1、LF精炼工艺技术精炼工艺技术 主要内容主要内容n1.1.概述概述LFLF炉的主要功能炉的主要功能n2.LF2.LF炉的设备和特点炉的设备和特点 n3.LF3.LF炉精炼工艺制度炉精炼工艺制度n4.LF4.LF炉热效率的理论分析炉热效率的理论分析n5.5.电极消耗研究电极消耗研究n6.LF6.LF精炼与钢种精炼与钢种LF（Ladle Furnace）钢包精炼法钢包精炼法开发：开发：1971年日本大同制钢的大森厂开发的年日本大同制钢的大森厂开发的我国：我国：1981年上钢五厂第一台年上钢五厂第一台LF炉投产炉投产1、概述、概述LF钢包精炼炉设备示意图钢包精炼炉设备示意图 Ar电源电源铁合金铁合金渣
2、料渣料LFLF炉作用：炉作用：电弧加热电弧加热造渣：脱硫、脱氧、吸造渣：脱硫、脱氧、吸收夹杂物收夹杂物吹氩搅拌吹氩搅拌合金化和成分调整合金化和成分调整喂线和夹杂物变性处理喂线和夹杂物变性处理LF实物照片实物照片LF炉的主要功能炉的主要功能 （1）还原气氛）还原气氛 LF炉本身不具备真空系统，但由于钢包与炉盖密封，炉本身不具备真空系统，但由于钢包与炉盖密封，隔离空气，加热时石墨电极与渣中隔离空气，加热时石墨电极与渣中FeO、MnO、Cr2O3等等反应生成反应生成CO气体，使气体，使LF炉内气氛中氧含量减少。炉内气氛中氧含量减少。精炼过程通过扩散脱氧和沉淀脱氧造成钢液的还原条精炼过程通过扩散脱氧和
3、沉淀脱氧造成钢液的还原条件件,可以进一步脱氧、脱硫及去除非金属夹杂。可以进一步脱氧、脱硫及去除非金属夹杂。（2）氩气搅拌）氩气搅拌 氩气搅拌加速钢氩气搅拌加速钢渣之间物质传递，有利于钢液脱渣之间物质传递，有利于钢液脱氧、脱硫反应。氧、脱硫反应。吹氩可以加速吹氩可以加速Al2O3夹杂物上浮速度，在密封的夹杂物上浮速度，在密封的LF炉，吹氩炉，吹氩15min后，可使钢中大于后，可使钢中大于20m的的Al2O3夹杂基本夹杂基本清除。清除。（3）埋弧加热）埋弧加热 LF炉三根电极插入渣层中进行埋弧加热，这种方炉三根电极插入渣层中进行埋弧加热，这种方法辐射热小，对炉衬有保护作用，热效率高，浸入渣中法辐射
4、热小，对炉衬有保护作用，热效率高，浸入渣中石墨与渣中氧化物反应为：石墨与渣中氧化物反应为：C+FeO=Fe+CO C+MnO=Mn+CO 2C+WO2=W+2CO 5C+V2O5=2V+5CO 上述反应不仅提高了渣的还原性，而且还提高合金上述反应不仅提高了渣的还原性，而且还提高合金回收率，生成回收率，生成CO使使LF炉内气氛更具还原性。炉内气氛更具还原性。（4）白渣精炼）白渣精炼 LF炉操作中通过对炉渣强化脱氧形成白炉操作中通过对炉渣强化脱氧形成白渣，由于渣对钢液中氧化物的吸附和溶解，渣，由于渣对钢液中氧化物的吸附和溶解，达到钢液脱氧效果。达到钢液脱氧效果。(无污染脱氧方法无污染脱氧方法)LF
5、炉由于有温度补偿，吹氩强烈搅拌，炉由于有温度补偿，吹氩强烈搅拌，随渣中碱度提高，硫的分配比增大，可炼出随渣中碱度提高，硫的分配比增大，可炼出低硫钢或超低硫钢。低硫钢或超低硫钢。目前国内外冶炼低硫钢和超低硫钢时渣目前国内外冶炼低硫钢和超低硫钢时渣中（中（FeO+MnO）的理想控制范围是小于）的理想控制范围是小于0.5%。2、LF炉的设备和特点炉的设备和特点 A 炉体炉体 LF炉的炉体是一个钢包，但与普通的钢包有所不炉的炉体是一个钢包，但与普通的钢包有所不同。同。这种钢包的上口有水冷法兰盘，通过密封橡皮圈这种钢包的上口有水冷法兰盘，通过密封橡皮圈与炉盖密封，以防止空气的侵入。与炉盖密封，以防止空气
6、的侵入。当钢包用于真空处理时，还要求其外壳用钢板按当钢包用于真空处理时，还要求其外壳用钢板按气密焊接条件焊成。气密焊接条件焊成。钢包底部有出钢用的滑动水口及吹惰性气体的钢包底部有出钢用的滑动水口及吹惰性气体的透气砖。透气砖。LF炉钢包内熔池深度炉钢包内熔池深度H与熔池直径与熔池直径D之比是钢包设计时必须要考虑的因素。之比是钢包设计时必须要考虑的因素。一般精炼炉的熔池深度一般精炼炉的熔池深度H都比较大。都比较大。从钢液面至钢包口的距离称为从钢液面至钢包口的距离称为钢包炉钢包炉的自由空间的自由空间，对非真空处理用的钢包，自，对非真空处理用的钢包，自由空间的高度小一些，一般为由空间的高度小一些，一般
