爐外精煉工藝技術的發展趨勢
王 輝
（河鋼股份有限公司承德分公司、河北省釩鈦工程技術研究中心）
摘要：將轉爐、平 爐或電爐中初煉過的鋼液移到另一個容器中進行精煉的煉鋼過程，也叫“二次煉鋼”。煉鋼過程因此分為初煉和精煉兩步進行。初煉：爐料在氧化性氣氛的爐內進行熔化、脫磷、脫碳和主合金化。精煉：將初煉的鋼液在真空、惰性氣體或還原性氣氛的容器中進行脫氣、脫氧、脫硫，去除夾雜物和進行成分微調等。這樣將煉鋼分兩步進行，可提高鋼的質量，縮短冶煉時間，簡化工藝過程并降低生產成本。
關鍵詞：轉爐煉鋼；爐外精煉；氧槍定位
1 爐外精煉的冶金功能
1.1 爐外精煉的冶金特點
各種爐外精煉設備都具備高效精煉的特點,適宜冶煉各類純凈鋼、超純凈鋼。其原因在于各種爐外精煉設備的工藝與設備設計能滿足以下冶金特點:
1） 改善冶金化學反應的熱力學條件；
2） 加速熔池傳質速度；
3）增大渣鋼反應面積,對各種爐外精煉設備均采用各種攪拌或噴粉工藝,造成鋼渣乳化、顆粒氣泡上浮、碰撞、聚合等現象,顯著增加渣鋼反應面積,提高反應速度；
4）精確控制化學反應條件,使各種冶金反應更趨近平衡；
5）對精煉過程實現計算機智能化控制。保證精煉終點的命中率和控制精度。
1.2 爐外精煉設備的冶金功能
為實現上述冶金功能,各種爐外精煉設備一般均采用以下精煉方法:
1）渣洗精煉；
2）真空精煉；
3）熔池攪拌；
4） 噴射冶金；
5）加熱與控溫；
2 爐外精煉設備與精煉工藝
2.1 LF
LF 爐的精煉工藝主要包括三項內容:
2.1.1 加熱與溫度控制: LF爐采用電弧加熱,對鋼水加熱效率一般≥60 %,高于電爐升溫熱效率。噸鋼水平均升溫1℃耗電0.5～0.8 kWh。LF爐的升溫速度決定于供電的比功率( kVA/t) ,而供電比功率的大小又決定于鋼包耐火材料的熔損指數。通常,LF爐的供電比功率為150～200 kVA/ t,升溫速度可達到3～5℃/min, 采用埋弧泡沫技術,可減輕電弧的幅射熱損失, 提高加熱效率10 %～15 %。LF爐采用計算機動態控制終點溫度,可保證終點溫度的控制精度≤±5℃。
2.1.2 白渣精煉工藝:LF爐利用白渣進行鋼水精煉,實現鋼水脫硫、脫氧,生產超低硫鋼和低氧鋼。因此,白渣精煉是LF爐工藝操作的核心,也是提高鋼水純凈度的重要保證。白渣精煉的工藝要點是:
出鋼擋渣,控制下渣量≤5 kgΠt;
鋼包渣改質, 控制包渣R≥2. 5, 渣中w( TFe+ MnO)≤3. 0 %;
白渣精煉,一般采用Al2O3-CaO-SiO2系爐渣, 控制包渣堿度R≥4, 渣中w( TFeO+MnO)≤1 %,保證脫硫、脫氧效果;
控制LF爐內氣氛為弱氧化性,避免爐渣再氧化;
適當攪拌,避免鋼液面裸露,并保證熔池內具有較高的傳質速度。
2.1.3 合金微調與窄成分控制,合金微調與窄成分控制技術是保證鋼材成分性能穩定的關鍵技術之一,也是LF的重要冶金功能。例如,生產齒輪鋼,要求保證鋼材淬透性帶度≥4 HRC,必須精確控制鋼材各種合金元素的成分,避免波動。實現合金微調的主要措施是:計算機在線準確計算各種合金加入量,保證鋼水成分的準確性與穩定性。鋼包內噴吹惰性氣體(Ar氣) 攪拌工藝(底吹或噴吹法) ，其主要冶金功能是均勻鋼水成分、溫度、促進夾雜物上浮。通常鋼包吹氬的氣體攪拌強度為0. 003～0. 01 Nm3/ t?min。
2.2 CAS與氣體攪拌
2.2.1 CAS -OB的冶金功能和技術優點是
1）鋼液升溫和精確控制鋼水溫度。在所有爐外處理設備中, CAS -OB的升溫速度最快,可達到6～12℃/min,升溫幅度可達到100℃,鋼水處理終點溫度的波動≤±5℃；
2）促進夾雜物上浮,提高鋼水潔凈度。采用CAS -OB 法對鋼水進行加熱(升溫< 100℃) ,可控制鋼中酸溶鋁≤0. 005%(質量分數) ,鋼水T. O含量降低20 %～40 %；
3）精確控制鋼液成分, 實現窄成分控制。CAS處理中Al、Si、Mn等合金的收得率穩定,并可提高合金收得率20 %～50 %,實現對鋼液成分的精確控制；
4）均勻鋼水成分和溫度；
5）與喂線配合,可進行夾雜物的變性處理。
2.2.2 CAS -OB 的操作工藝主要包括:
1）吹氧升溫和終點溫度控制。在吹氧過程中連續加入鋁丸,控制Al/O2比是避免鋼中C、Si、Mn等元素燒損和控制鋼中酸溶鋁含量的關鍵技術。由于采用溶解鋁氧化升溫工藝,屬于體相加熱,熱效率高于90 %。通常每噸鋼水升溫1℃，耗鋁量為350～450g,升溫速度快,整個CAS -OB處理周期為11～16 min,可與轉爐生產節奏相匹配。
2）吹Ar工藝與夾雜物去除。采用加鋁升溫,鋁氧化生成大量Al2O3夾雜,并可能使鋼中鋁含量升高。因此,在加熱過程中要精確控制Al/O2比及攪拌強度；升溫后要保證一定時間的吹Ar攪拌促進夾雜物上浮。
3）合金微調工藝。出鋼時,對鋼水成分進行精調,并取鋼水樣進行快速分析,根據化學分析結果,在CAS處理中補加合金進行鋼水成分的最終調整,實現窄成分控制。
2.3 RH
RH的基本設備主要包括: 合金料倉及加料系統,真空室和真空泵系統,鋼包車、頂開機構及鋼包系統和烘烤維修系統。在普通RH頂部安裝水冷氧槍,構成RH -KTB工藝,可實現吹氧脫碳和二次燃燒。對RH -KTB配備噴粉系統,通過頂槍向真空室內鋼水噴吹脫硫粉劑,構成RH –KTB/ PB工藝,可實現真空噴粉脫硫。
RH 精煉效率及冶金效果決定于以下基本工藝參數:
1）極限真空度與抽氣速率;
2） 鋼水的循環流量Q；
3）表觀反應速度常數kx；
4） 頂吹供氧強度和槍位控制；
5）脫硫劑成分及噴粉工藝。
為了進一步提高RH的精煉效率,擴大處理能力,近幾年國際RH精煉技術的發展趨勢是:
1）提高真空泵的抽氣能力,使RH達到極限真空度(66.7Pa)的抽氣時間縮短到2min。
2）進一步提高鋼水的循環流量Q。大量的實驗證明,鋼水循環流量決 定于下降內徑D,真空室內鋼水深度H和吹Ar的氣體流量G,擴大RH下降管直徑,提高氬氣的供氣強度以及提高真空室真空度,均有利于提高RH 的循環流量。
3）進一步提高RH 的容積反應速度常數a Kc,可以提高RH 的反應速度。容積反應常數a Kc是熔池傳質速度Kc與反應界面積A的乘積,并和以下參數成正比：a Kc∝A0. 32?Q1. 17?Cv1. 48
2.4 VD與VOD
在電爐鋼廠,VD爐作為真空脫氣設備通常與LF爐雙聯,生產各種合金結構鋼、優質碳鋼和低合金高強度鋼。在VD爐上增加頂吹供氧系統,構成VOD 爐,可以完成真空吹氧脫碳的功能,適宜冶煉低碳不銹鋼。 和RH真空處理工藝相比,VD (VOD、VHD或VAD)爐的精煉強度受鋼包凈空度的嚴格限制。 通常,完成鋼液脫氣處理,要求鋼包的凈空高度≥600 mm;而要進行鋼液碳脫氧工藝,則需鋼包凈空高度≥900 mm。實現吹氧脫碳工藝,則要求鋼包凈空高度= 1. 0～1. 2 m。由于鋼水脫碳反應強度受到鋼包凈空高度的嚴格限制,因此,VD爐脫碳周期較長(一般為40～5min) ,整個處理周期為75～90 min。另外,受鋼包蓋、爐渣等物理因素的影響,真空脫氣效率有所降低。 脫氣處理20～25 min,鋼水氫含量可達到2 ×10-6,N含量波動在(30～45)×10-6。氬氣消耗量也高于RH工藝。另一方面,VD爐可在真空條件下實現鋼—渣反應,有利于熔池脫硫和脫氧。在VD爐處理過程中, 鋼中氧含量可從100 ×10-6降低到20×10-6；硫含量也可從0.01 %降低到0. 0015 %以下,平均脫硫率可達到84 %。
3 爐外精煉發展趨勢
各種爐外精煉方法中，鋼包精煉在工業生產中使用最多。80年代中期，世界各國投入工業生產的爐外精煉設備約有500余座，美國和日本生產的軸承鋼全部經過爐外真空處理(RH法、DH法等)，超低硫鋼以及控制夾雜物形態的鋼種主要用鋼包噴粉處理法(TN法，SL法)生產。AOD爐生產的不銹鋼，鉻元素的回收率達98％以上，并可使用高碳鉻鐵做合金原料，經濟效益十分顯著。美國的不銹鋼幾乎全部用AOD爐進行精煉。世界上用AOD爐生產的不銹鋼約占不銹鋼總量的75%以上。ASEA—SKF爐、VAD爐和LF爐均采用電弧加熱鋼液，用電磁感應或氬氣流攪拌鋼液，可進行長時間的精煉操作，多用于生產優質結構鋼和各類高合金鋼。這類設備還可做鋼液保持爐，用于多爐聯合生產特大鋼錠或保持連鑄鋼液。各種爐外精煉方法，各有所長，在選擇爐外精煉方法時，應充分考慮到產品質量要求，生產廠原材料條件以及原有設備狀況、生產操作水平和資金情況等進行綜合分析研究，因地制宜地進行選擇。