LF精炼工艺特点及生产实践

2015-08-20魏巍，李虹

冶金与材料 2015年2期

魏巍，李虹

(石钢京诚装备技术有限公司，辽宁营口115000)

LF精炼是转炉炼钢与连铸工艺之间的过渡环节，既要满足转炉炼钢的快节奏，又要为连铸提供合格的钢液。LF精炼能否在生产节奏要求时间内使钢水成分、温度、洁净度达到相应的技术要求，已成为炼钢厂生产的限制环节［1］。因此在了解LF精炼工艺特点的基础上，强化其冶金功能，以满足生产的要求。

1 LF精炼工艺的特点

1.1 石墨电极埋弧加热

LF炉以石墨电极与钢水之间产生的高温电弧为热源，对钢水进行加热，升温速度为4～5℃/min。加热时将石墨电极插入泡沫渣层中，进行埋弧操作，高温电弧在渣层内产生。泡沫渣对高温电弧起到屏蔽作用，一方面减少了高温电弧对钢包的热辐射，保护了炉衬;另一方面钢水和炉渣可以有效的吸收电弧热，提高了热效率。

生产过程中，为了提高精炼渣的泡沫化性能，通常会加入一定数量的发泡剂，如SiC、碳粉、碳酸盐等。其反应式为:

在生产低硅、低碳钢时，为了防止增硅、增碳会谨慎使用SiC和碳粉，而且过量使用SiC时，提高精炼渣泡沫化性能的作用不大。

精炼渣的黏度会影响其泡沫化性能，黏度适当时可以使炉渣的泡沫化维持较长时间。生产中一般采用CaO－Al2O3－SiO2渣系。精炼渣中加入一定量的CaF2可以降低精炼渣的熔化温度，提高炉渣的发泡性能。(CaF2)=8%时炉渣的泡沫化效果最好，当CaF2加入量过高时精炼渣的黏度降低，不利于泡沫渣的稳定和维持，而且CaF2过高会加剧对钢包耐火材料的侵蚀。LF精炼中CaF2的用量一般不会超过6%，或者不使用。在CaO－SiO2－Al2O3渣系中加入一定量的MgO可以降低精炼渣的熔点，但MgO加入量过高会明显降低炉渣的发泡性能，也会对钢包耐火材料造成侵蚀，MgO的加入量一般为7%～9%。

1.2 高碱度合成精炼渣

生产中要求LF精炼渣为高碱度、高还原性、低熔点的“白渣”，此外还要有良好的流动性、合适的扩散系数和表面张力等理化性能。炉渣的化学成分会影响LF的精炼效果，一般采用CaOAl2O3－SiO2渣系，当碱度R=(CaO)+(MgO)/(SiO2)=4，渣量为钢水量的0.5%～0.8%时，操作得当脱硫率可达到50%～80%，钢水中的硫可以脱到0.005%以下。理论上炉渣碱度越高，脱硫效果越好;但碱度过高，炉渣黏度将增大，流动性变差。实际生产中通常将SiO2降得很低，以提高炉渣碱度，通过调整炉渣中的Al2O3来改变炉渣的流动性，由于炉渣中Al2O3含量比较高，四元碱度并不高，炉渣的流动性也比较好，炉渣的熔点也比较低。LF精炼渣通常具有较高的还原性，渣中FeO含量很低，一般应低于0.5%。一般精炼渣的成分如表1。

表1 精炼渣成分

1.3 底吹氩气搅拌

在底吹氩气过程中，钢水内溶解的N、H等气体向氩气泡扩散，氩气泡内分压增大，氩气泡上浮膨胀至钢渣界面，N、H等气体随着氩气泡的逸出而排出钢液。氩气表面与非金属夹杂物的界面张力小，夹杂物易被氩气吸附并携带浮出钢液。底吹氩气前钢包内上、中、下部钢液存在温度梯度，成分也存在差异，通过底吹氩气搅拌，可以均匀钢液温度及成分。吹氩搅拌可加速钢中氧化物的还原，对回收铬、钼、钨等有价值的合金元素有利［2］。此外吹氩搅拌还可以加速钢渣之间的物质传递，为钢渣间的化学反应提供良好的动力学条件。

