炉外精炼 20090316

1 炉外精炼概述

1.1 钢铁制造流程

钢具有很好的物理化学性能与力学性能，可以进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，因此钢比铁的用途广泛。除约占生铁总量10%的铸造生铁用于生产铁铸件外，90%的生铁要冶炼成钢。钢是国民经济发展的十分重要的原材料，其产量仅次于水泥。我国2007年钢产量已达5亿吨。

现代炼钢工艺主要的流程有两种，即：以氧气转炉炼钢工艺为中心的钢铁联合企业生产流程和以电炉炼钢工艺为中心的小钢厂生产流程。通常习惯上人们把前者叫做长流程，把后者叫做短流程，具体见图6.1。

图6.1 钢铁制造流程图

长流程工艺：从炼铁原燃料(如烧结矿、球团矿、焦炭等)准备开始，原料入高炉经还原冶炼得到液态铁水，经铁水预处理(如脱硫、脱硅、脱磷)兑入顶底复吹氧气转炉，经吹炼去除杂质，将钢水倒入钢包中，经二次精炼(如RH、LF、VD等)使钢水纯净化，然后钢水经凝固成型(连铸)成为钢坯，再经轧制工序最后成为钢材。由于这种工艺生产单元多，生产周期长，规模庞大，因此称之为钢铁生产的长流程工艺。

短流程工艺：将回收再利用的废钢经破碎、分选加工后，经预热加入到电弧炉中，电弧炉利用电能作能源熔化废钢，去除杂质(如磷、硫)后出钢，再经二次精炼(如LF/VD)获得合格钢水，后续工序同长流程工序。由于这种工艺流程简捷，高效节能，生产环节少，生产周期短，因此称之为钢铁生产的短流程工艺。

1.3 炉外精炼分类

炉外精炼就是按传统工艺，将在常规炼钢炉中完成的精炼任务，如去除杂质(包括不需要的元素、气体和夹杂)，成分和温度的调整和均匀化等任务，部分或全部地移到钢包或其它容器中进行。因此，炉外精炼也称为二次精炼或钢包冶金。凡是在熔炼炉(如转炉、电炉)以外进行的，旨在进一步扩大品种提高钢的质量、降低钢的成本所采用的冶金过程统称为炉外精炼。

炉外精炼主要有以下作用：1)提高质量扩大品种的主要手段；2)优化冶金生产流程，提高生产效率节能降耗降低成本主要方法；3)炼钢－炉外精炼－连铸－热装轧制工序衔接。

炉外精炼有以下任务：1)钢水成分和温度的均匀化；2)精确控制钢水成分和温度；3)脱氧脱硫脱磷脱碳；4)去除钢中气体(氢氮)；5)去除夹杂物及夹杂物形态控制。

炉外精炼采用的基本手段有：1)渣洗；2)真空；3)搅拌；4)加热；5)喷吹。

在现代炼钢生产过程中，为获得高质量的产品，从转炉和电弧炉中出来的钢水几乎都要经过炉外精炼处理，使最后的产品达到所要求的最大限度的纯净度，符合不同品种的质量要求和提高钢液的可浇性，并且在生产率、节能和降低原材料消耗方面得到明显的经济效应，在改善环境、降低劳动强度等方面获得良好的社会效应。

1.3.2 炉外精炼方法分类

炉外精炼是指从初炼炉(转炉、电弧炉)出来的钢水，在另一冶金设备(如钢包、AOD)中进行精炼的技术。它可提高钢的质量，缩短初炼炉的冶炼时间，降低成本，可生产出一般初炼炉达不到的高质量钢。近30年来炉外精炼发展迅速，具体方法有30多种，各自侧重点不同，如：脱硫、脱碳、脱氮、脱氧，减少非金属夹杂物，改变夹杂物形态，均匀浇注温度和微调成份等。炉外精炼方法分类如图6.13所示。

图 6.13 各种炉外精炼方法示意图

表6.1 主要炉外精炼方法的分类、开发及适用情况

1.3.3 几种常用的炉外精炼方法

1.3.3.1 渣洗

所谓渣洗，就是在转炉或电弧炉出钢过程中通过钢液对合成渣的冲洗，进一步提高钢质的一种炉外精炼方法。目前转炉和电弧炉在出钢过程中普遍采用预熔渣渣洗，预熔渣是指将石灰和铝矾土预先熔化，冷却破碎后直接用于炼钢生产。渣洗过程没有固定的设备和装置。

