炉外精炼的工艺技术发展终稿

炉外精炼的工艺技术发展

摘 要

随着科学技术的迅速发展，钢材性能和质量越来越被重视，钢材质量主要包括钢材的洁净度、均匀性能和高的精度。而各种炉外精炼方式恰是获得高纯度、高均匀性和高精度钢材的重要措施。本文首先论述了炉外精炼技术现状及发展趋势；其次，论述了炉外精炼工艺参数的优化；第三论述了低硫钢炉外精炼生产工艺，最后论述了在炉外精炼喂丝吹氩操作实践。

关键词：洁净度；均匀性；高精度；工艺参数优化；低硫钢；喂丝吹氩；

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目 录

摘 要 ........................................................................................................................................ 1 前 言 ........................................................................................................................................ 3 1 炉外精炼技术发展现状及发展趋势 .................................................................................. 5

1.1炉外精炼发展现状 ....................................................................................................... 5 1.2炉外精炼发展趋势 ....................................................................................................... 6 2 炉外精炼工艺参数优化 ...................................................................................................... 8

2.1 AHF精炼设备组成....................................................................................................... 8

2.1.1 AHF精炼装置的主要设备组成 ........................................................................ 8 2.1.2 AHF精炼化学升温装置的主要设备 ................................................................ 9 2.2 AHF精炼工艺参数优化............................................................................................... 9

2.2.1 钢包顶渣的最佳渣量及排渣工艺 .................................................................. 9 2.2.2 AHF浸渍罩尺寸及插入深度控制 ............................................................... 10 2.2.3 AHF升温设备及工艺参数 ........................................................................... 10 2.2.4 AHF钢水降温处理和成分调整 ................................................................... 11 2.3 AHF精炼结果 .......................................................................................................... 12 3 脱硫工艺技术发展 ............................................................................................................ 14

3.1吹氩对脱硫的影响 ..................................................................................................... 14 3.2钢包渣的组成控制 ..................................................................................................... 15 3.3精炼渣的渣系 ............................................................................................................. 17 3.4精炼渣化学成分对脱硫的影响 ................................................................................. 19 4 炉外精炼的喂线、吹氩操作 .............................................................................................. 22

4.1喂线-吹氩工艺参数的确定 ........................................................................................ 22 4.2试验对比 ..................................................................................................................... 23 4.3小结 ............................................................................................................................. 23 结 论 ...................................................................................................................................... 24 参 考 文 献 ............................................................................................................................ 25 致 谢 .................................................................................................................................. 26

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前 言

最近，随着时代的不断进步，炼钢炉容量不断扩大，超高功率电炉的普遍应用，直流电弧炉的出现，连续铸钢技术的迅速发展以及生产多种特殊钢和合金（超低碳不锈钢，超纯铁素体钢等）的需要，炼钢方法发生了巨大变化，由一步炼钢发展为两步炼钢，即炉内初炼和炉外精炼。炉外精炼技术之所以有了较为迅猛的发展，是由于其能够提高钢质量和产量，降低成本，改善劳动条件等优点。目前，全世界已有炉外精炼设备30余种，1100余台，我国拥有不同精炼设备40～50台。

为了增强在国内和国外市场上的竞争力，发展新的工艺是有必要的。这些工艺必须是经济的。目前，典型的炼钢炉是一个废钢熔化装置，在炼低合金钢的情况下，在炉中脱碳和脱磷以及升温到符合出钢要求，其全部精炼过程都是在钢包中进行的，进而提高了炼钢设备的生产能力。通过炉外精炼技术可冶炼出具有高质量特性的钢种满足实际需要，具体要求如下：

①精确控制成分以保证力学性能的稳定。

②减少钢中硫、磷含量以改善冲击性能、抗层状拉裂性能、热脆性，并能减少中心偏析和防止连铸坯的表面缺陷。

③减少钢中氧、氢、氮含量以减少超声波探伤缺陷、条状裂纹等，并且能改善钢材的制管性能。

④使用先进技术精炼钢液以满足对钢质量的各种特殊需要。例如，控制硫化物夹杂形态以防止轻质裂纹。

⑤控制夹杂物的形状以改善钢的深冲性能和钢的加工性能。 ⑥脱碳到极低程度，以提高钢的深冲性能、电磁性能和耐腐蚀性能。 ⑦防止钢水的二次氧化和重新吸气，以免炉外精炼的效果前功尽弃。

炉外精炼的产生和发展与国民经济的需要和科学技术的发展水平是分不开的。在很早以前，人们就产生了利用真空去除钢中气体的想法，如1860年英国贝赛迈尔就曾有过罐内钢桶去气的设想，1884年英国艾特肯也曾提出过提升法（类似DH法）；1932年捷克人科贝尔曾提出并实现了带盖钢桶去气法。但由于当时真空技术的发展水平低下，还制造不出抽气能力很大的真空泵，以上方法因规模太小并未很快地应用于生产。二次世界大战后，随着真空技术的发展和大型蒸汽喷射泵的研制成功，为钢液的大规模真空处理提供了条件。此后，大型生产性真空脱气设备相继被研究成功，并在发展中不断完

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善，增加了搅拌、加热、吹氧等装置，从而单纯的真空脱气设备转变成为成为灵活多样的各种炉外真空精炼设备。

在炉外精炼发展过程中，人们发现不仅靠真空可以降低钢中的气体，采用惰性气体降低有害气体的分压，也可以达到同样目的，由此发展了不同形式的非真空精炼法。

各种炉外精炼方法的工艺各异，其共同特点：有一个理想的精炼气氛条件，通常用真空、惰性气体和还原性气氛；搅动钢水，可采用电磁力搅拌，惰性气体搅拌或机械搅拌的方法；为补偿精炼过程的钢水温度损失，而采用加热设施，有电弧加热、等离子加热或增加钢水化学热等。

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1 炉外精炼技术发展现状及发展趋势

1.1炉外精炼发展现状

近年来，国外炉外精炼设备发展很快，主要为炉外精炼设备逐年增长。目前，国外炉外精炼设备的总数已超过1000座.随着对超低碳钢和超低硫磷钢的需要量越来越大，RH、 RH-0B 、RH-PB真空精炼设备将继续增加，现代化的转炉炼钢车间都采用这种精炼方法。AOD、VOD等主要用于精炼不锈钢的炉外精炼设备，其生产能力已完全可以满足生产不锈钢的需要。

