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LF钢包精炼炉培训教材LF钢包精炼炉培训教材冶二车间2010年4月目 录1 精炼炉的常识及功能32 精炼炉设备的认知52.1 布局形式52.2 主要工艺参数52.3 钢包炉盖52.4 LF钢包精炼炉用耐火材料63 LF对炉前钢水的要求74 LF炉生产工艺和操作技术74.1 处理过程74.2 造渣技术94.3 发泡和埋弧技术144.4 供电技术154.5 脱硫技术164.6 铝含量控制技术174.7 温度控制技术174.8 喂线技术184.9 钢中气体控制技术214.10 吹氩技术214.11 夹杂物控制技术224.12 热态钢渣循环利用技术254.13 防止增碳技术261 精炼炉的常识及功能LF炉(ladle refining furnace )起源常称钢包精炼炉或钢包炉，是由日本特殊钢公司于1971年研制成功的。开发初意是把EAF中的还原操作移到钢包中进行。LF炉特点LF炉是一种特殊的精炼容器，多采用埋弧精炼操作。其特点主要有：将初炼炉内熔炼的钢水送入钢包，再将电极插入钢包钢水上部炉渣内并产生电弧，加入合成渣，形成高碱度白渣，用氩气搅拌，使钢包内保持强还原性气氛，进行所谓埋弧精炼（如图1-1所示）。由于氩气搅拌加速了渣钢之间的化学反应，用电弧加热进行温度补偿，可以保证较长的精炼时间，从而使钢中的氧、硫含量降低（硫大约最低可到10ppm，总氧可到25ppm以下）。LF钢包精炼炉设备投资少，可显著提高车间产量。最近，此法广泛应用于转炉炼钢车间，与转炉配合生产，可以在浇注（铸）前有效地均匀和调节钢水温度、成份，从而使得转炉炼钢厂可以较低的成本生产质量极高的钢材产品。LF炉分类按电极加热方式分：交流钢包炉和直流钢包炉(50t)。直流钢包炉包括单电极直流钢包炉、双电极直流钢包炉、三电极直流电弧电渣钢包炉。图1-1 LF钢包精炼炉原理图LF炉功能LF钢包精炼炉能取代初炼炉进行还原操作，可对钢液实施升温、脱氧、脱硫、合金化，采用吹氩搅拌，使钢流成分温度均匀，质量（纯净度）提高，具体功能（功能图见图1-2）：1）电弧加热升温；2）钢水成分微调（主要的合金仍在转炉出钢过程中加入钢包并将其成分控制在钢种要求的下限，钢包精炼炉再根据需要加入少量合金进行微调。少量易氧化的合金主要在钢包精炼炉添加调整）；3）脱硫、脱氧、去气、去除夹杂（需要强调的是，为了取得较好的脱硫效果，在脱硫前必须先对钢水进行脱氧，使钢中氧含量降到较低水平）；4）均匀钢水成分和温度；5）改变夹杂物的形态；6）作为转炉、连铸的缓冲设备，保证转炉、连铸匹配生产，实现多炉连浇。 图1-2 精炼功能图302 精炼炉设备的认知2.1 布局形式1) 双工位回转台方式一个工位精炼，一个工位软吹氩（等待）2) 一处理位+一吊包位方式3) 一处理位+两吊包位方式2.2 主要工艺参数处理容量: 120t额定容量 (功率)：20,000KVA或说20MVA极心圆(又称电极节圆、分布圆直径 )： 750mm电极直径：450mm（超高功率UHP石墨电极）2.3 钢包炉盖炉盖是LF钢包精炼炉设计的关键部分，因为很多情况下钢包精炼炉的冶金效果在很大程度上取决于炉子内的气氛控制。为了避免空气从炉盖和钢包之间的间隙及炉盖开孔处进入炉内，采取了一些必要的保护措施，包括使用过程中必须采取的包口清理和维护工作。冶二车间120t钢包精炼炉的炉盖为全水冷管式炉盖（图1-3），整个炉盖用无缝钢管和特制弯头组焊而成，形成均流无死点的高效水冷强制循环。炉盖为外排烟形式，在炉盖下沿设一裙边，收集钢包口溢出的烟气；炉盖顶部为一直桶形水冷圈，收集电极孔处的烟气；两部分烟气最后汇合成一总排烟管，与除尘管道对接。这种形式的炉盖结合烟道调节阀的开度调节可以确保炉内的还原性气氛，同时防止尽量少的烟气溢出。就钢包炉盖技术而言，原来普通结构的耐火材料炉盖倾向于被水冷炉盖取代。虽然水冷炉盖的热损失比耐火材料炉盖高（水冷炉盖大约2550kW/m2 ，耐火材料炉盖大约1220kW/m2），但该差异的总体影响对80t的钢包在40分钟处理时间仅小于2kW/t，这点差异与节省的耐火材料和容易操作相比显得微不足道。图1-3 全水冷管式钢包炉盖2.4 LF钢包精炼炉用耐火材料钢包衬寿命不高是影响炉外精炼发展的严重障碍，这种情况在具有加热手段的精炼炉上表现尤为突出。由于LF钢包精炼炉在精炼过程中要进行电弧加热，吹氩搅拌和渣精炼，因此钢包耐火材料受到连续的热冲击，化学腐蚀，机械磨损，侵蚀等损坏。所以，精炼炉钢包衬对精炼处理而言非常重要。