（冶金工程专业论文）钢包渣改性工艺的研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 钢包渣改性工艺的研究 摘要 本文结合本钢工艺设备的特点，针对生产过程中存在的炼钢原材料质量不能 完全满足炼钢生产的要求，转炉冶炼过程回硫比较明显，炼钢终点硫含量较高以 及高氧化性炉渣进入钢包中对精炼操作和钢材质量带来诸多的不利影响等问题， 在分析国内外有关钢包渣改性工艺方面研究的基础上，进行了以提高钢水出钢过 程的脱硫率、降低钢包中熔渣的氧化性、提高钢水质量、降低生产成本为目的的 钢包渣改性工艺研究和现场实践，并获得了如下结果： i 、进行钢包渣改性处理的炉次，在出钢过程脱硫率平均为2 7 4 6 ，最高达 到5 4 8 5 。与使用合成渣、正常炉次相比脱硫率分别提高1 1 7 1 、4 2 4 。 2 、进行钢包渣改性处理的炉次，钢包中熔渣m n o 含量与使用合成渣的炉次 基本相近，较正常炉次降低1 7 9 ，钢包中熔渣f e o 平均含量较使用合成渣、正 常炉次分别降低1 1 1 和8 ，5 2 。精炼前熔渣f e o 含量最低为1 3 ，为l f 炉精 炼脱硫创造了良好的还原性条件。 3 、在改善l f 炉精炼工艺条件方面，进行钢包渣改性处理的炉次与不进行改 性处理的炉次相比，平均精炼过程铝消耗量降低7 8 9 2k 炉；精炼处理周期平均 缩短2 3 7 5 m i n ，同时钢包包衬、l f 炉炉盖、电极等耐材消耗和电耗等大大降低。 为高附加值钢种的开发，并形成一定生产规模，降低精炼工序的生产成本创造了 有利的条件。 4 、进行钢包渣改性处理的炉次连铸坯平均含氧量较使用合成渣、正常炉次分 别降低2 4 2 5 1 0 。b 、2 8 7 5 1 0 击。中间包钢水t o 含量，进行钢包渣改性处理的 炉次与正常不进行改性处理的炉次相比平均降低2 6 1 0 6 ，这对提高钢液的纯净 度，提高钢材质量十分有利。 关键词钢包渣改性处理脱硫脱氧 东北大学硕士学位论文b s t r a c t s t u d yo nt h ep r o c e s sf o rc h a n g el a d l es l a gp r o p e r t i e s i nt h i st h e s i s ，a n a l y z i n ga n dc o n s u l t i n gs o m ed o m e s t i ce x p e r i e n c e ，t h ea u t h o r m a d es o m es t u d i e sa n dt r i a l so nl a d l e s l a gp r o p e r t yc h a n g i n g ，c o m b i n e dt h e s p e c i f i c a t i o n so f t h ef a c i l i t i e si nb e n x ii r o n & s t e e lc o l t d ，w i t ht h ep r o b l e m se x i s t i n g i nt h ep r o c e s sa b o u ts t e e lm a k i n gi ni t ss t e e lm a k i n gp l a n t ，s u c ha s ：t h eq u a l i t yo f t h e r a wm a t e r i a lc o u l dn o tm e e tt h er e q u i r e m e n to f t h ep r o d u c t i o n ；t h es u l f u r - r e t u r nw a s m a r k e d l yd u r i n gb o fp r o c e s s ；t h es u l f u rc o n t e n ta tt h ee n do fb l o ww a sn i g h ；h i g h o x i d a t i v ec o n v e r t e rs l a ge n t e r i n gi n t ot h el a d l et a k e sd i s a d v a n t a g eo ft h er e f i n i n g p r o c e s sa n dt h eq u a l i t yo ft h es t e e lp r o d u c t se t c t h ea i mo ft h e s ea c t i o n sa r et o i n c r e a s et h ed e - sr a t ed u r i n gt a p p i n g ；d e c r e a s et h eo x i d b i l l i t yo f t h es l a gi nt h el a d l e ； i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h el i q u i ds t e e l ；r e d u c et h ec o s to ft h ep r o d u c t i o na