爐外精煉技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

李家通

（江蘇 南鋼 210035）

爐外精煉技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

李家通

（江蘇 南鋼 210035）

摘要：爐外精煉技術(shù)是目前煉鋼流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其在提高煉鋼質(zhì)量與產(chǎn)量方面發(fā)揮著重要作用。鑒于此，本文將詳細(xì)論述爐外精煉技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)，希望能對(duì)相關(guān)研究有所豐富和補(bǔ)充。

爐外精煉技術(shù)；煉鋼質(zhì)量；冶金

隨著連鑄技術(shù)以及純凈鋼生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，爐外精煉技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，并取得了顯著效果。

一、爐外精煉的冶金特點(diǎn)

整體上，爐外精煉適合冶煉超純凈鋼、類純凈鋼，具有精煉、高效等優(yōu)勢(shì)，能有效改善化學(xué)熱力反應(yīng)條件、增快熔傳質(zhì)速度、增加渣鋼反應(yīng)面積、精確各種反應(yīng)條件，并通過(guò)智能化實(shí)時(shí)控制，全面提升設(shè)備質(zhì)量。具體特點(diǎn)如下：

（1）可增大渣鋼反應(yīng)面積：每一種精煉設(shè)備都帶有攪拌裝置，通過(guò)攪拌作用將鋼渣乳化，合金和鋼渣被氣泡帶動(dòng)向上浮起的同時(shí)發(fā)生熔化、聚合反應(yīng)。一般情況下，平均每1噸鋼液其渣鋼反應(yīng)面積在0.8m2～1.3m2之間，而當(dāng)渣量變?yōu)樵康?%時(shí)，其中的鋼渣乳化后會(huì)形成半徑僅為0.3mm的圓珠型渣滴，進(jìn)而整體反應(yīng)界面會(huì)增大到原來(lái)的1000倍。

（2）能夠改變冶金反應(yīng)條件：煉鋼過(guò)程中經(jīng)脫氧和脫碳后的反應(yīng)產(chǎn)物是氣體，就化學(xué)平衡上來(lái)講，生成物方面的平衡系數(shù)大于反應(yīng)物方面，因此可利用降低反應(yīng)環(huán)境的氣相氣壓來(lái)促進(jìn)平衡反應(yīng)進(jìn)行。根據(jù)這個(gè)原理，應(yīng)將精煉過(guò)程置于真空條件下反應(yīng)進(jìn)行，以達(dá)到促進(jìn)平衡反應(yīng)向生成物方向進(jìn)行的目的。一般情況下的工作氣壓不低于50Pa，利于鋼液脫氣反應(yīng)進(jìn)行。

（3）能夠加快溶池的傳質(zhì)速度：溶池傳質(zhì)的速度決定了冶金整體進(jìn)度快慢，精煉時(shí)常選用不同的攪拌形式（如：氣體攪拌形式、機(jī)械攪拌形式和電磁攪拌形式。）大幅度促進(jìn)系統(tǒng)里的熔體發(fā)生流動(dòng)，促進(jìn)熔體內(nèi)部的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程快速進(jìn)行，最終達(dá)到混合十分均勻的目的。

（4）能夠在轉(zhuǎn)爐與連鑄之間發(fā)揮緩沖的作用，精煉爐的靈活性強(qiáng)，可以協(xié)調(diào)作業(yè)時(shí)間和溫度控制，同連鑄過(guò)程形成更為流利暢通的生產(chǎn)流程。

二、爐外精煉工藝

1. LF

LF具有精煉功能強(qiáng)、熱效率高、易于窄成分控制、設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)，適宜生產(chǎn)超低氧鋼、超低硫鋼。LF工藝主要包括3個(gè)方面：①加熱并合理控制溫度。②白渣精煉。該環(huán)節(jié)是保證鋼水純凈度的重要環(huán)節(jié)，也是該技術(shù)的核心操作。控制下渣量、鋼包渣改質(zhì)、保證脫硫脫氧效果、弱氧化性環(huán)境、適當(dāng)攪拌是該步驟的關(guān)鍵操作點(diǎn)。③合金微調(diào)，控制窄成分。該環(huán)節(jié)是保證冶煉成分穩(wěn)定的重要步驟。應(yīng)完善快速分析設(shè)備，響應(yīng)時(shí)間低于3分鐘，準(zhǔn)確計(jì)算合金收得率，保證鋼水良好脫氧，并通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析合金添加量，從而保證鋼水的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

