,VD炉可在真空条件下实现钢炉可在真空条件下实现钢渣反应渣反应,有利于熔池脱硫和脱氧。在有利于熔池脱硫和脱氧。在VD炉处理过程中炉处理过程中,钢中氧含量可从钢中氧含量可从100 10-6降低到降低到2010-6；硫含量也可从；硫含量也可从0.01%降低到降低到0.0015%以下以下,平均脱硫率可达到平均脱硫率可达到84%。3.4 VD3.4 VD与与VODVOD4 4、洁净钢精炼工艺、洁净钢精炼工艺4.1 低氧钢精炼工艺技术4.2 低碳低氮钢精炼工艺技术4.3 超低硫钢的冶炼硬线钢丝、钢轨、轴承钢、弹簧钢等中高碳合金钢或优质碳钢,对钢中夹杂物有严格的要求。为保证钢材质量,必须采用低氧钢精炼工艺技术。硬线钢丝、钢轨、轴承钢、弹簧钢等中高碳合金钢或优质碳钢,对钢中夹杂物有严格的要求。为保证钢材质量,必须采用低氧钢精炼工艺技术。对低氧钢精炼工艺的基本要求是对低氧钢精炼工艺的基本要求是:(1)严格控制钢中总氧含量严格控制钢中总氧含量,一般要求钢中一般要求钢中 T.O 25 10-6。对于轴承钢。对于轴承钢,为提高钢材的疲劳寿命为提高钢材的疲劳寿命,则要求钢中则要求钢中 T.O 10 10-6。(2)严格控制钢中夹杂物的形态严格控制钢中夹杂物的形态,避免出现脆性避免出现脆性Al2O3夹杂物。如硬线钢精炼,要求严格控制钢中夹杂物成分中夹杂物。如硬线钢精炼,要求严格控制钢中夹杂物成分中w(Al2O3)25%。为此,则需要控制钢水含铝量。为此,则需要控制钢水含铝量410-6。即。即,采用无铝脱氧工艺。采用无铝脱氧工艺。(3)严格控制钢中夹杂物的尺寸严格控制钢中夹杂物的尺寸,避免出现大型夹杂物。避免出现大型夹杂物。4.1 4.1 低氧钢精炼工艺技术低氧钢精炼工艺技术为实现上述基本要求,低氧钢精炼的基本工艺为:为实现上述基本要求,低氧钢精炼的基本工艺为:精确控制炼钢终点,实现高碳出钢精确控制炼钢终点,实现高碳出钢,防止钢水过氧化；防止钢水过氧化；严格控制出钢下渣量严格控制出钢下渣量,并在出钢过程中进行炉渣改质。控制包渣中并在出钢过程中进行炉渣改质。控制包渣中w(FeO+MnO)渣碱度渣碱度R2.5,避免钢水回磷并在出钢过程中进行避免钢水回磷并在出钢过程中进行Si-Mn 脱氧。脱氧。LF 炉内进行白渣精炼,控制炉渣碱度炉内进行白渣精炼,控制炉渣碱度 R 3.5，渣中，渣中w(Al2O3)=25%30%;渣中渣中 w(FeO+MnO)1.0%(最好小于最好小于0.5%),实现炉渣对钢水的扩散脱氧。同时完成脱硫的工艺任务。实现炉渣对钢水的扩散脱氧。同时完成脱硫的工艺任务。白渣精炼后白渣精炼后,喂入喂入 Si-Ca 线线,对夹杂物进行变性处理。控制钢中夹杂物成分对夹杂物进行变性处理。控制钢中夹杂物成分,保证保证w(Al2O3)25%。冶炼轴承钢等超低氧钢时冶炼轴承钢等超低氧钢时(w(T.O)Nm,则脱氮则脱氮,反应为液相传质速率,呈表观一级反应。当反应为液相传质速率,呈表观一级反应。当N Nm时时,则吸氮,反应界面反应速率为二级表观反应。脱氮则吸氮,反应界面反应速率为二级表观反应。脱氮(或吸氮或吸氮)为界面反应,因此,表面活性元素为界面反应,因此,表面活性元素S、O的存在,会明显降低脱氮速度。的存在,会明显降低脱氮速度。4.2.2 4.2.2 超低氮钢的冶炼超低氮钢的冶炼冶炼超低氮钢主要依靠真空脱气。但真空脱氮效率不高，对于冶炼超低氮钢主要依靠真空脱气。但真空脱氮效率不高，对于RH生产生产w(N)30 10-6的超低氮钢有很大的困难。