n ds oo n t h eo b t a i n e dr e s u l t sw e r ea sf o l l o w ： 1 d u r i n gt a p p i n g ，t h ed e s u i f u r i z a t i o nr a t eo f t h eh e a t sw i t hl a d l es l a gp r o p e r t y c h a n g i n gt r e a m a e n tw a sa r o u n d2 7 4 6 ，t h em a x i m u mw a s5 4 8 5 c o m p a r e dw i t h t h eh e a t st h a tu s es y n t h e s i z e ds l a ga n d , n o r m a lh e a t s ，t h ed e s u l f u r i z a t i o nr a t eo f t h e m i n c r e a s e d11 7 1 a n d4 2 4 r e s p e c t i v e l y 2 ，f o rt h eh e a t s 、v i t hl a d l es l a gp r o p e r t yc h a n g i n gt r e a t m e n t t h em n oc o n t e n t i nl a d l es l a go fi tw a sn e a r l ya ss a m ea st h eh e a t sw h i c hu s e ds y n t h e s i z e ds l a g ，a n d w i t h l 7 9 l o w e r t h a n n o r m a l h e a t s ；t h e f e o c o n t e n t i n l a d l es l a g o f i t w a s l 1 l a n d 8 5 2 l o w e rt h a nt h o s ew h i c hu s e ds y n t h e s i z e ds l a ga n dn o r m a lh e a t sr e s p e c t i v e l y b e f o r er e f i n i n g ，m i n i m u m ( f e o ) i nm e l t i n gs l a gi s1 3 ，i tc r e a t e dab e t t e rr e d u c t i v e c o n d i t i o nf o rl ft od e s 3 r e g a r d i n gt h ec o n d i t i o n sf o ri m p r o v i n gl fr e f i n i n g ，c o m p a r e dw i t ha n d w i t h o u tl a d l es l a gp r o p e r t yc h a n g i n gt r e a t m e n t ，t h ea v e r a g ea l u m i n u mc o n s u m p t i o n d u r i n gp r o c e s sw a sl o w e r7 8 9 2k g h e a t s ；t h et r e a t m e n tc y c l et i m ew a sr e d u c e d a v e r a g e2 3 7 5 m i n ；a tt h es a m et i m e ，t h er e f r a c t o r yc o n s u m p t i o nf o rl a d l el i n i n g ，l f c o v e r , a n de l e c t r o d e se t c w e r ea l lr e d u c e de n o r m o u s l y a l lt h e s ea b o v eg i v eag r e a t b e n e f i tt ot h ed e v e l o p m e n to fh i g hv a l u e a d d e ds t e e lg r a d e s ，f o r mac e r t a i ns c a l e p r o d u c 茁o n a n d r e d u c e t h e c o s t o f r e 矗n i n g s e q u c a c e i i i 东北大学硕士学位论文b s t r a c t 4 f o rt h eh e a t sw i t 1l a d l e s l a gp r o p e r t yc h a n g i n gt r e a t m e n t ，t h ea v e r a g e o x y g e nc o n t e n ti nt h ec a s t i n gs l a bw - a s2 4 2 5 1 0 。