CN1164873A - 真空精炼钢水的方法及其所用的设备 - Google Patents

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Abstract

在其中采用精炼熔剂的真空精炼钢水的方法中，使燃料气和氧气喷入真空精炼设备的出口中，从而在该顶吹喷枪之下形成烧嘴火焰，同时借助作为载气的氧气将精炼熔剂送入该顶吹喷枪中，再使之通过此烧嘴火焰，然后使加过热和熔化了的该精炼熔剂到达该钢水的表面。在此情况下，在真空精炼过程中将该精炼熔剂的输入流量和该钢水的循环流量调节得具有预定的关系，从而在整个该真空罐的耐火材料单次寿命期中达到低的熔剂消耗。

Description

真空精炼钢水的方法及其所用的设备
本发明是关于在RH真空脱气设备、DH真空脱气等设备中真空精炼钢水的方法的发明。尤其是，本发明提供了可用精炼熔剂有效地进行钢水的真空精炼反应的方法和设备。
近年来为满足日益增长的对产品的严格的质量要求已导致了按ppm的数量级去除杂质的需求。为满足这种需求，一直试图将铁水预处理及二次精炼用到炼钢工艺中。
比如，为用RH真空脱气设备生产超低硫钢、日本未审专利公开5-171253、5-2877359、5-345910及6-65625等文献公开了精炼熔剂的喷射方法，其中精炼熔剂(脱硫剂)与惰性载气一起经顶吹喷枪，对着在装有顶吹喷枪的RH真空脱气设备的罐中循环流动的钢水吹去，然后强制其进入此钢水，从而使此钢水脱硫。
另一方面，本发明的申请人已在日本未审专利公开7-41826中提出一种方法，其中，将精炼剂喷在或加在钢水的表面上，同时借助于真空处理设备中的烧咀加热此钢水，以防止钢水温度下降及促使该精炼熔剂熔化，借此改善脱硫效果。
在此同一份公开文献中，本申请人已公开了一种技术，其中可同时喷出燃料气体，用于此燃料气体燃烧的氧气及精炼熔剂(借助于惰性气体，如氩气)的顶吹喷枪，尤其是包括：设在用于喷出氧气的拉瓦尔枪下端处的扩散面中的燃料气体输送孔；设在该氧气通道(轴向中心)中的精炼熔剂引入管，开向该扩散空间中的该精炼熔剂喷出口的顶吹喷枪以悬挂状态被可升、降地设置在真空脱气罐中，进行用该燃料气体和氧气加热烧咀火焰和该精炼熔剂的喷射，从而用该烧咀中的燃烧(火焰)热预热此精炼熔剂，直到该精炼熔剂到达该钢水表面为止，借此促使该精炼熔剂在钢水中熔化，从而改善脱硫效果。
日本未审专利公开5-195043公开了一种方法，其中将具有等离子电极的等离子枪设在RH脱气设备中，设在钢水面以上的其侧壁上，将熔剂输送管设在该等离子枪的枪体上，以将熔剂输到等离子流中，在喷射过程中用等离子流加热和/或熔化此精炼剂，直到此精炼熔剂到达钢水表面为止，然后此熔剂被引入钢水。
如上所述，按常规技术，在真空脱气设备中用精炼熔剂(脱硫剂)精炼钢水时，该精炼熔剂借助于作为载气的惰性气体被引入该钢水的表面中，而且，在加热精炼熔剂时，通过用氧气和燃料气体进行烧咀燃烧加热处理，或借助等离子流进行加热处理。
在将精炼熔剂，比如脱硫剂引入钢水中时为何采用惰性气体作载气的原因如下：
一般来说，钢水的脱硫反应用下式表示：
其中〔〕表示〔〕中的组分是钢水中所含的一种组分，而()表示()中的组分是渣中所含的一种组分。
因此，为降低该式左方中的钢水中的硫含量，则必须进行：1)加作为脱硫剂的石灰(提高CaO)及2)降低该钢水中的氧浓度。为降低钢水中的氧浓度，则必需加作为脱氧剂的铝及防止钢水与气氛中的氧接触而引起的钢水中氧浓度的升高。这就是为何该脱硫反应被认为是还原精炼的原因。
为此，按常规的脱硫方法，通常的作法是借助惰性载气，如氮或氩气经插在钢水表面之下的喷咀将脱硫粉末吹入钢水中，或经置于钢水表面上方的喷枪对着钢水表面喷吹脱硫粉末。也就是说，用氧气作为载带此粉末的气体，或作为对着钢水表面喷吹的气体则导致钢水氧浓度上升，从而抑制了该脱硫反应，因此从这一原理的观点出发，一直被认为是不合理的。按上述的公知的技术知识借助作为载气的惰性气体将精炼熔剂引入钢水的表面中，则因该引入的惰性气体或粉状精炼熔剂而导致钢水温度下降，然后这又导致了该精炼熔剂的冶金反应延迟，或，在有效地采用烧咀燃烧加热的情况下，使形成于喷枪下端的烧咀火焰温度下降，结果使已到达钢水表面处的精炼熔剂的温度下降，因此使该精炼熔剂的反应效率下降。
另一方面，这样的方法，其中在精炼熔剂到达钢水表面之前，用等离子枪加热或熔化精炼熔剂，就涉及到以下的缺点：
1)还需精炼枪用于通过吹氧进行脱碳，或用于其它目的。
2)等离子还需要特殊的能源及控制设备。
3)一般来说。气氛压力下降使得等离子引入的功率下降。结果，使热量值变小，从面使此法不适于熔化大量的粉末。
此外，熔剂精炼，在真空精炼设备中，尤其是涉及到引入脱硫剂的熔剂精炼有这样的问题：在上述的，其中的构成真空罐的耐火材料是新的设备中和在上述的，其中的构成真空罐的耐火材料由于反复用于常规脱气而大量熔损的设备中的精炼之间，精炼结果产生差异，即使这两种情况在脱硫前的钢水成份、包中的渣成份，循环气体的吹入条件、精炼熔剂的成份、颗粒尺寸、喷吹条件及其它条件方面彼此相同也是如此。这就是说，前者的脱硫率比后者的低，这表明，前者为达到不超过10ppm的预定目标值的脱硫所需的精炼熔剂的消耗比后者的高。
