精炼(LFVD)工艺优化及开发VD炉脱碳工艺的研究

1、精炼（LF/VD）工艺优化及开发VD炉脱碳工艺的研究随着我国能源和基础设施建设的发展，要求高强度低合金钢板具有较高的屈服强度、良好的焊接性、高的断裂韧性以及低的韧脆转变温度、良好的冷成型性等。而低碳贝氏体钢由于具有高强度、高韧性、焊接性能优良、低成本的特点，故在欧美发达国家广泛应用于油气管线、工程机械、重型汽车、集装箱、造船、桥梁、压力容器等诸多领域。我厂开发出VD真空氧脱碳等新工艺，不仅提高了宽厚板厂的综合技术水平，还确保了WH70、X70、WDB620、X60等低碳高强度贝氏体钢的成功开发，扩大了高技术含量、高附加值产品的范围，增强了企业在市场上的竞争力和影响力。本文就VD真空氧脱碳工艺进

2、行了分析研究。1真空氧脱碳冶金原理真空氧脱碳原理与真空碳脱氧原理是一致的。换句话说，真空氧脱碳是根据真空碳脱氧原理反推出来的一种新的脱碳工艺，它们的区别只在于冶金侧重点不同而已。它服从以下冶金热力学规律：C+O=CO根据冶金学原理，真空下O与C的反应能力随真空度的提高而提高，所以真空过程随着CO分压的降低，钢中富氧与C的反应被重新激活，从而达到降C的目的。以脱氧元素0.1%的质量分数为例，当PCO=10132.5Pa时，C/O反应能力超过Si-O反应能力；当PCO=133.32Pa时，C与O的亲和力又大于Al与O的结合力。另外，由于转炉熔炼时采取强化供氧方式冶炼，氧化末期钢水中总氧含量通常大于

3、10-3。因此利用宽厚板厂现有的VD真空设备，在钢水未经硅、铝等脱氧还原的情况下，进行真空氧脱碳能够使钢中成品w(C)降到0.05%以下。2真空脱碳工艺2.1转炉冶炼工艺显然，在转炉冶炼过程中，增加钢液中的氧含量，对保证VD炉真空氧脱碳的冶炼效果是有利的。同时，为了提高冶炼速度，扩大生产规模，对转炉冶炼操作提出如下要求：(1)降低炉料的配碳量，生铁配入量以20t为宜，同时，须减少炉料中的易氧化元素，如锰钢、渣钢等不允许加入，返回废钢不宜配入过多；(2)提高钢液温度，以增大钢液中氧的溶解度；(3)加大供氧强度，增加供氧量，保证氧压在10kg以上；(4)出钢大包温度大于1600，出钢w(C)<

4、;0.08%。禁止加入任何脱氧剂及渣料。2.2VD真空氧脱碳工艺根据实践经验，把从开抽到破坏真空时间限定为1012min，真空度须达到200Pa250Pa，开抽温度要控制在15901640，真空过程温降为(2.2±0.2)/min，氩气流量控制在200Nm3/h左右。经此处理后，钢水w(C)低于0.01%，从而为保证成品w(C)0.05%打下了基础。在抽真空操作中，进泵速度要均匀平衡，防止钢水剧烈沸腾引起溢渣，真空度达到26.7kPa左右和4kPa左右时，出现两次真空度上升缓慢或停滞现象，说明此时C-O反应剧烈，产生CO较多。2.3LF2VD后期精炼工艺2.3.1LF精炼要求能否在5

5、060min内完成所精炼钢种对LF过程所要求的全部冶金任务，对顺利实现连浇起着决定性的作用。而20min内完成变渣，40min内完成脱硫则更是精炼操作的重中之重。因此，为加快生产节奏，我们对精炼工艺作了如下改进：2.3.1.1对原辅材料的要求真空残氧脱碳后，钢液中仍含有大量的氧，需要进行充分的沉淀脱氧和扩散脱氧。但为减少钢液的进碳量，在进行脱氧操作时，应注意选择使用合适的脱氧剂，如：铝线、铝粉等。对于硅铁粉，要求其w(C)必须小于0.15%，且应适当降低其使用量。对于碳含量高的扩散脱氧剂(如：电石)则禁止使用。2.3.1.2钢水的快速脱氧真空后喂入铝线700850m/炉、Ca-Si块10015

6、0kg/炉。通过强制性强脱氧剂沉淀脱氧，钢水中OT含量实际上已降至比较低的水平，基本上不需再补铝线已可保证成品w(AlT)0.030%，并为快速脱硫创造了条件。2.3.1.3合金化根据出钢量，提前计算所需合金的用量，并准备到位。除Ti等易氧化元素外，其它合金在真空后于精炼位一次性加入。精炼样渣变白，即以上元素被充分还原后，再微调至内控中限，以减少LF控制成分所需时间。2.3.1.4造渣、变渣自然氧脱碳后，炉渣中(FeO)、(MnO)等含量很高，变渣十分困难，渣碱度和流动性不易控制。从生产组织需要出发，须在1520min内将炉渣变白。因此我们按以下方法造渣：石灰加入量12001500kg/炉，m

7、(CaO)m(CaF2)=103，用强扩散脱氧剂变渣。扩散脱氧剂有：金属铝粉200kg/炉、Fe2Si粉50100kg/炉、Ca/Si块100kg，并加强吹氩搅拌，加快扩散传质，保证了1520min内造出理想白渣，这既为脱硫创造了条件，又使得渣中MnO等被还原，便于精确控制钢水成分。2.3.1.5快速脱硫在完成脱氧、变渣操作之后，为脱硫创造了极好的条件，再根据样结果报回后，微调Mn、Ni、Mo、Nb等进入内控中下限。强吹氩搅拌(约150Nm3/h)5min，即总精炼约40min，钢中w(S)0.010%，精炼结束之前强吹氩3min，使钢中w(S)0.007%。2.3.1.6精炼过程碳含量的控制