因此，精炼钢包用的耐火材料具有以下几个特点：（1）高温耐蚀性能精炼钢包在温度和时间方面都要求非常严格，最高温度往往达到1750以上。在精炼过程中，熔渣的碱度在0.64范围内变化，内衬材料受到高温下浸透性强的酸性渣和碱性渣两者的侵蚀，损毁速度很快。（2）高温耐磨性由于钢包精炼采用了强制搅拌，激起了钢液夹带熔渣的流动，对内衬产生洗刷而呈现磨损作用，它侵入砖缝处，往往使之遭到严重损耗，并出现超前蚀损。（3）高温真空稳定性对于有真空精炼手段的车间如RH、VD、VOD等，钢包的耐材必须考虑高温真空稳定性。（4）耐剥落性钢包精炼的容器是钢包，所以急冷急热频繁，而且是间断操作，使用条件非常苛刻。为了适应这种严酷的操作条件，一般选用具有再结合砖的耐蚀性又有提高耐剥落性的半再结合砖。对于LF渣线部位一般选用的材质有：MgO-Cr2O3砖、MgO-C砖和MgO-CaO-C砖等碱性或复合耐火材料来提高其使用寿命。MgO-Cr2O3砖也常用于RH插入管处。LF精炼钢包除渣线部位外，侧壁熔池通常用高铝砖砌筑，底部用锆石英砖或高铝砖砌筑。如果考虑到冶炼钢种的洁净度，可采用高铝砖中添加Cr2O3的耐火材料，但是这种耐材价格太高。砌筑LF精炼钢包内衬（除渣线外）的高铝砖的Al2O3含量通常选用70%80%以上的原料制造。现在，在LF钢包侧壁采用Al2O3-MgO-C砖、Al2O3-C砖也都获得了较好的效果。总之，钢包衬使用碱性耐火材料具有一定的优越性，它很容易地使炼钢厂达到清洁炼钢工艺的目的。但是，它必须综合考虑其它因素，例如精炼工艺、渣成份、预热要求（一般要求钢包衬预热温度达到9501150。预热良好的钢包可以减少操作成本，而且包衬寿命得以延长）和成本等。目前，冶二车间120t钢包的包底砖、包身砖均采用的铝镁砖，渣线部位则采用的是镁碳砖。根据LF钢包的操作条件，渣线部位使用MgO-C砖损毁的原因虽然是多方面的，但主要有以下几点：1）氧化引起C的消失；2）熔渣侵入脱C层；3）熔渣成分与MgO-C砖中的MgO进行反应生成低熔点物质，由此而造成了反应层蚀损；4）防氧化金属添加物的氧化或膨胀，造成组织劣化以及间隙操作（热循环）条件而导致结构疏松；5）在高温下，因MgO-C砖的强度不足而引起的破裂与脱落。3 LF对炉前钢水的要求（1）对炉前钢水自由O含量的要求 1）降低钢水终点氧含量 通过降低钢水终点碳氧积，可以到达降低钢水终点氧含量的目的，还可以减少脱氧剂的加入量。具体措施有：适当降低出钢温度以及维护好炉型，避免前后大面及耳轴过厚及“长胖”，增强复吹效果及保证一定的后搅时间，有利于降低钢水终点碳氧积。 2）转炉钢水终点自由氧含量越高，要求脱氧剂的加入量也就越多，生成的夹杂物总量也就越多。3) 出钢深脱氧，钢液易吸氮。对于氮含量要求严格（N0.0030%）的钢种则不宜采用此脱氧模式。（2）对转炉下渣的要求1）转炉渣中的P2O5使钢水回P；2）转炉渣中的FeO侵蚀钢包、增加脱O合金渣料的消耗，延长精炼钢水的脱O时间，转炉渣中的FeO在20%左右，而在精炼过程中，要求渣中的(FeO+MnO)小于1%，以使钢水脱氧。3) 转炉渣中的SiO2是非稳定性产物，渣中的SiO2易使钢水增Si。4）对一般钢种，要求转炉吨钢下渣量小于5kg。4 LF炉生产工艺和操作技术4.1 处理过程一个完整的LF炉处理过程包括如下几个阶段：待机钢包到达处理钢包吊走处理过程见附图1所示。待机当LF炉处理完成，钢包车开出，钢包由行车吊走后，LF钢包精炼炉即转为待机状态。但这时钢水有可能由于不可预见的原因又重新返回LF钢包精炼炉。当LF炉处于待机状态时，操作人员可进行LF炉设备状态检查、查看生产计划、为新一包钢水的到达作准备等工作。如果出现异常，操作人员应马上告知车间并等待回应。一旦一切正常，确认无误后，操作者可以进行必要的准备及操作（即进行测温或取样的准备，预先对造渣料或铁合金进行称量等工作）。钢包到达当钢包从炉前由行车吊到LF的钢包运输台车上时，表示钢包到达。钢包到达后，操作工应检查所有数据的代表性，确认本炉次的数据，人工接通钢包底吹氩的快速接头，开始吹氩，检查吹氩是否进展顺利如透气砖是否堵塞等。处理过程LF炉的处理状态是从钢包到达处理位炉盖降下后开始的，操作工可以开始第一次测温、（定氧）、取样操作；然后，操作工还可以开始第一批物料的添加（主要是造渣材料，也可能有Al或合金材料）。遇钢包氩气小、冲渣、B样不具代表性等原因，钢包内钢水的温度和成分并未均匀，钢水在到达LF炉后，应在氩气搅拌几分钟后再取样分析，根据测温和取样结果，与钢水的目标成分及温度比较，确定物料和电力投入量。随后进行电极下降、通电加热、测温取样等操作，根据测温取样的结果进行温度和成分的再调整。