冶金实验研究

重庆科技学院

《冶金实验研究方法》

课题研究报告

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研究课题: LF炉高碱度精炼渣脱硫效果的研究 完成日期： 2015 年 05月 11日

指导教师评语:

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成绩（五级记分制）:

指导教师（签字）:

LF炉高碱度精炼渣脱硫效果的研究

1.引言

现如今随着市场对钢材质量要求的不断提高和我国钢铁企业在国际市场中面临的竞争力，高品质洁净钢对钢中硫含量提出的要求越来越严格，因此在冶炼过程中必须控制钢中硫含量，提高钢种的质量和性能。同时随着国际钢铁企业连铸技术以及炉外精炼技术的高速发展，冶金工艺对钢水的质量要求也提出了更为苛刻的要求，在钢液的精炼过程中，精炼渣在净化钢液的过程中起到了至关重要的作用，高碱度精炼渣含CaO 比较高对于提高钢液的脱硫率具有显著的影响，而且CaO 的储备量比较大，来源广泛，且价格低廉，可以在一定程度上降低炼钢生产所需要的成本，改善钢包精炼的经济指标，因此越来越受到国内外冶金工作者的关注，在欧美以及日本这些钢铁工业比较发达的国家，高碱度精炼渣应用越来越广泛[1]。本试验从炉外精炼的高碱度精炼渣入手，研究各个组分和粒度对高碱度精炼渣的影响以及高碱度精炼渣对钢材的深脱硫的影响。

LF 精炼渣不仅要对钢液具备良好的净化作用，还要具有一定的发泡性，一方面有利于LF 精炼时的埋弧操作，稳定电弧，保护精炼炉炉衬，减少电极和耐火材料的损耗，从而降低冶金工艺的成本，另一方面精炼渣适当的发泡还可以增加钢渣反应的面积，改善钢液脱硫反应的动力学条件，加快脱硫反应的进行，因此精炼渣必须具备良好的物理性质、化学性质以及发泡性能，而这些性质是由精炼渣的成分和含量决定的。炉外精炼技术在冶炼高品质的钢材中起到了非常重要的作用，是钢铁冶炼过程中不可或缺的环节，精炼渣性能的好坏直接关系到产品的质量和产品在市场中的竞争力，性能良好的精炼渣有助于提高产品的质量以及市场竞争力，同时还可以降低生产成本增加钢铁企业经济效益，因此研究高碱度精炼渣脱硫的效果具有重大意义[2]。

2.国内外发展现状

LF炉应用合成渣精炼技术历史悠久，早在20世纪30年代就有人提出用熔渣精炼钢水，并通过实践取得了一定的成效。50-60年代，合成渣精炼在前苏联得到了广泛的应用和发展，当时合成渣大体分成为Ca050～60%，SiO2<3.0％，A1203<30--40％，FeO<0.5％，由于该渣系在混冲过程中产生点状夹杂，故发展

缓慢[3]。

由于LF炉耐材消耗的开支占了LF炉总运行成本的一半以上，因此在不明显降低LF精炼效果的前提下，在渣中加入MgCO3、MgO等组分，也是目前LF炉精炼用渣发展演变的趋势之一[4]。无氟化。CaF2在冶炼过程中易与渣中其它组元反应，产生含氟气体，危害人体健康，污染环境；另外渣中过高的CaF2，还会使炉渣粘度过小，不利于埋弧，影响热量利用，损坏炉衬[5]。

2.1国内发展现状

国内LF炉目前应用的主要精炼渣系是石灰一萤石(CaO—CaF2)和石灰一高铝矾土熟料(主要成分为CaO／A12O3)渣系，前者成渣迅速并能较好脱硫，但对钢包内衬的侵蚀严重，降低钢包的使用寿命，且埋弧效果不理想，氟化物对环境的污染也不可忽视，石灰一高铝矾土熟料在对钢包耐火材料的侵蚀和埋弧操作方面有所改进，但成渣速度和精炼效果会受到一定影响[6]。

国内LF精炼渣的碱度处于中(R=2.2-3.0)，低(R=1.6-2.2)碱度水平，在这种碱度范围内，同样显著提高了钢液的质量[7]。试验中发现，碱度过高反而不易脱硫，一般碱度控制在2.5-3.5之间时，硫的分配比比较高，精炼结束时可80以上。渣的碱度控制在2.5-3.0时熔渣的脱硫能力最强，碱度过高会因渣中(CaO)的增加使渣流动性变坏，影响(CaS)在渣中的扩散[8]。