8、真空氧脱碳后，钢中的w(C)0.01%，为保证精炼过程尽可能不增碳，也必须采取一些措施。(1)送电前在电极处加入一些渣料，因此时钢液面上渣子比较少，电极容易与钢水接触；(2)使用合理的配电制度，电功率的大小影响电弧的长短，影响电极与钢液的接触；(3)随时观察钢液面上有无电极头，在冶炼前尽可能避免电极带头精炼。2.3.2对VD二次真空处理要求第1次真空处理完成真空氧脱碳，保证钢中碳质量分数较低(0.01%)。精炼完成后对钢液进行第2次真空处理，保证钢中的N、H、夹杂物等进一步降低，以提高钢水的纯净度。真空工艺要求：真空度67Pa保持时间大于15min。在真空处理前喂入Ca-Si线300400m，

9、以球化夹杂物。3真空氧脱碳工艺应用近年来陆续开发了WH70、X70、WDB620、X60等低碳高强度贝氏体钢，共计500余炉，成品钢中平均w(C)为0.04%、平均w(S)为0.003%、w(H)在2×10-6左右、w(O)20×10-6、w(N)100×10-6。成品钢中w(C)0.05%的炉次达到86.67%，个别炉次w(C)超过0.06%，主要是因出钢温度低导致精炼时间长造成电极进碳，以及少数原、辅材料碳高，由此说明真空氧脱碳工艺已可以适应冶炼高技术含量、高附加值产品的需要。4存在的问题虽然目前已经解决了低碳高强度贝氏体钢的冶炼问题，但是其双真空生产工艺影响

10、了生产组织及生产效率。采用真空氧脱碳工艺冶炼的钢种连浇率很低，只能连浇3炉(VOD投产后，这一矛盾即可得到解决，连浇炉数可以提高到68炉)，限制了电炉的产量。原因是冶炼时间比较长，每炉钢从电炉出钢到上连铸基本都在3h左右。所以要加强真空氧脱碳工艺研究，如：初炼炉的钢中C和O控制在什么水平，既能使氧脱碳后钢中C和O能够最低，又能后期精炼可快速脱氧，减少精炼时间。对于钢中增碳的问题，需合理控制出钢温度，减少因出钢温度低导致精炼时间长造成电极进碳；加强原辅材料管理，减少原、辅材料进碳，提高C合格率。5结论(1)研究开发了真空氧脱碳工艺，丰富了炼钢手段；(2)真空氧脱碳工艺可以满足冶炼w(C)0.05

11、%、w(S)0.005%的高强度、高技术含量、高附加值钢种的需要；(3)需要进一步加强真空氧脱碳工艺研究，减少精炼时间，提高连铸连浇炉数。0前言宽厚板厂现有120t转炉两台，120tLF精炼炉三台，VD炉一台，RH炉一台，形成了转炉冶炼LF精炼VD处理CC这一具有国际先进水平的生产线。VD炉主要起净化钢液和脱C的冶金效果，在提高最终产品钢板的冶金质量，冶炼低C钢方面发挥着重要的作用。1VD处理对提高钢板冶金质量的作用1.1基本原理根据西维茨定律，一定温度下，气体在钢液内的溶解度与液相面上的气压的平方根成正比。一定真空度下，氢、氧、氮在钢液中的溶解度都有不同程度的降低；通过底吹Ar的强烈搅拌作用

12、和Ar气泡的真空室作用，促使气体从钢液中溢出、夹杂物上浮进入渣中、脱氧、脱硫反应继续进行、钢液成份、温度达到均匀化。1.2脱气钢中气体对钢板质量危害极大，是造成钢板探伤不合的主要原因，特别是氢，当造成“白点”缺陷时必须报废，降低钢中气体含量是提高钢板冶金质量和探伤合格率的必要途径。实际生产中，控制适当的Ar气流量，真空度最低到30Pa，时间达到2025min，气体含量基本稳定在2×10-6左右、全O<20×10-6、N<100×10-6。脱氢率可以达到40%左右，脱氮率可以达到10%15%，继续延长真空时间，气体含量虽可以继续降低，但脱除速度明显减慢，

13、综合考虑各种因素，抽真空时间不宜过长。表1是真空处理前后钢液H含量情况，图1、图2分别是真空处理钢板O、N含量情况。1.3去夹杂真空处理具有明显的去夹杂作用，根据LF精炼过程脱氧程度，喂入AL线和Ca-Si线，调整钢液面上渣子成份，真空处理后钢中的夹杂含量较少，夹杂物形态也得到了控制，图3为真空处理后，钢中夹杂物评级情况，(共26炉，在钢板上取样，按照GB10561-89进行检验、评级)。由图3可以看出，夹杂物评级绝大部分在1级以下，A、B类夹杂较少，C、D类夹杂多在0.51.0级。图3夹杂物评级示意图1.4脱硫真空脱硫原理如下2：S+C+CaOS=CaSS+COS+Si=SiSg真空处理前，

14、控制合适的渣况，真空过程具有很强的脱S作用，脱S率可以达到50%以上。真空处理后，可以确保钢中S不大于0.010%，最低可以达到0.003%。图4为真空处理后钢中S分布情况。图4S含量分布示意图1.5真空处理与钢板探伤合格率钢板探伤合格率受钢种、真空处理、成材方式、压缩比等多方面因素影响，VD炉投用前，通过扩氢退火处理来保证钢板探伤质量，从舞钢几年来的生产实践看，用真空处理代替扩氢处理，钢板探伤合格率可以提高约15%。1.6真空处理与钢板机械性能经真空处理钢板的机械性能普遍优于未经真空处理的钢板，韧性、塑性指标大幅提高，从舞钢几年来的生产实践看，相同轧制条件下，真空处理延伸率平均提高5%，-2

