CN113528754B - 一种在lf精炼中对钢水进行脱氧、脱硫的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢铁冶金技术领域，提供一种在LF精炼中采用镁蒸气对钢水进行脱氧、脱硫及夹杂物变性处理的方法，通过独特的工艺，使镁蒸气随同氩气一起从炉底进入LF精炼炉内，解决了由于含镁包芯线和含镁合金从精炼炉上部加入时产生的钢水剧烈翻滚、喷溅严重、镁元素收得率较低的技术问题，能够科学合理得对钢水进行脱氧、脱硫以及夹杂物变性处理，并能达到较好的镁元素收得率及生产安全性；本发明还提供一种上述方法所使用的装置，将镁蒸气发生装置与LF精炼炉的吹氩管道相连，实现了镁蒸气随同氩气从炉底进入钢水并与钢水充分接触、反应的技术效果，提高了镁元素收得率。

Description

一种在LF精炼中对钢水进行脱氧、脱硫的方法及装置

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，特别涉及一种在LF精炼中采用镁蒸气对钢水进行脱氧、脱硫及夹杂物变性处理的方法及装置。

背景技术

LF精炼是目前应用最广泛的炉外精炼技术，已成为生产高质量钢材必不可少的工序，LF精炼工艺一般为先通过加入铝元素进行强脱氧处理，再造渣进行脱硫处理，并加入合金进行成分微调，最后喂入钙线进行夹杂物变性处理，并且在精炼过程中全程进行吹氩搅拌，有利于夹杂物的上浮和去除，然而，此种工艺存在恶化水口堵塞、生成大尺寸夹杂物、影响疲劳性能(铝酸钙类夹杂物为不变形夹杂物)等缺点。

镁是一种活泼具有比较强还原性的碱土元素，与钢液中的氧、硫均具有较强的亲和力，在LF精炼过程中，采用铝、钙、镁三种元素进行复合脱氧、脱硫处理，将得到更好的效果。同时镁元素还具有很强的夹杂物改性能力，可与前期脱氧产物Al₂O₃夹杂物反应生产细小、弥散分布的MgO-Al₂O₃夹杂物，从而可很好的降低钢中夹杂物的有害影响；可将前期脱硫产物CaS改性为MgS，其相较于CaS，更不易聚集成团状，可降低夹杂物在水口附近沉积并堵塞水口的趋势。因此近年来，将镁元素取代钙元素作为炼钢过程中的变质剂已成为提高钢材洁净度的一项重要研究内容。

在LF精炼过程中对钢水进行镁脱氧、脱硫的方式有多种，包括在钢水中添加含镁合金、含镁包芯线等，块状镁合金只能从钢水上方加入，由于镁的沸点低、蒸汽压高，刚接触上钢水，镁元素就急速汽化、蒸发，实际进入钢水中的量很低；含镁包芯线可以通过喂线装置进入钢水深部，但为不影响LF精炼节奏，包芯线中镁含量较高，短时间内往钢水中加入大量的镁元素，易导致钢水剧烈翻滚、喷溅严重，存在不安全性，同时镁元素的收得率受喂线位置、喂线速度等不确定性因素影响较大，难以确定实际的镁元素加入量；同时，块状镁合金和含镁包芯线不是纯镁，必然会向钢水中引入其他元素，不利于钢水窄成分的控制。外文文献(Jian Yang,et al.Behavior of Inclusions in Deoxidation Process of MoltenSteel with in Situ Produced Mg Vapor,ISIJ International 2007,47(5),699-708.)中提及“早在20世纪70年代，Mori等人就提出了用镁蒸汽对钢水进行脱氧的可能性，通过蒸发金属镁得到镁蒸气，镁蒸气随同氩气载体一起流入钢水中”，这种利用镁蒸气进行脱氧脱硫的方法虽已被提出，但大部分仍处于实验室研究与小批量试验阶段，在炼钢工业大规模冶炼生产中通过蒸气形式加入镁元素达到夹杂物脱氧、脱硫的实际应用目前较为少见，且在实验室研究中镁蒸气的加入方式为从钢水上部加入，而在实际生产中若从LF精炼炉上部加入，会使镁蒸气与钢水无法充分接触，导致较低的收得率。