从美国和加拿大发展情况来看，一是LF炉发展很快，在具有三种电弧加热功能的精炼炉中占有绝对优势；另一个是钢包精炼站发展很快。在炉外精炼设备发展中，连铸发展和要求钢水清洁度起了决定作用。由于美国和加拿大连铸比仍较低，其炉外精炼设备发展就占很大比重，而投资较少的LF炉相应也占了较大比重。从有关数据表明，不同种类的炉外精炼设备的发展是不同的，其中，发展速度最快的是LF、RH。1985年宝钢投产后，引进的RH、CAS、KIP正常投入生产，在线作业对提高产品质量，开发高水平的品种等方面起到了良好的示范作用。80年代后期，国产喂线机与包芯线喂线技术已在许多钢厂广泛使用。与之相对应的耐材挡渣扒渣等相关技术也得到了发展。

我国与1957年开始研制钢水真空处理技术，由于多种原因，这项技术没有得到推广。我国的真空装置大大低于世界先进水平。而真空处理钢比例约占2%，为日本的1/25。2004年，我国的钢产量预计达到27500×104t，生产效益在提高，钢材品种在扩大，成绩是巨大的。目前，我国已有VD、 RH、 ASEA-SKF、 VOD AOD 、LF CAS(CAS-OB)，钢包喷粉和喂线等多种炉外精炼装置。但利用率很低。钢的质量水平，与发达国家相比，差距是巨大的。我国炉外精炼技术的发展已有了相当的基础。

据不完全统计到1990末，我国已有不包括吹氩装置在内的各种炉外处理的设施132台，其中冶金系统115台，机电系统17台。冶金系统中，各类具有真空能力的装置28台，喷射冶金设备53台。冶金系统的吹氩精炼设备有近200台。自70年代末起，连铸用钢水基本上都经过吹氩处理。1990年全冶金系统不包括吹氩 喂丝的钢水精炼比为2.68%，经过几十年的科学实践，以及连铸生产的增长和大板坯连铸机投入生产，今后

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的钢水精炼比将有很大的提高。

1.2炉外精炼发展趋势

在现代冶金生产中，铁水预处理和炉外精炼及中间包冶金在提高质量，扩大品种，优化工艺，降低消耗，衔接流程等方面的功能都是一致的，并相互关联，相互依存。

当前国际钢铁工业技术进步的方向集中在对传统钢铁生产工艺流程的合理组合，系统优化以及对以薄板坯连铸-连轧技术为核心的新流程进行进一步的优化开发。在这两种优化趋势中，炉外处理技术都是不可缺少的重要工序。在这方面，日本在70年代中期，就走出了前列，使其钢铁产品在世界市场的竞争力大为提高；80年代中后期开始，欧美甚至澳洲在意识到这方面的差距后，已迎头赶了上来。

最近，一些主要国家的钢铁企业，整体优化的水平提高很快，只有生产工艺流程的整体优化，才能充分发挥各项先进技术的作用，炉外精炼技术的发展当然也不例外。

目前，炉外精炼技术发展趋势主要表现在以下几个方面：

第一，趋向于铁水、钢水百分百地进行处理。同时，在实际生产中，炉外精炼设备百分之百在线运行。

第二，向组合化、多功能精炼化的方向发展，并已形成了一些较为常用的组合与多功能模式。

第三，不同类型工厂对炉外精炼技术的选择趋势，根据质量、工艺和市场的要求，也初步形成了一定的框架模式。

合理选择炉外精炼方法，首先必须立足于市场和产品对质量的不同要求，这是选择炉外精炼方法的基本出发点。例如，对重轨钢必须选择具有脱氢功能的真空脱气法；对于一般结构钢只需采用以吹氩为核心的综合精炼方法；对不锈钢一般选择VOD精炼法；对参与国际市场竞争的汽车用深冲薄板钢和超纯钢则必须从铁水三脱到RH真空综合精炼直至中间包冶金等各个炉外精炼环节综合优化才行。

合理选择还必须考虑工艺特性的要求和生产规模、衔接匹配等系统优化的综合要求，大型板坯连铸机的生产工艺要求钢水硫含量低于0.015%的水平，就必须考虑铁水脱硫的措施。某些大型钢铁公司为了提高产品的质量档次，同时又提高精炼设备作业率，追求从技术经济指标的全面改善中获得整体效益，从而采用了全量铁水预处理、全量真空处理的模式。

现代冶金生产应从整体优化着眼，对冶炼、精炼、浇铸、轧制各工序，按照各自的

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优势进行调整、组合。从而形成专业分工更加合理，匹配更加科学，经济效益更加明显的整体优势。炉外精炼技术的应用，必须认真分析市场对产品质量的要求，做到炉外精炼功能的对口，工艺方法和生产规模的匹配经济合理，还要注意主体设备与辅助设备配套齐全，才能获得工艺稳定和良好的经济效益。

实践证实，炉外精炼应向组合化，多功能精炼站方向发展，并已形成一些较为常用的组合与多功能模式：

① 以钢包吹氩为核心，加上与喂丝、喷粉、化学加热、合金成分微调等一种或多种技术相符合的精炼站。

② 以真空处理装置为核心，与上述技术中之一种或多种技术复合的精炼站，也主要用于转炉-连铸生产衔接。

③ 以LF炉为核心并与上述技术及真空处理等一种或几种技术相复合的精炼站，主要用于电弧炉—连铸生产衔接。

④以AOD为主体，包括VOD转炉顶底吹生产不锈钢和超低碳钢的精炼技术。 炉外精炼技术本身就是一项系统工程，必须认真分析市场对产品质量的要求，明确基本工艺路线，做到炉外精炼功能对口，在工艺方法生产规模以及工序间的衔接 匹配经济合理。此外，还必须注意相关技术和原料的配套要求，主体设备与辅助设备配套齐全，保证功能与装备水平符合要求等问题。