7、为500600mm；在真空处理时必须达到在真空处理时必须达到10001200mm。钢包炉的钢包炉的H/D比值影响钢液搅拌效率、比值影响钢液搅拌效率、钢渣接触面积、包壁渣线带的热负荷、包钢渣接触面积、包壁渣线带的热负荷、包衬寿命及热损失等。衬寿命及热损失等。日本不同容量日本不同容量LF炉的炉的H/D值值 LF炉容量炉容量/t20305060150实际装入量实际装入量/t13/2318/3345/5060100/150钢包尺寸钢包尺寸外径外径/mm内径内径D/mm总高总高/mm内高内高/mm 2200167623002019 2400194825002195 2924243030402770 26
8、00207031502740 3900316443304000熔池深度熔池深度H/mm12601402134823402754H/D0.750.720.491.130.87B LF炉炉盖炉炉盖 LF炉炉盖是水冷的。这是为了保持钢包内的强炉炉盖是水冷的。这是为了保持钢包内的强还原性气氛；防止钢包散热及提高加热效率而设置还原性气氛；防止钢包散热及提高加热效率而设置的。的。炉盖内层衬有耐火材料。为了防止钢液喷溅而引炉盖内层衬有耐火材料。为了防止钢液喷溅而引起的炉盖与钢包包体的粘连，在炉盖下还吊挂一个起的炉盖与钢包包体的粘连，在炉盖下还吊挂一个防溅挡板。防溅挡板。整个水冷炉盖在四个点上，用可调节的链钩
9、悬挂整个水冷炉盖在四个点上，用可调节的链钩悬挂在门形吊架上，吊架上有升降机构，可根据需要，在门形吊架上，吊架上有升降机构，可根据需要，调整炉盖的位置。调整炉盖的位置。在炉盖上还设有合金加料口、渣料加料装置及测在炉盖上还设有合金加料口、渣料加料装置及测温或取样装置。温或取样装置。C 电弧加热装置电弧加热装置 LF炉所用的电弧加热系统，与炼钢电炉所用的电弧加热系统，与炼钢电弧炉相同。弧炉相同。由三根石墨电极与钢液间产生的电弧由三根石墨电极与钢液间产生的电弧作为热源。作为热源。故加热设备也与电炉基本相同，其不故加热设备也与电炉基本相同，其不同之处是同之处是LF炉内无熔化过程，而且采用的炉内无熔化过程
10、，而且采用的是埋弧加热方法，所以与电炉相比，可采是埋弧加热方法，所以与电炉相比，可采用更低的二次电压。用更低的二次电压。D 加料装置加料装置 LF炉一般在加热工位的炉盖上设合金及炉一般在加热工位的炉盖上设合金及渣料料斗，通过每个料斗下的导向阀，定量渣料料斗，通过每个料斗下的导向阀，定量地加入所需的合金或渣料。地加入所需的合金或渣料。在有真空系统的在有真空系统的LF炉，一般在真空盖上炉，一般在真空盖上设合金及渣料的加料装置。设合金及渣料的加料装置。其结构基本上同加热时所用的，只是在其结构基本上同加热时所用的，只是在各接头处均需加上真空密封阀。各接头处均需加上真空密封阀。E 除渣装置除渣装置 LF
11、炉精炼功能之一，是靠还原性白渣精炼。为炉精炼功能之一，是靠还原性白渣精炼。为此，在此，在LF炉精炼之前，将氧化性炉渣必须除掉。因炉精炼之前，将氧化性炉渣必须除掉。因此，此，LF炉必具备除渣的功能。炉必具备除渣的功能。除渣的方式除渣的方式有两种：有两种：1）当当LF炉采用多工位操作时，可在放钢包的钢炉采用多工位操作时，可在放钢包的钢包车上设置倾动、扒渣装置。当钢包车开到扒渣工包车上设置倾动、扒渣装置。当钢包车开到扒渣工位时，即可进行扒渣操作。位时，即可进行扒渣操作。2）如果如果LF炉采用固定位置，炉盖移动形式时，炉采用固定位置，炉盖移动形式时，则需把钢包倾动装置设在则需把钢包倾动装置设在LF炉底
12、座上，在精炼前先炉底座上，在精炼前先扒渣，加新渣料，再加热精炼。扒渣，加新渣料，再加热精炼。F 喷粉装置喷粉装置 LF炉精炼时常采用喷粉设备对钢液进行脱硫、炉精炼时常采用喷粉设备对钢液进行脱硫、净化及微合金化等操作。净化及微合金化等操作。喷粉设备包括钢包盖、一支喷粉用的喷枪和滑喷粉设备包括钢包盖、一支喷粉用的喷枪和滑动行程为动行程为4m的粉料分配器。分配器接的粉料分配器。分配器接4个容量为个容量为500kg的粉料料仓。喷粉时对粉料先自动称重及混的粉料料仓。喷粉时对粉料先自动称重及混合，然后通过螺旋给料器送至粉料分配器。合，然后通过螺旋给料器送至粉料分配器。对于对于50t的的LF而言，喷枪总长为
