淺談爐外精煉技術(shù)

1、淺談爐外精煉技術(shù) 0引言隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工農(nóng)業(yè)對鋼材質(zhì)量要求的提高,鋼廠普遍采用了爐外精煉工藝流程,它已成為現(xiàn)代煉鋼工藝中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。由于這種技術(shù)可以提高煉鋼設(shè)備的生產(chǎn)能力,改善鋼材質(zhì)量,降低能耗,減少耐材、能源和鐵合金消耗,因此,爐外精煉技術(shù)已成為當(dāng)今世界鋼鐵冶金發(fā)展的方向。對于爐外精煉技術(shù)存在的問題及發(fā)展方向有必要進行探討。1國內(nèi)外爐外精煉技術(shù)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀隨著煉鋼技術(shù)的不斷進步,爐外精煉在現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)中已經(jīng)占有重要地位,傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程(高爐煉鋼爐(電爐或轉(zhuǎn)爐)鑄錠),已逐步被新的流程(高爐鐵水預(yù)處理煉鋼爐爐外精煉連鑄)所代替。已成為國內(nèi)外大型鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的主要工藝流程,

2、尤其在特殊鋼領(lǐng)域,精煉和連鑄技術(shù)發(fā)展得日趨成熟。精煉工序在整個流程中起到至關(guān)重要的作用,一方面通過這道工序可以提高鋼的純凈度、去除有害夾雜、進行微合金化和夾雜物變性處理;另一方面,精煉又是一個緩沖環(huán)節(jié),有利于連鑄生產(chǎn)均衡地進行。日本在20世紀70年代為了降低煉鋼成本,提高鋼的純凈度和質(zhì)量,率先將爐外精煉技術(shù)應(yīng)用于特殊鋼生產(chǎn)中,隨后西歐的鋼鐵企業(yè)也加入到推廣和使用這項技術(shù)的行列中。據(jù)資料報道,日本早在1985年精煉率達到65.9%,1989年上升到73.4%,特殊鋼的精煉率達到94%,新建電爐短流程鋼廠100%采用爐外精煉技術(shù)。80年代連鑄技術(shù)發(fā)展迅速,原有的煉鋼爐難以滿足連鑄的技術(shù)要求,更加促

3、進了爐外精煉技術(shù)的發(fā)展,到1990年為止世界各主要工業(yè)國家擁有1000多臺(套)爐外精煉設(shè)備。我國早在20世紀50年代末,60年代中期就在煉鋼生產(chǎn)中采用高堿度合成渣在出鋼過程中脫硫冶煉軸承鋼、鋼包靜態(tài)脫氣等初步精煉技術(shù),但沒有精煉的裝備。60年代中期至70年代有些特鋼企業(yè)(大冶、武鋼等)引進一批真空精煉設(shè)備。80年代我國自行研制開發(fā)的精煉設(shè)備逐漸投入使用(如爐、噴粉、攪拌設(shè)備),黑龍江省冶金研究所等單位聯(lián)合研制開發(fā)了喂線機、包芯線機和合金芯線,完善了爐外精煉技術(shù)的輔助技術(shù)?，F(xiàn)在這項技術(shù)已經(jīng)非常成熟,以爐外精煉技術(shù)為核心的“三位一體”短流程工藝廣泛應(yīng)用于國內(nèi)各鋼鐵企業(yè),取得了很好的效果。初煉(電

4、爐或轉(zhuǎn)爐)精煉連鑄,成了現(xiàn)代化典型的工藝短流程。2爐外精煉技術(shù)的特點與功能爐外精煉是指在鋼包中進行冶煉的過程,是將真空處理、吹氬攪拌、加熱控溫、喂線噴粉、微合金化等技術(shù)以不同形式組合起來,出鋼前盡量除去氧化渣,在鋼包內(nèi)重新造還原渣,保持包內(nèi)還原性氣氛。爐外精煉的目的是降低鋼中的、等元素在鋼中的含量,以免產(chǎn)生偏析、白點、大顆粒夾雜物,降低鋼的抗拉強度、韌性、疲勞強度、抗裂性等性能。這些工作只有在精煉爐上進行,其特點與功能如下:1)可以改變冶金反應(yīng)條件。煉鋼中脫氧、脫碳、脫氣的反應(yīng)產(chǎn)物為氣體,精煉可以在真空條件下進行,有利于反應(yīng)的正向進行,通常工作壓力50,適于對鋼液脫氣。2)可以加快熔池的傳質(zhì)速

