精炼专用工艺教材

1、LF/VD工艺一、LF/VD精炼的生产工艺1、LF的生产工艺流程转炉出钢 钢包吹氩 加造渣料 测温 送电加热 测温取样 送电加热 合金成分微调 送电加热 测温取样 喂线 停止吹氩 钢包吊至连铸台浇铸该工艺路线用来生产普碳和低合金结构钢板。2、LF-VD的生产工艺流程转炉出钢（下渣量2-3kg/t） 钢包吹氩 测温 供电造渣 脱氧和脱硫 调整成分 测温 停氩吊往VD 真空精炼 喂线(铝脱氧或钙处理) 真空处理结束(破真空和关闭氩气) 钢包上连铸测温 连铸机浇铸 该工艺路线用来生产超低氢、低氮、低硫含量以及夹杂物含量极低的纯净钢产品。二、LF炉主要性能参数及精炼工艺参数1. LF炉主要性能参数：序

2、号项 目指标（含 单位）备 注1处理钢水量最大150t、最小105t2熔池面直径3112mm3电极心园直径750mm4电极直径450mm5钢包自由空间高度1000mm(135t)6电极行程3550mm7电极升降速度150mm/s8变压器额定容量26MVA9一次测电压35KV一次测电流278.1-428.9A10二次测电压220-340V 13级有载调压二次测电流44.150-45.488 KA11钢包车行走速度16m/min12喂丝速度0-5m/s13冷却水压力0.6MPa14进水温度3515出水温度5016冷却水耗量306m3 /h17升温速度5/min(120t)18炉盖提升高度700mm

3、19底吹氩压力0.6-1.5MPa20底吹氩流量(最大)600Nl/min21事故枪压力0.6-1.6MPa2. LF炉精炼工艺参数: 各钢种成份、过程温度控制、吹氩控制、终点控制、节奏控制等工艺参数按钢种技术条件相关条款和厂发相关文件执行。三、VD炉主要性能参数及精炼工艺参数1. VD炉主要性能参数：序号项 目指标（含 单位）备 注1处理钢水量最大135t、最小105t2钢包自由空间高度1000 mm3 工作真空度0.5torr（相当于67Pa）4极限真空度0.2torr（相当于27Pa）50.5torr时的抽气容量370kg/h干空气206 蒸汽消耗量（最大）14.6t/h7蒸汽压力（最小

4、）1.2MPa8蒸汽温度最高240，最低2059 蒸汽过热10-3010冷凝水总流量16.8m3/min11钢包顶部距隔热板最低部件距离600mm12钢包底部距真空罐底部耐材距离1500mm13吹氩压力0.6-1.6MPa14 吹氩流量（最大）600Nl/min15喂丝速度3-300m/min16破真空的氮气压力1.5MPa17破真空时间<0.5min18破真空氮气量<30Nm32.VD炉精炼工艺参数:各钢种成份、过程温度控制、吹氩控制、终点控制、节奏控制等工艺参数按钢种技术条件相关条款和厂发相关文件执行。四、LF/VD精炼的冶金反应1、脱氧钢中最终氧含量取决于所选择的工艺和钢包内

5、衬的耐火材料、脱氧方式、顶渣和所冶炼的钢钟。对于含铝镇静钢，用碱性渣处理，下图是某钢厂170t LF（VD）冶炼过程中的全氧含量情况。由图可知，大部分热量（70）仅来自于LF炉而不是VD炉，而平均最终全氧含量低于6.6ppm，与标准值偏差2.4ppm。2、脱硫脱硫为渣钢界面间的反应，脱硫效果取决于脱氧的程度、搅拌的强度和高碱度渣。这使得真空脱气罐是一个生产低硫、低氧和低氮钢的最佳工具。为达到钢中低氧含量、低硫含量以及低氮含量，使转炉的下渣量最小是非常必要的。对LC和钢，转炉下渣量所提供的参考值分别为7 kg/t和5kg/t，此值是相当高的，采用带传感器的档渣棒可以降低下渣量，当然，设置拔渣站也

