鋼水爐外精煉

含義

爐外精煉是把轉爐、平爐或電爐中所煉的鋼水移到另一個容器中(主要是鋼包)進行精煉的過程。也叫“二次煉鋼”或鋼包精煉。爐外精煉把傳統(tǒng)的煉鋼分為兩步。(1)初煉：在氧化性氣氛下進行爐料的熔化、脫磷、脫碳和主合金化。(2)精煉：在真空、惰性氣氛或可控氣氛下進行脫氧、脫硫、去除夾雜、夾雜物變性、微調成分、控制鋼水溫度等。從60年代以來，各種爐外精煉方法相繼出現。目前，全世界已有500多臺爐外精煉設備在鋼廠投入工業(yè)生產。

爐外精煉在現代化的鋼鐵生產流程中已成為一個不可缺少的環(huán)節(jié)。尤其是爐外精煉與連鑄相配合，是保證連鑄生產順行、擴大連鑄品種、提高鑄坯質量的重要手段。

在煉鋼生產流程中，采用轉爐(電爐)→爐外精煉→連鑄已成為鋼廠技術改造的普遍模式。

爐外精煉工藝特點和冶金作用

各種爐外精煉方法的工藝各異，共同特點是：(1)有一個理想的精煉氣氛，如真空、惰性氣體或還原性氣體。(2)采用電磁力、吹惰性氣體攪拌鋼水。(3)為補償精煉過程中的鋼水溫降損失，采用電弧、等離子、化學法等加熱方法。

爐外精煉主要是在鋼包內完成的。總的來說，有以下冶金作用：

—鋼水溫度和成分均勻化。

—微調成分使成品鋼的化學成分范圍非常窄。

—把鋼中硫含量降到非常低(如S<0.005％)。

—降低鋼中的氫氮含量(如H<2ppm)。

—改變鋼中夾雜物形態(tài)和組成。

—去除有害元素。

—調整溫度。

鋼包精煉方法不同，采用的工藝操作也不相同，所達到的冶金效果也不一樣。要結合生產的鋼種、產品質量來選擇合適的爐外精煉方法。

選擇與連鑄相匹配的爐外精煉的要求

與連鑄相匹配的鋼包精煉，在于提高鑄坯質量和保證連鑄工藝的穩(wěn)定性。選擇合適的爐外精煉方法是連鑄鋼水準備、提供合格質量鋼水的重要手段。為此結合產品質量要求，選擇鋼包精煉設備應滿足以下基本要求：

(1)調節(jié)鋼水溫度，達到連鑄所要求的澆注溫度。

(2)提高鋼水清潔度，特別是減少鋼中大型夾雜物的含量。

(3)降低鋼中氣體(如氫)含量。

(4)降低有害雜質(如硫、磷)含量。

(5)夾雜物變性作用，改善鋼水流動性。

(6)減輕煉鋼爐的冶煉負荷，縮短冶煉周期，提高生產率。

(7)鋼包精煉爐成為煉鋼爐和連鑄機之間的一個“緩沖器”，平衡兩者之間的生產節(jié)奏，有利于提高連鑄機的生產率。

煉鋼爐與連鑄機之間裝設了爐外精煉設備，可以達到以下目的：1)為連鑄提供合格質量的鋼水，改善連鑄坯質量；2)協(xié)調煉鋼與連鑄之間的節(jié)奏，提高連鑄機的生產率。因此凡是有連鑄機的工廠應選擇合適的爐外精煉方法來準備鋼水。

究竟采用哪種爐外精煉法取決于工廠條件、產品質量等。應根據產品質量要求，建立不同的生產工藝流程：

(1)對于電爐或超高功率電爐相配合連鑄機，選擇鋼包精煉應滿足合金比高的產品質量的要求。如不銹鋼可采用電爐—AOD爐一連鑄、電爐一VOD爐一連鑄，軸承鋼采用電爐一鋼包爐(如LF、SKF)一連鑄。

(2)對于大型轉爐相配合的板坯、大方坯、圓坯連鑄機，要提供優(yōu)質鋼水，生產高質量的鑄坯。采用轉爐一RH一連鑄、轉爐一RH+KIP一連鑄。生產超低碳(碳小于0.1％)或超低硫(硫小于0.005％)可采用LF爐與真空處理并用，可得到最佳效果。

