炉外精炼技术装备选型与工艺流程

‐ 1 ‐  炉外精炼技术装备选型与工艺流程李强（中冶京诚工程技术有限公司炼钢所，北京亦庄100176）摘要: 针对国内的生产各种类别钢材的钢铁企业的炼钢炉外精炼设施的配置情况，比较了钢铁企业生产棒材、特钢、板材、硅钢、不锈钢等类别的钢材时，所需配备的炉外精炼设施的种类，分析了近来的各炉外精炼设施的发展方向，对其中的工艺问题进行探讨。关键词：精炼；脱碳；脱氧；脱气；生产能力；成分控制；TypicalrefiningequipmentfordifferentsteelmakingprocessLiQiang（MCCCapitalEngineering&ResearchIncorporationLimitedSteelmakingDepartment,BeijingYizhuang100176）Abstract：Inviewofvariesrefiningequipmentsinsomedomesticsteelmakingenterprises,andcomparingtherefiningtargetinproducingdifferentkindofproductsuchasbar,alloysteel,plate,electricalsteel,stainlesssteel,etc.discussandanalysisthedevelopingdirectionofrefiningequipmentsandsomedetailsinprocess.Keywords：refining；decarbon；deoxygen；degassing；productivity;compositioncontrol现代钢铁企业的炼钢生产越来越趋向于单元化、专业化的工艺流程，从铁水预处理、初炼转炉或电炉、炉外精炼等环节只承担单一的或几个主要的冶炼目标，依靠全流程的控制来达到最为经济、完善的冶炼生产。其中铁水预处理环节和初炼炉环节相对更加偏重经济性，并且冶炼目标相对单一，而最终钢铁产品的多样性、对钢水成分和洁净度的差异性要求就主要依靠炉外精炼环节加以实现。也正是由于最终产品的多样性的要求，促使炉外精炼的工艺操作、工艺装备呈现出多样性。当前钢铁生产企业根据棒线材、特钢、薄板、中厚板、不锈钢等不同的最终产品定位，主要配备了LF、VD、LATS、RH、AOD、VOD、IR喷粉、喂丝等精炼设备，有些企业还配备了如ASEA-SKF、VAD、真空浇注等设备。这些精炼设备可以单独使用，也可以顺序配合或组合使用，精炼顺序的不同也会造成不同的冶炼效果。如何依据最终冶炼目标要求，同时还要考虑到精炼设备作为连接冶炼工序与连铸工序的中间环节，对炉机配合的作用，而选择合适的精炼设备，对于整个钢铁冶炼流程的经济性与合理性有着非常重要的意义。1主要精炼设备的功能及与工艺流程匹配的原则1.1精炼设备的功能比较炉外精炼设备最主要的作用是精炼初炼钢水使之达到最终的产品要求。下表对目前钢铁企业中常用的主要精炼设备的功能及投资、成本方面进行比较。由于喂丝设备投资小、脱氧、改变夹杂形态效果好等原因，已成为被普遍采用的精炼装备的辅助设备，所以对其功能不再进行分析比较。ASEA-SKF、VAD、真空浇注等精炼设备的特定性较强，只在后文中说明，不在表1-1中分析比较。表1 ‐1             精炼设备分析 项目LFVDLATS/CAS-OBRH（1）AODVODIR脱[C]×（2）××30ppm200ppm150ppm×脱[P]○○×○√○○脱[S]20ppm15ppm×○（3）20ppm15ppm10ppm[O]tot20ppm12ppm20ppm10ppm50ppm12ppm20ppm[H]×1.5ppm×1.5ppm○1.5ppm×[N]×√×○○√×‐ 2 ‐  项目LFVDLATS/CAS-OBRH（1）AODVODIR升温√×√√√○×均匀化√√√√√√√合金调整√√√√√√×钙处理○○（4）√○○○√可组合功能IR生产周期（min）35-4040-5025-3540-5065-7565-7520-30投资（万元）（5）270018008008300-2000800生产操作费用（6）（元/t）15151530-2010注： （1）、RH项目包括RH‐OB、RH‐KTB、RH‐PB等多种设备型式。 （2）、“×”表示无此功能；“√”表示有此功能；“○”表示在一定限制条件下有部分功能（不能作为完成此功能的主精炼设备）； （3）、RH在配备喷粉枪的情况下，可达到脱硫率60‐80%；（4）、除LATS和IR以外，其它精炼手段均可通过配备喂丝机喂入CaSi包芯线进行钙处理； （5）、设备投资以精炼炉容150t为例，仅为冶炼车间内的工序投资，为根据中冶京诚的部分工程项目统计指标； （6）、生产操作费用不包括人员成本、设备折旧等费用，为根据中冶京诚的部分工程项目统计指标；  1.2与工艺流程匹配的原则精炼设备在炼钢生产流程中的配置要根据以下原则来进行：（1）.钢水质量要求；精炼设备首先是炼钢流程的一个环节，要具备相应的冶金功能，使精炼后的钢水满足产品质量要求。从上文精炼功能分析表中可以看出，LF设备在物理升温、脱硫等方面具备匹配得较好，相对于采用铝等化学升温方式而言，长时间升温也不会造成钢水污染；LATS/CAS-OB等精炼设备升温快捷，设备相对简单，但由于采用铝加热，不太适合生产对酸溶铝十分敏感的钢种，如重轨、钢绞线等；如果要降低LATS/CAS-OB的夹杂含量，需要较长时间吹氩搅拌，使冶炼周期变长；RH精炼设备在脱碳方面，具有很大的优势，升温速度快，脱气效果好，但缺少渣精炼工艺，而且设备投资大，生产费用高；VD系统与RH相比，生产节奏较慢，而且缺少温度调整手段，但在脱气方面与RH基本相当，在渣精炼、设备投资、生产成本方面更具优势；AOD和VOD系统主要用于不锈钢冶炼，在一般的不锈钢生产中，AOD就可以满足要求，但在生产超低碳和超低氮不锈钢时，AOD工序后还应配备VOD工序，以达到更好的脱碳保铬效果和合适的精炼节奏。（2）.周期匹配；产能的匹配主要考虑是精炼工序作为炼钢流程中连接冶炼、连铸两个主要生产工序，在冶炼周期上要能够配合起连铸的多炉连浇，进而对生产成本加以控制。由于初炼炉，无论是转炉还是电炉，都存在有砌炉、补炉、维修等作业；而连铸工序在生产特钢、厚板、薄板时，由于市场订货的批量差异及设备、耐材自身的工作寿命的影响，需组织的连浇炉次也有较大差异。为充分发挥主生产设备的能力，通常需要精炼环节起到缓冲作用，这就要求精炼环节的冶炼周期至少要低于连铸的浇注周期才能使整条生产线有更大弹性。在某些特殊情况下，一台初炼炉需要配备2台相同的精炼设备才能达到整个生产线的匹配要求。如舞阳钢铁公司新建的宽厚板生产线的一期炼钢过程中一台电炉配备了2台LF炉和2套VD装置。（3）.经济性；由于精炼设备的种类较多，所以有些设备的功能会有重合，但并不完全重合，在达到目标的难易程度、生产周期、建设投资乃至生产成本上都有差异。企业应根据自身全流程产品定位选择合适的精炼设备，单纯追求某一方面的冶金指标的先进性并不能使产品品质提高很多。‐ 3 ‐  2炉外精炼技术装备选型与工艺流程2.1机械用钢的炉外精炼机械用钢主要是指机械设备制造用钢，以轮轴、轴承、弹簧钢等为代表性产品，这类钢在冶炼领域通常为较大断面的方坯、圆坯，后续棒材轧机生产最终产品。（1）.