5、度。液相傳質(zhì)速度決定冶金反應(yīng)速度的快慢,精煉過程采用多種攪拌形式(氣體攪拌、電磁攪拌、機械攪拌)使系統(tǒng)內(nèi)的熔體產(chǎn)生流動,加速熔體內(nèi)傳熱、傳質(zhì)的過程,達到混合均勻的目的。3)可以增大渣鋼反應(yīng)的面積。各種精煉設(shè)備均有攪拌裝置,攪拌過程中可以使鋼渣乳化,合金、鋼渣隨氣泡上浮過程中發(fā)生熔化、熔解、聚合反應(yīng),通常1噸鋼液的渣鋼反應(yīng)面積為0.81.32,當(dāng)渣量為原來的6%時,鋼渣乳化后形成半徑為0.3的渣滴,反應(yīng)界面會增大1000倍。微合金化、變性處理就是利用這個原理提高精煉效果。4)可以在電爐(轉(zhuǎn)爐)和連鑄之間起到緩沖作用,精煉爐具有靈活性,使作業(yè)時間、溫度控制較為協(xié)調(diào),與連鑄形成更加通暢的生產(chǎn)流程。3

6、爐外精煉技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用目前得到公認并被廣泛應(yīng)用的爐外精煉方法有:法、法、法。3.1法(鋼包精煉爐法)它是1971年由日本大同鋼公司發(fā)明的,用電弧加熱,包底吹氬攪拌。3.1.1工藝優(yōu)點1)電弧加熱熱效率高,升溫幅度大,控溫準確度可達±5;2)具備攪拌和合金化的功能,吹氬攪拌易于實現(xiàn)窄范圍合金成份控制,提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性;3)設(shè)備投資少,精煉成本低,適合生產(chǎn)超低硫鋼、超低氧鋼。3.1.2法的生產(chǎn)工藝要點1)加熱與控溫采用電弧加熱,熱效率高,鋼水平均升溫1耗電0.50.8·,升溫速度決定于供電比功率(/),而供電的比功率又決定于鋼包耐火材料的熔損指數(shù)。因采用埋弧泡沫渣技術(shù),可減

7、少電弧的熱輻射損失,提高熱效率10%15%,終點溫度的精確度±5。2)采用白渣精煉工藝。下渣量控制在5/,一般采用23-2系爐渣,包渣堿度3,以避免爐渣再氧化。吹氬攪拌時避免鋼液裸露。3)合金微調(diào)與窄成份范圍控制。據(jù)試驗報道,使用合金芯線技術(shù)可提高金屬回收率,齒輪鋼中鈦的回收率平均達到87.9%,硼的回收率達64.3%,鋼包喂碳線回收率高達90%,30喂稀土線稀土回收率達到68%,高的回收率可實現(xiàn)窄成份控制。3.1.3法在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用2000年6月,鞍鋼第一煉鋼廠新建的連鑄車間正式投產(chǎn),精煉設(shè)備由兩座鋼包精煉爐,年處理鋼水200萬;一座鋼水真空處理裝置,年處理鋼水80萬組成。爐最

8、大升溫速度為4,爐平均處理周期28;處理效果:平均0.0002%;最低0.0001%。我國現(xiàn)有家重軌生產(chǎn)廠(攀鋼、包鋼、鞍鋼和武鋼)生產(chǎn)典型的工藝路線如下:,鋼包吊到處理線的鋼包車上后,由人工接通鋼包底吹氬的快速接頭,根據(jù)要求的鋼水成分及溫度確定物料的投入量(含喂絲)重軌鋼含碳量較高,因而增碳顯得很重要,轉(zhuǎn)爐出鋼時鋼水含碳量控制為0.2%0.3%(),爐后增碳至0.60%0.65%(),在爐處理時再增0.10%0.15%()個碳至標準成份的中上限,經(jīng)處理后即可達到鋼種成分要求。3.2法(真空循環(huán)脫氣法)這種方法是1958年西德發(fā)明的,其基本原理是利用氣泡將鋼水不斷的提升到真空室內(nèi)進行脫氣、脫碳

9、,然后回流到鋼包中。3.2.1法的優(yōu)點1)反應(yīng)速度快。真空脫氣周期短,一般10分鐘可以完成脫氣操作,5分種能完成合金化及溫度均勻化,可與轉(zhuǎn)爐配合使用。2)反應(yīng)效率高。鋼水直接在真空室內(nèi)反應(yīng),鋼中可達到1.0×10-6,25×10-6,10×10-6,的超純凈鋼。3)可進行吹氧脫碳和二次燃燒熱補償,減少精煉過程的溫降。3.2.2法工藝參數(shù)1)循環(huán)量。循環(huán)量是指單位時間內(nèi)通過上升管或下降管的鋼水量,單位是/。有關(guān)資料給出的計算公式為:=0.002×1.5·0.33,式中:循環(huán)流量,/;上升管直徑,;上升管內(nèi)氬氣流量,/。2)循環(huán)因數(shù)。他是指在處理過

