（检测技术与自动化装置专业论文）钢包炉终点硫控制与预测模型.pdf

摘要 摘要 硫对大多数钢种来说是有害元素，易引起钢的热脆，对钢材的延展性、抗氢致 裂纹( h i c ) 及抗硫化物应力裂纹( s s c c ) 也造成损害。本文结合本溪钢铁公司的生产 实际，研究了钢液中硫的变化规律，相应地采取更加有效的措施以脱除钢液中的硫。 具体工作如下： 首先，分析和研究了钢包炉传统的工艺流程，对包括均匀钢液成分和温度、促 进钢渣问的反应和改善熔池的搅拌等冶金功能作了剖析。 接着，从改善钢包炉的热力学和动力学条件入手，改进了精炼渣的工艺参数， 优化了钢包炉的生产工艺：同时结合现场工艺条件，实现了渣成分预报和优化计算 配料单，一方面强化了钢包炉的精炼功能以取得显著的脱硫的效果，一方面为造渣 操作提供了指导，满足低成本的要求。 最后，建立了钢包炉终点硫含量的统计模型和人工神经网络模型。采用1 5 1 组 实际生产数据训练后，对8 0 组测试数据做了预测，如果误差要求在0 0 0 2 以内， 统计模型和人工神经网络模型命中率分别达到5 8 7 5 和8 1 2 5 。与机理模型比较， 明显提高了终点硫含量的预测精度，这为钢包炉终点硫控制提供了新的实现途径。 关键词：钢包炉，脱氧脱硫，精炼渣优化，神经网络 a b s t r a c t a b s t r a c t s u l f u r , a so n eo fh a r m f u le l e m e n t si nm o l t e ns t e e l ，o f t e nr e s u l t si nd e t e r i o r a t i n g p e r f o r m a n c eo fs t e e l s t e e l sw e l d i n ga b i l i t i e s ，r e s i s t i n gh i ca n ds s c cc r a c k sa b i l i t i e s ， e t c a r ea l ld a m a g e db ys u l f u r a c c o r d i n gt ot h eo n t h e - s p o te x p e r i m e n t si nt h es t e e lp l a n t o f b e n x ii r o na n ds t e e lc o r p o r a t i o n ，t h ee f f i c i e n c ya n dr e a s o n so f d e s u l p h u r i z a t i o ni nt h e m o l t e ns t e e lw e r ea n a l y z e d ，s ow ec a na d o p t e de f f e c t e dm e t h o d st od e c r e a s es u l f u ri n m o l t e ns t e e l t h ed e t a i lw o r k sa r ea sf o l l o w s f i r s t l y , t h et r a d i t i o n a lp r o c e s so f l fi nb n e x ii r o na n ds t e e lc o r p i ss t u d i e dd e e p l y t h em e t a l l u r g i c a lf u n c t i o ni n c l u d i n gu n i f o r m i t yo fs t e e lc o m p o n e n ta n dt e m p e r a t u r e ， r e a c t i o nb e t w e e ns l a ga n ds t e e l ，a n dm i x i n go f m e t a lb a t hi sa n a l y z e di nd e t a i l s e c o n d l y , n e ws y n t h e t i cr e f i n i n gs l a ga n d n e wp r o c e s sa r ea d o p t e db ys t r e n g t h e n i n g c o n d i t i o no f t h e r m o d y n a m i c sa n dd y n a m i