重钢LF炉现使用精炼渣配方单一，对于不同的钢种类别，全采用同一渣系，了LF炉在高级品种钢生产中优势作用的充分发挥，不能满足品种钢生产的需要。

2.2国外研究现状

比较而言，国外精炼渣的特点是碱度高，有时CaO含量高达70％[23]，并获得了较好的精炼效果，例如，日本新日铁采用优化后的高碱度精炼渣，可将钢水中的硫脱至0．0005％[9]。国内LF精炼渣的碱度大多处于中(2.2—3.0)低(1.6—2．2)碱度水平[10]，在这种碱度范围内同样可以提高钢液精炼质量。就国内外应用的情况来看，无氟渣存在流动性不好的的特点，完全采用无氟渣系还有待于研究。国内部分钢厂和国外很多钢厂都在CaO—A12O3。的基础上加入适量的CaF2，形成CaO—A12O3一CaF2渣系，但在实际生产中，由于脱氧产物和精炼渣原料中都会不可避免的带入部分SiO2。因而实际渣系为CaO—A12O3一CaF2一SiO2四

元渣系[11]。

Kor和Richardson测定了该渣系在1550。C时的硫容量测定结果表明，CaF2对渣的硫容量影响很小，而主要取决于Cao／A12O3的大小。并得出lgK。随CaF2含量的变化曲线。当CaO／A1203值增加时，lgK显著增加。对该渣系的研究得出CaO／CaF2大于1.5后，脱硫效果比较理想[12]。

3.总结

（1）炉外精炼作为现代炼钢流程中的重要生产工序，被世界多数钢铁厂广泛用，随着纯净钢生产技术的进步和连铸技术的发展，以及降低生产成本的要求，炉外 精炼工艺与设备迅速普及。随着对高品质钢材需求的增加，LF炉作为一种重要的精炼设备已得到了广泛的应用，为了满足这些要求，需要提高钢水生产过程中脱硫能力，特别是深脱硫能力。因此，高碱度炉渣脱硫技术发展已迫不及待。 （2）国内LF炉生产的品种数量越来越多，产量规模越来越大，但由于现有LF炉精炼渣配方单一，不但严重了LF炉在高级品种钢生产中优势作用的充分发挥，而且已经不能满足品种钢生产的需要，特别是对夹杂物级别要求较高的钢种。因此，根据国内的钢铁需求情况需要进行更深层次炉渣脱硫研究。 （3）一台硬件设备先进的LF炉，若没有相应的精炼渣与之匹配，其精能根本不可能发挥。国外研究和生产实践表明，要充分发挥LF炉的作用，对于不同的钢种类别，最好有相应的精炼渣系与之匹配，才能保证钢材质量。

4.研究目标

（1）阐明随着市场对钢材质量要求的不断提高和我国钢铁企业在国际市场中面临的竞争力，高品质洁净钢对钢中硫含量提出的要求越来越严格因此在冶炼过程中必须控制钢中硫含量，提高钢种的质量和性能。

（2）明确国际钢铁企业连铸技术以及炉外精炼技术的高速发展下，冶金工艺对钢水的质量要求也提出了更为苛刻的要求，在钢液的精炼过程中，精炼渣在净化钢液的过程中起到了至关重要的作用。

（3）达到满足精炼渣对钢液脱硫效果的需求，提高精炼渣脱硫效率，进一步提高冶炼钢种的冶金性能。对精炼渣深脱硫研究具有参考价值。

5.研究内容

炉外精炼技术在冶炼高品质的钢材中起到了非常重要的作用，是钢铁冶炼过程中不可或缺的环节，精炼渣性能的好坏直接关系到产品的质量和产品在市场中的竞争力，性能良好的精炼渣有助于提高产品的质量以及市场竞争力，同时还可以降低生产成本增加钢铁企业经济效益。

5.1.1对基础渣系CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaF2不同粒度对精炼渣脱硫效果的研究。通过改变CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaF2的粒度，研究不同粒度精炼渣的脱硫效果及变化规律，结合这些规律，分析最佳粒度。

5.1.2对基础渣系CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaF2不同碱度对精炼渣脱硫效果的研究。 通过改变CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaF2的碱度，研究不同碱度的精炼渣的脱硫效果及变化规律，结合这些规律，分析最佳碱度。

5.1.3对基础渣系CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaF2不同Al2O3含量对精炼渣脱硫效果的研究。通过改变CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaF2中Al2O3的用量，研究不同Al2O3含量精炼渣的脱硫效果及变化规律，结合这些规律，分析最佳含量。

5.1.4对基础渣系CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaF2不同CaF2含量对精炼渣脱硫效果的研究。通过改变CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaF2中CaF2的用量，研究不同CaF2含量精炼渣的脱硫效果及变化规律，结合这些规律，分析最佳含量。

5.1.5对基础渣系CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaF2不同BaO含量对精炼渣脱硫效果的研究。通过改变CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaF2中BaO的用量，研究不同BaO含量精炼渣的脱硫效果及变化规律，结合这些规律，分析最佳含量。

5.2不同配比

采用的基础渣系为CaO-SiO2-Al2O3-MgO-CaF2，并在精炼渣中配加适量BaO，所用原料均为化学纯试剂，通过阅读文献并且结合现场的生产实践确定各组分的质量百分数如下：

