炉外精炼技术进展及发展趋势

2016-12-04李家通

中国新技术新产品 2016年20期

关键词：炼钢钢水脱碳

李家通

（江苏南钢 210035）

炉外精炼技术进展及发展趋势

李家通

（江苏南钢 210035）

摘要：炉外精炼技术是目前炼钢流程的关键环节，其在提高炼钢质量与产量方面发挥着重要作用。鉴于此，本文将详细论述炉外精炼技术进展及发展趋势，希望能对相关研究有所丰富和补充。

炉外精炼技术；炼钢质量；冶金

随着连铸技术以及纯净钢生产技术的进步与发展，炉外精炼技术得到了广泛应用，并取得了显著效果。

一、炉外精炼的冶金特点

整体上，炉外精炼适合冶炼超纯净钢、类纯净钢，具有精炼、高效等优势，能有效改善化学热力反应条件、增快熔传质速度、增加渣钢反应面积、精确各种反应条件，并通过智能化实时控制，全面提升设备质量。具体特点如下：

（1）可增大渣钢反应面积：每一种精炼设备都带有搅拌装置，通过搅拌作用将钢渣乳化，合金和钢渣被气泡带动向上浮起的同时发生熔化、聚合反应。一般情况下，平均每1吨钢液其渣钢反应面积在0.8m2～1.3m2之间，而当渣量变为原渣量的6%时，其中的钢渣乳化后会形成半径仅为0.3mm的圆珠型渣滴，进而整体反应界面会增大到原来的1000倍。

（2）能够改变冶金反应条件：炼钢过程中经脱氧和脱碳后的反应产物是气体，就化学平衡上来讲，生成物方面的平衡系数大于反应物方面，因此可利用降低反应环境的气相气压来促进平衡反应进行。根据这个原理，应将精炼过程置于真空条件下反应进行，以达到促进平衡反应向生成物方向进行的目的。一般情况下的工作气压不低于50Pa，利于钢液脱气反应进行。

（3）能够加快溶池的传质速度：溶池传质的速度决定了冶金整体进度快慢，精炼时常选用不同的搅拌形式（如：气体搅拌形式、机械搅拌形式和电磁搅拌形式。）大幅度促进系统里的熔体发生流动，促进熔体内部的传热和传质过程快速进行，最终达到混合十分均匀的目的。

（4）能够在转炉与连铸之间发挥缓冲的作用，精炼炉的灵活性强，可以协调作业时间和温度控制，同连铸过程形成更为流利畅通的生产流程。

二、炉外精炼工艺

1. LF

LF具有精炼功能强、热效率高、易于窄成分控制、设备简单、成本低等优势，适宜生产超低氧钢、超低硫钢。LF工艺主要包括3个方面：①加热并合理控制温度。②白渣精炼。该环节是保证钢水纯净度的重要环节，也是该技术的核心操作。控制下渣量、钢包渣改质、保证脱硫脱氧效果、弱氧化性环境、适当搅拌是该步骤的关键操作点。③合金微调，控制窄成分。该环节是保证冶炼成分稳定的重要步骤。应完善快速分析设备，响应时间低于3分钟，准确计算合金收得率，保证钢水良好脱氧，并通过计算机系统分析合金添加量，从而保证钢水的稳定性与准确性。

2. CAS与气体搅拌

该技术能有效控制钢水温度，促使杂物上浮并提升钢水洁净程度，还能完成窄成分控制、均匀钢水温度与成分，同时还能完成杂物变性处理。主要工艺操作：①吹氧升温，控制终点温度。②吹Ar工艺，并去除杂物。③合金微调。

3. RH

真空循环脱气法（RH）具有反应速度快、反应效率高、减少处理温降、喷粉脱硫等优势。为了全面提高RH的工艺效率，目前，西方国家RH发展趋势如下：①全面提升真空泵抽气能力。②提升钢水循环流量。③提升容积反应速度。④提升氟化钙配比到40%左右。

4. VD与VOD

作为真空脱气设备的VD炉，常与LF炉双联使用，适合冶炼低合金高强度钢、优质碳钢、合金结构钢等。顶吹供氧系统联合VD炉就组成了VOD炉，该设备能进行真空吹氧脱碳，适合冶炼不锈钢。

三、洁净钢精炼工艺

1.低氧钢精炼技术

弹簧钢、钢轨等对钢中杂物有严格标准，为保证钢材质量，应选择低氧钢精炼技术。该工艺的具体要求如下：①控制总氧含量，通常来说，钢中[T.O]低于25×10-6，轴承钢则要求[T.O]低于10×10-6。②控制钢中夹杂物的具体形态，预防出现三氧化二铝等夹杂物。一般来说，该工艺需进行无铝脱氧步骤。③控制夹杂物的具体尺寸，预防出现大型杂物；精确把握炼钢终点，预防钢水过氧化问题；控制好出钢下渣量，控制炉渣碱度，进行夹杂物变性处理，真空脱气等。