(3)對于小型轉爐，相配合小方坯、矩形坯連鑄機，以生產普碳鋼為主，一般采用鋼包吹氬或輔以鋼包喂絲技術，基本上能滿足連鑄工藝和鑄坯質量要求。

與連鑄相匹配常用的爐外精煉法有：真空處理(如RH、DH)，鋼包精煉爐(如LF法、ASEA—SKF法、VOD法等)，鋼包鈣處理(如TN法、KIP法、喂鈣絲法等)。

與連鑄相配合的RH(或DH)真空處理法的特點

RH是目前廣泛應用的一種真空處理法。其設備由真空室與抽氣裝置組成。真空室下有吸取鋼水的上升管和排出鋼水的下降管。脫氣處理時，首先將兩根管子插入鋼包內鋼水面以下150～300mm。抽真空時鋼水在大氣壓力作用下進入真空室。同時在上升管內吹入氬氣，因鋼水內充滿氬氣泡，液體密度減小而使鋼水向上流動進入真空室，而下降管內鋼水密度大而下降，返回鋼包內。因此連續(xù)反復循環(huán)，使鋼水在真空室脫氣。

RH的作用是脫氫、脫氧、脫碳、減少鋼中夾雜物、均勻鋼水溫度和微調成分等。

RH真空處理法已向多功能方向發(fā)展，如RH真空室吹氧以生產超低碳鋼(碳小于0.003％)，開發(fā)了RH—OB、RH—KTB法。武鋼、寶鋼均采用轉爐一RH一連鑄工藝流程生產板坯。

目前，DH真空處理法用得較少。

與連鑄相配合的鋼包精煉的方法

目前廣泛采用的鋼包精煉法有以下幾種：

(1)LF鋼包精煉爐

該法主要特點是：有3根石墨電極，電弧產生在鋼包鋼水面上的爐渣中，進行“埋弧精煉和加熱”。處理時添加合成渣脫硫，鋼包底部吹氬攪拌鋼水，可以均勻溫度和成分，促使夾雜物上浮排除。這是一種設備投資省、精煉效果好的爐外精煉法。LF爐已成為電爐與連鑄之間的一個重要設備。

LF爐具有加熱功能，可使電爐出鋼溫度降低120℃。縮短冶煉時間，提高電爐生產率20％。經過LF爐處理使連鑄鋼水溫度波動減少到±2℃，有利于連鑄生產的穩(wěn)定性。我國不少電爐廠建成了電爐一LF爐一連鑄以生產方坯、圓坯的生產流程。

(2)VOD爐

VOD爐主要用于冶煉低碳不銹鋼，在鋼包爐內真空條件下吹氧脫碳(脫碳量為0.3～0.6％)。采用消耗式噴槍或水冷噴槍吹氧。VOD爐沒有熱源，一般不用造渣精煉。上鋼三廠已建成電爐一VOD一板坯連鑄機流程生產不銹鋼，年產量達10萬t/年。

與連鑄相配合的噴射冶金技術的特點

噴射冶金是以壓縮氣體(如氬氣)作為載體，把各類精煉粉劑(如石灰粉、Si-Ca粉等)噴射到鋼包深部，利用氣體的攪拌作用增加粉劑和鋼水的接觸面積，從而改善化學反應的動力學條件。這樣可以快速脫硫、脫氧、脫磷、提高合金的收得率和鋼的純凈度。

與連鑄相配合的鋼包噴粉技術主要解決以下問題：

(1)改善鋼水的可澆性和中間包水口的堵塞。澆注含鋁鋼，鋼水中Al₂O₃夾雜呈固態(tài)串簇狀分布，使鋼水發(fā)粘是水口堵塞的根源。在鋼包內噴吹Si-Ca粉，使CaO與Al₂O₃結合成鋁酸鈣(12CaO·7Al₂O₃)，在鋼水中呈液態(tài)球形而上浮，解決了水口堵塞。

(2)降低鋼水中含硫量。連鑄用于生產石油管線和船板的坯，要求鋼中硫小于0.005％，可在鋼包噴吹Ca—Si粉、石灰粉來生產低硫鋼。

(3)夾雜物變性處理以提高鋼的清潔度。如16Mn鋼經噴粉處理后，鋼中Al₂O₃以及MnS夾雜物明顯降低，Al₂O₃降低67％，MnS降低66％。且夾雜物呈細小均勻分布，有利于鋼材力學性能的改善。

目前將噴射冶金和真空處理相結合，是一種有吸引力的爐外精煉技術。如將LF、VOD、RH等精煉設備與噴射冶金相結合組成新的精煉工藝，可進一步提高鋼水精煉效果。

與連鑄相配合的喂線技術的特點

向鋼水中加鈣不僅改善連鑄鋼水的可澆性，而且可改善鋼的質量。目前向鋼水喂鈣絲已成為向鋼水加鈣的有效技術，可取代噴吹Si-Ca粉技術。以80～300m/min的速度把鈣線喂入鋼包深部，在1600℃高溫下，鈣在1～3S內就可熔化，鈣滴或鈣氣泡向上移動時間較長，與鋼水更能有效的起反應。比噴吹Si-Ca粉效果要好。