6a n d 2 8 7 5 1 0 4l o w e rc o m p a r e d 、撕mt h eh e a t sw i t hs y n t h e s i z e ds l a ga n dn o r m a lh e a t sr e s p e c t i v e l y c o m p a r e dw i t h a n dw i t h o u tl a d l es l a gp r o p e r t yc h a n g i n gt r e a t m e n t ，t h et o 】i nt u n d i s hw a sa v e r a g e l o w e r2 6 1 0 。0 t h i st a k e sag r e a ta d v a n t a g ef o ri n c r e a s i n gt h ec l e a n n e s so f t h e l i q u i d s t e e la n dw a sb e n e f i tf o ri m p r o v i n gt h eq u a l i t yo ft h es t e e lp r o d u c t s k e yw o r d s ：l a d l es l a g ，p r o p e r t yc h a n g i n gt r e a t m e n t ，d e s u l f u r i z a t i o n ( d e s ) ， d e o x i d i z a t i o n ( d e - 0 、 i v 东北大学硕士学位论文 声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中所得到的研究 成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所 做的任何贡献已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：关迫 日期：洲3 矿7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早三百1 ：匕 1 1 论文的背景及其意义 本钢炼钢厂自1 9 9 8 年开始进行了大规模的技术改造，相继建成并投入使用 了镁基脱硫铁水予处理，r h 、a h f 、l f 等精炼装置，大板坯连铸等具有世界 先进水平的炼钢设备。并于2 0 0 1 年对炼钢系统进行了转炉自动化改造。主体设 备基本具备了国内先进炼钢厂的水平。随着设备装机水平的提高，本钢集团公 司提出了建设“精品板材基地”的发展目标。将i f 钢、高档次管线钢等高附加 值钢种定位为本钢的主导产品的发展方向。因此本钢炼钢厂的产品结构发生了 很大的变化，由原来以生产普通碳素结构钢为主，向生产以i f 钢为代表的低硅 铝镇静钢、以x t 0 为代表的优质低合金钢等钢钟转变，先后试制开发了x s t l 3 、 x s t l 4 、x s t l 5 、b g i f 、h p 2 9 5 、b g 5 1 0 l 、b g 3 8 0 c l 、s p a h 、x 6 0 、x 6 5 、x 7 0 、 j 5 5 等钢种。同时随着钢丰才市场的激烈竞争，市场又对钢材的品种、质量提出 了较高的要求。为适应公司开发新产品的要求和满足市场对高质量钢材的需求。 必须在提高钢材质量方面多做工作。，为此，要根据本钢的实际特点，围绕着工 艺技术进步和品种开发进行细致的基础技术研究工作。 本钢虽然进行了较大规模的技术改造，但是在炼钢原材料方面依然不能完 全满足炼钢生产的要求，转炉冶炼过程回硫问题比较明显，炼钢终点硫含量较 高，同时受到精炼能力的影响，不能完全满足钢种要求。另外，钢包渣对炼钢 生产和钢材质量存在诸多的不利影响，必须降低钢包渣氧化性，为精炼创造良 好的条件，即对钢包渣进行改性处理，以适应稳定炼钢生产和满足高附加值产 品开发的要求。为此，着手进行了钢包改性渣的开发与试验工作，这也成为本 论文工作的一个重要依据。 1 1 1 钢水脱硫 本钢炼钢厂拥有目前国际上先进的镁基脱硫装置，可将铁水硫含量脱至 7 l o 。6 的先进水平。但是受炼钢原材料的影响，主要是石灰、废钢质量较差， 转炉冶炼过程回硫现象比较明显。即使采用活性石灰、中包返回废钢进行冶炼， 在入转炉铁水硫含量为o 0 0 2 的条件下，炼钢终点硫含量一般为0 0 0 4 o 0 1 0 的水平。很难保证钢种的要求。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 目前本钢炼钢厂装备有l f i r 、r h t b 、a h f 等精炼装嚣，可以进行l f 炉造渣脱硫、i r 喷粉脱硫等工作。但是在钢水脱硫方面依然还存在以下几个方 面的问题： l 、目前本钢只装备一台l f i r 精炼装置，由于受生产能力的影响，不可 能对所有钢水都进行脱硫处理。因此部分钢种必须在出钢过程进行脱硫处理， 以满足钢种的质量要求。 2 、l f 炉进行脱硫处理时间一般为2 5 4 0 分钟，而进行深处理如生产石油 管线x 7 0 等低硫钢种时，正常处理时间平均为7 7 分钟。很难与连铸铸机的平 均浇钢时间2 0 3 0 分钟相适应。