LF精炼工艺技术.ppt

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1、LF精炼工艺技术,姜周华东北大学钢铁冶金研究所2005年2月,主要内容,1.概述LF炉的主要功能2.LF炉的设备和特点 3.LF炉精炼工艺制度4.LF炉热效率的理论分析5.电极消耗研究6.LF精炼与钢种,LF（Ladle Furnace）钢包精炼法开发：1971年日本大同制钢的大森厂开发的我国：1981年上钢五厂第一台LF炉投产,1、概述,LF钢包精炼炉设备示意图,铁合金渣料,LF炉作用：电弧加热造渣：脱硫、脱氧、吸收夹杂物吹氩搅拌合金化和成分调整喂线和夹杂物变性处理,LF实物照片,LF炉的主要功能,（1）还原气氛 LF炉本身不具备真空系统，但由于钢包与炉盖密封，隔离空气，加热时石墨电极与渣中

2、FeO、MnO、Cr2O3等反应生成CO气体，使LF炉内气氛中氧含量减少。精炼过程通过扩散脱氧和沉淀脱氧造成钢液的还原条件,可以进一步脱氧、脱硫及去除非金属夹杂。（2）氩气搅拌 氩气搅拌加速钢渣之间物质传递，有利于钢液脱氧、脱硫反应。吹氩可以加速Al2O3夹杂物上浮速度，在密封的LF炉，吹氩15min后，可使钢中大于20m的Al2O3夹杂基本清除。,（3）埋弧加热 LF炉三根电极插入渣层中进行埋弧加热，这种方法辐射热小，对炉衬有保护作用，热效率高，浸入渣中石墨与渣中氧化物反应为：C+FeO=Fe+CO C+MnO=Mn+CO 2C+WO2=W+2CO 5C+V2O5=2V+5CO 上述反应不仅

3、提高了渣的还原性，而且还提高合金回收率，生成CO使LF炉内气氛更具还原性。,（4）白渣精炼 LF炉操作中通过对炉渣强化脱氧形成白渣，由于渣对钢液中氧化物的吸附和溶解，达到钢液脱氧效果。(无污染脱氧方法)LF炉由于有温度补偿，吹氩强烈搅拌，随渣中碱度提高，硫的分配比增大，可炼出低硫钢或超低硫钢。目前国内外冶炼低硫钢和超低硫钢时渣中（FeO+MnO）的理想控制范围是小于0.5%。,2、LF炉的设备和特点,A 炉体 LF炉的炉体是一个钢包，但与普通的钢包有所不同。这种钢包的上口有水冷法兰盘，通过密封橡皮圈与炉盖密封，以防止空气的侵入。当钢包用于真空处理时，还要求其外壳用钢板按气密焊接条件焊成。钢包底

4、部有出钢用的滑动水口及吹惰性气体的透气砖。,LF炉钢包内熔池深度H与熔池直径D之比是钢包设计时必须要考虑的因素。一般精炼炉的熔池深度H都比较大。从钢液面至钢包口的距离称为钢包炉的自由空间，对非真空处理用的钢包，自由空间的高度小一些，一般为500600mm；在真空处理时必须达到10001200mm。钢包炉的H/D比值影响钢液搅拌效率、钢渣接触面积、包壁渣线带的热负荷、包衬寿命及热损失等。,日本不同容量LF炉的H/D值,B LF炉炉盖 LF炉炉盖是水冷的。这是为了保持钢包内的强还原性气氛；防止钢包散热及提高加热效率而设置的。炉盖内层衬有耐火材料。为了防止钢液喷溅而引起的炉盖与钢包包体的粘连，在炉盖

5、下还吊挂一个防溅挡板。整个水冷炉盖在四个点上，用可调节的链钩悬挂在门形吊架上，吊架上有升降机构，可根据需要，调整炉盖的位置。在炉盖上还设有合金加料口、渣料加料装置及测温或取样装置。,C 电弧加热装置 LF炉所用的电弧加热系统，与炼钢电弧炉相同。由三根石墨电极与钢液间产生的电弧作为热源。故加热设备也与电炉基本相同，其不同之处是LF炉内无熔化过程，而且采用的是埋弧加热方法，所以与电炉相比，可采用更低的二次电压。,D 加料装置 LF炉一般在加热工位的炉盖上设合金及渣料料斗，通过每个料斗下的导向阀，定量地加入所需的合金或渣料。在有真空系统的LF炉，一般在真空盖上设合金及渣料的加料装置。其结构基本上同加

