引言
随着现代科学技术的发展和工农业对钢材质量要求的提高,钢厂普遍采用了炉外精炼工艺流程,它已成为现代炼钢工艺中不可缺少的重要环节。由于这种技术可以提高炼钢设备的生产能力,改善钢材质量,降低能耗,减少耐材、能源和铁合金消耗,因此,炉外精炼技术已成为当今世界钢铁冶金发展的方向。对于炉外精炼技术存在的问题及发展方向有必要进行探讨。
1 国内外炉外精炼技术的发展历程和现状
随着炼钢技术的不断进步,炉外精炼在现代钢铁生产中已经占有重要地位,传统的生产流程(高炉→炼钢炉(电炉或转炉)→铸锭),已逐步被新的流程(高炉→铁水预处理→炼钢炉→炉外精炼→连铸)所代替。已成为国内外大型钢铁企业生产的主要工艺流程,尤其在特殊钢领域,精炼和连铸技术发展得日趋成熟。精炼工序在整个流程中起到至关重要的作用,一方面通过这道工序可以提高钢的纯净度、去除有害夹杂、进行微合金化和夹杂物变性处理;另一方面,精炼又是一个缓冲环节,有利于连铸生产均衡地进行。
日本在20世纪70年代为了降低炼钢成本,提高钢的纯净度和质量,率先将炉外精炼技术应用于特殊钢生产中,随后西欧的钢铁企业也加入到推广和使用这项技术的行列中。据资料报道,日本早在1985年精炼率达到65.9%,1989年上升到73.4%,特殊钢的精炼率达到94%,新建电炉短流程钢厂100%采用炉外精炼技术。80年代连铸技术发展迅速,原有的炼钢炉难以满足连铸的技术要求,更加促进了炉外精炼技术的发展,到1990年为止世界各主要工业国家拥有1000多台(套)炉外精炼设备。
我国早在20世纪50年代末,60年代中期就在炼钢生产中采用高碱度合成渣在出钢过程中脱硫冶炼轴承钢、钢包静态脱气等初步精炼技术,但没有精炼的装备。60年代中期至70年代有些特钢企业(大冶、武钢等)引进一批真空精炼设备。80年代我国自行研制开发的精炼设备逐渐投入使用(如LF炉、喷粉、搅拌设备),黑龙江省冶金研究所等单位联合研制开发了喂线机、包芯线机和合金芯线,完善了炉外精炼技术的辅助技术。现在这项技术已经非常成熟,以炉外精炼技术为核心的“三位一体”短流程工艺广泛应用于国内各钢铁企业,取得了很好的效果。初炼(电炉或转炉)→精炼→连铸,成了现代化典型的工艺短流程。
2 炉外精炼技术的特点与功能
炉外精炼是指在钢包中进行冶炼的过程,是将真空处理、吹氩搅拌、加热控温、喂线喷粉、微合金化等技术以不同形式组合起来,出钢前尽量除去氧化渣,在钢包内重新造还原渣,保持包内还原性气氛。炉外精炼的目的是降低钢中的C、P、S、O、H、N、等元素在钢中的含量,以免产生偏析、白点、大颗粒夹杂物,降低钢的抗拉强度、韧性、疲劳强度、抗裂性等性能。这些工作只有在精炼炉上进行,其特点与功能如下:
1)可以改变冶金反应条件。炼钢中脱氧、脱碳、脱气的反应产物为气体,精炼可以在真空条件下进行,有利于反应的正向进行,通常工作压力≥50Pa,适于对钢液脱气。
2)可以加快熔池的传质速度。液相传质速度决定冶金反应速度的快慢,精炼过程采用多种搅拌形式(气体搅拌、电磁搅拌、机械搅拌)使系统内的熔体产生流动,加速熔体内传热、传质的过程,达到混合均匀的目的。
3)可以增大渣钢反应的面积。各种精炼设备均有搅拌装置,搅拌过程中可以使钢渣乳化,合金、钢渣随气泡上浮过程中发生熔化、熔解、聚合反应,通常1吨钢液的渣钢反应面积为0.8～1.3mm2,当渣量为原来的6%时,钢渣乳化后形成半径为0.3mm的渣滴,反应界面会增大1000倍。微合金化、变性处理就是利用这个原理提高精炼效果。
