150吨LF炉操作培训教材

150吨LF炉操作培训教材
150吨LF炉操作工艺
1(珠钢LF概述
LF是日本大同制钢公司于1971年开发的一种二次精炼技术。

它是由电弧加热、吹氩搅拌、碱性渣精炼等几项成熟技术组合而成的，它具有其它方法不可比拟的脱氧、脱硫能力，可使钢中的[O]、[S]脱到ppm级的水平，为生产优质高洁净钢创造了条件。

在二次冶金领域内，LF的重要性日益提高。

珠钢引进的FUCHS的LF工艺的突出点是开发了造渣技术和埋弧工艺。

需要延长时间进行的钢液冶金处理，被从熔炼过程转移到LF进行。

此外，LF作为电炉与连铸之间的缓冲，能非常精确地调整钢水温度、成分，提供符合连铸要求的洁净钢水。

2.珠钢LF结构图
图1是LF示图。

包括一个碱性钢包，它被一个全水冷炉盖覆盖。

加热能量通过三根石墨电极引入，类似于电弧炉。

石墨电极埋入碱性白渣中，保护钢包内衬免受电弧辐射。

使LF能以高功率因数、长弧埋弧操作，能量效率高。

图1:LF示图
1. 电极横臂
2.电极
3.加料溜槽
4.水冷炉盖
5.炉内惰性气氛
6.电弧
7.渣子
8.气体搅拌
9.钢液 10.透气塞 11.钢包车 12.水冷烟罩
在此过程中，钢液被惰性气体稳定地搅拌，惰性气体通过包底透气塞供给。

此外，由于钢包盖并未密封，渣子可以保护钢液不被空气进入而受污染。

2. 珠钢LF功能及基本冶金原理
2.1功能说明
1
珠钢LF基本功能如下:
A)埋弧加热;
B)惰性气体搅拌钢液;
C)碱性白渣下精炼;
D)非氧化性惰性气氛。

这四种功能共同作用而达到所需的目的，只有在合适的渣组成有效的气体搅拌下才能达到埋弧加热和高功率供电，使LF工艺获得成功。

2.1.1埋弧加热
LF炉电弧加热钢液类似于电弧炉冶炼过程。

电能通过三根石墨电极供入。

电极与钢液之间产生的电弧被白渣埋住，限制了其向钢包内衬和钢包盖辐射热损失，提高了热效率。

埋弧加热的主要作用如下:
1) 调整钢液温度;
2) 补偿过程的能量损失并增加合金化需要的能量;
3) 造精炼渣;
4) 高效率埋弧加热，稳定功率输入，保护钢包内衬免受电
弧辐射;
使用长弧操作(功率因数cosφ=0.8)。

主要有以下优点:
1)低电流长弧操作，减少电极损耗。

此外长弧操作防止钢液
增碳。

2)电弧稳定，能量输入良好。

电极在送电过程中会与渣中氧化物发生反应:
C+FeO?Fe+CO
C+Mn?Mn+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。

影响加热速度的因素如下:
a) 钢包内衬及其状态;
b) 钢包加热时间和温度;
c) 吨钢单位液面积;
d) 单位功率输入(kwh/t,min)(单位变压器功率)。

e) 钢液搅拌方式。

LF过程的平均升温速度为3—4?/分钟，最大升温速度为5?/分钟，它受到热分布的限制以及上述因素的影响。

LF单位消耗数值是变化的，它取决于操作模式、处理时间、钢包预热情况、合金加入量和过程中加入的渣料量。

2
以下的单位消耗值有一般的指导意义:
——处理时间约36分钟;
——合金/添加料最少约
——电能 0.4 kwh/t/?;
——电极 10g/ kwh;
3——惰性气体 0.1-0.4m/t。

2.1.2惰性气体搅拌钢液
珠钢LF炉的另一特点是氩气搅拌，氩气搅拌有利于渣-钢界面的化学反应，加速渣-钢界面的物质传递，有利于钢液的脱氧、脱硫反应的进行。

钢包内搅拌钢液是独立的,有以下任务:
A) 钢液内热量传输和温度均匀化;
B) 成份均匀化;
C) 加速冶金反应;
D) 金属夹杂物的排出;降低钢中氧量。

其作用如下:
1)激烈的渣/钢界面反应;
2)氧化夹杂物快速上浮;
3)有效的能量分布;
4)成份与温度均匀;
惰性气体(Ar)通过包底的透气塞搅拌钢液，产生了强烈的、絮流态的渣/钢界面反应，有利于夹杂物如SiO2、AL2O3的去除。