15、0低温冲击平均提高近50J。D级、E级钢真空处理后，性能合格率大幅提高。2真空自然氧脱碳2.1基本原理真空自然氧脱碳是根据真空碳脱氧原理反推出来的一种新的脱碳工艺，它服从以下热力学规律：C+O=CO真空下O与C的反应能力随真空度的提高而升高，从理论上分析，当真空度达到1Torr以下时，C与O的亲和力大于Al与O的亲和力3。电炉冶炼氧化期强化供氧，出钢后钢中总O含量在1000×10-6以上，加上吹Ar的作用，真空条件下，实现氧脱碳是完全可能的。同时真空氧脱碳产物是CO气体，不会污染钢液，且具有一定的去处气体和粘附夹杂的作用。2.2真空自然氧脱碳操作2.2.1电炉冶炼显然，氧化期强化吹氧

16、，增加钢中氧含量，对保证真空自然氧脱碳的冶炼效果是有利的，同时，为了提高冶炼速度，初炼炉操作做了如下调整：1)降低炉料配碳量，减少生铁配入量，同时，减少炉料中的易氧化元素。2)氧化期加大供氧量，保证氧压不小于1.0MPa。3)C<0.08%允许出钢；提高出钢温度，保证出钢后大包测温在1600以上，用以增大氧在钢液中的溶解度；出钢不加任何脱氧剂与渣料。2.3VD操作2.4LF精炼操作真空后钢中仍含有很高的氧含量，要适应钢种质量及现场生产节奏要求，对精炼操作来说，快速变渣、快速脱氧、快速脱硫至关重要，对精炼工艺进行了如下调整后，基本上实现了在60min内完成精炼任务的目标。2.4.1对原、辅

17、材料严格要求VD处理后，钢中C降到了较低的水平，但O含量仍然很高，脱氧剂用量较大，避免精炼过程因各种原、辅材料及合金令钢液大量增碳很重要，实际操作时，通过挑选使用碳含量低的原、辅材料，确保了熔炼分析C0.06%。2.4.2快速脱氧真空后喂AL线约300kg/炉、加Fe-Si块100200kg/炉、Ca-Si块100150kg/炉，通过强脱氧剂强制沉淀脱氧，钢中全O很快降至比较低的水平，同时，也为脱S创造了良好的条件。2.4.3造渣、变渣真空后，炉渣中(FeO)、(MnO)含量很高，炉渣碱度及流动性不易控制，变渣十分困难，而要适应生产组织的需要，需在1520min内将炉渣变白，因此我们采用了如下

18、方法：石灰加入量1.82.0t/炉，用强扩散脱氧剂AL粉、Fe-Si粉、Ca-Si块变渣，加强吹Ar搅拌，加快扩散传质，保证在1520min内造出了理想的白渣，为脱S创造了条件，同时，渣中(MnO)等被还原，方便了精确控制钢水成份。2.4.4快速脱硫完成脱氧、变渣以后，也为脱S创造了极好的条件，强吹Ar搅拌，总精炼时间约40min，钢中S可达到0.010%以下，到精炼结束，钢中S可达到0.004%。2.4.5合金化根据出钢量及目标成份要求，提前计算所需合金总量并准备到位。除Ti、B等易氧化元素外，其他合金真空结束后在精炼位一次性加入，进行合金粗调，渣变白后，视过程成份分析情况再微调至内控中限，

19、Ti、B等易氧化元素在精炼后期进行调整。2.4.6温度控制EAF大包温度，连铸第一包15801620，第二包15801620，第三包以后温度稍高一点即可。真空后温度控制在15501580。2.5真空自然氧脱碳工艺应用2000年完成工艺试验，20012002年陆续开发了WH70、X70、WDB620、X60等低碳高强度钢，共计200余炉，熔炼分析C平均为0.04%、S平均为0.005%、O不大于20×10-6。C0.05%的炉次达到86.67%，个别炉次C含量超过0.06%，主要受出钢温度低导致精炼时间长造成电极进碳及少数原、辅材料碳高所至，由此说明真空自然氧脱碳工艺已可以适应冶炼高技

20、术含量、高附加值产品的需要。3结论1)通过真空处理，钢板纯净度大为提高，钢中H在2×10-6左右、O20×10-6、N100×10-6，提高钢板探伤合格率15%以上，钢板韧性、塑性指标得到改善。2)真空自然氧脱碳工艺可以适应冶炼C0.05%、S0.005%的高强度、高技术含量、高附加值钢种的需要。真空精炼是目前钢铁生产中缩普遍采用的精炼手段，已称为高质量钢生产工艺路线上不可或缺的一部分。在具有真空处理功能的精炼设备中，真空脱气（VD）和真空循环（RH）装置运用最为广泛。RH主要冶金功能是脱碳，目前是国内外生产极低碳或超低碳的主要手段。VD则多被用作钢水的脱氢、脱氮

21、等目的。实际上，VD处理过程同样具有良好的脱碳动力学条件，国外部分钢厂已有采用生产极低碳或超低碳钢的实践，并达到了很好的处理效果，开发VD脱碳工艺，对扩大低碳/超低碳钢的生产能力，以及拓宽品种范围都具有十分重要的意义。关于真空脱碳理论国内外许多学者已做了深入的研究，特别是对RH精炼过程，已提出了许多数学模型，积累了很多经验参数，但在VD脱碳的研究方面还未引起注意，研究成果很少，本工作根据VD处理过程的脱碳机理，建立了钢液流动和脱碳的数学模型，以描述VD处理过程的脱碳行为，为VD脱碳工艺的制定和优化提供依据和指导。VD过程脱碳反应发生在气液两相区的钢液气泡界面、钢液自由表面和熔池内部CO气泡脱碳