4)可以在电炉(转炉)和连铸之间起到缓冲作用,精炼炉具有灵活性,使作业时间、温度控制较为协调,与连铸形成更加通畅的生产流程。
3 炉外精炼技术在生产中的应用目前得到公认并被广泛应用的炉外精炼方法有:LF法、RH法、VOD法。
3.1 LF法(钢包精炼炉法)
它是1971年由日本大同钢公司发明的,用电弧加热,包底吹氩搅拌。
3.1.1 工艺优点
1)电弧加热热效率高,升温幅度大,控温准确度可达±5℃;
2)具备搅拌和合金化的功能,吹氩搅拌易于实现窄范围合金成份控制,提高产品的稳定性;
3)设备投资少,精炼成本低,适合生产超低硫钢、超低氧钢。
3.1.2 LF法的生产工艺要点
1)加热与控温LF采用电弧加热,热效率高,钢水平均升温1℃耗电0.5～0.8kW·h,LF升温速度决定于供电比功率(kVA/t),而供电的比功率又决定于钢包耐火材料的熔损指数。因采用埋弧泡沫渣技术,可减少电弧的热辐射损失,提高热效率10%～15%,终点温度的精确度≤±5℃。
2)采用白渣精炼工艺。下渣量控制在≤5kg/t,一般采用Al2O3-CaO-SiO2系炉渣,包渣碱度R≥3,以避免炉渣再氧化。吹氩搅拌时避免钢液裸露。
3)合金微调与窄成份范围控制。据试验报道,使用合金芯线技术可提高金属回收率,齿轮钢中钛的回收率平均达到87.9%,硼的回收率达64.3%,钢包喂碳线回收率高达90%,ZG30CrMnMoRE喂稀土线稀土回收率达到68%,高的回收率可实现窄成份控制。
3.1.3 LF法在生产实践中的应用
2000年6月,鞍钢第一炼钢厂新建的连铸车间正式投产,精炼设备由两座LF钢包精炼炉,年处理钢水200万t;一座VD钢水真空处理装置,年处理钢水80万t组成。LF炉最大升温速度为4℃,LF炉平均处理周期≤28min;处理效果:平均[H]≤0.0002%;最低[H]≤0.0001%。
我国现有家重轨生产厂(攀钢、包钢、鞍钢和武钢)生产典型的工艺路线如下:LD→LF→VD→WF→CC,钢包吊到LF处理线的钢包车上后,由人工接通钢包底吹氩的快速接头,根据要求的钢水成分及温度确定物料的投入量(含喂丝)重轨钢含碳量较高,因而增碳显得很重要,转炉出钢时钢水含碳量控制为0.2%～0.3%(wt),炉后增碳至0.60%～0.65%(wt),在LF炉处理时再增0.10%～0.15%(wt)个碳至标准成份的中上限,经VD处理后即可达到钢种成分要求。
3.2 RH法(真空循环脱气法)这种方法是1958年西德发明的,其基本原理是利用气泡将钢水不断的提升到真空室内进行脱气、脱碳,然后回流到钢包中。
3.2.1 RH法的优点
1)反应速度快。真空脱气周期短,一般10分钟可以完成脱气操作,5分种能完成合金化及温度均匀化,可与转炉配合使用。
2)反应效率高。钢水直接在真空室内反应,钢中可达到[H]≤1.0×10-6,[N]≤25×10-6,[C]≤10×10-6,的超纯净钢。
3)可进行吹氧脱碳和二次燃烧热补偿,减少精炼过程的温降。
3.2.2 RH法工艺参数
1)RH循环量。循环量是指单位时间内通过上升管或下降管的钢水量,单位是t/min。有关资料给出的计算公式为: Q=0.002×Du1.5·G0.33,式中:Q———循环流量,t/min;Du———上升管直径,cm;G———上升管内氩气流量,L/min。
