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LF炉智能吹氩的研究与应用

孙翠华

(山东钢铁股份有限公司莱芜分公司炼钢厂，莱芜；271104)

摘 要：莱钢炼钢厂通过安装智能吹氩设备，建立LF炉智能吹氩标准，并对吹氩软件进行完善改进，实现了氩气流量的精确、稳定控制，提高了H型钢的铸坯质量，降低了能源消耗，提高了包衬寿命。

关 键 词：LF精炼；炉钢；包智能吹氩

0  前言

莱钢炼钢厂4号转炉—4号LF炉—4号连铸机主要配套生产中型H型钢。H型钢生产对钢水的洁净度要求较高。精炼工序担负着去气、去夹杂、净化钢水的任务。由于该生产线中的转炉冶炼及浇注周期只有25min左右，这就要求LF炉在短时间内达到较好的冶炼效果，能够和炉—机匹配高效快速生产。而钢包底吹氩技术具有强搅拌力、成分及温度均匀的良好冶金特点，为此在4号LF炉中设计并安装了智能吹氩系统，并对吹氩工艺进行优化。根据精炼不同时间段的精炼目的，选择不同的吹氩模式，制定吹氩标准化操作，指导钢水吹氩操作，实现快速化渣、提温，加速钢渣循环，避免卷渣、二次氧化和吸气，降低耐材冲刷侵蚀、氩气消耗，延长电极寿命。

1  钢包底吹氩基本原理

钢水进入钢包后，将氩气通过钢包底部的透气砖不断吹入钢液中，形成大量的小氩气泡，这些小气泡对于钢水中的有害气体N₂、O₂、H₂等来说，相当于一个个小“真空室”，这些小“真空室”内其他气体的分压力几乎为零，于是溶解在钢液中的其他气体不断向氩气泡中扩散；扩散过程中，氢和氮在氩气泡中的分压力随着气泡上升而增加，但气泡在钢液中受热膨胀，因而氢和氮的分压仍能保持较低的水平，故上浮过程中继续吸收氢和氮，最后随着氩气泡上浮而逸出钢液。另外，氩气上浮时引起的钢液搅动，提供了气相成核和夹杂颗粒碰撞的机会，有利于气体及夹杂的排除。

2  原底吹氩工艺现状

炼钢厂老区尽管采用了双透气砖吹氩技术，增强了吹氩效果，但由于采用手动调节压力，仍存在很多缺陷：

1)吹氩操作靠手动调节氩气压力阀门，流量控制精度低，流量调节反应滞后，不利于吹氩过程的稳定控制，氩气浪费严重。

2)无法精确控制软吹过程，致使钢水卷渣严重，影响铸坯质量。

3)仅靠氩气压力表检测氩气流量(无流量计)，由于工作现场的恶劣环境，常常造成测量误差增大，吹氩效果控制较差。

4)自动化程度低，吹氩过程靠肉眼观察判断钢水裸露面及透气砖透气性状况，可靠性差。

5)靠压力阀门控制氩气流量，易造成流量失控，对透气砖耐材侵蚀冲刷较严重。

3  智能吹氩基本原理

氩气由气源经管路首先进入手动球阀，在球阀后设调压阀，将氩气减压到所需压力。氩气从手动球阀出来后进入电磁阀。电磁阀的作用是控制氩气进入钢包。在电磁阀后设置气动薄膜调节阀，用来调节氩气的流量，由气动薄膜调节阀出来的氩气进入流量计。流量计配有变送器将流量讯号转化为电流讯号，根据此讯号即可显示出氩气流量。在流量计后端设有压力变送器，压力变送器将此处的压力讯号转化为电流讯号，根据此电流讯号即可显示出进入钢包的氩气压力。精炼吹氩操作可在主控室内通过工控机控制，也可在炉前操作箱操作，氩气流量、压力由PLC根据冶炼工艺要求，不同的冶炼阶段采用不同的吹氩流量，且在每一阶段保证吹氩流量的恒定^[1]。该系统设有一高压旁通支路，当钢包的透气砖堵塞时，接通次支路可将高压氩气直接吹至透气砖，消除透气砖的堵塞状态。