6、可以达到同样的效果，这样可以使下渣量进一步降低到23kg/t的水平。下图为某钢厂一个月的脱硫生产图表，其工艺为180吨电炉-LF炉-VD炉。3、脱氢氢的去除类似一级反应，可近似表示为： 得到这里：脱气后的H含量Ht <2 ppm平衡H含量H 0.2 ppm原始H含量H0 6.0 ppm扩散常数H 0.15 m/min熔池面积A 7.5 m2熔池体积V 18 m3处理时间t min在平衡时的氢含量值H的搅拌强度和最终真空压力的影响如下图所示。将图中值代入公式中可以得到下面的公式。即：; t=15min下图是利用上公式对不同的初始氢含量的脱氢曲线图。渣对脱氢有一定的负面影响,分别如下：l 氩

7、气对钢包的搅拌力打破顶渣层增加内起泡的压力；l 最大氩气流量受限制；l 渣中含有(OH)-,氢的浓度随渣的碱度的增加而增加，氢从钢中脱除的时间和返回钢中的时间相等。为了达到特别低的氢含量，必须同时对钢和渣进行真空处理。这如同钢包脱气工艺，在熔池中钢和渣被同时处理。4、脱氮脱氮的动力学原理与脱氢不同，质量传输和化学动力学都控制氮的脱除。反应N ® N2(g)发生于气钢液界面上。表面活性元素，主要是硫和氧可能占据了界面的反应区，随着硫和氧含量的增加脱氮反应速率降低。因此良好的脱氮要求低硫和低氧含量，如图所示。5 、真空中的脱碳有效脱碳的首要条件是：l 强烈的搅拌l 低压l 有足够的氧生成

8、CO在真空罐用来搅拌的氩气通过底部吹入，这些在真空罐脱气装置中都可满足。下图收集了几个真空脱气罐的脱碳数据结果，这些结果能估算脱气罐的脱碳速率。为了达到图中深色曲线需要的低碳含量，脱碳时间15分钟内就足够了。反应速度和速度常数取决于反应的程度。初期有足够的碳和氧在界面发生激烈的沸腾反应，生成大量的CO。然后随着碳含量的减少，碳传递到界面，例如熔池的搅拌将是影响速度的决定性环节,速度常数将大大地降低,见下图。 6 、真空处理的温度损失真空处理的温度损失必须由加热站加热到较高的温度来补偿。与正常的加热相比，这样能量消耗将增加。在真空处理近似的能量损失能从所附图曲线中估算出来。五、LF/VD的处理周

9、期1、标准钢种，Q235对于一个典型钢种升温周期，Q235已经用计算机模拟出来。当仅仅使用加热站加热时，升温周期说明了此工艺路线，而像API钢种，对氢、氮及硫含量要求更低，需要在真空罐中脱气。在转炉出钢后的初期，平均氢含量在34ppm左右，对于这种钢来说太高，因为洁净钢的硫和氧含量很低，对氢更加敏感，这些钢种必须特别小心处理。推荐使用VD炉作为真空处理工艺，因为VD炉简单而且有极好的进一步脱硫能力。与之对比，循环处理工艺没有钢渣之间的混合，因而在这种工艺中脱硫实际上是不存在的。低的硫含量将促进氮脱到较低的水平。所附的时间温度图给出了从转炉出钢、在二次精炼站进行精炼处理达到浇铸所要求的正确成份和