发明内容

为了解决以上在实际炼钢过程中出现的问题，本发明提供一种在LF精炼中对钢水进行脱氧、脱硫的方法，能够科学合理得将镁元素加入钢水中进行脱氧、脱硫以及夹杂物变性处理，并能达到较好的镁元素收得率及生产安全性；

本发明还提供一种上述方法所使用的装置，将镁蒸气发生装置与LF精炼炉的吹氩管道相连，实现了镁蒸气随同氩气从炉底进入钢水并与钢水充分接触、反应的技术效果，提高了镁元素收得率。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种在LF精炼中对钢水进行脱氧、脱硫的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)向盛有高温钢水的LF精炼炉底部通氩气，然后向高温钢水中加入金属铝，得到脱氧钢水；

(2)调整氩气流量，并从LF精炼炉底部将镁蒸气通入脱氧钢水中，得到脱氧、脱硫钢水；

(3)停止通镁蒸气，保持通氩气，将脱氧、脱硫钢水进行造渣处理，得到造渣钢水；

(4)保持通氩气，向造渣钢水中加入合金进行成分微调，得到合金化钢水；

(5)保持通氩气，从LF精炼炉底部向合金化钢水中通入镁蒸气进行夹杂物变性处理，得到夹杂物改性钢水；

(6)调整氩气和镁蒸气流量，对夹杂物改性钢水进行软吹氩过程，即得经脱氧、脱硫及夹杂物变性处理的钢水。

优选的，步骤(1)中氩气通入方式为：先以25-35Nm³/h流量通入氩气30-60秒，然后将氩气流量调整为10-15Nm³/h，加入金属铝的同时，再将氩气流量调整为12-18Nm³/h；进一步优选的，当钢种为40Cr时，步骤(1)中氩气通入方式为：先以25-35Nm³/h流量通入氩气30-60秒，然后将氩气流量调整为10-15Nm³/h，加入金属铝的同时，再将氩气流量调整为12-16Nm³/h。

优选的，步骤(1)中金属铝为铝线，其中铝质量分数≥98.00％。

优选的，步骤(2)中氩气和镁蒸气的通入流量和时间为：在步骤(1)加完金属铝1-2分钟后，将氩气流量调整为8-12Nm³/h，同时以2-5Nm³/h流量通入镁蒸气3-8分钟，其中，氩气为镁蒸气的载气；进一步优选的，当钢种为20CrMnTiH时，步骤(2)中氩气和镁蒸气的通入流量和时间为：在步骤(1)加完金属铝1-2分钟后，将氩气流量调整为8-12Nm³/h，同时以3-5Nm³/h流量通入镁蒸气5-8分钟，以氩气为载气将镁蒸气带入钢水中；进一步优选的，当钢种为40Cr时，步骤(2)中氩气和镁蒸气的通入流量和时间为：在步骤(1)加完金属铝1-2分钟后，将氩气流量调整为8-12Nm³/h，同时以2-4Nm³/h流量通入镁蒸气3-6分钟，以氩气为载气将镁蒸气带入钢水中。

优选的，步骤(3)和步骤(4)中氩气流量均为10-15Nm³/h。

优选的，步骤(5)中氩气流量为8-12Nm³/h，镁蒸气流量为3-5Nm³/h，镁蒸气通入时间为2-5分钟；进一步优选的，当钢种为20CrMnTiH时，步骤(5)中镁蒸气通入时间为3-5分钟；进一步优选的，当钢种为40Cr时，步骤(5)中镁蒸气通入时间为2-4分钟。

优选的，步骤(6)中氩气流量为6-10Nm³/h，镁蒸气流量为1-2Nm³/h，软吹氩过程时长为8-12分钟；进一步优选的，当钢种为40Cr时，步骤(6)中软吹氩过程时长为8-10分钟。