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2 炉外精炼工艺参数优化

在现代炼钢生产中,出现了许多炉外精炼技术。这些炉外精炼技术中,大量采用的有钢包电弧加精炼技术(LF)、钢包化学加热精炼技术(CAS-B)及钢包真空精炼工艺技术(VD、RH)。随着炉精炼技术的采用,不仅有效地缓解了转炉炼钢的力,进一步提高了温度控制精度和钢水质量,同时缓冲了转炉和连铸机之间的生产节奏。

AHF(Aluminum Heating Fur-ce)炉外精炼工艺技术,是一种在非真空条件下的包中采用化学加热的精炼技术。通过钢包底部透砖吹氩搅拌钢水,将钢水上面的顶渣由中间排到包边缘部位;降下精炼浸渍罩并插入钢水内部,将渍罩内的钢水与大气及渣层隔绝;在浸罩内向钢吹氧,加入发热剂、合金、废钢等,从而实现对钢水分、温度微调和炉渣改质等精炼操作。这是一种行成本低廉、设备简单、自动化控制水平较高的炉精炼技术。

AHF的主体设备由德国TM公司供,于1999年4月投产。设备投产初期,由于提供的技术参数不适合厂具体工艺状,无法实现铝氧化学升温精炼功能。钢厂技术员在充分吸收、消化国外先进设备的基础上,不断与本厂的具体生产操作实践相结合,优化操作工艺参数。经过短短4个月的努力,调整、完善了AHF铝氧化学升温精炼的工艺参数,使AHF炉外精炼功能得到了充分发挥,取得了较大的经济效益和社会效益。

2.1 AHF精炼设备组成

2.1.1 AHF精炼装置的主要设备组成

AHF精炼装置主体设备由钢水精炼、电气控制系统等五大部分组成,在生产中可实现全自动精炼操作。

(1)上下料系统:包括1个地面料仓、16个高位料仓、3个称量仓、4个专用料仓和皮带输送机等。

(2)钢水精炼系统:主要包括浸渍罩升降、精炼氧枪升降、精炼氩枪升降、顶吹氧、顶吹氩、底吹氩、喂线机、破渣、测温、取样等装置。

(3)电气系统:主要包括钢包回转台系统、料仓称量系统、氧枪氩枪升降及更换系统、浸渍罩升降更换系统、破渣、测温、取样等系统的电力传动。

(4)过程控制系统:由PLC可编程序控制器、作站及其他控制仪表构成。在钢水精炼处理操作内可实现集中控制和显示,实现精炼过程的自动控制。除自动系统外,配有手动

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操作和显示系统,对钢水精炼进行手动控制。

(5)辅助系统:主要包括钢包回转台、破渣、测温、 取样装置、除尘装置等。 2.1.2 AHF精炼化学升温装置的主要设备

AHF化学升温装置主要包括钢包(设有一个底吹透气砖)、浸渍罩、自耗式顶吹氧枪等,见图1。

1、升温条件下,钢水精炼过程工艺参数优化

(1)顶吹加热氧枪的最佳枪位、氧气的流量及压力、氧铝的配比等; (2)加热升温时的浸渍罩插入深度; (3)钢包底吹氩气的流量、压力及时间; (4)钢包顶渣的最佳厚度控制。

2、非升温条件下,钢水精炼过程工艺参数优化 (1)最佳的合金加入时机及加入量; (2)钢包喂线的最佳速度控制;

(3)钢包底吹氩气的流量、压力及时间。

2.2 AHF精炼工艺参数优化

2.2.1 钢包顶渣的最佳渣量及排渣工艺 (1)钢包最佳顶渣渣量控制

在精炼中钢包合理的渣量控制是至关重要的,渣量过多将使排渣困难,使后序的精炼难以进行。炼钢厂长期的生产实践证明,AHF精炼处理时,为保证排渣顺利进行,钢水顶渣厚度应控制在150 mm以下。在钢包顶渣小于150 mm的情况下,底吹氩排渣顺利,便于

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下罩精炼,可获得理想的处理效果。

(2)钢包排渣工艺

1)底吹氩供气元件安装位置

该钢厂160 t钢包底吹氩,采用内装型狭缝式透气砖。透气砖安装在钢包包底偏中心300mm处,钢包到达精炼AHF处理工位时,透气砖将位于AHF浸渍罩的正下方。

2)钢包底吹氩的供气参数

160 t钢包底吹氩开吹压力为0.8～1.2 MPa,在此吹氩压力下可做到顺利排渣。待开吹正常后,精炼底吹氩压力降为0.45～0.55MPa。底吹氩流量随供气压力变化而变化,在精炼时一般为16～45 m3/h。

2.2.2 AHF浸渍罩尺寸及插入深度控制

浸渍罩是该钢厂AHF精炼设备的重要部件, AHF投产后对浸渍罩尺寸及插入深度控制做了大量优化工作。

(1) AHF浸渍罩尺寸的选择AHF浸渍罩主要尺寸是内径尺寸和罩壁厚度。综合考虑在各种精炼工艺中,最大限度地减少吸热量并延长其使用寿命。经多次优化,AHF浸渍罩壁厚定为200 mm,浸渍罩内径定为1600 mm。

(2)浸渍罩插入深度控制

在该炼钢厂160 t钢包的条件下,进行AHF升温处理或合金化时,选定浸渍罩插入深度为200～400 mm。

(3)浸渍罩罩位的选择钢水在AHF精炼处理位时,为使罩内渣量最少,将浸渍罩位于钢包底吹透气砖的正上方。

2.2.3 AHF升温设备及工艺参数

(1) AHF加热顶吹氧枪[1]顶吹氧枪是AHF在加热处理时的主要工艺设备,该厂AHF顶吹氧枪为自耗式氧枪,在中心管通氧气,中心管外层用高铝质钢纤维耐材浇铸成型。自耗式氧枪外径为200 mm,中心管内径为50 mm。

(2) AHF加热升温处理工艺参数

1) AHF化学升温时供氧制度及加铝量的控制根据生产实际,加热精炼的供氧量为1800m3/h,氧气的工作压力为0.35~0.43 MPa。在升温过程中,根据预先计算好的加铝量,自动分批向钢包中加入铝球,每批铝球15~20 kg,加入的间隔时间自动按升温总时间等分计算。

