摘要:本文在实验室对埋孤渣进行试验的基础上，围绕新产品开发，对LF炉精炼工艺进行了工业性试验研究。对精炼渣的使用效果、物流协调模型、钢液温度模型、成分微调模型等进行了研究和总结。
关键词:炉外精炼 LF炉
1 引言
2002年,昆钢为了调整产品结构、提高板管比。建成了板带生产线。包括一条炉卷轧机生产线、一条冷轧板生产线。作为炼钢方面的配套设施，在昆钢三炼钢上了一套双工位KR法铁水预处理装置。一座LF钢包精炼炉，一台1600mm板坯连铸机,转炉为原来的两座50t顶吹转炉。由于转炉公称容量较小，当LF炉配合转炉与板坯铸机生产时,就要求LF炉要在很短时间内完成升温化渣、成分微调、脱硫、去除夹杂等精炼任务，使钢水温度、成分、夹杂物、气体等达到钢种要求。因此要充分发挥LF炉的精炼效果，需进行以下两方面的研究：
(1)开发适宜昆钢生产不同钢种的精炼渣配方。精炼渣不仅要具有很强的脱磷、脱硫和吸附夹杂物的能力。还要有很好的工艺性能，能快速成渣，埋弧精炼。
(2)研究LF炉精炼工艺及对工艺参数进行优化,建立多个必要的数学模型，使LF炉在30分钟内充分完成各项精炼任务，为下工序提供优质钢水并控制生产成本。
2 LF精炼渣的开发及工业性试验
2.1 LF精炼渣的技术关键
2.1.1 合成渣的作用
转炉出钢后，有一部分转炉终渣不可避免的进入钢包,经脱氧、合金化后，钢包渣呈低碱度、高氧化性,这就造成合金回收率降低，钢水氧含量高，钢中夹杂物难以去除等问题，要解决这些问题就必须对钢包渣进行改质。为精炼操作创造条件。
在转炉出钢过程中或出钢前加入钢包的合成渣要求起到以下作用：
(1)脱氧，降低炉渣氧化性，提高合金收得率；
(2)调整渣系组成，形成低熔点渣系，有效吸收钢水中夹杂物，利于钢包清理；
(3)提高钢包渣碱度，脱除钢水中有害杂质硫。
通过加入合成渣对钢包渣进行改质处理，使渣的组成和性能接近埋弧基渣的要求，在LF精炼过程中，可尽快达到其精炼效果。
2.1.2 埋弧精炼渣的作用
LF炉利用电极加热来完成均衡温度、脱硫、脱氧、去夹杂等精炼任务。要求埋弧精炼渣具有以下作用：
(1)脱硫、脱氧、吸附夹杂；
(2)提高热效率；
(3)减少对包衬的热侵蚀。依靠炉渣的电阻转换．在同样的输入功率下，减少了电弧功率。电弧功率的减少和电弧被炉渣屏蔽，都有利于减少炉衬的热负荷；
(4)降低电极消耗；
泡沫渣有利于渣钢反应，提高钢的内在质量。发泡的炉渣使渣钢界面扩大，有利于脱硫反应进行。由于泡沫渣的屏蔽，电弧区氮分压显著降低，有利于减少吸氮量。
实际生产过程中，为了解决因转炉和连铸的物流匹配问题，必须保证LF精炼时间在30分钟以内。因此，快速形成埋弧精炼渣是LF炉实现其冶金功能的关键。
2.2 精炼渣的开发及应用
按照精炼工艺对合成渣和埋弧渣的要求，昆钢自主开发了适用于Q235钢的合成渣和适用于45号钢、Stl2钢的埋弧渣。
2.2.1 合成渣在Q235上的应用
在Q235钢种生产中加合成渣进行试验。具体操作为：在出钢过程中加入合成渣100～150kg/炉，经过吹氩后取渣样进行分析。与没有加合成渣的炉次进行比较,试验数据见表1。
表1 合成渣试验渣样化学分析结果(％)
|
渣样类别 |
炉数 |
SiO2 |
CaO |
C/S |
∑FeO |
MnO |
P2O5 |
S |
Ls |
|
转炉终渣 |
8 |
10.90-14.93 |
39.63-47.57 |
3.11-3.75 |
19.87-31.61 |
3.85-4.62 |
2.15-3.15 |
|
|
|
平均值 |
12.84 |
43.74 |
3.41 |
25.74 |
4.18 |
2.86 |
|
|
|
氩后渣
（加合成渣） |
8 |
20.31-23.82 |
37.92-46.84 |
1.62-2.27 |
1.11-6.18 |