优选的，步骤(1)至步骤(6)时长为44-52分钟；进一步优选的，当钢种为20CrMnTiH时，步骤(1)至步骤(6)时长为48-52分钟；进一步优选的，当钢种为40Cr时，步骤(1)至步骤(6)时长为44-50分钟。

本发明的上述方法所使用的装置，其特征在于，包括LF精炼炉、底吹氩组件和镁蒸气发生装置，所述底吹氩组件一端与LF精炼炉底部连接，所述镁蒸气发生装置与底吹氩组件相连；

所述LF精炼炉底部设置透气砖；所述底吹氩组件由高温管道、定量阀门一和氩气管道组成；所述高温管道一端连接透气砖，另一端经定量阀门一连接氩气管道；所述镁蒸气发生装置与高温管道相连。

优选的，镁蒸气发生装置包括依次相连的进料口、高温炉、高温储存罐和输送管道，所述输送管道中部设置定量阀门二，所述输送管道与高温管道相连。

本发明实施例提供的一个或多个技术方案，至少具有以下技术效果：

1、本发明采用镁蒸气对钢水进行脱氧、脱硫及夹杂物变性处理，可防止钢水的剧烈翻滚，生产安全性高。

2、本发明从LF精炼炉底部吹入镁蒸气，镁蒸气在上升过程中可以与钢水充分接触，从而可以保证较高的镁元素收得率。

3、本发明中采用的镁蒸气为纯镁汽化后所得，在脱氧、脱硫及夹杂物变性处理时避免带入其他元素而不利于钢水窄成分控制。

附图说明

图1为本发明中在LF精炼中采用镁蒸气对钢水进行脱氧、脱硫及夹杂物变性处理的装置简图。

图2为本发明对比例1的LF精炼装置简图。

其中，1、LF精炼炉；2、透气砖；3、高温管道；4、定量阀门一；5、氩气管道；20、底吹氩组件；6、进料口；7、高温炉；8、高温储存罐；9、输送管道；10、定量阀门二；30、镁蒸气发生装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

应当说明的是，下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂、材料和设备，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例2及对比例2的成品钢各组分含量标准为GB/T 5216-2014；

实施例3及对比例3的成品钢各组分含量标准为GB/T 3077-2015。

镁元素收得率计算公式为：

实施例1

一种在LF精炼中采用镁蒸气对钢水进行脱氧、脱硫的装置，包括LF精炼炉1、底吹氩组件20和镁蒸气发生装置30，底吹氩组件20一端与LF精炼炉1底部连接，镁蒸气发生装置30与底吹氩组件20相连；LF精炼炉1底部设置透气砖2；底吹氩组件20由高温管道3、定量阀门一4和氩气管道5组成；高温管道3一端连接透气砖2，另一端经定量阀门一4连接氩气管道5；镁蒸气发生装置30与高温管道3相连。

镁蒸气发生装置30包括依次相连的进料口6、高温炉7、高温储存罐8和输送管道9，输送管道9中部设置定量阀门二10，输送管道9与高温管道3相连。

制备镁蒸气时，关闭定量阀门二10，向进料口1中加入高纯度镁金属，镁金属经过高温炉7之后气化变为镁蒸气，镁蒸气进入高温储存罐8进行储存。

进行LF精炼时，首先打开定量阀门一4通氩气，然后通过定量阀门一4调节氩气流量，加入金属铝之后，调节定量阀门一4减小氩气流量，并打开定量阀门二10通镁蒸气，镁蒸气由高温储存罐8进入输送管道9，并进入高温管道3中与氩气混合，并通过透气砖2进入LF精炼炉1的高温钢水中；之后，关闭定量阀门二10停止通镁蒸气，调节定量阀门一4适当提高氩气流量后进行造渣、合金微调、升温工序；合金微调完成后，调节定量阀门一4调低氩气流量，并打开定量阀门二10通镁蒸气进行夹杂物变形处理；最后，同时调节定量阀门一4与定量阀门二10，减小氩气和镁蒸气的流量，直至完成软吹氩过程。

