无氟预熔LF精炼渣的开发与应用研究.docx

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1、无氟预熔LF精炼渣的开发与应用研究第41卷第10期2006年10月钢铁IronandSteelVol.41,No.10October2006无氟预熔LF精炼渣的开发与应用研究潘贻芳1,凌遵峰1,王宝明1,李树庆1,王振峰2(1.天津钢铁股份有限公司,天津300301;2.郑州大学材料科学与工程学院,河南郑州450052)摘要:为了避免有氟渣的氟污染问题,结合炉渣基础理论,设计开发出了CaO2Al2O32MgO2SiO2系无氟精炼渣。精炼渣的工业应用表明,该渣能知足BOF2LF2CC工艺生产石油套管钢(37Mn5、34Mn5)的要求,钢管的实物质量到达美国石油行业API.5CT标准,并可使LF精

2、炼操作时间由42min缩短到35min,为高效生产和快节拍奠定了基础。与常规有氟渣相比,避免了氟污染问题,且到达了脱氧、脱硫效果好,精炼初期成渣快、发泡埋弧效果好及包衬侵蚀较轻的目的。关键词:LF;无氟精炼渣;脱硫中图分类号:TF111.173文献标识码:A文章编号:04492749X(2006)1020023204DevelopmentandApplicationofLFRefiningPre2MeltedSlagWithoutCaF2PANYi2fang1,LINGZun2feng1,WANGBao2ming1,LIShu2qing1,WANGZhen2feng2(1.TianjinIro

3、nandSteelCo.,Ltd.,Tianjin300301,China;2.DepartmentofMaterialScienceandEngineering,Zhengzhou450052,Henan,China)Abstract:Inordertoavoidthefluorinepollution,theLFrefiningpre2meltedCaO2Al2O32MgO2SiO2slagwithoutCaF2wasdevelopedbasedonthemoltenslagtheory.Theindustrialpracticeshowedthattheslagwassuitablefo

4、rtheBOF2LF2CCroutetoproduceoil2wellpipesteelsuchas37Mn5and34Mn5,etc,accordingtothestandardofAPI.5CTofUSA,andtheoperationperiodofLFrefiningwasdecreasedfrom42minto35min,establishingthefoundationofhighefficiencyproductionandshortproductioncycle.Meanwhiletheslag,comparedwiththeslagwithCaF2,hasgoodproper

5、tiesfordesulphurization,deoxidation,andarcsubmerging,quickslagformingatthebe2ginningofrefiningandfoaming,aswellastheadvantagesoflowerliningerosionandnopollutionoffluorine.Keywords:ladlefurnace;refiningslagwithoutCaF2;desulphurization作者简介:潘贻芳(19612),男,博士,教授级高级工程师;E2mail:tgpyf文档视界2022/2f826477b4daa58d

6、a0114afct2gbdk0i4uu.html;修订日期:2006202123目前,复吹转炉2钢包精炼(含喂线)2连铸已成为优质钢生产的主导流程之一,尽管LF精炼炉是保证钢水干净程度所不可缺少的关键性环节,因其冶炼周期相对较长,也是限制生产效率的瓶颈环节。对转炉炼钢而言,在出钢经过中带有相当量的高硫、高氧化性的转炉终渣进入钢包,因而,怎样结合品种和详细的生产操作,从脱硫、吸收夹杂、埋弧稳弧、减少精炼包衬侵蚀及环保等角度考虑,采用适当的精炼渣和造渣制度在BOF2LF2CC工艺中是至关重要的。本文报道了无氟LF精炼渣的开发和在天钢BOF2LF2CC工艺生产石油套管钢(34Mn5、37Mn5)等钢