10、温度的整个工艺过程中的变化。 标准处理操作适用于所选择钢种的加热，转炉出钢后对钢水进行的规范处理操作如下： 1)无渣出钢时加入脱氧剂、增碳剂和部分合金。在钢水上部加入部分造渣剂以绝隔热保温。2) 钢水向加热站运行。3) 钢水运到加热站，测温。4)加造渣剂。5)化渣，均匀钢水。6)升温。7)取样。8)温度和成份调节，去除夹杂，如需要可进行喂丝操作。9)测温。10) 时间进度需满足铸机进度要求。所做模拟处理周期在下页。上面的图中给出了整个处理过程中的温度变化。下面的图中给出了相关基本操作，这里“T”带一圆圈代表测温，“S”代表取样。在转炉出钢过程中，加入的第一批合金料是为了对钢水进行脱氧和合金化。

11、为了保温隔热，在出钢结束时加入一些造渣剂盖于熔池表面。由于转炉出钢设定是无渣出钢，正常状况下不需要扒渣。出钢完毕后，钢包通过钢包车移出，再通过天车将钢包吊起运到加热站，在加热站将余下的造渣剂加入到钢包。在二次精炼站的操作中进行全程吹氩操作。第一阶段加热升温直至钢渣熔化，钢水成分均匀，钢包温度升至可顺利进行取样操作。 在等待取样化验结果时，继续升温。收到化验室成分时立即加入其他的合金料。将钢水温度升到浇注前的目标温度。按照所给出的钢水处理周期表，某钢种在加热站的时间为35分钟左右。物料和公铺消耗主要与有效处理过程时间有关。其它钢厂经验表明：尽量减少转炉出钢时的温度可取得极好地经济效果，这样钢水在

12、加热站利用工艺处理时间内有效升温。下图所给出的升温曲线是在加热升温时间2025min，加热功率1417MW的情况。此时吨钢能耗约为 30kWh钢。如为了同铸机生产相匹配，钢水在加热站需等待一段时间时，上述能耗值会有所增加。2、处理周期，API钢种所有的API-5L钢种都对高含量的示踪元素很敏感，钢的屈服强度值越高，对示踪元素含量越敏感，特别是对于产品是酸性气体的钢管，硫含量必须控制到很低的值。特别低的硫含量，增加了对由氢引起的白点的敏感性，这样氢含量必须控制在较低的水平，因此真空脱气是必要的。低的氮含量通常对于转炉车间来说不是问题，但是在真空处理中进一步减少氮含量将保证钢的性能更好。碳含量通常

13、不是关键的，转炉出钢时的碳含量在0.06左右通常足够可以满足最终要求。如果最终用于X70酸性钢管，则最终碳含量要求应更低，其典型的含量在0.04左右，相应的出钢时的碳含量<0.030是必要的。可以选择在真空装置中加热脱碳。满足以上要求的最佳的工艺路线如下：1) 转炉出钢时的相关的碳含量，出钢时不脱氧（以避免出钢时吸氮）。为了使下渣量尽可能少，出钢时使用挡渣棒，或者推荐使用扒渣装置扒渣。2) 钢水运送到钢包炉。3) 开始第一次加热，加入造渣料和主要合金。4) 当渣料熔化时取样、测温，钢液温度要足够高以便取样良好（液相线温度3040）。5) 在随后的真空脱气以前，温度和成份调整到达目标值。6

14、) 钢水运送到真空罐。7) 在脱气罐进行真空处理，同时对钢渣进行搅拌处理，其特点如同真空罐脱气，这对有效脱硫是很有必要的。低的硫含量对在真空中脱氮是十分重要的（见下图）。8) 软吹以便进一步上浮去除夹杂物。9)浇铸。六、造渣工艺1、造渣量计算钢包炉精炼渣具有下列功能：l 用于埋弧时将电弧功率传送到金属熔池。l 通过吸收硫和氧来精炼金属。l 防止金属再次吸收大气中的氧、氮、氢。鉴于此，算出造渣量是非常必要的。操作时所造的渣量与电弧有很大的关系，即电弧的长度约Uarc-35mm，这里的Uarc指的是计算出的电弧电压。理想地来说，Uarc在放渣时一般应处于100110V之间，这种电弧长度对碳吸收和渣