对比例1

一种在LF精炼中采用含镁包芯线或镁铝复合合金块对钢水进行脱氧、脱硫的装置，如图2所示，包括LF精炼炉1、底吹氩组件20，底吹氩组件20一端与LF精炼炉1底部连接；LF精炼炉1底部设置透气砖2；底吹氩组件20由高温管道3、定量阀门一4和氩气管道5组成；高温管道3一端连接透气砖2，另一端经定量阀门一4连接氩气管道5。

进行LF精炼时，首先打开定量阀门一4通氩气，然后通过定量阀门一4调节氩气流量，加入金属铝之后，调节定量阀门一4改变氩气流量，然后进行造渣、合金微调、升温操作，待合金成分符合标准要求后，调节定量阀门一4调小氩气流量，以一定速度喂入含镁包芯线或投入一定的镁铝复合合金块，一段时间后，调节定量阀门一4改变氩气流量，直至完成软吹氩过程。

实施例2

一种用实施例1中的装置采用镁蒸气对钢水进行脱氧、脱硫及夹杂物变性处理的方法，包括以下步骤：

本实施例所使用的钢种为20CrMnTiH，一浇次生产5炉次，分别编号为2-1、2-2、2-3、2-4、2-5；进行LF精炼时，首先以Q1流量向高温钢水中吹入氩气，时间为T1，随后将流量调整为Q2，结合20CrMnTiH钢铝含量为0.015-0.035％的内控要求，喂入40m铝线(铝含量≥98.00％，直径Φ10mm)，同时将氩气流量提高至Q3；喂完铝线一段时间(T2)之后，将氩气流量调整为Q4，同时以Q5的流量通镁蒸气一段时间(T3)，以氩气为载气将镁蒸气带入钢水中；关闭镁蒸气控制阀门的同时，将氩气流量调整为Q6，后续进行造渣、合金微调、升温操作；待合金成分符合标准要求后，将氩气流量调整为Q7，同时以Q8的流量通镁蒸气一段时间(T4)；之后再将镁蒸气流量调整为Q9，氩气流量调整为Q10，本过程持续一段时间(T5)，完成软吹氩过程；整个精炼周期为T6。上述5个炉次的LF精炼工艺参数如表1所示。

表1.实施例2中20CrMnTiH钢种LF精炼的工艺参数

上述5个炉次成品钢水成分见表3，符合标准的要求，且成分波动小，满足高品质钢窄成分控制。成品氧含量均控制在0.0006-0.0010％之间，平均值为0.0008％，成品硫含量均控制在0.0011-0.0018％，平均值为0.0014％，镁元素收得率为72-80％。

对比例2

一种用对比例1中的装置在LF精炼中采用含镁包芯线(Mg：5.5～6.5％，Al：55～65％，余量为Fe；直径Φ10mm，芯粉填充率0.25kg/m)对钢水进行脱氧、脱硫及夹杂物变性处理的方法，包括以下步骤：

本对比例所使用的钢种为20CrMnTiH，一浇次生产5炉次，分别编号为2-6、2-7、2-8、2-9、2-10；进行LF精炼时，首先以Q11流量向高温钢水中吹入氩气，时间为T7，随后将流量调整为Q12，结合20CrMnTiH钢铝含量为0.015-0.035％的内控要求，喂入40m铝线(铝含量≥98.00％，直径Φ10mm)，将氩气流量调整为Q13；后续进行造渣、合金微调、升温操作；待合金成分符合标准要求后，将氩气流量调整为Q14，以V1的速度喂入长度为L1的含镁包芯线，钢水翻滚，钢液炉口冒出大量白烟，一段时间(T8)后，将氩气流量调整为Q15，持续一段时间(T9)，完成软吹氩过程；整个精炼周期为T10。上述5个炉次的工艺参数如表2所示。

表2.对比例2中20CrMnTiH钢种LF精炼的工艺参数

上述5个炉次成品钢水成分如表3所示，均符合标准的要求，但成分波动较大。成品氧含量均控制在0.0007-0.0012％之间，平均值为0.0010％，成品硫含量均控制在0.0016-0.0028％，平均值为0.0024％，镁元素收得率为46-69％。