6、热时所用的，只是在各接头处均需加上真空密封阀。,E 除渣装置 LF炉精炼功能之一，是靠还原性白渣精炼。为此，在LF炉精炼之前，将氧化性炉渣必须除掉。因此，LF炉必具备除渣的功能。除渣的方式有两种：1）当LF炉采用多工位操作时，可在放钢包的钢包车上设置倾动、扒渣装置。当钢包车开到扒渣工位时，即可进行扒渣操作。2）如果LF炉采用固定位置，炉盖移动形式时，则需把钢包倾动装置设在LF炉底座上，在精炼前先扒渣，加新渣料，再加热精炼。,F 喷粉装置 LF炉精炼时常采用喷粉设备对钢液进行脱硫、净化及微合金化等操作。喷粉设备包括钢包盖、一支喷粉用的喷枪和滑动行程为4m的粉料分配器。分配器接4个容量为500kg

7、的粉料料仓。喷粉时对粉料先自动称重及混合，然后通过螺旋给料器送至粉料分配器。对于50t的LF而言，喷枪总长为4500mm，其中2500mm为可更换部分，喷枪插入距包底100150mm处进行喷粉处理。喷粉时采用高纯氩气作载气流，流量为200400L/min。通常处理时间为510min。,1）LF钢包炉的容量 应根据初炼炉最大容量来选择。LF钢包炉的大小，还应根据真空、吹氧与否及留有一定的自由空间；2）变压器额定容量 变压器额定容量的大小主要取决于所要求的升温速度及设备的水准（效率的高低）。根据LF钢包精炼炉的工作特点，由焦尔楞次定律，推导出LF钢包精炼炉变压器额定容量与钢水的升温速度的关系如下：

8、,LF钢包炉几个参数的选择,，kVA,式中：变压器额定功率，kVA；要求（设计）钢液的平均升温速度，/min，一般要求35/min；加热升温时间，min；钢液的比热，kJ/（kg），一般为0.820.84kJ/（kg）或820840 kJ/（t）；6060s/min；,变压器额定容量,式中：功率因素，一般为0.750.85 LF装置的电效率，一般为0.80.9 LF装置的热效率，一般为0.3.5。,最大升温能力：,式中：1.2变压器允许过负荷系数,国内LF钢包炉的变压器一般按每公称吨150200kVA选择，在红包出钢的情况下，升温速度为35/min；国外有的达到400kVA/t。,LF钢包精炼

9、炉主要技术参数,LF炉操作的基本工艺,3 LF的工艺操作制度,3.1钢包准备,（1）检查透气砖的透气性，清理钢包，保证钢包安全；（2）钢包烘烤至1200；（3）将钢包移至出钢工位，向钢包内加入合成渣料；（4）按照初炼炉最后一个钢样向钢包内加入合金及脱氧剂，以便进行初步合金化并使钢水初步脱氧；（5）准备挡渣或无渣出钢。,3.2 初炼炉出钢,（1）根据不同钢种、加入的渣料量和合金量确定出钢温度。出钢温度应当在液相线温度基础上考虑渣料、合金料的加入引起的温降和LF的升温能力，再根据炉容的大小适当增加一定的温度，以备运输过程的温降；（2）注意要尽可能完全挡渣；（3）需要深脱硫的钢种在出钢过程中可以向出

10、钢钢流中加入合成渣料；（4）当钢水出至三分之一时，开始吹氩搅拌。一般50t以上的钢包的氩气流量可以控制在200L/min左右，使钢水合成渣、合金充分混合；（5）当钢水出至四分之三时将氩气流量降至100L/min左右，以防过度降温。,3.3 造渣,在炉外精炼过程中，通过合理地造渣，1）可以达到脱硫、脱氧、脱磷甚至脱氮的目的；2）可以吸收钢中的夹杂物；3）可以控制夹杂物的形态；4）可形成泡沫渣（或称为埋弧渣）淹没电弧，提高热效率，减少耐火材料侵蚀。因此，在精炼工艺中，要特别重视造渣。钢包进站后，应尽快造渣、通电升温，促进尽快成渣。以加强精炼效果。,3.3.1埋弧渣,泡沫渣的作用：1）提高功率因素，