15、的厚度有利。为能更好的埋下电弧，渣的厚度最好等于电弧长度2.5cm,约为9cm。鉴于渣的密度为2.75t/m3,熔池面积约为8m2,那么9cm厚的渣层重约为1.98t(2t)。假设转炉出钢下渣量450kg，出钢时加造渣原料500kg，钢包预热时留渣200kg，那么LF需加造渣料830kg（约850kg）。如果需保持钢渣、萤石或铝酸钙有足够的流动性，我们可通过加入CaO来补充这一重量。渣中的CaO达到饱和时，达到最佳精炼效果。目前大多数钢厂钢包精炼炉采用了CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元渣系或CaO-SiO2- Al2O3- CaF2-MgO五元渣系作为精炼渣，该渣系具有较低的熔点、快速

16、的成渣性能和良好的脱硫性能，特别适用于LF-VD工艺。2、中碳钢、高碳钢（45）造渣制度l 转炉出钢加入高效预熔精炼渣500kg，降低炉渣（FeO和MnO）含量，缩短LF造白渣时间。l 钢包至精炼工位后，向钢包内加入250kg350kg埋弧渣,200400kg石灰，视溶渣情况可加入100kg400kg改质渣，30kgSi-Fe或CaC2或SiC等脱氧剂。l 化渣5分钟后逐步按埋弧渣:石灰=1:1的比例加入300500kg造渣料，并在精炼15分钟内逐步补加脱氧剂30kg，具体加入量视渣量而定，每批加入时间间隔不少于2min，精炼20min后取渣样观察是否做好白渣。l 渣量较多（>100mm

17、）时应增加石灰加入量50100%。3、泡沫渣或埋弧渣造渣工艺技术LF炉采用泡沫渣或埋弧渣时，可以采用较长的电弧（78cm）操作，功率因数一般由0.65提高到0.85,整个电气系统的电气特性都得到改善,钢包炉炉衬的寿命也得到显著的改善，加热速度提高，电耗和电极消耗下降。炼钢过程中的泡沫渣通常产生于氧化铁含量较高的氧化性熔渣中，利用渣层内的碳氧反应提供的大量co气体作为气源使熔渣发泡的。从理论上讲，泡沫渣的产生主要取决于两个基本条件：一是必须具备适宜气泡产生和储存的熔渣，这是由熔渣本身的物性，如熔渣的粘度、表面张力、密度等因素决定的。一般认为，在气源条件一定时，熔渣的气泡程度随熔渣的粘度升高和表面

18、张力的降低而增大。熔渣本身的物性直接受熔渣的组成和温度等因素的影响，因此通过调整熔渣的组成和温度，可以使熔渣具有良好的储泡能力。另一个产生泡沫渣所必须具备的条件是气泡源。产生于熔渣中或通过熔渣中的气体量大，生成速率大且在熔渣中停留时间长，则熔渣起泡剧烈并能很好的维持发泡。熔渣的物性和气源这两个产生泡沫渣的条件是相互依存的。熔渣的储泡能力弱，渣中的气泡很容易聚合而逸出，此时即使气源条件很好也难以使熔渣起泡；反之若熔渣有良好的储泡能力，但渣中气体量少且产生的速率慢也无法形成理想的泡沫渣。LF炉的熔渣处于还原气氛下，渣中气体的来源主要是底吹气体和钢液脱氧产生的少量气体，很难维持熔渣的持续泡沫化。实践

19、证明：发泡剂主要是碳酸盐，如石灰石、白云石、BaCO3、NaCO3等,利用其在炼钢条件下分解反应产生CO2气体使熔渣起泡。再在发泡剂中配入一定的碳粉（焦炭粉）使其与发泡剂分解产生的CO2气体反应生成CO气体。此外，还在渣中配入少量CaC2和SiC（LF炉送电升温过程中分次加入脱氧剂，操作时每隔2分钟在15分钟内分6次共加入30公斤脱氧剂，然后取样观察是否造好白渣），以发挥超强的脱氧能力，保护炉内的还原性气氛，生成的CO气体可使熔渣起泡。总之，从LF炉的工艺特点来看，开发LF的埋弧功能时，应着力从熔渣自身物性上考虑，利用其底吹氩的气源，选择合理的吹氩工艺参数，再配合以钢液脱氧和其它渣钢反应产生的