13、而言，喷枪总长为4500mm，其中，其中2 5 0 0 m m 为 可 更 换 部 分，喷 枪 插 入 距 包 底为 可 更 换 部 分，喷 枪 插 入 距 包 底100150mm处进行喷粉处理。处进行喷粉处理。喷 粉 时 采 用 高 纯 氩 气 作 载 气 流，流 量 为喷 粉 时 采 用 高 纯 氩 气 作 载 气 流，流 量 为200400L/min。通常处理时间为。通常处理时间为510min。1）LF钢包炉的容量钢包炉的容量 应根据初炼炉最大容量来选择。应根据初炼炉最大容量来选择。LF钢包炉的钢包炉的大小，还应根据真空、吹氧与否及留有一定的自由大小，还应根据真空、吹氧与否及留有一定的自
14、由空间；空间；2）变压器额定容量变压器额定容量 变压器额定容量的大小主要取决于所要求的升温变压器额定容量的大小主要取决于所要求的升温速度及设备的水准（效率的高低）。速度及设备的水准（效率的高低）。根据根据LF钢包精炼炉的工作特点，由焦尔钢包精炼炉的工作特点，由焦尔楞次楞次定律，推导出定律，推导出LF钢包精炼炉变压器额定容量与钢水钢包精炼炉变压器额定容量与钢水的升温速度的关系如下：的升温速度的关系如下：LF钢包炉几个参数的选择钢包炉几个参数的选择 henCOSCGP60，kVA 式中：式中：变压器额定功率，变压器额定功率，kVA；要求（设计）钢液的平均升温速度，要求（设计）钢液的平均升温速度，/
15、min，一般要求，一般要求35/min；加热升温时间，加热升温时间，min；钢液的比热，钢液的比热，kJ/（kg），一般为），一般为0.820.84kJ/（kg）或）或820840 kJ/（t）；）；6060s/min；nP12TT C变压器额定容量变压器额定容量式中：式中：功率因素，功率因素，一般为，一般为0.750.85 LF装置的电效率，装置的电效率，一般为，一般为0.80.9 LF装置的热效率，一般为装置的热效率，一般为0.3.5。COSnaPPCOSeaarcePPh最大升温能力最大升温能力：CGCOSPhen2.1*602.1max式中：式中：1.2变压器允许过负荷系数变压器允许过
16、负荷系数 国内国内LF钢包炉的变压器一般按每公称吨钢包炉的变压器一般按每公称吨150200kVA选择，在红包出钢的情况下，升温速度为选择，在红包出钢的情况下，升温速度为35/min；国外有的达到；国外有的达到400kVA/t。项目项目40tLF60tLF90tLF100tLF150tLF钢包容量钢包容量/t354555658010080120130170钢包直径钢包直径/mm29003150330035003900钢包高度钢包高度/mm23003000430048004850极心圆直径极心圆直径/mm650650710750750电极直径电极直径/mm350350350400450变压器容量变
17、压器容量/kVA600010000150001600025000加热速度加热速度/min343434343.54.5钢包自由空间钢包自由空间/mm6007008001000800100080010008001000处理周期处理周期/min40904090409040904070LF钢包精炼炉主要技术参数钢包精炼炉主要技术参数 LF炉操作的基本工艺炉操作的基本工艺3 LF的工艺操作制度的工艺操作制度 座包座包吹氩吹氩测温测温取样取样通电通电造渣造渣停电停电测温测温取样取样合金化合金化微调成微调成分分通电通电停电停电测温测温取样取样停氩停氩吊包吊包钢包准备钢包准备初炼炉初炼炉出钢出钢钢包运输钢包运
18、输3.1钢包准备钢包准备（1）检查透气砖的透气性，清理钢包，保证钢包安全；检查透气砖的透气性，清理钢包，保证钢包安全；（2）钢包烘烤至钢包烘烤至1200；（3）将钢包移至出钢工位，向钢包内加入合成渣料；将钢包移至出钢工位，向钢包内加入合成渣料；（4）按照初炼炉最后一个钢样向钢包内加入合金及脱按照初炼炉最后一个钢样向钢包内加入合金及脱氧剂，以便进行初步合金化并使钢水初步脱氧；氧剂，以便进行初步合金化并使钢水初步脱氧；（5）准备挡渣或无渣出钢。准备挡渣或无渣出钢。3.2 初炼炉出钢初炼炉出钢（1）根据不同钢种、加入的渣料量和合金量确定出钢温度。根据不同钢种、加入的渣料量和合金量确定出钢温度。出钢温
