LF工艺讲义解析课件

1、LF工艺技术LF作业区-周国子 2009年4月第1页，共35页。一、炉外精炼概述二、LF基本原理和主要功能三、电弧加热工艺四、钢包吹氩工艺五、钙处理工艺六、造渣工艺 七、脱硫技术八、脱氧技术第2页，共35页。1 什么叫钢水炉外精炼？ 钢水炉外精炼就是将炼钢炉中初炼的钢水移到钢包或其他专用 容器中进行精炼，也称为二次精炼。一、炉外精炼概述第3页，共35页。2. 国内外炉外精炼技术的发展历程和现状 随着炼钢技术的不断进步,炉外精炼在现代钢铁生产中已经占有重要地位,传统的生产流程(高炉炼钢炉(电炉或转炉)铸锭),已逐步被新的流程(高炉铁水预处理炼钢炉炉外精炼连铸)所代替。已成为国内外大型钢铁企业生产

2、的主要工艺流程, 尤其在特殊钢领域,精炼和连铸技术发展得日趋成熟。 精炼工序在整个流程中起到至关重要的作用,一方面通过这道工序可以提高钢的纯净度、去除有害夹杂、进行微合金化和夹杂物变性处理;另一方面,精炼又是一个缓冲环节,有利于连铸生产均衡地进行。 第4页，共35页。 我国早在20世纪50年代末,60年代中期就在炼钢生产中采用高碱度合成渣在出钢过程中脱硫冶炼轴承钢、钢包静态脱气等初步精炼技术,但没有精炼的装备。 60年代中期至70年代有些特钢企业(大冶、武钢等)引进一批真空精炼设备。 80年代我国自行研制开发的精炼设备逐渐投入使用(如LF炉、喷粉、搅拌设备), 黑龙江省冶金研究所等单位联合研制

3、开发了喂线机、包芯线机和合金芯线,完善了炉外精炼技术的辅助技术。现在这项技术已经非常成熟,以炉外精炼技术为核心的“三位一体”短流程工艺广泛应用于国内各钢铁企业,取得了很好的效果。 初炼(电炉或转炉)精炼连铸,成了现代化典型的工艺短流程。 第5页，共35页。 日本在20世纪70年代为了降低炼钢成本,提高钢的纯净度和质量,率先将炉外精炼技术应用于特殊钢生产中,随后西欧的钢铁企业也加入到推广和使用这项技术的行列中。 据资料报道,日本早在1985年精炼率达到65.9%,1989年上升到73.4%,特殊钢的精炼率达到94%,新建电炉短流程钢厂100%采用炉外精炼技术。80年代连铸技术发展迅速,原有的炼钢

4、炉难以满足连铸的技术要求,更加促进了炉外精炼技术的发展,到1990年为止世界各主要工业国家拥有1000多台(套)炉外精炼设备。 第6页，共35页。 3 炉外精炼技术的特点与功能 炉外精炼是指在钢包中进行冶炼的过程,是将真空处理、吹氩搅拌、加热控温、喂线喷粉、微合金化等技术以不同形式组合起来,出钢前尽量除去氧化渣,在钢包内重新造还原渣,保持包内还原性气氛。 炉外精炼的目的是降低钢中的C、P、S、O、H、N、等元素在钢中的含量,以免产生偏析、白点、大颗粒夹杂物,降低钢的抗拉强度、韧性、疲劳强度、抗裂性等性能。这些工作只有在精炼炉上进行,其特点与功能如下: 1)可以改变冶金反应条件。炼钢中脱氧、脱碳

5、、脱气的反应产物为气体,精炼可以在真空条件下进行,有利于反应的正向进行,通常工作压力50Pa,适于对钢液脱气。 2)可以加快熔池的传质速度。液相传质速度决定冶金反应速度的快慢,精炼过程采用多种搅拌形式(气体搅拌、电磁搅拌、机械搅拌)使系统内的熔体产生流动,加速熔体内传热、传质的过程,达到混合均匀的目的。 第7页，共35页。 3)可以增大渣钢反应的面积。各种精炼设备均有搅拌装置,搅拌过程中可以使钢渣乳化,合金、钢渣随气泡上浮过程中发生熔化、熔解、聚合反应,通常1吨钢液的渣钢反应面积为0.81.3mm2,当渣量为原来的6%时,钢渣乳化后形成半径为0.3mm的渣滴,反应界面会增大1000倍。微合金化

