LF炉精炼研究总结

LF工艺操作

LF 是一种拥有电弧加热装置的炉外精炼方法，于1971年由日本特殊钢公司提出，它也被叫做钢包加热炉。 LF主体是一个带有底吹氩的钢包，来自转炉或电炉的钢液(无渣)注入到该钢包内，然后钢包被吊车吊运到钢包车上，运往LF处理工位。在水冷炉盖下方提供三相电极，盖上水冷炉盖，加入高碱度的复合渣，然后通电，那么常压下即可达到埋弧加热的效果。

由于LF处理方法提供电弧加热、复合渣精炼，吹氩搅拌和合金微调等功能，因此LF精炼可达到以下冶金目的：

1）通过还原气氛中高碱度复合渣的精炼，LF有很高的脱硫和脱氧能力，钢液中硫含量和溶解氧可降低到20PPm以下，此外夹杂物也可有效的去除。

2) 钢液电弧加热调整钢液温度，加速复合渣熔化；

3) 底吹氩方式达到钢液成分和温度的混匀；

4) 依靠自动加料系统对钢液进行成分微调。

加热过程

转炉出钢

1) 钢包条件

钢包应当干净，不附带任何残余炉渣；此外，换包周期不能多于4小时，否则钢包必须烘烤加热到1000-1200℃。钢包内残余钢液或

炉渣会引起钢包温降，失去的热量需LF处理补偿，这些因素在LF电脑模型中都需要考虑进去。

2) 挡渣

转炉出钢需要进行挡渣，众所周知转炉顶吹终点，钢液中存在一定含量的溶解氧，它与渣中氧保持平衡。渣中FeO 和 P2O5含量很高。当还原剂加入钢包钢液中溶解氧含量降低，钢渣间的氧平衡被打破，渣中 FeO 含量减小。因为炉渣的氧化性降低，发生回磷现象。因此为了阻止钢液回磷和保证稳定的LF加热过程，转炉出钢要求挡渣。

3)合金和造渣剂的添加

为保证钢液成分，出钢过程中需加入合金和还原剂。

LF加热过程

钢包精炼工艺包括几个过程，彼此间相互关联。对于不同钢种，加热操作不尽相同，且处理过程参数均有相关的标准计算模型。

步骤A：搅拌

当钢包抵达LF处理位，接通自动快换接头向钢包提供氩气，根据钢种选择不同的吹氩模式。

a) 吹氩量： 150~300Nl/min

步骤B：混匀

依据钢种提供不同的混匀方法

a) 吹氩量： 300~600Nl/min

b) 还原剂：硅铁，铝丸

不同混匀模式中，还原剂用量是一定的 (~TS).

这个步骤分为两个加热阶段，第一阶段持续1分钟，加热速度越慢越好，温度上升大约3℃/mi n，这是起弧阶段。在第二阶段中，熔池加热5分钟，升温速度为最大的℃/min.

该步骤中加热的目的是熔化出钢过程中添加的造渣剂，混匀及稳定钢液温度。

此时搅拌熔池的吹氩量达到300-600Nl/min. 熔池温度分布基本均匀，钢液温度得到合适的调整，出钢时添加的造渣剂已熔化，添加的合金溶解并均匀的分布于熔池内。因此钢液化学成分也变均匀。

步骤 C：取样及温度和氧活度的测定

混匀之后，暂时停止加热，降低吹氩搅拌程度，进行取样和氧含量测定。因为熔池的温度和成分是均匀的，上述涉及的测量比较准确。测量值用于电脑模型对之后合金用量和加热时间的计算。

步骤 D：主要加热阶段

通过进一步的电弧加热，钢液表面熔渣处于过热状态，部分电弧埋于炉渣中。造渣剂和还原剂加入LF炉，造渣剂的加入消除了炉渣的过热并降低了热量损失，吹氩流量调到600-900Nl/min.

添加造渣剂的目的是为了获得高碱度，强还原性和低熔点的炉渣。因此复合渣有很高的夹杂物吸附能力和脱硫能力。

只有在主要加热阶段才能开始添加造渣剂和还原剂，因此必须提前准备它们，并进行重量的称量。

根据步骤C中取样分析结果，电脑计算了需要添加的合金用量，

加入速度为300kg/min.