1.4 炉内还原性气氛

LF炉本身不具备真空系统，在大气压下进行精炼时，钢包上的水冷法兰盘、水冷炉盖及密封橡胶圈可以起到隔离空气的作用，隔离了氧化性气氛。炉内的高碱度还原渣以及加热时石墨电极与渣中的氧化物(FeO、MnO、Cr2O3)反应生成的CO气体，增加了炉气的还原性。石墨电极与钢包中的氧气反应生成CO气体，使炉内气氛中氧含量为0.5%。

2 LF精炼的功能及原理

LF精炼工艺的主要功能为脱氧、脱硫、去除夹杂物，以达到净化钢液的目的。此外还可以升温、调整化学成分、均匀钢液温度。下面对其主要功能及原理进行分析。

2.1 脱氧

LF精炼过程一方面要用脱氧剂最大限度的降低钢液中的溶解氧，同时进一步减少渣中不稳定氧化物(如FeO、MnO等)的含量;另一方面要采取措施使脱氧产物上浮去除，其实质是去除钢液中夹杂氧化物的问题。

2.1.1 脱氧原理

LF精炼的主要脱氧方式为扩散脱氧，由于精炼渣为高碱度、高还原性的“白渣”，其(FeO)的含量很低，因此钢液中的［O］和［FeO］不断的向渣中扩散。在炉渣(FeO)含量低于0.5%，“白渣”保持大于15min的冶炼情况下，可以将钢液中的氧含量降至20ppm左右。LF精炼对脱氧剂有严格的要求，常用的脱氧剂包括铝线、钙线、硅铁、锰铁、电石、碳粉和金属镁等。其反应如下:

2.1.2 脱氧剂的选择

金属镁的脱氧能力很强，但由于易气化烧损，因此利用率很低。碳粉的脱氧能力很低，大气压下脱氧速度慢，不能满足快节奏的生产要求，实际生产中加入碳粉的主要目的为增碳。电石的脱氧能力较强，脱氧产物既不会再在钢液中形成夹杂，也不会增碳，但是电石加多了容易造成“电石渣”。

硅的脱氧能力介于碳和铝之间，脱氧能力随着温度的降低而增强，但其脱氧产物SiO2降低了精炼渣的碱度，而且不适用于低硅钢和低氧钢的生产。锰的脱氧能力不强，但锰却是应用最广泛的脱氧元素。锰的脱氧产物可以与其它酸性氧化物(如SiO2、Al2O3)结合形成复杂的化合物，减小了MnO、SiO2、Al2O3的活度，从而使铝、硅、锰的脱氧能力得到了提高。

铝的脱氧能力强，脱氧速度快，是广泛使用的脱氧剂。铝的脱氧产物是Al2O3，熔点高(2303℃)、在钢液中呈固态、细小(≤50μm)、表面张力小，且相互间难以絮凝。Al2O3质量分数过高会对钢液造成严重的污染，如不能及时排除，在浇注过程中会粘附在钢包水口、塞棒或浸入式水口等铝质耐火材料上，造成结瘤现象，轻则形成非稳态浇注，重则发生断浇事故［3］。

钙的脱氧能力极强，但因为金属钙的沸点很低(1491℃)，在精炼温度下很难溶解在钢液中，钢液中存在硅、碳、铝等条件下，可以大大提高钙在钢液中的溶解度。Ca和Al的相互作用可以使脱氧能力得到提高，Ca的存在增大了Al的脱氧能力，在达到相同脱氧效果时减少了Al的消耗，同时Al也减少了Ca的挥发损失。

研究表明:铝脱氧产物的数量和形状是造成连铸中间包水口堵塞的主要原因。加入适量的金属钙可以有效地控制钢液中的氧硫质量分数，以及氧化物硫化物的组成，既可以达到减少非金属夹杂物的含量，又可以改变非金属夹杂物的性质和形状，从而改善了钢液的质量，保证了生产的正常运转。Ca的加入量必须根据钢液中Al的含量来控制，否则会生成CA6、CA2、CA、C3A，这些物质的熔点均超过1 539℃，在浇注过程中不但容易产生水口结瘤，而且不易上浮除去;理想的生产物是C12A7，其熔点为1 345℃左右，形状为球形，表面张力小，容易吸附其它夹杂物并聚集上浮，在浇注过程中不易产生水口结瘤，即使少量残留在钢中，由于其球形，轧制后对钢性能的影响较小。