2)氧铝比控制及升温速度

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按热力学理论计算,氧化1 kg铝的发热量可使1 t钢水升温35℃。150 t钢水的生产实践数据证明,每5 kg铝可使150 t钢水升温1℃。AHF化学升温时,升温速度一般控制在4~5℃/min。氧铝比一般控制在0.8~1.0 m3/kg。

3) AHF化学升温的幅度

AHF化学升温对钢水的温度调整范围很大,可达到5~50℃。 4)自耗式氧枪吹氧枪位控制

AHF化学升温氧枪氧气射流为亚音速流股,出口马赫数小于1,动能较小。加热喷

吹枪位要适中,喷吹枪位太低,则易烧损氧枪,同时钢水中合金成分氧化烧损严重;喷吹枪位过高,则升温效果差,且易加剧浸渍罩的烧损。在该厂生产实践中,精炼氧枪枪位采用PLC自动控制,枪位一般控制在距钢液面200 mm左右。

2.2.4 AHF钢水降温处理和成分调整 (1) AHF降温处理工艺

AHF降温处理分为吹氩降温和加废钢降温两种方式。当钢水温度高于目标值较少时,且工序时间允许,则采用吹氩降温;当钢水温度高于目标值过多时,则需加入清洁废钢降温。实际生产中,按150 t钢水计算,每加入100 kg废钢可降温1℃。

(2)钢水成分微调精炼

AHF化学升温精炼处理具有较强的成分调整功能,允许在转炉炉后脱氧合金化时,按钢水合金元素的质量分数偏下限进行控制。在AHF精炼时,可以再次对钢水目标成分进行精炼调整。在精炼中合金收得率高且稳定,其中锰收得率可大于90%,调整范围为-0.05%~0.40%;硅的收得率可达到85%以上,调整范围为-0.03%~0.50%。在对钢水合金成分精炼控制时,首先应根据钢种对铝的要求,调整钢水中铝的质量分数。采用钢包喂铝线,喂线速度应大于300 cm/s,铝线的收得率为75%~85%。当钢中铝的质量分数达到目标要求后,再进行合金调整。

(3)钢水合金化后的均匀搅拌时间及处理周期的控制

对比生产实践及精炼后钢水成分与成品成分得出,在钢水合金化及温度调整后,必须保证其净

吹氩时间≥5 min,才能使钢水精炼后的成分均匀。

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2.3 AHF精炼结果

1、精炼钢水升温比例

在炼钢生产中,一般均需对钢水进行合金微调精炼处理。同时由于转炉出钢温度偏低等原因,对部分钢水则在AHF精炼中需进行一定的温度补偿。钢水温度补偿的主要手段是在AHF中进行化学升温。在两年多的精炼生产实践中,钢水的升温率达到30%,大大减少了回炉钢水量,为保证连铸连浇和生产顺行做出了重大贡献。 2、AHF化学升温前后钢水成分变化

在钢水化学升温过程中,钢水中易氧化元素均会有一定烧损。AHF化学升温前后钢水成分变化列于表1。从表1可以看出,在钢水升温精炼前后,钢水中的w(C)、w(S)基本无变化,w(Si)、w(Mn)均有一定程度的烧损,烧损量一般在0.01%~0·04%,钢水中的w(P)稍有增加。w(Al)在合适的氧铝比下一般控制在<0.02%。在后序的精炼中,则应注意到烧损元素的补充。

3、AHF化学升温处理过程中熔渣的成分变化

AHF化学升温处理过程中,由于铝、硅、锰元素的大量氧化,其氧化产物进入到渣中,使钢水顶渣成分发生变化,会导致顶渣的熔点升高,流动性差。试验中AHF化学升温处理过程中熔渣成分的变化见表2。在精炼中应注意调整精炼渣成分,以保证其流动性。

表1 AHF化学升温过程钢中化学成分的变化。

项目 w(C) w(Si) w(Mn) w(P) w(S) w(Als) 成分变化值 -0.007~0.007 -0.01~-0.04 -0.01~-0.04 0.001~0.007 0.001~0.003 -0.02~0.05

表2 处理前后熔渣成分的变化

项目 处理前 升温后 处理后 w(SiO2) 7.05~10.96 6.84~16.01 6.23~15.78 w(Al2O3) 17.10~25.84 24.56~44.13 23.57~42.97 w(CaO) 27.23~38.43 25.43~31.48 26.20~33.47 w(FeO) 2.46~10.16 1.43~6.34 1.52~5.89 w(MgO) 9.56~12.02 8.92~12.76 8.82~13.64 表3 Q235B连铸钢中加热精炼后与普通精炼后气体的体积分数对比

10-6 气体类别 ψ（O） ψ（N） AHF化学升温处理后 范围 47-119 26-57 均值 77 40 样本数 10 7 范围 45-118 25-60 正常精炼后 均值 75 41 样本数 11 8 差值 2 -1

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表4 Q195Al连铸钢中加热精炼后与普通精炼后夹杂物的质量分数对比

10-6 夹杂物 w总量 w（SiO2） w（Al2O3） w（FeO） w（MnO） w（CaO） AHF化学升温处理后 范围 73-415 26-57 67-220 4.2-15 0.1-3 0.1-10 均值 301 13 190 13 2 7 样本数 8 8 8 8 8 8 范围 78-450 1-68 62-200 2.2-16 0.1-2.0 0.1-8 正常精炼后 均值 332 14 160 15 2 6 样本数 10 10 10 10 10 10 差值 -31 -1 30 -2 0 1

AHF化学升温处理过程中钢中气体的变化在钢水化学升温过程中,由于向钢水吹氧,同时也使高温钢水暴露于空气中,是否会造成钢水增氧、增氮,这是广大冶金工作者所关心的问题。表3为Q235B连铸钢中气体体积分数加热精炼与不升温普通精炼氧、氮体积分数的对比。从表3可以看出,Q235B连铸钢经AHF化学升温精炼和不升温普通精炼,其钢水中的w(O)和w(N)基本相近。可以说明,AHF化学升温精炼处理不会增加钢中气体杂质的体积分数。