在上述的钢水真空精炼中，采用熔剂的、可以较高的功率进行的、而同时在整个精炼其中是均匀的、因而可在短时间内完成的精炼则一直为本技术领域所期望。
因此，本发明的目的在于提供一种更有效的真空精炼方法。
本发明的另一个目的在于提供一种用于在通用的、简单系统中，用熔剂进行的精炼过程中补偿钢水温度下降的方法和设备。
本发明的再一目的在于提供一种在真空罐中使用熔剂的精炼方法，该法可在构成上述真空罐的耐火材料的整个寿命期，即从该耐火材料的早期至其末期(下文指的是单次耐火材料寿命期)的期限中将精炼熔剂的单位需求保持在低值。
根据本发明，提供了这样一种精炼工艺，其特征在于借助作为载气的氧气使用精炼熔剂。确切地说，该精炼工艺包括以下步骤：借助氧气作载气将精炼熔剂如，脱硫剂吹入设在真空脱气罐顶部中的顶吹喷枪中的氧气通道中；将该精炼剂与输入此氧气通道中的氧气混合；将燃料气体输入经过此顶吹喷枪及在该顶吹喷枪喷出孔附近开口的燃料气体通道；将该混合气体与该燃料气体在此顶吹喷枪喷出孔附近混合，从而形成火焰；用此火焰加热和熔化该精炼熔剂，然后将熔化了的精炼熔剂送入钢水中。
为何在该作为还原精炼的脱硫反应中还用氧气作载气的理由是基于这样一种新发现：降低该真空罐中的气氛压就可降低与钢水接触的氧的分压，从而能使该载气中的氧浓度降低。
还有，根据本发明，由于该燃料气体也用作为载气的氧气进行完全燃烧，所以到达和污染此钢水的污染气体的量就很小。此外，在本发明中，如下文将述，由于精炼熔剂在因上述燃烧而形成的火焰中加热和熔化，所以此顶吹喷枪的高度被设为一预定值。该预定的喷枪高度使得该燃烧气体在钢水表面附近处的流速下降，而且使之难以到达此钢水表面。
即使此污染气体进入了钢水表面，但由于此钢水在真空罐内以大流量的涡流态流动，所以此污染气体即刻在钢水中扩散，从而避免了此污染气体对该熔化了的精炼熔剂的影响。
此外，本发明人已对此精炼熔剂在烧咀火焰中，在其到达钢水表面之前的加热和熔化所需的条件作了研究，即，对单位粉末输入的热量、该粉末的颗粒尺寸、该粉末的熔点和喷枪的高度等进行了研究，结果就能使该精炼熔剂按本发明用烧咀火焰加热-熔化。
借助上述技术，可防止因引入精炼熔剂而使此钢水温度明显下降，同时还减少了此精炼剂的消耗。
此外，按照本发明，将该精炼熔剂的输入流量F和该真空精炼处理过程中的钢水循环流量Q调整得满足以下要求：0.5≤F/Q≤1.5，从而能将该精炼熔剂的消耗，在构成该真空罐的耐火材料的整个单次寿命中都保持得很低。
当然，要紧的是，当将F和Q保持在上述范围内时，该真空罐中的钢水就可令人满意地环流，从而消除了因污染气体进入钢水所引起的有害影响。
图1是用于实施本发明的RH真空脱气设备的一实施方案的剖面的局部正视图；
图2是图1中所示顶吹喷枪的端部的剖面图；
图3是用于实施本发明的RH真空脱气设备的另一实施方案的剖面的局部正视图；
图4是图3所示顶吹喷枪端部的剖面图；
图5是RH真空脱气设备剖面的局部正视图；
图6是图5所示顶吹喷枪末端的剖面图；
图7是展示埋入管内径与图5所示设备中的钢水循环流量间关系，及单次耐火材料寿命期与上述设备中的循环流量间关系的曲线；
图8是展示熔剂输入流量与图5中所示设备中的脱硫率间关系的曲线；
图9是展示图5所示的设备中的熔剂输入流量与钢水环流流量之比和脱硫率之间的关系的曲线；
图10是展示图1所示的设备中的熔剂输入流量与钢水环流流量之比和脱硫率之间关系的曲线；
图11是展示图3中所示的设备中的熔剂输入流量与钢水环流流量之比和脱硫率之间关系的曲线；
图12(A)是展示熔化前的熔剂粉末截面的电子反射显微照片；
图12(B)是展示构成图12(A)中的熔剂粉末的Ca的元素分布的电子反射显微照片；
图13(A)是显示熔化后的熔剂截面的电子反射显微照片；
图13(B)是显示构成图13(A)中的熔剂粉末的Ca的元素分布的电子反射显微照片。
本发明属于精炼方法，其中一直被认为是尤其不可用于使用熔剂的还原精炼中的氧气被用作精炼熔剂的载气，以便进行钢水的温度补偿及增强熔剂的精炼反应。这种用氧气作载气的想法是基于以下的技术认识。
确切地说在低压气氛中用氧可降低与钢水接触的氧气的分压。比如，在RH真空脱气过程中，即使当单独用氧气构成气氛时，5乇的气氛压力时的氧浓度相当于在大气压力下被减到0.6％的氧浓度。与钢水接触的气体中的氧浓度越低则结果越好。但本发明人所作的研究已表明。在以RH真空脱气工艺处理时，小于1％的氧浓度可消除氧对钢水的污染。
如上所述，当该真空精炼设备中的真空脱气罐中的气氛压力不大于5乇时，此压力相当于大气压力下的不超过0.6％的氧浓度，从而防止了氧对钢水的污染。本发明基于这样一种技术认识：降低该罐中的气氛压力能使与钢水接触的氧气的分压降到不会产生氧污染此钢水的问题的程度。
这种认识在还原精炼，如脱硫精炼中是一种与常规技术知识相反的一种新的认识，而没有这种技术认识，就不能形成本发明。
基于上述技术认识，在使用熔剂的精炼工艺中，使真空脱气罐中的真空度为3-200乇。当真空度小至大于200乇时，则钢水不能被向上抽入此脱气罐中的，从而抑制了钢水的环流，而同时，导致了氧对钢水的明显的污染。另一方面，当此真空度很高而小于3乇时，则从该顶吹喷枪出口的开孔处喷击的火焰迅速变长，结果增加了火焰与钢水接触的时间。这导致了碳对钢水的污染迅速提高。出于上述原因，将该罐中的真空度限于上述范围，当精炼后的钢水属于这样一种类型时：完全防止了氧或碳对此钢水的污染而当有效的精炼的短时间内完成时，则要使该罐内的真空度为70-150乇。当根据钢的类型可允许某些污染时，则可取决于钢的种类在3-70乇以下或150以上至200乇的范围内选择真空度。