7、种的工业化生产应用效果。1渣系的设计和确定1.1基本渣系的选择传统上LF精炼所用渣系大多采用以CaO2CaF2为基的渣系,由于这种渣系中CaF2含量较高导致炉渣对炉衬的侵蚀严重,也不可避免地产生氟污染。为此,笔者开发LF精炼渣时,选择以CaO2Al2O3为基的无氟渣系。由文献及CaO2Al2O3相图可知1,2:CaO与Al2O3能够构成C12A7的低熔点化合物。这种化合物具有的多孔疏松构造使其便于熔解,并可作为渣中其它组分熔化的熔剂,使精炼渣总体的熔点下降。MgO是一个抑制镁质耐火材料侵蚀的重要成分,从减轻熔渣对包衬的侵蚀角度考虑,在成分设计时,要求渣中应含有一定量的MgO。尽管BaO是近几年

8、兴起的脱硫、脱磷原料,但从资源效率和成本角度还有很多待研究的问题,在基渣设计时并未考虑。综合以上因素,初渣料考虑CaO2Al2O32SiO22MgO为基,主矿相为C12A7的四元渣系。钢铁第41卷1.2精炼渣基本功能和成分之间的定量关系设计精炼渣时重点考虑炉渣成分与如下基本功能之间的关系:脱硫能力;脱氧并吸附钢中非金属夹杂物,净化钢液;起泡埋弧以减少热损失和防止钢水吸气的能力;较低的熔点和较高的熔化速度;对包衬的侵蚀力较低。1.2.1精炼渣脱硫能力与成分之间的定量关系对CaO2Al2O32SiO22MgO渣系的LS值进行热力学计算及实验结果表明3,当钢中w(Al)为0103%,温度为1600,

9、脱硫渣的组成为w(CaO)60%70%,w(Al2O3)20%30%,w(SiO2)5%10%时,LS可达500700,硫的分配系数和硫容量间存在下列关系1:lgw(S)/w(S)=-770T+1.30+lgCS-lgaO(1)炉渣的脱硫能力与成分之间的定量关系能够用式(1)计算,渣的硫容量CS可根据下列渣2钢间的平衡反响来衡量:S+(O2-)=(S2-)+O(2)lgCS=1216-12.3(3)=XAA+XBB+(4)由式(1)(4)可见,渣的硫容量取决于渣的组成,渣的脱硫能力是光学碱度、温度和钢水氧化性aO的函数。1.2.2精炼渣吸附夹杂物特性与其成分的关系钢液脱氧不仅要考虑降低钢液中的

10、溶解氧,还应考虑钢液中脱氧产物的去除。因而,设计精炼渣时要求精炼渣有一定的脱氧作用,同时还能够吸收脱氧产物,使脱氧产物容易从钢液中排除,到达降低钢液中全氧含量的目的。炉渣成分和脱氧之间的关系已有大量研究,脱氧和吸附夹杂物的特性与精炼渣的定量关系能够用式(5)得到4:w(TO)=-744.17+2138.39-1465.142(5)1.3减少热损失和防止钢水吸气的能力LF钢包精炼渣的泡沫埋弧作用,不仅有利于减少裸弧造成的热损失和对包衬的辐射,起到减少热损失和提高包衬寿命的作用,而且泡沫渣还能有效防止钢水吸气。适宜的熔渣组成、适宜的物性是气2渣能充分乳化、熔渣能储泡的关键。因而,基于熔渣成分对熔渣

11、物性的影响,熔渣物性对其储泡能力影响分析,设计出具有稳定储泡能力的成分。对于熔渣的发泡性能有不同的衡量方法,文献5,6给出了光学碱度与起泡指数回归关系式,指出当光学碱度小于0.76时,起泡指数随光学碱度的提高而增大;而光学碱度大于0.76时,起泡指数随光学碱度的提高而减小;光学碱度在0.76左右时,起泡指数到达最大值。当设计渣系中无CaF2时,将文献5回归关系式中CaF2项影响系数取为零,则发泡指数与光学碱度的关系变为:=-79.56+230.50-0.266w(Al2O3)-162.802+0.348w(Al2O3)+0.1410-3w(Al2O3)(6)根据以上精炼渣的脱硫、去氧、发泡能力