6、、变性处理就是利用这个原理提高精炼效果。 4)可以在电炉(转炉)和连铸之间起到缓冲作用,精炼炉具有灵活性,使作业时间、温度控制较为协调,与连铸形成更加通畅的生产流程。 第8页，共35页。 LF(Ladle Furnace法)(钢包精炼炉法) 1、 LF基本原理 它是1971年由日本大同特殊钢公司开发的,具有在非氧化性气氛下，通过电弧加热、包底吹氩搅拌、造高碱度还原渣，进行钢液的脱氧、脱硫、合金化等冶金反应，以精炼钢液。 LF炉是以交流或直流电通过石墨电极与钢包面的钢渣之间的高温电弧.作为热源加热钢水.电弧在物理学上其本质是一种气体放电现象,电弧温度可高达6000以上.二、LF基本原理和主要功能

7、第9页，共35页。 LF炉通过电弧加热,炉内还原气氛,造白渣精炼,气体搅拌等手段,强化热力学和动力学条件,使钢水在短时间内达到脱氧,脱硫,合金化,升温等综合精炼效果.确保达到钢水成分精确,温度均匀,夹杂物充分上浮净化钢水的目的 ,同时很好地协调炼钢和连铸工序,保证多炉连浇的顺利进行. 第10页，共35页。2、LF主要功能1）钢水升温和钢水保温；2）均匀钢水温度和钢水成分；3）协调转炉连铸生产节奏；4）钢水脱氧、脱硫；5）吸附钢水中夹杂；6）夹杂物变性处理；7）成分微调。第11页，共35页。3 LF法的生产工艺要点 1)加热与控温LF采用电弧加热,热效率高,LF升温速度决定于供电比功率(kVA/

8、t),而供电的比功率又决定于钢包耐火材料的熔损指数。因采用埋弧泡沫渣技术,可减少电弧的热辐射损失,提高热效率10%15%,终点温度的精确度5。 2)采用白渣精炼工艺。下渣量控制在5kg/t,一般采用Al2O3-CaO-SiO2系炉渣,包渣碱度R3,以避免炉渣再氧化。吹氩搅拌时避免钢液裸露。 3)合金微调与窄成份范围控制。使用合金芯线技术可提高金属回收率,齿轮钢中钛的回收率平均达到87.9%,硼的回收率达64.3%,钢包喂碳线回收率高达90%, 高的回收率可实现窄成份控制。 第12页，共35页。4 LF生产流程图钢包进工位预吹氩,测温加热,化渣取样,测温加热,造渣调成分,测温,取样加热,造渣取样

9、,测温喂线,软吹氩测温,取样,加保温剂,钢包出工位第13页，共35页。三、电弧加热工艺1、供电制度的选择 LF炉在加热初期由于炉渣未熔化好，加热速度应慢一些，可以采用低功率供电； 加热中期炉渣熔化后，电极逐渐插入渣层中，此时，由于电极与渣中氧反应的作用、钢包底吹氩搅拌作用、炉中加入的电石与渣中氧反应的作用，炉渣会发泡，渣层厚度会增加，这时可以采取较大功率供电，达到快速升温的目的； 加热后期是根据连铸节奏来控制，一般采用低功率供电来保持钢水的温度。2、加热升温速度 加热升温速度与钢种、钢水量、渣量等因素有关，同时加热时间越长升温速度越快。 第14页，共35页。3、LF冶炼过程温度控制原则（1）初

10、期：以造渣为主。宜采用低级电压，中档电流加热至电弧稳定； （2）升温：较高电压，较大电流；（3）保温：采用低级电压，中小电流；（4）降温：停电，吹氩。第15页，共35页。4、为什么在加热钢水时，必须同时进行吹氩搅拌？ 钢包精炼炉精炼加热钢液的方法是利用三相交流变压器输送电能，一般采用低电压大电流，在三相电极与钢液间产生电弧对钢水进行加热。由于钢包内的钢液深度较大，上部被加热的钢水不易向下流动，传热速度慢，造成上下温差较大，钢包底部钢液结冷钢，为了避免该种现象的出现，在整个加热过程中。必须吹氩搅拌，使在钢包内的钢液进行良好循环流动，确保钢包内的钢液温度均匀。第16页，共35页。a) 净化钢水50

11、-80 l/min b) 加热 100-150 l/min c) 合金化和脱硫操作 180 l/min四、钢包吹氩工艺1、吹氩示例第17页，共35页。2、钢包吹氩作用（1）均匀钢液的成分和温度（2）搅拌的钢液增加了钢中非金属夹杂物的碰撞长大的机会。上浮的氩气泡不仅能够吸收钢中的气体，促进了氢和氮的排出。还会粘附悬浮于钢液中的夹杂，把这些粘附的夹杂带至钢液表面被渣层所吸收。（3）扩大渣、金属反应面，加速反应物质的传递过程，提高反应速率。（4）可以将钢液的温度降到规定的温度要求范围。（5）将渣的过量热转移给钢水。第18页，共35页。五、钙处理工艺 1、钙处理目的 改变钢水中脱氧产物 Al2O3的形

