爐外精煉工藝技術(shù)的發(fā)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(shù)研究中心）
摘要：將轉(zhuǎn)爐、平 爐或電爐中初煉過的鋼液移到另一個容器中進(jìn)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(jìn)行。初煉：爐料在氧化性氣氛的爐內(nèi)進(jìn)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(jìn)行脫氣、脫氧、脫硫，去除夾雜物和進(jìn)行成分微調(diào)等。這樣將煉鋼分兩步進(jìn)行，可提高鋼的質(zhì)量，縮短冶煉時間，簡化工藝過程并降低生產(chǎn)成本。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)備的工藝與設(shè)備設(shè)計能滿足以下冶金特點:
1） 改善冶金化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)條件；
2） 加速熔池傳質(zhì)速度；
3）增大渣鋼反應(yīng)面積,對各種爐外精煉設(shè)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(xiàn)象,顯著增加渣鋼反應(yīng)面積,提高反應(yīng)速度；
4）精確控制化學(xué)反應(yīng)條件,使各種冶金反應(yīng)更趨近平衡；
5）對精煉過程實現(xiàn)計算機(jī)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(shè)備的冶金功能
為實現(xiàn)上述冶金功能,各種爐外精煉設(shè)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(shè)備與精煉工藝
2.1 LF
LF 爐的精煉工藝主要包括三項內(nèi)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?zé)嵝省嶄撍骄郎?℃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(shù)。通常,LF爐的供電比功率為150～200 kVA/ t,升溫速度可達(dá)到3～5℃/min, 采用埋弧泡沫技術(shù),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(jī)動態(tài)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(jìn)行鋼水精煉,實現(xiàn)鋼水脫硫、脫氧,生產(chǎn)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(zhì), 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(nèi)氣氛為弱氧化性,避免爐渣再氧化;
適當(dāng)攪拌,避免鋼液面裸露,并保證熔池內(nèi)具有較高的傳質(zhì)速度。
2.1.3 合金微調(diào)與窄成分控制,合金微調(diào)與窄成分控制技術(shù)是保證鋼材成分性能穩(wěn)定的關(guān)鍵技術(shù)之一,也是LF的重要冶金功能。例如,生產(chǎn)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(xiàn)合金微調(diào)的主要措施是:計算機(jī)在線準(zhǔn)確計算各種合金加入量,保證鋼水成分的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。鋼包內(nèi)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(jìn)夾雜物上浮。通常鋼包吹氬的氣體攪拌強(qiáng)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(shù)優(yōu)點是
1）鋼液升溫和精確控制鋼水溫度。在所有爐外處理設(shè)備中, CAS -OB的升溫速度最快,可達(dá)到6～12℃/min,升溫幅度可達(dá)到100℃,鋼水處理終點溫度的波動≤±5℃；
2）促進(jìn)夾雜物上浮,提高鋼水潔凈度。采用CAS -OB 法對鋼水進(jìn)行加熱(升溫< 100℃) ,可控制鋼中酸溶鋁≤0. 005%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) ,鋼水T. O含量降低20 %～40 %；
3）精確控制鋼液成分, 實現(xiàn)窄成分控制。CAS處理中Al、Si、Mn等合金的收得率穩(wěn)定,并可提高合金收得率20 %～50 %,實現(xiàn)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(jìn)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(xù)加入鋁丸,控制Al/O2比是避免鋼中C、Si、Mn等元素?zé)龘p和控制鋼中酸溶鋁含量的關(guān)鍵技術(shù)。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(zhuǎn)爐生產(chǎn)節(jié)奏相匹配。