12、与光学碱度的关系分析,将式(1)(6)联立,并将钢水中硫含量、全氧含量、白渣等作为约束条件,可建立非线性优化方程组,采用MATLAB6.5对方程求解,能够确定LF精炼终渣控制的目的成分。由于BOF2LF2CC工艺本身的特点所限,转炉出钢时不可避免地带出大量高SiO2、FeO转炉终渣,再加上锰合金的脱氧产物,到LF工位前,钢包顶渣的(MnO+FeO)含量远高于精炼对渣的性能要求,在设计精炼渣的基本成分时必须考虑到工艺和操作连续性,将转炉出钢作为LF精炼造渣的起点来考虑。根据LF精炼终渣成分,再结合脱氧产物及其生成量、转炉下渣的情况及活性石灰等渣料的参加量,算出精炼初渣料的成分。为了提高熔化速度和

13、渣洗的冶金效果,并且避免岗位粉尘,采用电熔法生产初渣料(称为预熔精炼渣)。这样能够减轻LF化渣和精炼负担,缩短LF的冶炼时间,能够解决工艺中LF精炼时间长造成的生产衔接不顺畅的瓶颈问题。表1是新开发的预熔精炼渣和LF精炼终渣控制的目的成分。2预熔精炼渣的应用效果2.1工艺流程生产应用钢种为34Mn5、37Mn5石油套管钢,其主体工艺流程为BOF(120t)2LF(120t)2CC(六机六流圆坯)。表1预熔精炼渣与LF精炼终渣目的成分Table1Chemicalcompositionofpre2meltedrefiningslagandLFendslag%成分w(CaO)w(SiO2)w(Al2

14、O3)w(MgO)w(FeO)+w(MnO)其它预熔渣4248第10期潘贻芳等:无氟预熔LF精炼渣的开发与应用研究2.2精炼渣参加量及参加方式在转炉工位和精炼工位分别参加精炼渣:在转炉出钢时向钢包参加量为(31)kg/t,并根据钢的品种和出钢状况增减;在LF造渣时参加量为(41)kg/t。2.3脱氧、合金化及精炼造渣原料脱氧剂及合金化材料:铝线、CaC2、碳粉、Si2Fe、Mn2Fe,夹杂物改性用CaSi线。LF渣料用量:LF精炼渣35kg/t,活性石灰7.08.5kg/t。2.4精炼渣的使用效果为评价预熔精炼渣和LF精炼造渣综合指标能力,考察了30余炉钢精炼经过,分析检验了有代表性炉次的精炼

15、效果。2.4.1精炼渣对生产工序衔接的影响表2给出了采用无氟精炼渣与常规含氟混合渣时主要工序时间的比照情况。从表2能够看出采用预熔精炼渣明显缩短精炼工序时间,平均缩短6.4min。与电炉冶炼工艺相比,转炉出钢时不仅很难做到无渣出钢而且转炉工艺生产节拍快,钢水的氧化性不好控制,脱硫脱氧条件不好,精炼造渣比拟困难。另外,为了更好地解决BOF2LF2CC工艺的炉机匹配问题,知足高效连铸对浇次数的要求,精炼工序时间缩短,无疑将为加快生产节拍、提高品种钢的产量和提高连浇炉数等奠定基础。2.4.2预熔型LF精炼渣的发泡埋弧效果泡沫渣埋弧效果是评价精炼渣改善LF电弧传热、延长炉衬寿命、提高热效率的主要指标。

16、在工业现场试验中,为研究基渣的物性参数对熔渣储泡能力的影响,实测钢包内熔渣液面上涨最终稳定的厚度与原始渣层厚度,用两者之差值与原始渣层厚度之比的百分数定义为发泡幅度,以评价炉渣的起泡埋弧效果。图1是用预熔精炼渣与常规含氟混合渣的发泡效果散点比照图。从图1能够看出,采用预熔精炼渣的发泡埋弧效果明显优于不采用预熔精炼渣的发泡埋弧效果。表2采用无氟精炼渣与常规渣时主要工序时间的比照情况Table2Comparisonofrefiningtimeusingrefiningslagwith2outCaF2andtraditionalslag%经过时间/min平均值最大值最小值标准偏差转炉冶炼周期34.3