测温取样可能进行多次，由温度及成分调整的结果决定。当钢水温度和成分达到目标值后，处理结束。在整个处理过程中均进行钢包底吹氩搅拌，但在不同阶段其流量不同。在处理过程中，如果LF出现故障，应及时通知车间及调度室。处理过程结束是操作工根据钢水温度及成分由人工确认。当钢包运输台车从处理工位开出，处理过程结束。合金及造渣料的添加系统组成见图1-4。图1-4 合金及造渣料的添加系统组成钢包吊走当操作工人确认钢水温度和成分已达到目标值时，启动钢包车向LF炉的喂丝工位运行，进行喂丝、软吹、测温取样、投入覆盖剂等操作，然后开至吊包位，当钢包吊离钢包运输台车后，表示本炉次已结束。钢水在LF钢包精炼炉的处理步骤及时间组成钢水在LF钢包精炼炉主要进行以下一些处理：钢包到达LF钢包精炼炉后测温、（定氧）、取样；渣调整、脱硫；成分粗调整(可能包括脱氧剂的投入，取决于钢种的要求及来钢情况)；通电升温；成分微调；吹氩搅拌；处理过程中及处理结束前的测温取样(处理过程中有可能要进行几次测温取样)；4.2 造渣技术目的：造泡沫渣以埋弧加热，造白渣以脱硫。途径：出钢造渣+精炼造渣。材料：固体渣、石灰、预熔渣、调渣剂、发泡剂等。固体渣，又称固体合成渣，如电解铝的二次废弃物Al-20，属于简单混合物或称之为机械混合物。它是将钢包精炼渣所需的各种原料（石灰、钒土、莹石等）破碎后按一定比例机械混合而成，其生成工艺简单。这种由各种组分混合而成的渣，由于组分比重的差异易产生成分偏析、性能不稳定，且放置时间长时易水化，影响精炼效果，甚至使钢液H增加，引起质量问题。；预熔渣，又称预熔型颗粒精炼渣，一般为CaO-Al2O3渣系，渣系熔点1400。它是将组成精炼渣的各种原料破碎后按一定比例机械混合后用化渣炉去杂质、水淬粉碎后制成，其成分均匀、性能稳定，储存时不吸水，在LF钢包精炼炉使用时成渣速度快、吸热小、粉尘少，对环境污染少；发泡剂常采用的是含碳类化合物，如CaCO3、MgCO3、SiC等。脱S用渣料：如加入的石灰。脱O用渣料：如促净剂。复合渣料：如调渣剂、复合脱O、S剂。（1）合成精炼渣的作用LF炉精炼过程中向钢包内加入特殊配比的合成渣料，在电弧加热下熔化成液态渣，达到进一步精炼钢液，绝热保温的目的，其冶金作用如下：1）采用高碱度、高还原性渣料可以进一步脱除钢中硫、氧；2）保护包衬，提高热效率；3）吸收钢中夹杂物，净化钢液；4）隔绝空气，防止钢液吸收气体；5）对夹杂物进行变性处理。合成精炼渣确定成分原则CaO：渣中的CaO应尽可能大，保证渣的碱度，使熔渣具有较高的脱硫和吸附夹杂能力，但CaO过高将导致熔化温度较高，同时导致渣对溶池的热传导能力下降，不能充分利用电能。SiO2：为造高碱性渣脱硫需要，LF顶渣中应尽量少含SiO2。如果渣中的SiO2含量高，会在LF精炼后期发生渣中的二氧化硅还原反应，这样不仅要消耗铝，而且有可能使钢液增Si出格。Al2O3：渣中Al2O3 如果能与CaO保持合适的比例，则渣的流动性越好，有利于降低渣中不稳定氧化物。MgO：钢包渣线部位采用Mg-C砖砌筑，只有当炉衬耐火材料中的MgO与钢包渣中的MgO达平衡时，炉衬才不会被侵蚀掉，所以从延长炉衬寿命角度，渣料中应保证一定的MgO含量。典型的合成渣成份见表1-1。表1-1典型合成渣的成分范围, %CaOSiO2Al2O3MgOFeO+MnO40-601025-451510莱 钢505516206978582.53.0造精炼炉渣原则：1）尽量使渣系在低熔点区(看渣面的流动性) 渣的流动性好，从而有利于界面反应，有利于吸收上浮的夹杂物。炉渣过稀过稠都会降低脱氧脱硫速度。若渣面有结块的，说明结块部分存在有高熔点物质，或整个渣面流动性不好结壳，说明渣系熔点偏高，可加入一些铝矾土或助熔剂如CaF2、B2O3等以便化渣。进站渣稀，加石灰或菱镁矿。2）精炼前期造泡沫渣做到埋弧加热，增强通电升温的效果。3）造还原性的白渣尽快造好还原性和流动性好的碱性顶渣用于吸收夹杂和覆盖钢水。减少因渣的氧化性致使钢液Al、Ti的二次氧化。Al 比Si有更强的脱氧能力。以Al处理钢液，(FeO+MnO)含量更低，脱硫更容易。但是一定的浇铸过程（如小断面连铸）以及一定的钢用途限制了钢中含铝量。所以造渣技术要与一定的钢种相适应。某些渣相区内渣子容易熔化。如果遵循这些规律，得到所要求的好结果是无问题的。由于渣不能像钢那样快速分析，所以要求在操作的过程中多取渣样观察，待渣先冷却下来再根据渣颜色以及渣面的情况进行调渣操作。（5）看渣技巧碱性渣随着炉渣氧化性的高低而呈现不同的颜色，所以渣色是炉渣与钢液脱氧程度的标志。炉渣氧化性强时，炉渣呈黑色，随着炉渣氧化性的减弱即渣的还原，颜色也逐渐变浅，由黑色灰色褐色黄色浅黄色白色（此时（FeO+MnO）一般不大于1%）。