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爐外精煉工藝技術(shù)闡述(之三)

   2020-09-01 互聯(lián)網(wǎng)中國鑄造網(wǎng)13410
核心提示:二、爐外精煉精加工和深加工近30年來,科技進步促進爐外精煉的發(fā)展,同時,爐外精煉的產(chǎn)生和發(fā)展與國民經(jīng)濟

二、爐外精煉精加工和深加工

近30年來,科技進步促進爐外精煉的發(fā)展,同時,爐外精煉的產(chǎn)生和發(fā)展與國民經(jīng)濟的需要分不開,現(xiàn)在,對精煉鋼提出了更高更嚴的要求:

精確控制鋼的化學成份

鋼的成份決定性能,鋼的化學成份誤差越小,鋼的機械性能波動就越小?;瘜W成份控制不僅要達到技術(shù)標準合格,更要達到內(nèi)控標準合格,化學成份誤差越來越小,也是提高鋼的純凈度的要求之一。通常化學成份誤差為:C±0.01%,Ni、Mo±0.02%,Si、Mn、Cr±0.03%,Al±0.003,S、P≤0.005%

2、脫C達到極低的程度,C≤0.03%,以提高鋼的深沖性能,電磁性能和耐腐蝕性能。

3、脫S、脫P達到極低的水平,S、P≤0.003-0.005%,以提高鋼的沖擊韌性,減少鋼的熱脆性和冷脆性。

4、去除鋼中的有害氣體(H、O2、N),減少鋼中白點,發(fā)紋、裂紋及層狀斷口等。

5、去除鋼中非金屬夾雜物,提高鋼的純凈度,改善鋼的性能。

6、控制夾雜物的形狀,減輕夾雜物的危害性。如鋼中Al2O3,MnS夾雜物,通過Ca處理,變?yōu)榍驙願A雜物mcaOnAl2O3、CaS等,減少性能方向差別及連鑄水口堵塞絮死。

7、鋼水溫度,化學成份均勻一致,保證鋼材內(nèi)部、表面質(zhì)量均勻化。

8、防止或減少鋼水二次氧化、二次吸氣和二次污染,以免爐外精煉效果前功盡棄。

精確控制成份,去除有害元素H、O2、N、S、P等,去除夾雜物及夾雜物變性處理等,這一切都是為了提高鋼的純凈度。鋼的純凈度要求推動了爐外精煉的發(fā)展。要達到純凈鋼的標準,必須采用爐外精煉技術(shù)。真空處理可以降低鋼中的有害氣體,發(fā)展了真空爐外精煉,特鋼廠常用的有真空吹A(chǔ)r處理如VD爐、真空加熱處理如VHD爐、真空吹O2處理如VOD爐等。采用惰性氣體、降低有害氣體分壓,也可以達到同樣目的,由此而發(fā)展了非真空爐外精煉,如大氣下鋼包吹A(chǔ)r處理,大氣下鋼包加熱處理如LF爐,大氣下鋼包同時吹O2吹A(chǔ)r處理如AOD爐,以及在大氣下喂線處理,如喂Al、Ti、B、C線及CaSi等。

上述爐外精煉的共同特點是準確控制溫度,精確控制成份,造渣脫O2脫S去夾雜物,去除有害氣體等提高鋼的純凈度。各特鋼廠根據(jù)品種、質(zhì)量要求,選擇相應(yīng)的爐外精煉方法。如北興公司主要品種是軸承鋼、齒輪鋼、彈簧鋼、工具鋼、結(jié)構(gòu)鋼等,選擇LF爐、VD爐、鋼包軟吹等爐外精煉三道工序,進行精加工、深加工、分述如下:

(一)  LF爐精煉工藝技術(shù)