22、，总的脱碳精炼效果为其贡献之和；不考核渣金反应，即不考虑熔渣向钢液中进行传氧；假定气泡始终为球形，同一时间吹入的气泡，其上浮过程和脱碳过程相同；不考虑脱碳过程对钢液流动的影响，VD脱碳机理模型Ar气泡脱碳模型VD过程Ar气泡由钢包底部透气砖吹入钢液，在钢液内部形成局部的相对CO的气泡真空，气泡在上浮过程不断发生脱碳反应，与RH过程不同的是VD过程Ar气泡弥散于整个钢包体，而RH过程Ar气泡主要集中在上升管内，Ar气泡脱碳一般都以上升管的一维过程来处理，显然这样的模型无法描述VD过程的Ar气泡脱碳。本工作在Lagrange坐标下描述了但气泡的运动和脱碳过程，继而统计得到Ar气泡的总体脱碳速率。各

23、脱碳机制对VD脱碳过程的贡献VD的脱碳过程主要是依靠钢液内部的CO气泡脱碳；Ar气泡脱碳以及钢液自由表面的脱碳贡献相比较小，钢液内部CO气泡脱碳是与钢液中碳氧的过饱和度相关的，VD处理初期，当真空室的压力降低到一定值时，钢液内部CO气泡脱碳便占据了主导地位，但随着钢中碳、氧含量的降低，钢中碳氧的过饱和度急剧下降，到VD处理后期，三个脱碳机制几乎达到了同一水平，这时脱碳速度变得缓慢，这个结果与文献提供的结论相符。根据VD处理过程的脱碳机理，建立了VD脱碳过程的数学模型，利用该模型可以对不同工艺条件下的VD脱碳过程进行模拟研究，为VD脱碳工艺的制定和优化提供依据和指导。在VD处理初期，随着真空室压

24、力的降低，脱碳速度急剧升高，达到某一最大值后，又随钢中碳氧含量降低而迅速下降，大约处理15min后，脱碳速度已变得很缓慢。VD脱碳过程主要是依靠钢液内部的CO气泡脱碳，氩气泡脱碳以及钢液自由表面的脱碳贡献相对较小。VD装置是一种应用广泛的真空精炼设备，具有良好的脱氢、脱氧、脱碳、脱氮和脱硫等功能。目前，VD装置在高质量钢生产中发挥着重要的作用。在国内，VD处理常用于钢液脱氢和脱氮。实际上，VD处理过程同样具有良好的脱碳条件，国外已有部分钢厂开始采用VD处理来生产极低碳或超低碳钢，而且已获得了很好的处理效果。开发VD精炼脱碳工艺，对扩大低碳或超低碳钢的生产能力，以及拓宽产品范围都具有十分重要的意

25、义。国内外许多学者已对真空脱碳理论进行过深入的研究，并提出了多种数学模型，但对VD精炼脱碳模型的研究还不多。笔者根据VD处理过程的脱碳机理，建立了VD精炼脱碳过程的数学模型，并通过此模型模拟研究了各工艺因素对VD处理过程中钢液脱碳的影响，旨在为VD精炼脱碳工艺的制定和优化提供指导。1数学模型111基本假设脱碳反应发生在气、液两相区的钢液-氩气泡界面、熔池中钢液内部及钢液自由表面。假定气泡始终为球形，同一时间吹入的气泡，其运动过程和脱碳过程相同。112氩气泡表面的脱碳模型氩气泡经钢包底部透气砖吹入钢液，在钢液内部形成局部的相对CO的气泡真空，气泡在上浮过程中不断发生脱碳反应。氩气泡表面的脱碳反应

26、可用动力学关系式来表示，即：113钢液内部CO气泡的脱碳模型在熔池内部，当与钢液平衡的CO分压高于钢液静压力时，钢液内部会自发生成CO气泡，形成CO沸腾区。但形核的数量及分布无法定量计算，因而只能从宏观上考虑。钢液内部CO气泡脱碳速率114钢液自由表面的脱碳模型S包括氩气泡脱碳、钢液内部CO气泡脱碳和钢液自由表面脱碳3个部分。2模拟分析及讨论笔者利用建立的脱碳模型对150t钢包在VD处理过程中的脱碳情况进行了模拟。钢包直径为3m，钢液深度为219m。分别对不同工艺因素：吹氩制度、真空制度、初始碳含量和氧含量，等进行了模拟研究，分析了各工艺因素对VD精炼脱碳过程的影响。211吹氩制度图1为吹氩量

27、QAr对VD精炼脱碳过程的影响。可见，增加吹氩量可以在一定程度上提高VD精炼脱碳速率，降低钢液的终点碳含量Ce。一方面，氩气泡本身具有一定的脱碳能力，同时，吹氩的搅拌作用能加速碳、氧由钢液侧向反应区域的传递。但在VD处理初期，由于钢液中碳、氧含量较高，脱碳速率较快，大量的CO气泡与氩气共同作用，会加剧熔池的沸腾，如果吹氩量和真空度控制不当，容易造成钢液喷溅或溢渣。因此，建议采用先低后高的吹氩制度，这样既不会影响总的脱碳速率，又能降低终点碳含量。212真空制度21211真空度图2(a)给出了真空室压力对VD精炼脱碳过程的影响。可见，真空室压力pV对VD精炼脱碳过程的影响非常显著：一方面，真空度直