c s r e f i n i n gf u n c t i o n so fl fi se x p l o i t e d ：t h e f u n c t i o no fp e r d i t i o no fs l a gc o m p o s i t i o na n do p t i m i z a t i o np r o c e s so fc h a r g i n gm a t e r i a l a r ei m p l e m e n t ，o n eh a n d ，t h em e t a l l u r g yf u n c t i o no fl fi se n h a n c e dt oo x i g e n a t ea n d d e s u l f u r i z e ，o nt h eo t h e rh a n d ，g u i d a n c eo fb u i l d i n gs l a gi so f f e r e dt om e e tt h en e e do f l o wc o s to fc h a r g i n gm a t e r i a l t h i r d l y , b a s e do nt h e1 5 1g r o u pp r o d u c t i o nd a t ai nl fo f b e n x ii r o na n d s t e e lc o r p ， t h es t a t i s t i c a lm o d e la n da r t i f i c i a ln e t w o r km o d e lw e r ee s t a b l i s h e dt op r e d i c tt h e e n d p o i n ts u l f u r t h e1 5 1g r o u pp r o d u c t i o nd a t aw e r eu s e dt om o d e lt r a i n i n ga n dt h e o t h e r8 0w e r eu s e dt op r e d i c tt h ee n d p o i n ts u l f u r , t h eh i t t i n gr a t i ow a su pt o5 8 7 5 a n d 8 1 2 5 r e s p e c t i v e l yu n d e re r r o rc o n t r o l l e d l e s st h a n 0 0 0 2 t oc o m p a r ew i t h m e c h a n i s mm o d e l ，t h ea p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e c i s i o no fp r e d i c t i n go f e n d p o i n ts u l f u rh a sb e e nm c r e a s e dr e m a r k a b l y ，i tp r o v i d e san c wi m p l e m e n tw a y t ot h e e n d - p o i n ts u l f u rc o n t r o lo f t h el e k e yw o r d ：l f , d e o x i d a t i o na n dd e s u l p h u r i z a t i o n ，o p t i m i z a t i o no fr e f m i n gs l a g , a n n 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是本人在导师指导f ， 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。 作者签名：塑 日期：! 堕 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解冶金自动化研究设计院有关保留、使用学位论文的 规定，即：自动化院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和 借阅，可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名：j 塑丝堑 导师签名：堑龊 曰期：婴兰 日 期：圣坚z ：! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 钢铁工业概况和发展趋势 钢铁是现代社会使用量最大、覆盖面最宽的重要材料之一。现代农业、工业 ( 机械工业、化学工业、建筑业及兵器工业等) 和人们的f 1 常生活都离不丌钢铁。 因此钢铁一直是经济建设、社会发展的重要物质基础，钢铁工业是国民经济的支柱 产业，并成为衡量一个国家国力的重要标志之一。 我国钢铁工业，特别是在改革丌放以后有了迅速的发展。1 9 9 6 年钢产量突破1 亿吨，2 0 0 3 年突破2 亿吨，2 0 0 5 年达到3 4 9 亿吨，2 0 0 6 年已经突破4 亿吨，我国 钢铁产量、消费量、净出口量以及铁矿石进口量均居世界第一，钢产量要比居世界 第二、第三、第四位国家的产量之和还要多，占世界钢总产量的2 6 3 1 。但与发 达国家相比我国钢铁行业的装备和技术水平还有不小差距，在钢铁出口产品中，我 国的初级产品比重高达6 0 以上，而高级产品的比重我国只有2 0 ，仅占美国的 3 0 、日本的2 7 、韩国的2 6 ；另一方面我国钢铁企业吨钢能耗比国际先进水 平还存在较大差距。因此，在新的时期，钢铁工业发展道路要实现转变，走新型工 业化道路，具体表现在： 一方面，国内需要大量钢材，但是对质量提出更高要求，特别是高质量的纯净 钢生产能力，我国还很薄弱，所以加大力量研究生产高质量钢材的工艺方法和生产 流程意义重大。 另一方面，钢铁工业的发展越来越受到资源、环境、能源的制约，面对挑战， 迫切要求钢铁生产企业和研究单位必须努力提高生产率，降低能源消耗和原材料消 耗，减轻对环境的污染。 1 2 炉外精炼的技术特点与发展概况 随着各行各业对钢材质量要求的不断提高，对钢成分控制和洁净度要求也越来 越严格，再加上钢铁工业提高效率、降低消耗的需要，传统的炼钢炉冶炼出来的钢 第一章绪沦 液很难满足质量的要求，在这一形势f ，促成了炉外精炼技术的发展。炉外精炼之 所以产生和得到快速发展，是由于炉外精炼可以在可控气氛下可以完成脱氧、脱硫、 去除夹杂和调整温度成分等工艺过程。山于炉外技术的不断发展，从2 0 世纪6 0 年 代后期开始，世界范围内的炼钢方法发生了根本性的转变，即由单一设备完成初炼 和精炼的一步炼钢法变为由传统炼钢设备对钢液完成初炼后，再由专用设备进行二 次精炼。 炉外精炼具有多项精炼功能川，具体包括以下几项： ( 1 ) 钢液升温和控温功能，满足连铸生产的要求： ( 2 ) 合金化功能，对钢液实现成分控制，并使其均匀化； ( 3 ) 精炼功能，包括脱气、脱碳、脱氧、脱硫、去除夹杂和夹杂物变性处理； ( 4 ) 熔池搅拌功能，均匀钢液成分和温度，促进夹杂物的上浮。 炉外精炼在其发展初期主要和电炉进行匹配，生产特殊钢和超级钢，后来扩大 到普通钢的生产上。它是连接冶炼和连铸两大工序的桥梁，提供定时、定温和定品 质的钢水，是稳定连铸生产的重要因素，同时加上炉外精炼本身具有的多种精炼功 能，已经成为开发新品种、提高质量、降低消耗和提高效益的重要手段。 氧气转炉炼钢、炉外精炼和连铸技术称为现代炼钢生产的三大关键技术，氧气 转炉炼钢和连铸技术普及面比较广，目前已经具备相当规模；而炉外精炼起始于2 0 世纪6 0 年代，到现在，炉外精炼已经是现代钢铁生产流程与钢铁产品质量的重要 标志。早在1 9 8 6 年，日本的二次精炼比已经达到8 6 ，特殊钢生产的二次精炼比 达到9 4 ，目前，欧美，日本等先进国家的二次精炼比皆超过9 0 。1 。 表i - 1 国外典型钢厂的炉外精炼设备及其主要功能 序号国别及其厂名设备代号投产年代主要功能 生产计划编制、炉次钢液跟踪、计 l美国内陆钢铁公司 a s e a s k f 算热损失、电弧加热所需能量和功 计划与步骤、跟踪与监视、数学模 2加拿大d o f a s c o 钢铁厂 l m f1 9 8 7 型及控制包括合金、熔剂、搅拌、 模型运算( 过程剖面模型、合金添 3英国钢铁公司 l f 加模型、钢液温度模型和钢包炉电 真空排气模式控制、合金计算，脱 4 日本大同钢铁公司 r h1 9 9 0 碳量计算 计算合金添加量、沸腾钢脱氧、脱 5德国豪施钢铁公司 l f 硫、c a s i 处理、 第一章绪论 近年来在各种精炼设备中，钢包炉以其能够创造良好的还原气氛，通过电弧加 热、造岛碱度渣，进行钢液的脱氧、脱硫、合会化等冶会反应，投资较少，设备简 单等特点而得到广泛的应用，研究钢包炉的工业特点和模型方法也成为钢铁研究者 重要课题。 