步骤 E：取样，温度测量和定氧

为保证下面步骤的准确性，执行取样，测温和定氧必须要符合相应的钢种需要。至少合金化两分钟后(此时熔池中合金已充分溶解和混匀)才能取样，以保证得到可靠和准确的钢样。进行取样和定氧时，停止加热，吹氩量相应减小。

步骤 F：钢液温度或成分微调

根据上一个步骤中测温取样分析结果，通过添加合金从而达到钢液温度或化学成分的微调。搅拌气体流量控制在150-300 Nl/min.

步骤 G：包芯线喂送

根据不同钢种对成分的要求，有时需要向熔池喂一些包芯线，喂丝长度由电脑计算确定。生产中可向LF炉提供铝线，FeCa，SiCa和碳包芯线。当喂送包芯线，熔池不会升温。其中搅拌气体流量为50Nl/min.

步骤H：均匀

当完成温度和成分调整，熔池应该是均匀的。也就是说，软吹(30Nl/min)用于熔池混匀。搅拌时间5-10 分钟，同时为将夹杂物改性成球形和提高钢液的浇注性，需向钢液喂入一定量的SiCa和Fe-Ca包芯线. 喂入量根据钢种和喂丝模式决定。

步骤I：取样，测温及定氧

LF炉加热结束前，最后根据所炼钢种及相关操作模式还需要进行取样，测温和定氧处理。

步骤 J：等待时间的热保护

LF加热之后，由于钢包不能及时运往铸机或下一个精炼站等原因需要对其进行热保护。保温执行时最小升温速度为3℃/min，搅拌气体流量为 50Nl/min。

添加保温剂

作为精炼工艺的最后步骤，钢包吊往铸机之前需添加保温剂。 LF炉渣的目的和功能

LF精炼期间，特殊成分的复合渣加入钢液中，经过电弧加热熔化对钢液起到进一步精炼和热保护的作用。LF炉渣的冶金效果如下所示：

1) 高碱度和高还原性炉渣可以进一步去除钢液中的硫含量。由于底吹氩用于LF精炼，它增加了钢渣接触面积和机会，从而得到满意的脱硫效果。

2) 炉衬保护和热效率提高：造渣剂溶解于液态渣中，如果部分变成泡沫渣，能够形成埋弧生产，减少电弧对钢包耐材的热辐射，从而额保护钢液热量，减少热损失。

3) 钢液中夹杂物的吸收： LF炉应用底部吹氩搅拌，提高钢液中夹杂物的碰撞和上浮，然后与钢液表面的复合渣接触，被其捕捉。因此生产超洁净钢成为可能。

4) 隔离空气阻止钢液吸收外部气体：电弧加热期间，附近空气

分子被电离，氮气很容易电离并溶解于钢液中，造成氮含量的提高。渣层覆盖钢液可以有效的阻止气体的吸收。

LF炉渣特性

为达到上述功能，LF炉渣应具有以下特性：

1) 低熔点;

2) 夹杂物吸收能力强;

3) 合适的碱度;

4) 还原性。

LF精炼时低熔点的造渣剂熔化容易，不需要消耗太多的热量。炉渣可以阻止电弧热损失，提高热效率，同时液态渣有很强的夹杂物吸收能力。

LF炉精炼时，温度越高，炉渣碱度越高，还原性越强，炉渣脱硫能力越强，但是高温和还原性不利于钢液脱磷。这就意味转炉渣中的硫被还原进入钢液，会造成钢液中磷含量的提高。

为了得到合适的炉渣，必须考虑一下两点：第一，了解钢的冶金特性和工艺需求；第二，转炉出钢需要进行挡渣。后者显得尤为重要。

针对不同钢种的LF炉精炼处理工艺路线

、精炼渣

LF炉渣按照自身的制作形态可以划分为混合型、烧结型、预熔型，其中混合型是由多种合成渣被均匀的混合制成的粒状的混合物，目前常用的就是混合型炉渣。

精炼造渣主要包括合理控制渣量。炉渣氧化性和炉渣碱度3个方

面。

目前LF炉初期采用边化渣边提温，最终达到出站温度的操作工艺，由于对精炼初期和过程无严格温度控制要求，造成实际钢水前期温度偏低，过程温度较不稳定，影响了精炼脱硫效率。