28、接影响VD的脱碳速率。真空度愈高，即真空室压力愈小，脱碳速率愈快；另一方面，从碳2氧反应的热力学角度分析可知，真空度也决定了VD处理后钢液的最终碳含量。当pV=2616kPa时，钢液的碳氧积为010006，假设钢液中氧含量为0104%，则对应钢中的平衡碳含量为01015%。因此，要满足碳含量不超过0.015%的要求，就必须降低真空室压力。从图2(a)的模拟结果可以看到，当pV=2616kPa时，处理25min后，钢液的最终碳含量只能达到010165%；当pV=01133kPa时，处理25min后，钢液的最终碳含量可以达到010034%。显然，降低真空室的压力对VD精炼脱碳是相当有利的。但是，真

29、空度过高也容易造成钢液喷溅或溢渣。因此，只有在工艺条件(炉渣特性和钢液碳、氧含量等)及设备条件(钢包自由空间和真空泵的抽气能力等)都允许的情况下，才能使真空室的压力维持在较低的水平。21212抽真空速度图2(b)给出了抽真空速度对VD精炼脱碳过程的影响。笔者计算了3种降压时间(真空室由1个大气压降到01133kPa所需的时间)下的脱碳过程，可见，抽真空速度对脱碳速率影响较大，特别是在VD处理的初期，抽真空速度快，即降压时间短，很快就能获得较大的脱碳速率，缩短VD处理周期，对脱碳过程有利。但高真空度容易造成钢液喷溅或溢渣。因此，提高抽真空速度时，还应考虑实际工艺条件和设备条件，避免钢液喷溅或溢渣

30、。213初始氧含量及初始碳含量图3(a)示出了钢液初始氧含量O0对VD精炼脱碳过程的影响。可以看出，钢液初始氧含量对脱碳过程的影响很大。笔者计算了4种氧碳比O0/C0情况下钢液的脱碳速率，当O0=0104%，O0/C0=1时，钢液中的氧不能完全满足脱碳的需要，因为碳2氧反应的氧碳比应该为4/3。因此在脱碳末期，由于氧含量不足而无法继续脱碳。当碳含量降到0101%时，钢液中碳和氧的含量已接近平衡，提高氧碳比后，脱碳速率显著提高，钢液的终点碳含量Ce也明显降低。但当氧碳比大于2后，再提高钢液的初始氧含量，对脱碳速率的影响不大，此时脱碳反应主要受碳扩散的限制。另一方面，钢液的初始氧含量越高，脱碳结束

31、后，钢中残余氧含量就越大，消耗的脱氧剂也就越多，这不仅会增加成本，也容易使钢液纯净度下降。因此，在能保证脱碳速率和终点碳含量的前提下，应尽量降低终点残余氧含量。从碳2氧反应热力学分析可见，当真空室力pV=01133kPa时，终点残余氧含量Oe，r=0101%0102%时，就可以使钢液的终点碳含量达到01003%左右，即钢液的初始氧含量按式(5)控制，基本上就可以满足VD精炼脱碳的要求。必要时还可以通过调整渣的成分来增加钢液氧含量。O0=1133C0+Oe，r(5)式中，Oe，r=0101%0102%。图3(b)给出了钢液初始碳含量C0对VD精炼脱碳过程的影响。可以看到，在初始氧含量相同的情况下

32、，初始碳含量越高，则初始脱碳速率越大，但在脱碳处理的中后期，脱碳速率与初始碳含量的关系不大，初始碳含量越高，处理结束时，钢中碳含量也就越高。但是，如果能够很好地控制钢液的初始氧含量，则初始碳含量对整个VD精炼脱碳过程的影响不大。因此，只要吹炼结束时钢液的氧碳比能够满足后续VD处理的需要，不必将初炼炉中钢液的碳吹至很低，以减轻初炼炉的负担。3结论(1)加大吹氩量能在一定程度上提高VD处理过程中钢液的脱碳速率，但效果不显著，而且吹氩量过大时，容易造成钢液喷溅或溢渣(尤其在脱碳初期)。因此，建议采用吹氩量先小后大的吹氩制度。(2)真空度对VD精炼脱碳过程的影响很大，在工艺条件和设备条件允许的情况下，

33、提高抽真空速度，降低真空室压力有利于钢液脱碳。(3)钢液初始氧含量对VD精炼脱碳过程的影响很显著。钢液初始氧含量的控制应根据钢中碳含量而定，分析表明，如果钢液的初始氧含量按式(6)控制，基本上就能满足VD精炼脱碳的要求。必要时，还可以通过调整渣的成分来增加钢液氧含量。精炼系统工艺优化前言钢的纯净度对钢铁制品性能影响极大，因此如何运用二次冶金手段，完善精炼工艺过程，提高钢的纯净度，减少钢中非金属夹杂物，已成为冶金工作者必须认真解决的问题。钢包精炼炉，具有加热升温、合金微调、造渣精炼、电磁搅拌、吹氩搅拌及真空脱气功能。通过对脱氧、脱硫、去夹杂等工业性试验研究，不断完善精炼工艺，已使高碳钢中T.O&

34、lt;15*10-6、钢中的硫【S】0.010%、夹杂总量为0.0023%。精炼工艺流程及其冶金原理精炼工艺流程精炼处理工艺流程为：初炼钢水除氧化渣（加渣料造新渣）加热处理（加热、合金微调、白渣精炼）真空精炼（脱气、去夹杂）复合终脱氧净化搅拌浇铸。、主要工艺环节的冶金原理在上述流程中，涉及到三个主要工艺环节，即加热造渣精炼、真空处理、复合终脱氧，各工艺环节的冶金功能及如何衔接是精炼工艺完善的保证。造渣精炼理论钢包精炼炉的特点之一是可以保持炉内还原气氛，精炼工艺流程中保证了在初炼钢水注入精炼包时，避免了氧化渣的进入。造渣精炼的目的就是通过造高碱度、高还原性的炉渣进一步脱除钢中硫、氧。熔渣的脱氧能