2.2 脱硫

脱硫必须先脱氧，当生产硫质量分数很低的钢种时，必须通过LF精炼工艺来完成，由于LF精炼炉内完全是还原性气氛，可以把氧质量分数控制的很低，使深脱硫成为可能。

LF精炼工艺可以造高碱度，低FeO并具有适宜温度的炉渣，为脱硫提供了良好的热力学条件;钢包底吹氩气搅拌，促进了钢渣之间的接触混合，加速了硫在炉渣中的扩散，为脱硫提供了良好的动力学条件。

2.2.1 脱硫原理

LF精炼过程中，通过钢液中的硫与精炼渣中的CaO反应生成CaS而达到脱硫的目的。脱硫反应式为:

反应的平衡常数为

硫的分配系数为

2.2.2 脱硫的影响因素

精炼渣的成分对硫的分配系数造成很大的影响。炉渣中(CaO)/(FeO)的比值增加时，硫的分配系数变大，但随着碱度的升高，炉渣的黏度增大，流动性变差，反而影响脱硫效果。生产中炉渣碱度控制在4～5为宜，一般不超过6。

其它条件相同时，增大渣量可以提高脱硫率。但渣量过大，会影响反应速度。生产中渣量一般控制在0.5%～0.8%之间，国内某钢厂实践认为，为了强化脱硫效果，渣量可控制在1.0%～1.5%之间。

炉渣中FeO质量分数会影响硫的分配系数，当炉渣(FeO)＜0.5%时，脱硫率在50%以上。造渣时加入适当的脱氧剂，保持炉渣的还原性，可以降低炉渣中FeO的含量，对脱氧、脱硫都极为有利［4］。

当MgO质量分数不高时，可以起到与CaO类似的脱硫作用;当碱度不变，增加渣中MgO质量分数时，脱硫效果变差。随着渣中MgO质量分数的增加，炉渣的流动性变差，硫在渣中的扩散速度减慢，影响脱硫反应速度［5］。炉渣中的MgO主要来源于炉料和炉衬的侵蚀，在提高炉衬质量的同时，切忌造渣过稀、温度过高。生产中炉渣MgO质量分数一般控制在7%～9%。

炉渣的流动性也会对脱硫效果造成影响，加入适量的CaF2可以降低精炼渣的黏度，改善流动性，提高硫的分配系数，但CaF2会加剧对钢包炉衬的侵蚀。

2.3 去除夹杂物

LF精炼工艺的主要功能之一为去除钢液中的夹杂物，特别是铝的脱氧产物Al2O3。为了去除夹杂物，一方面严格执行钢包底吹氩气工艺，创造良好的钢液循环状态，促进钢中夹杂物(Al2O3)上浮;另一方面运用好顶渣改质工艺，使炉渣具有较强的吸附上浮夹杂物(Al2O3)的能力。

为了提高吸附夹杂物的能力，炉渣必须具有合适的黏度、良好的流动性、较高的碱度以及一定的化学成分组成。炉渣的黏度小，难以捕捉夹杂物;炉渣的黏度大，会对流动性造成影响。对于夹杂物(Al2O3)而言，酸性渣和中性渣不具备吸附夹杂物的能力，普通的碱性渣也很难吸附Al2O3夹杂物，只有含Al2O320%以上的高碱性渣，通过同化作用，才具有较强的吸附Al2O3夹杂物的能力。如果不对精炼渣进行改质，吹氩后夹杂物上浮，炉渣不具备吸附夹杂物的能力，夹杂物将在钢包内循环，无法达到去除夹杂物净化钢液的目的。

3 LF精炼炉实践生产效果

3.1 120tLF精炼炉主要技术参数

LF精炼炉采用双吊包工位布置，设两台钢包台车，一个加热工位，两个吊包工位分别置于加热工位的两侧，与加热工位呈“一字型”排列。LF精炼炉的主要技术参数如表2。

3.2 120tLF精炼炉生产效果

以生产37Mn5为例，分析实际生产中LF的精炼效果。37Mn5的生产工艺为BOF－LF－VDCC，液相线温度为1 498℃，成分要求如表3。

转炉出钢后，将钢包运至钢包台车工位，底吹氩气搅拌，以0.4～0.8kg/t钢喂铝线，进行脱氧;运至加热工位，降下石墨电极和炉盖，给电加热，并加入白灰和碳化硅造“白渣”，“白渣”保持时间超过15分钟;加入合金，对钢液成分进行调整;加入发泡剂，保持精炼渣泡沫化性能;断电并运出加热工位，喂铝线，钙处理，软吹，钢液成分及温度达到工艺要求后，完成LF精炼吊包运走。