AHF处理过程钢中夹杂物质量分数的变化表4为Q195Al连铸钢加热精炼后与普通精炼后夹杂物质量分数的对比。从表4可以看出,经AHF化学升温精炼后的Q195Al钢水中夹杂物的质量分数与不升温精炼后的基本相当。从而说明,AHF化学升温处理过程中加热产生的氧化物不污染钢水。

经过长期的精炼生产实践证明,AHF精炼技术工艺可靠、技术先进、设备可靠、性能稳定。在生产中AHF升温精炼率达到30%左右,升温速度达到5℃/min,处理成功率为100%。采用AHF精炼技术,大幅度提高了上铸机的钢水温度和成分的控制精度,为炼钢厂板坯连铸机的生产顺行发挥了积极的作用。

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3 脱硫工艺技术发展

新世纪钢铁材料的发展方向之一是高纯洁净化。在未来的10～20年间，工业化大规模生产的钢材，C、S、P、N、O和H的含量之和不大于0.010%。目前对优质钢材，尤其是用于海洋、运输、结构等方而的钢材需求的不断增长，钢铁工业正面临着提供符合高强度、低温韧性、冷成型性、各向异性、焊接性等性能良好的低硫钢产品的挑战。为迎接这一挑战，钢铁工业正致力于通过控制钢中的硫等杂质含量，来改善钢产品质量。

上世纪70年代，通过强化铁水脱硫，虽已能够熔炼「S] ≦ 0.01%的钢水，但极低硫钢仍要以硫含量极低的废钢作原料，在电炉中进行还原熔炼来制造。目前，常规钢种对硫含量的要求(0.02%)已经很容易达到。但是，随着用户对钢性能要求的日益提高，钢制品应用范围的扩大，例如对于在能源领域使用的钢材(如，压力容器钢、耐分层撕裂钢、地温用钢等)，为了满足强度和韧性的要求，希望[S]≦0.005%。高质量的耐酸钢、一级汽车面板、轴承钢、高速钢轨等低硫钢，对钢中的〔S」提出了更为严格的要求，要求钢中[S]<0.005%甚至0.001%。特别是近年来，对硫含量低于0.0010%的超低硫钢(如，耐氢致裂纹管线钢等)的需求逐渐增加。为了满足这些要求，需要在生产过程中严格控制钢中硫含量。因此，钢水炉外深脱硫精炼工艺在整个炼钢工艺中的作用愈加重要。

3.1吹氩对脱硫的影响

从动力学方面考虑，吹氩搅拌不仅提高了渣钢间接触面积，而且使扩散传质的推动力加大，这对脱硫是十分有利的。但吹氩量太大，在无法保证精炼过程为还原气氛时，因钢液裸露，造成钢液二次氧化，将影响冶金效果。因此要根据具体的炉子大小和操作条件，选择合理的吹氩制度。

日管公司为了稳定生产低硫钢，在相同炉渣组成的条件下研究了氩气搅拌动能对脱硫速率的影响，当氩气流量由1.7N1/min·t提高到8N1/min·t时，脱硫反应速率大幅度提高，从0.2cm/sec以下提高到0.4cm/sec，在此基础上配合炉渣组成控制，脱硫率达到80%～90%，实现了[S]≦0.0005%的低硫钢的批量生产。神户制钢在低硫钢的生产中也比较了不同氩气流量对脱硫率的影响，见图1.1。

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由图1.1可知，当氩气流量由0.6Nm3/min~0.8Nm3/min提高至1.8Nm3/min时脱硫率由30%一60%提高至70%以上,上述研究强调了氩气搅拌对脱硫的影响，研究得到了一致的结论，增加氩气搅拌动能，脱硫率显著提高。为了改善脱硫动力学条件，一种新的技术是采用双透气砖底吹氩。例如，本川崎钢铁公司水岛厂和我国石家庄钢铁厂采用此法，在此基础上使脱硫率提了1.25倍，硫含量降低至0.0006%。为了均匀钢液成分、促使夹杂物上浮俄罗斯北方钢铁公司在LF精炼结束时进行钢包软吹氩，生产出了硫含量小于0.003%的低硫钢。加拿大steleo钢铁公司Lake Erie厂在进行RH真空处理时，吹氩并喂CaSi线，最后进行连铸，生产出了[S〕<0.0015%的超低硫钢。

3.2钢包渣的组成控制

钢包渣组成控制是冶炼低硫钢的重要部分。日本LF精炼渣普遍采用高碱渣(有时渣中CaO含量高达65%)，仍获得较好的效果。其原因在于渣加入了的A1203，解决了炉渣流动性问题。Mannesmann提出了一种表达熔渣脱硫能力的概念，即曼内斯曼熔渣指。在碱度一定的条件下其表达式为:MI=CaO/Si02/A1203。式中，CaO、Si02、A1203。分别为CaO、Si02、A1203的质量百分比含量乘以100后的值。

图1.2为熔渣指数对硫分配比的影响。研究表明，当渣指数为0.2～0.4时，可获得较高的硫分配比。

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另外，有文献研究表明，CaO/A12O3对熔渣硫分配比、脱硫率有影响作用1.3、图1.4。对硫分配常数和脱硫率的影响，如图所示，随着A1203的增大硫分配常数增大，脱硫率增大，文献[43」也得到了类似的观点。

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通过上述研究可知，要在精炼中获得良好的脱硫效果，就必须对钢包渣的组

成以及渣量进行控制。

3.3精炼渣的渣系

LF炉目前应用的主要精炼渣系是石灰一萤石(CaO一CaF2)和石灰一高铝料(主要成分为CaO一A1203)渣系，前者成渣迅速并能较好脱硫，但对钢包侵蚀严重，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但成渣速度和精炼效果会受到一定影响。比较而言，国外精炼渣的特点是碱有时CaO含量高达70%，并获得了较好的精炼效果，例如，日本新日优化后的高碱度精炼渣，可将钢水中的硫脱至0.0005%。国内LF精炼度大多处于中(2.2一3.0)、低(1.6一2.2)碱度水平，在这种碱度范围内以提高钢液精炼质量。