采用以下措施的超低氮钢有很大的困难。采用以下措施,有利于提高真空脱有利于提高真空脱N效率。效率。提高钢水纯净度提高钢水纯净度,降低钢降低钢S、O含量；含量；改善改善RH真空密封结构真空密封结构,防止大气中防止大气中N2向钢水渗透、扩散；向钢水渗透、扩散；喷吹还原气体喷吹还原气体(如如 H2)有利于提高脱碳速度；有利于提高脱碳速度；喷吹细小喷吹细小Fe2O3粉末,有利于真空脱氮。粉末,有利于真空脱氮。由于真空脱氮的效率不高,因此,超低氮钢的冶炼必须从炼钢全流出发由于真空脱氮的效率不高,因此,超低氮钢的冶炼必须从炼钢全流出发,综合采取以下措施综合采取以下措施:(1)提高转炉脱碳强度提高转炉脱碳强度,保持炉内微正压。用保持炉内微正压。用CO洗涤钢水洗涤钢水,实现脱实现脱N2；(2)改善终点操作改善终点操作,提高终点脱碳速度和终点命中率提高终点脱碳速度和终点命中率,减少倒炉次数；减少倒炉次数；(3)沸腾出钢沸腾出钢,防止钢水吸氮防止钢水吸氮;(4)真空下进一步降低真空下进一步降低S、O含量含量,采取措施提高真空脱氮的效率；采取措施提高真空脱氮的效率；(5)完善精炼钢水的保护浇注完善精炼钢水的保护浇注,避免二次吸氮。避免二次吸氮。采用上述工艺采用上述工艺,可生产可生产w(N)20 10-6的超低氮钢。的超低氮钢。石油管线钢石油管线钢,一般要求一般要求 600700 MPa的强度。为了满足石油、天然气的输送,除要求具有高的强度和韧性外的强度。为了满足石油、天然气的输送,除要求具有高的强度和韧性外,还要求具有良好的抗还要求具有良好的抗 HIC(氢致裂纹氢致裂纹)和抗和抗 SSCC(硫应力致裂纹硫应力致裂纹)的能力。为了满足石油管线钢的上述性能要求,使超低硫钢的生产工艺迅速发展。目前,大工业生产中已可以稳定生产的能力。为了满足石油管线钢的上述性能要求,使超低硫钢的生产工艺迅速发展。目前,大工业生产中已可以稳定生产w(S)1010-6的超低硫钢。的超低硫钢。4.3 4.3 超低硫钢的冶炼超低硫钢的冶炼转炉大量生产超低硫钢,应包括铁水脱硫、转炉精炼和钢水精炼三个基本工序。根据生产钢种是否需要真空处理转炉大量生产超低硫钢,应包括铁水脱硫、转炉精炼和钢水精炼三个基本工序。根据生产钢种是否需要真空处理,可进一步划分为可进一步划分为 LF 炉精炼和真空喷粉精炼两大类。具体生产流程和操作指标详见图炉精炼和真空喷粉精炼两大类。具体生产流程和操作指标详见图1。4.3.1 4.3.1 转炉超低硫钢的生产工艺转炉超低硫钢的生产工艺图1 超低硫钢的生产工艺在超低硫钢生产过程中在超低硫钢生产过程中,转炉精炼至关重要。由于兑入铁水硫含量极低转炉精炼至关重要。由于兑入铁水硫含量极低(3010-6),转炉一般为增硫过程。如何控制转炉终点硫转炉一般为增硫过程。如何控制转炉终点硫5010-6,是冶炼超低硫钢的技术关键。通常采用以下措施是冶炼超低硫钢的技术关键。通常采用以下措施:(1)适当增大铁水比并采用低硫清洁废钢作冷却剂适当增大铁水比并采用低硫清洁废钢作冷却剂;(2)采用高碱度炉渣采用高碱度炉渣,控制渣中控制渣中w(FeO)20%;(3)准确命中终点准确命中终点,避免钢水过氧化避免钢水过氧化;(4)挡渣出钢并在出钢过程中进行炉渣改质挡渣出钢并在出钢过程中进行炉渣改质,防止回硫。防止回硫。电炉冶炼超低硫钢电炉冶炼超低硫钢,需要对炉料进行调整。采有直接还原铁代替部分废钢需要对炉料进行调整。采有直接还原铁代替部分废钢,保证电炉出钢硫保证电炉出钢硫w(S)0.02%,是关键环节。