2)循环因数。他是指在RH处理过程中通过真空室的钢水与处理量之比,其公式为:μ=w·t/v式中:μ———循环因数,次;w———循环量,t/min;t———循环时间,min;v———钢包容量,t。
3)供氧强度与含碳量的关系。向RH内吹氧可以提高脱碳速度,即RH-OB法。当[C]/[O]>0.66时钢包内氧的传质速度决定脱碳速度,其计算公式为:
QO2=27.3×Q·[C]式中:QO2———氧气强度,Nm3/min;Q———钢水循环量,t/min;[C]———含碳量,Nm3/t。
3.2.3 RH法在生产实践中的应用
日本的山阳钢厂将LF与RH配合生产轴承钢形成EF-LF-RH-CC轴承钢生产线,钢中总氧量达到5.8×10-6。LF-RH法首先利用LF炉将钢水升温,利用LF搅拌和渣精炼功能进行还原精炼,是钢水脱硫和预脱氧,然后将钢水送入RH中进行脱氢和二次脱氧。经过这样处理大大的提高了钢水的清洁度,同时钢水的温度达到连铸需要的温度。
宝钢炉外精炼设备有RH-OB、钢包喷粉装置、CAS精炼装置,RH-OB的冶炼效果较理想,脱氢率为50%～70%,脱氮率为20%～40%,一般情况下,经RH-OB处理后[H]≤2.5×10-6,[C]≤30×10-6,去除钢中非金属夹杂物一般能达到70%,钢中总氧量≤25×10-6,而且在RH中合金处理可以提高合金的收得率和控制的精确度,[C]、[Si]、[Mn]的控制精度能达到±0.01%,铝的精确度可达到1.5×10-3,取得了较好的炉外精炼效果。
3.3 VOD法(真空罐内钢包吹氧除气法)
3.3.1 VOD的特点VOD法是1965年西德首先开发应用的,它是将钢包放入真空罐内从顶部的氧枪向钢包内吹氧脱碳,同时从钢包底部向上吹氩搅拌。此方法适合生产超低碳不锈钢,达到保铬去碳的目的,可与转炉配合使用。他的优点是实现了低碳不锈钢冶炼的必要的热力学和动力学的条件-高温、真空、搅拌。
3.3.2 VOD法在生产实践中的应用
20世纪90年代初,上海大隆铸锻厂从德国莱宝(leybold)公司进口1台15tVODC的关键设备和技术软件。采用电炉初炼钢水经VODC炉外精炼的工艺方法,精炼了超低碳不锈钢、中低合金钢和碳钢,取得了很好的冶金效果,钢中非金属夹杂物减少,氢含量小于3×10-6氧含量小于6.5×10-6,不锈钢中铬回收率达98%～99%,精炼后的钢具有十分优越的性能。VODC精炼工艺成熟,控制容易,适应中小型钢厂和铸钢厂的多钢种、小吨位精炼生产需要,对发展铸钢行业的精炼生产会起到很大积极作用,具有广阔的发展前景10。
抚顺特殊钢有限公司有30tVOD炉,采用EAF+VOD技术精炼不锈钢,可使[H]≤2.58×10-6,T[O]≤41.9×10-6,铬回收率达到99.5%,脱硫率64.2%,精炼高碳铬轴承钢T[O]≤12.13×10-6 。
4 发展炉外精炼技术需解决的问题及发展方向炉外精炼技术已经应用40年,对提高钢的纯净度、精确控制成分含量及细化组织结构等方面都起了重要作用,使冶炼成本大幅降低,同时提高了钢的品质和性能。但在发展的过程中也出现了一些问题,有待于解决,使这项技术更加完美。