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。50一60年代，合成精炼渣在前苏联得到了广泛的应用和发展，当时大体成分CaO50%一60%，SiO2 3%，A1203 30%~40%，FeO＜0.5%，由于该混冲方式加入，易在钢中产生点状夹杂，故发展缓慢。随着二十世纪低硫钢、超低硫钢的提出到七十年代后期耐HIC管线钢等钢种需求量的增加，低硫钢冶炼技术引起人们的广泛重视，许多文献对此进行了研究报道。

王中英等人的研究表明，高碳铬轴承钢因其性能要求独特和需求量大，为一类很重要的钢种，并且采用电炉一炉外精炼工艺生产高质量的轴承钢已为人们的共识。在保证

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脱氧剂加入量和吹氩搅拌的情况下，精炼剂的选择得十分重要。通过试验发现精炼剂的碱度、A12O3的含量对钢液的脱氧、脱硫影响很大。就碱度而言，高碱度精炼渣具有较低的氧势和较高的氧化钙活度利于脱硫。但对于轴承钢而言，氧化钙活度增加，意味着点状夹杂的增加，因控制碱度R(CaO/Si02)=2.0~3.0。由于LF精炼为还原精炼，故要求渣中的(Feo+Mno)含量越低越好，为良好的脱硫和脱氧效果，要求(FeO+Mno)< 0.5%。在采用Al脱氧的情况下，夹杂物主要是A1203基夹杂，精炼渣对此夹杂的吸附能力主要取决于精炼渣中的活度的高低。为此，保证良好的发泡效果前提下，控制A12O3含量为10%~15% ,S.Gilbet等人的研究结果表明，当钢中初始硫含量降至0.010%时，1600℃采用钢包处理，使用配比为60êO~40?2O3的高碱度精炼渣能将硫0.0020%以下。在1650℃~1700℃，通过1.3~1.9Nm3/min强度底吹氩，仍上述渣系可得到0.0010%以下的硫含量。

左秀荣等人通过工业试验，研究了LF一VD过程精炼渣成分变化规律，发现CaO、CaFZ在LF一VD过程逐渐降低，A1203、5102、MgO在LF一VD过程逐渐侧。同时研究了精炼渣成分对脱氧、脱硫以及脱气效果的影响，发现渣碱2.5~3.5之间时硫分配比在80以上;氧化铁含量越低，硫分配比越高。

为了进一步提高脱硫效果，对熔渣进行改质处理也是精炼渣优化的一种手例如，我国在LF工位进行熔渣改质处理，采用该方法生产出了[S]<0.005%的极低硫钢,开发新的高硫容、低熔点的精炼渣，成为目前精炼渣优化的势。新型精炼渣因为含有BaO、LiZO、BZO3等在很大程度上提高了硫容等，而被受到重视。例如，北京科技大学对含Bao的精炼渣进行了研究认为:Bao的光度是CaO的1.15倍，当渣中的BaO含量达到50%时，硫容量值是只配加Ca的两倍。无CaF2精炼渣也是新型渣的一种，因为其不含CaF2，也就减少了包衬的侵蚀和对环境的污染，也同样受到重视。

到目前为止，各国冶金工作者研究了许多脱硫渣系，应用范围最广的是基合成渣。常见精炼渣渣系有以下几种:Cao一CaF2渣系、CaO一A12O3渣系、CaO一A1203一CaF2渣系等。

(1)CaO一CaF2渣系

CaO一CaF2渣系具有很强的脱硫能力。据有关资料报道，该渣系在1500℃下具有较高的硫容量。渣中CaO的主要作用是提高碱度，而CaF2的主要降低合成渣的熔化温度，提高炉渣流动性，这样更有利于脱硫。CaO与CaF有一定的合适比例，比值过高时渣中Cao含量过高，流动性差，熔化温度值过低时渣中CaFZ含量过高，碱度不够，对

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脱硫不利，对包衬的侵蚀加剧外常用的CaO/CaF2比值介于1.5到4之间，个别也有大到9的。该渣系的点就是含有较高的CaF2，一方面对包衬的侵蚀较快，使钢包使用寿命缩短方面冶金过程挥发出的FZ会危害操作工人的健康，又会对大气造成污染。

(2)CaO一A12O3渣系

CaO一A12O3渣系具有较强的脱硫能力，该渣系也被用来生产超低硫钢。E.T.Turkdogan等人对熔化氧化物的硫容进行了研究，认为该渣系的硫大。近年来，国内外钢厂从经济和环保角度考虑，也迫切需要无氟或低氟渣系来代替CaO一CaFZ渣系。到目前为止，已知的精炼渣系CaO/A1203介于之间，但该渣系的炉渣流动性稍差，这需要在以后的工作中进一步研究、

(3)CaO一A1203一CaF2渣系

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，完全采渣系还有待于研究仁361。国内部分钢厂和国外很多钢厂都在CaO一A12O3的基础上加入适量的CaF2，形成CaO一A1203一CaF2渣系，但在实际生产中，由于脱氧精炼渣原料中都会不可避免的带入部分Si02，因而实际渣系为CaO一A1203一Si02四元渣系。有关专家测定了该渣系在1550℃时的硫容量，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。研究得出CaO/CaF2大于1.5后，脱硫效果比较理想。

3.4精炼渣化学成分对脱硫的影响

为获得较好的精炼效果，要求精炼渣具备一定的物理化学性质，而这化学性质由精炼渣的化学成分决定。

(l)碱度.熔渣的碱度表示方法有多种:二元碱度、光学碱度等。碱度对脱硫脱氧有较大影响，如碱度过高，精炼渣熔化困难，流动性不好，影响效果。对于常用的二元碱度斌CaO/ Si02大于2时，为高碱度精炼渣，高碱度精炼渣一般用于铝镇静钢精炼。对于帘线钢、钢丝绳钢、轴承钢等，需要采低碱度精炼渣。CaO一A12O3一MgO一Si02渣系脱硫试验表明，炉渣碱度对Ls有较大影响。当碱度为3.0时，碱度增加LS随之增加;而当R>3.0时，随着R的增加Ls下降。