此外，可适当调整此顶吹喷枪出口与钢水表面间的距离(枪的高度)及钢水在此真空精炼设备中的环流速度，以便确保防止污染。
此外，基于上述认识，按本发明，使在该顶吹喷枪出口附近喷出的燃料气体用上述载气中所包含的氧气完全燃烧，以便将因燃烧气体(如二氧化碳和水蒸气)的氧化作用而产生的钢水的污染减至最小。
还有，使该精炼熔剂在该燃烧气体中加热和熔化以便将构成该熔剂的元素均匀地分布在该熔剂颗粒中，并在此状态下，将此熔剂引入钢水，从而保证该熔剂的构成元素在钢水中均匀分布。
在此燃烧气体(火焰)中加热和熔化精炼熔剂的条件将陈述于下：
(1)按本发明，为了在该火焰中熔化此熔剂，该顶吹喷枪下端开口与钢水间的距离LH，即枪的高度(操纵烧咀的高度)应被提高，以保证熔化时间。就此而论，在有关于在火焰中向该熔剂传热的计算及对该熔剂的熔化状态的观察结果的基础上已列出下面的公式：
LH＞3500-6.18×D2+224×(D2/D1)+1.13×F-11.58×P
其中LH代表此喷枪高度，mm；D1代表枪的喉部直径，mm；D2代表该枪出口的直径，mm；f代表氧气的流量、Nm3/时；P代表气氛压力，乇。基于此式，调节氧的流量及气氛压力(考虑到氧或碳的污染)，以便确定合乎要求的LH值。
(2)在与在火焰中向熔剂传热相关的计算和对该熔剂的熔化状态观察结果的基础上，列出以下公式，基于此式计算向单位熔剂所输的热量：
670千卡/公斤-熔剂(LNG/公斤-熔剂：相当于0.067Nm3)应将大于此值的热量输于火焰中。
(3)就熔剂的颗粒尺寸而言，将各熔剂颗粒的直径调节到不大于0.25mm，而更好是不大于0.14mm。这样的颗粒尺寸相当于不大于100目。这样的颗粒尺寸一直是根据与在火焰中向熔剂传热相关的计算及对该熔剂的熔化状态的观察结果而计算出来的。
(4)调节熔剂的熔点。确切地说是用于本发明实施例中的熔剂(脱硫剂)的成份为80％CaO和20％CaF2，而从相图推测其熔点为约2000℃。因此可使用熔点为此值或低于此值的熔剂。
在落入本发明范围的条件下，即这样的条件：含40％CaF2和60％CaO，颗粒尺寸不大于100目的熔剂被用作脱硫剂、燃料气体为LNG100Nm3/时，而烧咀高度为6m，进行精炼熔剂熔化试验。
该熔剂粉末在被引入火焰之前，其外表如图12(A)中所示，不是圆的，而且其表面上有明显的不规则性。此外，如图12(B)中所示，Ca在此颗粒中的分布是非均质的。
如图13(A)中所示，在上述条件下将所述熔剂引入火焰，则使得该熔剂粉末形成光滑的小球，然后如图13(B)中所示，使Ca均匀分布于此小球中。对于其它的组分，F和O也可达到同样的分布，这证明，所有的熔剂构成成份是均匀化了。
结果，该熔剂变成了进入钢水的小球状的团块，并马上扩散和溶解，结果在此钢水中形成了迅速而有效的脱硫反应。
因此，借助氧作载气将精炼熔剂引入烧咀火焰就提高了该烧咀火焰的温度，该熔剂的温度和钢水的温度，结果改善了该精炼熔剂的反应效率。此外，就该系统而言，该真空精炼设备的顶吹喷枪，由于其不另行设置其它装置而可使用，所以产生了很大的优点，即，该系统十分简单，而且该工艺可以低成本实施。
现将通过参照附图详述本发明。
起始，为证实按本发明用氧气作载气和按现有技术用氩气作载气之间的效果的差异，用图3和4中所示的设备进行以下的精炼试验。
图3展示了真空精炼设备及用于输送精炼熔剂、燃料气体和使该燃料气体燃烧的氧气的熔剂/气体供应系统。
真空精炼设备7包括：具有埋在盛于钢水包19中的钢水20内的埋入管8-1的真空罐8，及可升、降地设在真空罐顶部8-2中的顶吹喷枪1。
如于图4中所示，顶吹喷枪1包括设在其轴向中心中的氧气通道4、设在该枪壁内的数个燃料气体通道3b、通道3b各具的燃料气体输送孔3a向在该枪下端处的扩散表面2开通。此外，精炼熔剂引入管5设在氧气通道4之内，而其喷出口6向扩张表面2限定的空间(开孔)1-1开通。
氧气通道4与氧气输送管9相连，而且氧气经阀10输送。燃料气体的通道3b与燃料气体输送管11相连，而且燃料气体9经阀12输送。精炼熔剂引入管5与载气输送管13相连，而且该载气经阀14输送。精炼剂罐17经阀18与位于顶吹喷枪1和阀14间的载气输送管13相连，而该系统的构造要使得载气从与罐17相连的载气输送管13经阀16输入罐17中，以便将精炼熔剂从罐17输入载气输送管13中。
在上述的设备和系统中，借助载气将该精炼剂从精炼剂罐17输至载气输送管13中，然后该精炼剂与载气一起被输入设在该顶吹喷枪中的精炼熔剂引入管5中。
还有，用于使燃料气体燃烧的氧气从氧气输送管9供入该顶吹喷枪中的氧气通道5中，此外，燃料气体从燃料输送管11供入燃料气体通道3b。氧气、燃料气体和精炼熔剂被同时喷入该顶吹喷枪出口中的开孔1-1中，而且与此同时精炼熔剂经过该烧咀火焰，它在其中被加热和熔化。精炼熔剂以熔态到达该真空罐中的钢水表面。
