LF精炼过程钢中硫、磷、氮、氧含量控制
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[摘 要]将转炉、平炉或电炉中初炼过的钢液移到另一个容器中进行精炼的炼钢过程，也叫“二次炼钢”。炼钢过程因此分为初炼和精炼两步进行。初炼：炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化、脱磷、脱碳和主合金化。精炼：将初炼的钢液在真空、惰性气体或还原性气氛的容器中进行脱气、脱氧、脱硫，去除夹杂物和进行成分微调等。这样将炼钢分两步进行，可提高钢的质量，缩短冶炼时间，简化工艺过程并降低生产成本。
中图分类号：U231.92 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0277-01
1.引言：
钢材的质量及性能是根据需要而确定的，不同的需要，要有不同的元素含量。硫；是钢中的有害杂物，含硫较高的钢在高温进行压力加工时，容易脆裂，通常叫做热脆性。磷；能使钢的可塑性及韧性明显下降，特别的在低温下更为严重，这种现象叫做冷脆性。通常情况下，氮被视为钢中的有害元素，而氧元素主要以氧化物系非金属夹杂物的形式存在于钢中。减少LF炉精炼工艺过程钢液增氧、去除钢中氢含量是生产优质钢的关键环节。此外，控制钢中夹杂物是提高钢材使用性能的有效途径。
2.转炉LF精炼脱硫与脱磷
2.1脱硫
2.1.1脱硫方法
硫是钢中的长存元素之一，它会使大多数钢种的加工性能和使用性能变坏，因此除了少数易切削钢种外，它是需要在冶炼中脱除的有害元素。硫在钢中以[FeS]形式存在，常以[S]表示。钢中含锰高时，还会有一定的[MnS]存在。目前炼钢生产中能有效脱除钢中硫的方法有碱性氧化渣脱硫、碱性还原渣脱硫和钢中元素脱硫三种。
2.1.2 脱硫影响因素
脱硫影响因素与碱性氧化渣脱硫不同，LF碱性还原渣脱硫
反应方程式为：[FeS]+（CaO）=（CaS）+（FeO） （1） [MnS]+（CaO）=（CaS）+（MnO） （2）
由于钢中的[S]大部分以[FeS]形式存在，因此脱硫反应主要以式（1）为主。从式中可以发现，影响脱硫的主要因数有：①炉渣中（CaO）的含量，即碱度高低的影响；②炉渣中（FeO）含量；③该反应是渣钢界面反应，炉渣流动性影响；④渣量的影响等。
2.2 脱磷
2.2.1磷元素转化趋势分析
炼钢过程中，钢水中磷进入炉渣有两种方式，即氧化脱磷和还原脱磷，如图1所示.当体系氧势高于某一临界值，磷元素以P5+形式进入炉渣（氧化脱磷），并且氧势越高，进入炉渣的磷元素越多，氧势减小，渣中磷将返回钢中（回磷）；当体系氧势等于这一临界值时，氧化脱磷和还原脱磷的趋势相同；当体系氧势低于临界值，磷元素将主要以P3-形式进入炉渣（还原脱磷），并且体系氧势越低该过程越易进行.考虑到碱性渣中主要的阳离子是Ca2+，若发生氧化脱磷，则脱磷产物为3CaO・P2O5或4CaO・P2O5，若发生还原脱磷，则脱磷产物为Ca3P2。
2.2.2 LF精炼过程还原脱硫的可能性分析
LF精炼是对钢水脱氧后开始的.宝钢EAF出钢过程进行脱氧，BOF是在RH内脱氧合金化，所以钢水进入LF工位时，钢水中的溶解氧含量已经于3・0×10-5，在LF精炼过程中向渣内加入扩散脱氧剂，使渣中氧和钢中氧迅速下降，致使LF精炼后期，钢水中溶[w（O）/%]已经小于1・0×0-3，渣中FeO质量分数为0・1～0・5%，当采用钡系脱氧剂时，钢中氧[w（O）/%]可达到2・0×10-4～3・0×10-4，渣中FeO质量分数小于0・04%.LF精炼终点典型炉渣化学成分