11、降低吨钢电耗；2）减少热损失，提高热效率（从30%提高到60%）；3）减少电弧对炉衬的侵蚀，提高炉衬使用寿命；4）泡沫渣操作能改善冶炼条件，提高钢液洁净度。,LF埋弧精炼有两种方式：1）靠增大渣量、提高渣厚达到埋弧精炼的目的；2）通过加入发泡剂，使基础渣体积膨胀、厚度增加，达到埋弧精炼的目的。,影响LF炉埋弧渣操作的因素,电弧长度炉渣气泡性能（气泡指数：气体在渣中的停留时间）气源：化学反应，发泡剂,LF的弧长与弧电压有关,可由下式估算:Larc=(Uarc-)/式中:电弧阴极区和阳极区电压降的和，实测值是1020V，该值随电极和炉渣的不同而改变；弧柱中的电位梯度，V/mm，对LF精炼期可取1.

12、1。还有人提出1600时碱性渣情况下电弧长度可通过下式进行计算：Larc=(Uarc-9)/8.4,(1)弧长,正常情况下，渣层厚度为弧长的两倍时，热效率较好。LF的渣厚应保持一定的厚度，通常渣厚达到电弧长的两倍时可实现埋弧。,(2)衡量炉渣泡沫化的指标炉渣泡沫化指数（foaming Index):,s,炉渣总高度减去未吹气时炉渣的高度，cm；所吹气体流量，cm3/s；容器截面积，cm2；气体在炉渣中的表观速度，cm/s；气体在炉渣中的实际速度，cm/s；泡沫化炉渣的高度，cm；炉渣中起泡率。,式中：,可见，炉渣泡沫化指数为气体穿过泡沫层的平均停留时间。,图 炉渣起泡指数与炉渣物性值之间的实验

13、关系,=0.98634,要使炉渣泡沫化：1）是要保证精炼基础渣有适宜的物理性质，即较大的粘度，较小的表面张力，适宜的碱度。2）要有足够的气源 A、电极与炉渣反应,氩气搅拌提供一部分气源；B、可通过外加发泡剂产生气体。,(3)发泡剂的选择：,发泡剂的选择考虑要有良好气源，同时又能促进精炼操作。发泡剂的种类：1）碳酸盐：常用的有石灰石、白云石和工业碱，在高温下主要发生以下反应：CaCO3=CaO+CO2 MgCO3=MgO+CO2 Na2CO3=Na2O+CO2,2）碳及含碳化合物：常见的有焦碳、碳化硅和电石。由于LF炉开始阶段钢中氧和渣中（FeO）均较高，这些物质将与炉渣起反应：C+(FeO)=

14、Fe+CO SiC+3(FeO)=3Fe+(SiO2)+CO CaC2+3(FeO)=3Fe+(CaO)+2CO,100g发泡剂产生的气体体积比较/NL,从实验研究结果看，碳酸盐在高温下的分解速度快，反应时间短，且产生的气体体积也较少。采用以SiC和CaC2为主的发泡剂发泡效果较好。但相对比较CaC2发泡效果更好。以SiC和CaC2混合型的发泡剂具有最好的发泡效果。,值得说明的是：尽管CaC2具有良好的发泡效果，但运输和保存比较困难。且SiC和CaC2型的发泡剂在渣中氧化铁含量较高时（LF通电造渣前期）发泡效果显著，而当钢、渣中氧含量较低（LF后期）即到脱氧后期其发泡能力将受到明显限制。对于低

15、硅钢还要注意发泡剂中SiC及渣中SiO2被还原造成的钢水增硅问题。,渣厚随时间的变化曲线,统计表明，某厂LF实现全程埋弧操作后，可使 LF处理的吨钢电耗和电极消耗分别下降12.5%和26.6%，而钢包的平均使用寿命可提高26.8%。,3.3.2 炉渣脱硫,脱硫的问题就目前水平而言已经解决。日本某厂通过炉外精炼的有关操作已可将钢中的硫降到2ppm的水平。脱硫应保证炉渣的高碱度、强还原性即渣中自由CaO含量要高；渣中（FeO+MnO）%要充分低，一般小于0.5%是十分必要的。从热力学的角度讲，温度高有利于脱硫反应的。而且较高的温度可以造成更好的动力学条件而加快脱硫反应。,要使钢水脱硫，首先必须使钢