12、态,可确保在炼钢温度下的铝酸盐呈液态.1、Als较低时，钙处理生成低熔点的2Ca.Al2O3.SiO2 在低碳低硅钢喂入Si-Ca线主要目的是脱氧和形成低熔点的球状夹杂物以改善钢水可浇性 中高碳钢喂入Si-Ca线主要目的是改变钢水中氧化物夹杂形态,提高钢水洁净度.2、Als较高时，钙处理保持适当的Ca/Al比，在含铝冷镦钢中喂入Ca-Fe线，使钢水中含有一定的活性Ca，并使生成物的成分在3CaO.Al2O3与CaO.Al2O3范围内，最好生成低熔点的12CaO.7Al2O32、钙处理的包芯线种类: Si-Ca线; Si-Ca-Ba线 Fe-Ca线 Al-Ca线等.第19页，共35页。3、典型钢

13、种SWRCH6A的钙处理工艺 含铝冷镦钢如SWRCH6A等主要的脱氧产物是Al2O3簇状夹杂物，这种夹杂物熔点高，在连铸温度下呈固体，很容易在中间包水口处聚集引起堵塞，导致钢水下不来； 在钢坯中的簇状Al2O3夹杂物在轧制过程中会被破碎沿轧制方向延续分布成长串状夹杂物，造成严重缺陷，因而必须进行Ca处理将其转换成液态的铝酸钙12CaO.7Al2O3，其熔点为1450,在炼钢温度下成为液态,容易上浮,就不会产生堵水口事故。 湘钢炼钢厂通过喂入CaFe 线来改变夹杂物形态，喂入量根据出LF炉的Als含量确定，保证Ca%/Als%0.075，喂完后软吹5分钟以上，确保夹杂物的充分上浮，改善钢水的可浇

14、性。第20页，共35页。4、钙处理后的软吹氩作用 钢水弱搅拌净化处理技术是指通过弱的氩气搅拌促使夹杂物上浮。 由于钢包熔池深，强搅拌下，钢液循环带入钢包底部的夹杂和卷入钢液的渣需要一定时间上浮，这时弱氩气搅拌，吹入的氩气泡可为10m或更小的不易排出的夹杂颗粒提供粘附的基体，使之粘附在气泡表面排入渣中，从而加快夹杂的上浮时间。另外变性的夹杂物也需要有一定的时间上浮。第21页，共35页。六、造渣工艺1、LF炉渣： 炼钢就是炼渣。 LF炉精炼的初期渣由于FeO和MnO较高，呈黑色（渣的氧化性比较强，必须进行强脱氧），随着渣中FeO和MnO逐渐减少，渣的颜色逐渐变为黄色，渣到最后到白色或灰白色，LF炉

15、造白渣能使渣中（FeO%+ MnO% ）1%。 钢包炉的渣一般情况来说要求是碱性白渣，碱度高R=2.55.0 碱性白渣的精炼功能：脱硫、脱氧、去除夹杂。 造渣要求：快速成渣2、快速成渣方法： 前期造渣适当调小氩气压力和流量，可提高电极区热量富集，加快钢包顶渣熔化，同时可稳定弧流。造渣料为石灰、萤石、合成渣、埋弧渣、电石、Al粒脱氧剂等。第22页，共35页。3、LF精炼渣的功能和组成1）精炼渣的功能：脱氧、脱硫、埋弧、去非金属夹杂、改变夹杂物形态、防止钢液二次氧化和保温2）精炼渣的成分： CaO ：调整炉渣碱度及脱硫； SiO2：调整炉渣碱度和黏度； Al2O3：调整渣系处于低熔点位置； CaC

16、O3/MgCO3（埋弧渣组成）：发泡剂和脱硫剂； Al粒：强脱氧剂； 电石：脱氧剂和发泡剂； 英石：助熔剂和调黏度。3）对精炼渣的要求（1）炉渣碱度；（2）在精炼钢液的过程中，渣子应具有很大的脱氧能力；（3）炉渣的流动性；（4）要有适合的渣量；（5）要有足够大的相互表面。第23页，共35页。4、为什么要保证一定的渣层厚度？ 1）、渣层越厚，从渣表面损失的热量就越少。前20min内，渣表面单位时间内散热较快，温降较大，20min后，散热量逐渐减少，最终达一较稳定值，温降值基本保持不变。2）、渣厚小于50mm时，渣厚对渣表面散热量影响较大，渣厚大于50mm，不同渣层厚度对渣表面的热损失基本相同，引

17、起的钢液温降也最小，20min后仅为1。所以从减少钢水热损失方面来说，有必要保证大于50mm的渣层厚度。3）、同时，从脱硫及吸附夹杂物的角度，也需要一定的渣量。第24页，共35页。5、炉渣性能判断及调整 由于炉渣成分化验滞后和运行成本问题，实际生产中不能及时对炉渣进行理化性质检测，而主要通过经验来了解炉渣性质并采取措施予以调整，保证炉渣最佳脱硫状态。正常情况下LF炉渣子颜色随着氧化性变化，渣子氧化性不同，其颜色也不同。同时炉渣碱度不同，其物理状态也不同，因此可以利用对渣子状态观察来判断其氧化性和碱度情况情况，。为及时了解渣子特性，需要对渣子外观物理特性有所了解，实际生产中，使用烧氧管粘钢包内渣