在这方面，进行了两种精炼试验。在一个精炼试验中，采用了上述的设备及系统，用氩作经输送管13、15输送的载气，而精炼熔剂被用于脱硫剂，并借助作为载气的氩被喷出。在另一精炼试验中，将氧气作为经输送管13、15输送的载气，该精炼熔剂借助于作为载气的氧气被喷出。在这些试验中，在相同的单位熔剂需求的基础上研究了脱硫率。
试验时的钢水量为108吨，所用的钢为铝镇静钢。所用的精炼剂组成为80％石灰和20％莹石，该熔剂粉末尺寸不超过100目。
顶吹喷枪1的下端为拉瓦尔结构，其中其前端的形状是这样的：喉部的直径为18mm而出口直径为90mm，该下端的设置高度为6m(以钢水表面为基准)。LNG被用作燃料气体，以200Nm3/时的流量输入顶吹喷枪1中的燃料气体通道，然后经燃料气体输送孔3a喷出。氧气以460Nm3/时的流量供入氧气通道4，该流量对使该燃烧气体完全燃烧是足够高的，然后此氧气经该枪的轴向中心喷出。
该精炼熔剂的供料速度为30kg/分，该熔剂的单位需求为2kg/吨，钢水的循环速度为40吨/分，而精炼熔剂的载气流量(经精炼熔剂引入管5喷出的载气量)为240Nm3/时。
当该精炼熔剂的载气为氧气时，要将经氧气通道4喷出的氧气流量调节得使作为载气喷出的氧气和经项吹喷枪1中的氧气通道4喷出的氧气的总氧气喷出量为460Nm3/时。在此试验中，钢包19内的渣中T.Fe含量不大于3％。
关于脱硫率的调研结果被归纳于表1中。已发现的是：与以氩气作载气相比，按下面公式的脱硫率，在以氧作载气时较高，而且可提供更有效的脱硫精炼。
脱硫率＝(处理前的钢水硫含量-处理后的钢水S含量)÷(处理前的钢水S含量)×100
表1
熔剂输送系统 载气 脱S率
输入插在顶吹喷枪中的熔剂引入管中输入插在顶吹喷枪中的熔剂引入管中 氩气氧气 45％70％
输入烧咀枪的氧气输送管中 氧气 80％
据信为何在相同的精炼熔剂消耗的基础上，通过将精炼熔剂的载气氩换成氧就可取得25％的脱硫率的改进的原因在于：通过摒弃了燃烧不需要的，而且降低烧咀火焰温度的氩气所取得的好处，在该枪下端以下和钢液面以上形成的烧咀火焰温度得以升高，结果使该精炼熔剂在到达钢水表面时其温度升高，从而改善了此精炼熔剂的反应效率。
如上所述，借助氧气作载气，用精炼熔剂引入管5经该顶吹喷枪载带精炼熔剂可产生现有技术不能达到的精炼效果，此外，易于采取防止因该粉末造成此顶吹喷枪内壁磨损的措施的附加的好处。但，这种结构复杂，而且应采用防止该引入管因暴露于高温中而引起的熔损的措施。
出于此原因，按本发明，去掉了图4中所示的精炼熔剂引入管5，而如图1和2所示那样构成精炼熔剂供入设备及系统，其中载气输送管13与氧气通道4的顶部相连并向其开通，从而使得该精炼熔剂被直接供入氧气通道4中。这就不再需要将用供燃料气体燃烧的氧气的氧气输送管9，而该精炼熔剂和供此燃料气体燃烧的氧气都经载气输送管13供入氧气通道4。
按照有上述结构的该真空精炼设备，在氧气通道4中，该精炼熔剂均匀地分散在此氧气中并与之混合，同时在此顶吹喷枪中的出口开口1-1中与燃料混合。因此，在该顶吹喷枪的出口处不会产生不连续的压力，从而导致了稳定火焰的形成，及该精炼熔剂的被分散的各颗粒的均匀加热。
采用具有上述结构的真空精炼设备进行真空精炼试验，其中该顶吹喷枪1的喉部直径为18mm，出口直径为90mm，氧气流量，包括用作此精炼熔剂载气的氧气，经该枪喷出时为460Nm3/时，而其它条件与上述的相同。结果也归纳于表1中。
如从列于表1中的结果所知，与用氧气作载气，经插有熔剂引入管5的顶吹喷枪1输送该精炼熔剂相比，用供燃料气体燃烧的氧气作载气将该精炼熔剂供入与该烧咀枪相连的载气输送管，则在脱S率方面又取得10％的改进，从而导致了更有效的脱硫精炼。
如上所述，这是由于将该精炼熔剂在该烧咀中均匀分散而带来的均匀传热所产生的。实际上，该精炼熔剂的颗粒已成球状，该熔剂的构成组分，如氟和Ca已均匀地分布在此颗粒中。
更确切地说，被认为的是：按本发明的上述实施方案，用于精炼的熔剂颗粒团，在其到达钢水表面为止，其温度在上升，而且此加热将该熔剂熔化，结果，在此精炼熔剂到达钢水表面后，该精炼的目标元素，S的扩散入此熔剂中的速度被提高，从而增加了该熔剂中的S浓度，结果改善了该精炼熔剂的反应效率和改善了在相同的单位需求基础上的脱硫率。
在图1-4中所示的真空精炼设备中，除了用烧咀燃烧使该精炼熔剂在加热后，或加热和熔化后到达钢水表面、加热钢水和耐火材料之外，也可将用通过单独吹氧来促进脱硫和提高铝的温度。
本发明人已用上述的RH真空脱气设备对熔剂精炼作了试验，结果还发现下列现象。更准确地说是，上述设备中的精炼间产生不同的精炼结果，即在其中的构成该真空罐的耐火材料是新的时，上述设备中的精炼结果和在其中的构成该真空罐的耐火材料因反复用于常规脱气而明显熔损的上述设备的精炼结果不同，即使当此二情况在用该熔剂精炼前的钢水成份、钢包中的渣成份，循环气体的吹送条件、精炼熔剂的成份，颗粒尺寸和吹送条件及其它条件方面相同时也是如此。这就是说，前一熔剂精炼的反应效率比后一熔剂精炼的反应效率低，比如，就前者而言，为将S脱到不大于10ppm的目标值所需的该精炼剂的消耗高于后者。
