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1炉外精炼技术的发展摘要随着科学技术的迅速发展，钢材性能和质量越来越被重视，钢材质量主要包括钢材的洁净度、均匀性能和高的精度。而各种炉外精炼方式恰是获得高纯度、高均匀性和高精度钢材的重要措施。本文论述了炉外精炼技术过去的发展，现状及发展趋势，应用以及未来炉外精炼技术发展所面临的几个主要问题。前言最近，随着时代的不断进步，炼钢炉容量不断扩大，超高功率电炉的普遍应用，直流电弧炉的出现，连续铸钢技术的迅速发展以及生产多种特殊钢和合金（超低碳不锈钢，超纯铁素体钢等）的需要，炼钢方法发生了巨大变化，由一步炼钢发展为两步炼钢，即炉内初炼和炉外精炼。炉外精炼技术之所以有了较为迅猛的发展，是由于其能够提高钢质量和产量，降低成本，改善劳动条件等优点。为了增强在国内和国外市场上的竞争力，发展新的工艺是有必要的。这些工艺必须是经济的。目前，典型的炼钢炉是一个废钢熔化装置，在炼低合金钢的情况下，在炉中脱碳和脱磷以及升温到符合出钢要求，其全部精炼过程都是在钢包中进行的，进而提高了炼钢设备的生产能力。通过炉外精炼技术可冶炼出具有高质量特性的钢种满足实际需要，具体要求如下：①精确控制成分以保证力学性能的稳定。②减少钢中硫、磷含量以改善冲击性能、抗层状拉裂性能、热脆性，并能减少中心偏析和防止连铸坯的表面缺陷。③减少钢中氧、氢、氮含量以减少超声波探伤缺陷、条状裂纹等，并且能改善钢材的制管性能。④使用先进技术精炼钢液以满足对钢质量的各种特殊需要。例如，控制硫化物夹杂形态以防止轻质裂纹。⑤控制夹杂物的形状以改善钢的深冲性能和钢的加工性能。⑥脱碳到极低程度，以提高钢的深冲性能、电磁性能和耐腐蚀性能。⑦防止钢水的二次氧化和重新吸气，以免炉外精炼的效果前功尽弃。炉外精炼的产生和发展与国民经济的需要和科学技术的发展水平是分不开的。在很早以前，人们就产生了利用真空去除钢中气体的想法，如1860年英国贝赛迈尔就曾有过罐内钢桶去气的设想，1884年英国艾特肯也曾提出过提升法（类似DH法）；1932年捷克人科贝尔曾提出并实现了带盖钢桶去气法。但由于当时真空技术的发展水平低下，还制造不出抽气能力很大的真空泵，以上方法因规模太小并未很快地应用于生产。二次世界大战后，随着真空技术的发展和大型蒸汽喷射泵的研制成功，为钢液的大规模真空处理提供了条件。此后，大型生产性真空脱气设备相继被研究成功，并在发展中不断完善，增加了搅拌、加热、吹氧等装置，从而单纯的真空脱气设备转变成为成为灵活多样的各种炉外真空精炼设备。在炉外精炼发展过程中，人们发现不仅靠真空可以降低钢中的气体，采用惰性气体降低有害气体的分压，也可以达到同样目的，由此发展了不同形式的非真空精炼法。各种炉外精炼方法的工艺各异，其共同特点：有一个理想的精炼气氛条件，通常用真空、惰性气体和还原性气氛；搅动钢水，可采用电磁力搅拌，惰性气体搅拌或机械搅拌的方法；为补偿精炼过程的钢水温度损失，而采用加热设施，有电弧加热、等离子加热或增加钢水化学热等。1.炉外精炼的发展过程及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2替。已成为国内外大型钢铁企业生产的主要工艺流程，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。，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。