除了提高l f 炉操作水平外，降低l f 炉精炼 前钢水硫含量，特别是降低精炼前钢包熔渣的氧化性，是缩短l f 炉处理时间 的主要手段。因此，在本钢目前生产工艺条件下，研究转炉出钢过程的脱硫研 究是十分必要的。 1 1 2 钢包渣对炼钢生产和钢材质量的影响 高氧化性炉渣进入钢包中带来的不利影响主要有以下几方面： 1 、 由于转炉炉渣氧化性强，按照本钢目前的出钢条件，转炉渣中一般含 ( f e o ) 7 5 - 1 3 5 ，最高达2 0 以上。如此高氧化性的钢渣进入钢包势必会增 加钢水含氧量，降低合金收得率，增加钢中氧化物夹杂，影响钢材质量。 2 、含有高( p ) 、( s ) 的转炉炉渣进入钢包，出钢过程中由于脱氧产物的 增加，将降低钢渣的碱度，出现钢水回 p 】、 s 现象，也会对钢材质量带来不利 影响。 3 、在精炼过程中，尤其是在l f 炉精炼时，高氧化性炉渣大大增加了铝球 等脱氧剂的消耗，延长了精炼时间，对l f 炉的生产效率的提高和保证计划浇 次的连浇带来较大等影响，同时也造成了l f 炉电耗及电极消耗的增加。 减少转炉出钢过程的下渣量是目前降低炉渣危害的主要方法。本钢炼钢厂 先后使用挡渣帽、挡渣标、挡渣球等方法在转炉出钢过程中进行挡渣操作。并 于1 9 9 8 年从奥钢联引进了当时世界上最先进的气动挡渣装置，出钢时下渣量可 以控制在5 k 卧- 的水平。同时在1 9 9 9 年开始进行了转炉出钢前期挡渣工艺的研 究，自行研制开发了采用挡渣泥塞在上一炉出钢后将出钢口堵住，在本炉出钢 时依靠钢水净压力的作用，将炉渣从出钢口内排除后将泥塞冲开，大大降低了 转炉出钢过程的下渣量。但目前本钢炼钢厂转炉出钢过程钢包带渣量平均在一 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 吨左右。 目前通过采取各种出钢挡渣方法，均可以实现减少转炉出钢过程的下渣 量，减轻转炉炉渣危害的效果。但是无论何种挡渣方法，都不能完全消除转炉 的下渣，只是从减少钢渣数量上减轻其危害，不能从根本上解决这一问题，尤 其钢水的二次氧化、炉渣的氧化性等问题是不能靠实施挡渣操作来解决。因此， 必须寻求一种方法对进入钢包中的高氧化性钢渣进行改性处理来解决以上问 颢。 1 1 3 出钢过程的二次氧化 在现有的工艺条件下，转炉炼钢生产的出钢过程中，由于钢水从转炉到钢 包的过程中均暴露在空气中，且钢包内钢水表面无覆盖物，钢液的二次氧化是 不可避免的。由于二次氧化，增加了合金和脱氧剂的消耗。另外二次氧化反应 的产物都比较细小，难于上浮排除，而以非金属夹杂的形式留在钢中，不利于 钢材质量的提高。因此需要在转炉出钢时，在钢水表面填加一定材料将钢水覆 盖，以减少钢水的二次氧化。 综上所述，为达到实现转炉出钢过程的有效脱硫、解决高氧化性炉渣对冶 炼过程的影响、减少钢水的二次氧化、缩短精炼处理周期的目的，根据本钢的 实际工艺条件，开展钢包渣改性工艺的研究，对稳定炼钢生产、提高钢材质量、 降低炼钢成本起到了重要的作用。 1 2 本论文的主要研究内容和任务 1 2 1 主要研究内容 由于在生产过程中，存在钢水脱硫率低、钢包渣对精炼生产的影响等问题， 因此需要通过采用钢包渣改性工艺来解决。而本文研究的目的，是通过对炉渣 的理化指标、冶炼条件的分析，研究适合钢包渣改性要求的合理渣系组成及相 关工艺条件。并在此基础上，结合本钢现有的设备装备特点、工艺水平和生产 的具体问题，进一步对钢包渣改性工艺进行探讨性研究。 根据钢包渣改性工艺的冶金效果要求，钢包渣改性工艺的冶金效果应具有 阻下几部分。 ( 1 ) 出钢过程钢水脱硫率，该部分主要通过选择合理的渣系组成和确定 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 相关工艺参数，在出钢过程至钢水精炼前达到部分脱硫的目的。 ( 2 ) 进行钢包渣的改性处理，使精炼前钢包内的熔渣满足精炼工艺的要 求，实现缩短精炼时间、降低合金、材料消耗、提高钢水纯净度的目的。 ( 3 ) 根据不同工艺路径、钢种，进一步优化钢包渣改性处理工艺( 渣料 组成、加入时机、加入量、吹氩搅拌等工艺参数) ，使“铁水脱硫转炉复吹挡 渣钢包渣改质l f 或r h 精炼板坯连铸”工艺达到最佳化，提高钢水的实物水 平。 前两项部分是目前本钢炼钢生产过程和品种开发亟待解决的主要课题，而 第三部分的研究工作需要进行更为深层的研究，考虑到研究工作的时间和生产 研究过程具体条件的限制，本课题仅从事第一、二两部分的工作。 1 2 2 本论文的研究任务 本文将从冶金的基本理论出发，通过理论研究，同时结合生产现场的大量 试验数据和专家的经验，确定钢包改性渣的理化指标、钢包渣改性的工艺制度。 在钢包渣改性的研究过程中，根据冶金反应的热力学及动力学理论以及实 际生产的统计数据来确定改渣剂的组成、加入量、加入时机及其它工艺参数。 以达到降低钢水硫含量、降低钢包内熔渣的氧化性，充分发挥精炼设备能力、 满足新产品开发要求的目的。 1 2 3 本文的研究开发步骤 本文的研究工作将按照以下步骤进行： ( 1 ) 在对研究对象初步调研和文献查阅的基础上建立钢包渣改性工艺研 究的框架。 ( 2 ) 根据理论研究的结果，初步确定改性渣组成及相关工艺制度。 ( 3 ) 实施生产现场试验和实地跟踪工作，采集相关数据进行统计分析。 ( 4 ) 利用现场的实际生产数据进行改性渣组成和相关工艺参数的修订。 ( 5 ) 对改性渣组成和相关工艺参数进行优化或提出进一步的改进方案。 d 东北大学硕士学位论文第二章钢包渣改性工艺分析及国内外发展现状 第二章钢包渣改性工艺分析及 国内外发展现状 在钢水脱硫方面，国内外冶金工作者做了大量工作，获得了许多宝贵的经 验。近年来伴随i f 钢等钢种的开发生产，国内外炼钢厂和冶金专家，在通过加 入一定渣料提高合金的脱氧能力、降低钢包渣氧化性、提高精炼生产能力、降 低炼钢生产成本、提高钢材质量方面进行了广泛的研究，取得了可喜的成果， 并在生产实际中进行了应用。尤其是在近几年，逐步提出了钢包渣改性的概念， 并越来越引起冶金工作者的关注。目前，进行钢包渣改性处理已被人们公认为 生产i f 钢等高附加值钢种所必须进行的工艺过程和重要手段。国内外炼钢厂结 合各自的特点，在钢包渣改性方面进行了研究和生产实践工作，都在不同程度 上获得了一定经验。但由于不同炼钢厂的设备装备条件、原材料条件不同，因 此在钢包渣改性工作的渣料选择、改性工艺的确定方面也存在一定的差异。 2 1 钢水脱硫方法简介 随着炼钢技术的发展，国内外炼钢厂为适应市场的需要，在新钢种开发、 提高产品质量方面都做了许多工作。尤其是在降低钢水硫含量方面，开发了多 种方法，并在不同程度上取得了一定效果。钢液脱硫的方法从工艺上讲主要有： 钢液渣洗、钢包喷粉、真空处理脱硫、喂丝等。从反应机理来说包括用金属钙、 镁或稀土元素直接生成硫化物脱硫和渣金置换反应两种。本文根据本钢的设备 条件、特点主要介绍目前应用较多的合成渣洗法、l f 炉等有电弧加热、搅拌的 钢包精炼脱硫法、钢水喷粉脱硫法、r h 精炼脱硫法等方法。 2 1 1 合成渣洗法 合成渣洗法( p e r r i n 法) 1 9 3 3 年出现在法国，是目前进行钢水脱硫的最 简便、最经济的钢水脱硫方法。p e r r i n 法合成渣大体成分为c a o ：5 0 5 4 、 a 1 。0 。：4 0 4 6 、s i o ：3 o 、f e o 0 5 。一般合成渣可以预先混合或直接由所 需的成分配制而成。碱性成分是由c a o 和其它能使渣液化的附加材料组成，因 此，合成渣中应含有c a f ：、a i ：o i 和少量的s i o ：。目前在钢水脱硫方面应用较多 的渣系有c a o c a f ：、c a o - s i o 。- a i 。0 。一( c a f ：) 、c a - c a f 。等。“1 。近年来使用较多的 5 东北大学硕士学位论文第二章钢包渣改1 , 生r - - 艺分析及国内外发展现状 合成渣组成为c a o = - 4 5 6 0 ，a 1 2 0 3 = 2 0 左右，s i 0 2 = 1 5 2 0 ，f e o 1 0 。另外石灰石也消耗 铝： a 1 + 3 c 0 2 = 3 c o + a 1 2 0 3 但此改性剂的优点是石灰石的分解反应使炉渣沸腾利于a 1 和f e o 反应； 另外，石灰石碎裂促使反应进行。由于使用铝加石灰石烟尘较大且易结壳，因 此一般要配加一定量的萤石。渣改性工艺一般包括两步：先是在出钢开始前或 出钢时加入调渣剂石灰和萤石，在出钢接近结束时再加改性剂。武钢和日本广 佃厂生产硅钢时，在出钢至1 2 时吨钢加入8k g 的c a o c a f 2 ( 8 0 ：2 0 ) 脱硫剂 在钢包内，可将硫由出钢时0 0 0 4 降低至o 0 0 3 。 综上，钢包渣改性是保证各种精炼工序稳定生产、提高精炼作业率的重要 冶金手段。并且在当今钢铁生产过程，尤其是在纯净钢等高附加值钢种的生产 过程中发挥了巨大的作用。因此，根据本钢的实际特点，研究具有本钢特点的 钢包渣改性工艺，充分发挥本钢现有的先进炼钢工艺设备的能力，提高产品的 档次和竞争能力将起到重要的作用。 2 。3 改性渣的理化指标及相关工艺 2 3 1 改性渣的理化指标 讨论熔渣的冶金作用离不开它的理化指标。多年来冶金工作者对此开展了 广泛的研究，积累了大量的实验数据，并且在建立炉渣理化指标和其成分间的 定量关系方面取得了一定进展。现就熔渣的容量、粘度、表面张力、熔化温度 等方面进行讨论。 1 、炉渣容量 按“容量”选择渣系是确定各种渣料的基本原则对于改性渣来讲，硫容量 的概念显得尤为重要。硫容量分为渣气硫容量、渣钢硫容量。在炼钢生产中 主要使用渣一钢硫容量。对于一个组成确定的渣系，硫容量2 7 。2 9 】可以表征其脱硫 能力。渣一钢硫容量的定义由 s 】+ o 小= s 小+ o 给出 4 k f “ o0 2 _ ys 2 。】- ( s ) o 【o v of s 】 东北大学硕士学位论文第二章铜包渣改l i r - 艺分析z t 1 蜀内外发展现状 渣钢硫容量的定义为 c s = k s 5 o0 2 - ys 。 目前应用较多的用于钢液脱硫，同时满足精炼工序要求的可选渣系主要有 c a o c a f 2 、c a o c a f 2 a 1 2 0 3 、c a o a 1 2 0 s i 0 2 渣系。上述三种渣系中以： c a o c a f 2 渣系具有最高的脱硫能力。们。单从脱硫角度考虑，c a l f 2 含量在40 左右为最佳组成，此时硫分配比约为1 7 0 1 8 0 。