2. CAS與氣體攪拌

該技術(shù)能有效控制鋼水溫度，促使雜物上浮并提升鋼水潔凈程度，還能完成窄成分控制、均勻鋼水溫度與成分，同時(shí)還能完成雜物變性處理。主要工藝操作：①吹氧升溫，控制終點(diǎn)溫度。②吹A(chǔ)r工藝，并去除雜物。③合金微調(diào)。

3. RH

真空循環(huán)脫氣法（RH）具有反應(yīng)速度快、反應(yīng)效率高、減少處理溫降、噴粉脫硫等優(yōu)勢(shì)。為了全面提高RH的工藝效率，目前，西方國(guó)家RH發(fā)展趨勢(shì)如下：①全面提升真空泵抽氣能力。②提升鋼水循環(huán)流量。③提升容積反應(yīng)速度。④提升氟化鈣配比到40%左右。

4. VD與VOD

作為真空脫氣設(shè)備的VD爐，常與LF爐雙聯(lián)使用，適合冶煉低合金高強(qiáng)度鋼、優(yōu)質(zhì)碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等。頂吹供氧系統(tǒng)聯(lián)合VD爐就組成了VOD爐，該設(shè)備能進(jìn)行真空吹氧脫碳，適合冶煉不銹鋼。

三、潔凈鋼精煉工藝

1.低氧鋼精煉技術(shù)

彈簧鋼、鋼軌等對(duì)鋼中雜物有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，為保證鋼材質(zhì)量，應(yīng)選擇低氧鋼精煉技術(shù)。該工藝的具體要求如下：①控制總氧含量，通常來(lái)說(shuō)，鋼中[T.O]低于25×10-6，軸承鋼則要求[T.O]低于10×10-6。②控制鋼中夾雜物的具體形態(tài)，預(yù)防出現(xiàn)三氧化二鋁等夾雜物。一般來(lái)說(shuō)，該工藝需進(jìn)行無(wú)鋁脫氧步驟。③控制夾雜物的具體尺寸，預(yù)防出現(xiàn)大型雜物；精確把握煉鋼終點(diǎn)，預(yù)防鋼水過(guò)氧化問題；控制好出鋼下渣量，控制爐渣堿度，進(jìn)行夾雜物變性處理，真空脫氣等。

2.低碳低氮鋼精煉技術(shù)

超低碳鋼精煉技術(shù)。RH工藝能有效實(shí)現(xiàn)超低碳鋼精煉，但鋼中含碳量低于0.002%時(shí)，RH的脫碳作用趨于停止。鑒于此，西方等發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)一步研發(fā)了新工藝：①全面提升鋼水循環(huán)流量，有效促進(jìn)脫碳反應(yīng)。②提升容量傳質(zhì)系數(shù)，完成脫碳反應(yīng)。

超低氮鋼冶煉技術(shù)。氮不僅能提升鋼水強(qiáng)度，還能有效降低鋼塑性。從本質(zhì)上來(lái)講，超低氮鋼冶煉是合理通過(guò)控制吸氮脫氮這一反應(yīng)來(lái)進(jìn)行鋼冶煉。通過(guò)如下技術(shù)，能有效提升真空脫氮效率：①全面提高鋼水純凈程度，減少鋼水中氧、硫含量。②全面改善RH密封環(huán)境，預(yù)防外部空氣中的氮?dú)庀蜾撍袛U(kuò)散。③噴吹氫氣等還原氣體，有助于提升脫碳速度。④噴吹三氧化二鐵等細(xì)小粉末，有助于真空脫氮。

3.超低硫鋼冶煉

超低硫鋼冶煉技術(shù)。①轉(zhuǎn)爐超低硫鋼生產(chǎn)。主要包括鐵水脫硫工藝、轉(zhuǎn)爐精煉工藝以及鋼水精煉工藝。轉(zhuǎn)爐精煉是超低硫鋼冶煉技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)，兌入鐵水硫含量非常少，轉(zhuǎn)爐為增硫過(guò)程，控制轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)硫是該技術(shù)的重點(diǎn)。通常可通過(guò)以下措施進(jìn)行冶煉：合理提高鐵水比例，使用低硫清潔鋼作為冷卻劑；選擇高堿度爐渣，爐渣中氧化鐵含量低于20%；準(zhǔn)確把握終點(diǎn)，預(yù)防鋼水過(guò)氧化；爐渣改質(zhì)。②電爐超低硫鋼生產(chǎn)。還原鐵取代部分廢鋼，使電爐出鋼硫幾率低于0.02%，是該工藝的關(guān)鍵點(diǎn)。