惰性气体产生的小气泡在升温过程中膨胀(等压膨胀)，随着静态钢液压力的降低而增大其体积(绝热膨胀)。

下列前提是搅拌能量的基础:
A) 气泡尽可能小，恒等于钢液的实际温度，把非动力学能量
传到钢液;
B) 气泡压力应等于包底面上的压力。

为了满足这些前提条件，透气塞应有细小的孔，对钢液有强的抵抗力。

搅拌气体要求量见下表，表1:
表1 搅拌技术数据
150t 等待时升温时去除夹杂时
3 200 400 600 搅拌能w/m
150 300 450 流量,L/min
对大于100吨以上的钢包，建议用两个透气塞，因为每个透气砖流量在150 L/min以上会产生激烈的表面作用，引起起弧和传热的问题。

气泡产生的激流促进了渣/钢界面反应，冶金处理时间可以大大减少。

3
包底透气塞的位置与钢包高宽比有关。

它位于两条电极之间、钢包半径1/2—4/5处是比较合适的。

合金应加入氩气搅拌区域，使合金分布更均匀。

2.1.3碱性白渣下精炼
LF炉是在白渣下进行精炼的，碱性白渣能有效的去除脱氧产物和脱硫，造碱性白渣是LF炉的重要操作手段。

其作用如下:
1)有效的扩散脱氧;
2)脱硫;
3)去除非金属夹杂物;
4)合金收得率高;
5)可以严格控制钢液成份;
6)提高钢水质量。

适宜的造渣技术之前提是:
1)钢液冶金参数:
, 钢液成份;
, 钢液温度;
, 熔炼过程。

2)氧化渣量少;(无渣出钢)
3)钢液已经合适的脱氧;
4)钢包内衬碱性耐火材料;
5)渣子应容易熔化，因为只有熔渣才能进行冶金反应和吸纳非
金属夹杂;
6)渣中FeO+MnO含量应低于1.0%，渣子才能变白，即必须良
好地脱氧。

珠钢电炉底部出钢技术的无渣出钢为LF造渣技术提供了保证。

2.1.4非氧化性惰性气氛
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75—85%)是惰性气体，它是来自搅拌钢液。

烟气中其他组分是CO, CO及少量的氧和烟尘。

2
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对渣子的脱氧。

其反应如下:
C+O?CO 2
CO气体的生成，增加了炉内的还原气氛。

3. 正常精炼操作
3.1珠钢LF作业流程图
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钢包从电炉出钢位到精炼跨后，保持吹Ar气搅拌钢水，直到天
车吊运到精炼钢包车。

接通Ar气后，钢包进入精炼工位。

精炼炉盖下降。

打开操作门观察钢水搅拌情况。

大Ar量吹Ar
否
使用事故Ar检查包底吹Ar 枪进行过程
是否正常? 吹Ar操作
是
测温、定氧、取样
开始送电提温
加入第一批渣料
脱氧、脱硫。

如果无AL，补喂AL
丝到0.030%
测温
温度是否达继续加热到1600??
5
停电、取渣样
加入第二观察炉渣颜色是否批渣料和否转变成淡黄色适当的脱或淡白色? 氧剂
是
测温，保持钢水温度在1600?5?范围内
否根据化验C、Mn、Si、Al含结果进行量是否符合要求成分调整
是
取样
继续进
S含量是否符合行调渣否
标准要求, 脱S
是
Ar气软搅拌钢水，根据连铸要求调整好温度
等待连铸指令
测温
6
温度是否符合
提温 Ca处理前要求: 上台温度+5?
钙处理
取样
Ca成分是否符补喂Ca
合《钢种冶炼线卡》要求
测温
温度是否符合降温或等待标准要求?
冶炼结束，提升电极和炉盖
开出钢包车，停止吹Ar，松开吹氩管
指挥天车吊运钢水到连铸台结束
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3.2脱氧
LF的脱氧包括脱除钢液中的氧和脱除渣中的氧。

珠钢LF用的脱氧剂主要有AL、AL粒、AL丝、以及含CaC的复合脱硫剂。

2
AL有很强的脱氧能力，用AL脱氧的钢液，FeO+MnO含量更低，脱硫更容易。

脱氧时形成的氧化物一部分在精炼的过程中上浮进入渣子，一部分残留在钢液中形成氧化夹杂物，这些夹杂物会破坏钢的连续性，严重影响钢的强度和韧性，在一定
条件下，还会造成钢的内部缺陷。