在此基础上的增加了a 1 2 0 3 相组成三元渣系，但在硫容量方面有所降低。这两种渣系共同存在的问题是： ( 1 ) 渣剂对耐材寿命影响较大，随着c a f 2 含量的增加，钢包、l f 炉盖、 r h 吸嘴等耐材的寿命大大降低。 ( 2 ) 随着人们环保意识的增强，含氟材料受到一定的限制，因此含氟渣 系( 尤其是以c a f 2 为主要组成的渣系) 的发展前景不容乐观，已被排除在发展 的主流之外。 c a o a 1 2 0 3 一s i 0 2 渣系是人们研究最多、应用最广的一个基本渣系，广泛应 用在钢包脱硫、l f 、r h 等精炼渣系，也是本文研究的重点渣系，在以后的论 述中将围绕c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 渣系展开讨论。图2 5 为c a o a 1 2 0 3 一s i 0 2 渣系的硫 容数据 2 8 ： 硪 棚a 抽啪 图2 5c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 渣系1 8 7 3 k 下的硫容量c s ( 1 0 。) f i g u r e 2 5c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 s t a gs y s t e m s u l f u r c a p a c i t y c s ( 1 0 。3 ) a t1 8 7 3 k 从图2 5 可以看出，对于c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 渣系当渣组分在c a o ：5 5 6 5 ， a 1 2 0 3 ：2 5 4 0 ，s i 0 2 ：1 5 时改渣系具有较高的硫容。 2 、炉渣粘度 1 2 东北大学硕士学位论文第二章钢包渣改性工艺分析及国内外发展现状 所有的渣冶金过程均要求熔渣具有适宜的粘度。渣的粘度值不仅关系到冶 炼能否顺利进行，而且对冶金反应速度( 传质、传热) 、金属收得率( 渣金分 离) 和耐材寿命有着重要的影响。炉渣的粘度主要受到温度和炉渣成分的影响。 一般随着温度的提高炉渣粘度降低。由于钢水温度在钢包中和精炼过程的变化 在一定范围内进行，因此熔渣成分对粘度的影响更加重要。对于c a o a 1 2 0 3 一s i 0 2 渣系的等粘度曲线见图2 6 【2 9 j 。 i 自- i j l m 1 4 “ b ) 图2 6c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 渣系等粘度曲线( 图中数字单位为d p a s ) ( a ) 一1 4 0 0 ：( b ) - 1 5 0 0 f i g u r e 2 6c a o - a 1 2 0 3 s i 0 2 s l a gs y s t e m - e q u a lv i s c o s i t yc u r v e ( t h et r a i to f t h en u m b e ri sd p a s ) ( a ) - 1 4 0 0 。c ；( b ) - 1 5 0 0 。c 由图2 6 可以看出，c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 渣系的粘度主要受碱度和a 1 2 0 3 含量影 响。在1 4 0 0 1 5 0 0 。c 内当组成为1 0 a 1 2 0 3 ( 4 8 5 8 ) c a o 时，熔渣具有最 小的粘度值。随着c a o 含量的增加熔渣粘度增加很快；当s i 0 2 含量增加时或 s i 0 2 含量不变c a o 含量降低时，等粘度线分布变疏，粘度也增大；a 1 2 0 3 对该 渣系粘度的影响不及碱度明显，但在一定碱度下a 1 2 0 3 含量超过一定范围时由 于熔渣的熔化温度升高渣的粘度显著提高。当熔渣组成中c a o 在5 0 6 0 、 a 1 2 0 3 在1 0 3 0 、s i 0 2 ：4 4 0 时，该熔渣具有较低的粘度。由于m g o 、b a o 、 n a 0 2 、n a 2 c 0 3 及c a f 2 等能降低渣的熔化温度并使复杂阴离子解体，所以适当 j j n a 上述组成，可以降低c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 渣系熔渣的粘度。 3 、界面张力 由于熔渣和金属之间的反应均是在界面上进行的，都与熔渣的表面性质密 切相关，描述这个界面性质的物理量为表面张力和界面张力。对于钢包过程的 渣金反应过程，重点研究的是界面张力。对于c a o - a 1 2 0 3 s i 0 2 渣系熔渣和钢液 1 3 东北大学硕士学位论文第二章钢包渣改性工艺分析及国内外发展现状 的界面张力如表2 1 所列。界面张力的大小一方面影响渣金的反应速度，另 一方面影响渣一金的分离速度，即影响熔渣从钢液中排除的速度，界面张力越 小越促进反应进行，但上浮排除速度慢，容易造成卷渣，因此必须选择具有合 适界面张力的熔渣渣系组成。 