1.73-4.51 |
0.37-0.98 |
0.067-0.180 |
2.79-9.23 |
|
平均值 |
21.70 |
41.13 |
1.90 |
3.06 |
3.00 |
0.60 |
0.135 |
5.23 |
|
氩后渣
（未加合成渣） |
8 |
18.65-24.84 |
25.61-38.57 |
1.04-2.07 |
2.64-9.48 |
4.16-8.02 |
0.37-1.49 |
0.031-0.094 |
1.19-4.48 |
|
平均值 |
22.71 |
32.74 |
1.44 |
4.87 |
5.24 |
0.78 |
0.063 |
2.72 |
从表l可以看出，加入合成渣炉次与未加入合成渣炉次相比有以下几点变化：
(1)炉渣碱度提高0.46；
(2)渣中(∑FeO+MnO)降低4.05个百分点，降低幅度为40％；
(3)渣中(S)含量提高2.1倍，LS提高2倍。
合成渣的加入起到了一定的改渣作用，为下一步进行精炼创造了较好的条件。
2.2.2 中高碳埋弧渣在45钢上的应用
LF炉精炼45钢的主要作用是：调整温度和成分、脱硫、去除夹杂。埋弧渣的好坏直接影响LF炉的精炼效果，埋弧效果不好将造成LF炉热效率降低，升温困难，影响最大的是脱硫和增碳。在试制45钢时,采用了所开发的中高碳埋弧渣，并取钢样和渣样进行分析,见表2、表3。
表2 精炼前后钢样化学成分分析结果
|
炉号 |
精炼前化学成分（%） |
成品化学成分（%） |
脱硫率% |
|
C |
Si |
Mn |
P |
S |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
|
257-7665 |
0.41 |
0.36 |
0.68 |
0.011 |
0.012 |
0.50 |
0.33 |
0.68 |
0.013 |
0.006 |
50 |
|
257-7666 |
0.41 |
0.29 |
0.74 |
0.019 |
0.014 |
0.43 |
0.28 |
0.75 |
0.019 |
0.011 |
21 |
|
257-7667 |
0.32 |
0.24 |
0.68 |
0.017 |
0.013 |
0.44 |
0.21 |
0.72 |
0.024 |
0.010 |
23 |
|
257-7668 |
0.34 |
0.27 |
0.66 |
0.016 |
0.015 |
0.50 |
0.28 |
0.70 |
0.023 |
0.009 |
40 |
|
257-7669 |
0.36 |
0.28 |
0.69 |
0.018 |
0.016 |
0.50 |
0.29 |
0.71 |
0.021 |
0.009 |
44 |
|
257-7670 |
0.41 |
0.36 |
0.68 |
0.011 |
0.012 |
0.50 |
0.33 |
0.68 |
0.013 |
0.006 |
50 |
表3 渣样化学成分分析结果(％)
|
渣样类别 |
炉号 |
SiO2 |
CaO |
C/S |
MgO |
Al2O3 |
∑FeO |
MnO |
|
终渣 |
5 |
8.46-15.08 |
52.33-56.38 |
3.53-6.66 |
3.80-8.42 |
- |
16.43-27.45 |
3.25-3.92 |
|
平均值 |
11.56 |
54.36 |
4.89 |
6.26 |
- |
22.06 |
3.52 |
|
精炼渣 |
6 |
12.05-18.07 |
50.75-57.35 |
2.85-4.57 |
4.24-6.52 |
11.11-18.81 |
0.17-0.93 |
0.24-0.84 |