黑色：FeO+MnO2%。说明炉渣脱氧不良，需要进一步脱除渣中的氧，可使用铝粒、促进剂、调渣剂、多功能、复合脱硫剂等。 灰色到褐色：FeO+MnO=12%。还需要一定的还原。黄色到白色：这种渣子还原得较好。黄色表明发生了脱硫，这种渣冷却下来后会碎裂成粉状。说明：1) 如果断面光滑、不易裂，说明碱度低；如果呈玻璃状，说明该渣略偏酸性。 2) 如果炉渣呈绿色，说明渣中有氧化铬存在(Cr被氧化成Cr2O3进入渣层中，RH渣或含Cr类不锈钢中有时可见)。3) 采用电石脱渣中氧（脱氧效果、脱氧机理与多功能、促进剂类似），形成电石渣时，炉渣颜色逐渐转为灰白（CaC22%)灰色（CaC22%）深灰带色（CaC22%），此时的灰渣则容易增碳。4) 评定白渣好坏首先要注意渣色，不仅要看炉渣白的程度，而且要看白渣的保持时间。白渣颜色稳定或白色稍带一点灰色，而保持时间长，才能说明钢液脱氧良好。渣色反复变化，表明炉渣脱氧不良，此时需加入一定量适宜的脱氧剂如CaSi粉、SiC、CaC2、铝粒、铝粉等以加速炉渣脱氧。A .玻璃状薄片这表明SiO2、Al2O3或 CaF2含量太高。在这种情况下，应加入石灰，每次加入量不超过0.4kg/t钢，溶解后再取渣样。B .渣面平滑、厚这种渣冷却后应会碎裂(较脆)，是比较理想的渣况。如果不碎裂，那么铝酸盐可能偏高。这种情况下脱硫可能不佳，可多加石灰。C .渣面粗糙不平石灰量过大。可以发现未熔化的石灰颗粒，加入合成渣，每次加入量不超过0.1kg/t，化后再进行根据渣况调渣。（6）LF炉内惰性气氛渣面上惰性气氛对白渣操作是十分必要的，LF炉内的惰性气氛使钢液的含氧量保持在低水平。钢包炉盖坐上钢包上缘时，烟气的大部分（约7585%）是惰性气体，它是来自搅拌钢液。烟气中其他组分是CO、CO2及少量的氧和烟尘。在短期内，特别是在LF过程的初始阶段，烟气中CO量可能增加到超过50%，原因是氧化渣与电极的石墨发生反应。在这种情况下，可以发生C对渣的脱氧。CO气体的生成，增加了炉内的还原气氛。电极在送电过程中与渣中氧化物发生反应：C+FeOFe+COC+MnOMn+CO结果不仅使渣中的不稳定的氧化物减少，提高了炉渣的还原性，而且提高了合金元素的回收率，而反应生成的CO气体使LF炉内气氛具有还原性，进一步提高钢水质量。非氧化性惰性气氛控制主要还是与钢包精炼炉的设计有关。（7）造渣实例实例1马钢马钢120t LF炉炉渣主要成分为CaO、SiO2、Al2O3、MgO。转炉出钢、LF炉造渣过程期间，加入石灰约1000kg、预熔渣800kg造碱度较高的炉渣。随炉渣碱度的提高，脱硫率逐步提高。R4达1.7左右时，脱硫率达到最大值50%，随后随着R4的升高脱硫率呈下降趋势。这是因为当w(CaO)含量过高后，渣中会有固相质点析出，使炉渣粘度提高，流动性变差，影响了脱硫的动力学条件，使脱硫效果变差。生产实践中，当炉渣R4偏高时，采用加精炼预熔渣的办法加以调整。渣量越大，对脱硫越有利。但渣量过大，会导致原材料、电能等生产成本的增加。同时，不利于喂线变性。目前，马钢120t LF炉渣量控制在钢水量1.7%2%。实例2涟钢a) 根据钢样中S含量，适当补加白灰、萤石以提高渣碱度。渣料的配比为： 石灰:萤石 = 3:14:1，如果渣太稀，则补加石灰；如果渣太稠，则补加萤石。b) 沾渣样并观察其颜色，如果渣子发暗，则加入铝粉进行渣脱氧，每批加入20kg直到渣子变为白色。 c) 铝粉应均匀撒在渣面上，而不要投入钢水裸露面或电弧下。d) 造白渣的操作要在钢包炉处理前期抓紧进行。 4.3 发泡和埋弧技术（1）造泡沫渣及埋弧技术的优点节电、提高热效率：减小电弧热量的对外辐射。提高钢包及炉盖的使用寿命。有利于快速脱O、S。（2）发泡技术：在送电时加入发泡剂（含C类材料，如CaC2、碳酸盐等），以便于渣子发泡，同时渣子不能太稀。（3）埋弧加热(涟钢)a) 开始加热时，炉渣较死，不易埋弧，应采用低级电压。b) 渣形成后，根据埋弧情况，逐渐加大电压级数。c) 加合金、测温、取样期间应断电，抬起电极。d) 如果钢水温度较高，要求升温速度在2/min左右，此时采用中级电压。e) 连续升温10min以上时，应停止加热。吹氩搅拌23min以使钢液温度上下均匀，不致造成渣面温度过高（渣面温度过高，易烧穿渣线部位）。f) 加热期间电弧不稳定时，要降低吹氩搅拌强度。研究表明，当渣厚与弧长相等时，电弧表现为明弧燃烧 ；当渣厚为弧长的 1.5-1.7倍时，电弧表现为侵人式燃烧；当渣厚超过弧长2倍以上时，电弧才表现为埋弧燃烧(对流及传导传热) ，才能实现电能的有效利用。