1)实现炉外精炼工艺的智能化控制,根据来料钢水的各种技术参数,利用信息技术,制定最佳的精炼工艺方案,并通过计算机控制各精炼工序。精炼工位配备快速分析设备,实现数据网络化,减少热停等待时间。
2)炉外处理设备将实现“多功能化”。在水钢精炼设备中将渣洗精炼、真空冶金、搅拌工艺以及加热控温功能全部组合起来,实现精炼,以满足超纯净钢生产的社会需求。
3)开发高纯度、高密度、高强度的优质碱性耐火材料,以适应不同精炼炉的需要,注重产品质量的稳定性。耐火材料的使用条件应尽可能与炉渣相适应,最大限度地降低侵蚀速度。要根据精炼设备的实际情况形成不同层次的配套材料,研究开发保温和修补技术,提高炉衬的使用寿命。
4)减少精炼过程的污染排放,精炼过程会产生大量废气,其中含SO2、Pb、金属氧化物、悬浮颗粒等,在真空脱气冷却水中含有固态悬浮物、Pb、Zn等,这些污染物须经企业内部的相关处理,把污染程度降低到符合排放标准后再排放,加强环境保护意识。
5 结束语
炉外精炼技术是一项提高产品质量,降低生产成本的先进技术,是现代化炼钢工艺不可缺少的重要环节,具有化学成分及温度的精确控制、夹杂物排除、顶渣还原脱S、Ca处理、夹杂物形态控制、去除H、O、C、S等杂质、真空脱气等冶金功能。只有强化每项功能的作用,才能发挥炉外精炼的优势,生产出高品质纯净钢种。
所谓转炉炼钢，就是将铁水、废钢等炼成具有所要求化学成分的钢，并使其具有一定的物理化学性能和力学性能。目前转炉炼钢是世界上最主要的炼钢生产方法
(a)筒球形;(b)锥球形;(c)截锥形
转炉的形状主要有筒球型、锥球型和截锥型，
转炉炼钢
(1)筒球型：熔池形状由一个球缺体和一个圆筒体组成。它的优点是炉型形状简单，砌筑方便，炉壳制造容易。熔池内型比较接近金属液循环流动的轨迹，在熔池直径足够大时，能保证在较大的供氧强度下吹炼而喷溅最小，也能保证有足够的熔池深度，使炉衬有较高的寿命。大型转炉多采用这种炉型。
(2)锥球型：熔池由一个锥台体和一个球缺体组成。这种炉型与同容量的筒球型转炉相比，若熔池深度相同则熔池面积比筒球型大，有利于冶金反应的进行。同时，随着炉衬的侵蚀熔池变化较小，对炼钢操作有利。欧洲生铁含磷量相对偏高的国家，较多采用此种炉型。我国2080吨的转炉多采用锥球型，对筒球型与锥球型的适用性，看法尚不一致。有人认为锥球型适用于大转炉(奥地利)，有人却认为适用于小转炉(苏联)。但世界上已有的大型转炉多采用筒球型。
(3)截锥型：熔池为上大下小的圆锥台。其特点是构造简单且平底熔池便于修砌。这种炉型基本上能满足炼钢反应的要求，适用于小型转炉。我国30吨以下的转炉多用这种炉型。国外转炉容量普遍较大，故极少采用此种形式。
1.目前大规模炼钢根据能源使用不同分为：转炉炼钢、电炉炼钢两种，炼钢工艺流程有两种。
2. 转炉炼钢工艺流程：铁水——>氧气转炉——>初炼钢水——>炉外精炼——>精炼钢水——>连铸机（模铸）——>铸坯（铸锭）。
3. 电炉炼钢工艺流程：废钢——>电弧炉——>初炼钢水——>炉外精炼——>精炼钢水——>连铸机（模铸）——>铸坯（铸锭）。
炼钢利用转炉内的氧化性环境将铁水中过量的碳氧化成一氧化碳和二氧化碳，达到钢水要求的碳含量。当然在炼钢厂房内一般来说还要有转炉之前的铁水脱硫预处理，转炉出钢后的钢水精炼（LF或LF+RH或LF+VD，VOD等），完成精炼后用行车调运至连铸机的大包回转台，进行连铸浇铸的工序环节，为后续的轧钢厂提供钢坯原料。