表3.20CrMnTiH钢种成品的化学成分及镁元素收得率

从实施例2和对比例2的生产过程控制及化学成分检验结果对比可以看出，采用本发明的工艺对钢水的脱氧、脱硫效果更好；镁元素平均收得率高出18％，可更好的保证生产工艺参数设计的准确性；生产周期以及化学成分控制较稳定，可更好的满足现场批量化、连续生产；同时现场未出现白烟、钢水翻滚现象，工艺安全性较好。

实施例3

一种用实施例1中的装置采用镁蒸气对钢水进行脱氧、脱硫及夹杂物变性处理的方法，步骤如下：

本实施例所采用的钢种为40Cr，一浇次生产8炉次，分别编号为3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6、3-7、3-8；进行LF精炼时，以q1流量向钢水中吹入氩气，吹入时间为t1，随后将氩气流量调整为q2；结合40Cr钢对铝含量在0.010-0.025％的内控要求，喂入30m铝线(铝含量≥98.00％，直径Φ10mm)，同时将氩气流量提高到q3；喂完铝线一段时间(t2)之后，将氩气流量调整为q4，同时以q5的流量通入镁蒸气一段时间(t3)，以氩气为载气将镁蒸气带入钢水中；停止通镁蒸气同时，将氩气流量调整为q6，后续进行造渣、合金微调、升温操作；待合金成分符合标准要求后，将氩气流量调整为q7，同时以q8的流量通镁蒸气一段时间(t4)；之后再将镁蒸气流量调整为q9，氩气流量调整为q10，本过程持续一段时间(t5)，完成软吹氩过程；整个精炼周期为t6。上述8个炉次的LF精炼的工艺参数如表4所示。

表4.实施例3中40Cr钢种LF精炼的工艺参数

上述8个炉次成品钢水成分见表6，符合标准要求，且成分波动小，满足高品质钢生产要求。成品氧含量均控制在0.0006-0.0009％之间，平均值为0.0007％，成品硫含量均控制在0.0015-0.0024％，平均值为0.0019％，镁元素收得率为70-82％。

对比例3

一种用对比例1中的装置在LF精炼中采用镁铝复合合金块(Mg：15.0～20.0％，Al：80.0～85.0％)对钢水进行脱氧、脱硫及夹杂物变形处理的方法，包括以下步骤：

本实施例所采用的钢种为40Cr，一浇次生产6炉次，分别编号为3-9、3-10、3-11、3-12、3-13、3-14；进行LF精炼时，以q11流量向钢水中吹入氩气，时间为t7，随后将氩气流量调整为q12；结合40Cr钢对铝含量在0.010-0.025％的内控要求，喂入长度为30m的铝线(铝含量≥98.00％，直径Φ10mm)，将氩气流量调整为q13，后续进行造渣、合金微调、升温操作，待合金成分符合标准要求后，投入质量为M的镁铝复合合金，钢水翻滚十分剧烈，炉口出现浓烟，局部出现钢水飞溅，待浓烟消尽一段时间(t8)后；将氩气流量调整为q14，本过程持续一段时间(t9)后，完成软吹氩过程；整个精炼周期为t10。上述6个炉次的LF精炼的工艺参数如表5所示。

表5.对比例3中40Cr钢种LF精炼的工艺参数

上述6个炉次成品钢水成分见表6，均符合标准的要求，但成分波动较大。成品氧含量均控制在0.0007-0.0012％之间，平均值为0.0009％，成品硫含量均控制在0.0017-0.0028％，平均值为0.0023％，镁元素收得率为40-58％。

表6.40Cr钢成品的钢水成分及镁元素收得率

从实施例3和对比例3的生产过程控制及化学成分检验结果对比可以看出，采用本发明的工艺对钢水的脱氧、脱硫效果更好；镁元素平均收得率高出29％，可更好的保证生产工艺参数设计的准确性；生产周期以及化学成分控制较稳定，可更好的满足现场批量化、连续生产。同时现场未出现浓烟、钢水飞溅等现象，工艺安全性较好。