若熔渣不起泡，难以很好地实现埋弧操作。以前，人们习惯用R.I.（耐火材料烧损指数）来衡量电弧对钢包耐材衬的影响，但由于目前的LF钢包精炼炉普遍采用泡沫渣操作，所以R.I.指数已不再适用。在通过电弧加热的过程中，为了提高热效率和保护钢包衬，需要进行埋弧操作。交流电弧在不同时期，其弧长与弧电压的关系是不同的，表达式如下：V= + l(电弧电压的大小是由弧长来决定。电弧长则电压高，电弧短则电压低)。其中，V、l 分别为弧电压和弧长，、为常数。在钢包精炼的渣料熔化期，阴极电压降为10V，阳极电压降为30V，电弧柱电位梯度为1.01.15V/mm；在钢包精炼的泡沫渣内，阴极电压降为10V，阳极电压降为10V，电弧柱电位梯度为0.50.7V/mm。故也可由下式进行估算：渣料熔化期 电弧长L（Varc-40）/1.01.15泡沫渣内 电弧长L（Varc-20）/0.50.7一般情况下，渣层厚度至少应为电弧长度L1520mm。有些文献认为当渣层厚度为弧长的两倍时，热效率较好。所以，在LF钢包精炼炉的操作中存在一个基本渣量（埋弧渣量），即无论是否考虑脱硫、脱氧，钢水表面均应保证埋弧渣量。要注意的是，渣层厚度不能单靠增加渣量来满足，现在钢包精炼炉中普遍采用的泡沫渣技术就可以在小渣量下实现埋弧操作。LF实现全程埋弧操作后，可使 LF处理的吨钢电耗和电极消耗分别下降 12.5%、26.6%，而钢包的平均使用寿命可提高26.8%。4.4 供电技术主要有变压器电流、电压、功率供给技术。供电技术比较复杂，变压器有多档供电曲线（如：13档，前5档恒功率供电，后8档恒电流供电；11档，前5档恒功率供电，后6档恒电流供电），具体供电工艺依各种具体情况由二级机数学模型自动控制。三相视在功率是三相电的总的功率，它包含有功功率和无功功率。有功电度应该称为有功功率，就是设备实际消耗的功率。无功电度应该称为无功功率，就是被设备占用但并未消耗的功率。有功功率=视在功率功率因素。无功功率=视在功率有功功率。注意：功率因素的数学表达式为cos，值在0.60.8之间。通过变压器、二次侧短网将电能输送至电极，电极起弧将电能转化为热能传输到钢水，从而达到加热升温的目的。 一般在精炼初期采用短电弧、大功率，以快速熔化渣料；在渣料熔化后，适当拉长电弧，增大输入功率，快速升温。供电时，严禁加含铝、含钛类合金，这是由于通电过程中会将空气中的氮气、氧气解离，加上通电过程中钢液的上部温度相对较高（尤其是渣面温度更高），加入的含铝、含钛类合金很快就熔解，此时氩气又处于软吹状态，因此上部钢液Al、Ti浓度高，易与O、N发生反应生成Al2O3、TiO2、AlN、TiN类物质，不但增加了钢液的夹杂物，还增加了钢液吸氮的趋势。因此，对氮有要求的钢种如510L、Q345qC、Q345qD、380CL、SAPH370、SAPH440、LG370C等应严禁在通电时加入。4.5 脱硫技术脱S反应式： FeS （CaO）(CaS)（FeO） 或 FeS （MnO）(MnS)（FeO） LF炉具有良好的脱S条件：渣碱度较高；渣中氧含量低，无新的氧污染源，渣面上为还原性气氛；通过底吹氩，增加钢渣间的反应。提高脱S效率的措施：1）提高转炉的挡渣效果，减少到钢包的转炉终渣量，是提高脱硫率的有效方法。因为到LF炉的转炉终渣量少，在加入同样碱性氧化物量的情况下，使LF炉熔渣的碱度提高；到LF炉的转炉终渣量少，渣中的（FeO+MnO）含量就低，减少脱氧剂用量，能快速达到脱硫条件。2）尽快化渣脱O，形成碱度高、流动性好、FeO含量低的白渣，加快脱S速度。3) 视渣的粘稠度加入部分CaF2等调渣。4) 若脱S没达到要求，可补加渣料。5）钙线的喂入也有脱S作用。此外，温度对脱硫反应本身的影响并不大，但高温能促进石灰的熔解和提高熔渣的流动性，获得高碱度的熔渣。首钢二炼钢在0.020%左右的转炉出钢硫水平下,快速冶炼出0.002%超低硫钢的工艺技术及其影响因素，得出如下结论：(1) 在不延长冶炼时间的前提下，出钢过程加二元合成渣的渣洗脱硫率达到30%左右，显著降低了LF精炼的初始硫含量和顶渣氧化性。如果减少转炉下渣量，可进一步提高脱硫效率。(2) 首钢二炼钢出钢渣洗过程中，将转炉下渣中(FeO+MnO)由平均25.44%降到平均8.54%，炉渣的氧化性明显降低。但应进一步改进,使钢水进LF精炼时，渣中(FeO+MnO)2%，甚至达到1%。(3) LF终渣R为4.55.5，Al2O3为19%25%，这种配比的炉渣可将S脱到2010-6，炉渣的熔点低，流动性好，加快了脱硫速率。(4) 提高钢包入LF的温度，并提高入LF后第1次加热的热效率，使钢水温度能迅速升至1570以上，加快化渣速度，缩短化渣时间，是提高LF精炼效率的重要方法。