LF爐是七十年代初在日本發(fā)展起來的爐外精煉技術(shù),由于設(shè)備簡單、投資費用低,技術(shù)操作靈活,精煉效果好,得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展,LF爐與普通電弧爐一樣,都是非真空電弧爐,但LF爐的功能、工藝技術(shù)和設(shè)備組成與普通電弧爐確有很大不同:

a、LF爐爐體是鋼包、熔池面積小,深度大。

b、LF爐不能化鐵、不能氧化去C,不能脫P。

c、LF爐必須用Ar氣攪拌,不能人工攪拌。

d、LF爐自動化程度高,勞動條件好。

e、LF爐精煉終了,鋼包直接澆注,鋼水溫度,化學成份,鋼水純凈度等變化很小,基本穩(wěn)定。而電爐必須出鋼到包中,然后由鋼包再澆注,鋼水質(zhì)量不穩(wěn)定,出鋼前后變化很大。

LF爐具有埋弧加熱、Ar氣攪拌、白渣精煉、還原氣氛保護,以及化學成份控制五大特殊功能,操作簡便靈活,容易做到技術(shù)操作精細、穩(wěn)定,產(chǎn)品質(zhì)量比電爐鋼高,現(xiàn)將LF爐五大精煉功能分述如下:

1、埋弧加熱

所謂埋弧加熱,就是三根電極插入渣層中加熱,埋弧加熱的作用:一是輻射熱小,二是保護包襯渣線,三是熱效率高,四是加熱速度快,五是電極中的C與渣中氧化物發(fā)生化學反應(yīng):

C+FeO→Fe+CO

C+MnO→Mn+CO

減少渣中氧化物,提高渣子還原性,節(jié)省脫氧劑。生成CO氣體充滿爐內(nèi)自由空間,保護精煉渣,防止氧化,有利脫氧脫S。

(1)埋弧加熱的條件

A、供電制度

LF爐沒有熔化、塌鐵過程,鋼水比較穩(wěn)定,沒有電流沖擊,可以采用低電壓、大電流、短電弧供電制度(1#LF爐變壓器),為埋弧加熱創(chuàng)造有利條件。LF爐變壓器容量為7000-8000KVA,電壓低、電流大,可以過載20%,有利埋弧加熱。有人認為,LF爐電壓低,用哪一檔都可以,高電壓、低電壓都行,這個觀點是不對的。

B、造埋弧渣

造埋弧渣有兩個條件,一是渣量,鋼水面上沒有渣,或渣量很少,渣層很薄,不可能埋弧或埋弧不好。渣量較大,渣層較厚,才能埋弧。渣量應(yīng)≥2%。二是精煉渣活潑性好,渣發(fā)泡、渣層變厚,有利更好埋弧。用C粉脫氧,勤加少加C粉,保持渣還原性,并生產(chǎn)Co氣泡,保持渣活潑性,三是溫度,包中合金化后溫度夠高,渣流動性好,才能埋弧。溫度低,渣面結(jié)殼,不可能埋弧。LF爐到位送電、噪音大、時間長,就是埋弧不好的表現(xiàn),其原因一是渣量小,渣過稀,或渣面結(jié)殼所致。二是埋弧程度不同,有的電極插入渣層較深,埋弧較好,有的電極在渣面之上,埋弧不好,弧光外露。

(2)供電的原則

LF爐埋弧加熱供電原則是:

A、全程供電。不準隨意中途停電,在精煉過程中經(jīng)常停電降溫,渣變稠變粘、流動性變差,降低渣脫氧能力。

B、供電功率先大后小。LF到位包中鋼水溫度較低,鋼水粘度大,不易脫氧,應(yīng)用較大功率快速升溫。隨溫度不斷升高,功率逐漸變?。ń档碗妷海?。不能使用先小后大的功率,渣子不好保持。C、勤測溫、勤調(diào)整供電曲線,防止后期大功率供電,防止后期溫度過高,停電降溫,浪費能源,損壞爐壁。

(3)準確控制出鋼溫度,LF爐出鋼溫度按公式(4)控制

TL出=TL+ΔT+ΔTi+ΔTbi…(4)