由于金屬鈣是非常活潑的元素，在1600℃能很快的氣化，所以出鋼時若采用通常方法把鈣加入鋼包，鈣蒸發(fā)會引起激烈的沸騰噴濺，鈣燒損大，效率低。

為此，采用特殊加工方法將CaSi粉或CaSi+A1按比例混合作為芯部材料，外面用0.2mm厚的薄鋼帶包覆起來，并將粉劑壓實，制成6～10mm不同直徑的復合包線。包線可做成圓形或矩形(如12×6mm)。用專制的喂線機通過導管喂入鋼包內鋼水深部。

向鋼包噴吹Si—Ca粉，鈣的回收率僅有10～20％；向鋼包喂鈣線，鈣回收率為20～60％。與噴吹法比較，喂線法具有投資省、占地小、設備輕便、操作簡單、冶金效果顯著、生產成本低等特點。所以近年來在國內外得到了普遍應用。它可適用于不同容量的鋼包。

在鋼包中除喂鈣線外，還可喂含硼、鈦、鋯、碲、硒等元素的包芯線。中間包水口堵塞與否，與喂鈣量、鈣收得率、鋼中Ca％/A1％比不同有很大的關系。試驗證明，中間包水口不堵塞的Ca％/A1％比分別為：彈簧鋼0.52，合金鋼0.49，碳鋼0.44．

控制鋼水中加鋁的方法

根據鋼種不同，要求連鑄鋼水含有0.02～0.06％鋁。由于鋁輕，易氧化，在出鋼時手工把鋁塊投入鋼包，鋁回收率低，且鋼水中鋁含量不穩(wěn)定。為滿足連鑄鋼水質量要求，現在廣泛采用的方法：

(1)喂鋁線機：把鋁做成甲6～10mm的鋁線由專制機器以120～280m/min速度，在出鋼時或在吹氬站喂入鋼包深部。此法優(yōu)點：1)鋁的回收率可達40％以上，而鋼包加鋁塊僅為10～20%。2)成品鋼中酸溶鋁含量范圍控制較穩(wěn)定，如深沖鋁鎮(zhèn)靜鋼中酸溶鋁含量標準差從0.011％到0.008％。因酸溶鋁而不合格的爐次大為減少。3)鋼水中酸溶鋁含量小于0.02％爐次從未出現，避免了鑄坯表面氣孔缺陷。以成品鋼中酸溶鋁含量的命中率來衡量，鋁塊投入命中率為55％，而喂線法為90％。

向鋼包中加鋁方法還有彈丸法，就是把鋁做成子彈狀，用槍以高速射入到鋼包內部。但此法用的較少。

(2)CAS法：鋼包底部吹氬撇開頂部的渣子使鋼液裸露，把一個耐火材料的浸漬罩插入鋼水下約200mm處，這樣在罩內的鋼水面上無渣子，里面充滿氬氣。把鋁粒加入其中，進行吹氬攪拌使鋼水溫度和成分均勻化并去除夾雜物。如300t鋼包CAS處理，鋁回收率為44～58％，鋼中酸溶鋁含量較穩(wěn)定。利用此法還可進行合金成分的微調。

鋼包加熱技術

鋼包加熱的主要目的是作為轉爐與連鑄之間的緩沖手段，為連鑄提供穩(wěn)定的鋼水溫度，保證連鑄中間包鋼水澆注溫度在規(guī)定的目標值。

目前已開發(fā)出的鋼包加熱方法有以下幾種：

(1)電弧加熱：鋼包精煉爐(如LF)采用電極產生電弧加熱鋼水，以補償精煉過程的熱損失，保證供給連鑄鋼水溫度的穩(wěn)定性。此法設備投資大、成本高，還可使鋼水增碳。加熱速度最高可達3.3℃/min，鋼水溫度波動可控制在士2℃范圍。

(2)等離子加熱：用等離子弧鋼包加熱。據報道，在220t鋼包采用3.5MW功率的等離子體加熱鋼水，15～30min可抵消鋼水自然溫降，加熱速度達到2.3℃/min。

(3)氧燃加熱：利用天然氣和空氣在鋼液面上燃燒向鋼水供熱，提溫速度達到1℃/min。此法已不采用。

(4)化學加熱法：利用氧氣與鋁、硅元素化學反應放出熱量，對鋼水進行加熱。從理論上講，每噸鋼加入lkg鋁需氧0.62m³，完全燃燒后可使鋼水提溫35℃；lkg硅需氧0.8m³，可提溫33℃。生產上使用的平均加熱速度分別為7℃/min和4.3℃/min。化學法具有價廉、簡便、高效率的特點，是目前廣泛使用的一種方法。從1982年以來使用化學加熱原理相繼開發(fā)了CAS—OB、IR—UT、BSI。LRP法。

