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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