本发明的另一目标已在对上述现象说明的基础上完成。具体地说，提供了一种真空精炼钢水的方法，这是一种通过进一步改进上述方法而完成的方法，其中，在上述熔剂精炼中，而且还是在构成该真空罐的耐火材料是新的时期的精炼中，与在构成该真空罐的耐火材料已明显熔损的期间内的精炼中的熔剂精炼反应相似的熔剂精炼反应被确保，从而能使此精炼的熔剂消耗与在构成真空罐的耐火材料已明显熔损的期间内精炼的熔剂消耗一样低。
本发明人对上述现象作了各种试验，结果注意到：在构成RH真空罐的耐火材料单次寿命的前期和后期之间该RH浸入管的状态不同。准确地说，与构成此真空罐的耐火材料寿命早期中的该RH浸入管相比，由于熔损，该RH浸入管的内径在构成此真空罐的耐火材料的单次寿命的末期增大，结果使钢水环流流量增大。根据此事实，对钢水环流流量、精炼熔剂的输入流量，采用熔剂精炼的效果和用于精炼的该熔剂的单位需求间的关系，根据该实验后立即测得的此浸入管的内径测得值的计算进行了调查和研究。
结果发现，在这样的真空精炼钢水的工艺中，其中将精炼熔剂经一顶吹喷枪借助载气对着钢水表面喷吹，对该熔剂输入流量F和/或钢水循环流量Q的规定要使得该熔剂输入流量F和钢水循环流量Q在该真空精炼处理期间满足以下式表示的要求，就可稳定地在整个单次耐火材料寿命期中提供高的采用熔剂精炼的效率，比如，以低的熔剂消耗生产出S含量不大于10ppm的超低S钢水，所述的公式为：
0.5≤熔剂输入流量F(kg/分)÷钢水
循环流量Q(吨/分)≤1.5。
就单次耐火材料寿命期而言，用新的耐火材料构成该RH真空罐时的时间被定为该单次耐火材料寿命期的开始，而更换此真空罐以便重新构成被磨损的耐火材料时间被定为此单次耐火材料寿命期的结束。
在单次耐火材料寿命期中用熔剂精炼时所观察到的现象被以下的实验证实。
本发明人作了一个试验，其中将具有图6所示的拉瓦尔结构的顶吹喷枪31以悬挂状态置于图5所示的生产能力为100吨的RH系统的真空罐8中，而且使脱硫熔剂粉末借助作为载气的氩气通过枪31，然后对着盛在该真空罐中的，并经埋在盛于钢包19中的钢水20中的浸入管8-1循环的钢水20的表面喷吹，借此进行真空脱硫。
在图5中，载气输送管33经阀34与顶吹喷枪31中的载气通道32相连，熔剂罐35经阀36与输送管33相连，而载气输送管37经阀38与罐35相连。
所用的熔剂的成份为60％石灰一40％莹石，熔剂粉末的尺寸不大于100目。该枪如图6中所示，并且其喉部直径为18mm而出口的直径为90mm。该载气的流量为300Nm3/时。该枪离此真空罐中的钢水表面的高度为2.3m。
钢水包中的渣的成份和所用的熔剂的量要使得该渣中的T.Fe+MnO的含量不大于5％，该熔剂的单位需求为约2kg/吨，而该熔剂的输送流量为70kg/分。所用的钢水的成份示于表2中，并在约1600℃的温度下对其进行处理。
本发明人在构成此RH真空罐的耐火材料的整个单次寿命期中连续进行试验。结果，在该耐火是新的早期和此耐火材料已大量熔损的末期，尽管在表3所示的同样的脱硫熔剂单位需求和在同样的处理条件下处理。末期的脱S率高于早期。
另一方面，在这样的脱S实验中：其中该熔剂输入流量改成25kg/分和40kg/分，而不象上述试验用70kg/分的熔剂输入流量，则该脱硫率在构成此真空罐的耐火材料的末期和早期中都高。
表2C               Si               Mn              酸溶A10.0030％        3.0％            0.20            0.300
表3单次耐火材料寿命期               平均脱硫率早期                             40％中期                             45％末期                        71％
(CaO-40％CaF2：2kg/吨)
如公知的那样，与构成新炉时的RH浸入管8-1的内径相比，该炉单次耐火材料寿命末期时的RH浸入管8-1的内径因发生熔损而变大。此外，一般来说，在RH处理时，不考虑该RH浸入管的熔损将该循环气体流量而定为恒定值，而钢水的循环流量则取决于该浸入管的内径。图7展示了浸入管内径与构成用于上述脱S试验的，生产能力为100吨的RH系统(循环气体流量：500N1/分(定值)中的RH真空罐)单次耐火材料寿命早期、中期和末期中的钢水循环流量间的关系。从图7可知：钢水的循环流量从该单次耐火材料寿命的早期至末期逐渐增加。
因此，本发明人在相同的钢水循环流量和经研究的熔剂输入流量和脱硫率间的关系的基础上将上述的脱S试验结果分类。该结果示于图8。如可从图8所知那样，当钢水的循环流量大时，无论该熔剂输入流量如何，脱S率总是稳定的，而当钢水循环流量小时，提高熔剂的输入流量就导致了脱S率下降及脱S效率下降。
这种现象表明：在熔剂的输入和钢水的流量之间有一最佳关系。因此，熔剂输入流量F(kg/分)与钢水循环流量Q(吨/分)之比与脱S率之间的关系被规定出来并示于图9中。在下面的陈述中，F代表熔剂输入流量，而Q代表钢水循环流量。
当熔剂输入流量与钢水循环流量之比不大于1.5时，脱S率可保持高水平。当其大于1.5时，脱S率则下降。
这可能是因为钢水流量相对熔剂的这种流量而言较慢，从而抑制了熔剂的分散，因此使得此脱S反应相关的界面面积减小。