(2)A1203

有关资料中对A1203在精炼渣中的作用研究的较多，但是结论不统一。有些研究认为:A1203含量在15%一40%范围内，能取得较好的脱硫效果。也有一些文献认为:在这个范围内随着A12O3的增加，精炼渣粘度增加，不利于脱硫。

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(3)CaF2

CaF2可显著降低精炼渣粘度，改善炉渣流动性，利于传质，利于脱硫反应的进行，但其量过大对炉衬侵蚀较快。一般认为在与Cao匹配的基础上控制其加入量为5%一15%。CaF2可以明显地降低精炼渣中高熔点组分的熔化温度，助熔效果显著。

(4)MgO

渣中MgO主要来源于渣料和耐火材料，从热力学角度和炉渣离子理论看，MgO的脱硫能力略低于CaO。一般认为，渣中MgO<10%时，精炼渣的脱硫能力较高。当MgO>15%时大量的MgO会显著提高炉渣碱度，动力学条件变差，炉渣脱硫能力降低。但是，炉渣中保留一定的MgO对延长炉衬寿命是有利的。

(5)BaO

在LF精炼过程中，炉渣发泡有利于实现埋弧操作，降低热损耗、节约电耗。因此，期望炉渣有一定的发泡能力。目前，利用A1或CaC2等碳基还原剂进行脱氧，不仅可以将氧脱至一定的范围要求，还有利于炉渣发泡。此外，加入一定量的碳酸盐，如碳酸钡、碳酸钙等，可促进炉渣发泡。加入的碳酸钡在炼钢温度下分解产生的氧化钡存在于渣中。氧化钡能够改善炉渣流动性(氧化钡能够与其他成分形成钡的低熔点化合物)。有资料认为，在常用脱硫精炼渣系Cao一A12O3一MgO一Si02中加入7oO能显著提高精炼渣的脱硫能力。

(6)Na2O

渣中加入少量Na2O时，硫容量即得到迅速提高，渣中Na2O含量从0增加到0.3%~0.4%(摩尔分数)，渣的硫容量增加了3倍多。这说明氧化钠对增大渣的硫容量，提高渣的脱硫能力的效力非常大。文献认为，当炉渣碱度高时，即Si02含量低时，Na20对渣系硫容量的影响很明显;当炉渣碱度低时，即Si02含量高时，Na2O对渣系硫容量的影响变得不明显。但Na20在炼钢温度下不稳定，其在精炼渣中的表现有待于进一步研究。

(7)渣中的其他成分

在炉外精炼渣中，通常还含有Feo、MnO、PZO。等。(FeO+MnO)含量的多少标志着熔渣氧化性的大小。

W(Feo+Mno)对炉外精炼过程渣钢间硫的分配比有重要影响，硫的分配比随渣中 W(FeO+Mno)含量增高而降低，反之硫分配比升高。渣中(FeO+Mno)含量对脱硫的影响：当一般碱度:(Ca0+Mg0)/%( Si02+A12O3)=1.75~2.0时，随着熔渣中 W(FeO+Mno)含量的

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降低，硫的分配比提高，有利于脱硫。国外在冶炼低硫钢时，渣中W(FeO+Mno)含量基本都控制在0.5%以下，若要精炼结束后成品钢[S]≤ 0.0010%，则渣中W(FeO+MnO)含量不应大于0.15%。

由脱硫反应热力学和动力学可知，要提高脱硫率必须做好以下几方面:

(l)升高温度，使硫在钢液和渣中的传输速度增加，使反应阻力减小。从热力学角度，升高温度有利于脱硫反应向右进行。

(2)提高熔渣的硫容量，亦即提高炉渣与钢液间硫的分配比，以增大脱硫的推动力。 (3)提高硫在渣中的传质系数，减小脱硫反应阻力。例如，升高温度、用惰性气体加强搅拌、寻找一个合理的炉渣组成等。

(4)增大钢渣的接触面积。例如，喷粉脱硫等。

总之，只有脱硫的热力学和动力学条件都得到了较好的改善，才能获得较好 的脱硫效率和脱硫效果。

通过以上的分析,对比现在实际生产情况,主要存在以下几个方面的问题: (1)工艺流程需要在现有生产流程的基础上，做进一步的合理调整;

(2)转炉终点钢水氧活度高、终渣氧化性强、转炉下渣量大，对钢包渣的改性难度大。

(3)钢包渣成分的控制未考虑终渣成分、脱氧产物的影响。 (4)精炼时间短、渣料加入量偏小。

(5)精炼结束后软吹时间时间不够，吹氩制度不合理。

基于以上问题，在转炉终点控制情况暂难以改变的条件下，要实现低硫钢的生产，则需要开展转炉下渣控制研究、精炼渣优化研究、钢包渣改性技术研究、钢包渣成分控制研究等。在精炼渣优化研究中，通过理论计算和实验研究分析，开发适宜的精炼渣。在目前生产工艺流程的基础上，不仅要在出钢后向渣面加入少量的调渣剂对转炉下渣进行改性，还要在出钢过程和LF钢包炉分两次加入精炼渣对钢包渣成分进行控制。在钢包渣成分控制中，加入的精炼渣成分必须依据转炉渣成分及下渣量、脱氧产物成分及生成量来考虑。根据脱硫、去夹杂对吹氩参数的要求，建立适宜的吹氩制度。

开展低硫钢冶炼工艺技术的相关研究，改善现有冶炼工艺制度，是提高我钢铁企业生产效率和产品质量的重要手段。本文在理论分析和实践的基础上，以CaO、A1203为基本组成，Mgo、Bao、CaF2、Na20为添加剂的精炼渣，通过实验及理论分析，得到了优化的精炼渣组成;建立了一套实用性强、效果显著低硫钢生产新工艺。

