【2017年整理】LF炉设备简介

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1、1.4 LF 炉设备简介LF 炉的设备主要包括:炉体(带有吹气装置的钢包)、炉盖、电弧加热装置、加料装置和真空系统等部分。LF 主体设备如图 1.5。图 1.5 LF 炉设备结构示意图1.4.1 炉体LF 炉的炉体实际上是一个带有吹气装置的钢包，钢包底部有出钢用的滑动水口及吹惰性气体的透气砖。钢包尺寸的主要技术参数是熔池深度和直径之比 H/D。它的大小直接影响钢液搅拌强度、钢一渣接触面积、包壁渣线的热负荷、包衬寿命及热损失等。一般取值 H/D=0.8-1.23。日本不同容量 LF 炉的H/D 值列于表 1.1，值得借鉴。一般 H/D 值较大时有利于加速钢一渣混合反应和夹杂物上浮，使吹氢搅拌效果

2、提高。从钢液面到包口边缘的距离称为钢包的自由空间或净空，对非真空处理的钢包，净空的高度一般为 500-600mm4，有真空处理时净空应为 1000-1200mm，保持一定的净空有利于提高包衬寿命并为强搅拌以促进钢一渣的充分混合反应提供自由空间。透气砖是 LF 炉的关键部件，也是影响吹氢搅拌质量和成本的重要因素，要求具有良好的透气性和较好的高温强度。目前，LF 炉使用最普遍的是包铁皮的圆锥型透气砖，并与座砖配合，装在包底的砌砖内。另外，为便于更换，在透气砖与座砖之间加设套砖 5。表 1.1 日本 LF 钢包炉与熔池尺寸容量/t 20 30 60 150 50实际装入量 /t 13/23 18/3

3、3 60 100/150 45/50钢包内径/mm 1676 1948 2070 3164 2430钢包内高/mm 1995 2195 2740 4000 2770熔池深 H/mm(在额定容量时)1260 1402 2340 2754 1348H/D(在额定容量时) 0.75 0.72 1.13 0.87 0.491.4.2 炉盖LF 炉一般都使用水冷炉盖。为了提高热效率并保持钢包内的强还原气氛，炉盖要具有良好的密封性能;炉盖内层衬有耐火材料。整个炉盖用可调节的链钩悬挂在门形吊架上，通过升降机构可调整炉盖的位置;LF 炉的炉盖上还设有合金、渣料加料口，有的还有测温、取样装置。有真空脱气系统的

4、LF 炉，还另专设一个真空炉盖。1.4.3 电弧加热装置LF 炉与炼钢电弧炉一样通过石墨电极与钢液间产生电弧作为热源，也采用低电压、大电流埋弧加热，电极升降速度一般为 2-3m/min。LF 炉所配置的变压器容量要根据被加热钢包的容量大小和所需加热时间确定。一般情况下，变压器容量在表 1.2 所示范围内选定。炉子容量与变压器容量关系如图 1.6 所示。图 1.6 炉子容量与变压器容量关系表 1.2 钢包容量和变压器容量的对应钢包容量 /t 变压器容量/KVA200 2000020000100200 100002000050100 50001000050 50001.4.4 加料及扒渣装置LF

5、炉一般在加热工位的炉盖上设有合金及渣料料斗，通过每个料斗下的导向阀，可以定时定量地加入所需的合金或渣料。另外，扒渣也是 LF 的必备功能。由于 LF 炉是靠白渣还原精炼的，因此，LF 炉在精炼之前，必须将氧化性炉渣扒掉。1.4.5 真空泵采用真空装置的 LF 炉的真空泵一般采用蒸汽喷射泵，也有采用机械泵的，机械泵的抽气能力较差。抽气能力取决于钢水量、钢种及处理时间。LF 炉的极限真空度一般为 66.66Pa.1.4.6 LF 炉用耐火材料LF 精炼炉是通过还原渣料并在吹氢搅拌情况下精炼钢水的，耐火材料的工作条件十分苛刻:一般在高达 1550-1750甚至 1800温度卜精炼，炉渣碱度在0.5-