20、气体以及在渣中配入适量的石灰，可使熔渣达到较好的起泡效果从而实现LF的埋弧操作。七、喂线工艺喂线工艺包括：最佳喂入速度和喂入量。喂入线端部的最佳喂入深度是在包底上方100200mm,丝线（如铝线、硅钙线、硅钙钡线等）在此熔化和反应。其最佳的喂线速度为：式中 v 最佳喂速，m/s； H 熔池深度，m。根据钢液量及钢包尺寸计算。 钢液喂Al量可根据下式确定： 式中 L 喂入钢液中的铝线长度，m； Alaim 控制的目标残Al量，； Alas 分析的钢中残Al量，； 冶炼过程中铝的损失量，kg； 铝的收得率，； w 铝线的每米重量，kg/m； G 钢液重量，t。 喂丝线时，如果渣流动性良好，钢液温度

21、合适，丝线（如铝线、硅钙线、硅钙钡线等）与渣中氧化物的几率较少，丝线中的合金收得率较高；相反，如果渣流动性不好，有时甚至在渣结壳的情况下喂铝，在铝线穿过渣层时，铝与渣中的氧化物反应，特别是后一种情况，铝线有可能卷在渣面上，在吹氩搅拌和加热时，这部分铝主要与渣中的氧化物和大气中的氧反应，在这种情况下，即使渣中的氧化物较少，铝的收得率也较低。 在渣流动性良好的情况下，铝的收得率主要与以下因素有关：l 渣中不稳定氧化物；l 钢液温度；l 钢中溶解氧。 在同样的喂速下，钢液温度过高，铝线伸入熔池深度过浅，借助吹氩搅拌达到钢液中铝均匀分布的作用减少。同时，钢液上部的铝由于氩气泡的上浮，被带到渣钢界面，与

22、渣中的氧化物反应，降低铝的收得率；钢液温度过低，钢、渣粘度增大，铝线在渣中和在钢液中运动时的阻力大，也使得铝线在熔池较浅的部位熔化，产生上述同样的结果，同时，钢、渣粘度增大，铝在钢液中的扩散速度降低，会造成铝在钢液中的局部富集，富集铝的钢液一旦与渣或大气接触，便会发生氧化反应。所以，对于一定的钢液温度，对应一个最佳喂线速度，确保铝线喂至熔池最佳位置。 在钢液量一定的条件下，钢液温度越高，铝线的熔化时间越短，喂速越快。在钢液温度一定时，钢液量越大，喂速越快，呈线性关系。 八、吹氩搅拌工艺 炉外精炼过程中钢液的吹氩搅拌是重要的单元操作，在精炼过程中起着均匀钢液温度和成分、 促进钢渣间反应、加快夹杂

23、物上浮的作用，而且直接关系着其他精炼手段的实现。但是，不合理的搅拌 ，如过强的搅拌可以使钢渣卷混，增加钢中的夹杂物并且使钢液吸气而增加钢中的氧、氮、氢等有害气体。精炼过程中吹氩搅拌是必不可少的手段，合理的搅拌可以提高钢液的质量，但是不合理的搅拌可能恶化钢液的质量。所以应控制好吹氩搅拌功率。 精炼各时期的氩气流量控制（可供操作时参考）项 目流量 Nl/ min化渣及造渣4060加 热150合金化及脱硫240250成分微调85净化钢水（喂线）4060VD真空处理250350吹氩示例a) 净化钢水50-80 l/minb) 加热 100-150 l/minc) 合金化和脱硫操作 >180 l/