因此，脱氧的任务不仅是要把钢中的溶解氧降低，而且还要把钢中生成的氧化物排到渣中。

钢液中的氧被碳量和温度决定。

根据Vacher & Hamilton所做的实验，钢中碳与氧密切相关，它随钢液温度升高而增加，见表1:
表1:C——O平衡表
ax a 温度(?) o c
1550 0.0023
1600 0.0025
1650 0.0027
1700 0.0029
根据出钢前钢液最终C量就可以计算最小氧含量。

脱氧必须与出钢进行。

电弧炉炼钢应用泡沫渣操作，特别是在熔化DRI时，几乎可以达到C——O平衡。

偏差是有的，特别是低碳钢种、氧的活度和含量很高时更是如此。

碱性氧气炼钢的氧水平比电炉炼钢要高。

其他氧源是氧化性炉渣、钢包中的余渣以及出钢过程空气与钢流接触。

底出钢系统是限制氧化性渣进入钢包的主要措施。

此外，由于钢流有最小表面积，吸氧和吸氢是很少的。

如前所述，低碳钢比高碳钢吸氧要多。

如果氧化性炉渣不能完全除去，这些渣在钢包造渣和脱氧时要考虑到。

炉渣中的自由氧量一般与钢液C量有关，见表2: 表2:渣中自由氧与含碳量的关系表
0.04 0.06 0.08 0.10 0.15 0.20 钢, %C
8.0 6.8 6.1 5.6 4.7 4.2 100kg渣氧, Kg
24.1 20.5 18.3 16.7 14.2 12.7 300kg渣氧, Kg
钢水到精炼位后取样化验，如果无AL，则定氧操作，如钢水中的氧含量小于100ppm，喂AL丝脱除钢水中的氧，使钢水中的AL量达到0.030%，而渣中的氧则通过加AL粒脱除，其反应如下:
8
AL+ O?ALO 223
在实际操作中，考虑到铝粒的成本较高，我们也使用了一部分含CaC2的复合脱硫剂替代部分的铝粒脱除渣中的氧，反应如下:
CaC+ O?CaO+C 22
当钢液氧含量低时，有如下反应:
CaC+S?CaS+C 2
由此可以看出，加入含CaC的复合脱硫剂会出现增碳的现象，由于2
珠钢冶炼钢种碳含量较低的限制，要完全脱除渣中的氧，使FeO+MnO的含量达到小于1%的要求，并不能完全依靠复合脱硫剂，还必须配合使用AL粒。

3.3调渣
精炼造渣技术在冶炼中是极其重要的，它直接影响到冶金、能量效率、耐火材料消耗、钢的质量、钢的脱硫等。

由于渣子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，待渣子先冷却下来再根据渣子颜色以及渣面的情况进行调渣操作。

渣子的颜色有黑色、褐色、灰色、绿色、黄色、和白色。

它们之间有许多细微差别。

渣子颜色的变化随着渣子的还原从黑色到白色。

1) 黑色:FeO+MnO>1~2%。

需要进一步脱除渣中的氧，可使用铝
粒、复合脱硫剂。

2) 灰色到褐色:FeO+MnO=1~2%。

还需要一定的还原。

3) 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。

渣面可能是玻璃状、平滑或脆性的，这取决于渣子的组成。

A .玻璃状薄片:
这表明SiO 、AlO或 CaF含量太高。

在这种情况下，应加入石2232
灰，每次加入量不超过0.4kg/t钢。

熔解后再试验。

B .渣面平滑、厚:
这种渣子冷却后应会碎裂，渣况似乎是理想的。

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，可加入合成渣，每次加入量不超过0.1Kg/t，熔化后再进行根据渣况调渣。

上述只是一个粗略的说明，按不同的情况进行操作，操作时经验是很重要的，我们应该在操作中不断总结完善。

好的精炼渣必须具有以下特性:
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A) 熔点低;
B) 粘度合适;
C) 对氧化夹杂物和硫有强的吸纳性。

理想的终渣成分为:
CaO55%-65%,MgO4%-5%,AL2O320%-30%,SiO25%-10%,FeO+MnO<1%.
3.4脱硫
硫是钢中一个很敏感的元素，它完全溶解于钢液中。