2）吹A(chǔ)r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(qiáng)度；升溫后要保證一定時間的吹A(chǔ)r攪拌促進(jìn)夾雜物上浮。
3）合金微調(diào)工藝。出鋼時,對鋼水成分進(jìn)行精調(diào),并取鋼水樣進(jìn)行快速分析,根據(jù)化學(xué)分析結(jié)果,在CAS處理中補(bǔ)加合金進(jìn)行鋼水成分的最終調(diào)整,實現(xiàn)窄成分控制。
2.3 RH
RH的基本設(shè)備主要包括: 合金料倉及加料系統(tǒng),真空室和真空泵系統(tǒng),鋼包車、頂開機(jī)構(gòu)及鋼包系統(tǒng)和烘烤維修系統(tǒng)。在普通RH頂部安裝水冷氧槍,構(gòu)成RH -KTB工藝,可實現(xiàn)吹氧脫碳和二次燃燒。對RH -KTB配備噴粉系統(tǒng),通過頂槍向真空室內(nèi)鋼水噴吹脫硫粉劑,構(gòu)成RH –KTB/ PB工藝,可實現(xiàn)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(shù):
1）極限真空度與抽氣速率;
2） 鋼水的循環(huán)流量Q；
3）表觀反應(yīng)速度常數(shù)kx；
4） 頂吹供氧強(qiáng)度和槍位控制；
5）脫硫劑成分及噴粉工藝。
為了進(jìn)一步提高RH的精煉效率,擴(kuò)大處理能力,近幾年國際RH精煉技術(shù)的發(fā)展趨勢是:
1）提高真空泵的抽氣能力,使RH達(dá)到極限真空度(66.7Pa)的抽氣時間縮短到2min。
2）進(jìn)一步提高鋼水的循環(huán)流量Q。大量的實驗證明,鋼水循環(huán)流量決 定于下降內(nèi)徑D,真空室內(nèi)鋼水深度H和吹A(chǔ)r的氣體流量G,擴(kuò)大RH下降管直徑,提高氬氣的供氣強(qiáng)度以及提高真空室真空度,均有利于提高RH 的循環(huán)流量。
3）進(jìn)一步提高RH 的容積反應(yīng)速度常數(shù)a Kc,可以提高RH 的反應(yīng)速度。容積反應(yīng)常數(shù)a Kc是熔池傳質(zhì)速度Kc與反應(yīng)界面積A的乘積,并和以下參數(shù)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(shè)備通常與LF爐雙聯(lián),生產(chǎn)各種合金結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳鋼和低合金高強(qiáng)度鋼。在VD爐上增加頂吹供氧系統(tǒng),構(gòu)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(qiáng)度受鋼包凈空度的嚴(yán)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(jìn)行鋼液碳脫氧工藝,則需鋼包凈空高度≥900 mm。實現(xiàn)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(yīng)強(qiáng)度受到鋼包凈空高度的嚴(yán)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(dá)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(xiàn)鋼—渣反應(yīng),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(dá)到84 %。
3 爐外精煉發(fā)展趨勢
各種爐外精煉方法中，鋼包精煉在工業(yè)生產(chǎn)中使用最多。80年代中期，世界各國投入工業(yè)生產(chǎn)的爐外精煉設(shè)備約有500余座，美國和日本生產(chǎn)的軸承鋼全部經(jīng)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(tài)的鋼種主要用鋼包噴粉處理法(TN法，SL法)生產(chǎn)。AOD爐生產(chǎn)的不銹鋼，鉻元素的回收率達(dá)98％以上，并可使用高碳鉻鐵做合金原料，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。美國的不銹鋼幾乎全部用AOD爐進(jìn)行精煉。世界上用AOD爐生產(chǎn)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(yīng)或氬氣流攪拌鋼液，可進(jìn)行長時間的精煉操作，多用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼和各類高合金鋼。這類設(shè)備還可做鋼液保持爐，用于多爐聯(lián)合生產(chǎn)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(yīng)充分考慮到產(chǎn)品質(zhì)量要求，生產(chǎn)廠原材料條件以及原有設(shè)備狀況、生產(chǎn)操作水平和資金情況等進(jìn)行綜合分析研究，因地制宜地進(jìn)行選擇。