LF精炼过程中还原剂尅应用高品位粉状SiC造还原渣，在精炼过程中替铝粒洒到炉渣表面。

氧化钙一氧化硅一氧化铝一氧化镁精炼渣的相关脱硫试验已经表明，精炼渣的碱度对精炼渣的钢硫分配比会有非常大的影响，当碱度值小于3时，钢硫分配比就会增大；而当碱度值大于3且处于增长状态时，钢硫分配比会呈现出减小的趋势。随着精炼渣中的氧化钙的含量增多，脱硫效果将会降低；而当氧化钙的含量超出60％且氧化钙含量呈现逐渐增多的状态时，精炼渣的脱硫效果会逐渐的降低，主要的原因是随着氧化钙含量的增多，精炼渣中就会有相应的固相质点被析出，从而使精炼渣出现非均匀相，精炼渣的粘度就会随之上升，而流动性将会降低，进而影响到精炼渣脱硫所应当具备的流动性的动力学条件，最终使精炼渣的脱硫效果明显降低，因此在精炼渣的具体使用中要确定好精炼渣的碱度。

LF炉也具有较好的脱氧及脱硫效果，其脱氧方式主要为扩散脱氧[1]，脱氧产物直接进入渣中，在其提供的还原渣精炼和大流量氩气强搅拌冶炼环境所形成的良好动力学条件下，可加速扩散脱氧中渣钢问氧的传输速度和转炉冶炼沉淀脱氧中脱氧产物的上浮速度和去除率，钢水中的氧含量可降低至5ppm以下。脱硫反应时一个吸热反应，

提高温度有利于脱硫反应的进行，同时加热使渣产生较高的温度，较好的提供了脱硫反应的热力学条件。

炉渣中A12O3，对精炼造渣的影响。渣中的A12O3是两性氧化物，在碱性还原渣中A12O3呈酸性。当渣中A12O3≤30％时，随着渣中A12O3含量的提高，炉渣的熔点降低，流动性提高，有利于化渣。但随着渣中A12O3，含量的提高，对于吸附钢中A12O3基夹杂物不利。因此合理控制渣中的A12O3，有利于获得良好的冶金性能和物理性能。

炉渣中CaF2对精炼造渣的影响。渣中的CaF2是良好的化渣助熔剂，可以短时间内改变炉渣的流动性。但用量过多会导致炉渣变稀、破坏包衬，且不利于夹杂物的去除，因此CaF2应控制在一个合适的范围。

熔渣氧化性对精炼造渣的影响。炉渣的氧势对脱氧过程影响极大，氧势越低，脱氧速度越快。而降低炉渣中(MgO+FeO)含量和提高碱度，是降低炉渣氧势的可靠措施。在这种脱氧制度下，渣中MgO、FeO这些不稳定氧化物向钢液中扩散供氧反应成为可能。在白渣化差的情况下，钢中氧含量回升已被现场定氧证实。只有提高炉渣碱度，尽早使炉渣白渣化，这一供氧反应才能抑制。因此，为尽快营造出LF炉的还原性气氛，降低渣中(M[gO+FeO)含量，通过提高转炉出钢挡渣率，避免大量氧化渣进入钢包，是LF炉迅速造白渣的前提。

合理的渣量选择：稳定埋弧的渣厚应≥100mm(因弧长为70 mm～90mm)，而转炉下渣渣层厚度为20 mm～50ram，因此要求新加渣料量厚度至少在50 mm～80mm。钢包内熔渣面积，熔渣密度／m2，新加渣

料量应为为690kg～1100kg，充分考虑泡沫渣工艺特点，渣量应适当减少，因此新加渣料量控制在600kg～1000kg。

3、钢包砌筑工艺的优化

针对LF炉精炼生产过程中钢包炉渣线在电弧高温辐射作用下，包底在底吹循环钢水的侵蚀下容易发生穿漏钢等安全隐患，影响工艺安全运行，从提高钢包砖的材质和耐火度着手，通过对比选用高品位优质Mg-C砖砌筑钢包的渣线和包底，提高了钢包在精炼过程中使用的安全、稳定运行，较好地满足了精炼工艺的需要，同时也有效降低了耐火材料的消耗。

、优化后的精炼造渣工艺

造渣工艺采用两步造渣发，即转炉出钢过程到吹氩站，在LF炉精炼过程造后渣。

优化后的造渣方式具体为：转炉出钢过程中，加入石灰、精炼渣、萤石等渣料，利用钢水冲击能对钢水的搅拌作用和出钢过程的全程底吹氩搅拌实现造精炼前渣。有利于钢包精炼渣前期融化，减少了在LF加入的渣量，缩短了LF化渣时间，形成的炉渣覆盖在钢液表面，减少钢液在运输过程中温降(利用钢水出钢时的搅拌动能及钢水显热将顶渣部分熔化，实现终渣预脱氧，降低了LF炉渣料的加入量和化渣时间，起到了对原始渣改质及预脱氧的作用，碱度提高，氧化性降低)。为保证加入石灰有效融化，石灰：萤石为4:1比例混合渣料；钢水到氩站后，根据钢种的需要，加入石灰、电石、铝丸等对钢水进