钢包中的回磷钢包中回磷的主要原因是由于钢水中P2O5减少，且钢水的氧活度极低。成品钢中的磷含量一般高于冶炼终点的磷含量，这种现象称为回磷脱硫过程为炉渣中P2O5的减少创造了热力学条件。如果钢水温度过高并且钢水中加入了脱氧剂（如硅铁、锰铁和铝），造成炉渣中的碱度和FeO活度降低，从而为回磷创造了好的条件。回磷量的多少很大程度上与出钢下渣带入钢包的磷量有关，所以转炉出钢下渣量的控制十分关键。4.6 铝含量控制技术1600 Al-O平衡图见表1-3。表1-3 1600钢中平衡Al、O含量从表中可以看出，平衡溶解氧只有3-5ppm。钢中的氧绝大部分是以夹杂物的形式存在。 酸溶铝Als：溶解在钢中的铝，包括随后析出的AlN；酸不溶铝AlXOY：存在于夹杂物中铝；全铝Alt：酸溶铝+酸不溶铝。能细化晶粒、提高钢材性能的是酸溶铝Als。顶渣氧化性越大,铝损失越多,钢中夹杂物含量也越大。 Als控制过低，钢液脱氧不良，铸坯易产生气泡缺陷；Als控制过高，二次氧化又生成大量三氧化二铝类夹杂物。4.7 温度控制技术在LF钢包精炼炉的冶金工艺中，处理过程中各种各样的热损失是需要重点考虑的问题，因为目前在大多数生产厂，连铸已经成为了主要的甚至是唯一的钢水浇铸手段。为了满足连铸的连续浇铸要求，对钢水的温度控制精度和供钢周期提出了更高的要求。从转炉出钢到钢水到达连铸开始中间包浇铸之前，期间由于各种炉后精炼处理，钢水会有许多热量的损失和热量获得，主要包括：因热传导由钢包衬带走的热量，因热辐射向周围散失的热量，因与空气对流损失的热量；由于钢包吹氩搅拌等，热量的传输速度将进一步增加；因添加物，如铁合金、合成渣或喂线所引起的钢水温度降低；通过电弧加热输入钢水的热量或通过化学加热输入钢水的热量。其中，LF钢包精炼炉的电弧加热手段是价廉而有效的，并且在加热过程中基本不会对钢水的成分造成污染（注意，有时因电极头的熔入、加完覆盖剂后的事故升温等导致钢液增碳而出格）。当钢水倒入钢包时，由于热传导，热量会通过包衬壁和包底散失，从而在钢水内部形成温度梯度。温度分层的程度通常取决于钢包的热累积、钢包大小、出钢温度和渣层厚度。在钢包底部有冷钢和顶部有热钢的情况下，温度梯度约为2040，并将导致对流运动。温度控制对钢水的冶炼操作和产品质量都具有十分重要的意义。因为，过度的过热会对连铸操作和铸坯的宏观及微观组织产生比较大的影响。通过氩气搅拌可消除温度分层，但是应认真考虑适当的搅拌时间，因为长时间的搅拌可能会沾污钢水。4.8 喂线技术种类：硅钙线、钙铁线、碳线、铝线等。喂铝线（图1-5）图1-5 喂铝线速度与铝收得率关系加入钢水中铝，很快熔化并浮于钢液面，与空气或炉渣中的氧剧烈反应，被钢水烧损。安钢：铝线要求一次补够(尽量避免后期补铝)。 喂钙线喂钙线的主要目的是改善流动性，起到夹杂变性作用而不是为了脱氧脱硫。向钢水中添加钙时，重要的一点是保证CaSi的投放深度应足以防止钙的蒸发。在钢水中的分解过程中，如果硅伴随着钙，因为很强的相互反应，有望实现低得多的平衡蒸汽压力。因此，CaSi线的回收率要比钙铁线要高。注意，由于钙线易受潮，因此在生产中常遇到喂硅钙线时钢水翻腾得厉害。当CaSi线在钢水中消失的地方如果冒出过多的浓烟，应加快喂线速度以增加投放深度。钢水若不讲究钙处理工艺则容易产生高熔点的铝酸钙夹杂和硫化钙夹杂。钙喂到铝镇静钢后，将有以下反应发生：Ca+O=（CaO）Ca+S=（CaS） (钢中含硫较高时 )3Ca + (Al2O3) 2Al + 3(CaO) Ca+(Al2O3)=(铝酸钙)+Al可能造成水口堵渣的是那些熔点超过1550的固态夹杂物。钙处理对夹杂的变性作用就是通过向钢水中加钙，把熔点高于1550的富含Al2O3的钙铝酸盐夹杂改变为熔点低于1550、含较多CaO的钙铝酸盐夹杂。钙加入量不足或加入方法不当造成钙的吸收率很低，都将无法保证对的充分变性。铝镇静钢中加入少量钙时，其浇铸性能不但得不到改善，反而会有恶化的趋势？假如钢中钙保持在0.001%的水平，在低硫的条件下(S%0.015，由于存在着 Ca + S = CaS 的反应和平衡则会降低钢水中钙的活度，使其低于生成液态铝酸钙所必需的活度值，钢水中的溶解钙含量不足以起到对Al2O3 夹杂进行良好变性的作用，无法保证液态铝酸钙的充分形成，而只能生成固态的铝酸钙和硫化钙夹杂物，这对钢水的正常浇铸是双重的不利因素。过低的钢水温度，即加速了钢水中高熔点夹杂物的析出，又加速了钢水的冻结，这是显而易见的。加入钙之后钢中Al2O3 并不一定会全部转变成低熔点的铝酸钙。