渣洗除了可以快速脱硫以外，还能有效地脱氧和去除夹杂，从而减轻出钢过程中二次氧化的有害作用。

用于渣洗的合成渣一般为CaO-Al2O3渣系。其熔点低于被渣洗钢液的熔点，为1400℃以下；具有较好的流动性。预熔渣是还原性的，渣中FeO含量很低。

现在除广泛使用预熔渣渣洗外，还使用电解铝工业的二次废弃物。

1.3.3.2 钢包吹氩精炼法

钢包内喷吹惰性气体(Ar气)搅拌工艺(底吹或顶吹法)，又称“钢包吹氩”技术是最普通也是最简单的炉外处理工艺。其主要冶金功能是均匀钢水成分、温度、促进夹杂物上浮。通常钢包吹氩的气体搅拌强度为0.003～0.01Nm3/t·min。

钢包吹氩的作用：1)调温：主要是冷却钢液。对于开浇温度有比较严格要求的钢种或浇注方法，用吹氩的办法将钢液温度降低到规定的要求。2)混匀：在钢包底部适当位置安放气体喷入口，可使钢包中的钢液产生环流，用控制气体流量的方法来控制钢液的搅拌强度。实践证明，这种搅拌方法可促使钢液的成分和温度迅速地趋于均匀。3)净化：搅动的钢液增

加了钢中非金属夹杂碰撞长大的机会。上浮的氩气泡不仅能够吸收钢中的气体，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。

钢包吹氩二种型式：1)底吹。大多数炉外精炼的吹氩型式是通过安装在钢包底部一定位置的透气砖(或其他型式的喷口)，将氩气吹入钢液。2)顶吹。吹氩喷枪插入钢包内的钢液中，在接近包底处将氩吹入钢液。

钢包吹氩精炼最常见的有CAS和CAS-OB两种。

CAS

提高钢包吹氩强度，有利于熔池混匀和夹杂物上浮。而吹氩强度过大，会使钢液面裸露，造成二次氧化，为解决这一问题，采用强吹氩工艺将渣液面吹开后，将封闭的浸渍钟罩内迅速形成氩气保护气氛，避免了钢水氧化的工艺，这一吹氩工艺通常称为CAS法，如图6.14(a)所示。CAS法不仅提高了吹氩强度，而且钟罩内氩气氛使合金收得率提高，又使钢包吹氩工艺增加了合金微调的功能。

SAB法又称CAS法，由日本1965年开发。其特点是除底部吹氩外，在钢包液面上加一沉入罩，罩内充有从钢液中排出的或专门导入的氩气。通过罩上方的加料口，可添加合成渣料和微调钢液成分用的合金。

优点：1)均匀钢水成分和温度，且控制快速、准确，操作方便；2)提高合金收得率，且稳定；3)净化钢液，去除夹杂物，连铸坯质量提高；4)基建、设备投资少，操作费用低。

图6.14 CAS与CAS-OB工作原理图

(a)CAS调节成分；(b)OB升温

CAS-OB

为了解决钢水升温的问题，日本又在CAS上增设顶吹吹氧枪和加铝丸设备，通过溶入钢水内的铝氧化发热，实现钢水升温，通常称为CAS-OB工艺，如图6.14(b)所示。

CAS-OB工艺的工作原理是在一个密闭、惰性、无渣的环境下，通过铝的氧化反应放热使钢水升温，并在此惰性气氛下加入合金。

1.3.3.3 LF

LF是70年代初由日本开发成功，并大量推广，成为当代最主要的炉外精炼设备，见图1.15。

LF具有以下工艺优点：精炼功能强，适宜生产超低硫、超低氧钢；具有电弧加热功能，热效率高，升温幅度大，温度控制精度高；具备搅拌和合金化功能，易于实现窄成分控制，提高产品的稳定性；采用渣钢精炼工艺，精炼成本低；设备简单，投资较少。