17、044.2329.512.73LF进站至出站不用预熔精炼渣42.2073.2630.3122.30用预熔精炼渣35.8058.4131.2810.50连铸浇铸周期47.0054.0043.002.01图1预熔无氟精炼渣与常规渣的发泡效果比照Fig.1SlagFoamingofpre2meltedrefiningslagwithoutCaF2andtraditionalslag2.4.3吸收钢中非金属夹杂物的能力钢坯中夹杂物情况见表3。从表3看出,使用精炼渣钢中各类夹杂物级别均减小,夹杂物总级别由原来的平均3.80级,降低到平均2.08级,且均小于3级,其中不大于2级的炉数占总炉数的65%;B类

18、(Al2O3)夹杂均小于1级;C类(硅酸盐)夹杂均小于0.5级,其中75%的炉次钢中无硅酸盐夹杂;D类(球状氧化物)夹杂均小于1级;A类(硫化物)夹杂均小于1.5级,较原操作有所改善。2.4.4精炼渣脱硫、脱氧效果冶炼经过中LF工位炉渣成分变化统计表明,炉渣成分控制稳定,终渣成分基本上与设计成分一致,炉渣中w(S)较高,到达0.93%,实际渣钢硫分配系数达146,讲明此渣脱硫能力较好。表4是钢水氧含量及硫含量情况。表3钢坯中夹杂物情况Table3Informationofinclusionsinbillets夹杂物种类ABCD合计平均1.030.400.130.532.08最大1.501.00

19、0.501.003.00最小00000.50标准偏差0.300.200.300.260.80含氟渣平均1.341.230.510.723.80表4钢水中氧含量及硫含量变化情况Table4Changesofsulfurandoxygencontentinmoltensteel项目w(O)/10-6转炉终点w(S)/%精炼前w(S)/%成品w(S)/%总脱硫率/%平均12.660.0150.0110.00564.6最大19.200.0230.0170.01081.8最小8.400.0120.0070.00240.0标准偏差5.600.0080.0080.00218.6原操作(平均)23.750.0

20、0544.6(下转第28页)?52?钢铁第41卷合氧化物形核、生长,将易变形、不稳定的MnS变成稳定的复合夹杂物,新工艺操作中大颗粒夹杂物充分上浮至钢渣中,进而有效改善了夹杂物的特性。降低钢中硫等杂质含量,进而减少了钢中塑性夹杂物MnS,一方面提高了钢板的外表质量,另一方面提高了钢的力学性能。参加合金元素锆并通过新技术冶炼对钢中剩余夹杂物进行有效的变质,将大颗粒、不规则形状、集中分布的夹杂物改变成小颗粒、圆形或近圆形、弥散分布的夹杂物,不仅使HSLA钢具有良好的力学性能,尤其是冲击韧性、断裂韧性可大幅度提高,而且力学性能各向异性程度显著降低,这一特性对于要求钢板横向性能的钢构造如桥梁、船板用钢

21、等尤为重要。杂质含量的降低和对夹杂物的变质可提高钢的焊接性能及成型性能46。经过变质的细小稳定的第二相质点可促使焊接热影响区中针状铁素体的构成,这种互锁的针状铁素体组织具有优良的综合力学性能。因此降低钢中杂质含量及对钢中不可消除的剩余夹杂物进行变质显得非常重要。3结论经过反复探索,改良了武钢第二炼钢厂冶炼及连铸经过中一些工艺,构成了一套自主操作技术,生产的锆处理HSLA钢中杂质含量大幅度降低,钢板外表质量合格率及性能合格率显著提高。参加合金元素锆并通过新技术生产的高强度中厚板钢中夹杂物得到了有效的变质。传统钢中大颗粒、不规则形状、集中分布的夹杂物改变成细小、圆形或近圆形、弥散分布的夹杂物,使钢

