LF精煉工藝特點及生產(chǎn)實踐

魏 巍，李 虹

(石鋼京誠裝備技術(shù)有限公司，遼寧 營口115000)

LF精煉是轉(zhuǎn)爐煉鋼與連鑄工藝之間的過渡環(huán)節(jié)，既要滿足轉(zhuǎn)爐煉鋼的快節(jié)奏，又要為連鑄提供合格的鋼液。LF精煉能否在生產(chǎn)節(jié)奏要求時間內(nèi)使鋼水成分、溫度、潔凈度達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)要求，已成為煉鋼廠生產(chǎn)的限制環(huán)節(jié)［1］。因此在了解LF精煉工藝特點的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化其冶金功能，以滿足生產(chǎn)的要求。

1 LF精煉工藝的特點

1.1 石墨電極埋弧加熱

LF爐以石墨電極與鋼水之間產(chǎn)生的高溫電弧為熱源，對鋼水進(jìn)行加熱，升溫速度為4～5℃/min。加熱時將石墨電極插入泡沫渣層中，進(jìn)行埋弧操作，高溫電弧在渣層內(nèi)產(chǎn)生。泡沫渣對高溫電弧起到屏蔽作用，一方面減少了高溫電弧對鋼包的熱輻射，保護(hù)了爐襯;另一方面鋼水和爐渣可以有效的吸收電弧熱，提高了熱效率。

生產(chǎn)過程中，為了提高精煉渣的泡沫化性能，通常會加入一定數(shù)量的發(fā)泡劑，如SiC、碳粉、碳酸鹽等。其反應(yīng)式為:

在生產(chǎn)低硅、低碳鋼時，為了防止增硅、增碳會謹(jǐn)慎使用SiC和碳粉，而且過量使用SiC時，提高精煉渣泡沫化性能的作用不大。

精煉渣的黏度會影響其泡沫化性能，黏度適當(dāng)時可以使?fàn)t渣的泡沫化維持較長時間。生產(chǎn)中一般采用CaO－Al2O3－SiO2渣系。精煉渣中加入一定量的CaF2可以降低精煉渣的熔化溫度，提高爐渣的發(fā)泡性能。(CaF2)=8%時爐渣的泡沫化效果最好，當(dāng)CaF2加入量過高時精煉渣的黏度降低，不利于泡沫渣的穩(wěn)定和維持，而且CaF2過高會加劇對鋼包耐火材料的侵蝕。LF精煉中CaF2的用量一般不會超過6%，或者不使用。在CaO－SiO2－Al2O3渣系中加入一定量的MgO可以降低精煉渣的熔點，但MgO加入量過高會明顯降低爐渣的發(fā)泡性能，也會對鋼包耐火材料造成侵蝕，MgO的加入量一般為7%～9%。

1.2 高堿度合成精煉渣

生產(chǎn)中要求LF精煉渣為高堿度、高還原性、低熔點的“白渣”，此外還要有良好的流動性、合適的擴(kuò)散系數(shù)和表面張力等理化性能。爐渣的化學(xué)成分會影響LF的精煉效果，一般采用CaOAl2O3－SiO2渣系，當(dāng)堿度R=(CaO)+(MgO)/(SiO2)=4，渣量為鋼水量的0.5%～0.8%時，操作得當(dāng)脫硫率可達(dá)到50%～80%，鋼水中的硫可以脫到0.005%以下。理論上爐渣堿度越高，脫硫效果越好;但堿度過高，爐渣黏度將增大，流動性變差。實際生產(chǎn)中通常將SiO2降得很低，以提高爐渣堿度，通過調(diào)整爐渣中的Al2O3來改變爐渣的流動性，由于爐渣中Al2O3含量比較高，四元堿度并不高，爐渣的流動性也比較好，爐渣的熔點也比較低。LF精煉渣通常具有較高的還原性，渣中FeO含量很低，一般應(yīng)低于0.5%。一般精煉渣的成分如表1。

表1 精煉渣成分

1.3 底吹氬氣攪拌

在底吹氬氣過程中，鋼水內(nèi)溶解的N、H等氣體向氬氣泡擴(kuò)散，氬氣泡內(nèi)分壓增大，氬氣泡上浮膨脹至鋼渣界面，N、H等氣體隨著氬氣泡的逸出而排出鋼液。氬氣表面與非金屬夾雜物的界面張力小，夾雜物易被氬氣吸附并攜帶浮出鋼液。底吹氬氣前鋼包內(nèi)上、中、下部鋼液存在溫度梯度，成分也存在差異，通過底吹氬氣攪拌，可以均勻鋼液溫度及成分。吹氬攪拌可加速鋼中氧化物的還原，對回收鉻、鉬、鎢等有價值的合金元素有利［2］。此外吹氬攪拌還可以加速鋼渣之間的物質(zhì)傳遞，為鋼渣間的化學(xué)反應(yīng)提供良好的動力學(xué)條件。