6、4 范围变化，吹氟搅拌造成的钢液和炉渣对炉衬的强烈冲刷，超洁净钢的长时间精炼，特定的间歇作业造成温度波动大等，造成耐火材料的侵蚀比较严重。据国外资料报道，LF 炉的精炼操作费用的 70%消耗在耐材上 6。因此，耐火材料的选择就非常重要。要求钢包耐火材料应具有较强的抗渣侵蚀能力，特别是渣线部位应采用高碱度、耐高温、耐侵蚀、抗热震性好的优质耐火材料，如渣线部位用镁碳砖、镁铬砖或镁白云石碳砖。包壁和底部采用镁铬砖，包盖采用高铝砖或采用高纯刚玉浇注料。有些钢厂己研究采用镁铝砖作为渣线部位用的耐火材料。在相同的工艺条件下，耐火材料的性质对钢的纯洁度影响见表1.3。表 1.3 耐火材料对铝镇静钢氧含量的影

7、响耐火材料种类 钢液最终O含量/ppmMg-Cr 质材料 11高 Al 质材料 16镁-白云石质材料 23Mg-Ca 质材料 111.5 LF 炉的功能及冶金特点作为炉外精炼的主要设备，LF 炉有很多重要作用，概括来说主要有以下功能 7：1.5.1 炉内还原气氛LF 炉本身不具备真空系统。在精炼时，即在不抽真空的大气压下进行精炼时，钢桶上的水冷法兰盘水冷炉盖及密封橡皮圈的作用可以起到隔离空气的密封作用。再加上还原性渣以及加热时石墨电极与渣中的 FeO，Mno，Cr 2O3等氧化物作用生成 CO 气体，增加了炉气的还原性。除此之外，石墨电极还与桶中的氧气作用生成碳一氧化物，从而可使 LF 炉内气

8、氛中的氧含量减为 0.5%。如此阻止了炉气中的氧向金属传递，保证了精炼时炉内的还原气氛。钢液在还原条件下精炼可以进一步的脱氧、脱硫以及除去非金属夹杂物，有利于钢液质量的提高。1.5.2 搅拌功能搅拌是炉外精炼常用的方法之一，如一些大吨位的电炉采用电磁搅拌以促进诸如脱硫、脱气等精炼反应的进行，同时保证熔池内温度及成分的均匀。LF炉在钢包底部布置有透气砖，通过底吹氢的形式来搅拌钢液。而过去顶吹氢的形式现在已不多见，通常在底吹氨出现故障时补充使用。良好的氢气搅拌是 LF 炉精炼的又一特点。氢气搅拌有利于钢一渣之间的化学反应，它可以加速钢一渣之间的物质传递。有利于钢液的脱氧，脱硫反应的进行，吹氢搅拌还

9、可以去除非金属夹杂物，特别是对 A1203类型的夹杂物上浮更为有利，吹氢可加速其上浮速度。特别值得提出的是 LF 炉的吹氢搅拌是在排除了大气的密封炉内进行的，因此还可以加大吹氢量。吹氢的另一作用是可以加速钢液中的温度和成分均匀;能准确地调整复杂的化学组成，而这对于优质钢又是必不可少的要求。此外吹氢搅拌还可以加速渣中氧化的还原，对回收铬、铝、钨等有价值的合金元素有利。为了使吹入的氢气能获得最充分的搅拌效果，冶金学术界及工程领域的工作者在透气砖布置方式、吹气量的大小等方面做了大量的研究工作 8,9，其中透气砖的布置方式一般有四种，即布置在中心(r/R =0)、r/R=1/3、r/R=1/2、R=2

10、/3 如图 1.7 所示。透气砖的类型一般有两种，即弥散多孔型和狭缝型，这两种类型的透气砖各有其优缺点。前者紊动搅拌能小，速度场分布较为合理，但寿命短;后者紊动搅拌能大，透气砖上方的气泡上升速度快，速度场分布较差，但寿命较长。目前很多钢厂趋向采用狭缝式透气砖。图 1.7 透气砖的布置方式示意图吹氢搅拌是 LF 炉最主要的精炼手段之一，通过吹氢搅拌钢液可以达到以下目的:(l)均匀钢液的成分和温度。通过透气砖喷入的氢气可使钢液产生环流，钢液中的化学成分和温度可以迅速均匀化。搅拌的强度也可以通过喷入的氢气量的大小来调节，因此对钢液的搅拌不仅非常充分而且也可以很方便地控制。(2)脱气和去除夹杂物。吹入