一步处理，钢水到LF炉通电化渣3分钟后，抬电极观察炉内渣况，同时测温、取样，根据渣况进一步调整，早出精炼白渣，并保持还原性气氛到精炼结束。具体情况见表5所示。

、LF精炼温度制度

LF炉提温是在非氧化性气氛下利用电弧加热来提高钢水温度，补偿处理过程钢水温降及造渣、合金化的吸热，便于形成有利于脱硫、脱氧、去除夹杂的钢包渣。还可以精确控制温度，为连铸机提供温度合适的钢水温度。脱硫反应是一个吸热反应，提高温度有利于脱硫反应的进行，同时加热使渣产生较高的温度，较好地提供了脱硫反应的热力学条件。但过分提高钢水炉渣温度，不利于钢包包衬使用寿命的提高和电耗成本控制。

根据实际情况对精炼过程温度控制制定了规范：

1)为保证精炼前期化渣脱硫，适当提高钢水到站温度，从制度上规定钢水进LF炉温度控制在1560℃以上。

2）钢水到站后迅速提温操作，避免加渣料造成的钢水和渣子温降，保持精炼过程钢水温度在1 580～1 590℃之间。

3) 过程采用频繁短时间提温，目的是保持钢水炉渣温度的稳定性，避免温度大幅度波动，保证渣子有效活性，促进炉渣脱硫去夹杂。

4) 出站前将钢水温度提高到规定到站温度的10℃以上，软吹氩5min，开出钢水上铸机。

、LF供电制度

LF主要依靠电弧的加热对钢水进行升温，并熔化新加入的渣料。其供电制度的制定是LF操作和运行的关键技术，决定了LF的生产成本、生产效率和精炼钢水的质量。

制定供电制度的实质是根据LF设备参数和工艺参数，在冶炼不同时期依据冶炼目标，选择合适的供电电压和电流，提高LF精炼的热效率，在较低的能量消耗和生产成本条件下完成冶炼任务。

分析LF的电气特性是制定供电制度的基础［５］。电气特性是指在同一电压下各个电气量随电流变化的规律。当电压固定后，电流值的变化影响电弧燃烧、炉内热效率、电极消耗、电耗、加热速度和耐材侵蚀等参数。选择合适的工作电流对LF降低生产成本影响很大。

LF精炼周期主要包括精炼初期（化渣阶段）和精炼后期（加热阶段）。制定供电制度需要在不同阶段参照电气特性的分析结果，选择合理的工作电压和工作电流进行供电。采用电气特性分析方法，可以从电气特性曲线上直观地看出电气参数的变化规律和限制条件，指导最佳工作点的选择，达到制定合理供电制度的目标。

电气特性分析

ＬＦ通常会有多达十几个电压档位，不同电压档位下还有多个电流档位。如何确定不同精炼阶段的电压档位以及该电压档位下的最佳工作电流档位，就是分析电气特性和制定供电制度的核心。电压档位一般是参照渣层厚度和电气设备的额定功率进行选取，而电流档位的

选择则相对复杂，需要在设定电压下对最优电流工作点进行寻优，其实质是优化求解问题。当电压固定时，决策变量是工作电流。因变量是功率因子，目标值是在保证埋弧条件下实现尽可能高的电弧能量。因此，这种寻优过程比较复杂，计算量大，适合采用计算机模型进行优化求解。电气特性分析模型是利用ＬＦ电流与电气参数之间的关系，采用计算机编程和数据库技术，编写优化算法，通过设置寻优条件，自动寻找最佳工作点。ＬＦ电气特性分析模型的主要算法如表１所示。此外，在保证电弧功率为最大值的条件下，电弧电流的设定还应满足下列条件：