16、水充分脱氧。此时钢中的铝含量应当高于0.02%。这时可以保证不高于24ppm。经常使用的脱硫合成渣是4550%CaO，1020%CaF2，515%Al，05%SiO2。过多的SiO2会降低炉渣的脱硫能力，但是它却可以降低炉渣的熔点，使炉渣尽快参加反应，起到对脱硫有利的作用。只要不超过5%就不会对脱硫造成不利影响。,LF炉脱硫的热力学及动力学分析,LF炉渣金脱硫反应热力学计算公式的导出 热力学计算对应的基本工艺条件 精炼终点渣金硫的平衡分配比及钢水硫含量的计算与分析 LF精炼过程脱硫的动力学分析,渣金脱硫反应方程,对于CaO基的精炼渣:,炉渣的硫容量及其与光学碱度的关系,LF炉钢水硫含量计算,渣

17、金硫的平衡分配比与硫容量的关系,可见，影响渣金硫的平衡分配比的因素包括炉渣碱度（）、钢水中的活度系数（fS）、钢水的平衡氧活度（ao）和温度（T/K）。其中炉渣光学碱度可根据炉渣成分计算得到，而活度系数（fS）可由钢水成分计算得到（在低硫含量下fS1）。,钢水的平衡氧活度可由下面两种途径来计算：,（A）由与钢水氧活度平衡的炉渣中（FeO）含量来计算，根据渣金氧平衡可得：,1873K下，CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元精炼渣系中氧化铁的活度系数(FeO)的实验回归方程为：,1873K下，CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元精炼渣系中Al2O3的活度由以下回归方程表示：,（B）对于铝镇

18、静钢，钢液中氧活度主要由铝含量控制。由Al-O平衡反应可得：,渣中（FeO）含量对渣金间硫的平衡分配比的影响,钢中溶解铝含量对钢水平衡氧活度及渣金硫的平衡分配比的影响,炉渣成分对光学碱度和硫的平衡分配比的影响,渣量对LF精炼终点钢水硫含量的影响,钢水原始硫含量对精炼终点钢水硫含量的影响,渣中原始硫含量对精炼终点钢水硫含量的影响,（1）控制炉渣成分，提高炉渣碱度。为此，炉渣中SiO2的含量要控制在10%以下，最好达到5%的水平。为了对于特殊场合，可以添加BaO，Na2O，Li2O等碱度更高的组元。（2）强化对炉渣和钢水的脱氧。向炉渣中加入扩散脱氧剂，使渣中（FeO+MnO）含量达到1%甚至0.5

19、%以下。控制钢中酸溶铝含量，使钢水中氧活度控制在1.010-3以下。,LF炉冶炼超低硫钢的工艺条件,（3）较高的精炼温度和良好的底吹氩搅拌工艺也是重要脱硫工艺条件。（4）对炉渣和钢水的原始硫含量进行限制，同时也保证相应的渣量，必要时可进行换渣操作。,LF炉冶炼超低硫钢的工艺条件,渣金间脱硫反应的动力学方程,LF精炼过程脱硫的动力学分析,提高 LF精炼过程脱硫速度的措施,提高精炼温度 加强底吹Ar搅拌 提高渣金界面硫的平衡分配比 高碱度炉渣 加强炉渣和钢水的脱氧,3.3.3 LF炉内脱氧,LF炉过程中Al、Si、Mn等金属脱氧剂与钢液中氧作用，使钢中氧含量减少。此反应进行得越彻底，则钢的质量越高

20、。脱氧剂:Al、Si、Mn、Ca、Ba等元素及复合脱氧剂；脱氧方法：扩散脱氧、沉淀脱氧（块状、线状或包芯线）,可见：在高铝砖钢包中，用铝脱氧可使钢中的氧含量降到12ppm；加入铝30min、加入硅50min可以达到铝-氧与硅-氧表观平衡；从100ppm到表观平衡、用铝脱氧的速度为2.8ppm/min，高于硅的脱氧速度1.6ppm/min。,1高铝砖 2氧化锆砖,可见：钢中总氧由45减至15ppm时钢中氧化物夹杂的尺寸数量及评级都降低，当氧含量低于20ppm时，有希望可以完全去除大于12.5m的夹杂物。,夹杂物变形处理,处理方法：喂CaSi线,改善夹杂状态12Ca+11Al2O3(s)=12Ca