1.4 爐內(nèi)還原性氣氛

LF爐本身不具備真空系統(tǒng)，在大氣壓下進(jìn)行精煉時，鋼包上的水冷法蘭盤、水冷爐蓋及密封橡膠圈可以起到隔離空氣的作用，隔離了氧化性氣氛。爐內(nèi)的高堿度還原渣以及加熱時石墨電極與渣中的氧化物(FeO、MnO、Cr2O3)反應(yīng)生成的CO氣體，增加了爐氣的還原性。石墨電極與鋼包中的氧氣反應(yīng)生成CO氣體，使?fàn)t內(nèi)氣氛中氧含量為0.5%。

2 LF精煉的功能及原理

LF精煉工藝的主要功能為脫氧、脫硫、去除夾雜物，以達(dá)到凈化鋼液的目的。此外還可以升溫、調(diào)整化學(xué)成分、均勻鋼液溫度。下面對其主要功能及原理進(jìn)行分析。

2.1 脫氧

LF精煉過程一方面要用脫氧劑最大限度的降低鋼液中的溶解氧，同時進(jìn)一步減少渣中不穩(wěn)定氧化物(如FeO、MnO等)的含量;另一方面要采取措施使脫氧產(chǎn)物上浮去除，其實質(zhì)是去除鋼液中夾雜氧化物的問題。

2.1.1 脫氧原理

LF精煉的主要脫氧方式為擴(kuò)散脫氧，由于精煉渣為高堿度、高還原性的“白渣”，其(FeO)的含量很低，因此鋼液中的［O］和［FeO］不斷的向渣中擴(kuò)散。在爐渣(FeO)含量低于0.5%，“白渣”保持大于15min的冶煉情況下，可以將鋼液中的氧含量降至20ppm左右。LF精煉對脫氧劑有嚴(yán)格的要求，常用的脫氧劑包括鋁線、鈣線、硅鐵、錳鐵、電石、碳粉和金屬鎂等。其反應(yīng)如下:

2.1.2 脫氧劑的選擇

金屬鎂的脫氧能力很強(qiáng)，但由于易氣化燒損，因此利用率很低。碳粉的脫氧能力很低，大氣壓下脫氧速度慢，不能滿足快節(jié)奏的生產(chǎn)要求，實際生產(chǎn)中加入碳粉的主要目的為增碳。電石的脫氧能力較強(qiáng)，脫氧產(chǎn)物既不會再在鋼液中形成夾雜，也不會增碳，但是電石加多了容易造成“電石渣”。

硅的脫氧能力介于碳和鋁之間，脫氧能力隨著溫度的降低而增強(qiáng)，但其脫氧產(chǎn)物SiO2降低了精煉渣的堿度，而且不適用于低硅鋼和低氧鋼的生產(chǎn)。錳的脫氧能力不強(qiáng)，但錳卻是應(yīng)用最廣泛的脫氧元素。錳的脫氧產(chǎn)物可以與其它酸性氧化物(如SiO2、Al2O3)結(jié)合形成復(fù)雜的化合物，減小了MnO、SiO2、Al2O3的活度，從而使鋁、硅、錳的脫氧能力得到了提高。

鋁的脫氧能力強(qiáng)，脫氧速度快，是廣泛使用的脫氧劑。鋁的脫氧產(chǎn)物是Al2O3，熔點高(2303℃)、在鋼液中呈固態(tài)、細(xì)小(≤50μm)、表面張力小，且相互間難以絮凝。Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高會對鋼液造成嚴(yán)重的污染，如不能及時排除，在澆注過程中會粘附在鋼包水口、塞棒或浸入式水口等鋁質(zhì)耐火材料上，造成結(jié)瘤現(xiàn)象，輕則形成非穩(wěn)態(tài)澆注，重則發(fā)生斷澆事故［3］。

鈣的脫氧能力極強(qiáng)，但因為金屬鈣的沸點很低(1491℃)，在精煉溫度下很難溶解在鋼液中，鋼液中存在硅、碳、鋁等條件下，可以大大提高鈣在鋼液中的溶解度。Ca和Al的相互作用可以使脫氧能力得到提高，Ca的存在增大了Al的脫氧能力，在達(dá)到相同脫氧效果時減少了Al的消耗，同時Al也減少了Ca的揮發(fā)損失。