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开发了喂线机、包芯线机和合金芯线，完善炉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“二三位一体”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)一精炼一连铸，成了现代化典型的工艺短流程。2.当前炉外精炼技术存在的问题现在炉外精炼技术问题较多，有的比较严重。1、精炼工艺变革频繁。有效的、无效的，做废的工艺版本并存，必然造成工艺操作的混乱，工艺标准化无从说起，有些工艺要求不明确，标准不具体，工艺参数不科学，更严重的是技术操作混乱，有章不循。2、Ar气搅拌压力过大，钢水裸露，甚至喷溅无专人负责。3、加脱氧剂，不是勤加、少加，均匀加入，而是大量的集中的加到熔池一个点上。4、精炼完了的渣子有黄色、绿色、黑色、白色、五颜六色，精炼渣造不好，脱氧，脱硫不可能好，钢水纯净度不高。5、LF炉炉门，包沿，炉盖密封不好。炉内空气对流破坏了还原性气氛，以及成份出格不合，温度过高，过低、控制不准，都给生产和铸锭质量带来很多问题。6、VD炉处理提前破真空，真空保持时间不够。软吹可有可无等等。这些问题不是现在才有，而是由来已久。有些错误的工艺技术操作已成为习惯，甚至成为标准化操作。现在应当把炉外精炼问题提到议程上来。整顿工艺，整顿操作，进一步提高精炼质量。大力提升电炉标准化操作水平，严格控制时间工艺节点，将电炉冶炼周期控制在70分钟，避免钢水冲刷炉壳时间过长，对炉壳造成损伤;科学调整供电供氧曲线，根据经验，制订出合理的曲线图表，并在职工中广泛开展培训活动，要求操作人员要严格按照图表进行生产操作，保持钢水冶炼过程的稳定，从而延长了炉壳的使用寿命。根据不同钢种特点对炉渣状态进行调整，并建立了完善的管理制度，定人定责，由炉长任第一责任人，下至班长、职工层层落实责任，对冶炼全过程进行监控检查，并利用每炉钢的出钢间隙，由班长组织职工对炉壳进行抢补维护，对每一个细小缺陷进行及时处理，为电炉炉壳炉龄的不断提升提供了保障。3.炉外精炼的发展趋势在现代冶金生产中，铁水预处理和炉外精炼及中间包冶金在提高质量，扩大品种，优化工艺，降低消耗，衔接流程等方面的功能都是一致的，并相互关联，相互依存。当前国际钢铁工业技术进步的方向集中在对传统钢铁生产工艺流程的合理组合，系统优化以及对以薄板坯连铸-连轧技术为核心的新流程进行进一步的优化开发。在这两种优化趋势中，炉外处理技术都是不可缺少的重要工序。在这方面，日本在70年代中期，就走出了前列，使其钢铁产品在世界市场的竞争力大为提高；80年代中后期开始，欧美甚至澳洲在意识到这方面的差距后，已迎头赶了上来。最近，一些主要国家的钢铁企业，整体优化的水平提高很快，只有生产工艺流程的整体优化，才能充3分发挥各项先进技术的作用，炉外精炼技术的发展当然也不例外。目前，炉外精炼技术发展趋势主要表现在以下几个方面：第一，趋向于铁水、钢水百分百地进行处理。同时，在实际生产中，炉外精炼设备百分之百在线运行。第二，向组合化、多功能精炼化的方向发展，并已形成了一些较为常用的组合与多功能模式。第三，不同类型工厂对炉外精炼技术的选择趋势，根据质量、工艺和市场的要求，也初步形成了一定的框架模式。合理选择炉外精炼方法，首先必须立足于市场和产品对质量的不同要求，这是选择炉外精炼方法的基本出发点。例如，对重轨钢必须选择具有脱氢功能的真空脱气法；对于一般结构钢只需采用以吹氩为核心的综合精炼方法；对不锈钢一般选择VOD精炼法；对参与国际市场竞争的汽车用深冲薄板钢和超纯钢则必须从铁水三脱到RH真空综合精炼直至中间包冶金等各个炉外精炼环节综合优化才行。合理选择还必须考虑工艺特性的要求和生产规模、衔接匹配等系统优化的综合要求，大型板坯连铸机的生产工艺要求钢水硫含量低于0.015%的水平，就必须考虑铁水脱硫的措施。