再有加入的钙还可能生成CaO6Al2O3，CaO2Al2O3或2CaOSiO2等,这些夹杂的熔点仍然很高,在钢水温度下仍然保持固体状态，也同样会造成水口堵塞。对于钙处理钢，造成水口堵塞的因素有两个：一是钙加入量不够，在向钢水中加钙的过程中，随着钢水中钙含量的不断增加，夹杂物中钙的含量也在增加，形成的复合夹杂物依次为CA6、CA2、CA、C12A7、C3A（C与A分别代表CaO和Al2O3），其中前两个的熔点均在1700以上，在实际大生产中必须加以避免。从图1-6可以看出，钢中钙含量达15104左右时，相应夹杂物中钙的含量在15左右，此时形成的主要是高熔点的CaO2Al2O3夹杂物，因此钙处理必须确保向钢中加入足够量的钙，根据图中可以初步推测钢中钙含量至少大于25104时，才不会导致钢水浇铸性能的恶化。图1-6 钢中钙含量与夹杂物中钙含量的关系另外一个造成水口堵塞的因素就是钙的加入量过多，从而形成高熔点的CaS（熔点为2450），此时同样会恶化钢水的浇铸性能。Ca与O的结合力大于与硫的结合力。硫含量高时，钙先进行脱氧，然后进行脱硫反应，生成硫化物，同时将Al2O3变性为钙铝酸盐。随着钢中铝含量的增加，氧的活度降低，有利于硫化物的形成；随着钢中硫含量的增加，有利于形成高熔点的CaS；钢水温度降低时，氧的活度降低，也有利于CaS的形成。显然在1550的中间包浇铸温度条件下，当钢中铝含量为0.030%时，为了防止生成CaS夹杂物，钢中硫含量不得超过0.015%。详见图1-7。图1-7 不同温度条件下钢中硫、铝含量对形成CaS的影响在喂线时如果看到渣面上有白色Ca火焰，说明喂丝速度太慢或喂CaSi线时没有用小氩气流量搅拌。在喂丝时因包芯线受热软化且插入钢水有一定的阻力，包芯线无法达到理想的深度，回收率不高，钙分布不均匀，需要长时间搅拌保证钢水钙成分的均匀。涟钢：喂铝线和钙线之间的时间间隔不小于20分钟，喂线后不许再进行加热处理或添加其它合金。马钢：由于夹杂物在钢水中有一个上浮时间，因此，为了控制上连铸的钢水夹杂和总氧量，必须控制精炼过程中的调铝时间和顶渣渣系，其中，调铝必须在精炼初期一步到位，严格控制调铝时间和钙处理时间间隔10min。 喂线时，根据喂线种类调整氩气流量；Al线可适当加大吹氩流量；钙线(Ca-Si、Ca-Fe)要减少吹氩流量，流量大小以渣面涌动，钢液面不裸露为宜。钢包底部的两个透气砖间连线中点（即喂线插入点位于钢水下翻位置），是喂丝线与钢液混匀时间最短的位置，也是喂线效果最佳位置。4.9 钢中气体控制技术钢中的氮和氢对大多数的钢的性能有负面作用。LF精炼操作过程钢液会吸氮，由于精炼过程钢液脱氧良好，溶解氧小于10ppm，在精炼温度下，钢液中的氮含量远未达到平衡，只要钢液与大气接触就会吸氮，因而减少钢液的裸露非常重要。目前LF精炼过程的较好水平，可以保证增氮量小于5ppm。LF增氮的主要原因是钢液与大气的接触，特别是弧区增氮。碳粉及铁合金带入的氮也会在一定程度上使钢液中氮含量增加。LF过程中，要注意加入合金后钢液的搅拌，以免钢液裸露增氮。同时加热采用大功率并且配有泡沫渣，使钢液迅速升温，其时间与泡沫渣持续时间相当，泡沫渣包围弧光，可以有效地提高电能利用率，减少对炉衬的辐射，同时有利于防止钢液吸氮。铝脱氧钢比硅脱氧钢更容易吸氮。 为了控制钢水吸氮量：良好的密封效果；吹氩搅拌时尽量控制吹氩流量，避免钢液面裸露。脱氮反应在精炼过程中基本不存在，这只有在真空处理下才能实现。 从理论上讲，钢包精炼过程中的底吹氩搅拌有助于降低钢中氢含量。但是，由于还原精炼是吸气过程（O、S表面活性元素降低，增加了钢液吸气的趋势），加上加入钢水中的合金和渣料中含的水分，在精炼终点有部分增氢。吸氢主要来源于水蒸汽，其程度决定于钢水中的氧活度，如下式：H2O(g)=2H+O平衡常数如下式：logK=logH2O/PH2O=-(10610/T)+11913由上式可以看出，脱氧钢更加敏感。减少钢中的H的方法是：适当延长软吹氩时间或经过真空处理。 4.10 吹氩技术钢水气体搅拌对脱氧、脱硫、去夹杂、夹杂物形状的改变、钢水成分及温度均匀等功能而言是必不可少的，并且对这些工艺的效果起着决定性的作用。钢水气体搅拌精炼的优点在于成本低而表面搅拌能量高。气体搅拌能使炉渣与金属间的质量转移速度提高，因而能更快地使钢水与炉渣接近平衡，提高精炼效率。钢水的对流混合除了控制混匀速度外，在将反应物运送到反应区（如脱氧和脱硫）以及分配电弧热能方面也发挥着重要作用。而且，搅拌与扰动将促进夹杂聚结并帮助其上浮。吹氩的作用主要是均匀钢水成份、温度、脱气、促使夹杂物的上浮。