（1）精炼渣的碱度（二元碱度CaO%/SiO2%）控制在3-5； （2）BaO（试验中用碳酸钡替代BaO）的含量控制在6%-14%； （3）Al2O3 的含量控制在18%-28%； （4）CaF2 的含量控制在0%-10%； （5）MgO 的含量为7%。

6.研究方案

6.1设计方案

在热力学和动力学方面对高碱度LF 精炼渣进行综合分析，采用正交试验设计，将粒度、碱度、BaO含量、Al2O3含量、CaF2含量作为考察因素，上述每个考虑因素选取3个水平，采用正交设计方案，分析精炼渣脱硫效果以及精炼渣的理化性能，根据试验结果和分析结果优化精炼渣，得到最佳脱硫精炼渣。精炼渣中CaO 的相对含量对其脱硫效果影响最大，在钢液脱硫过程中主要依靠的是渣中的钙与硫元素结合来脱除硫，精炼渣中的CaO含量高，碱度大，可以提高熔渣的硫容量，有助于熔渣脱硫；精炼渣的熔点低、熔化速度快可以使得在炼钢过程中化渣速度增快，减少精炼时间，提高生产效率；精炼渣的粘度低可以改善钢渣反应的动力学条件，使钢液与熔渣充分混合，促进钢液中硫的脱除。

6.2实验样品

试验钢种采用某厂生产的Q345钢，增硫剂采用FeS纯试剂，将从现场取得的Q345钢样，配加FeS，在真空感应炉中重熔冶炼，将试验钢样的硫含量控制在0.038%，然后将冶炼出来的钢样进行锻造、切割，每单位的钢样质量控制在300g。

6.3实验设备

脱硫试验：采用本试验装置采用高温管式炉，由管状电炉和控制柜成。额定功 率：12KW，额定温度1600℃。实验装置如图：

1 氮气保护瓶 2 流量计 3 炉盖 4 坩埚 5 钢液 6 硅钼棒 7 刚玉炉管8 热电偶9 温度控制柜

表2.1实验因素水平表 因素 碱度 BaO CaF2 水平1 3 6 0 18 水平2 4 10 5 23 水平3 5 14 10 28 (%) (%) AI2O3 (%) 表2.2 渣系配比表 序号 1 2 CaO/% SiO2/% R BaO/% 6 10 CaF2/% 0 Am/% MgO/% 51.75 42.25 30.75 43.20 44.00 44.80 45.00 45.83 46.77 17.25 13.75 10.25 10.80 11.00 11.20 3 3 3 4 4 4 5 5 5 18 23 28 28 18 23 23 28 18 7 7 7 7 7 7 7 7 7 5 10 3 4 5 6 14 6 10 5 10 0 10 0 14 6 10 7 8 9.00 9.17 9.33 9 14 5 6.2实验步骤

（1）将从现场取得的Q345 钢样，配加FeS，在真空感应炉中重熔冶炼，将试 验钢样的硫含量控制在0.038%；

（2）然后将冶炼出来的钢样进行锻造、切割，每单位的钢样质量控制在300g； （3）在脱硫试验前，将钢样表面的氧化层用砂轮打磨掉；

（4）检查电阻炉情况，接通电源，当炉温升至800℃后，在炉内通入纯度99.9%的氩气，同时将300g的钢样加入到100 毫升的刚玉坩埚中，外套石墨坩埚； （5）当电阻炉温度升至1590℃后，加入铝丝对钢液进行脱氧，预脱氧铝丝的 加入量为钢水量的0.02765%，考虑烧损耗并改善反应动力学条件，铝丝的实际加入量为钢液的0.2%，将打磨好的铝丝通过石英管加入到钢液后，迅速搅拌，搅拌时间为10s；

（6）用牛皮纸将预先配置好的精炼渣包好，将包好的精炼渣绑在石英管上快速

的插入到已经脱氧完全的钢液中，随后立刻转动石英管，搅拌钢液，使钢液与精炼渣完全接触。加入精炼渣5分钟后对钢液保温50分钟，然后每隔10分钟用石英管搅拌一次，搅拌时间10s；

（7）脱硫反应完成后，将电阻炉降温至800℃后取出钢液，按不同的渣系配比依次对钢样进行脱硫试验；

（8）试验结束将钢样进行加工，采用CS-8800 碳硫分析仪进行化学分析，记录； （9）选择脱硫情况较好的一组精炼渣，按照此渣系的配比，配制出80 目、100 目、200 目、325 目四种不同粒度的精炼渣，对钢液进行脱硫试验，然后对脱硫钢样进行化学分析。

研究技术路线：

适合的组分、碱度、粒度精炼渣脱硫 不同因素对精炼渣脱硫的影响 精炼渣有利于脱硫 降低硫含量，提高钢材质量 粒度对精炼渣脱硫的影响 碱度对精炼渣脱硫的影响 三氧化二铝含量对精炼渣脱硫的影氟化钙含量对精炼渣脱硫的影响 氧化钡含量对精炼渣脱硫的影响

参考文献

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