某些大型钢铁公司为了提高产品的质量档次，同时又提高精炼设备作业率，追求从技术经济指标的全面改善中获得整体效益，从而采用了全量铁水预处理、全量真空处理的模式。现代冶金生产应从整体优化着眼，对冶炼、精炼、浇铸、轧制各工序，按照各自的优势进行调整、组合。从而形成专业分工更加合理，匹配更加科学，经济效益更加明显的整体优势。炉外精炼技术的应用，必须认真分析市场对产品质量的要求，做到炉外精炼功能的对口，工艺方法和生产规模的匹配经济合理，还要注意主体设备与辅助设备配套齐全，才能获得工艺稳定和良好的经济效益。实践证实，炉外精炼应向组合化，多功能精炼站方向发展，并已形成一些较为常用的组合与多功能模式：①以钢包吹氩为核心，加上与喂丝、喷粉、化学加热、合金成分微调等一种或多种技术相符合的精炼站。②以真空处理装置为核心，与上述技术中之一种或多种技术复合的精炼站，也主要用于转炉-连铸生产衔接。③以LF炉为核心并与上述技术及真空处理等一种或几种技术相复合的精炼站，主要用于电弧炉—连铸生产衔接。④以AOD为主体，包括VOD转炉顶底吹生产不锈钢和超低碳钢的精炼技术。炉外精炼技术本身就是一项系统工程，必须认真分析市场对产品质量的要求，明确基本工艺路线，做到炉外精炼功能对口，在工艺方法生产规模以及工序间的衔接匹配经济合理。此外，还必须注意相关技术和原料的配套要求，主体设备与辅助设备配套齐全，保证功能与装备水平符合要求等问题。4.炉外精炼技术在生产中的应用目前得到公认并被广泛应用的炉外精炼方法有：LF法、RH法、VOD法。1.LF法(钢包精炼炉法)它是1971年由日本大同钢公司发明的，用电弧加热，包底吹氩搅拌。工艺优点:1)电弧加热热效率高，升温幅度大，控温准确度可达土5℃；2)具备搅拌和合金化的功能，吹氩搅拌易于实现窄范围合金成份控制，提高产品的稳定性；3)设备投资少，精炼成本低，适合生产超低硫钢、超低氧钢。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，钢水平均升温1oC耗电0．5—0．8kW·h，LF升温速4度决定于供电比功率(kVA／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摄氏度2)采用白渣精炼工艺。下渣量控制在≤5kg／t，一般采用舢203一CaO—Si02系炉渣，包渣碱度R≥3，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。据试验报道，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％，ZG30CrMnMoRE喂稀土线稀土回收率达到68％，高的回收率可实现窄成份控制。LF法在生产实践中的应用2000年6月，鞍钢第一炼钢厂新建的连铸车问正式投产，精炼设备由两座LF钢包精炼炉，年处理钢水200万t；一座VD钢水真空处理装置，年处理钢水80万t组成。【JF炉最大升温速度为4℃，LF炉平均处理周期≤28min；处理效果：平均[H]≤0．0002％；最低[H]≤0．0001％。我国现有家重轨生产厂(攀钢、包钢、鞍钢和武钢)生产典型的工艺路线如下：LD-LF-VD-WF-CC，钢包吊到LF处理线的钢包车上后，由人工接通钢包底吹氩的快速接头，根据要求的钢水成分及温度确定物料的投入量(含喂丝)重轨钢含碳量较高，因而增碳显得很重要，转炉出钢时钢水含碳量控制为0．2％～0．3％(W．)，炉后增碳至0．60％一0．65％，在LF炉处理时再增0．10％一0．15％(W。)个碳至标准成份的中上限，经VD处理后即可达到钢种成分要求。2.RH法(真空循环脱气法)这种方法是