35、力决定于熔渣的aFeO，其对钢液的脱氧反应式为：真空脱气原理、钢液中碳脱氧反应式为：由于碳的脱氧产物是CO气体，在体系降低压力后，平衡向产生CO的方向移动，使碳的脱氧能力提高。通过计算可知，真空下碳的脱氧能力很强，当气相压力降低至1.013*104Pa时，碳的脱氧能力将超过硅，继续降低压力至133pa时，碳的脱氧能力大于铝。但是，在实际情况下，钢液中的碳的脱氧能力随着压力的降低而提高是有一定限度的，因此将真空脱氧的压力控制在10133203pa即可。硅铝钡终处理Si-Al复合脱氧剂的脱氧产物主要为3Al2O3-2SiO2或Al2O3。在钢液中【O】含量较高时脱氧产物主要为3Al2O3-2SiO

36、2，而随着氧含量的降低脱氧产物以Al2O3为主。在Si-Al复合脱氧剂的基础上引入钡，形成Si-Al-Ba复合脱氧剂，钡的高沸点优于钙和镁，钡的作用主要表现为对夹杂物的变性处理，即降低夹杂物的熔点、改变夹杂物的形状和尺寸、使夹杂物分布均匀。因此，含钡合金应用于炼钢中，除能减少铝的消耗外，还能改变钢中夹杂物的形态及结晶组织的弥散度和均匀性，减少钢中夹杂物的含量，净化钢液，从而提高钢的质量、优化使用性能。冶金效果及分析加热造渣精炼，加热处理过程中，为了降低渣中（FeO），在合金微调结束后，使用碳粉及硅铁粉作为还原剂，开始造还原渣，还原1015min后，炉渣转为白色。加热全过程均采用电磁搅拌。根据炉

37、渣的离子理论，高碱度的炉渣为脱硫提供了大量的（O2-），高还原性的炉渣为脱硫减少了【O】，因此使反应正向进行，进一步脱除钢中硫。真空处理真空处理的真空度为66.7pa，真空保持时间为1015min，真空处理过程中采用吹氩搅拌，氩气量为50100vL/min，真空处理后。全氧含量升高，这是因为真空处理时，压力的降低使碳氧反应激烈进行，加之有氩气体的搅拌，钢包内发生强烈的沸腾，钢液在进行渣洗，此时钢液接触面最大，脱氧、脱硫的动力学条件得到充分改善，还原后的炉渣在真空处理时仍有一定的脱氧、脱硫能力所以真空处理前后（FeO）含量升高，钢中硫【S】和T.O均降低。但试验发现，真空处理时间是有一定限制的，

38、当时间过长时钢中的氧量将有所增加。随着真空处理时间的延长，钢中氧含量不断降低；但当真空处理时间超过10min后，钢中氧就基本稳定不变，而且随着真空处理时间的进一步延长，钢中氧还略有增加。这是因为，在真空碳脱氧初始阶段，有大量的气泡出现，57min后，气泡明显减少，约10min后，气泡很少，脱氧反应基本结束，此时，如果继续进行真空处理，由于耐火材料在真空条件下发生分解反应，分解产生的氧溶入钢液中，造成钢中氧含量增加。合适的处理时间为1015min。在精炼条件下，脱氧过程就是夹杂物的去除过程，一般可将。可见精炼时间越长，钢中氧含量越低，即通过有效的搅拌和足够的精炼时间，可以使Al2O3上浮去除，从

39、而降低钢中的氧含量。精炼系统工艺优化在一炉钢的精炼过程中，各工艺环节的合理衔接是充分发挥精炼炉的各种功能，提高工作效率，经济效益和产品质量的保证。从初炼钢水到精炼结束时TO及【S】的变化如图所示。真空处理过程钢中全氧下降最多，这不光得益于真空碳脱氧，而且由于在真空处理过程中同时进行吹氩搅拌，钢渣反应面积加大，精炼渣与钢液混冲，产生良好的渣洗反应，但良好渣洗的前提是渣中（FeO）必须低，试验表明渣中（FeO）0.80%时为好。因此，为了取得良好的脱氧效果，必须加强LF处理过程的还原操作，尽量降低（FeO）。终处理是进一步降低钢中氧的关键，延长终处理后的净化搅拌时间对脱氧有利，但考虑到搅拌过程的温

40、降，必须确定一个适当的净化搅拌时间。脱硫贯穿于整个精炼过程，除了降低（FeO），提高渣的碱度外，良好的搅拌十分必要，对于只进行LF处理，不真空处理的钢种，为了降低钢中的硫含量，可以增加吹氩搅拌，吹氩搅拌较之于电磁搅拌钢渣混合更好，钢渣反应面积更大。通过精炼炉的生产实践和各工艺环节的不断优化，得到以下结论，加热造渣精炼、真空处理、复合终脱氧这些工艺环节均具有良好的脱氧、脱硫、去夹杂的热力学条件。通过完善精炼工艺，配好渣料，充分发挥底吹氩和电磁搅拌的冶金功能，创造了良好的动力学条件。优化的精炼工艺组合是：避免初炼钢水注入精炼包时带入氧化渣，加热造渣精炼结束时确保渣中（FeO）<0.80%，真