四、爐外精煉技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)探究

1.多功能化

未來(lái)，真空精煉技術(shù)將會(huì)得到廣泛應(yīng)用，鋼水真空精煉比重會(huì)進(jìn)一步增加。社會(huì)發(fā)展對(duì)鋼材純凈度要求逐漸提升，對(duì)真空處理鋼需求量增加。真空精煉、真空冶金技術(shù)將得到進(jìn)一步提升。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，爐外處理設(shè)備會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)多功能化，在鋼水精煉設(shè)備中，會(huì)將真空冶金工藝、渣洗精煉工藝、攪拌噴粉、加熱控溫等工藝整合起來(lái)，進(jìn)而全面實(shí)現(xiàn)多功能冶煉，以更好地滿足社會(huì)發(fā)展需求。例如，LF-VD系統(tǒng)、RH-OB系統(tǒng)、CAS-OB系統(tǒng)、RHKTB系統(tǒng)等均配備了合金包芯線與喂合金線，具有多功能化的優(yōu)勢(shì)，能有效滿足不同產(chǎn)品生產(chǎn)需求，還能全面提升設(shè)備使用效率。

2.設(shè)備生產(chǎn)效率和二次精煉比

爐外精煉將逐步實(shí)現(xiàn)高速化與高效化發(fā)展，連鑄工藝與轉(zhuǎn)爐工藝的發(fā)展均以“高速化”作為發(fā)展目標(biāo)，通過(guò)高拉速工藝、高速吹煉技術(shù)，全面縮短生產(chǎn)周期、加快生產(chǎn)效率。在這種大環(huán)境下，精煉尤其是LF工藝，將會(huì)成為煉鋼的主要瓶頸。當(dāng)前，受到溫度影響，LF生產(chǎn)工藝已無(wú)法更好地滿足高速連鑄、高效轉(zhuǎn)爐等技術(shù)要求。如何全面提高精煉速度、提高設(shè)備加熱功率，縮減精煉周期，會(huì)成為接下來(lái)爐外處理工藝需迫切解決的重要問題。

3.真空精煉技術(shù)在煉鋼中的應(yīng)用

隨著社會(huì)發(fā)展，人們對(duì)鋼材純凈度的要求不斷增大，因此有越來(lái)越多的鋼種需要在真空中進(jìn)行處理。此外，日本方面在新改建的煉鋼廠中已明確提出要求和發(fā)展目標(biāo)：所有的鋼水要100%完全在真空中處理。因此，更預(yù)示著將來(lái)，真空冶金技術(shù)和真空精煉技術(shù)會(huì)出現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

4.在線配備快速分析設(shè)施

在工業(yè)文明不斷推進(jìn)的現(xiàn)代，人們對(duì)鋼材成分和質(zhì)量的要求將越來(lái)越高，對(duì)鋼材冶煉的控制也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格。爐外精煉是對(duì)鋼水成分做控制和管理的最后工序，而其作為最終關(guān)卡為了減少精煉的周期需要在線配備快速分析設(shè)施，采用數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，縮短等待的時(shí)間。

5.快速分析與智能化控制

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，對(duì)鋼材成分標(biāo)準(zhǔn)要求更為嚴(yán)謹(jǐn)。為了有效縮短冶煉周期，必須配備快速分析系統(tǒng)，減少等待時(shí)間，充分引入高新科學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)爐外精煉的智能化控制。具體來(lái)說(shuō)：準(zhǔn)確預(yù)報(bào)終點(diǎn)溫度與成分，合理選擇最佳工藝，充分利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制精煉過(guò)程中的加料、攪拌、調(diào)整、加熱、溫控等環(huán)節(jié)。另外，爐外精煉的不斷發(fā)展，會(huì)進(jìn)一步提升自動(dòng)化控制水平與冶煉在線監(jiān)測(cè)水平。例如，LF鋼包精煉促進(jìn)了電弧爐生產(chǎn)流程優(yōu)化，VOD、AOD促進(jìn)了不銹鋼高效、低耗、優(yōu)質(zhì)的變革。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文針對(duì)爐外精煉的冶金特點(diǎn)，探究了爐外精煉工藝、潔凈鋼精煉工藝，并對(duì)爐外精煉技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，以期促進(jìn)爐外精煉技術(shù)的健康、快速發(fā)展。

[1]魏奎先，陸海飛，馬文會(huì)，等.工業(yè)硅爐外精煉提純與濕法浸出研究進(jìn)展[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（2）：1-11.

[2]李福明.淺析爐外精煉技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[J].中小企業(yè)管理與科技旬刊，2012（3）：215-216.

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