在上述发现的基础上，本发明人用图5中所示的RH系统进行了试验，其中在整个构成该RH真空罐的耐火材料的单次寿命期中，在真空处理开始之前测量RH浸入管的内径，计算推定的钢水的循环流量，然后进行真空脱硫，而同时根据钢水的循环流量调节该熔剂的输入流量，以使该熔剂输入流量与钢水的循环流量之比在真空脱S期间不大于1.5。在表4中归纳了上述实验中的构成该真空罐的耐火材料的单次寿命期、钢水的循环流量、熔剂的输入流量、该熔剂输入流量与钢水循环流量之比、及脱S率。
此外。在表3中所列出的关于的脱S率的数据(该数据展示这样实验的结果：它将用恒定的熔剂输入流量，而在整个单次耐火材料寿命期中末经调整)以及熔剂输入流量和该熔剂输入流量与钢水循环流量之比也列在表4中。
从表4可知，当调节熔剂输入流量而使得在真空脱S期间给定一个不大于1.5的熔剂输入流量与钢水循环流量之比时，则在整个构成此真空罐的耐火材料的单次寿命期中，脱S率稳定地保持在高水平上，而熔剂的单位需则保持在低上。
表4
                                            本发明工艺                      常规工艺
耐火材料单次寿命期 推 荐 的 循环  流  量Q，吨/分 熔剂输入流量  Fkg/分 F/Q 脱S率％ 熔剂输入流量kg/分 F/Q 脱S率％
早期 34 61 1.50 70 70 2.06 40
中期 43 64 1.49 70 70 1.63 45
末期 51 76 1.49 71 70 1.37 71
(熔剂：CaO-40％CaF2粉末，2kg/吨)
在整个构成该真空罐的耐火材料单次寿命期中的每次真空脱S期间将熔剂输入流量与钢水循环流量之比调到不大于1.5是通过调节该熔剂输入流量而完成的。通过联合地调整熔剂输入流量和钢水循环流量，或仅通过调节钢水的循环流量都可取得相同的效果。
调节钢水循环流量的方法的一个例子是运用以下公式。钢水的循环流量是在该RH真空罐和钢水包间循环的钢水的质量流量(吨/分)。
Q＝11.4×G1/4×D4/3×{ln(P1/P0)}
其中Q：钢水的循环流量(吨/分)、G：用于循环的Ar气流量(N1/分)、D：浸入管的内径(m)、P1：760(乇)、P0：该罐中的真空度(乇)。
因此，可通过控制用于循环的Ar气流量和该罐中的真空度来调节钢水的循环流量。
F/Q的下限为0.5。当F/Q值小于0.5时，则熔剂流量是如此之慢，以致采用熔剂精炼的时间变长，结果使耐火材料的热负荷增大，这就是耐火材料损耗的原因。此外，钢水的循环流量极大，结果不情愿地促进了浸入管耐火材料的损耗。
接着，本发明人参照上述的实验结果，用图3和4中所示的真空精炼设备进行了如下试验。
由于在燃烧火焰中进行对该熔剂传热，所以将用成份为80％CaO-20％CaF2的2kg/吨的熔剂作熔剂，它是不易熔化的。烧咀中含氧气体折成纯氧为460Nm3/时，LNG以200Nm3/时的流量被用作燃料气，这对于被所用的氧完全燃烧而言是足够高的了。该精炼熔剂的载气是氩气(流量180Nm3/时)、富氧度为60％、流量为180Nm3/时的富氧空气，或纯氧(流量(作为载气)为180Nm3/时)、而钢水的循环流量为35吨/分。当用此含氧气或纯氧作载气时，则从该枪喷出的纯氧的总流量被调到460Nm3/时。
在上述枪中，由于烧咀的火焰部分在该枪之下，紧接着在喷射中心之后形成，所以从加热熔剂的观点看，最好在该枪以下和钢水表面之上形成全长度的烧咀火焰。因此，将该枪设置在6m高处，以保证枪的高度大于距离LH。
此结果示于图11中。如从图11可知，尽管实际上该熔剂具有不易熔化，而且反应性差的组成(20％CaF2)，但采用含氧的载气时所提供的脱S率与采用成份中有40％CaF2(见图9)并与氩载气相结合时所提供的脱S率相似，而且在F/Q不大于1.5时可保持高的脱S率。此外，从该附图可知，就载气而言，富氧空气和纯氧所提供的脱S率比氩所提供的高。为何尽管采用可熔性差的熔剂仍达到高的脱S率的原因据信是在于此：如上所述，采用富氧空气作载气可使熔剂温度在熔剂进入钢之前得以升高，因此由于该熔剂进入钢水、钢水中所含的S在该熔剂中迅速扩散，结果使脱硫反应得以加速。将精炼熔剂的载气由氩气、一种惰性气体，改成富氧空气或纯氧就使得在该枪下端之下和钢水表面之上所产生的烧咀火焰温度比用氩气时的此温度高。升高了的火焰温度导致该精炼熔剂到达钢水表面时其温度升高，进而提高了〔S〕往该熔剂内部扩散的速度。
还有，本发明人还用图1和2中所示的真空精炼设备和系统进行了同样的实验(脱S剂：80％CaO-20CaF2，2kg/吨)。
该试验的结果示于图10。正如图11中所示的结果一样，尽管事实是该熔剂具有不易熔化和反应性差的成份，但用富氧空气(富氧度：60％)作含氧气体则可保证脱S率与采用氩气和可熔性好的熔剂(40％CaF2)(见图9)时的脱S率相似，而且在F/Q值不大于1.5时可稳定地保证高的脱S率。还有，尽管事实是所用的熔剂具有不易熔化和反应性差的成份，但用纯氧作含氧气体则可保证脱S率等于或优于用具有良好可熔性的熔剂(40％CaF2)时的脱S率，而且在F/Q值不大于1.5时，可稳定地保持高的脱S率。