1 3 课题的目的和意义 钢包炉是一种二次精炼设备，具有优异的综合性能。在实际生产中，结合有效 的冶金模型不仅可以降低电极消耗、电能消耗和原材料消耗，同时也有助于钢水中 有害杂质的去除、钢材品质的提高。因此开发并实现l f 的冶金模型是钢铁生产企 业和研究单位面临的一个十分紧迫的课题。 我国钢包炉冶金模型的研究方面，在温度模型、合会模型上起步较早，积累比 较多，技术也比较成熟，造渣模型和成分预报模型关乎有害的非金属元素氧、硫和 其它杂质的去除，由于已经开发的一些模型效果不好或者操作过于复杂，现场工人 不习惯使用，结果往往是依据经验操作，模型利用率低。因此开发操作简单灵活， 加料成本合理，冶炼效果较好的模型是一个重要且紧迫的研究方向。 1 4 课题的研究内容和任务 造渣模型的一项主要功能就是脱氧、脱硫和去除夹杂，实现这一功能就是要创 造良好的动力学和热力学条件，促进渣钢之间的反应，达到良好的精炼效果。因此 主要做了以下三方面的工作： 分析了钢包炉的生产工艺流程，整体上把握造渣模型的功能、条件和所处的位 置，同时了解钢包炉的其他精炼功能，以使各个工序能够相互配合，加强精炼效果。 研究和分析了造渣对脱硫、脱氧及钢水净化的影响机制，特别是从脱氧脱硫的 动力学和热力学条件入手，详细分析了各个影响因素，并且提出了进一步的改进措 施和注意事项，最后给出了造渣剂的计算模型。 终点硫控制模型的一个主要功能就是硫预报，所以最后一部分从机理模型、统 计模型和智能模型三个方面分别对钢液的终点硫做出预报，并且比较、分析了各自 的优缺点，为实现终点硫精确控制提供了保障。 第一二章钢包炉的：艺流祥和冶金功能 第二章钢包炉的工艺流程和冶金功能 2 1 钢包炉技术发展历史和现状 钢包炉( l a d l ef u r n a c e ) 是一项非常重要的炉外精炼技术，是1 9 7 1 年开本大同 特殊钢铁公司开发成功的，当时容量仅2 0 吨，其目的是将电弧炉熔炼的还原期转 移到炉外的钢包炉内进行，以缩短电弧炉冶炼周期，提高电弧炉生产率，充分发挥 电弧炉熔化炉料的优势。钢包炉具有温度调节、合成渣精炼、成分调整和气体搅拌 等多种功能，能够创造冶金反应所需的良好的热力学和动力学条件。表2 一l 指出了 钢包炉和其他精炼方法在精炼手段和主要冶金功能上的不同，通过比较可以发现钢 包炉在功能上具有的优势”1 。 表2 - 1 钢包炉l f 与其它精炼方法a s e a s k f 、v a d 、v o d 比较 精炼手段 主要冶金功能 名称 渣真搅喷 加 脱 脱 之除夹 夹杂变脱合金调脱 洗空拌 吹 热气氧 杂性硫化温碳 l f + + a s e a+ + ，+ + s k f v 九d + + + v o d 注：+ 表示可以添加的手段和取得的冶金功能； 表示具备的冶金功能； * l f 增设真空手段后称为l f v 钢包炉设备与其他精炼手段相比具有以下明显优势3 】：( 1 ) 设备简单、投资额低、 运行费用少；( 2 ) 设备技术难点少，同时采用电弧加热、底吹搅拌、白渣精炼等成 熟技术的组合，冶炼功能强大；( 3 ) 设备的可靠性大，维护工作量小，部分设备、 配件可与电炉互换，设备费用低；( 4 ) 操作灵活 由于钢包炉具有多种冶金性能和设备上的优势，在特殊钢和普通钢的生产中得 到广泛的应用。据统计，2 0 0 2 年全世晃共有钢包炉3 0 0 多台。2 0 世纪9 0 年代，我 国先后建立了3 0 3 0 0 吨钢包炉5 9 座，设计年处理能力超过2 8 0 0 万吨，表2 2 列 第一二章钢包炉的i ：艺流样和冶金功能 出了我圉典型钢厂的t 纠包炉应j j 情况 表2 2 我【司媳7 p 钢厂的l f 相天参数羽精炼钢种 容苗电极d 径升温进度处理周期变压器容蕈 厂名生产钢种 t * c m i n 一1 m v a 油井管、高压锅炉 宝钢1 5 04 5 73 52 5 4 02 2 + 2 0 钢、一般管线钢 重轨钢、合金结构8 0 包钢 4 0 0 4 53 3 3 5 1 4 + 2 0 钢、优碳钢 2 酱碳钢、4 5 、6 5 、 南京钢厂7 03 52 0 3 81 2 + 2 0 7 0 、8 0 、6 2 b 钢 酱碳钢、低合金 兴潞钢厂 l o o3 5 钢、结构钢 酱碳钢、低合金 攀钢 1 2 04 0 0 22 4 3 4 2 0 钢、深冲钢 钢包炉的开发应用和发展极大地丰富了炼钢工艺路线，推动了新钢种、新工艺 的研究开发，促进了炉外精炼技术的进步和钢铁工业的发展。