代表工厂的炉外精炼配备情况；部分代表性机械用钢生产企业的炉外精炼配备情况见下表：表2 ‐1             机械用钢精炼设备分析表 序号企业名称冶炼设备精炼设备连铸设备产品1江阴兴澄特钢一炼车间100t电炉×1LF×1+VD×1280×300矩坯优碳、合结、弹簧、轴承2江阴兴澄特钢二炼车间100t转炉×2LF×2+RH×2370×490矩坯、Ф500~800圆坯优碳、合结、弹簧、轴承3武汉钢铁公司一炼钢厂100t转炉LF+VD250×280、200×200重轨、弹簧、低合金、冷墩、硬线4鞍山钢铁公司一炼钢厂100t转炉LF+VD280×380、280×280帘线、软线、硬线、军工、无缝、重轨5淮阴钢铁公司转炉炼钢厂90t转炉LF+RH150×150、Ф160-Ф230优碳、管坯、合结、冷墩、弹簧、轴承、硬线6江苏苏兴钢铁公司100tDCEAFLF+VD135×150,195×195,优碳,合金7宝钢电炉炼钢厂150tDCEAFLF+VDΦ195,160×160,优碳,合金8天津荣成钢铁集团100t转炉LF+VDФ180-Ф450、150×150、350×35优碳,合金（2）.生产工艺流程；以机械用钢中较具代表性的82B钢绞线的转炉生产为代表分析生产工艺流程，如下图所示：图2-1机械用钢生产流程图预处理转炉LFVD方坯连铸机C4.0%C0.2%C0.8%C0.8%Si0.3%P0.03%P0.012%P0.015%P0.015%S0.008%S0.01%S0.005%S0.005%O0.05%O0.002%O0.002%N0.003%N0.006%N0.006%Als0.02%82B生产流程机械用钢通常为中高碳钢，从而有较高的强度；同时对于钢中的硫、磷含量有一定的要求，以减少钢材组织中晶界偏析，出现热脆及冷脆，影响钢材性能；机械用钢对于钢中夹杂物的控制非常严格，特别是对于帘线钢等，要求钢中的大于5цm的硬性夹杂要尽可能的少，且呈均分布弥散；部分机械用钢对于钢中的气体含量还有严格的要求。（3）.精炼设备的选型分析；针对机械用钢的产品要求及前后工序的生产工艺流程，当前钢铁企业的精炼生产工艺有以下特点：1）、机械用钢的初炼炉可以采用电炉也可以用转炉生产，不同的初炼工艺会带来精炼工艺的不同。采用电炉做为初炼炉时，由于电炉炼钢工艺对于温度控制相对准确，冶炼中可以多次测温取样，及时调整冶炼造渣等操作，一般出钢碳含量及其它成分含量的控制围绕最终成品要求进行，出钢合金化后碳含量基本接近于成品标准。而采用转炉作为初炼炉时，要考虑到转炉生产的快节奏、测温取样困难、终点温度和碳含量控制相对困难，常采用的冶炼工艺是相对高拉碳（出钢碳控制在0.25%左右）、‐ 4 ‐  后部工序加增碳剂的生产工艺，从而维持转炉的稳定、连续生产。2）、脱[P]：采用电炉炼钢法生产时，由于相对容易控制温度，可以在1500℃以下维持较长的时间，调整炉渣的碱度以便于脱磷；采用转炉作为初炼炉生产，则一定要注意调整渣料，使造渣料能够在转炉冶炼的前期低温阶段迅速成渣，达到较好的脱[P]效果。后期精炼工序只是要注意转炉带渣量和加入的合金质量，不要在精炼工序增[P]。3）、脱[S]及去夹杂：LF炉造白渣工艺具备很好的脱[S]效果，机械用钢一般都配备LF装置。对于采用转炉生产流程来说，由于在精炼阶段加入较多的增碳剂，会造成[S]含量的增加，LF造白渣的生产工艺就更为重要。一般应维持白渣精炼时间10min以上，并保证软吹时间10min以上。一般应控制[S]在30-70ppm，T[O]在20ppm以下，夹杂物评级在0—1.0级。对于配备VD的钢厂，还可利用VD的深脱硫及深搅拌进一步提高产品质量。4）、气体及其它元素：对于电炉钢生产工艺而言，废钢带来的Ni、Pb、Cu、Cr等杂质元素很难去除，只能通过控制原料加以解决。电炉钢中[H]、[N]含量较转炉钢高，所以高质量的机械用钢应配备VD或RH装置，在66.7Pa的真空度下维持10min以上的脱气时间，保证最终产品[H]≤2ppm、[N]≤50ppm。5）、炉机匹配：机械用钢一般通过棒材轧机生产，产能约60-100万吨/年。国内多采用65-100t转炉或100吨级的电炉进行生产，连铸周期约在50min左右。在这种情况下，LF炉冶炼周期35-40min和VD装置冶炼周期40-50min基本可以满足要求，所以一般匹配双工位的LF及VD装置。2.2建筑用钢的炉外精炼建筑用钢主要是指用于建筑的螺纹钢、盘条的生产，以三级或更高级别的螺纹钢筋为代表性产品，这类钢在冶炼领域通