LF工藝講義解析課件

1、LF工藝技術(shù)LF作業(yè)區(qū)-周國子 2009年4月第1頁，共35頁。一、爐外精煉概述二、LF基本原理和主要功能三、電弧加熱工藝四、鋼包吹氬工藝五、鈣處理工藝六、造渣工藝 七、脫硫技術(shù)八、脫氧技術(shù)第2頁，共35頁。1 什么叫鋼水爐外精煉？ 鋼水爐外精煉就是將煉鋼爐中初煉的鋼水移到鋼包或其他專用 容器中進(jìn)行精煉，也稱為二次精煉。一、爐外精煉概述第3頁，共35頁。2. 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(jìn)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)

2、的主要工藝流程, 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(jìn)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(jìn)行。 第4頁，共35頁。 我國早在20世紀(jì)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(jìn)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LF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

3、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(電爐或轉(zhuǎn)爐)精煉連鑄,成了現(xiàn)代化典型的工藝短流程。 第5頁，共35頁。 日本在20世紀(jì)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(dá)到65.9%,1989年上升到73.4%,特殊鋼的精煉率達(dá)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

4、爐難以滿足連鑄的技術(shù)要求,更加促進(jìn)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。 第6頁，共35頁。 3 爐外精煉技術(shù)的特點與功能 爐外精煉是指在鋼包中進(jìn)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C、P、S、O、H、N、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(jìn)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

5、、脫氣的反應(yīng)產(chǎn)物為氣體,精煉可以在真空條件下進(jìn)行,有利于反應(yīng)的正向進(jìn)行,通常工作壓力50Pa,適于對鋼液脫氣。 2)可以加快熔池的傳質(zhì)速度。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(dá)到混合均勻的目的。 第7頁，共35頁。 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0.81.3mm2,當(dāng)渣量為原來的6%時,鋼渣乳化后形成半徑為0.3mm的渣滴,反應(yīng)界面會增大1000倍。微合金化

6、、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。 第8頁，共35頁。 LF(Ladle Furnace法)(鋼包精煉爐法) 1、 LF基本原理 它是1971年由日本大同特殊鋼公司開發(fā)的,具有在非氧化性氣氛下，通過電弧加熱、包底吹氬攪拌、造高堿度還原渣，進(jìn)行鋼液的脫氧、脫硫、合金化等冶金反應(yīng)，以精煉鋼液。 LF爐是以交流或直流電通過石墨電極與鋼包面的鋼渣之間的高溫電弧.作為熱源加熱鋼水.電弧在物理學(xué)上其本質(zhì)是一種氣體放電現(xiàn)象,電弧溫度可高達(dá)6000以上.二、LF基本原理和主要功能

7、第9頁，共35頁。 LF爐通過電弧加熱,爐內(nèi)還原氣氛,造白渣精煉,氣體攪拌等手段,強化熱力學(xué)和動力學(xué)條件,使鋼水在短時間內(nèi)達(dá)到脫氧,脫硫,合金化,升溫等綜合精煉效果.確保達(dá)到鋼水成分精確,溫度均勻,夾雜物充分上浮凈化鋼水的目的 ,同時很好地協(xié)調(diào)煉鋼和連鑄工序,保證多爐連澆的順利進(jìn)行. 第10頁，共35頁。2、LF主要功能1）鋼水升溫和鋼水保溫；2）均勻鋼水溫度和鋼水成分；3）協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)爐連鑄生產(chǎn)節(jié)奏；4）鋼水脫氧、脫硫；5）吸附鋼水中夾雜；6）夾雜物變性處理；7）成分微調(diào)。第11頁，共35頁。3 LF法的生產(chǎn)工藝要點 1)加熱與控溫LF采用電弧加熱,熱效率高,LF升溫速度決定于供電比功率(kVA/

8、t),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5kg/t,一般采用Al2O3-CaO-SiO2系爐渣,包渣堿度R3,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。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(dá)到87.9%,硼的回收率達(dá)64.3%,鋼包喂碳線回收率高達(dá)90%, 高的回收率可實現(xiàn)窄成份控制。 第12頁，共35頁。4 LF生產(chǎn)流程圖鋼包進(jìn)工位預(yù)吹氬,測溫加熱,化渣取樣,測溫加熱,造渣調(diào)成分,測溫,取樣加熱,造渣取樣