表2 1 界面张力与温度、渣组成及钢液成分之间的关系 t a b l e 2 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n t e r f a c i a lt e n s i o na n dt e m p e r a t u r e ，s l a ga n dl i q u i ds t e e l c o m p o s i t i o n 渣组成w t 温度，钢液组成，、v t 界面张力，n m a 1 2 0 3 c a o s i 0 2 2 63 93 6c ：0 31 1 0 0 1 5 0 0 2 34 72 7工业存铁1 0 0 0 1 5 8 01 6 2 75 71 0 4 0 1 5 8 01 63 25 21 0 4 0 1 6 0 01 63 9 4 5 10 4 5 1 5 8 01 65 03 41 0 5 5 c ：0 6 1 6 2 02 13 24 71 ，0 5 0 1 5 7 02 14 5 3 4 1 0 6 0 1 5 7 02 15 02 91 0 6 0 1 5 8 0 2 16 l 1 7 1 0 8 0 1 5 8 04 4 15 2 931 1 4 0 1 5 8 04 2 85 1 26 马口铁 1 1 3 0 1 5 8 0 4 1 04 9 0 1 01 t 1 2 0 1 5 8 03 8 74 6 31 51 1 1 5 1 5 8 03 6 44 3 62 01 1 3 l 1 5 8 02 56 03 7 51 0 6 0 1 5 8 01 64 04 41 1 0 0 1 5 8 01 64 73 7 c ：o 0 4 1 1 2 0 1 5 8 02 11 2 s i ：0 0 3 1 1 0 0 1 5 8 0 2 l 3 2 m n ：0 0 3 71 2 4 0 1 5 8 0 2 l2 5s ：o 0 21 2 0 0 1 5 8 0 2 14 5 p ：0 0 1 4 1 2 5 0 1 5 8 02 63 91 1 6 0 1 5 8 02 64 7l - 2 0 0 1 4 - 东北大学硕士学位论文g - _ 章钢包渣改性工艺分析及国内外发展现状 从表2 1 中数据可以看出随着c a o + a 1 2 0 3 的增加和s i 0 2 的降低，渣钢界面 张力将升高。 4 、熔化温度 熔化温度是熔渣的重要物理性质之一，也是合理选择冶金工艺方法的重要 依据。熔渣的熔化温度与熔渣的组成有关 3 1 - 3 4 】。c a o a 1 2 0 3 一s i 0 2 渣系的状态图 见图2 7 。 从图2 7 可以发现在c a o a 1 2 0 3 一s i 0 2 渣系中处于较低熔点区1 3 0 0 。c 的较低 熔点区共有三个，分别在图2 8 中的标为i 、i i 、i i i 的三个区。 瓣 l ，j - i 冉v t 一) h a a i , 0 图2 7c a o - a 1 2 0 3 - s i 0 2 渣系状态图 f i g u r e 2 7 c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 s l a gs y s t e ms i t u a t i o n s 图中i 、i i i 区由于具有较高的s i 0 2 含量( 4 0 ) 而不能用于钢包渣的改 性处理和钢水的精炼，因此不能采用在此范围内的渣系。而i i 区的熔渣成分符 合上述钢包渣改性工艺的硫容量、粘度的要求，在此区域内拥有较高硫容量的 渣组成集中在：6 0 6 5 c a o 、2 5 3 0 a 1 2 0 3 、 1 0 s i 0 2 ( 质量分数) ， 此时c a o 接近饱和，l s 为2 0 0 3 0 0 。因此该渣系应该作为进行钢包渣改性工 艺的首选渣系。 2 3 2 熔渣成分对元素脱氧能力、钢水氧含量的影晌 - 1 5 东北大学硕士学位论文第二章钢包渣改性工艺分析及国内外发展现状 精炼过程钢水的氧含量与熔渣成分关系较大。图2 9 为l f 、r h 处理过程 中总氧量与炉渣成分的关系。 熔渣的氧势对脱氧过程影响极大，而降低熔渣氧势的可靠的措施就是降低 渣中f e o + m n o l l 2 , 3 5 “1 含量和提高碱度。 s i 铂 l7 2 3 c 图2 8c a o a 1 2 0 3 - s i 0 2 渣系熔点图 c f i g u r e 2 8c a o - a 1 2 0 3 - s i 0 2 s l a gs y s t e mm e l t i n gp o i n t ( o = i nl o wm e l t i n gp o i n ta r e a ) e 鼍 m i o l j 西 t f e _ m n o x 图2 9l f 、r h 处理过程中总【o 】量与( t f e + m n o ) 的关系 f i g u r e 2 9r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt o t a l 0 1a n d ( t f e + m n o ) d u r i n gl fo rr ht r e a t m e n t 炉渣碱度对渣中f e o 的影响见图2 1 0 。_ ”3 。 