整个联合钢铁厂的工艺流程为：原料码头（各种原料集中卸载存放区域）——烧结（矿石造块或造球团）——高炉（炼铁）——炼钢（铁水预处理-转炉或电炉-精炼-连铸）-轧钢
炼钢工艺过程
造渣：调整钢、铁生产中熔渣成分、碱度和粘度及其反应能力的操作。目的是通过渣——金属反应炼出具有所要求成分和温度的金属。例如氧气顶吹转炉造渣和吹氧操作是为了生成有足够流动性和碱度的熔渣，以便把硫、磷降到计划钢种的上限以下，并使吹氧时喷溅和溢渣的量减至最小。
出渣：电弧炉炼钢时根据不同冶炼条件和目的在冶炼过程中所采取的放渣或扒渣操作。如用单渣法冶炼时，氧化末期须扒氧化渣；用双渣法造还原渣时，原来的氧化渣必须彻底放出，以防回磷等。
熔池搅拌：向金属熔池供应能量，使金属液和熔渣产生运动，以改善冶金反应的动力学条件。熔池搅拌可藉助于气体、机械、电磁感应等方法来实现。
电炉底吹：通过置于炉底的喷嘴将N2、Ar、CO2、CO、CH4、O2等气体根据工艺要求吹入炉内熔池以达到加速熔化，促进冶金反应过程的目的。采用底吹工艺可缩短冶炼时间，降低电耗，改善脱磷、脱硫操作，提高钢中残锰量，提高金属和合金收得率。并能使钢水成分、温度更均匀，从而改善钢质量，降低成本，提高生产率。
熔化期：炼钢的熔化期主要是对平炉和电炉炼钢而言。电弧炉炼钢从通电开始到炉料全部熔清为止、平炉炼钢从兑完铁水到炉料全部化完为止都称熔化期。熔化期的任务是尽快将炉料熔化及升温，并造好熔化期的炉渣。
氧化期和脱炭期：普通功率电弧炉炼钢的氧化期，通常指炉料溶清、取样分析到扒完氧化渣这一工艺阶段。也有认为是从吹氧或加矿脱碳开始的。氧化期的主要任务是氧化钢液中的碳、磷；去除气体及夹杂物；使钢液均匀加热升温。脱碳是氧化期的一项重要操作工艺。为了保证钢的纯净度，要求脱碳量大于0.2％左右。随着炉外精炼技术的发展，电弧炉的氧化精炼大多移到钢包或精炼炉中进行。
精炼期：炼钢过程通过造渣和其他方法把对钢的质量有害的一些元素和化合物，经化学反应选入气相或排、浮入渣中，使之从钢液中排除的工艺操作期。
还原期：普通功率电弧炉炼钢操作中，通常把氧化末期扒渣完毕到出钢这段时间称为还原期。其主要任务是造还原渣进行扩散、脱氧、脱硫、控制化学成分和调整温度。目前高功率和超功率电弧炉炼钢操作已取消还原期。
炉外精炼：将炼钢炉（转炉、电炉等）中初炼过的钢液移到另一个容器中进行精炼的炼钢过程，也叫二次冶金。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。将炼钢分两步进行的好处是：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。炉外精炼的种类很多，大致可分为常压下炉外精炼和真空下炉外精炼两类。按处理方式的不同，又可分为钢包处理型炉外精炼及钢包精炼型炉外精炼等。
钢液搅拌：炉外精炼过程中对钢液进行的搅拌。它使钢液成分和温度均匀化，并能促进冶金反应。多数冶金反应过程是相界面反应，反应物和生成物的扩散速度是这些反应的限制性环节。钢液在静止状态下，其冶金反应速度很慢，如电炉中静止的钢液脱硫需30～60分钟；而在炉精炼中采取搅拌钢液的办法脱硫只需3～5分钟。钢液在静止状态下，夹杂物*上浮除去，排除速度较慢；搅拌钢液时，夹杂物的除去速度按指数规律递增，并与搅拌强度、类型和夹杂物的特性、浓度有关。