11、的氢气为不参加反应的惰性气体，氢气泡相当于一个个小的“真空室”，其中 H2、N 2、CO 等气体的分压接近于零，因此可以去除钢液中的气体，具有“气洗”的作用;同时吹入的氢气泡可以粘附钢中夹杂物颗粒，从而带动夹杂物的上浮，同时上浮气泡所引起的钢液的搅动，促进夹杂物颗粒的碰撞合并而上浮。(3)加速脱硫。吹氨可以实现钢液循环，增加了钢渣接触界面，为脱硫创造了良好的动力学条件。1.5.3 埋弧加热功能LF 炉由专用的三相变压器供电，其整套供电系统、控制系统、监测和保护系统以及燃弧的方式与电炉相似。LF 炉加热效率高，对于不同容量的 LF 炉和不同的变压器功率其升温速度不同，一般升温速度一般为 2-5

12、10,11,12。LF 精炼炉是采用三根石墨电极进行加热的。加热时电极插入渣层中采用埋弧加热法，这种方法的辐射热小，对炉衬有保护作用，与此同时加热的热效率也比较高，热利用率好。进入渣中的石墨电极与渣中的氧化物反应 9:C+FeOCO+FeC+MnOCO+MnO2C+WO22CO+W5C+V2O5CO+2V其结果不仅是使渣中不稳定的氧化物减少了，提高了炉渣的还原性，而且还可提高合金元素的回收率。石墨电极与氧化物作用的另一结果是生成 CO 气体，CO 气体的生成使 LF 炉内气氛具有还原性，钢液在还原性气氛下精炼，可进一步提高质量。LF 炉的加热功能有以下作用:(l)为白渣精炼奠定了基础。目前钢液

13、的深脱硫等任务一般移至 LF 炉进行，因此 LF 炉可以充分利用加热功能进行渣精炼，为脱硫等精炼任务创造了良好的热力学条件。(2)精确控制钢液温度。LF 炉的加热功能不仅可以防止钢液冷却，还可以精确控制钢液的温度，其精度可以控制在+3-5 7。这样为精炼后的连铸创造了有利条件。1.5.4 白渣精炼功能LF 炉是利用白渣进行精炼的，它不同于主要靠真空脱气的其他精炼方法。白渣在 LF 炉内具有很强的还原性，这是 LF 炉内良好的还原性气氛和氢气搅拌，相互作用的结果。一般渣量为金属量的 2%-8%。通过白渣的精炼作用可以降低钢中氧、硫及夹杂物的含量。LF 炉冶炼时可以不用加脱氧剂，而是靠白渣对氧化物

14、的吸附而达到脱氧的目的。白渣精炼是 LF 炉另一项重要功能，主要有以下作用是脱硫、脱氧、去除夹杂。随着对钢液质量要求的不断提高，目前各钢厂都采用了这项技术来强化脱硫。选择合适的精炼渣及冶炼工艺，可以大大提高脱硫效率、缩短精炼时间、降低生产成本。在 LF 炉精炼过程中，精炼渣的作用主要表现在以下两方面:(1)脱硫。这是精炼渣在精炼过程中最主要的任务之一，由于 LF 炉工艺的特殊性，要求脱硫处理时间短，脱硫效率高。尤其对超低硫钢的冶炼对精炼渣提出了更高的要求。不仅要求精炼渣具有相对高的碱度，以达到良好的脱硫效果，另一方面要有良好的流动性，以创造更好的脱硫动力学条件。(2)脱氧和吸收非金属夹杂物。某

15、些特殊用途的钢种对钢中非金属夹杂物的要求非常严格。因此，精炼渣的脱氧能力及吸收夹杂物的能力就显得尤为重要。钢液脱氧不仅要考虑降低钢液中的溶解氧，还要考虑去除脱氧产物。精炼渣有脱氧作用，同时还可吸收脱氧产物，使脱氧产物容易从钢液中排除，达到降低钢液中全氧含量的目的。此外精炼渣可以快速成渣，保护钢液，防止钢液的二次氧化，在 LF 炉的精炼过程中可以起泡埋弧，加快升温速度等作用。因此研究精炼渣对提高钢液的质量，降低 LF 炉电耗等都具有十分重要的意义。总的说，LF 炉相对其他精炼方法而言 LF 炉在精炼功能方面有如下特点 13:(l)具备良好的脱气及去除夹杂物的能力;(2)优越的合金化条件，能够准确地调整钢液成分;(3)可以充分利用精炼渣工艺脱硫;(4)设备投资小，占地面积小。