21、O.7Al2O3+8Al处理时间:精炼结束,上连铸前控制参数:Ca/Al 比新的处理剂:FeCa线;CaBaSi;MgAl线,渣系与脱氧和钢中夹杂物的关系,炉渣与脱氧及其夹杂物的关系夹杂物的变形能力与其成分的关系炉渣与钢液的平衡反应钢液与夹杂物的平衡反应炉渣吸收夹杂物的能力,炉渣与脱氧及其夹杂物的关系,转炉终点钢水低氧位控制技术 档渣出钢技术 l 转炉：档渣帽，档渣球，气动档渣，多棱锥档渣 炉渣改性技术 l 降低渣中（FeO）+(MnO)含量 l 提高炉渣吸收Al2O3夹杂物的能力 优化脱氧工艺 l 碳脱氧技术，真空碳脱氧技术 l 复合脱氧剂 l 优化脱氧剂的加入顺序 钙处理夹杂物变性技术 钢

22、包、中间包和结晶器控流技术 钢包、中间包和结晶器惰性气体保护浇注 低氧位耐火材料的应用,对于 MnO-Al2O3-SiO2 三元系夹杂物,具有良好变形能力的夹杂物组成分布在锰铝榴石(3MnOAl2O33SiO2)及其周围的低熔点区,在该区域内 Al2O3/(Al2O3+SiO2+MnO)变化在 15%30%。在CaO-Al2O3-SiO2三元系夹杂物中,钙斜长石(CaOAl2O3 2SiO2)与鳞石英和假硅灰石(CaOSiO2)相邻的周边低熔点区有良好的变形能力。,具有良好变形能力的夹杂物组成,炉渣与钢液的平衡反应,(CaO)=Ca+O(Al2O3)=2Al+3O(SiO2)=Si+2O(Mn

23、O)=Mn+O(MgO)=Mg+O,光学碱度与全氧含量的关系,钢液与夹杂物的平衡反应,3Ca+2Al+3O=3CaOAl2O3(l)12Ca+14Al+33O=12CaO7Al2O3(l)6Al+2 Si+13O=3Al2O32SiO2(S)Ca+Si+3O=CaOSiO2(S)Ca+2Al+2Si+8O=CaOAl2O32SiO2(S)2Ca+2Al+Si+7O=2CaOAl2O3SiO2(S),CaO-Al2O3相图,钢液中Ca、Al含量与夹杂物组成的平衡关系,3CaOAl2O3生成区,12CaO7Al2O3生成区,固态脱氧产物生成区,炉渣与夹杂物之间的相互作用,熔渣吸收夹杂物的能力,钢液

24、,熔渣,夹杂物,s-i,m-i,m-s,熔渣吸收夹杂物的能力,取决于熔渣、钢液和夹杂物三者之间的界面张力的大小钢液和夹杂物之间的界面张力越大，熔渣和夹杂物之间的界面张力越小，则夹杂物越容易从钢液中分离被熔渣所吸收 Al2O3夹杂物容易被铝酸钙熔渣所吸收，因为两者之间的界面张力很小,全氧含量随Al2O3含量的变化情况,举例：重轨钢,Al2O3含量对夹杂物的总数的影响,举例：重轨钢,图5.7 Al2O3含量对夹杂物的总面积的影响,举例：重轨钢,不同Al2O3含量下夹杂物的尺寸分布情况,举例：重轨钢,精炼渣对夹杂物成分的影响,举例：重轨钢,精炼渣对夹杂物成分的影响,举例：重轨钢,3.3.4 LF炉快

25、速成渣和高效精炼,LF炉存在的主要缺点是精炼时间长，特别在BOF-LF-CC流程中，LF 炉已成为实现多炉连浇的瓶颈,原因：,出钢时炉渣改质或同时随钢流加入精炼渣，实现LF炉造渣和脱氧前移采用低熔点的预熔渣实现快速造渣高的钢包温度、良好的保温和大功率供电,措施：,3.3.5 精炼渣成分设计与生产,精炼渣的成分和理化指标设计,设计原则：精炼设备和功能要求钢种及其质量要求流程时间节奏要求成本要求环境要求,LF精炼基本渣系及生产方法,化学成分：CaO-CaF2基CaO-Al2O3基CaO-Al2O3-SiO2基物理状态：机械混合烧结预熔型（竖炉法、电熔法）,电熔法生产精炼渣设备,国内外几种精炼渣的组