钢包炉既可以与电炉 匹配，也可以与转炉匹配，这样钢的还原精炼任务主要在钢包炉来完成，可以冶炼 成分精确的合金钢和特殊钢种，实现了转炉冶炼钢种由普通钢向特钢的突破。钢水 炉外精炼是高技术含量新产品的质量保证和基础，是现代炼钢生产流程与产品高质 量的标志。 2 2 钢包炉的工艺流程和冶炼效果 钢包炉的工艺流程与操作因钢厂及钢种的不同而有多种选择。一般采用的工艺 流程为：初炼炉( 电炉或转炉) 档渣( 无渣) 出钢号预吹氩、加脱氧剂、增碳剂、造渣 材料、合金料寸钢包进准备位一测温专进加热位专测温、定氧、取样专加热造渣 一加合金调整成分专测温、定氧、取样专进等待位j 喂丝、软吹氩专加保温剂一 连铸h 。 合理的工艺流程结合精确的冶金模型，钢包炉处理生产的钢可以达到很高的质 量水平： ( 1 ) 升温速度达到3 5 c ，控制精度5 c ； ( 2 ) 成分控制精度高，可以生产出c 】0 0 1 ，s i 】0 0 2 ，w m n 】士0 0 2 第二章钢包炉的上艺流科和冶金功能 等7 i 素含量范围很窄的钢种； ( 3 ) 脱硫率达到5 0 7 0 ，可以生产- i s 0 0 1 ；如果处理时间充分，可以达 至0 s 】o 0 0 5 ； ( 4 ) 钢液中含氧量达到0 0 0 2 、0 0 0 3 的水平，钢液中央杂物降低5 0 ，大颗粒央杂 基本全部去除； 2 3 钢包炉的主要冶金功能 2 3 1 钢包炉温度的控制 在钢包炉的精炼过程中，多种因素造成了钢液温度的下降，主要包括： ( 1 ) 熔化造渣材料和合会材料需要能量； ( 2 ) 吹氩搅拌时氩气吸热； ( 3 ) 钢包炉的热辐射。 同时为了配合连铸工序，需要合适的精炼时间和浇铸温度，钢包炉必需要求具 有加热措施，加热措施主要有燃烧( 化学能) 加热和电极( 电能) 加热，钢包炉一 般采用的是用石墨电极插入渣层中的加热方式，良好的埋弧可以减少热辐射，减弱 电弧对炉衬的侵蚀，同时加热的效率也比较高【4 l 。 钢包炉加热期间还需要注意的问题是在加热初期，炉渣还没有完全熔化，加热 速度应该放慢一些，可以采用低功率供电；熔化后，电极逐渐插入渣中，此时由于 电极和钢液中氧的作用、包底吹入气体的作用，炉渣会发泡，渣层厚度会增加，这 时可以采用加大功率供电，升温速度可以达到3 4 c m i n ；加热的最后温度取决于 后续工艺的要求，如果温度达到要求，处于保温阶段，应该采用低档电压，中小电 流供电。 温度控制的另一个主要方面是温度的预报，除了和电极加热因素外，添加的合 金材料、脱氧材料、造渣材料、炉包的状态、废气和废水、热辐射等也要综合考虑。 2 3 2 钢包妒合金微调和成分控制 合金微调和成分控制技术是保证钢材性能稳定的关键技术，是钢包炉一项重要 第二章钢包炉的i 。艺流稃1 1 和冶金功能 的冶金功能。对钢液成分的控制，铡包炉可以达到高精度的水平，如f 表 5 - 6 表2 3 铡包炉 i 炼钢液主要成分偏芹 元素cs im na lc rw 偏筹0 0 1 0 0 2 4 - 0 0 2 0 0 0 5 0 0 2 0 0 2 要实现钢包炉成分的精确控制，要做到以下几点： ( 1 ) 造高碱度还原渣，达到良好的脱氧脱硫效果，提高合金的收得率； ( 2 ) 建立在线快速分析设施，化验钢液成分； ( 3 ) 精确估算合金收得率； ( 4 ) 通过合金模型在线计算合金加入量，在满足钢液成分的要求下，实现成本最优； 在生产实践中，就是利用统筹方法中的规划算法，确定决策变量，目标函数和 约束函数实现合金模型，具体是指： 决策变量：w a i ，i = 1 ，2 ，3 n ，是可用合会的加入量； 目标函数：以合金补加的成本为目标函数，即 f = c ，矽彳； ( 2 1 ) i = 1 式中：c 。一一第i 种合金的单价 约束函数：补加合金后钢水中元素含量应该满足的工艺规程要求，即 矗鹚+ 昭4 趟乒4 r w - 如 ( 2 2 ) j - 1 式中：w 4 一一第i 种合金添加量 磁。一一第i 种合金中元素k 的含量 x o k 一元素k 钢液质量分数 屈一一第i 种合金的收得率 盖：。，置k 一一元素k 目标成分的下限和上限 需要注意的是以上公式只在加入合金较少且对钢液重量的影响可以忽略时适 用，如果加入合金量大，需要采用补加系数法进行修正。 