24、min九、供电制度及其对钢液的影响1、供电制度LF炉配电输出电压、电流及功率表项 目12345678910111213二次电压(V)340330320310300290280270260250240230220电极电流(KA)44.245.545.545.545.545.545.545.545.545.545.545.545.5有功功率(MVA)26.026.025.224.423.622.822.121.320.519.718.918.117.3电弧功率(MVA)12.912.111.310.39.608.908.307.607.006.505.905.404.90电弧长度(cm)11.09

25、.58.07.07.07.07.07.07.07.07.06.56.5加热速度(K/min)6.86.56.15.75.14.64.23.73.33.02.62.11.5备注 13档位(340-320)属于事故档位，主要用于快速加热钢水，它没有考滤到耐材损耗。一般很少使用，属于高档位。 4#档位增加热点侵蚀，所以在使用时要特别小心。 5#6#档位属于常用加热档位。 7#13#档位用来慢速加热或保持钢水温度，属于低档位。精炼初期采用7#8#档供电，过程控制在3-6分钟。精炼升温期采用5#6#档供电，视节奏要求和钢水温度选择合适的供电档位，确保及时升温到钢种合格温度。保温期采用9#13#供电，并按

26、每5-10分种测一次温，视温度变化和生产节奏决定保温供电级数。2、供电制度对钢液的影响渣温高低会钢液吸氮产生一定的影响，渣温越高，越有利于钢液吸氮。在没有通电的条件下，钢液被渣覆盖，与大气没有接触，钢液吸氮的热力学和动力学条件不足，此时吸氮很微弱，渣可起到防止钢液吸氮的作用。如果LF加热采用大功率供电，短时间内，钢液迅速升温，可减少电弧电离增氮的机会，同时减少了高温渣存在的时间，有利于防止氮通过渣进入钢液。另外大功率供电时间如果与泡沫渣持续时间相当，泡沫渣包围弧光，可以有效地提高电能利用率，减少对炉衬的辐射，也可以防止电弧电离增氮。所以供电时间越短越有利于防止钢液增氮。小功率供电就会出现相反的

27、结果。如果泡沫渣造得不好，大功率供电时的高温渣会更易吸氮。造成供电档位越低，电弧功率越高，钢液增氮量越大的结果。十、钢包精炼炉温度控制l 初炼钢液倒入精炼钢包后，运送到钢包精炼炉座包后，进行测温取样及接通氩气，在整个精炼过程中氩气始终搅拌钢液，钢液始终处于降温过程中。l 根据测温结果及钢种精炼工艺要求，确定真空脱气前的目标温度，选定供电电压、电流及加热时间，然后通电加热，其操作与电弧炉加热基本相同，但是要求输入低电压、大电流，进行埋弧操作，尽可能避免对钢包耐材的热辐射。l 精炼钢包炉的加热升温速度一般为26min，在刚开始加热时，由于精炼钢包的包衬吸热，所以升温速度较慢，当包衬吸热和散热达到平

28、衡后，才能有效升温。在加热过程中，都必须及时对钢液测温，以确保钢液温度的正确性。十一、脱氧工艺 脱氧是一个降低金属中溶解氧的过程，有四种不同的脱氧方式，即沉淀脱氧、钢渣界面脱氧、扩散脱氧、真空下脱氧。前三种为LF炉常见的脱氧方式，第四种是VD炉的脱氧方式。下面简述各种脱氧方式：l 沉淀脱氧：是迄今为止最常用的一种脱氧方法，是指溶于钢液中的脱氧元素和氧反应，在钢液内部生成氧化物夹杂（脱氧生成物）由于比重轻上浮去除。脱氧剂一般为铝和或硅，沉淀脱氧本身不会降低氧含量，它只会将溶解的氧转化成氧化物形式的氧，然后氧化的氧质点通过吹氩搅拌从金属熔池中脱除。用简单的方程式描述它们各自的反应如下；2Al+3O （Al2O3）Si+2O （SiO2）Mn+O （MnO） Al2O3以