26、成（%）,电熔铝酸钙渣系,用途用于钢水炉外精炼脱硫处理，吸收钢中Al2O3夹杂物等使钢水得到净化的效果。主要适合于铝镇静钢，如碳素结构钢、合金结构钢和深冲钢等。可以在LF炉和RH精炼装置上使用。若制成粉剂还可以用于钢水喷粉脱硫。,电熔铝酸钙渣系,物理化学特征,物相前二种渣的物相以12CaO7Al2O3为主，少量3CaOAl2O3。后两种同时具有12CaO7Al2O3和3CaOAl2O3，并有少量其它相。熔化温度(熔点)在1300-1365范围内。粒度：通常为1-30mm。也可以根据用户要求的粒度进行生产。包装采用塑料复合编织袋，每包1000kg包装。也可以根据用户需要采用其它形式包装。,电熔铝

27、酸钙渣系主要特点,炉渣的纯净度高，化学成分均匀、物相稳定、熔点低，成渣速度快，可大幅度地缩短精炼时间，提高钢水的洁净度。脱硫和脱氧速度快，可有效迅速地吸收钢水中的硫化物和氧化物夹杂物。不含氟或少量含氟、不侵蚀炉衬和钢包，有效地防止氟对环境的污染。结构致密、不吸水、便于储运仓贮。由于呈颗粒状，不粉化，不挥发，可显著减少对钢铁厂粉尘污染。与其它同类产品（烧结型和冲天炉产品）相比，本产品具有物相和化学成分稳定，杂质少（基本不含氢、氮、碳等杂质），使用时炉渣的物理化学性能稳定，从而保证稳定的精炼工艺和良好的冶金效果，有利于提高钢材品质和降低生产成本。,在LF炉上的实际使用效果,实现埋弧操作。大幅地提高

28、了炉子的热效率即升温速度加快，同时大幅地减轻了电弧对炉衬的辐射，显著提高了包衬寿命。高的脱硫率。平均脱硫率70%，最高为90%。而且可以实现超低硫钢的冶炼。在原始硫含量小于0.01%时，可使钢水硫含量可到达20ppm水平。良好的脱氧能力和吸收非金属夹杂物的能力，吸收率达95%以上。采用无氟渣和低氟渣配方有效地减轻了氟对环境的污染。显著降低炼钢生产成本。由于钢包衬寿命显著提高，热效率增加，使得耐材消耗和电耗明显降低。另外钢的产品质量提高进一步提高了产品的附加值。,（1）成分的控制和微调 LF具备合金化的功能，使得钢水中的C、Si、Mn、Cr、Al、Ti等元素的含量都能得到控制和微调，而且易氧化元

29、素的收得率也比较高。LF控制钢中元素的范围如下：C Mn、Si、Al S Cr Ti N0.01 0.02 0.04 0.01 0.025 0.005,3.4 成分和温度微调,（2）温度的控制和微调 LF的温度可控制在2.5。LF炉加热期间应采用低电压、大电流操作。在加热初期，炉渣尚未熔化好，加热速度应该慢一些。可以采用低功率供电。炉渣熔化实现埋弧后，可以以较大的功率供电。,LF精炼期间搅拌的目的是：1）均匀钢水成分和温度 2）加快传热和传质 3）强化钢渣反应 4）加快夹杂物去除,3.5 搅拌,脱硫期间：为加强钢渣混合和搅拌，应采用大功率搅拌。加热后，从脱硫角度出发应使用大的搅拌功率。对深脱硫