19、度应当在液相线温度基础上考虑渣料、合金料的出钢温度应当在液相线温度基础上考虑渣料、合金料的加入引起的温降和加入引起的温降和LF的升温能力，再根据炉容的大小适当增的升温能力，再根据炉容的大小适当增加一定的温度，以备运输过程的温降；加一定的温度，以备运输过程的温降；（2）注意要尽可能完全挡渣；注意要尽可能完全挡渣；（3）需要深脱硫的钢种在出钢过程中可以向出钢钢流中加入需要深脱硫的钢种在出钢过程中可以向出钢钢流中加入合成渣料；合成渣料；（4）当钢水出至三分之一时，开始吹氩搅拌。当钢水出至三分之一时，开始吹氩搅拌。一般一般50t以上的钢包的氩气流量可以控制在以上的钢包的氩气流量可以控制在200L/mi
20、n左右，左右，使钢水合成渣、合金充分混合；使钢水合成渣、合金充分混合；（5）当钢水出至四分之三时将氩气流量降至当钢水出至四分之三时将氩气流量降至100L/min左右，左右，以防过度降温。以防过度降温。3.3 造渣造渣 在炉外精炼过程中，通过合理地造渣，在炉外精炼过程中，通过合理地造渣，1）可以达到脱硫、脱氧、脱磷甚至脱氮的目的；可以达到脱硫、脱氧、脱磷甚至脱氮的目的；2）可以吸收钢中的夹杂物；可以吸收钢中的夹杂物；3）可以控制夹杂物的形态；可以控制夹杂物的形态；4）可形成泡沫渣（或称为埋弧渣）淹没电弧，提高热效率，减可形成泡沫渣（或称为埋弧渣）淹没电弧，提高热效率，减少耐火材料侵蚀。少耐火材料
21、侵蚀。因此，在精炼工艺中，要特别重视造渣。因此，在精炼工艺中，要特别重视造渣。钢包进站后，应尽快造渣、通电升温，促进尽快成渣。以钢包进站后，应尽快造渣、通电升温，促进尽快成渣。以加强精炼效果。加强精炼效果。3.3.1埋弧渣埋弧渣 泡沫渣的作用：泡沫渣的作用：1）提高功率因素，降低吨钢提高功率因素，降低吨钢电耗电耗；2）减少热损失，提高减少热损失，提高热效率热效率（从（从30%提高到提高到60%）；）；3）减少电弧对减少电弧对炉衬炉衬的侵蚀，提高炉衬使用的侵蚀，提高炉衬使用寿命；寿命；4）泡沫渣操作能改善冶炼条件，提高钢液泡沫渣操作能改善冶炼条件，提高钢液洁净度洁净度。LF埋弧精炼有两种方式：埋
22、弧精炼有两种方式：1）靠增大渣量、提高渣厚达到埋靠增大渣量、提高渣厚达到埋弧精炼的目的；弧精炼的目的；2）通过加入发泡剂，使基础渣体通过加入发泡剂，使基础渣体积膨胀、厚度增加，达到埋弧精炼的积膨胀、厚度增加，达到埋弧精炼的目的。目的。影响影响LF炉埋弧渣操作的因素炉埋弧渣操作的因素n电弧长度n炉渣气泡性能（气泡指数：气体在渣中的停留时间）n气源：化学反应，发泡剂LF的弧长与弧电压有关的弧长与弧电压有关,可由下式估算可由下式估算:Larc=(Uarc-)/式中式中:电弧阴极区和阳极区电压降的和，实测值是电弧阴极区和阳极区电压降的和，实测值是1020V，该值随电极和炉渣的不同而改变；，该值随电极和
23、炉渣的不同而改变；弧柱中的电位梯度，弧柱中的电位梯度，V/mm，对，对LF精炼期可取精炼期可取1.1。还有人提出还有人提出1600时碱性渣情况下电弧长度可通过下式时碱性渣情况下电弧长度可通过下式进行计算：进行计算：Larc=(Uarc-9)/8.4 (1)弧长弧长 正常情况下，渣层厚度为弧长的正常情况下，渣层厚度为弧长的两倍时，两倍时，热效率较好热效率较好。LF的渣厚应保持一定的厚度，通的渣厚应保持一定的厚度，通常渣厚达到电弧长的两倍时可常渣厚达到电弧长的两倍时可实现埋实现埋弧弧。(2)衡量炉渣泡沫化的指标衡量炉渣泡沫化的指标炉渣泡沫化指数（炉渣泡沫化指数（foaming Index):ggs
24、ggvLvLvhAQh/,s炉渣总高度减去未吹气时炉渣的高度，炉渣总高度减去未吹气时炉渣的高度，cm；所吹气体流量，所吹气体流量，cm3/s；容器截面积，容器截面积，cm2；气体在炉渣中的表观速度，气体在炉渣中的表观速度，cm/s；气体在炉渣中的实际速度，气体在炉渣中的实际速度，cm/s；泡沫化炉渣的高度，泡沫化炉渣的高度，cm；炉渣中起泡率炉渣中起泡率 。式中：式中：hQgAvgsvgLvQAvgsgg,hL可见，可见，炉渣泡沫化指数为气体穿过泡沫层的平均停留时间。炉渣泡沫化指数为气体穿过泡沫层的平均停留时间。4681012140.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.