Claims (13)

1.一种在LF精炼中对钢水进行脱氧、脱硫的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）向盛有高温钢水的LF精炼炉底部通氩气，然后向高温钢水中加入金属铝，得到脱氧钢水；

（2）调整氩气流量，并从LF精炼炉底部将镁蒸气通入脱氧钢水中，得到脱氧、脱硫钢水；

（3）停止通镁蒸气，保持通氩气，将脱氧、脱硫钢水进行造渣处理，得到造渣钢水；

（4）保持通氩气，向造渣钢水中加入合金进行成分微调，得到合金化钢水；

（5）保持通氩气，从LF精炼炉底部向合金化钢水中通入镁蒸气进行夹杂物变性处理，得到夹杂物改性钢水；

（6）调整氩气和镁蒸气流量，对夹杂物改性钢水进行软吹氩过程，即得经脱氧、脱硫及夹杂物变性处理的钢水；

所述步骤（1）中氩气通入方式为：先以25-35Nm³/h流量通入氩气30-60秒，然后将氩气流量调整为10-15Nm³/h，加入金属铝的同时，再将氩气流量调整为12-18Nm³/h；

所述步骤（2）中氩气和镁蒸气的通入流量和时间为：在步骤（1）加完金属铝1-2分钟后，将氩气流量调整为8-12Nm³/h，同时以2-5Nm³/h流量通入镁蒸气3-8分钟，其中，氩气为镁蒸气的载气；

所述步骤（3）和步骤（4）中氩气流量均为10-15Nm³/h；

所述步骤（5）中氩气流量为8-12Nm³/h，镁蒸气流量为3-5Nm³/h，镁蒸气通入时间为2-5分钟；

所述步骤（6）中氩气流量为6-10Nm³/h，镁蒸气流量为1-2Nm³/h，软吹氩过程时长为8-12分钟。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当钢种为40Cr时，步骤（1）中氩气通入方式为：先以25-35Nm³/h流量通入氩气30-60秒，然后将氩气流量调整为10-15Nm³/h，加入金属铝的同时，再将氩气流量调整为12-16Nm³/h。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中金属铝为铝线，其中铝质量分数≥98.00%。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当钢种为20CrMnTiH时，步骤（2）中氩气和镁蒸气的通入流量和时间为：在步骤（1）加完金属铝1-2分钟后，将氩气流量调整为8-12Nm³/h，同时以3-5Nm³/h流量通入镁蒸气5-8分钟，以氩气为载气将镁蒸气带入钢水中。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当钢种为40Cr时，步骤（2）中氩气和镁蒸气的通入流量和时间为：在步骤（1）加完金属铝1-2分钟后，将氩气流量调整为8-12Nm³/h，同时以2-4Nm³/h流量通入镁蒸气3-6分钟，以氩气为载气将镁蒸气带入钢水中。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当钢种为20CrMnTiH时，步骤（5）中镁蒸气通入时间为3-5分钟。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当钢种为40Cr时，步骤（5）中镁蒸气通入时间为2-4分钟。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当钢种为40Cr时，步骤（6）中软吹氩过程时长为8-10分钟。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）至步骤（6）时长为44-52分钟。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当钢种为40Cr时，步骤（1）至步骤（6）时长为44-50分钟。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当钢种为20CrMnTiH时，步骤（1）至步骤（6）时长为48-52分钟。

12.如权利要求1-11任一项所述的方法使用的装置，其特征在于，包括LF精炼炉、底吹氩组件和镁蒸气发生装置，所述底吹氩组件一端与LF精炼炉底部连接，所述镁蒸气发生装置与底吹氩组件相连；

所述LF精炼炉底部设置透气砖；所述底吹氩组件由高温管道、定量阀门一和氩气管道组成；所述高温管道一端连接透气砖，另一端经定量阀门一连接氩气管道；所述镁蒸气发生装置与高温管道相连。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，镁蒸气发生装置包括依次相连的进料口、高温炉、高温储存罐和输送管道，所述输送管道中部设置定量阀门二，所述输送管道与高温管道相连。

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