30、工艺，搅拌功率应当控制在300500W/t之间。脱硫后，应采用弱搅拌，以利于去除夹杂物。,脱氧期间：过去采用大功率搅拌，目前为了降低全氧含量，通常在精炼结束后采用弱搅拌，将搅拌功率控制在3050W/t之间。LF炉加热阶段：不采用大功率。功率较大会引起电弧的不稳定。搅拌功率可以控制在3050W/t。,3.6 精炼钢包耐火材料与寿命,耐材品种1)渣线用镁碳砖,其它用高铝砖;2)镁白云石砖:适合于洁净钢冶炼.提高耐火材料寿命的措施1)合理供电(弧长控制,合理工作点,提高升温速度)2)埋弧操作3)合理渣系:CaO-Al2O3渣系4)高效精炼5)耐材质量,4 LF炉热效率的理论分析,LF炉能量平衡示意图

31、,Pe变压器输出的有功功率；Pr线路（短网）损失的电能；Parc电弧功率；Par损失的电弧功率；Qab进入渣钢熔池中的电弧热量；Qbath滞留在熔池中的热能；Qch用于渣料、合金熔化升温热；Qm钢水、炉渣的升温热；Qls通过炉衬损失的热量；Qln炉衬的蓄热；Qsa由渣面损失的热量；Qg炉气带走的热量；Qsl由渣面散发出的热量；Qshell由包壳与周围大气的热交换而损失的热量,LF炉几个能量利用率的定义,（1）LF炉的电效率E,（2）LF炉电弧的传热效率arc,（3）熔池的热效率bath,（4）LF炉总的热效率或总的能量利用率LF,电弧埋入炉渣中的行为特征,电弧燃烧的稳定性显著提高炉渣的磁屏蔽效

32、果 炉渣对电弧等离子体成分的影响 炉渣对电弧柱电位梯度的影响,电 弧 传 热,交流电弧传热机理(正半周),交流电弧传热机理(负半周),LF炉电弧的传热行为,（1）电弧柱向钢液的传热量,（2）弧柱向侧面的传热量,（3）炉渣（包括部分钢液）吸收的热量,，,其中,钢液和炉渣总的吸热量,LF炉运行电抗模型,运行电抗模型:,二次侧相电压运行时为：,150tLF炉13级电压下的运行电气特性曲线（Tap13，335V）,1电效率，2功率因数cos 3表观功率S4电弧电压Uarc5操作电抗Xop6有功功率Pe 7电弧功率Parc8无功功率Q9耐材消耗指数RE10短路电抗Xs,电弧功率随运行电流的变化曲线,合理

33、供电制度的确定,最快速升温电流经济电流,最快速升温电流,进入熔池的电弧热量 Qarc最大,熔池钢水升温速度最大,最快速升温工作点,经济电流,在LF炉的能量平衡中，电效率和电弧的传热效率是相互关联的。要使综合效果达到最佳，必须使两者效率的乘积达到最大：,式中ea称之为输入熔池的电热效率。定义当电热效率为最大时的电流为经济电流。,经济电流工作点,热效率分析,在新钢包中，A=2.469，B=0.5871，C=10.86，E=-4.3791+0.0027T初始（若E0.59则取E=0.59）；在周转包中，A=2.569，B=0.3755，C=10.84，E=-4.3481+0.0027T初始（若E0.

34、59则取E=0.59）。,不同钢包状态及通电级数下的平均升温速率：,影响钢水升温的主要因素,进入熔池中的电弧热量钢包状态钢水浸泡时间钢水温度,表 实测钢水温升速度与计算钢水温升速度的比较,提高LF炉热效率的主要技术措施,（1）优化供电制度，提高电效率和电弧的传热效率（2）加强钢包烘烤和实施钢包周转的优化（3）减少热停时间，缩短精炼周期,5 电极消耗研究,LF炉电极消耗机理及模型研究,1.研究的目的和意义2.LF炉精炼过程电极消耗机理及模型研究3.LF炉电极消耗的计算4.降低电极消耗的措施,电极消耗分类,电极消耗机理,端部消耗 侧面消耗折断消耗,电极端部消耗示意图,A1电弧行为引起端部消耗主要区

35、域A2电弧行为引起端部消耗的次要区域E钢、渣侵蚀区域,端部消耗,由于电弧的高温使前端部石墨升华即蒸发,因热应力使其崩裂即热剥落,由于钢水和炉渣的侵蚀使石墨溶解或发生化学反应C+（FeO）=CO+Fe C+（MnO）=CO+Mn2C+（SiO2）=2CO+Si 3C+（CaO）=CO+CaC2,侧面消耗,石墨电极表面将与炉气发生以下反应,2C+O2=2CO,C+CO2=2CO,大气中石墨氧化消耗速度与温度的关系,电极侧面消耗影响因素,电极周围的炉气组成（特别是O2浓度）电极周围的气体流速电极表面温度电极材质（特别是密度）,折断消耗,电极断裂是LF炉操作中突然发生的事故，可分为高位断裂和低位断裂两