在冷却过程中，S以FeS 析出，与Fe和FeO一起形成低熔点共晶体，造成钢的热脆。

冶炼时注意控制Mn/S 比值不小于25，以避免热脆。

在LF炉上，脱硫并不是指将其脱到合乎一般钢种
规格(0.015%——0.020%)的程度，而是要将其脱到ppm级的水平，以满足珠钢薄板坯的生产要求。

珠钢的主要渣系为CaO-ALO渣系，使用的造渣剂有CaO、合23
成渣、复合脱硫剂等。

相应的氧化物形成稳定的硫化物，它不溶解于钢液中，脱硫反应如下:
[CaO] + [FeS] = (CaS) + (FeO)
FeO+AL ? Fe+ ALO 23
渣子对反应产物CaS 和FeO的容量是有限的，因此，在S特别高的情况下应加大石灰的用量。

脱硫反应受以下因素的影响;
A) 渣温;
B) 渣子成份与碱度;
C) 自由氧活度(FeO+MnO);
D) 搅拌能量。

它影响到质量传输系数;
E) 渣量。

A)渣温
石灰在高温下熔化,特别在埋弧加热下得到强化。

实践证明，温度越高对脱硫更有利，但在实际操作中，考虑到钢包耐材的寿命，温度控制在1600?以下为宜。

B)渣子成份与碱度
炉渣的脱硫能力常用渣中的硫含量与钢液中的硫含量之比，既硫的分配系数表示。

根据热力学,S分配系数Ls以下式表达:
Ls = (%S)
[%S]
(%S)——渣中硫含量
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[%S] ——钢液中硫含量
分配系数Ls受到渣子成份的影响。

最高分配系数就是LF过程的最佳炉渣。

黑色电炉渣与钢液之间的分配系数Ls在3~8。

而对于白渣，氧化铁含量低，S 的分配系数Ls能达到100~500之间。

炉渣的碱度对脱硫也有明显的影响，碱度高的炉渣流动性差，钢-渣接触面小，对脱硫是不利的。

相反，碱度低的炉渣，由于渣中自由的Ca含量少，脱硫效果也差，并且对钢包耐材也是不利的。

实践证明，碱度在2.0——2.5之间的渣子是比较合适的。

C)自由氧活度
降低氧的活度,就能提高渣子脱硫能力。

对一定的钢种，下列关系是成立的: [%S]=30 a[o]
[%S]是钢中硫含量，a是钢液氧活度。

[o]
D)搅拌能量
钢包内钢液被出钢流搅拌或者被包底多孔塞的惰性气体搅拌,搅
3拌能量以W/M表示。

最大的搅拌能是在出钢过程。

惰性气体搅拌是搅拌气体的膨胀，对一给定的气体流量，降低气压可以提升搅拌能。

搅拌能按下式计算: 3其中，F:氩气流量(NM/h)
T:温度
2 g:加速度，9.81m/s
3对脱硫而言,搅拌能必须在1000W/ M范围内,保证钢/渣足够的
3接触,S能传输到界面。

夹杂物去除的搅拌能应在500 W/ M范围内，防止再氧化。

E)钢包渣量
只需要埋弧的最小渣量,使钢包耐衬损耗最小。

弧长由电弧电压决定。

为了防止电极增碳，最小的弧长是在60mm范围内,所以要加入6—8kg/t钢的合成渣。

F)脱硫速度
脱硫时间主要由铸造时间决定。

一般说来，铸造时间60分钟，下列时间要从中减掉(出钢到出钢时间等于铸造时间):
——钢包从熔炉送到LF大时间 10min
——均匀化与调渣时间 9min
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——夹杂物去除时间 10min
——钢包送到铸造回转台时间 8min
——脱硫与温度调整时间 30min
脱硫速度由下列公式计算:
Lm = Ls * ML
-2 B=8.90*10* *t 2式中So:初始硫含量 A:渣/钢界面积(m)
3 Sf:终硫量 F:搅拌气流量(m/s)
3 Ls:硫分配系数 V:钢液体积(m)
M:渣量 (吨/吨钢) t:时间(s) l
此式表明渣量M与硫分配系数Ls乘积的重要性。

作为例子，计l
算了3种情况:
表2脱硫速度
R S,max 情形时间(min) 渣量(kg/t) 0
1 23 10 66% 0.029%
2 2
3 16 71% 0.034%
3 23 22 74% 0.038% 3.5钢中的氮和氢
钢中的氮和氢对大多数的钢的性能有负面作用。