吹氧化學加熱鋼水

(1)CAS-OB法：此法為新日鐵最早推出。該法的特征是，鋼包底部吹氬撇開浮渣，在鋼包頂部插入一個錐形浸漬罩，在罩內鋼水表面無渣，上部有足夠的空間，從罩上面加入合金微調成分，或把鋁加入鋼水面，在罩上面插入氧槍吹入氧氣，發(fā)生氧化反應放出熱量：

2Al+(3/2)O₂=Al₂O₃+30932kJ/kg鋁

Si+O₂=SiO₂+29260kJ/kg硅

加入的鋁、硅元素氧化的同時，還氧化鋼水中的碳放出熱量。借助鋼包底部吹氬攪拌，把鋼水面的熱量傳向鋼水深部，使鋼水溫度均勻，鋼水熱吸收率可達80％以上。

據經驗，200～300t鋼包供氧強度為11～20m3/h.t，升溫速度5～13℃/min；160t鋼包供氧強度平均為14m3/h.t，升溫速度7～0℃/min；20t鋼包供氧強度為33～45m3/h.t，升溫速度可達15℃/min。

目前，世界上已有30套CAS-OB投入使用，鞍鋼、武鋼已有同類型CAS-OB投產。

(2)IR—UT法：此法為日本住友金屬推出。此法特點，插入圓筒形浸漬罩。從罩上部插入氧槍和加鐵合金。鋼包采用頂槍吹氬攪拌或吹精煉粉劑。250t鋼包升溫速度一般為8℃/min，最高達13℃/min。

(3)BSLRP法：此法為美國伯利恒公司推出。此法特點，從鋼包頂部插入兩根浸入式槍，一根吹氬攪拌，一根吹氧。用喂線機把鋁插入鋼包深部。此法沒有隔渣浸漬罩，這樣要求出鋼時鋼包必須很好地排渣，并加合成渣保護。150t鋼包應用此法提溫速度為8.3℃/min。

這3種方法中，鋼水攪拌方式有所差別，一般認為鋼包頂吹氬氣量大(可比底吹大10倍)，并可利用吹氬槍噴吹精煉粉劑。由于化學加熱期間增強鋼水攪拌，對熱效率和升溫速度有明顯好處，因此，頂槍吹氬頗具生命力。

吹氧化學加熱使用的發(fā)熱劑

發(fā)熱劑主要有鋁、硅、碳，也有以鈦、錳作發(fā)熱劑的。

日本曾研制碳發(fā)熱劑，采用瀝青、淀粉或樹脂等粘結劑，將粒度lmm左右的焦碳粉、石墨粉、煤或其他混合物粘結成塊，投入鋼水表面后即刻崩裂、燃燒，鋼水升溫速度達到4.5℃/min。

目前廣泛采用鋁作為發(fā)熱劑，為防止小方坯連鑄中間包定徑水口的堵塞，要求鋼水的酸溶鋁小于0.007％，可采用硅發(fā)熱劑，但升溫速度比鋁慢40％，還需加入少量石灰以保證堿度。

發(fā)熱劑可制成塊狀、丸狀、棒狀或線狀，應盡量加在吹氧位置。

鋼包采用化學加熱法對鋼水質量有何影響

試驗表明，采用化學法加熱，對鋼水質量的影響有：

(1)吹氧時，鋼中元素有輕微燒損：采用鋁、硅吹氧加熱鋼水，鋼水中硅、錳、碳有微量燒損。如加熱含有0.1～0.3％硅、0.3～0.6％錳的鋼水，吹氧升溫期將有約0.03％的硅和約0.07％的錳被燒損，[C]小于0.15％時，吹氧燒損量約為0.02％，[C]大于0.35％時，吹氧燒損量約為0.03％。

(2)吹氧后，發(fā)熱元素鋁在鋼水中有少量增加，鋼水中酸溶鋁含量一般在0.008～0.012％。

(3)鋼水中夾雜物和總氧量無明顯變化。吹氧前后鋼包鋼水中總氧在40～80ppm。吹氧后鋼水中夾雜物有所增加，但吹氬攪拌后夾雜物明顯下降。

(4)由于吹氬攪拌造成無渣殼面、消除回磷的可能性。如果罩內留有殘渣，便會出現回磷，如磷由0.009％增至0.012％。

所以用吹氧化學加熱法對鋼水質量無明顯影響，完全可以滿足連鑄要求。