9、,測溫喂線,軟吹氬測溫,取樣,加保溫劑,鋼包出工位第13頁，共35頁。三、電弧加熱工藝1、供電制度的選擇 LF爐在加熱初期由于爐渣未熔化好，加熱速度應(yīng)慢一些，可以采用低功率供電； 加熱中期爐渣熔化后，電極逐漸插入渣層中，此時，由于電極與渣中氧反應(yīng)的作用、鋼包底吹氬攪拌作用、爐中加入的電石與渣中氧反應(yīng)的作用，爐渣會發(fā)泡，渣層厚度會增加，這時可以采取較大功率供電，達(dá)到快速升溫的目的； 加熱后期是根據(jù)連鑄節(jié)奏來控制，一般采用低功率供電來保持鋼水的溫度。2、加熱升溫速度 加熱升溫速度與鋼種、鋼水量、渣量等因素有關(guān)，同時加熱時間越長升溫速度越快。 第14頁，共35頁。3、LF冶煉過程溫度控制原則（1）初

10、期：以造渣為主。宜采用低級電壓，中檔電流加熱至電弧穩(wěn)定； （2）升溫：較高電壓，較大電流；（3）保溫：采用低級電壓，中小電流；（4）降溫：停電，吹氬。第15頁，共35頁。4、為什么在加熱鋼水時，必須同時進(jìn)行吹氬攪拌？ 鋼包精煉爐精煉加熱鋼液的方法是利用三相交流變壓器輸送電能，一般采用低電壓大電流，在三相電極與鋼液間產(chǎn)生電弧對鋼水進(jìn)行加熱。由于鋼包內(nèi)的鋼液深度較大，上部被加熱的鋼水不易向下流動，傳熱速度慢，造成上下溫差較大，鋼包底部鋼液結(jié)冷鋼，為了避免該種現(xiàn)象的出現(xiàn)，在整個加熱過程中。必須吹氬攪拌，使在鋼包內(nèi)的鋼液進(jìn)行良好循環(huán)流動，確保鋼包內(nèi)的鋼液溫度均勻。第16頁，共35頁。a) 凈化鋼水50

11、-80 l/min b) 加熱 100-150 l/min c) 合金化和脫硫操作 180 l/min四、鋼包吹氬工藝1、吹氬示例第17頁，共35頁。2、鋼包吹氬作用（1）均勻鋼液的成分和溫度（2）攪拌的鋼液增加了鋼中非金屬夾雜物的碰撞長大的機會。上浮的氬氣泡不僅能夠吸收鋼中的氣體，促進(jìn)了氫和氮的排出。還會粘附懸浮于鋼液中的夾雜，把這些粘附的夾雜帶至鋼液表面被渣層所吸收。（3）擴大渣、金屬反應(yīng)面，加速反應(yīng)物質(zhì)的傳遞過程，提高反應(yīng)速率。（4）可以將鋼液的溫度降到規(guī)定的溫度要求范圍。（5）將渣的過量熱轉(zhuǎn)移給鋼水。第18頁，共35頁。五、鈣處理工藝 1、鈣處理目的 改變鋼水中脫氧產(chǎn)物 Al2O3的形

12、態(tài),可確保在煉鋼溫度下的鋁酸鹽呈液態(tài).1、Als較低時，鈣處理生成低熔點的2Ca.Al2O3.SiO2 在低碳低硅鋼喂入Si-Ca線主要目的是脫氧和形成低熔點的球狀夾雜物以改善鋼水可澆性 中高碳鋼喂入Si-Ca線主要目的是改變鋼水中氧化物夾雜形態(tài),提高鋼水潔凈度.2、Als較高時，鈣處理保持適當(dāng)?shù)腃a/Al比，在含鋁冷鐓鋼中喂入Ca-Fe線，使鋼水中含有一定的活性Ca，并使生成物的成分在3CaO.Al2O3與CaO.Al2O3范圍內(nèi)，最好生成低熔點的12CaO.7Al2O32、鈣處理的包芯線種類: Si-Ca線; Si-Ca-Ba線 Fe-Ca線 Al-Ca線等.第19頁，共35頁。3、典型鋼

13、種SWRCH6A的鈣處理工藝 含鋁冷鐓鋼如SWRCH6A等主要的脫氧產(chǎn)物是Al2O3簇狀夾雜物，這種夾雜物熔點高，在連鑄溫度下呈固體，很容易在中間包水口處聚集引起堵塞，導(dǎo)致鋼水下不來； 在鋼坯中的簇狀A(yù)l2O3夾雜物在軋制過程中會被破碎沿軋制方向延續(xù)分布成長串狀夾雜物，造成嚴(yán)重缺陷，因而必須進(jìn)行Ca處理將其轉(zhuǎn)換成液態(tài)的鋁酸鈣12CaO.7Al2O3，其熔點為1450,在煉鋼溫度下成為液態(tài),容易上浮,就不會產(chǎn)生堵水口事故。 湘鋼煉鋼廠通過喂入CaFe 線來改變夾雜物形態(tài)，喂入量根據(jù)出LF爐的Als含量確定，保證Ca%/Als%0.075，喂完后軟吹5分鐘以上，確保夾雜物的充分上浮，改善鋼水的可澆