4  LF精炼吹氩工艺优化

4．1  不同冶炼目的氩气流量控制

1)在精炼过程中，底吹氩气靠动能推动使钢水循环流动，其动力主要考虑分散气泡所产生的膨胀功，得到氩气的搅拌功率ε(W/t)为：

式中，T₁——钢水温度，K；

T_n—吹入氩气初始温度，K；

P₂——钢液面上的绝对压力，kPa；

Q—氩气流量，L/min；

M——钢水质量，50t；

H——钢液深度包括渣厚，250cm。

将数据代入式(1)得：

ε=0．383Q

不同精炼目的搅拌功率及氩气流量的控制，如表1所示。

2)吹氩搅拌时，根据全浮力模型，得出吹氩搅拌时钢流的体积流量V_z与吹入气体流量V_g的关系为：

式中：Z为液流高度。

钢包吹氩搅拌的抽引比m为：

m=V_H/V_g        (3)

式中：V_H为Z=H时的最大提升钢液量，H为钢液的深度，此时V_H=V₁；V₁为钢液体积。

钢液在钢包中的循环周期为：

τ_c=G／(V₁／ρ₁)    (4)

式中：G为钢包中钢液的质量；ρ₁为钢液密度。

混匀时间τ与循环周期τ_e的关系为：

τ=3τ_e    (5)

将数据代入式(5)计算不同氩气流量下的混匀时间，如表2所示。

可以看出，氩气在钢包内抽引提升金属液体的能力十分惊人，均匀成分和温度不需要很大的搅拌功和吹气流量，当氩气流量大于400NL／min时，钢水能在1min内混匀。

3)精炼操作过程，需加入合金及增碳剂微调成分，为保证取样成分的均匀有代表性，要求大流量搅拌混匀。钢包精炼炉中的钢包顶渣要比普通钢包的渣量大得多，考虑顶渣对均混时间的影响，加上合金及碳粉完全熔化时间，这个混匀时间实际选择2．5min。所用增碳剂为颗粒状的沥青焦，加入钢包后很容易粘附在炉渣上，无法进入钢水中，为保证增碳剂能够完成进入钢水，搅拌流量选择大于400NL/min，氩气阀旁通，压力为1．5MPa。此时钢水裸露面积达到钢水液面的2／3，若是普通底吹钢包操作，会造成钢水严重二次氧化，顶渣容易被搅拌流卷入钢水中污染钢水。而LF精炼炉的境况有所不同，保持炉内处于微正压状态，氩气气氛能够保证减少钢水二次氧化程度。LF钢包内的顶渣是经过处理后人为控制的精炼渣，其运动黏度与钢水运动黏度之比能够达到250以上，钢渣在之后长时间的软吹，非常容易分离。另一方面，LF顶渣的氧化性极低，所以卷渣造成的危害比普通钢包的氧化渣要低得多。

4)吹氩流量小有利于减小气泡尺寸，提高气泡碰撞夹杂物的概率。钢包弱搅拌和适当延长低强度吹氩时间，更有利于去除钢中夹杂物颗粒，但夹杂物的去除效率最终取决于吹入钢液的气泡总量。降低吹氩流量必须延长吹氩时间，这往往受到生产过程的限制。根据现场生产节奏要求，喂完CaSi线后，钢水可以软吹8～10min，此时单透气砖氩气流量为30～50NL/min，做到钢液面微动不裸露。

4．2  建立智能吹氩标准

利用智能吹氩系统对吹氩工艺进行优化，根据精炼不同时间段的精炼目的，选择不同的吹氩模式，制定吹氩标准化操作，指导钢水吹氩操作，实现快速化渣、提温，加速钢渣循环，避免卷渣、二次氧化和吸气，降低耐材冲刷侵蚀、氩气消耗，延长电极寿命。同时可以在不破坏渣层的情况下进行良好的软吹，促进尺寸小于30μm的夹杂物最大程度地上浮排除。不同精炼目的氩气流量控制，见表3。

5  结论

智能吹氩设备的增设及吹氩标准的建立，使自动化程度增强，提高了吹氩效果，降低了轧材T[O]含量，改善了轧材质量；而且降低了生产成本，氩气消耗降低了0．04m³／t左右，减轻了因手动状态频繁开启阀门而造成的阀门损坏与高压气流对透气砖的频繁冲击，透气砖使用寿命提高了10炉以上，经济效益巨大。

参 考 文 献：

[1]   蒋军．钢包底吹氩控制系统的优化设计[J]．中国冶金，2007，17(5)：06—09．