25、83.0/s图 炉渣起泡指数与炉渣物性值之间的实验关系206310/038.065.205=0.98634 要使炉渣泡沫化：要使炉渣泡沫化：1）是要保证精炼基础渣有适宜的物理性质，是要保证精炼基础渣有适宜的物理性质，即较大的粘度，较小的表面张力，适宜的碱度。即较大的粘度，较小的表面张力，适宜的碱度。2）要有足够的气源要有足够的气源 A、电极与炉渣反应电极与炉渣反应,氩气搅拌提供一部分氩气搅拌提供一部分气源；气源；B、可通过外加发泡剂产生气体。可通过外加发泡剂产生气体。(3)发泡剂的选择：发泡剂的选择：发泡剂的选择考虑要有良好气源，同时发泡剂的选择考虑要有良好气源，同时又能促进精炼操作。又能促进
26、精炼操作。发泡剂的种类发泡剂的种类：1）碳酸盐：）碳酸盐：常用的有石灰石、白云石和常用的有石灰石、白云石和工业碱，在高温下主要发生以下反应：工业碱，在高温下主要发生以下反应：CaCO3=CaO+CO2 MgCO3=MgO+CO2 Na2CO3=Na2O+CO2 2）碳及含碳化合物：）碳及含碳化合物：常见的有焦碳、碳化硅和电石。由于常见的有焦碳、碳化硅和电石。由于LF炉开始阶段钢中氧和渣中（炉开始阶段钢中氧和渣中（FeO）均较高，）均较高，这些物质将与炉渣起反应：这些物质将与炉渣起反应：C+(FeO)=Fe+CO SiC+3(FeO)=3Fe+(SiO2)+CO CaC2+3(FeO)=3Fe+
27、(CaO)+2CO 化合物化合物CaCO3MgCO3Na2CO3SiCCaC2C体积体积20.426.721.15670187100g发泡剂产生的气体体积比较发泡剂产生的气体体积比较/NL 从实验研究结果看，碳酸盐在高温下的分解从实验研究结果看，碳酸盐在高温下的分解速度快，反应时间短，且产生的气体体积也较少。速度快，反应时间短，且产生的气体体积也较少。采用以采用以SiC和和CaC2为主的发泡剂发泡效果较好。为主的发泡剂发泡效果较好。但相对比较但相对比较CaC2发泡效果更好。发泡效果更好。以以SiC和和CaC2混合型的发泡剂具有最好的发泡混合型的发泡剂具有最好的发泡效果。效果。值得说明的是：值得
28、说明的是：尽管尽管CaC2具有良好的发泡效果，但运输具有良好的发泡效果，但运输和保存比较困难。和保存比较困难。且且SiC和和CaC2型的发泡剂在渣中氧化铁含型的发泡剂在渣中氧化铁含量较高时（量较高时（LF通电造渣前期）发泡效果显著，通电造渣前期）发泡效果显著，而当钢、渣中氧含量较低（而当钢、渣中氧含量较低（LF后期）即到脱后期）即到脱氧后期其发泡能力将受到明显限制。氧后期其发泡能力将受到明显限制。对于低硅钢还要注意发泡剂中对于低硅钢还要注意发泡剂中SiC及渣中及渣中SiO2被还原造成的被还原造成的钢水增硅钢水增硅问题。问题。渣厚随时间的变化曲线渣厚随时间的变化曲线 统计表明，某厂统计表明，某厂
29、LF实现全程埋弧操作后，可使实现全程埋弧操作后，可使 LF处理处理的吨钢电耗和电极消耗分别下降的吨钢电耗和电极消耗分别下降12.5%和和26.6%，而钢包的平，而钢包的平均使用寿命可提高均使用寿命可提高26.8%。3.3.2 炉渣脱硫炉渣脱硫 脱硫的问题就目前水平而言已经解决。脱硫的问题就目前水平而言已经解决。日本某厂通过炉外精炼的有关操作已可将钢中日本某厂通过炉外精炼的有关操作已可将钢中的硫降到的硫降到2ppm的水平。的水平。脱硫应保证炉渣的脱硫应保证炉渣的高碱度高碱度、强还原性强还原性即渣中自即渣中自由由CaO含量要高；渣中（含量要高；渣中（FeO+MnO）%要充分低，要充分低，一般小于一
30、般小于0.5%是十分必要的。是十分必要的。从热力学的角度讲，从热力学的角度讲，温度高温度高有利于脱硫反应的。有利于脱硫反应的。而且较高的温度可以造成更好的动力学条件而加快而且较高的温度可以造成更好的动力学条件而加快脱硫反应。脱硫反应。要使钢水脱硫，首先必须使钢水要使钢水脱硫，首先必须使钢水充分脱氧充分脱氧。此时钢中的铝含量应当高于此时钢中的铝含量应当高于0.02%。这时可以。这时可以保证不高于保证不高于24ppm。经常使用的脱硫合成渣是经常使用的脱硫合成渣是4550%CaO，1020%CaF2，515%Al，05%SiO2。过多的过多的SiO2会降低炉渣的脱硫能力，但是它却会降低炉渣的脱硫能力
31、，但是它却可以降低炉渣的熔点，使炉渣尽快参加反应，起到可以降低炉渣的熔点，使炉渣尽快参加反应，起到对脱硫有利的作用。只要不超过对脱硫有利的作用。只要不超过5%就不会对脱硫造就不会对脱硫造成不利影响。成不利影响。LF炉脱硫的热力学及动力学分析炉脱硫的热力学及动力学分析 LF炉渣金脱硫反应热力学计算公式的导出 热力学计算对应的基本工艺条件 精炼终点渣金硫的平衡分配比及钢水硫含量的计算与分析 LF精炼过程脱硫的动力学分析渣金脱硫反应方程渣金脱硫反应方程分 子 理 论 (CaO)+S=(CaS)+O (8-1)平 衡 常 数 34.15170loglog1TaaaaKsCaOoCaS (8-2)离 子