14、性。第20頁，共35頁。4、鈣處理后的軟吹氬作用 鋼水弱攪拌凈化處理技術(shù)是指通過弱的氬氣攪拌促使夾雜物上浮。 由于鋼包熔池深，強攪拌下，鋼液循環(huán)帶入鋼包底部的夾雜和卷入鋼液的渣需要一定時間上浮，這時弱氬氣攪拌，吹入的氬氣泡可為10m或更小的不易排出的夾雜顆粒提供粘附的基體，使之粘附在氣泡表面排入渣中，從而加快夾雜的上浮時間。另外變性的夾雜物也需要有一定的時間上浮。第21頁，共35頁。六、造渣工藝1、LF爐渣： 煉鋼就是煉渣。 LF爐精煉的初期渣由于FeO和MnO較高，呈黑色（渣的氧化性比較強，必須進(jìn)行強脫氧），隨著渣中FeO和MnO逐漸減少，渣的顏色逐漸變?yōu)辄S色，渣到最后到白色或灰白色，LF爐

15、造白渣能使渣中（FeO%+ MnO% ）1%。 鋼包爐的渣一般情況來說要求是堿性白渣，堿度高R=2.55.0 堿性白渣的精煉功能：脫硫、脫氧、去除夾雜。 造渣要求：快速成渣2、快速成渣方法： 前期造渣適當(dāng)調(diào)小氬氣壓力和流量，可提高電極區(qū)熱量富集，加快鋼包頂渣熔化，同時可穩(wěn)定弧流。造渣料為石灰、螢石、合成渣、埋弧渣、電石、Al粒脫氧劑等。第22頁，共35頁。3、LF精煉渣的功能和組成1）精煉渣的功能：脫氧、脫硫、埋弧、去非金屬夾雜、改變夾雜物形態(tài)、防止鋼液二次氧化和保溫2）精煉渣的成分： CaO ：調(diào)整爐渣堿度及脫硫； SiO2：調(diào)整爐渣堿度和黏度； Al2O3：調(diào)整渣系處于低熔點位置； CaC

16、O3/MgCO3（埋弧渣組成）：發(fā)泡劑和脫硫劑； Al粒：強脫氧劑； 電石：脫氧劑和發(fā)泡劑； 英石：助熔劑和調(diào)黏度。3）對精煉渣的要求（1）爐渣堿度；（2）在精煉鋼液的過程中，渣子應(yīng)具有很大的脫氧能力；（3）爐渣的流動性；（4）要有適合的渣量；（5）要有足夠大的相互表面。第23頁，共35頁。4、為什么要保證一定的渣層厚度？ 1）、渣層越厚，從渣表面損失的熱量就越少。前20min內(nèi)，渣表面單位時間內(nèi)散熱較快，溫降較大，20min后，散熱量逐漸減少，最終達(dá)一較穩(wěn)定值，溫降值基本保持不變。2）、渣厚小于50mm時，渣厚對渣表面散熱量影響較大，渣厚大于50mm，不同渣層厚度對渣表面的熱損失基本相同，引

17、起的鋼液溫降也最小，20min后僅為1。所以從減少鋼水熱損失方面來說，有必要保證大于50mm的渣層厚度。3）、同時，從脫硫及吸附夾雜物的角度，也需要一定的渣量。第24頁，共35頁。5、爐渣性能判斷及調(diào)整 由于爐渣成分化驗滯后和運行成本問題，實際生產(chǎn)中不能及時對爐渣進(jìn)行理化性質(zhì)檢測，而主要通過經(jīng)驗來了解爐渣性質(zhì)并采取措施予以調(diào)整，保證爐渣最佳脫硫狀態(tài)。正常情況下LF爐渣子顏色隨著氧化性變化，渣子氧化性不同，其顏色也不同。同時爐渣堿度不同，其物理狀態(tài)也不同，因此可以利用對渣子狀態(tài)觀察來判斷其氧化性和堿度情況情況，。為及時了解渣子特性，需要對渣子外觀物理特性有所了解，實際生產(chǎn)中，使用燒氧管粘鋼包內(nèi)渣