22、的力学性能,尤其是冲击韧性及断裂韧性明显提高。参考文献:1TakamuraJ.RolesofOxidesinSteelsPerformanceMetallurgyofOxidesinSteelsA.Proceedingsofthe6thInternationalI2ronandSteelCongressC.1990.5912597.2HamadaM.MicrostructureandPrecipitationBehaviorinHeatAffectedZoneofC2MnMicroalloyedSteelContainingNb,VandTiJ.ISIJInternational,1995,3

23、5(10):119621202.3HeK.ZrContainingPrecipitatesinaTi2NbMicroalloyedHS2LASteelContaining0.016%ZrAdditionJ.MaterialScienceandEngineering,1996,215:57266.4MabuchiH.RoleofMnDepletioninIntra2GranularFerriteTransformationintheHeatAffectedZoneofWeldedJointsWithLargeHeatInputinStructuralSteelsJ.ISIJInterna2tio

24、nal,1996,36(11):140621412.5陈颜堂.大线能量焊接用钢模拟热影响区的组织与性能J.金属热处理,2005,30(9):19223.6CHENYan2tang.MicrostructureandInclusionCharacteriza2tionintheSimulatedCoarse2GrainHeatAffectedZoneWithLargeHeatInputofaTi2Zr2MicroalloyedHSLASteelJ.Ac2taMetallurgicaSinca,2005,18(2):962106.(上接第25页)2.5使用精炼渣生产石油套管钢的质量采用本文所述的精

25、炼渣及工艺生产出的产品,整批化学成分均匀稳定波动小,磷、硫等有害元素以及气体含量到达了要求。经低倍检验证实,圆坯的裂纹、缩孔、夹杂、疏松、偏析和干净度及圆坯的外表质量等均知足用户要求。无缝钢管的伸长率、抗拉强度、屈从强度等性能指标均到达美国石油行业API.5CT标准要求。另外,笔者开发的无氟精炼渣,已先后应用到轨枕专用钢、管桩用钢、冷镦专用钢等钢种的冶炼中。3结论(1)经过天钢的生产使用,无氟预熔精炼渣合适天钢的生产工艺,LF精炼初期成渣快,熔化及发泡效果好,对包衬侵蚀较轻。精炼操作时间缩短到35min,为加快生产节拍和提高品种钢的产量及提高连浇炉数等奠定了基础。(2)新型精炼渣的开发及成功应

26、用,表明其完全能够知足石油套管(37Mn5、34Mn5)等钢种的生产需要,通过产品质量分析,钢的实物质量水平到达美国石油行业API.5CT标准要求。(3)由于其精炼渣本身无氟的特点,没有对人体有害的氟污染,为清洁生产创造了有利条件。参考文献:1张鉴.炉外精炼的理论与实践M.北京:冶金工业出版社,1999.2CHENJun2feng.StudyofOptimalCompositionofPre2meltedRefiningSlaginLadleFurnaceJ.JournalofMaterialandMetallurgy,2003,2(3):1732176.3Ishii文档视界2022/2f82

27、6477b4daa58da0114afct2gbdk0i4uu.htmldleRefiningProcessforAlloyedOilCountryTubu2larGoodsatNipponKokanJ.IronandSteelmaker,1983,(7):35238.4李阳.CaO2Al2O3基精炼渣对钢液脱氧的影响J.钢铁研究学报,2002,14(5):12215.5兰杰.CaO2Al2O32CaF22SiO22MgO五元精炼渣系的起泡性能J.钢铁研究学报,1999,11(2):14218.6HaddockJ.NewMgO2CaOBasedReagentforLadleTreatmentofSteelJ.IronmakingandSteelmaking,1994,21(6):4791.?82?