|
平均值 |
15.27 |
55.09 |
3.73 |
5.09 |
14.47 |
0.54 |
0.39 |
从表2、3可以看出，采用所开发的中高碳钢埋弧渣精炼45钢，脱硫率最高达到50％，说明埋弧渣的起泡效果好，钢渣反应界面大，在现场可以听到电弧声稳定，三相电流渡动小。从渣子的分析结果可以看出每一炉钢基本都达到了白渣操作(∑FeO+MnO)≤1％，各组分也在控制范围内，达到了预期效果。
2.2.3 低碳钢埋弧渣在Stl2上的应用
LF炉精炼Stl2的主要作用是：调整温度、脱氧、去除夹杂物。低碳钢埋弧渣的技术关键是既起到埋弧精炼又不增碳。
表4 Stl2精炼前后钢样分析
|
炉号 |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
|
精炼前 |
精炼后 |
精炼前 |
精炼后 |
精炼前 |
精炼后 |
精炼前 |
精炼后 |
精炼前 |
精炼后 |
|
35-4107 |
0.04 |
0.06 |
0.06 |
0.06 |
0.36 |
0.37 |
0.017 |
0.018 |
0.017 |
0.012 |
|
34-4395 |
0.02 |
0.03 |
0.04 |
0.03 |
0.30 |
0.32 |
0.019 |
0.018 |
0.019 |
0.014 |
|
35-4108 |
0.05 |
0.06 |
0.04 |
0.04 |
0.35 |
0.34 |
0.015 |
0.014 |
0.028 |
0.014 |
|
35-4109 |
0.05 |
0.06 |
0.03 |
0.03 |
0.32 |
0.32 |
0.013 |
0.016 |
0.030 |
0.017 |
|
35-4668 |
0.06 |
0.08 |
0.04 |
0.05 |
0.33 |
0.32 |
0.012 |
0.012 |
0.011 |
0.010 |
|
35-4670 |
0.05 |
0.05 |
0.04 |
0.04 |
0.33 |
0.32 |
0.014 |
0.014 |
0.012 |
0.011 |
|
35-4671 |
0.06 |
0.07 |
0.04 |
0.04 |
0.30 |
0.29 |
0.009 |
0.009 |
0.012 |
0.012 |
|
35-5188 |
0.07 |
0.07 |
0.02 |
0.03 |
0.33 |
0.33 |
0.011 |
0.013 |
0.013 |
0.012 |
|
35-5189 |
0.07 |
0.07 |
0.02 |
0.02 |
0.33 |
0.34 |
0.013 |
0.017 |
0.013 |
0.013 |
|
35-5190 |
0.04 |
0.04 |
0.01 |
0.01 |
0.28 |
0.28 |
0.011 |
0.013 |
0.013 |
0.014 |
从表4可以看出采用所开发的低碳钢埋弧渣精炼Stl2，增碳量很小或不增碳。在试制Stl2过程中,由于炉机不匹配，第一炉精炼时间较长往往会造成增碳。但连浇炉情况就比较好，现场所观察到的埋弧情况很好，低碳钢埋弧渣满足了生产要求。
3 LF炉精炼工艺研究
3.1 LF炉钢液温度数学模型
3.1.1 出钢温度和LF炉出站温度模型
连铸钢水的浇铸温度，一般是指中间包内的钢水温度。适宜的浇铸温度是连铸顺行和获得合格钢坯的重要工艺参数之一。中间包钢水温度取决于LF炉出站温度和过程温降。而出站温度又受出钢温度的影响。
要得到合适的浇铸温度，且尽可能减轻LF炉升温负担的情况下，关键是要根据所生产的钢种，确定合适的转炉出钢和钢水离开精炼站时的目标温度。
图1 钢水温度控制图