10、程中通過真空室的鋼水與處理量之比,其公式為:=·/式中:循環(huán)因數(shù),次;循環(huán)量,/;循環(huán)時間,;鋼包容量,。3)供氧強度與含碳量的關(guān)系。向內(nèi)吹氧可以提高脫碳速度,即-法。當(dāng)/>0.66時鋼包內(nèi)氧的傳質(zhì)速度決定脫碳速度,其計算公式為:2=27.3×·式中:2氧氣強度,3/;鋼水循環(huán)量,/;含碳量,3/。3.2.3法在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用日本的山陽鋼廠將與配合生產(chǎn)軸承鋼形成-軸承鋼生產(chǎn)線,鋼中總氧量達到5.8×10-6。-法首先利用爐將鋼水升溫,利用攪拌和渣精煉功能進行還原精煉,是鋼水脫硫和預(yù)脫氧,然后將鋼水送入中進行脫氫和二次脫氧。經(jīng)過這樣處理大大的提高了

11、鋼水的清潔度,同時鋼水的溫度達到連鑄需要的溫度。寶鋼爐外精煉設(shè)備有-、鋼包噴粉裝置、精煉裝置,-的冶煉效果較理想,脫氫率為50%70%,脫氮率為20%40%,一般情況下,經(jīng)-處理后2.5×10-6,30×10-6,去除鋼中非金屬夾雜物一般能達到70%,鋼中總氧量25×10-6,而且在中合金處理可以提高合金的收得率和控制的精確度,、的控制精度能達到±0.01%,鋁的精確度可達到1.5×10-3,取得了較好的爐外精煉效果。3.3法(真空罐內(nèi)鋼包吹氧除氣法)3.3.1的特點法是1965年西德首先開發(fā)應(yīng)用的,它是將鋼包放入真空罐內(nèi)從頂部的氧槍向鋼包內(nèi)吹

12、氧脫碳,同時從鋼包底部向上吹氬攪拌。此方法適合生產(chǎn)超低碳不銹鋼,達到保鉻去碳的目的,可與轉(zhuǎn)爐配合使用。他的優(yōu)點是實現(xiàn)了低碳不銹鋼冶煉的必要的熱力學(xué)和動力學(xué)的條件-高溫、真空、攪拌。3.3.2法在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用20世紀90年代初,上海大隆鑄鍛廠從德國萊寶()公司進口1臺15的關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)軟件。采用電爐初煉鋼水經(jīng)爐外精煉的工藝方法,精煉了超低碳不銹鋼、中低合金鋼和碳鋼,取得了很好的冶金效果,鋼中非金屬夾雜物減少,氫含量小于3×10-6氧含量小于6.5×10-6,不銹鋼中鉻回收率達98%99%,精煉后的鋼具有十分優(yōu)越的性能。精煉工藝成熟,控制容易,適應(yīng)中小型鋼廠和鑄鋼廠的多鋼

13、種、小噸位精煉生產(chǎn)需要,對發(fā)展鑄鋼行業(yè)的精煉生產(chǎn)會起到很大積極作用,具有廣闊的發(fā)展前景10。撫順特殊鋼有限公司有30爐,采用+技術(shù)精煉不銹鋼,可使2.58×10-6,41.9×10-6,鉻回收率達到99.5%,脫硫率64.2%,精煉高碳鉻軸承鋼12.13×10-6。4發(fā)展爐外精煉技術(shù)需解決的問題及發(fā)展方向爐外精煉技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用40年,對提高鋼的純凈度、精確控制成分含量及細化組織結(jié)構(gòu)等方面都起了重要作用,使冶煉成本大幅降低,同時提高了鋼的品質(zhì)和性能。但在發(fā)展的過程中也出現(xiàn)了一些問題,有待于解決,使這項技術(shù)更加完美。1)實現(xiàn)爐外精煉工藝的智能化控制,根據(jù)來料鋼水的各種技術(shù)參數(shù),利用信息技術(shù),制定最佳的精煉工藝方案,并通過計算機控制各精煉工序。精煉工位配備快速分析設(shè)備,實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化,減少熱停等待時間。2)爐外處理設(shè)備將實現(xiàn)“多功能化”。在水鋼精煉設(shè)備中將渣洗精煉、真空冶金、攪拌工藝以及加熱控溫功能全部組合起來,實現(xiàn)精煉,以滿足超純凈鋼生產(chǎn)的社會需求。3)開發(fā)高純度、高密度、高強度的優(yōu)質(zhì)堿性耐火材料,以適應(yīng)不同精煉爐的需要,注重產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。耐火材料的使用條件應(yīng)盡可能與爐渣相適應(yīng),最大限度地降低侵蝕速度。要根據(jù)精煉設(shè)備的實際情況形成不同層次的配套材料,研究開發(fā)保溫和修補技術(shù),提高爐襯的使用壽命。4)減少精煉過程的污染排放,精煉過程會產(chǎn)生大量廢氣,其