炉外精炼工艺技术的发展趋势
王 辉
（河钢股份有限公司承德分公司、河北省钒钛工程技术研究中心）
摘要：将转炉、平 炉或电炉中初炼过的钢液移到另一个容器中进行精炼的炼钢过程，也叫“二次炼钢”。炼钢过程因此分为初炼和精炼两步进行。初炼：炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化、脱磷、脱碳和主合金化。精炼：将初炼的钢液在真空、惰性气体或还原性气氛的容器中进行脱气、脱氧、脱硫，去除夹杂物和进行成分微调等。这样将炼钢分两步进行，可提高钢的质量，缩短冶炼时间，简化工艺过程并降低生产成本。
关键词：转炉炼钢；炉外精炼；氧枪定位
1 炉外精炼的冶金功能
1.1 炉外精炼的冶金特点
各种炉外精炼设备都具备高效精炼的特点,适宜冶炼各类纯净钢、超纯净钢。其原因在于各种炉外精炼设备的工艺与设备设计能满足以下冶金特点:
1） 改善冶金化学反应的热力学条件；
2） 加速熔池传质速度；
3）增大渣钢反应面积,对各种炉外精炼设备均采用各种搅拌或喷粉工艺,造成钢渣乳化、颗粒气泡上浮、碰撞、聚合等现象,显著增加渣钢反应面积,提高反应速度；
4）精确控制化学反应条件,使各种冶金反应更趋近平衡；
5）对精炼过程实现计算机智能化控制。保证精炼终点的命中率和控制精度。
1.2 炉外精炼设备的冶金功能
为实现上述冶金功能,各种炉外精炼设备一般均采用以下精炼方法:
1）渣洗精炼；
2）真空精炼；
3）熔池搅拌；
4） 喷射冶金；
5）加热与控温；
2 炉外精炼设备与精炼工艺
2.1 LF
LF 炉的精炼工艺主要包括三项内容:
2.1.1 加热与温度控制: LF炉采用电弧加热,对钢水加热效率一般≥60 %,高于电炉升温热效率。吨钢水平均升温1℃耗电0.5～0.8 kWh。LF炉的升温速度决定于供电的比功率( kVA/t) ,而供电比功率的大小又决定于钢包耐火材料的熔损指数。通常,LF炉的供电比功率为150～200 kVA/ t,升温速度可达到3～5℃/min, 采用埋弧泡沫技术,可减轻电弧的幅射热损失, 提高加热效率10 %～15 %。LF炉采用计算机动态控制终点温度,可保证终点温度的控制精度≤±5℃。
2.1.2 白渣精炼工艺:LF炉利用白渣进行钢水精炼,实现钢水脱硫、脱氧,生产超低硫钢和低氧钢。因此,白渣精炼是LF炉工艺操作的核心,也是提高钢水纯净度的重要保证。白渣精炼的工艺要点是:
出钢挡渣,控制下渣量≤5 kgΠt;
钢包渣改质, 控制包渣R≥2. 5, 渣中w( TFe+ MnO)≤3. 0 %;
白渣精炼,一般采用Al2O3-CaO-SiO2系炉渣, 控制包渣碱度R≥4, 渣中w( TFeO+MnO)≤1 %,保证脱硫、脱氧效果;
控制LF炉内气氛为弱氧化性,避免炉渣再氧化;
适当搅拌,避免钢液面裸露,并保证熔池内具有较高的传质速度。
2.1.3 合金微调与窄成分控制,合金微调与窄成分控制技术是保证钢材成分性能稳定的关键技术之一,也是LF的重要冶金功能。例如,生产齿轮钢,要求保证钢材淬透性带度≥4 HRC,必须精确控制钢材各种合金元素的成分,避免波动。实现合金微调的主要措施是:计算机在线准确计算各种合金加入量,保证钢水成分的准确性与稳定性。钢包内喷吹惰性气体(Ar气) 搅拌工艺(底吹或喷吹法) ，其主要冶金功能是均匀钢水成分、温度、促进夹杂物上浮。通常钢包吹氩的气体搅拌强度为0. 003～0. 01 Nm3/ t・min。
2.2 CAS与气体搅拌
2.2.1 CAS -OB的冶金功能和技术优点是
1）钢液升温和精确控制钢水温度。在所有炉外处理设备中, CAS -OB的升温速度最快,可达到6～12℃/min,升温幅度可达到100℃,钢水处理终点温度的波动≤±5℃；
2）促进夹杂物上浮,提高钢水洁净度。采用CAS -OB 法对钢水进行加热(升温< 100℃) ,可控制钢中酸溶铝≤0. 005%(质量分数) ,钢水T. O含量降低20 %～40 %；
3）精确控制钢液成分, 实现窄成分控制。CAS处理中Al、Si、Mn等合金的收得率稳定,并可提高合金收得率20 %～50 %,实现对钢液成分的精确控制；
4）均匀钢水成分和温度；
5）与喂线配合,可进行夹杂物的变性处理。
2.2.2 CAS -OB 的操作工艺主要包括:
1）吹氧升温和终点温度控制。在吹氧过程中连续加入铝丸,控制Al/O2比是避免钢中C、Si、Mn等元素烧损和控制钢中酸溶铝含量的关键技术。由于采用溶解铝氧化升温工艺,属于体相加热,热效率高于90 %。通常每吨钢水升温1℃，耗铝量为350～450g,升温速度快,整个CAS -OB处理周期为11～16 min,可与转炉生产节奏相匹配。
2）吹Ar工艺与夹杂物去除。采用加铝升温,铝氧化生成大量Al2O3夹杂,并可能使钢中铝含量升高。因此,在加热过程中要精确控制Al/O2比及搅拌强度；升温后要保证一定时间的吹Ar搅拌促进夹杂物上浮。
3）合金微调工艺。出钢时,对钢水成分进行精调,并取钢水样进行快速分析,根据化学分析结果,在CAS处理中补加合金进行钢水成分的最终调整,实现窄成分控制。
2.3 RH
RH的基本设备主要包括: 合金料仓及加料系统,真空室和真空泵系统,钢包车、顶开机构及钢包系统和烘烤维修系统。在普通RH顶部安装水冷氧枪,构成RH -KTB工艺,可实现吹氧脱碳和二次燃烧。对RH -KTB配备喷粉系统,通过顶枪向真空室内钢水喷吹脱硫粉剂,构成RH –KTB/ PB工艺,可实现真空喷粉脱硫。
RH 精炼效率及冶金效果决定于以下基本工艺参数:
1）极限真空度与抽气速率;
2） 钢水的循环流量Q；
3）表观反应速度常数kx；
4） 顶吹供氧强度和枪位控制；
5）脱硫剂成分及喷粉工艺。
为了进一步提高RH的精炼效率,扩大处理能力,近几年国际RH精炼技术的发展趋势是:
1）提高真空泵的抽气能力,使RH达到极限真空度(66.7Pa)的抽气时间缩短到2min。
2）进一步提高钢水的循环流量Q。大量的实验证明,钢水循环流量决 定于下降内径D,真空室内钢水深度H和吹Ar的气体流量G,扩大RH下降管直径,提高氩气的供气强度以及提高真空室真空度,均有利于提高RH 的循环流量。
3）进一步提高RH 的容积反应速度常数a Kc,可以提高RH 的反应速度。容积反应常数a Kc是熔池传质速度Kc与反应界面积A的乘积,并和以下参数成正比：a Kc∝A0. 32・Q1. 17・Cv1. 48
2.4 VD与VOD
在电炉钢厂,VD炉作为真空脱气设备通常与LF炉双联,生产各种合金结构钢、优质碳钢和低合金高强度钢。在VD炉上增加顶吹供氧系统,构成VOD 炉,可以完成真空吹氧脱碳的功能,适宜冶炼低碳不锈钢。 和RH真空处理工艺相比,VD (VOD、VHD或VAD)炉的精炼强度受钢包净空度的严格限制。 通常,完成钢液脱气处理,要求钢包的净空高度≥600 mm;而要进行钢液碳脱氧工艺,则需钢包净空高度≥900 mm。实现吹氧脱碳工艺,则要求钢包净空高度= 1. 0～1. 2 m。由于钢水脱碳反应强度受到钢包净空高度的严格限制,因此,VD炉脱碳周期较长(一般为40～5min) ,整个处理周期为75～90 min。另外,受钢包盖、炉渣等物理因素的影响,真空脱气效率有所降低。 脱气处理20～25 min,钢水氢含量可达到2 ×10-6,N含量波动在(30～45)×10-6。氩气消耗量也高于RH工艺。另一方面,VD炉可在真空条件下实现钢—渣反应,有利于熔池脱硫和脱氧。在VD炉处理过程中, 钢中氧含量可从100 ×10-6降低到20×10-6；硫含量也可从0.01 %降低到0. 0015 %以下,平均脱硫率可达到84 %。
3 炉外精炼发展趋势
各种炉外精炼方法中，钢包精炼在工业生产中使用最多。80年代中期，世界各国投入工业生产的炉外精炼设备约有500余座，美国和日本生产的轴承钢全部经过炉外真空处理(RH法、DH法等)，超低硫钢以及控制夹杂物形态的钢种主要用钢包喷粉处理法(TN法，SL法)生产。AOD炉生产的不锈钢，铬元素的回收率达98％以上，并可使用高碳铬铁做合金原料，经济效益十分显著。美国的不锈钢几乎全部用AOD炉进行精炼。世界上用AOD炉生产的不锈钢约占不锈钢总量的75%以上。ASEA—SKF炉、VAD炉和LF炉均采用电弧加热钢液，用电磁感应或氩气流搅拌钢液，可进行长时间的精炼操作，多用于生产优质结构钢和各类高合金钢。这类设备还可做钢液保持炉，用于多炉联合生产特大钢锭或保持连铸钢液。各种炉外精炼方法，各有所长，在选择炉外精炼方法时，应充分考虑到产品质量要求，生产厂原材料条件以及原有设备状况、生产操作水平和资金情况等进行综合分析研究，因地制宜地进行选择。