研究表明:鋁脫氧產(chǎn)物的數(shù)量和形狀是造成連鑄中間包水口堵塞的主要原因。加入適量的金屬鈣可以有效地控制鋼液中的氧硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以及氧化物硫化物的組成，既可以達(dá)到減少非金屬夾雜物的含量，又可以改變非金屬夾雜物的性質(zhì)和形狀，從而改善了鋼液的質(zhì)量，保證了生產(chǎn)的正常運轉(zhuǎn)。Ca的加入量必須根據(jù)鋼液中Al的含量來控制，否則會生成CA6、CA2、CA、C3A，這些物質(zhì)的熔點均超過1 539℃，在澆注過程中不但容易產(chǎn)生水口結(jié)瘤，而且不易上浮除去;理想的生產(chǎn)物是C12A7，其熔點為1 345℃左右，形狀為球形，表面張力小，容易吸附其它夾雜物并聚集上浮，在澆注過程中不易產(chǎn)生水口結(jié)瘤，即使少量殘留在鋼中，由于其球形，軋制后對鋼性能的影響較小。

2.2 脫硫

脫硫必須先脫氧，當(dāng)生產(chǎn)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低的鋼種時，必須通過LF精煉工藝來完成，由于LF精煉爐內(nèi)完全是還原性氣氛，可以把氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制的很低，使深脫硫成為可能。

LF精煉工藝可以造高堿度，低FeO并具有適宜溫度的爐渣，為脫硫提供了良好的熱力學(xué)條件;鋼包底吹氬氣攪拌，促進(jìn)了鋼渣之間的接觸混合，加速了硫在爐渣中的擴(kuò)散，為脫硫提供了良好的動力學(xué)條件。

2.2.1 脫硫原理

LF精煉過程中，通過鋼液中的硫與精煉渣中的CaO反應(yīng)生成CaS而達(dá)到脫硫的目的。脫硫反應(yīng)式為:

反應(yīng)的平衡常數(shù)為

硫的分配系數(shù)為

2.2.2 脫硫的影響因素

精煉渣的成分對硫的分配系數(shù)造成很大的影響。爐渣中(CaO)/(FeO)的比值增加時，硫的分配系數(shù)變大，但隨著堿度的升高，爐渣的黏度增大，流動性變差，反而影響脫硫效果。生產(chǎn)中爐渣堿度控制在4～5為宜，一般不超過6。

其它條件相同時，增大渣量可以提高脫硫率。但渣量過大，會影響反應(yīng)速度。生產(chǎn)中渣量一般控制在0.5%～0.8%之間，國內(nèi)某鋼廠實踐認(rèn)為，為了強(qiáng)化脫硫效果，渣量可控制在1.0%～1.5%之間。

爐渣中FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)會影響硫的分配系數(shù)，當(dāng)爐渣(FeO)＜0.5%時，脫硫率在50%以上。造渣時加入適當(dāng)?shù)拿撗鮿３譅t渣的還原性，可以降低爐渣中FeO的含量，對脫氧、脫硫都極為有利［4］。

當(dāng)MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高時，可以起到與CaO類似的脫硫作用;當(dāng)堿度不變，增加渣中MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)時，脫硫效果變差。隨著渣中MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，爐渣的流動性變差，硫在渣中的擴(kuò)散速度減慢，影響脫硫反應(yīng)速度［5］。爐渣中的MgO主要來源于爐料和爐襯的侵蝕，在提高爐襯質(zhì)量的同時，切忌造渣過稀、溫度過高。生產(chǎn)中爐渣MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在7%～9%。

爐渣的流動性也會對脫硫效果造成影響，加入適量的CaF2可以降低精煉渣的黏度，改善流動性，提高硫的分配系數(shù)，但CaF2會加劇對鋼包爐襯的侵蝕。

2.3 去除夾雜物

LF精煉工藝的主要功能之一為去除鋼液中的夾雜物，特別是鋁的脫氧產(chǎn)物Al2O3。為了去除夾雜物，一方面嚴(yán)格執(zhí)行鋼包底吹氬氣工藝，創(chuàng)造良好的鋼液循環(huán)狀態(tài)，促進(jìn)鋼中夾雜物(Al2O3)上浮;另一方面運用好頂渣改質(zhì)工藝，使?fàn)t渣具有較強(qiáng)的吸附上浮夾雜物(Al2O3)的能力。