36、种情况。高位断裂通常发生在电极柱的最高接头或接头座处，也就是电极把持器的接续部位。低位断裂是电极下端尤其在接头处常由于局部氧化而变细，在外力作用下发生断裂。在这种情况下，为了避免电极端头无意中掉进熔池而增碳，通常先被人工打掉。,同一电压等级下电流大小对电极消耗的影响,通电时间对电极消耗的影响,非通电时间对电极消耗的影响,6、LF精炼与钢种,6.1 合金钢的分类,调质钢 机械制造 表面硬化 合金结构钢 超高强度钢 易切削钢 弹簧钢 冷塑性成型钢 轴承钢 高速工具钢 刃具钢 一般刃具钢 用途 合金工具钢 量具钢 冷作模具钢 模具钢 热作模具钢 不锈耐热钢 耐热钢 特殊用途钢 耐磨钢 电工钢 低温用

37、钢,6.2 转炉+LF+VD工艺适宜的钢种,C0.05%,通常在0.1%以上(LF炉易增碳);（如果采取特殊工艺也可冶炼超低碳钢）N含量要求不严格的钢种,电弧加热易增氮;合金含量5%的低合金钢;对氧和硫及其夹杂物含量要求低的钢种;对温度、成分控制要求严格的钢种；适用钢种：碳结（冷镦钢）、合结钢（齿轮钢、弹簧钢）、轴承钢、塑料模具钢、管线钢、碳结钢焊丝钢、碳素工具钢、易切削钢,表6-1 不同钢种钢种冶炼工艺方案选择,6.3 合金结构钢,结构钢的用途和分类用途：机械制造，汽车、拖拉机、造船、航空、建筑领域，用于制造承受各种载荷的零件和构件。我国部标中有100多个钢号 机械用结构钢分类：超高强韧钢

38、工程用结构钢碳素钢、普通低合金钢,锰钢 45Mn2V,42Mn2V 硅锰钢35SiMn 42SiMn（1）表面硬化钢 低淬透性 含硼钢50B、40MnB，40MnV 铬钢 40Cr、38CrSi,40CrV 锰钼硼钢40MnMoB（2）调质钢 铬钼 35 CrMo（3）弹簧钢 中淬透性 铬镍 40CrNi 铬锰 40CrMn，30CrMnSi 锰钼钨钢 30Mn2MoW 高淬透性 高铬镍钢 30CrNi3，37CrNi3 铬镍钼 40CrNiMo 铬锰钼 40CrMnMo 铬镍钨 25Cr2Ni4WA 铬镍钨钒 45CrNiMoV,机械用结构钢：用途：制作各种机械零部件,（2）表面硬化钢 表面

39、要求高硬度、高耐磨性（HRC=5663）心部要求足够的柔韧性 低碳渗碳钢（C=0.150.30%）齿轮20Cr，20CrMo，20CrMnTi、20CrMnB，20MnVB 大截面，重要用途的零件12CrNi4A 18Cr2Ni4WA（曲轴、齿轮）中碳高频淬火钢 渗氮钢：提高疲劳强度、耐磨性（3）弹簧钢：高的弹性极限、屈强比、抗冲击性和疲劳强度60SiMn、60SiMn，55SiMn，55Si2Mn.广泛应用,超高强韧钢 屈服点 S 120kg.f/mm2（1182MN/m2）抗拉强度b 140kg.f/mm2（1370 MN/m2）K5 kg.f-m/cm2（490KJ/m2）用途：航天，航空材料低合金：28Cr3SiNiMoWV（火箭发动机壳体）32CrNi2MoV（薄壁火炮）中合金：4Cr5MoSiV 飞机构件和各种摸具(H13)高合金：0Cr15Ni7Mo2Al 薄壁构件 0Ni18Co12Mo5Ti1Al 燃料箱,谢谢！,欢迎批评指正,