为何采用这样的顶吹喷枪，其中：可同时喷射燃料气体和纯氧，以使在该枪之下和钢水表面之上形成烧咀火焰，与用作脱S熔剂的载气的纯氧结合就可在相同的熔剂成分的基础上提供最高的脱S率的原因在于：这样产生的火焰的温度比用富氧空气的所产生的火焰温度高，而且与插有熔剂引入管的顶吹喷枪相比，上述的顶吹喷枪可使该熔剂在烧咀火焰中分散得更均匀，从而提供了更均匀的加热。
如上所述，采用可同时喷射燃料气体、含氧气体及借助于载气的熔剂的顶吹喷枪，配合经此枪同时喷吹此燃料气体、含氧气体和借助于载气的熔剂，同时将此熔剂的输入流量与钢水的循环流量之比保持在0.5-1.5的范围内，从而在此钢水表面上方形成燃烧火焰，与此同时，加热经过此烧咀火焰的熔剂，然后此加过热的熔剂到达钢水表面，或可供选择地采用可同时喷吹燃料气体和含氧气体的顶吹喷枪，以便在该表面上形成烧咀火焰及用此火焰加热熔剂，然后该加过热的熔剂到达该钢水的表面，都可在采用较低CaF2含量的熔剂时保证脱S率等于或优于用这样的方法所提供的脱S率：其中借助载气，如惰性气体，比如氩或氮气，或其它载气使含有较高CaF2含量的熔剂通过该顶吹喷枪不经加热，而使之到达该钢水表面。还有，通过使用含较低含量的CaF2的熔剂的优点可减少耐火材料的熔损，而且能稳定地加热此钢水和耐火材料。
此外，正如用熔剂精炼那样，上述的喷枪可在脱S期之外的真空处理(真空脱气)期间适用于作为烧咀进行对钢水和真空罐耐火材料的烧咀加热，此外，真空罐耐火材料的烧咀加热可消除在真空处理的等候期间，基体材料在该真空罐的耐火材料上沉积的问题。
当然的事是，在整个单次耐火材料寿命期中获得高的熔剂精炼反应，而同时将该熔剂输入流量F与钢水的循环流量Q间的关系保持在F/Q＝0.5-1.5的技术可适用于借助惰性气体作载气将精炼熔剂吹入钢水。
虽然对作为用熔剂精炼的方法的脱硫进行了陈述，但本发明不仅限于此，而且还可用于吹送有精炼钢水能力的辅助原料，比如用于将氧和磷降至超低水平的熔剂粉末。
还有，就该真空精炼设备而言，除RH型真空脱气罐外，DH型、直桶型和其它类型的真空脱气罐也可使用。
实施例1
用图1、2、3和4中所示的RH真空脱气设备和燃料气体输送系统进行钢水中〔S〕的目标含量不大于10ppm的真空精炼。
该设备的容量规模为100吨，并使成份列于表5的钢水脱S。脱S条件及处理结果归纳于表6和7中。所用的熔剂成份为80％石灰和20％莹石，而颗粒尺寸为100目或更小。顶吹喷枪具有拉瓦尔结构，其喉部直径为18mm而出口直径为90mm。熔剂粉末的输入流量为30kg/分。渣中的T.Fe含量小于6％。处理前的钢水温度为约1590℃。
为了对比，用这样的RH脱气设备进行实验，其中的如图3和4中所示的插有精炼熔剂引入管的顶吹喷枪可升、降地置于该罐的顶部，除用氩气作精炼熔剂的载气外，其方式与上述的相同。
就表6中所列的，如本发明的实施例的N0.1-5而言，曾回收了经过该烧咀火焰的粉末，并发现它具有图13中所示的小球状的园形外观。对其截面的观察表明，如图13(B)中所示那样，除Ca之外，F和O的元素分布也是均匀的，这证实了该粉末处于熔融态。
如从表7可知，对于例子1-5(本发明的实施例)而言，借助于烧咀火焰温度的提高而提高了该精炼熔剂的温度，则使得该精炼熔剂的反应比例子6和7(对比例)的反应更有效，从而降低了熔剂的消耗并缩短了处理时间。而且，明显的是，与例子1-3相比，例子4和5的熔剂消耗低而处理时间短。例子4和5与例子1和3之间的效果上的异差是借助于该粉末在高温火焰中的分散，从而进一步提高该精炼熔剂的温度及使其熔化而得到的。
表5
C Si Mn Al(酸溶)
0.0030％ 3.0％ 0.20％ 0.300
表6
实施例No. 氧气流量Nm3/时 LNG流量Nm3/时 枪的高度mm 粉末输送条件
形式* 载气种类 载气流量**Nm3/时 注
123 460460368 200200160 600050004500 AAA 氧气氧气氧气 180170140 本发明的本发明的本发明的
45 460550 200240 60006200 BB 氧气氧气 180200 本发明的本发明的
67 460460 200200 50006000 AA ArAr 180180 对比的对比的
注：*)粉末输送形式
A：输入设在顶吹喷枪中的精炼熔剂引入管中
B：输入将氧供入烧咀枪的管中
**)载气流量的数值。当载气是氧时，该流量以所用的氧气总流量中的作为载气的氧气流量表示。
表7
实例No. 熔剂消耗kg/吨 〔S〕 处理时间，分 脱S期间的温度补偿*℃ 注
处理前ppm 处理后ppm
123 2.12.02.1 273124 898 7.06.77.0 11109 本发明的本发明的本发明的
45 1.71.6 3037 67 5.75.3 810 本发明的本发明的
67 3.13.2 3734 99 10.310.7 基础基础 对比的对比的
注：*)……在对比例中的温度补偿基础上的值，
实施例2
在图1中所示的，装有图2中所示的顶吹喷枪的100吨RH真空脱气设备中，用纯氧作载气使具有表2中所规定的成份的钢水真空脱硫。真空脱硫的条件列于表8中。
所用的熔剂的成份为60％的石灰和40％的莹石，其颗粒尺寸为100目或更小。该顶吹喷枪的喉部直径为18mm，而出口直径为90mm。纯的氧的流量为460Nm3/时，而LNG以200Nm3/时的流量经燃料输送孔喷出。脱硫在渣中T.Fe+MnO的含量不大于5.0％的条件下进行。处理后钢水中的〔S〕含量不大于10ppm。