32、 理 论 (O2-)+S=(S2-)+O (8-3)平 衡 常 数 322lglogsoosaaaaK (8-4)对于CaO基的精炼渣:炉渣的硫容量（CS）的定义：222221)()(21OSOS （8-5）21)(%22sOsPPSC （8-6）Sosinsky 和Sommerville根据大量实验数据回归统计分析：25.2-6.43)5464022690(logTCs （8-7）炉渣的硫容量及其与光学碱度的关系炉渣的硫容量及其与光学碱度的关系LF炉钢水硫含量计算炉钢水硫含量计算 若忽略气相脱硫的作用，根据硫的质量守恒可以导出：SmSomsoLWWSWWSS1%)(%（8-19）式中，%S钢
33、水的硫含量，%；(%S)0，%S0分别为反应前渣中和钢中的原始硫含量，%；WS，Wm分别为熔渣和钢水的重量，kg。渣金硫的平衡分配比与硫容量的关系渣金硫的平衡分配比与硫容量的关系9.23lglg6.435464021920lgOssafTL （8-16）iiiiinxnx （8-17）式中，xi组元的摩尔分数；ni 氧化物分子中氧的原子数；i 组元的光学碱度。%lgiefisS 可见，影响渣金硫的平衡分配比的因素包括可见，影响渣金硫的平衡分配比的因素包括炉渣碱度炉渣碱度（）、）、钢水中的活度系数钢水中的活度系数（fS）、）、钢水的平衡氧活度钢水的平衡氧活度（ao）和）和温度温度（T/K）。）。
34、其中炉渣光学碱度可根据炉渣成分计算得到，而活度系数（其中炉渣光学碱度可根据炉渣成分计算得到，而活度系数（fS）可由钢水成分计）可由钢水成分计算得到（在低硫含量下算得到（在低硫含量下fS1）。）。钢水的平衡氧活度钢水的平衡氧活度可由下面两种途径来计算：可由下面两种途径来计算：（A）由与钢水氧活度平衡的炉渣中（由与钢水氧活度平衡的炉渣中（FeO）含量来计算，根）含量来计算，根据渣金氧平衡可得据渣金氧平衡可得：60.2T6150 xlglgalgFeOFeOO047.0)CaO(%0214.0SiO07.19)OAl(%267.0)MgO(%676.0lg232FeO 1873K下，下，CaO-Si
35、O2-Al2O3-MgO四元精炼渣系中氧化铁的四元精炼渣系中氧化铁的活度系数活度系数(FeO)的实验回归方程为的实验回归方程为：1873K下，下，CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元精炼渣系中四元精炼渣系中Al2O3的活度由以下回归方程表示的活度由以下回归方程表示：（B）对于铝镇静钢，钢液中氧活度主要由铝含量控制。对于铝镇静钢，钢液中氧活度主要由铝含量控制。由由Al-O平衡反应可得：平衡反应可得：63.20T6490031alg32alg31algAlOAlO32560.1)OAl(033.0)SiO(%)MgO(%167.0)CaO(%275.0alg322OAl320.00.51.01
36、.52.02.53.03.54.04.55.0050100150200250aO/10-4250200150100500aOLS T=1873K =0.769 fS=1.12LS实 测 值LS(FeO)/%渣中（渣中（FeO）含量对渣金间硫的平衡分配比的影响）含量对渣金间硫的平衡分配比的影响 0.0000.0050.0100.0150.0200100200300400500Ls(aAl2O3=7.31 10-3)aOLs(aAl2O3=1)T=1873K=0.769fS=1.12L s实 测 值aO/10-4 03530252015105分配 比 L sAl/%钢中溶解铝含量对钢水平衡氧活度及
37、渣金硫的钢中溶解铝含量对钢水平衡氧活度及渣金硫的平衡分配比的影响平衡分配比的影响 炉渣成分对光学碱度和硫的平衡分配比的影响炉渣成分对光学碱度和硫的平衡分配比的影响 51015202530050100150200250(CaO)/%354045505560LS0.850.800.750.700.650.60Al2O3=27%MgO=8%T=1873KaO=10-3;fS=1LS(SiO2)/%渣量对渣量对LF精炼终点钢水硫含量的影响精炼终点钢水硫含量的影响 0.500.751.001.251.501.752.002.252.500.0020.0030.0040.0050.0060.0070.00