１）表观功率不超过变压器许用容量：Ｓ≤ＳＦ；

２）工作电流不超过变压器许用电流：Ｉ≤Ｉｎ；

３）电弧稳定燃烧条件０．７７≤ｃｏｓφ≤０．８６；

４）较好的电弧能利用状况ｃｏｓφ≥０．６５，η≥０．９０；

５）需要避开耐材侵蚀指数Ｒｅ的峰值区。

电气特性分析流程

相同电压下，最佳工作点的选择实质上是对电流的寻优。随着电流值的增加，有功功率先升后降，无功功率则由较小值不断上升，且上升速度越来越快。电弧功率与有功功率类似，也是先升后降，存在一个最大的电弧功率点。实际上，传递到ＬＦ的有效热量为电弧功率的一部分。因此，在电弧功率的极值点可以保证最大的加热速度，此时的电流值设定为最佳值I＊，最佳的工作电流I＊对应着电弧功率的

最大值。当电弧功率超过最大值时，随着电流的增加，电弧功率反而减小，此时炉子的热效率开始下降。经济电流Iｅ对应的位置是有功功率与无功功率随电流的变化率相等时。当电流大于经济电流Iｅ后，ＬＦ的热效率开始下降。

寻优算法首先要满足电弧的稳定燃烧、较高的功率因子以及设备允许的超载条件，在约束条件范围内进行寻优。

供电制度制定准则

本文制定供电制度的原则是在较高的功率因子条件下，优先考虑最快的加热速度，其次再考虑最佳经济加热速度，其原因是目前大多数厂家在生产组织安排中，均以连铸为调度中心，以精炼时间作为缓冲时间来满足连铸浇钢，大部分厂家ＬＦ的精炼时间都比较紧张，特别是一些大断面高拉速的铸机，对精炼时间要求更短，而最快的加热速度能缩短精炼时间和生产周期。同时，较高的功率因子能保证较

好的经济性和较高的热效率。供电制度的制定包括不同冶炼阶段的电压档位和电流档位的选择。

电压档位的确定是根据冶炼过程对钢水升温的要求以及不同冶炼阶

段炉渣的状况确定的。LF精炼过程钢液极易增碳，为了防止增碳，电弧电压应高于70V为好；在冶炼初期，新加入的渣料未完全熔化时，需要根据炉渣厚度和不同电压档位的电弧长度来选择电压。研究表明，当渣厚与弧长相等时，电弧表现为明弧燃烧；当渣厚为弧长的倍时，电弧表现为侵人式燃烧；当渣厚超过弧长2倍以上时，电弧才表

现为埋弧燃烧，才能实现电能的有效利用。随着冶炼过程的进行，渣层厚度是不断变化的，经过实测LF进站渣厚控制在100～150mm之间，到精炼后期，炉渣厚度可达250～300mm。

精炼初期（化渣阶段）选择第４档短弧供电。这主要是因为该期间能满足埋弧条件的档位有第３档短弧和第４档中弧和短弧，但是第３档短弧存在超载的问题，第４档短弧的埋弧效果最好，有利于初期化渣。精炼后期（加热阶段），随着渣厚的增加，埋弧不再是限制性环节。因此，可换档到第４档长弧。由于切换该档位时不用带电调电压，比较安全方便，该档位下加热速度更快，电耗较低，离经济电流值最近。精炼后期如果需要更快的加热速度，可换档到第１档中弧或者第２档长弧。新的供电制度为：在生产节奏平稳时，以第４档作为供电电压，精炼初期采用短弧供电，在精炼后期采用长弧供电。这种方式无需带电切换电压，操作安全方便，同时也明显提高了供电的功率因子和热效率。当生产节奏紧张时，需要更短的精炼周期，可采用精炼初期使用４档短弧供电，精炼后期使用１档中弧供电的供电制度，以达到最快的升温效果。

精炼前期，考虑到炉渣的熔化过程，炉渣厚度不断增加，冶炼前期选择的电压应选择稍低的电压，使电弧长度尽量小于炉渣厚度；冶炼中期，对于泡沫化程度较好的炉次，可不考虑炉渣厚度，采用高档位电压，以长弧供电为主，以获得最大的升温速度；冶炼后期，炉渣泡沫化减弱，钢液温度接近控制目标时，以炉渣厚度和最佳输人功

率为约束条件，宜采用较低的电压。实际操作时，由于转炉下渣情况不一样，导致进LF站时钢包的渣厚差别很大，从30-150 mm不等。根据计算，在电压为320 V时，电弧长度为82．8mm；电压为311 V时，电弧长度为79．3删；电压为302 V时，电弧长度为75．8 mm。因此，冶炼前期在炉渣熔化前，如果采用前3个档位工作，至少要求渣厚在160 mm以上，才有较高的电能利用率。