2.低碳低氮钢精炼技术

超低碳钢精炼技术。RH工艺能有效实现超低碳钢精炼，但钢中含碳量低于0.002%时，RH的脱碳作用趋于停止。鉴于此，西方等发达国家进一步研发了新工艺：①全面提升钢水循环流量，有效促进脱碳反应。②提升容量传质系数，完成脱碳反应。

超低氮钢冶炼技术。氮不仅能提升钢水强度，还能有效降低钢塑性。从本质上来讲，超低氮钢冶炼是合理通过控制吸氮脱氮这一反应来进行钢冶炼。通过如下技术，能有效提升真空脱氮效率：①全面提高钢水纯净程度，减少钢水中氧、硫含量。②全面改善RH密封环境，预防外部空气中的氮气向钢水中扩散。③喷吹氢气等还原气体，有助于提升脱碳速度。④喷吹三氧化二铁等细小粉末，有助于真空脱氮。

3.超低硫钢冶炼

超低硫钢冶炼技术。①转炉超低硫钢生产。主要包括铁水脱硫工艺、转炉精炼工艺以及钢水精炼工艺。转炉精炼是超低硫钢冶炼技术的关键点，兑入铁水硫含量非常少，转炉为增硫过程，控制转炉终点硫是该技术的重点。通常可通过以下措施进行冶炼：合理提高铁水比例，使用低硫清洁钢作为冷却剂；选择高碱度炉渣，炉渣中氧化铁含量低于20%；准确把握终点，预防钢水过氧化；炉渣改质。②电炉超低硫钢生产。还原铁取代部分废钢，使电炉出钢硫几率低于0.02%，是该工艺的关键点。

四、炉外精炼技术发展趋势探究

1.多功能化

未来，真空精炼技术将会得到广泛应用，钢水真空精炼比重会进一步增加。社会发展对钢材纯净度要求逐渐提升，对真空处理钢需求量增加。真空精炼、真空冶金技术将得到进一步提升。随着科学技术的发展，炉外处理设备会逐步实现多功能化，在钢水精炼设备中，会将真空冶金工艺、渣洗精炼工艺、搅拌喷粉、加热控温等工艺整合起来，进而全面实现多功能冶炼，以更好地满足社会发展需求。例如，LF-VD系统、RH-OB系统、CAS-OB系统、RHKTB系统等均配备了合金包芯线与喂合金线，具有多功能化的优势，能有效满足不同产品生产需求，还能全面提升设备使用效率。

2.设备生产效率和二次精炼比

炉外精炼将逐步实现高速化与高效化发展，连铸工艺与转炉工艺的发展均以“高速化”作为发展目标，通过高拉速工艺、高速吹炼技术，全面缩短生产周期、加快生产效率。在这种大环境下，精炼尤其是LF工艺，将会成为炼钢的主要瓶颈。当前，受到温度影响，LF生产工艺已无法更好地满足高速连铸、高效转炉等技术要求。如何全面提高精炼速度、提高设备加热功率，缩减精炼周期，会成为接下来炉外处理工艺需迫切解决的重要问题。

3.真空精炼技术在炼钢中的应用

随着社会发展，人们对钢材纯净度的要求不断增大，因此有越来越多的钢种需要在真空中进行处理。此外，日本方面在新改建的炼钢厂中已明确提出要求和发展目标：所有的钢水要100%完全在真空中处理。因此，更预示着将来，真空冶金技术和真空精炼技术会出现质的飞跃。

4.在线配备快速分析设施

在工业文明不断推进的现代，人们对钢材成分和质量的要求将越来越高，对钢材冶炼的控制也会越来越严格。炉外精炼是对钢水成分做控制和管理的最后工序，而其作为最终关卡为了减少精炼的周期需要在线配备快速分析设施，采用数据联网，缩短等待的时间。

5.快速分析与智能化控制

随着社会的不断进步，对钢材成分标准要求更为严谨。为了有效缩短冶炼周期，必须配备快速分析系统，减少等待时间，充分引入高新科学技术，实现炉外精炼的智能化控制。具体来说：准确预报终点温度与成分，合理选择最佳工艺，充分利用计算机系统控制精炼过程中的加料、搅拌、调整、加热、温控等环节。另外，炉外精炼的不断发展，会进一步提升自动化控制水平与冶炼在线监测水平。例如，LF钢包精炼促进了电弧炉生产流程优化，VOD、AOD促进了不锈钢高效、低耗、优质的变革。