第二章钢包炉的j ：艺流祥和冶金功能 2 3 3 造高碱度还原渣 造渣精炼足钢包炉冶金功能很重要的方面，良好的造渣效果对实现钢包的精炼 功能有重要作用，主要表现在以下几个方面【7 】 ( 1 ) 熔池的保温隔热，保持钢液的温度，保证较长的精炼时间： ( 2 ) 隔绝空气，保护钢液免受氧化，有利于控制钢液成分； ( 3 ) 脱硫脱氧，吸收杂质，满足钢种成分要求； ( 4 ) 稳定电弧和埋弧加热，使耐材免受弧光侵蚀； 理想状况下钢包炉利用造白渣进行精炼，不用加入脱氧合金，就可以降低钢液 中的氧、硫和其他杂质达到精炼的目的。但是由于初次挡渣的原因，渣量大且其中 含有很高的f e o 和m n o ，实际钢包炉难以达到白渣的要求，一般造高碱度还原性渣 同时，控制渣中f e o 和m n o 含量，因此造渣工艺要点为”1 ： ( 1 ) 出钢挡渣，控制下渣量 5 k g t ，钢包顶渣厚度 2 5 ，渣中( f e o + m n o ) 3 ； ( 3 ) 高碱度还原渣精炼，一般采用a l ：仉一c a 0 一s i 0 ：渣系，保证脱氧脱硫效果； ( 4 ) 合理搅拌，避免钢液裸露而再次氧化的同时，要保证熔池具有较好的传质传热 效果； ( 5 ) 满足埋弧加热的要求，提高热效率； 2 3 4 钢包炉搅拌功能 一般地说，搅拌就是向流体系统供应能量，使该系统内产生运动，为达到此目 的，可以借助于气体搅拌、电磁搅拌和机械搅拌等。钢包炉常采用气搅拌方式。 喷吹最长见的是惰性气体氩气，吹入钢液内的氩气既不参与化学反应，也不溶 解。因此具有良好的搅拌效果，具体表现在【9 1 ： ( 1 ) 利用氩气泡气洗钢液，能使钢液中的氢、氮含量降低，并能使钢液中的氧含量 进一步降低； ( 2 ) 高速吹入氩气加剧渣钢之间的反应，可以取得明显的脱硫效果； ( 3 ) 吹入的氩气泡在上浮过程中推动钢液上下运动，搅拌钢液，促使其温度和成分 均匀； 8 第二章钢包炉的i ：艺流袢和冶金功能 ( 4 ) 吹入的氩气泡还可以促进钢液央杂的上浮，进一步去除夹杂；实践表明，脱氧 良好的钢包炉经过吹氩搅拌后，可以去除钢液中氢1 5 4 0 ，夹杂总量减少一半 以上，特别是大央杂颗粒，几乎全部可以去除。 第二章钢包炉终点硫控制基础 第三章钢包炉终点硫控制基础 钢包炉终点成分控制是钢包炉精炼的一项重要任务。不同的钢种对钢液成分有 不同的要求，一般可以分为两类，一类是有特殊要求的元素，如c 、s i 、m n 等，这 几种成分不是越多或越低就能满足要求，必须在一定范围之间：另一类是0 、s 、p 、 h 、n 等，对绝大数钢种是有害元素，含量越低越好，但是考虑到成本要求和精炼时 间，满足洁净度要求即可 5 6 1 。 表3 - 1 现代洁净度的控制水平 水平明慌用惕 m n 】1 0 。o 】1 0 “ h 】1 0 。l o “ 一般质鼍 水平 0 0 0 5o 0 1 06 04 022 5 0 洁净钢水 m o 0 0 2o 0 0 54 01 0l1 2 0 超沾净钢 水平 o 0 0 0 50 0 0 l2 05o 2s 5 0 对于两种不同种类成分的控制，一般采用不同的计算办法，对于第一类，参考 合金模型，通过参考钢液成分和钢液重量，同时估算合金的收得率，来计算合金的 加入量，现在大部分钢包炉模型一般都具有合金模型，能够满足要求；对第二种成 分在论文中重点考虑氧和硫的控制，通过脱氧和脱硫机理的分析，计算造渣剂的加 入量，达到脱氧和脱硫的目的 3 1 脱氧 钢液中的氧是炼钢的一个重要指标。在初炼的氧化还原过程中，向熔池中吹入 了大量的氧气，到初炼终点钢液中一般含有过量的氧。钢液中含氧过多，将会影响 后续浇铸操作，而且在钢的凝固过程中，氧以氧化物的形式大量析出，降低钢的塑 性和冲击韧性，使钢变脆，严重影响到钢材质量；同时钢液氧含量过多，不利于进 一步脱硫，更增加硫化物夹杂的危害，所以现在钢液中的氧的控制非常重要，必须 采取措施脱氧【1 2 】。 第二章钢包炉终点硫控制荩础 3 1 1 脱氧的方式 向钢液【 j 加入一种或几种与氧的亲和能力比铁大的元素，夺取钢液中过剩氧的 过程称为脱氧。脱氧的目的是把氧含量脱除到钢种要求的范围内，排除脱氧产物和 减少钢中非会属央杂的数量。 按照脱氧程度的划分，钢种分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢。镇静钢脱氧比较 完全，一般脱氧后氧含量小于0 0 0 2 ，目前冶炼和连铸的钢种主要是镇静钢；沸腾 钢是脱氧不完全钢，只能用于模铸，一般钢液中氧含量在0 0 3 0 0 4 5 范围内；半 镇静钢的脱氧程度介于镇静钢和沸腾钢之间，含氧量在0 0 1 5 0 0 2 0 。 