电炉超低硫钢生产工艺流程与操作指标是关键环节。电炉超低硫钢生产工艺流程与操作指标,详见图详见图 2。4.3.2 4.3.2 电炉超低硫钢的生产工艺电炉超低硫钢的生产工艺图 2 电炉超低硫钢的生产工艺与控制指标回顾回顾 20 世纪炉外精炼工艺技术的诞生和发展历史,可以预言：在世纪炉外精炼工艺技术的诞生和发展历史,可以预言：在 21 世纪世纪,炉外精炼作为最重要的炼钢生产工序炉外精炼作为最重要的炼钢生产工序,将会得到进一步地发展。新世纪炉外精炼技术的发展趋势表现为：将会得到进一步地发展。新世纪炉外精炼技术的发展趋势表现为：(1)真空精炼技术将会更普遍地应用,进一步提高钢水真空精炼的比例。随着钢材纯净度的日益提高,要求真空处理的钢种逐渐增多,真空精炼技术的应用将更加普遍。最近,日本新改建的面向真空精炼技术将会更普遍地应用,进一步提高钢水真空精炼的比例。随着钢材纯净度的日益提高,要求真空处理的钢种逐渐增多,真空精炼技术的应用将更加普遍。最近,日本新改建的面向21 世纪的炼钢厂已明确提出世纪的炼钢厂已明确提出:全部钢水全部钢水100%进行真空处理的发展目标。因此进行真空处理的发展目标。因此,21 世纪真空冶金和真空精炼技术将会进一步发展。世纪真空冶金和真空精炼技术将会进一步发展。(2)炉外处理设备将实现炉外处理设备将实现“多功能化多功能化”。在一台钢水精炼设备中将渣洗精炼、真空冶金、搅拌与喷粉工艺以及加热控温功能全部组合起来,实现多功能精炼,以满足超纯净钢生产的社会需求。在一台钢水精炼设备中将渣洗精炼、真空冶金、搅拌与喷粉工艺以及加热控温功能全部组合起来,实现多功能精炼,以满足超纯净钢生产的社会需求。5 5、炉外精炼技术的发展趋势、炉外精炼技术的发展趋势(3)炉外精炼工艺进一步实现高效化和高速化。目前,转炉和连铸工艺的发展均以高速化为目标,采用高速吹炼和高拉速工艺,提高设备的生产效率炉外精炼工艺进一步实现高效化和高速化。目前,转炉和连铸工艺的发展均以高速化为目标,采用高速吹炼和高拉速工艺,提高设备的生产效率,加快生产节奏加快生产节奏,缩短生产周期。在此条件下缩短生产周期。在此条件下,精炼往往成为炼钢生产流程中的精炼往往成为炼钢生产流程中的“瓶颈瓶颈”。特别是。特别是LF工艺,受升温速度的限制,生产节奏已很难适应高效转炉或高速连铸的要求。因此,如何进一步提高炉外处理设备的加热功率和精炼速度,缩短精炼周期,将是工艺,受升温速度的限制,生产节奏已很难适应高效转炉或高速连铸的要求。因此,如何进一步提高炉外处理设备的加热功率和精炼速度,缩短精炼周期,将是21世纪炉外处理工艺发展的重要课题。世纪炉外处理工艺发展的重要课题。(4)在线配备快速分析设施。在线配备快速分析设施。21 世纪对钢材成分的控制将更加严格世纪对钢材成分的控制将更加严格,炉外精炼作为最终钢水成分控制的工序炉外精炼作为最终钢水成分控制的工序,为缩短精炼周期为缩短精炼周期,需在线配备快速分析设备需在线配备快速分析设备,实现数据联网实现数据联网,减少等待时间。减少等待时间。(5)实现炉外精炼工艺的智能化控制。主要内容包括实现炉外精炼工艺的智能化控制。主要内容包括:准确预报钢水精炼的终点成分与温度准确预报钢水精炼的终点成分与温度,选择最佳的精炼工艺并利用计算机控制精炼过程中吹选择最佳的精炼工艺并利用计算机控制精炼过程中吹O2、搅拌、加料、合金调整与钢水加热和温度控制等操作。、搅拌、加料、合金调整与钢水加热和温度控制等操作。欢迎各位领导、专家批评指正