38、80.0090.0100.011300200LS=100WS/Wm/%S/%(S)0=0.1%S0=0.014%钢水原始硫含量对精炼终点钢水硫含量的影响钢水原始硫含量对精炼终点钢水硫含量的影响 0.00250.00500.00750.01000.01250.01500.01750.02000.0000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.008300200LS=100S0/%S/%WS/Wm=1.5%(S)0=0.1%渣中原始硫含量对精炼终点钢水硫含量的影响渣中原始硫含量对精炼终点钢水硫含量的影响 0.00.10.20.30.40.50.0020.0030.0
39、040.0050.0060.0070.0080.0090.010300200LS=100(S)0/%S/%Ws/Wm=1.5%S0=0.014%（1）控制炉渣成分，提高炉渣碱度。控制炉渣成分，提高炉渣碱度。为此，炉渣中为此，炉渣中SiO2的含量要控制在的含量要控制在10%以下，最以下，最好达到好达到5%的水平。的水平。为了对于特殊场合，可以添加为了对于特殊场合，可以添加BaO，Na2O，Li2O等碱度更高的组元。等碱度更高的组元。（2）强化对炉渣和钢水的脱氧。强化对炉渣和钢水的脱氧。向 炉 渣 中 加 入 扩 散 脱 氧 剂，使 渣 中向 炉 渣 中 加 入 扩 散 脱 氧 剂，使 渣 中（F
40、eO+MnO）含量达到）含量达到1%甚至甚至0.5%以下。以下。控制钢中酸溶铝含量，使钢水中氧活度控制在控制钢中酸溶铝含量，使钢水中氧活度控制在1.010-3以下。以下。LF炉冶炼超低硫钢的工艺条件炉冶炼超低硫钢的工艺条件（3）较高的精炼温度较高的精炼温度和和良好的底吹氩搅拌良好的底吹氩搅拌工工艺也是重要脱硫工艺条件。艺也是重要脱硫工艺条件。（4）对炉渣和钢水的原始硫含量进行限制对炉渣和钢水的原始硫含量进行限制，同时也同时也保证相应的渣量保证相应的渣量，必要时可进行换渣，必要时可进行换渣操作。操作。LF炉冶炼超低硫钢的工艺条件炉冶炼超低硫钢的工艺条件)(%*sssmsmsmmLSSLkkLkV
41、AdtSd （8-43）式中，（%S），%S熔渣和钢水中硫的本体浓度，%；ks，km硫在渣和钢水中的传质系数，m/s;s,m熔渣和钢水的密度，kg/m3;Vm钢水的体积，m3 L*s渣金界面上渣金间硫的平衡分配比。Ss mS*(S)(S)*熔渣钢水图 8-14 硫在渣和钢液中的浓度分布渣金间脱硫反应的动力学方程LF精炼过程脱硫的动力学分析精炼过程脱硫的动力学分析提高提高 LF精炼过程脱硫速度的措施精炼过程脱硫速度的措施 提高精炼温度 加强底吹Ar搅拌 提高渣金界面硫的平衡分配比 高碱度炉渣高碱度炉渣 加强炉渣和钢水的脱氧加强炉渣和钢水的脱氧3.3.3 LF炉内脱氧炉内脱氧 LF LF炉过程中炉
42、过程中AlAl、SiSi、MnMn等金属脱氧等金属脱氧剂与钢液中氧作用，使钢中氧含量减少。剂与钢液中氧作用，使钢中氧含量减少。此反应进行得越彻底，则钢的质量越高。此反应进行得越彻底，则钢的质量越高。脱氧剂脱氧剂:AlAl、SiSi、MnMn、CaCa、BaBa等元素及复等元素及复合脱氧剂；合脱氧剂；脱氧方法：脱氧方法：扩散脱氧、沉淀脱氧（块状、扩散脱氧、沉淀脱氧（块状、线状或包芯线）线状或包芯线）可见：在高铝砖钢包中，用铝脱氧可使钢中的氧含量降可见：在高铝砖钢包中，用铝脱氧可使钢中的氧含量降到到12ppm；加入铝；加入铝30min、加入硅、加入硅50min可以达到铝可以达到铝-氧与硅氧与硅-氧
43、表观平衡；从氧表观平衡；从100ppm到表观平衡、用铝脱氧的速度为到表观平衡、用铝脱氧的速度为2.8ppm/min，高于硅的脱氧速度，高于硅的脱氧速度1.6ppm/min。1高铝砖 2氧化锆砖 可见：钢可见：钢中总氧由中总氧由45减减至至15ppm时钢时钢中氧化物夹杂中氧化物夹杂的尺寸数量及的尺寸数量及评级都降低，评级都降低，当氧含量低于当氧含量低于20ppm时，有时，有希望可以完全希望可以完全去除大于去除大于12.5m的夹杂的夹杂物。物。夹杂物变形处理n处理方法：喂CaSi线,改善夹杂状态12Ca+11Al2O3(s)=12CaO.7Al2O3+8Aln处理时间:精炼结束,上连铸前n控制参数