18、子，觀察渣子顏色形狀來判斷渣子氧化性和堿度等化學(xué)性質(zhì)，然后做相應(yīng)調(diào)整，保證爐渣合適的理化性能。第25頁，共35頁。七、脫硫技術(shù) 1、脫硫為什么需要先脫氧？ “脫硫必須先脫氧”，在元素周期表的排列中，硫和氧屬同族元素，但氧元素比硫元素的化學(xué)性質(zhì)更為活潑，當(dāng)向鋼水中加入脫硫渣劑時，氧元素首先會與之發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致爐渣的脫硫效果明顯降低。所以，要想得到極低硫鋼，必須先得到極低氧的鋼。第26頁，共35頁。2 鋼水脫硫基本原理 相對轉(zhuǎn)爐氧化性爐渣而言，LF爐脫硫是在還原渣條件下進(jìn)行的，因而其脫硫效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)爐，其反應(yīng)主要發(fā)生在爐渣和鋼水界面之間，通過鋼渣反應(yīng)，使硫由鋼水向爐渣的擴散轉(zhuǎn)移，其基本反應(yīng)

19、為：FeS+(CaO)(CaS)+(FeO)。 LF爐精煉脫硫，首先要形成還原性的白渣，將氧化性鋼包渣子進(jìn)行還原，渣中w(FeOH-MnO)1原才比較充分，然后鋼水和爐渣中的氧以FeO形式被渣子吸收，在白渣中還原，并達(dá)到一定的平衡值，這是脫硫去夾雜的基本條件，在一定堿度和氬氣環(huán)境下，CaO被還原渣中A1、C、Si等元素還原出Ca與鋼水中的硫反應(yīng)形成高熔點CaS進(jìn)入爐渣。LF爐脫硫效率受鋼水條件、爐渣狀況、動力攪拌及操作多方面影響。第27頁，共35頁。3 脫硫基本條件“三高一低” 高堿度高溫 大渣量 低氧化性4、影響脫硫因素： Ar氣攪拌強度、鋼水流動性、鋼水初始硫含量、精煉時間、鋼種類別等。第

20、28頁，共35頁。八、脫氧技術(shù)1、LF脫氧理論基礎(chǔ) 鋼中溶解氧和脫氧產(chǎn)物中的氧總和叫全氧，其主要來源可以概括為：轉(zhuǎn)爐氧化渣帶入；耐火材料侵蝕帶入；吹氧生成的氧化物；脫氧產(chǎn)物來不及上浮。相對應(yīng)的脫氧方法主要有沉淀脫氧和擴散脫氧兩種。 降低鋼中的氧含量包括加入脫氧劑降低鋼液中的溶解氧含量和將脫氧形成的氧化物夾雜從鋼液中上浮排出兩個過程。第29頁，共35頁。2、LF脫氧方法 1）沉淀脫氧：脫氧劑脫氧一般是沉淀脫氧，脫氧劑一般為含有Si、Mn及其他元素（Ca、Mg、Ba）的合金，強脫氧劑為純鋁或鋁合金。淀脫脫氧是直接向鋼液中加入還原性較強的元素進(jìn)行脫氧，特點是脫氧速度快，效率高，成本低，但是脫氧產(chǎn)物容

21、易污染鋼水。 2）擴散脫氧：所謂擴散脫氧就是在煉鋼的過程中鋼水中的氧和渣中的氧成一定的比例,利用脫氧劑脫去渣中的氧 由于鋼渣中的氧被脫去這時鋼水中的氧就會進(jìn)入到鋼渣,而這時可以再向鋼包中加如脫氧劑再把剛渣中的氧脫去,如此循環(huán)幾次以達(dá)到鋼水脫氧的目的. 擴散脫氧是鋼液中氧通過鋼渣界面逐漸擴散至渣中的一種脫氧方式，特點是脫氧產(chǎn)物不污染鋼水、脫氧較徹底，但是脫氧速度較慢。 LF脫氧綜合采用了這兩種脫氧方法，結(jié)合了兩種脫氧方法的優(yōu)點，具有脫氧速度快、脫氧產(chǎn)物不污染鋼水，脫氧較徹底的特點。第30頁，共35頁。3.LF爐常用的造渣脫氧劑：（從強到弱）（1）AL粒（2）電石（3）硅鐵粉4、LF頂渣工藝與氧含量的關(guān)系“頂渣”就是盡量不讓氧化渣進(jìn)入LF鋼包中去。轉(zhuǎn)爐氧化渣中含有10%30%的氧化鐵，如果氧化渣大量進(jìn)入鋼包，便會向已脫氧的鋼液源源不斷地供氧，造成大量合金元素氧化，降低合金元素的收得率，增加鋼中全氧含量。 煉鋼廠采取擋渣球和擋渣塞出鋼方式，盡量減少氧化渣進(jìn)入鋼包，從而大大降低鋼中全氧含量，利于LF造堿性白渣。 第31頁，共35頁。5、精煉渣系對氧含量的影響精煉渣系不僅有脫氧的要求，而且還有脫硫、吸附夾雜物以及埋弧造渣的要