18、子，观察渣子颜色形状来判断渣子氧化性和碱度等化学性质，然后做相应调整，保证炉渣合适的理化性能。第25页，共35页。七、脱硫技术 1、脱硫为什么需要先脱氧？ “脱硫必须先脱氧”，在元素周期表的排列中，硫和氧属同族元素，但氧元素比硫元素的化学性质更为活泼，当向钢水中加入脱硫渣剂时，氧元素首先会与之发生反应，从而导致炉渣的脱硫效果明显降低。所以，要想得到极低硫钢，必须先得到极低氧的钢。第26页，共35页。2 钢水脱硫基本原理 相对转炉氧化性炉渣而言，LF炉脱硫是在还原渣条件下进行的，因而其脱硫效率要远远高于转炉，其反应主要发生在炉渣和钢水界面之间，通过钢渣反应，使硫由钢水向炉渣的扩散转移，其基本反应

19、为：FeS+(CaO)(CaS)+(FeO)。 LF炉精炼脱硫，首先要形成还原性的白渣，将氧化性钢包渣子进行还原，渣中w(FeOH-MnO)1原才比较充分，然后钢水和炉渣中的氧以FeO形式被渣子吸收，在白渣中还原，并达到一定的平衡值，这是脱硫去夹杂的基本条件，在一定碱度和氩气环境下，CaO被还原渣中A1、C、Si等元素还原出Ca与钢水中的硫反应形成高熔点CaS进入炉渣。LF炉脱硫效率受钢水条件、炉渣状况、动力搅拌及操作多方面影响。第27页，共35页。3 脱硫基本条件“三高一低” 高碱度高温 大渣量 低氧化性4、影响脱硫因素： Ar气搅拌强度、钢水流动性、钢水初始硫含量、精炼时间、钢种类别等。第

20、28页，共35页。八、脱氧技术1、LF脱氧理论基础 钢中溶解氧和脱氧产物中的氧总和叫全氧，其主要来源可以概括为：转炉氧化渣带入；耐火材料侵蚀带入；吹氧生成的氧化物；脱氧产物来不及上浮。相对应的脱氧方法主要有沉淀脱氧和扩散脱氧两种。 降低钢中的氧含量包括加入脱氧剂降低钢液中的溶解氧含量和将脱氧形成的氧化物夹杂从钢液中上浮排出两个过程。第29页，共35页。2、LF脱氧方法 1）沉淀脱氧：脱氧剂脱氧一般是沉淀脱氧，脱氧剂一般为含有Si、Mn及其他元素（Ca、Mg、Ba）的合金，强脱氧剂为纯铝或铝合金。淀脱脱氧是直接向钢液中加入还原性较强的元素进行脱氧，特点是脱氧速度快，效率高，成本低，但是脱氧产物容

21、易污染钢水。 2）扩散脱氧：所谓扩散脱氧就是在炼钢的过程中钢水中的氧和渣中的氧成一定的比例,利用脱氧剂脱去渣中的氧 由于钢渣中的氧被脱去这时钢水中的氧就会进入到钢渣,而这时可以再向钢包中加如脱氧剂再把刚渣中的氧脱去,如此循环几次以达到钢水脱氧的目的. 扩散脱氧是钢液中氧通过钢渣界面逐渐扩散至渣中的一种脱氧方式，特点是脱氧产物不污染钢水、脱氧较彻底，但是脱氧速度较慢。 LF脱氧综合采用了这两种脱氧方法，结合了两种脱氧方法的优点，具有脱氧速度快、脱氧产物不污染钢水，脱氧较彻底的特点。第30页，共35页。3.LF炉常用的造渣脱氧剂：（从强到弱）（1）AL粒（2）电石（3）硅铁粉4、LF顶渣工艺与氧含量的关系“顶渣”就是尽量不让氧化渣进入LF钢包中去。转炉氧化渣中含有10%30%的氧化铁，如果氧化渣大量进入钢包，便会向已脱氧的钢液源源不断地供氧，造成大量合金元素氧化，降低合金元素的收得率，增加钢中全氧含量。 炼钢厂采取挡渣球和挡渣塞出钢方式，尽量减少氧化渣进入钢包，从而大大降低钢中全氧含量，利于LF造碱性白渣。 第31页，共35页。5、精炼渣系对氧含量的影响精炼渣系不仅有脱氧的要求，而且还有脱硫、吸附夹杂物以及埋弧造渣的要