由图2 1 0 可以看出提高熔渣的碱度，有利于降低熔渣的( f e o ) ，即降低熔 1 6 东北大学硕士学位论文第二章钢包渣改性工艺分析及国内外发展现状 渣的氧化性。但是如果熔渣的碱度过高，熔渣的其它理化指标将受到不利的影 响。因此，在确定熔渣的碱度时，必须进行通盘考虑。 1 、改性渣对钢中元素脱氧能力的影响 被渣洗的钢液总含有一些合金元素，而其中大多数都具有或强或弱的脱氧 能力。在渣洗的过程中，随着钢液温度的下降，脱氧反应的平衡向脱氧方向移 动，同时出钢过程中钢液的二次氧化使溶解在钢液的氧量增加，所以钢中的合 金元素将与钢中的氧继续反应，进行脱氧。 - 主 o k 毓 王 t c o t sj o i 闰2 1 0 炉渣碱度对o & o ( f e o ) 的影响 f i g u r e 2 1 0s l a gb a s i c i t ye f f e c to i lof ( f e o ) ( 1 ) 对于硅镇静钢，在炼钢过程的脱氧中，其脱氧能力与钢、渣的成分及 温度有关。用硅脱氧的反应式是 s i + 2 【o 】= ( s i 0 2 ) 反应的平衡常数 k s i = a s i 一o ，a s i 0 2 = kf s i o 高。 l g k s p 半+ 1 2 提高渣的碱度，由于使渣中二氧化硅活度的降低，硅的脱氧能力将显著提 ( 2 ) 对于铝镇静钢。用铝脱氧的反应式是 2 a 1 1 + 3 0 1 = ( a 1 2 0 3 ) 反应的平衡常数 k a 尸a 2 a 3 0 a a l 2 0 3 = a l 】2 o 】3 a a l 2 0 3 - 产a l产o 1 7 - 东北大学硕士学位论文第二章钢包瘙改性工艺分析及国内外发展现状 l g k h j _ 一6 4 ，0 0 0 + 2 0 4 8 加入改性渣后，由于存在反应 c a o + a 1 ：0 。= c a o a 1 2 0 而使a 。减小，当钢渣中a 1 ：0 。在3 9 5 0 的范围内波动时，a 一。在0 1 o 3 的范围内波动，从而使铝的脱氧能力提高。 采用改性渣工艺可以进一步提高元素的脱氧能力“”。如图2 i 1 所示，在 1 6 0 0 时用0 0 0 5 a 1 单独脱氧，与钢水平衡的溶解氧含量为1 1 1 0 1 。如果采 用6 0 6 1 c a 0 一a 1 。0 。系炉渣对钢水进行精炼，使钢水一炉渣和夹杂物间达到平 衡，钢中溶解氧含量降低到4 1 0 1 ，铝的脱氧能力几乎提高了3 倍。 掣已 c j o 妇c 出i u m t 帅_ 咖 图2 111 6 0 0 ( 2 与6 0 c a o 炉渣平衡时钢中a 1 - 0 的平衡关系 f i g u r e 2 11a i ob a l a n c ei nl i q u i ds t e e la t1 6 0 04 cw i t h6 0 c a os l a gb a l a n c e 2 、强化脱氧与夹杂的去除 氧在熔渣和钢液中的溶解是服从分配定律的。当还原性的改性渣与未脱氧 ( 或脱氧不充分) 的钢液接触时，钢中溶解的氧可以通过扩散进入渣中，从而 使钢液脱氧。当渣洗时，改性渣在钢液中乳化，使钢渣界面成千倍地增大，同 时强烈地搅拌，都使扩散过程显著地加速。另外，渣洗的炉次，由于熔渣被空 气氧化的速率远小于钢液，所以因渣的保护而使二次氧化减弱。在加上渣洗过 程中的扩散脱氧，使二次反应的数量减少，也就是形成不易排除的夹杂数量减 少，从而提高了钢质量。大大降低了钢水氧含量。 改性渣强化脱氧的工艺原理如图2 1 2 所示。当采用成分合适的渣料对钢水 进行精炼时可控制渣中a 1 。o ，的活度从a 。= 1 下降到a l 。l = 0 2 或0 0 0 3 。当钢一 1 8 - 查! ! 垄堂翌主堂堡垒墨苎三主塑鱼垄垄些三堇坌堑垄璺塑! 垄垦垫鉴 渣反应达到平衡时，钢中铝脱氧受到顶渣的控制，a i - o 平衡值降低，提高了脱 氧的能力m 1 。 2 3 3 渣金反应的强化 孰。 哪柚搬荫馥蝴【州口_ - 1 i 口i i l o q i _ 一，确k d 睡量芎 虬i 哪删嘲如c 纠 jo 鬻j 蜘晰f 阳m i 。啦e 茁i 口甜_ i f l g ； 。 j 籴妊j o o o ) 鼋一p 红 一一= ；黧童： 图21 2 采用渣洗工艺时钢中a 1 o 平衡关系 f i g u r e 2 1 2a i ob a l a n c ei nl i q u i ds t e e lw h e na d o p t e ds l a gs p l a s h i n g 使用改性渣的工艺流程是在出钢前和出钢过程中，按要求的数量加入到钢 包内，靠出钢钢流的冲击和吹氩搅拌的作用使改性渣与钢水反应、熔化、乳化， 渣与钢充分混合，接着镇静，乳化的渣滴上浮。从而达到其脱 p 、 s 、脱氧、 去除非金属夹杂、调整钢渣成分和理化指标的冶金作用。 1 、改性渣的反应过程 转炉出钢过程中，加入到钢包内的改性渣，不断与钢水反应、熔化。在钢 流的冲击和气体的搅拌下被分裂成细小的渣滴，并弥散分布于钢液中，扩大了 钢渣的接触界面积，大大加速了反应速度。同时也增加了渣与钢中夹杂物接触 的机会。在钢包内，钢液中已乳化的渣滴，随着钢流紊乱搅动的同时，不断碰 撞、合并、长大和上浮，进而完成其冶金作用。在此过