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4 炉外精炼的喂线、吹氩操作

炉外精炼技术能有效控制钢中有害元素的夹杂物形态和数量,纯洁钢液,是提高铸件使用性能最有效的手段。炉外精炼通过渣洗、真空、搅拌、加热、喷吹等5大手段的1种或几种组合,给钢液提供合理的冶金动力学、热力学条件,得到理想金属结构的冶金方法。喂线技术是炉外精炼方法的一种。喂线机把铝线或包芯线送入钢水中,通过钢水中的化学反应,达到脱氧、去气、夹杂物球化变性、合金化等功效,在此基础之上,再向钢包中吹入氩气。氩气进入钢液后能够形成无数细小的气泡,气泡在上浮过程中搅动钢液,钢液中分散的夹杂物得到碰撞、集聚并吸附于气泡的表面而排出,达到净化钢水的目的。同时,氩气引发的搅动,可降低偏析发生的几率。

4.1喂线-吹氩工艺参数的确定

1、铝线的参数

(1)铝线喂入速度(V1)的确定 使用的钢包钢液高度约为1.7 m。在钢液温度为1600℃时铝线在喂入深度为h1时熔化为液态,参照有关文献[1]并通过试验建立关于喂铝线速度V1的数学表达式:

V1=A1+B1h1+CΔT+FD1-1.65(1)

式中: V1—铝线的喂入速度;h1—铝线喂入深度;ΔT—钢水的过热度;D1—铝线直径;A1—常数;

B1—高度系数;C—温度系数;F—直径系数。 根据公式(1)可计算出V1为0.9～2.5 m/s。

经试验,并考虑到系统的机械阻力,喂线速度选定为2 m/s进行试验。

(2)喂Al线长度的确定

一般要求钢水中的残余Al含量控制在0.030%～0.060%之间,在喂线后,要求钢水中的酸溶铝(AlS)的含量为0.025%,参照文献[1]并通过试验可得钢水所需喂铝量(WAl)的表达式(2)为:

WAl=A2+B2·AlS(2)

式中:WAl—单位重量钢水所需铝的重量;A2—常数;B2—酸溶铝系数;AlS-要求的酸溶铝含量。

根据公式(2)可算出钢水所需的喂铝量为0.53kg/t,则每炉所需的喂铝量为4.77 kg。

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原工艺中钢水的总加铝量为1.5 kg/t,收得率为15%～25%,喂线后,铝的平均收得率提高到78.5%，最高的可达到90%以上。因此,铝的总加入量可以降到0.8 kg/t。

为了防止钢液在出钢过程发生二次氧化,在出钢前仍保持在钢液中插铝工艺,但插铝量由原来10kg左右降到4 kg。若铝线直径为9 mm,其单位质量为0.2 kg/m,则需喂铝线的长度L为20～25 m。在试验过程中,喂Al线长度根据具体情况在20～25 m范围内进行调整。

4.2试验对比

按照计算的速度和长度进行验证性试验。分别选择不同的喂线速度和喂线长度进行试验。浇注过程中在第1箱铸件之后和最后1箱之前分别取2只成品样进行分析。根据分析结果调整喂线速度和喂线长度。经过3次试验确定:喂线的速度选为2.0 m/s,长度为20 m。对所浇注铸件进行跟踪取样。从分析结果看,试样含量上下差值不大,较为均匀,其含量在中限范围附近,符合工艺要求。而且,出钢温度控制在1 610℃～1 625℃能满足浇注要求。

喂线-吹氩结合试验试验方案为:在出钢的同时开始吹氩并调节参数以保证在单位时间内进入钢水的氩气量相对恒定,并保证钢水应有序的进行翻转,不让钢液裸露在空气中。由于吹氩对钢水有搅拌作用,会对钢水的温度有一定的影响,因此,出钢温度控制在原有基础上提高,规定为1620℃～1630℃。

通过两次试验,选择不同的吹氩压力和流量,由于吹氩压力与流量对吹氩效果的影响是动态的,在固定压力时,流量相对固定,在压力改变时,流量亦随之改变,吹氩流量必须及时调节。所得吹氩工艺参数为:氩气压力为一次减压压力0.5～1.0 MPa;氩气流量为5～25 L/min,吹氩时间为3～5 min。

4.3小结

通过对钢包中进行喂线-吹氩,铝的平均收得率大大提高,达到58%～92%。喂线工艺改善了钢的浇注性能,同时通过吹氩有效降低了钢中夹杂物总量,钢中夹杂物明显减少,球化较好,且分布均匀,机械性能普遍提高。喂线-吹氩与电弧炉双联法工艺过程操作简捷、稳定,钢液无明显降温,节铝50%左右,取得了较好的冶金效果。

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结 论

通过对精炼工艺技术发展的论述，得到以下几个方面的结论： ⑴采用AHF精炼技术,大幅度提高了上铸机的钢水温度和成分的控制精度,为板坯连铸机的生产顺行发挥了积极的作用。

⑵开展低硫钢冶炼工艺技术的相关研究，改善现有冶炼工艺制度，是提高我钢铁企业生产效率和产品质量的重要手段。

⑶喂线工艺改善了钢的浇注性能,同时通过吹氩有效降低了钢中夹杂物总量,钢中夹杂物明显减少,球化较好,且分布均匀,机械性能普遍提高。

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参 考 文 献

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致 谢

本论文是在尊敬的导师***教授的精心指导和关怀下完成的。从方向的选择、方案的制定及实施，直到论文的最后完成，整个过程无不凝结着他的心血。***渊博的学识、严谨的治学精神、深邃的洞察力、睿智的思维方式，令学生终身难忘；老师严谨的治学作风、一丝不苟的工作态度、高瞻远瞩的学术思想使学生受益非浅；老师的高尚品质和人格魅力将使学生终身受益。在论文完成之际，谨向导师表示深深的敬意与诚挚的感谢！

感谢每位对我有过帮助的老师、同学，同事，在此向他们表示深深的谢意！感谢我的家人，没有他们的奉献，就没有我今天的学习机会。父母的哺育和艰辛劳动，为我论文的顺利完成提供了前提和保障，才使我取得了今天的成绩。

在论文的完成过程中，还曾得到许多其他人的支持与帮助，在此一并致谢！正是许多述及和未述及的人的无私的帮助，才使我的论文工作得以顺利进行和圆满的完成。

谨以此文敬献给所有关心、爱护和帮助过我的人们！

石永生

2009年10月16日

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