钢包底喷粉精炼新工艺应用基础研究

基于高效、低成本洁净钢的生产需求和当前炉外处理工艺存在的问题，开展了钢包底喷粉钢水精炼新工艺及装备技术研究，揭示了钢包底喷粉过程的钢水渗漏机理、粉剂堵塞机理、多相流传输行为及精炼反应动力学，开发了新型喷吹装置及自动化控制系统，开展了钢包底喷粉新工艺试验研究，探明并确立了各工艺参数与喷粉元件工作状态和冶炼效果的内在关系，检验了底喷粉工艺的应用可行性和可靠性，为此新精炼工艺技术的工业化奠定重要的理论和应用基础。主要进展及创新点：1）完成了钢包底喷粉元件设计理论研究，建立了底喷粉元件参数、钢液物理性能及熔池深度之间的关系，提出了预测缝隙安全宽度的模型，建立了缝隙内钢液渗透过程的数学模型，揭示了钢液渗漏速度和渗漏深度随时间变化规律，实验检验了设计理论，从安全性角度提出了缝隙参数确定的理论依据。2）完成了底喷粉元件缝隙内粉气流输送行为研究，建立了描述底喷粉元件内粉气流输送行为的数学模型，揭示了粉粒速度、气流速度与气流密度、颗粒尺寸等间的定量关系，揭示了底喷粉元件的磨损规律，解决了喷粉元件工艺的稳定性及其使用寿命适应钢包精炼炉次要求的关键问题。3）研制出了具有防钢液渗漏、防粉剂堵塞、抗粉气流磨损和耐高温侵蚀的钢包底喷粉元件，解决了钢包底喷粉元件实际应用的安全性、稳定性和可靠性等关键技术难题，为新工艺工业应用提供了前提保证。4）突破了超细狭缝元件中粉剂输送的关键工艺技术，开发了钢包底喷粉新型喷吹装置及自动化控制系统，粉剂流量调节准确率达90%以上，实现了超细狭缝元件的精确调节、连续稳定、安全可靠的输送粉剂。 5）完成了钢包底喷粉新工艺精炼动力学研究，提出了渣-气-粉-钢液多界面多组分同时反应模型，并考虑了粉剂传输和硫饱和度的影响，结合实验验证，揭示了各工艺参数对喷粉元件工作状态和冶炼效果的影响规律，结果表明80t钢包中喷吹1.5kg/t精炼粉剂，钢液脱硫率达85.8%，为新工艺的工业应用提供理论支撑。6）完成了钢包底喷粉热态试验研究，完善了喷粉元件设计和工艺控制系统，检验了底喷粉工艺的应用可行性和可靠性，解决此新工艺应用的效率与效果问题。 已发表学术论文23篇，其中SCI 收录13篇，包括发表在冶金领域顶级期刊MMTB、ISIJ International上10篇，申请并公开的国家发明专利8项（授权7项）。培养博士生5人（毕业3人），硕士生8人（毕业6人）。 2100433B

针对高效、低成本洁净钢的生产需求和当前炉外处理工艺存在的问题，进行钢包底喷粉钢水精炼新工艺研究，对涉及此新精炼工艺的若干重大理论与关键技术问题开展深入研究，为此新精炼工艺技术的工业化奠定重要的理论和应用基础。通过实验室的理论与冷热态实验研究，揭示钢包底喷粉的钢水渗漏和粉剂堵塞机理，提出底喷粉元件的设计理论，研制出抗磨损和耐高温侵蚀的喷粉元件，从而解决钢包底喷粉的钢水渗漏（安全性）、粉剂堵塞（稳定性）、喷吹元件使用寿命（可靠性）等难点；揭示钢包底喷粉过程气-固-液多相流行为与精炼反应动力学行为并建立相应的理论模型，通过中间规模的试验研究，提出钢包底喷粉工艺应用可靠性和可行性，解决此新工艺应用的效率与效果问题。本项目的研究及成果将为钢的炉外处理和生产流程的变革提供方向和指导，对形成我国特色的高效、低成本的洁净钢生产工艺流程具有重要意义，同样对钢铁工业的节能减排也意义深远。