钢包喂丝：通过喂丝机向钢包内喂入用铁皮包裹的脱氧、脱硫及微调成分的粉剂，如Ca-Si粉、或直接喂入铝线、碳线等对钢水进行深脱硫、钙处理以及微调钢中碳和铝等成分的方法。它还具有清洁钢水、改善非金属夹杂物形态的功能。
钢包处理：钢包处理型炉外精炼的简称。其特点是精炼时间短（约10～30分钟），精炼任务单一，没有补偿钢水温度降低的加热装置，工艺操作简单，设备投资少。它有钢水脱气、脱硫、成分控制和改变夹杂物形态等装置。如真空循环脱气法（RH、DH），钢包真空吹氩法（Gazid），钢包喷粉处理法（IJ、TN、SL）等均属此类。
钢包精炼：钢包精炼型炉外精炼的简称。其特点是比钢包处理的精炼时间长（约60～180分钟），具有多种精炼功能，有补偿钢水温度降低的加热装置，适于各类高合金钢和特殊性能钢种（如超纯钢种）的精炼。真空吹氧脱碳法（VOD）、真空电弧加热脱气法（VAD）、钢包精炼法（ASEA-SKF）、封闭式吹氩成分微调法（CAS）等，均属此类；与此类似的还有氩氧脱碳法（AOD）。
惰性气体处理：向钢液中吹入惰性气体，这种气体本身不参与冶金反应，但从钢水中上升的每个小气泡都相当于一个“小真空室”（气泡中H2、N2、CO的分压接近于零），具有“气洗”作用。炉外精炼法生产不锈钢的原理，就是应用不同的CO分压下碳铬和温度之间的平衡关系。用惰性气体加氧进行精炼脱碳，可以降低碳氧反应中CO分压，在较低温度的条件下，碳含量降低而铬不被氧化。
预合金化：向钢液加入一种或几种合金元素，使其达到成品钢成分规格要求的操作过程称为合金化。多数情况下脱氧和合金化是同时进行的，加入钢中的脱氧剂一部分消耗于钢的脱氧，转化为脱氧产物排出；另一部则为钢水所吸收，起合金化作用。在脱氧操作未全部完成前，与脱氧剂同时加入的合金被钢水吸收所起到的合金化作用称为预合金化。
成分控制：保证成品钢成分全部符合标准要求的操作。成分控制贯穿于从配料到出钢的各个环节，但重点是合金化时对合金元素成分的控制。对优质钢往往要求把成分精确地控制在一个狭窄的范围内；一般在不影响钢性能的前提下，按中、下限控制。
增硅：吹炼终点时，钢液中含硅量极低。为达到各钢号对硅含量的要求，必须以合金料形式加入一定量的硅。它除了用作脱氧剂消耗部分外，还使钢液中的硅增加。增硅量要经过准确计算，不可超过吹炼钢种所允许的范围。
终点控制：氧气转炉炼钢吹炼终点（吹氧结束）时使金属的化学成分和温度同时达到计划钢种出钢要求而进行的控制。终点控制有增碳法和拉碳法两种方法。
出钢：钢液的温度和成分达到所炼钢种的规定要求时将钢水放出的操作。出钢时要注意防止熔渣流入钢包。用于调整钢水温度、成分和脱氧用的添加剂在出钢过程中加入钢包或出钢流中。
炼钢的具体工艺流程是：
①原料码头（各种原料集中卸载存放区域）；
②烧结（矿石造块或造球团）；
③高炉（炼铁）；
④炼钢（铁水预处理-转炉或电炉-精炼-连铸）；
⑤轧钢。
炼钢指的是将铁水冶炼成钢水，炼钢利用转炉内的氧化性环境将铁水中过量的碳氧化成一氧化碳和二氧化碳，达到钢水要求的碳含量。
在炼钢厂房内一般来说还要有转炉之前的铁水脱硫预处理，转炉出钢后的钢水精炼（LF或LF+RH或LF+VD，VOD等），完成精炼后用行车调运至连铸机的大包回转台，进行连铸浇铸的工序环节，为后续的轧钢厂提供钢坯原料。