经试验研究，在LF内热力学上具备了还原脱磷的条件。另外，LF精炼过程具有较高的温度，采用还原脱磷优于氧化脱磷.在较高温度下，采用铝钙合金，可以避免钙的过分气化损失.LF炉内衬采用镁质耐火材料，使还原脱磷剂对炉衬的侵蚀减小到最低.所以，在LF精炼过程中进行还原脱磷是可行的，并可同时降低钢中硫含量。
3.LF精炼过程中氮、氧元素含量的控制研究
3.1 钢中氮氧含量在各个工序中的变化
3.1.1钢中氮含量在各个工序中的变化
图1列出各工序钢中氮含量的变化情况，其中20号、45号钢在出钢、LF炉精炼和浇注过程氮含量有所增加，而普通船板钢氮含量略有增加。
3.2 LF精炼过程减少钢水增氮、降低钢中全氧含量
3.2.1 LF精炼过程减少钢水增氮
LF炉实施泡沫渣工艺可以减少精炼过程钢水增氮。在高强船板钢上做了巧炉泡沫渣试验。每炉试验在电极加热期间加人两批发泡剂，间隔7min。在钢水搬人LF炉和搬出LF炉时取钢样，分析钢中氮、氧、酸溶铝含量。钢水增氮量为（1一13） x 10-6，平均增氮5.27 x 10-6。未采用泡沫渣工艺时钢水增氮0一20 x 10-6，平均增氮6.43x 10-6。对严格控制钢中氮含量的钢种应根据加热和精炼时间的长短加人3 -- 4批发泡剂，精炼中间不加铝。生产低氮含量钢应在LF精炼后期喂线加铝、钦；需要真空处理的钢种，应在真空下通过合金加人装置在破真空前Smin加人铝、钦。
3.2.2降低钢中全氧含量
实施炉外精炼以后，转炉出钢后的钢水罐内脱氧操作对钢水净化作用大大减弱，LF炉精炼操作显著地改善了钢水的洁净度。根据钢种的不同，在LF炉内造碱度不同的顶渣，即使碱度在1.0--1.5的情况下，Si含量也提高了脱氧能力，钢水中全氧含量明显降低.
4.结论
4.1通过以下控制，转炉LF精炼可以得到极低硫钢：
1）炉渣碱度控制在2.5～3.5；2）炉渣中（FeO）+（MnO）≤0.5%；3）良好的炉渣流动性；4）炉渣渣量控制在80mm内；5）保证充足的通电时间和吹氩时间
4.2 LF精炼条件下对钢水还原脱磷是可行的.但必须满足下列条件：
1）钢种对氮含量没有特殊要求；2）在满足钢种要求的情况下，尽量降低炉内温度；3）须采用沉淀脱氧与扩散脱氧相结合的脱氧方法降低钢中溶解氧[O]和渣中（FeO）活度，降低渣钢界面氧势；4）要求一定的吹氩量，赶净体系内的空气，保证体系氧势足够小；5）还原脱氧剂加入到钢水内部。
4.3确定控制钢中氮、氧含量的关键技术：
1）采用LF炉精炼渣洗和明〕炉真空渣洗生产洁净钢，根据钢种的质量要求和液相线温度，选用不同碱度的渣系进行渣洗。真空渣洗后补加铝、钦等成分应在破真空前实施。
2）生产洁净钢时应严格控制I_F（或VD）搬出钢水温度及中间罐钢水温度。
3） LF炉采用泡沫渣工艺、强化连铸保护浇注等措施，可以有效地减少钢中的氮含量。连铸长水口采用新型密封垫非常有效，浇注过程钢水增氮量在8 X 10-6以下。
参考文献：
[1] 冯聚和，艾立群，刘建华编著.铁水预处理与钢水炉外精炼[M]. 冶金工业出版社，2006.
[2] 《钢铁材料手册》总编辑委员会编著，张少棠卷主编.钢铁材料手册[M]. 中国标准出版社，2004.