41、空处理时间为1015min，加入Si-Ba-Al终处理后，应有10min的净化搅拌时间，并选择合理的搅拌气量。众所周知，硫在钢中是以FeS和MnS形式存在的。在钢液凝固过程中，由于选分结晶被推向钢液内部或上部，形成硫的偏析。FeS在晶界上呈网状分布，MnS在压力加工过程中沿变形方向延伸呈线、链状分布。由此引起产品三向性能的显著差异，从而恶化了钢材的塑性和沿厚度方向的断面收缩率，使得钢的制品受各种复杂应力作用而破坏。尽管硫对钢的危害，无论是理论上还是实践中都已认识清楚，但是由于国际上通行的标准中对硫的要求往往不高，例如美国AAR标准对铁道用钢硫的要求是0.040%(质量百分数)，这对于现在一般的

42、炼钢工艺都不难达到，因此，很容易使炼钢工作者对其脱硫的工作不很重视，以为只要满足其标准即可。事实上，在国外生产的钢中，硫的控制大大低于标准要求，以期炼出超低硫钢，来全面改善和提高产品的性能。因此研究炼钢过程脱硫问题仍然是一项极有价值的工作。本文主要对马钢90tLF-VD精炼炉的脱硫工艺进行研究，揭示各阶段硫的变化情况以及影响脱硫的主要因素，为提高炼钢产品的质量提供必要保证。2工艺流程及操作要点工艺流程：出钢倒包站真空站静化搅拌出站浇钢各工艺过程的操作要求如下。出钢：加Si、Mn、C、Al等元素进行预脱氧和合金化；倒包：采用大水口倒包，并加入石灰、萤石等造渣材料；加热(LF)：造渣、脱氧、电磁搅

43、拌、成分微调；真空(VD)：真空度<100Pa，搅拌(电磁搅拌、吹氩搅拌)；净化：加入Ca类合金，并搅拌净化。3试验结果及数据处理3.1精炼过程各阶段脱硫情况精炼过程分4个阶段。倒包阶段：出钢到LF取第一个钢样；LF阶段：LF取第一个钢样至LF结束；VD阶段：LF结束至真空结束；净化阶段：真空结束终脱氧浇注。根据160炉生产数据统计结果见表1表3。表1精炼过程中各阶段钢中硫含量(w)%项目原始硫含量倒包后硫含量LF结束硫含量真空后硫含量终点硫含量Min0.0170.0110.0080.0040.002Max0.0410.0320.0290.0220.019均值0.0290.0210.01

44、70.0110.009表2精炼过程中各阶段钢中硫的去除值(w)%项目倒包S1LFS2VDS3净化S4Min0000Max0.0150.0090.0160.006均值0.0080.0030.0060.002、表3精炼过程中各阶段脱硫所占百分比%项目倒包S1LFS2VDS3净化S4Min0000Max88456432均值401731123.2顶渣碱度与脱硫关系通过研究发现，在现有的渣系和操作工艺条件下，钢中硫含量和炉渣碱度有一定的关系，对顶渣碱度Rw(CaO)w(SiO2)和成品钢中硫含量的有关数据进行回归分析，结果表明：硫含量同R存在显著的线性关系。硫含量和R的线性回归方程为：w(S)×

45、;105=-9.91R+34.50，相关系数为r=0.815。成品钢中硫含量和顶渣碱度的关系见图1。3.3钢中酸溶铝与脱硫关系通过研究大量的工业数据发现，在当前的精炼操作工艺条件下，钢中硫含量和钢中酸溶铝存在一定的关系，对钢中酸溶铝和成品钢中硫含量图1成品钢中硫含量和顶渣碱度的关系的有关数据进行回归分析，结果表明：w(S)同钢中Als存在明显的线性关系。它们的相关系数为r=0.72，线性回归方程为w(S)×103=-3.22w(Als)+20。成品钢中硫含量和钢中酸溶铝的关系见图2。图2成品钢中硫含量和钢中酸溶铝的关系4分析与讨论4.1倒包阶段脱硫倒包工艺虽然有温降大的缺点，但它的优

46、点是除渣干净。马钢现在所采用的倒包工艺是通过滑动水口装置将钢水从普通钢包倒入精炼专用钢包。在倒包过程中，一方面把氧化性炉渣彻底清除；另一方面不断地向精炼炉加入石灰、萤石等造渣材料，来满足精炼工艺的需要。这样倒包过程实际上就是钢水与固体渣的渣洗过程，其过程的主要脱硫反应为：(CaO)+S=(CaS)+O(1)K=(CaS)O(CaO)S(2)式中K反应平衡常数活度由于倒包过程要持续15min左右，石灰的加入量为钢水重量的1%，这样大量的CaO和CaF2共同作用生成一种较强的脱硫渣系，而且钢水通过出钢过程脱氧反应，有利于反应向脱硫方向进行；同时由于钢水在倒包过程中落差>2m，其冲击搅拌作用很

47、大，为脱硫反应提供了良好的动力学条件，更加有利于深度脱硫。表1、表2、表3给出的结果表明：倒包过程脱硫反应是最剧烈的，倒包阶段的脱硫值是几个阶段中最显著的，其脱硫值占全过程脱硫量的40%。4.2LF工位脱硫从工艺流程来看，LF阶段是石灰熔化成渣期，炉渣碱度Rw(CaO)w(SiO2)在23之间，同时采用电炉造白渣技术，(FeO)控制在0.5%左右，而且在顶渣溶化完毕后，向钢水中加入一定量的铝，进一步脱氧，使得钢液处于良好的脱氧状态。因而钢中的溶解氧的含量将主要由铝含量控制，其反应式如下：2Al+3O=(Al2O3)(3)K=(Al2O3)Al·O(4)2Al3O=4.3×1