为保证连铸钢水温度稳定，过热度与拉速匹配,要最大限度的使钢水在出LF炉精炼站时温度在目标值范围内。在实际生产中，转炉出钢温度和钢水离开LF炉精炼站温度允许波动±10℃。开浇第一、二炉由于炉机匹配问题和中包存在较大的温降，在出钢和出站温度还要更高一些。
根据以上温度变化的分析，在新产品开发过程中,针对不同钢种的成分要求和工艺路线，计算和统计了生产各工序的温降，确定了各钢种在不同阶段的目标温度。
表5 精炼过程中钢水目标温度
|
钢种 |
St12 |
45钢 |
BL2 |
30MnSi |
|
TL |
1529 |
1494 |
1526 |
1500 |
|
△Tl |
20 |
30 |
25 |
25 |
|
T中间包 |
1549 |
1524 |
1551 |
1525 |
|
△T2+△T3+△T4 |
47 |
65 |
65 |
65 |
|
T到台 |
1596 |
1589 |
1616 |
1590 |
|
△T5 |
12 |
10 |
10 |
10 |
|
T精炼前 |
1588 |
1574 |
1601 |
1575 |
|
△T6 |
20 |
25 |
25 |
25 |
|
T精炼后 |
1608 |
1599 |
1626 |
1600 |
|
△T7 |
55 |
90 |
80 |
100 |
|
T出钢 |
1643 |
1664 |
1681 |
1675 |
注：T出钢=TL+△Tl+△T2+△T3+△T4+△T5+△T6+△T7
在研究过程中按目标温度进行控制，取得了较好的效果。
3.1.2 LF炉升温数学模型
在LF炉处理时间满足多炉连铸要求，保证产品性能的成分微调。满足钢液纯洁度的要求条件下，还要保证钢液温度满足连铸工艺的要求，根据钢液升温的目标值，确定LF炉电弧加热制度。
LF炉钢液温度数学模型是按照能量守恒定律，并以每包钢水重量为基础来建立数学模型。即：
∑Q入=∑Q出+Cpm△T
热量收入项目有：(1)钢液物理热；(2)电弧加热；(3)渣金反应和成渣热；(4)合金氧化的热量。
热量支出项目有：(1)LF炉炉盖和炉壳散热；(2)LF炉气带走热量。
在实际生产中，由于受到渣料加入数量、钢包状况、风机开度等条件的影响，使用起来很不方便。现场需要一种能够更快、更简便确定加热制度的公式，便于指挥生产，因此采用统计方法，收集加热时间、加热档位和升温的数据，对这些数据进行回归分析，在加热时间在15分钟内，LF炉升温数学模型可以采用下式进行计算：
△T=25-2D+1.8t
式中：D——升温档位：
t——升温时间：
△T-一升温值，℃。
在现场也可采用更简洁的公式：
△T=(10-D)·t
升温时间在10分钟，采用中间档位时，目标温度与实际温度可控制在±10℃。可以根据进站温度快速确定加热所需档位和加热时间，通过以上两个公式，能够准确控制LF炉的温度。
3.2 铝的回收数学模型
钢中要求含有一定量的Als(铝在钢中的有益部分是酸溶铝，也叫Als)，但是由于Al和氧的亲和力非常强，Al的回收受到钢中氧含量、钢包渣量、加入方式等条件的影响。如何在很短的精炼时间内保证Al的回收和稳定Als含量是成功开发如SPCC、Stl2的关键。
为了提高Al的收得率。在脱氧工艺上采用两步脱氧法．即在转炉出钢时采用硅钙钡、铝锰铁、少量铝铁进行脱氧合金化。使硅、锰、钙等元素参与脱氧，形成大型复合脱氧产物上浮。第二步在LF精炼炉加入铝铁进一步脱氧。同时提高钢水中的Als含量。在工艺上主要采取了以下几个措施来保证Als的稳定回收。
(1)冶炼Stl2钢时，铁水全部通过KR法脱S预处理，使用优质废钢；进一步提高炉长的操作水平，提高终点命中率，减少拉后吹；对拉后吹严重的炉次，出钢前在炉内加入适量的改渣剂，有效地降低了终渣FeO含量和氧含量。