根据钢种要求不同进行脱氧时，可以采用扩散脱氧和沉淀脱氧两种方式【l o 】。 ( 1 ) 扩散脱氧 扩散脱氧是依据溶质在两种互不相溶的溶剂中溶解度的分配定律，通过降低 渣中氧化物( 主要是f e o 和m n o ) 的浓度使钢中氧向溶渣中扩散的方法，又称间 接脱氧。 氧作为溶质在钢液和炉渣中的浓度比在一定温度下近似为一常数 1 2 13 1 ，渣钢 中的氧存在一个平衡，其分配系数为： 三：( f e o ) + ( m n o ) ( 3 1 ) 一1 r ”“ 式中：( f e o ) ( m n o ) 一一炉渣中氧化铁和氧化锰含量； 0 一一钢液中氧含量； l 0 一一氧在炉渣和钢液中的分配比； 如果终点钢液 0 要求低于5 0 p p m ，温度在1 5 8 5 。c 时k 取4 0 0 ，则炉渣中( f e o ) 和 ( m n o ) 在2 以下。 扩散脱氧的优点是脱氧产物在炉渣中，避免污染钢液，但是限制性环节是钢液 中氧向炉渣中转移慢，而在实际生产中冶炼对时间要求很高，所以很少单独使用扩 散脱氧。 ( 2 ) 沉淀脱氧 沉淀脱氧是直接向钢液中加入脱氧剂，生成稳定化合物并和钢液分离进入炉渣 第二章钢包炉终点硫控制基础 的方法，又称a 接脱瓴。如一般常用的脱氧剂包括a l 、c a 、s i m n 、s 卜c a 等。沉 淀脱氧的反应通式如下： x m e + y o 】= m e x 0 ( 固) ( 32 ) 沉淀脱氧是目前广泛采用的脱氧方法，其优点是快速直接，效率高，耗时短， 合金消耗少，但是生成的脱氧产物部分残留于钢液中，不易排除，影响钢液纯净度， 进而影响钢材的质量。所以一般还需要氧化物的改质变性处理来去除杂质。 3 ) 氧化物的改质变性处理 一般如果采用强脱氧剂a l 时，成生的脱氧产物a 1 ：如部分为杂质残留在钢液中， 需要加入c a 或者c a s i 对钢液进行钙化处理，变固态脆性铝酸盐为液态钙铝酸盐 ( 1 2 c a o 7 a 1 ：0 。) ，这样夹杂更加易于排除。 3 1 2 影响脱氧的因素 ( 1 ) 渣的还原性 扩散脱氧的依据就是溶质氧在炉渣和钢液之间的平衡关系。所以炉渣是影响脱 氧的关键的因素之一。因此降低炉渣中( f e o + m n o ) 的含量，提高碱度，减弱其氧化 性，可以提高钢中氧向渣中扩散能力。一般如果渣中( f e o + m n o ) 含量过高，可以加 入铝屑或者碳粉还原到3 m 1 以下。 ( 2 ) 脱氧剂 采用沉淀脱氧时，脱氧剂的种类直接影响到脱氧的效果。一般使用强脱氧剂a 1 ， 1 6 0 0 c 时与钢中州4 f 】j = 0 0 2 0 0 5 平衡时h d 】= 0 0 0 0 4 0 0 0 0 8 ，通过添加脱 氧剂铝脱氧，并且使铝在0 0 2 “0 0 5 “”时脱氧效果最好。 ( 3 ) 炉渣吸附脱氧产物的能力 为了促进脱氧反应的进行，必须增大炉渣吸附脱氧产物的能力，降低炉渣中脱 氧产物的活度，所以增大渣量减小渣中a l ：0 3 有易于脱氧，但是渣中h 1 2 ( h 有易于降 低炉渣的粘度，增加炉渣流动性“，增加炉渣和钢液界面的反应动力学条件。所以 a 1 ：0 3 一般控制在合理范围( 2 0 一2 5 ) 之内。 ( 4 ) 吹氩搅拌 第二章钢包炉终点硫控制基础 加入脱氧剂时必须伴随强搅拌，一方面有利用炉渣和钢液界面的接触，增强流 动性和促进反应的进行，另一方面可以促进夹杂物的上浮，净化钢液。 ( 5 ) 包衬材料 采用包衬稳定的材料，有利于吸附杂质。如果包衬不稳定还可能向钢液中输送 氧，增大脱氧的难度。 3 2 脱硫 硫在钢中以f e s 的形式存在，f e s 的熔点为11 9 3 ，f e 和f e s 组成的共晶体 的熔点只有9 8 5 c ，液态的f e 和f e s 可以无限互溶，但在固溶体中溶解度很小，仅 为0 0 1 5 , - 0 0 2 0 ，当钢液中硫含量超过0 0 2 时，在1 1 5 0 1 2 0 0 热加工过程中， 钢受压造成分布于晶界处的晶界破裂，产生“热脆”现象；硫除了使钢的热加工性 能变坏，还会明显降低钢的焊接性能，并在金属焊缝中产生许多气孔和疏松，从而 降低焊接强度，所以，钢液中的硫是非常有害的元素，必须采取措施脱硫【1 8 j9 】。 