吹氩注意事项：a) 钢包内炉渣结块、结壳，通电化渣前，可适当增加氩气流量，冲开渣面；b) 合金成分调整时，适当加大氩气流量；c) 精炼白渣脱硫时，适当加大氩气流量；d) 测温、取样时，要调小氩气流量；e) 钢包等待时，调小氩气流量以渣面微动、钢液面不裸露为宜，并且每隔几分钟测温一次；f) 喂丝时，氩气流量以渣面微动、钢液面不裸露为宜。钢厂实例韶钢120t LF炉：加热、加合金后及测温定氧取样前的混匀、脱硫、软吹的搅拌流量分别是20m3/h、30m3/h、50m3/h、510m3/h。 涟钢100t LF炉：(1) LF进站后实施大气量吹氩化渣，氩气流量根据化渣情况而定，通常控制在4060m3/h；(2) 测温。根据温度确定加热时间，通常加热时间在5min左右，加热时氩气量在12m3/h左右；(3) 加入造渣剂。如精炼渣、铝矾土、石灰、萤石等。氩气量控制在12m3/h左右；(4) 大气量4050m3/h吹氩，使渣钢充分混合，进行脱硫；(5) 合金化处理。氩气量2030m3/h，测温，根据钢水温度确定是否需要二次加热；(6) 成分微调。氩气量降到1012m3/h；(7) 喂CaSi线。喂线速度大于3.5m/s，吨钢喂线3.03.5m；(8) 采用10m3/h氩气量钢水静循环大于8min。马钢120t LF：化渣期采用中度吹氩，吹氩流量控制在12m3/h左右;脱硫期采用大吹氩搅拌，吹氩流量控制在21m3/h左右，吹氩亮面控制在300350mm，当钢水中S0.030%时，开强吹氩以快速脱硫，但随后应保证净搅时间8min。4.11 夹杂物控制技术夹杂物对钢材性能的影响主要表现在以下几个方面：1）抗拉强度；2）冲击韧性；3）抗层状撕裂性能；4）抗氢致裂纹（HIC）；5）抗疲劳强度；6）应力侵蚀；7）机械加工性能。在铝镇静或Al-Si镇静钢中，脱氧产物为高熔化点的氧化铝簇，且氧化铝颗粒呈角形。这些因素使它们不容易凝聚成块，从而沉积在中间包水口的内表面并最终导致堵塞。这些固体颗粒在热变形加工后会在钢材内部形成串状或簇状物，在热加工、焊接或热处理后会形成裂纹。有两种方法可以消除这些缺陷：Ca处理；软吹。如果仅仅采用第二种方法，是不能完全去除夹杂物的。在向钢水中添加钙时，初期钙与氧化铝积极反应并形成CaO含量高（40%60%）、密度低、熔点低、呈圆形、大的铝酸盐颗粒。这些夹杂物为CA、C3A和C12A7，其熔点低于1600C。因为表面张力大，这些杂质易于聚结，从而尺寸变大，上浮加快。特别是如果再加上适度的吹氩搅拌，那么杂质的撞击会更加剧。因此，氧化铝含量和总氧会降低。残余的氧化物夹杂物为球形，体积很小，而且在炼钢温度时呈液态。当夹杂物Al2O3、CaO6Al2O3和C+C6A去除后，钢水的流动性迅速提高。这样，在浇铸过程中就不会发生夹杂物的沉积和水口堵塞现象。钢中常见夹杂物的熔点如表1-3所示。表1-3 钢中常见夹杂物的熔点化合物熔点/化合物熔点/CaO2600Al2O32050MgO2800CaO6Al2O31850SiO21713CaO2A12O31750MgOAl2O32135CaOA12O31605MnS162012CaO7A12O31455FeS11963CaO2A12O31535CaS24502CaOSiO2 (正硅酸钙)2130CAS (钙长石)1550A3S2 (莫莱石)1850C2AS(钙铝黄长石)1650FeOAl2O31700FeO1368MnO1785Ca/Al比的控制具有良好可浇铸性的钢水所需的Ca/Al比应在0.080.20范围内（图1-8）。0.04%Al对应3080ppmCa。图1-8 Ca/Al比对钢水可铸性的影响如果钙的收得率为20%（实际生产中，受各种因素的影响，钙的收得率常在822%），要实现对氧化物夹杂物的完全调整，每吨钢需要喂入CaSi线（含30%的钙）0.31.3kg，也就是说钢水中的含钙量为2080ppm。铝镇静钢中的Al2O3夹杂主要为细小的颗粒状、链条状夹杂物，很难去除，必须进行变性处理。铝镇静钢中的Als很高，达到0.02-0.05%，相应钢中的Al2O3夹杂物也很多，必须喂入Ca线，进行Ca处理，使夹杂物变成容易上浮的球状夹杂物或液态夹杂物。LF炉采取白渣精炼，使得钢中全氧含量较低，氧化物夹杂减少，钢水出站前喂钙线，对钢中夹杂进行变性处理，喂钙线后保证弱吹氩时间大于35min甚至更长，有利于夹杂物从钢水中上浮进入渣中，已达到去除夹杂物的作用。通过弱搅拌可使钢夜中夹杂铝含量(AlXOY)降到20ppm以下，夹杂物总量降低了50%。 d) 喂含钙包芯线后，要保证软吹氩时间，且喂铝线和含钙包芯线之间的时间间隔不小于20分钟。e) 喂丝后不许再进行加热处理。LF精炼结束前的弱搅拌非常重要