钢包炉精炼，炉外精炼用的钢包由于添加辅助加热功能而脱胎变成“炉子”，再进行纯净钢冶炼的过程。

特点是精炼时间长，具有各种精炼功能，有补偿钢水降温的加热装置。包括：低压下电弧加热、底吹氩的VAD炉；常压下电弧加热、电磁搅拌的ASEA–SKF炉；常压下三相埋弧加热、底吹氩的LF炉。在世界钢包炉的总台数中，最多的是LF炉（见图）。LF炉精炼的工艺特点是初炼钢水在LF炉内加入造渣料后，通过钢包盖上的三根石墨电极插入渣层中埋弧加热，促使还原渣的形成并对钢水进行升温；在整个精炼过程中钢包底部的吹氩搅拌系统向钢中吹入大量的小气泡，在钢水中上浮的氩气气泡引起钢水强烈搅拌，从而有利于排除气体和夹杂物、加速钢渣间的反应、均匀钢水的温度和成分；从钢水中逸出的氩气覆盖在熔池面上，维持LF炉内的还原性气氛，避免钢水的二次氧化和吸收气体，以此达到脱氧、脱硫、去除夹杂物并均匀钢水温度和成分等精炼目的。 2100433B

炉外精炼把传统的炼钢分成两步，第一步叫初炼，在氧化性气氛下进行炉料的熔化、脱磷、脱碳和主合金化；第二步叫精炼，在真空、惰性气氛或可控气氛下进行脱氧、脱硫、去除夹杂、夹杂物变性、微调成分、控制钢水温度等。20世纪60年代以来，各种炉外精炼方法相继出现。全世界这一技术已经得到了飞速发展。

炉外精炼在现代化的钢铁生产流程中已成为一个不可缺少的环节，尤其炉外精炼与连铸相结合，是保证连铸生产顺行，扩大连铸品种，提高铸坯质量的重要手段。

在炼钢生产流程中，采用转炉（或电炉）－炉外精炼－连铸已成为钢厂技术改造的普遍模式。

各种炉外精炼方法的工艺各不相同，其共同的特点是：有一个理想的精炼气氛，如真空、惰性气体或还原性气体；采用电磁力、吹惰性气体搅拌钢水；为补偿精炼过程中的钢水温度降损失，采用电弧、等离子、化学法等加热方法。

与连铸相匹配的钢包精炼，在于提高铸坯质量和保证连铸工艺的稳定性。选择合适的炉外精炼方法是连铸钢水准备，提供合格质量钢水的重要手段，为此结合产品质量要求选择钢包精炼设备应满足以下基本要求：

1.调节钢水温度，达到连铸所要求的浇注温度范围；

2.提高钢水清洁度，特别是减少钢中大型夹杂物的含量；

3.降低钢中气体含量（如氢、氮含量

4.降低钢中有害杂质（如硫、磷）含量；

5.使钢水中温度和成分均匀化，并微调成分使成品钢的化学成分范围非常窄；

6.改变钢中夹杂物的形态和组成，改善钢水的流动性；

7.减轻炼钢炉的冶炼负荷，缩短冶炼周期，提高生产率；

8.钢包精炼炉成为炼钢炉和连铸机之间的一个“缓冲器”平衡两者之间的生产节奏，有利于提高连铸机的生产率。

炉外精炼的方法多达几十种，这些方法各有特点。究竞选择哪一种方法，首先应针对各厂的具体情况。所处理品种的要求和其他相关条件、如质量、成本、建设费用等而定，可参考表中所列几种主要精炼工艺的效果，选定所需的处理工艺方法与设备。

究竟采用哪种炉外精炼法，取决于工厂条件和对产品质量的要求，以建立不同的生产工艺流程。

对于与电炉或超高功率电炉相匹配的连铸机，选择钢包精炼时，应满足合金比高的产品质量要求，如不锈钢采用电炉－AOD炉－连铸；电－VOD炉－连铸工艺。

对于与大型转炉相匹配的板坯、大方坯、圆坯连铸机，要求提供优质钢水，生产无缺陷铸坯，如采用转炉－RH－连铸，转炉－RH KPI－连铸工艺。在生产超低碳钢（碳小于0.0015%）或超低硫钢（硫小于0.001%）时，可采用LF炉与真空处理并用工艺，以达到最佳效果。考虑到节省投资也可采用CAS－OB精炼炉工艺。

对于与小型转炉相配合以生产普碳钢为主的小方坯、矩形坯连铸机，一般采用钢包吹氩或钢包喂丝技术，基本上能满足连铸工艺和铸坯质量的要求。