N主要来自大气，它含78%的N。

如果空气中的N在电弧下分解，它就会被吸收。

所以电弧要埋入泡沫渣并被惰性气氛保护。

在FUCHS LF技术中，惰性气体搅拌钢液，两者都是重要的。

铝脱氧钢比硅脱氧钢对氮有更强的反应性。

必须注意到像FeSi SiMn有吸N的倾向。

图11表示在60吨LF炉内没有合金化的情况下，在LF处理过程中的吸N情况，实际的N含量范围在20—45PPM之间。

在LF操作过程中实际不吸N的情形超过82%。

建议在钢包上缘和钢包盖之间要有良好的密封。

减少钢中N量实际是在真空处理下才能得到加强。

H是由下列情形带入钢中的:
a) 大气中的水份。

b) 钢包与中包耐火材料中的水份。

c) 合金与石灰中的水份。

d) 惰性气体中的水份。

——在EAF过程中，熔化后有良好的碳沸腾，H含量可在1PPM
12
以下。

在出钢过程中H会增加到4PPM，主要来自大气。

电炉
底出钢系统能大大减少H的吸入，因为钢流股面积很小，只增
加1PPM。

——耐火材料含有一定量的水份，这取决于所用的耐材的种类。

白
云石衬是令人满意的耐材，但还是含有一定量的H。

所以，对
重要的用途不用新的或长时间停用的钢包。

最少在连续两炉后
才能将重要的钢出到这样的经过预热的钢包中。

——众所周知，FeSi含有大量水份。

所以建议使用SiMn，以限制
钢中H的增加。

石灰，即使好的，也含有大于2%的水份。

在
一定情况下，这可能是过高了。

建议使用预熔合成渣，它含水
最大0.10%。

——工业用氩气含H最大5PPM。

在此情况下，只能通过氩气的用量
和处理时间来限制H的增加。

根据上述的参数，在LF处理过程H的增加是可能限制在0.5PPM
以下。

减少钢中的H的方法是:将钢在加热气氛中老化或经过真空处理。

3.6合金化与温度调整
第一个分析样结果出来后,进行最终合金调整。

氧化性强的元素像B、Ti、Ca 等应在达到终温，不再供电后再加入。

合金收得率主要受到钢/渣氧化程度的影响。

白渣操作下可以得到最好的合金收得率，在冶炼时按钢种的下限加入。

目标成分,钢水残余量，合金加入量的计算:加入量=钢水量合金元素百分含量，回收率下表为精炼白渣下各种合金的回收率。

表3 合金收得率
收得率
碳C 高碳钢(>0.35%) 100%
低碳钢(<0.10%) 70%
锰Mn 100%
硅Si 约100%
铬Cr 100%
镍Ni 100%
钒V 100%
铌Nb 100%
铝Al 高碳钢(>0.35%) 90%
低碳钢(<0.10%) 50%
铸造的一个主要影响参数是高于液相线的实际温度,以及铸造开始和结束之间的温度波动。

目标是把这两个参数最小化。

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LF埋弧加热和惰性气体搅拌，对热量的分布和精确的终温控制有良好的效果。

温度分布的精确度在99%，离目标温度在?5?范围内。

根据钢液量、铸造时间、钢液在钢包与中包以及中包与铸模之间的停留时间，和随之而来的温降，进行终温调整。

达到终温之后停电。

4. 8钙处理
根据钢种的要求，为防止连铸水口堵塞，保证多炉连浇，要求在完成钢包炉处理上连铸前，通过喂丝机喂入CaSi丝。

使钢中钙含量达到15—35PPM。

主要有以下作用:
1. 使ALO在浇注温度1550?时成液态，不致堵塞水口。

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2. 改变硫化物形态。

当温度下降时，MnS会在晶界析出，造
成方向异性。

经过钙处理后，形成(Ca.Mn)S球形复杂混
合物，在轧制时不致变形。

CaSi丝喂丝长度(L)的计算:
X1,X0L= %P，%Y，K
X1——目标成分
X0——残余含量
%P——Ca元素的百分含量
%Y——回收率
K——kg/m
夹杂物的形状受到加入的Ca影响，它降低了表面张力。

氧化铝一般形成枝状夹杂，在加入Ca时凝结成球状夹杂。

对钢的最终产品的物理性能来说，球状夹杂是可以接受的。

在喂丝时如果看到渣面上有白色Ca火焰，说明喂丝速度太慢，喂CaSi丝时没有用氩气搅拌。

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