44、:Ca/Al 比n新的处理剂:FeCa线;CaBaSi;MgAl线渣系与脱氧和钢中夹杂物的关系渣系与脱氧和钢中夹杂物的关系炉渣与脱氧及其夹杂物的关系夹杂物的变形能力与其成分的关系炉渣与钢液的平衡反应钢液与夹杂物的平衡反应炉渣吸收夹杂物的能力炉渣与脱氧及其夹杂物的关系 转炉终点钢水低氧位控制技术 档渣出钢技术 l 转炉：档渣帽，档渣球，气动档渣，多棱锥档渣 炉渣改性技术 l 降低渣中（FeO）+(MnO)含量 l 提高炉渣吸收Al2O3夹杂物的能力 优化脱氧工艺 l 碳脱氧技术，真空碳脱氧技术 l 复合脱氧剂 l 优化脱氧剂的加入顺序 钙处理夹杂物变性技术 钢包、中间包和结晶器控流技术 钢包、中
45、间包和结晶器惰性气体保护浇注 低氧位耐火材料的应用 对于 MnO-Al2O3-SiO2 三元系夹杂物,具有良好变形能力的夹杂物组成分布在锰铝榴石(3MnOAl2O33SiO2)及其周围的低熔点区,在该区域内 Al2O3/(Al2O3+SiO2+MnO)变化在 15%30%。在CaO-Al2O3-SiO2三元系夹杂物中,钙斜长石(CaOAl2O3 2SiO2)与鳞石英和假硅灰石(CaOSiO2)相邻的周边低熔点区有良好的变形能力。具有良好变形能力的夹杂物组成具有良好变形能力的夹杂物组成炉渣与钢液的平衡反应炉渣与钢液的平衡反应n(CaO)=Ca+On(Al2O3)=2Al+3On(SiO2)=Si
46、+2On(MnO)=Mn+On(MgO)=Mg+O0.740.760.780.800.820.841216202428323640 全氧含量/ppm光学 碱度光学碱度与全氧含量的关系光学碱度与全氧含量的关系 钢液与夹杂物的平衡反应钢液与夹杂物的平衡反应n3Ca+2Al+3O=3CaOAl2O3(l)n12Ca+14Al+33O=12CaO7Al2O3(l)n6Al+2 Si+13O=3Al2O32SiO2(S)nCa+Si+3O=CaOSiO2(S)nCa+2Al+2Si+8O=CaOAl2O32SiO2(S)n2Ca+2Al+Si+7O=2CaOAl2O3SiO2(S)CaO-Al2O3相图
47、相图 0.000.010.020.030.040.050.060.01.0 x10-72.0 x10-73.0 x10-74.0 x10-75.0 x10-76.0 x10-7 Ca,%Al,%钢液中钢液中Ca、Al含量与夹杂物组成的平衡关系含量与夹杂物组成的平衡关系3CaOAl2O3生成区12CaO7Al2O3生成区固态脱氧产物生成区 炉渣与夹杂物之间的相互作用炉渣与夹杂物之间的相互作用 熔渣吸收夹杂物的能力熔渣吸收夹杂物的能力钢液熔渣夹杂物s-im-im-s熔渣吸收夹杂物的能力熔渣吸收夹杂物的能力n取决于熔渣、钢液和夹杂物三者之间的界面张力的大小n钢液和夹杂物之间的界面张力越大，熔渣和夹杂
48、物之间的界面张力越小，则夹杂物越容易从钢液中分离被熔渣所吸收n Al2O3夹杂物容易被铝酸钙熔渣所吸收，因为两者之间的界面张力很小全氧含量随全氧含量随Al2O3含量的变化情况含量的变化情况0102030400.0000.0020.0040.0060.0080.0800.0850.090 Al2O3=5%Al2O3=10%Al2O3=15%Al2O3=20%钙斜长石全氧含量/%时间/min举例：重轨钢Al2O3含量对夹杂物的总数的影响含量对夹杂物的总数的影响05101520253035400200400600800100012001400160018002000 夹杂物总数/个Al2O3/%举例
49、：重轨钢图图5.7 Al2O3含量对夹杂物的总面积的影响含量对夹杂物的总面积的影响0510152025303540100002000030000400005000060000700008000090000 夹杂物总面积/m2Al2O3/%举例：重轨钢不同不同Al2O3含量下夹杂物的尺寸分布情况含量下夹杂物的尺寸分布情况0510152025303540020406080100r 10.0r 5.0r 2.0 夹杂物半径分布/%Al2O3/%举例：重轨钢 精炼渣对夹杂物成分的影响精炼渣对夹杂物成分的影响0.51.01.52.02.53.03.54.00510152025 夹杂物中SiO2,mol%
50、精炼渣碱度 举例：重轨钢0510152025681012 夹杂物中Al2O3含量,mol%精炼渣中Al2O3含量，精炼渣对夹杂物成分的影响精炼渣对夹杂物成分的影响举例：重轨钢3.3.4 LF炉快速成渣和高效精炼炉快速成渣和高效精炼 LF炉存在的主要缺点是精炼时间长，特别在BOF-LF-CC流程中，LF 炉已成为实现多炉连浇的瓶颈原因：原因：n出钢时炉渣改质或同时随钢流加入精炼渣，实现LF炉造渣和脱氧前移n采用低熔点的预熔渣实现快速造渣n高的钢包温度、良好的保温和大功率供电措施：措施：3.3.5 精炼渣成分设计与生产精炼渣成分设计与生产 精炼渣的成分和理化指标设计精炼渣的成分和理化指标设计设计原