48、0-14(5)由此可算得钢液中Al与O的关系如表4所示，其根据实测结果钢中的O浓度基本上与理论值相一致。表4钢水中的Al与O关系项目数值Al0.010.020.030.04O×10-67.54.83.63在处理过程中，渣中的CaO与Al及S的反应可用下式表示：(CaO)+23Al+S=(CaS)+13(Al2O3)(6)即：随着加热过程的进行，精炼顶渣的碱度不断提高并趋于稳定，对脱硫作用将渐趋重要。测试结果表明，随着顶渣碱度的提高，钢中硫不断降低；随着钢中Als含量的提高，成品中的硫含量下降。表1中给出的结果是LF工位的脱硫率仅占精炼过程总脱硫率的17%，位于第三。这是因为脱硫反应主

49、要在钢渣界面进行，尽管钢液在电磁力的作用下进行全过程搅拌，但搅拌强度不大，钢-渣界面的混合程度比起倒包时的冲击搅拌差，虽然热力学条件优于倒包过程，但动力学条件不如倒包过程，动力学条件成为制约脱硫反应进行的关键因素。4.3VD工位的脱硫从表(1)可以看出：2030min内真空处理后的脱硫率占全过程脱硫的31%，说明了在真空条件下脱硫效果是良好的。这种良好的脱硫作用基于以下两方面因素：一是精炼过程的热力学条件变化；二是动力学条件的改善。在LF状态下，钢中氧受Als控制，但在VD状态下，钢中的氧主要受钢中碳控制：(CaO)+S=(CaS)+O(7)C+O=CO(8)(CaO)+S+C=(CaS)+C

50、O(9)在真空状态下的CO分压将明显降低，反应向脱硫方向进行，而且CO气体被抽走之后，逆反应将大大减少，其脱硫过程将会加速。文献1中给出了VD处理过程中钢中C、O、PCO的关系式：C·OPCO=1.974×10-5当渣层厚度为0.10m，真空度为67Pa，PC=0.0274Pa时，C与O的关系见表5。表5C与O的关系项目数值C1.000.700.500.200.10O×10-60.540.771.082.705.40通过表4与表5的比较，不难发现在真空状态下，中、高碳钢将由碳控制钢中的氧。随着真空度的提高和真空时间的延长，钢中氧的不断降低，为进一步降低钢中硫提供了

51、有利的热力学条件。在精炼操作中，由于钢中含硫量较低，则脱硫反应的限制性环节是硫在钢中的传质速度，反映脱硫速度的公式为2：dw(S)dt=-KFVw(S)-w(S)Ls在有气体搅拌的条件下K值为：K=500DsQF12(11)式中K表观脱硫常数F平静时的钢-渣界面积m2V钢水体积m3Ds钢水中硫的扩散系数m2·s-1Ls硫在渣-钢间的分配系数Q通过界面的实际气体流量m3·s-1t时间sw(S)钢中硫含量%w(S)渣中硫含量%由式(10)可见，在精炼过程中影响脱硫速度的因素的确很多，但是就具体的一炉钢而言，钢渣界面积和钢水体积波动不大。由式(11)知表观常数值的大小取决于单位时

52、间通过界面的实际气体流量。在VD条件下，Q值不仅取决于底吹氩的大小，而且取决于CO反应生成CO量的多少。前者由工艺设定值决定，供氩气量越大，钢水搅拌越强烈，钢渣混合程度就越好，脱硫反应界面积越大，脱硫速度就越快；而影响后者的因素是多方面的，首先与真空度有关，真空度越高，CO反应就越易进行，生成的CO气泡就越多，这种CO气泡首先在罐壁生成，继而扩散到罐底，使整个精炼包内的钢水活动异常活跃，从而大大增加了钢渣反应面积，使脱硫反应得以迅速进行，其次与钢水中的含氧量有关，氧越高，CO反应就越激烈，这样随着CO反应的进行，氧不断降低，脱硫的热力学条件随之改善，同时由于CO反应的进行，CO气体的上浮引起的

53、搅拌，又进一步改善了硫在钢水中的传质，使得脱硫过程进一步加速，其三与钢水中的含碳量有关，随着含碳的减低，氧含量相对增加，这就是20min的真空脱硫效果比1hLF工位脱硫效果好，并且还要高出近一倍的主要原因。4.4净化阶段的脱硫净化阶段是由终脱氧和净化搅拌两步骤组成，其脱硫比率占总脱硫值的12%，本工艺采用的终脱氧剂是由含钙类合金来完成的。含钙类的合金不仅具有深脱氧能力，而且有深度脱硫的作用，其反应方程式为：Ca(g)+S=CaS(12)G°=-136380+40.94T(13)在使用钙合金后，其强大的脱氧能力进一步促进了脱硫反应的进行。图33是钙和铝的加入对钢中氧含量的影响。当w(A

54、l)=0.020%时，所对应的w(O)=0.007%。当加入钙后，钢中氧立刻降为0.0006%，这样脱硫的热力学条件得以改善。同时不能忽略净化搅拌的作用，不推开渣面的气体搅拌和电磁搅拌的作用表现为两个方面：一方面净化搅拌使钙在钢水中得以扩散均匀，使脱氧反应向平衡态接近；另一方面钙和硫反应生成的CaS，在搅拌过程中上浮，排除到浮渣中，从而促进Ca的脱硫反应持续进行。5结论通过对精炼炉脱硫工艺的研究，可以得出以下结论：(1)钢包精炼的各阶段脱硫情况是有差异的，这是因为各阶段脱硫反应的热力学条件和动力学条件不同引起的；(2)顶渣碱度和钢中酸溶铝与钢中硫含量有明显的线性相关性；(3)利用LFVD精炼手段冶炼低硫钢是可行的，但必须为各阶段创造有利的脱硫条件，让其条件充分发挥作用，并要重视协调好各阶段的关系。济南钢铁股份有限公司第三炼钢厂(简称济钢第三炼钢厂)生产线是一条新建的生产线，设计120t转炉3座，配LF/VD1座，LF精炼炉2座，中厚板坯铸机1