表8
真空罐中耐火材料的单次寿命期 粉末输入流量kg/分(F ) 钢水的循环流量吨/分(Q)   钢水中的[S] 脱硫率，％ 熔剂消耗，kg/t 粉末输送时间，分 真空度，乇
F/Q，kg/t 处理前ppm 处理后ppm
实施例     早期中期末期     526178     354152  1.491.491.50     385045     7109     828080     2.11.91.8     4.03.12.3     555
对比例     早期中期末期     707070     354251  2.001.671.37     383543     879     788070     4.33.11.9     6.14.42.7     555
还有，在每次开始处理时，测量RH浸入管的内径，计算出推定的钢水循环流量，调节熔剂输入流量(kg/分)要使得该熔剂输入流量与钢水循环流量(t/分)之比为1.5。为了对比，进行这样的实验：其中不测该RH浸入管的内径并在整个RH真空罐的单次寿命期中以恒定的速度输送此熔剂(在该系统中的该熔剂输入流量的最大能力)。
对于本发明的各实施例而言，熔剂的单位需求在整个RH真空罐的耐火材料单次寿命期中总是低的。此外，就本发明的各实施例而言，与对比例相比，在该RH真空罐的耐火材料单次寿命期的早、中期中，缩短处理时间的效果尤为明显。
如上所述，根据本发明，该精炼熔剂的反应效率可被改进得超过按常规烧咀加热和精炼熔剂喷吹法所得的这种效率。这样就可在该真空罐的耐火材料的整个单次寿命期中降低精炼熔剂的消耗，从而提供诸如缩短处理时间和减少耐火材料熔损之类的优点。因此，本发明有很大的工业实用性。

Claims (12)

1.真空精炼钢水的方法，它包括的步骤为：
在真空精炼设备的真空脱气罐的顶部中可升、降地设置的顶吹喷枪的中心部位中设置氧气通道，然后用使燃料气体燃烧的氧气作载气将精炼熔剂输入该氧气通道中；
将用于使燃料气体燃烧的该氧气与该精炼熔剂在该顶吹喷枪中的该氧气通道中混合；
将燃料气体输入设在该顶吹喷枪枪体壁中并向该顶吹喷枪开孔的燃料气体通道中；
从而以该氧气和燃料气体在该顶吹喷枪的开孔和钢水之间形成火焰，同时，使该精炼熔剂通过此火焰以加热和熔化该精炼熔剂；及
然后使该经加热-熔化的精炼熔剂到达该钢水表面，以精炼此钢水。
2.权利要求1的方法，其中该精炼熔剂自精炼熔器罐借助氧气载气输入向该顶吹喷枪中的氧气通道开通的该氧气载气输送管中，然后借助于该氧气载气输入该氧气通道中。
3.真空精炼钢水的方法，它包括的步骤为：
在可升、降地设在该真空精炼设备的真空脱气罐的顶部中的顶吹喷枪的中心部位设置氧气通道，然后将精炼熔剂与氧载气一起输入设在该氧气通道中的精炼熔剂引入管中；
将用于燃料气体燃烧的氧气输入该氧气通道中；
将燃料气体输入设在该顶吹喷枪枪体壁中并向该顶吹喷枪开孔的燃料气体通道中；
借此同时将该精炼熔剂、氧气和燃料气体混在一起以形成火焰，同时，使该精炼熔剂通过此火焰，以便加热和熔化此精炼熔剂；及
然后使该经加热-熔化的精炼熔剂到达该钢水表面以便精炼此钢水。
4.权利要求3的方法，其中将该精炼熔剂从精炼熔剂罐借助氧载气输入向该精炼熔剂引入管开通的氧载气输送管中，然后输入此精炼熔剂引入管中。
5.权利要求1或3的方法，其中将该真空脱气罐中的气氛抽空到3-200乇。
6.权利要求1或3的方法，其中，当加热此精炼熔剂时，将不小于每公斤精炼熔剂670千卡的热量供于该火焰中。
7.权利要求1或3的方法，其中该精炼熔剂粉末的颗粒直径不大于0.25mm。
8.权利要求1或3的方法，其中要使该顶吹喷枪下端开口处至该钢水表面间的以mm表示的距离LH达到由下式限定的数值：
LH＞3500-6.18×D2+224×(D2/D1)+1.13×F-11.58×P
其中的D1代表该枪的喉部直径，mm；D2代表该枪的出口直径，mm；F代表氧流量，Nm3/时；而P代表气氛压力，乇。
9.权利要求1或3的方法，其中该精炼熔剂的熔点为2000℃或以下。
10.权利要求1或3的方法，其中此精炼的进行要使得将该精炼熔剂输入该钢水的流量和该钢水在该真空精炼设备中的循环流量满足以下要求：
0.5≤精炼熔剂输入流量(kg/分)/钢水循环流量(吨/分)≤1.5
11.真空精炼钢水的设备，它包括：可升、降地设置真空脱气罐的顶部中的顶吹喷枪，该真空脱气罐的下端浸没在一钢水包中的钢水内，从而构成真空精炼装置，
设在该顶吹喷枪的中心部位中的氧气通道、与该氧气通道相连的氧载气输送管；
使精炼熔剂自精炼熔剂罐输入此氧气输送管，再输入此氧气通道中的，通过一个阀与该氧载气输送管相连的该精炼熔剂罐；及
设在该顶吹喷枪枪体壁中的燃料气体通道、向该顶吹喷枪中的开孔的扩散面开通的该燃料气体的喷出口。
12.权利要求11的设备，它还包括：设在该氧气通道中的，并与该氧载气输送管相通的精炼熔剂引入管、在该燃料气体该喷出口附近处开通的该精炼熔剂引入管的喷出口；及用于使该燃料气体燃烧的、与该氧气通道相连的氧气输送管。
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