為了提高吸附夾雜物的能力，爐渣必須具有合適的黏度、良好的流動性、較高的堿度以及一定的化學(xué)成分組成。爐渣的黏度小，難以捕捉夾雜物;爐渣的黏度大，會對流動性造成影響。對于夾雜物(Al2O3)而言，酸性渣和中性渣不具備吸附夾雜物的能力，普通的堿性渣也很難吸附Al2O3夾雜物，只有含Al2O320%以上的高堿性渣，通過同化作用，才具有較強(qiáng)的吸附Al2O3夾雜物的能力。如果不對精煉渣進(jìn)行改質(zhì)，吹氬后夾雜物上浮，爐渣不具備吸附夾雜物的能力，夾雜物將在鋼包內(nèi)循環(huán)，無法達(dá)到去除夾雜物凈化鋼液的目的。

3 LF精煉爐實踐生產(chǎn)效果

3.1 120tLF精煉爐主要技術(shù)參數(shù)

LF精煉爐采用雙吊包工位布置，設(shè)兩臺鋼包臺車，一個加熱工位，兩個吊包工位分別置于加熱工位的兩側(cè)，與加熱工位呈“一字型”排列。LF精煉爐的主要技術(shù)參數(shù)如表2。

3.2 120tLF精煉爐生產(chǎn)效果

以生產(chǎn)37Mn5為例，分析實際生產(chǎn)中LF的精煉效果。37Mn5的生產(chǎn)工藝為BOF－LF－VDCC，液相線溫度為1 498℃，成分要求如表3。

轉(zhuǎn)爐出鋼后，將鋼包運至鋼包臺車工位，底吹氬氣攪拌，以0.4～0.8kg/t鋼喂鋁線，進(jìn)行脫氧;運至加熱工位，降下石墨電極和爐蓋，給電加熱，并加入白灰和碳化硅造“白渣”，“白渣”保持時間超過15分鐘;加入合金，對鋼液成分進(jìn)行調(diào)整;加入發(fā)泡劑，保持精煉渣泡沫化性能;斷電并運出加熱工位，喂鋁線，鈣處理，軟吹，鋼液成分及溫度達(dá)到工藝要求后，完成LF精煉吊包運走。

表2 LF精煉的主要技術(shù)參數(shù)

隨機(jī)抽取LF精煉過程中4爐鋼樣及4爐精煉渣，鋼樣抽檢結(jié)果如表4。

表3 37Mn5成分

表4 抽檢鋼樣結(jié)果

精煉渣抽檢結(jié)果如表5。

表5 抽檢精煉渣結(jié)果

LF精煉工藝不僅可以得到很好的脫硫率，而且可以對氧化物夾雜(Al2O3)起到很好的去除效果。以抽取的第1爐為例，對比精煉過程中S含量和Al含量的變化情況如圖1。

隨著LF精煉的進(jìn)行，S含量和Al含量都明顯降低，LF精煉可實現(xiàn)良好的脫硫效果，脫硫率可達(dá)到70%左右，同時也可以完成很好地去除氧化物夾雜(Al2O3)的目的。

圖1 LF精煉過程中S含量和Al含量的變化情況

4 結(jié)語

(1)LF精煉工藝可以得到很好的脫硫率，在初煉鋼液硫含量低、操作得當(dāng)?shù)那闆r下，脫硫率可達(dá)到70%左右。

(2)保持LF精煉爐內(nèi)良好的還原性氣氛，可以達(dá)到良好的脫氧效果。

(3)在底吹氬氣攪拌、精煉渣性能良好、操作得當(dāng)?shù)那闆r下，LF精煉工藝可以實現(xiàn)去除夾雜物、凈化鋼液的目的。

(4)理想的LF精煉渣的成分為:CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%～55%，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～25%，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～10%，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%～9%，F(xiàn)eO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為≤0.5%。

［1］喬興武.轉(zhuǎn)爐鋼的LF精煉［J］.河北冶金，2001(4):7.

［2］黃希估.鋼鐵冶金原理［M］.冶金工業(yè)出版社.1989.

［3］郝帥.LF精煉爐夾雜物行為的模擬研究［D］.內(nèi)蒙古科技大學(xué).2010.

［4］趙保國，毛福來.LF精煉造渣工藝研究［J］.包鋼科技，2003，29:25.

［5］吳鏗，梁志剛，張二華，李洪民.LF精煉過程中硫分配比和脫硫動力學(xué)方程研究［J］.金屬學(xué)報，2001，37(10):1070.