3 2 1 影响脱硫的因素 精炼炉冶炼过程中主要是利用脱硫剂和钢液中的硫在渣钢间的充分接触，在良 好的热力学和动力学条件下进行化学反应，反应式是1 2 0 】： ( c a 0 ) + s = ( g a s ) + 0 3( 3 3 ) 式中：( c a o ) 、( c a s ) 一一渣中氧化钙和硫化钙 s 、 0 一一钢液中硫和氧 由反应式可以直观知道，要使脱硫反应向右进行，从热力学的角度说必须增大 渣中c a o 含量，降低钢液中 o 】；由于脱硫反应主要是在渣钢之间接触面进行，从 动力学角度而言，要使反应顺利进行，可以增大渣钢之问接触，降低渣的熔点，增 大渣的流动性，降低渣的粘度，同时保证一定的脱硫时问。下面，详细分析影响脱 硫效果的各个因素。 ( 1 ) c a 0 作用 由脱硫反应的方程式知道，脱硫反应就是使钢液中的【s 】进入到渣中，即反应向 右进行。因此，提供足够的c a o 是一个可行的办法。实际上，正是由于c a o 的成 第二章钢包炉终点硫控制基础 本低且脱硫效果好，c a o 成为使片j 最为广泛的脱硫剂。但是同时应陔注意到，脱硫 的主要限制性环节足硫从钢液向渣中转移的速度。影响到脱硫速度的除了反应物的 浓度外，钢液和汝的接触面积，流动性和粘稠度的影响作用也很明显。通过实验得 到当c a o 含量过大时，由于渣的粘度变大，流动性变差，反而不利于脱硫。所以 c a o 应该控制在一定的范围内，现在通常认为5 5 - - 6 0 最有利于脱硫1 2 | - 2 5 j 。 ( 2 ) m 9 0 作用 m g o 是碱性物质，和c a o 一样可以提供o ，和硫具有一定的结合能力，但是 这种结合能力不如c a o 。同时m g o 的不利影响是提高了渣的熔点，特别是m g o 含 量大于6 8 时，使渣迅速稠化，不利于反应的进行。 在渣中含有适当的m g o 作用是减少镁质炉衬向钢液的融解，起到保护炉衬的 作用，一般控制在4 6 为宜1 2 3 1 。 ( 3 ) a 1 ：0 ，作用 a 1 2 0 3 的作用较为复杂，本身是铝作为脱氧剂的脱氧产物，呈酸性，没有脱硫作 用。但是a 1 2 0 3 具有降低渣的熔点的作用。当a 1 2 0 3 3 ) ，初始硫含量在o 0 1 以上的实际生产数据，效果 如下图， 图3 - 3 脱硫率和渣钢比关系图 ( 8 ) 钢液初始硫含量 研究表明，决定终点硫含量的除了渣量，渣碱度，渣中氧化物含量外，钢液初 始硫含量也是决定终点硫的因素。 采用8 0 组实际生产数据，终点硫和初始硫关系图如下： 第二章钢包炉终点硫控制基础 3 2 2 脱硫采取的措施 图3 _ 4 钢液初始硫含量和终点硫含量 ( 1 ) 出钢档渣 由于转炉渣中带有较多的f e o 和m n o ，因此应该采用多种手段如档渣、扒渣 等阻止进入钢包炉的渣量。否则，如果含f e o 和m n o 过多的渣进入钢包炉，不但 会氧化钢液中合金元素，降低合金收得率，同时由于在一定温度下渣中f e o 和m n o 和钢液中【o 】成近似正比关系，不利于脱氧和脱硫。所以，减少带入钢包炉的转炉 渣，才可以更加容易的对渣改质以脱氧脱硫。一般要求采取档渣措施后进入钢包内 的渣量玎 5 k g t 2 5 1 。 ( 2 ) 造高碱度还原性渣 为了使钢包炉具有良好的精炼效果，必须在钢包炉内尽快形成高碱度还原渣。 所以，除了出钢档渣减少带入钢包炉的氧化性炉渣外以外，利用出钢时形成的良好 动力学条件进行渣洗，加入精炼渣料和脱氧剂，对原来炉渣进行改质处理，造成高 碱度还原渣。 出钢时造渣不仅可以降低原来炉渣的氧势，造还原渣，还可以利用出钢造成的 良好动力学条件进行初步脱氧脱硫。 ( 3 ) 预脱氧 预脱氧一般和造渣同时进行，脱氧剂和造渣剂一块加入。预脱氧不但可以部分 第二章钢包炉终点硫控制基础 还原渣中的f e o 和m n o ，降低渣中氧势，利于扩散脱氧，加入脱氖荆s i 、a 1 时还 可以进行沉淀直接脱瓴，创造进一步脱硫的条件。 为了避免使用单一脱氧剂形成固态的高熔点的s i 0 2 和a 1 2 0 3 ，可以采用综合脱 氧。 采用的方法一般是加入强脱氧剂a 1 ，然后加入c a 质脱氧剂进行钙化处理，可 以使脱氧产物a 1 ：o ；成为液态钙铝酸盐夹杂，控制合适的c a 、a 1 含量可以更多的形 成低熔点的12 c a o 7 a 1 2 0 ，而且几种铝酸盐同时生成，相互降低熔点，这类夹 杂在炼钢温度下极易成为液态，且成球状，有利于脱氧产物的迅速排出。 ( 4 ) 吹氩搅拌 钢包炉的精炼特点之一是采用底吹氩搅拌钢液。良好合理的吹氩工艺有利于调 节、均匀钢液温度和成分，加速钢液一渣之间的物质传递和电弧加热产生的热量的 传递，促进钢液的脱氧、脱硫和钢液中夹杂物