(2)使用新型挡渣锥挡渣，挡渣成功率大于90％，使流入钢包中的渣大大减少。
(3)使用钢包调渣剂，降低钢渣中FeO含量。
(4)连铸采用无氧化保护浇注技术，从大包覆盖剂、中包覆盖剂、长水口到结晶器保护渣以及长水口、塞棒、下水口、滑板Ar气保护，做到钢水不被二次氧化，减少Als在浇注过程中的损耗和Al203的生成量。
通过采取以上措旋，使得Stl2的脱氧合金化操作逐步稳定下来，通过回归得出，不同进站氧活度时Als的回收率计算公式为：
Y=56.224-0.1941X
式中：Y——Als回收率：
X——进站氧活度。
生产中可以在LF炉一次加入铝铁命中，减少了定氧次数，降低了成本。Stl2钢中的Als平均达到了0.06％，由于Als含量稳定提高，进一步提高铸坯质量，满足下一道工序的要求。
3.3 物流协调模型
当连铸坯断面尺寸确定后，连铸机拉速决定了炼钢过程物质流量的大小，炼钢厂物流与精炼装置的物流量，应实现工序间流量协调，其数学模型为：
QBOF=QR.F=QC
式中：QBOF一转炉每分钟出钢量，t/min；
QR.F—钢水精炼装置的出钢量，t/min；
QC—连铸机平均出坯量，t/min。
在实际生产中，特别是在组织大板坯生产时往往不能满足公式的要求。转炉的冶炼周期为31分钟。LF炉精炼周期为25分钟，大板坯主要浇铸断面为200㎜×l300mm、200mm×l520mm，在浇铸1300mm断面时拉速为1.2m/min，1520mm断面时拉速为1.1m/min。这样可以计算：
QBOF=50/31=1.61t/min
QR.F=50/25=2.0t/min
200mm×l300mm断面：
Qc=0.2×1.3×1.2×7.86=2.46t/min
200mm×l520mm断面：
Qc=0.2×1.52×1.1×7.86=2.63t/min
从上可看出Qc>Qr.f>QBOF，连铸能力大于精炼能力和冶炼能力，而且连铸再降低拉速将会影响铸坯质量。因此，在目前精炼炉的生产条件下，如何进行生产组织管理，使连铸机尽可能多炉连浇。也是非常关键的一个环节。
根据钢水在钢包中的温降规律和各环节的周期，采用了转炉先冶炼出3炉钢，第一炉先进LF炉精炼，转炉冶炼第四炉钢时，精炼第一炉上连铸。浇1300mm断面时浇铸周期为50/2.46=20.3min，精炼炉精炼周期可以保证与连铸周期一致甚至更短，这样可以连浇6炉钢，如第6炉钢采用另一个转炉接，可连浇8炉。浇1500mm断面时，可连浇6炉。通过不断协调摸索，生产Stl2时，连浇炉数达到7.1炉，取得了较好的效果。
4 技术经济指标完成情况
在转炉-LF炉精炼-连铸工艺上先后开发了45钢、SPCC、Stl2、BL2、30MnSi等钢种，取得了较好的效果。统计通过LF炉精炼的3922炉，各项技术经济指标完成情况为：电极消耗0.38kg/t钢，精炼电耗36.59kwh/t钢，耐火材料消耗2.57kg/t钢，平均精炼通电时间11.96min。
正常情况下LF炉脱硫率一般在20-50％，如果进站硫含量高时，脱硫率可超过60％，精炼钢种命中率为100％。
5 结论
(1)所开发的合成渣、低碳钢埋弧渣、中高碳钢埋弧渣通过在各钢种上应用，达到了预期效果，开发获得了成功。
(2)建立的LF炉钢液温度数学模型，对新品种的开发起到了很好的指导作用，满足了生产需要。
(3)建立的Als回收数学模型，提高和稳定了钢中Als含量，为昆钢冷轧板品种的开发创造了良好的基础。
(4)建立的物流模型满足多炉连铸的需要，成功解决了转炉、精炼、连铸不匹配的问题。
(5)通过一年多LF炉精炼工艺的研究，LF精炼炉各项技术经济指标全部达到预期要求，取得了较好的效果，LF炉在昆钢今后的生产中将能够发挥更大的作用。
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