TL出—LF爐出鋼溫度

TL—鋼種液相線溫度

ΔT—澆鑄鋼種大包過熱度

Ti—精煉過程降溫為100-130℃。包括倒渣過程,VD處理過程、軟吹過程

鋼水液面的壓力為一個大氣壓,壓力最小。

鋼包底部鋼水壓力P=P大氣壓+Hr,壓力最大

如果沒有Ar氣攪拌,埋弧加熱時只能加熱液面一層鋼水。

鋼水下部分鋼水不可能加熱,溫度極不均勻。而且大包鋼水上部和下部溫度、中部和包壁鋼水溫度也不同,必須Ar氣攪拌使鋼包加熱溫度均勻。

(1)Ar氣攪拌的作用

A、使鋼水溫度均勻化

B、鋼水化學成份均勻化

C、通過Ar氣攪拌,促進鋼中酸溶Al與溶解氧反應(yīng),產(chǎn)生Al2O3,脫掉鋼中溶解氧。

D、通過Ar氣攪拌,使鋼中夾雜物互相碰撞,聚集長大上浮,去除夾雜物,特別有利于Al2O3夾雜物的排除。

E、Ar氣泡在鋼水中上升過程受熱膨脹,相當于一個小真空室,去除部份鋼水中有害氣體。

F、Ar氣攪拌加快鋼包中鐵合金和脫氧劑熔化。

G、Ar氣攪拌,加快渣鋼介面更新,加速冶金反應(yīng),有利于脫氧、脫S。

H、Ar攪拌在爐中產(chǎn)生保護氣體,Ar氣是惰性氣體,比重大,防止氧化。

(2)Ar氣攪拌強度的控制

Ar氣攪拌是LF爐的特殊功能,有重要作用。Ar氣攪拌強度低,起不到攪拌作用,Ar氣攪拌強度太大,效果也不好,所以,必須控制好Ar氣攪拌強度,充分發(fā)揮Ar氣攪拌功能。

A、控制Ar氣壓力。Ar氣壓力大小與鋼水靜壓力相適應(yīng)。Ar壓力大小以克服鋼水靜壓力,使鋼水液面波動,以不露鋼水面為宜。Ar氣壓力過大,沖破渣層,使鋼水裸露,甚至噴濺,造成鋼水降溫,吸氣,二次氧化,危害質(zhì)量。

B、控制Ar氣流量。Ar氣流量大小的控制與鋼水量相適應(yīng)。鋼水量大、流量應(yīng)大,鋼水量少、流量減小。Ar氣流量過小,起不到Ar氣攪拌作用,攪拌不均勻。Ar氣流量過大,鋼水降溫也大,沖刷包壁,卷入鋼渣,反而不利。所以流量應(yīng)當控制。在Ar氣管路上應(yīng)安裝流量計和開關(guān)閥門。北興公司LF爐Ar氣流量控制是用開關(guān)閥門和一個壓力表代替流量計。開關(guān)閥門開大、壓力也大、流量也大。Ar氣壓力和流量都難控制,應(yīng)當改進。

C、透氣塞數(shù)量及安裝位置也影響攪拌強度,透氣塞子安在大包包底中心,攪拌不均,效果不好,但VOD爐透氣塞又必須按在中心,與氧槍相對應(yīng)。透氣塞按在靠近包壁,攪拌均勻,效果最好,但沖刷包壁嚴重,降低大包使用壽命,現(xiàn)在一般都安裝在包底半徑1/2處。

透氣塞數(shù)量與鋼包容量有關(guān),一般≤60t大包只按一個透氣塞,70-100t大包一般按兩個透氣塞,才能保證攪拌強度。北興公司LF爐90t大包,按兩個透氣塞?,F(xiàn)在有時一個透氣塞堵塞不透氣,另一個透氣,還可照常精煉,如果兩個透氣塞都不透氣,要進行倒包處理,另換大包。應(yīng)當認識到,大包兩個透氣塞有一個堵塞,Ar氣攪拌強度下降50%,脫氧脫S效果受到很大影響,脫S率大幅度下降,應(yīng)盡量保證兩個透氣塞都好用。按高標準、嚴要求,有一個透氣塞堵塞,也應(yīng)當?shù)拱幚怼R粺掍撘粋€透氣磚,必須透氣。

Ar氣攪拌強度控制,應(yīng)有專責專管,根據(jù)工藝要求標準控制Ar氣管路閥門。儀表失靈,不能控制Ar氣攪拌強度(壓力和流量)的應(yīng)及時更換修復。

    3、白渣精煉

總結(jié)百年電爐煉鋼的實踐經(jīng)驗,煉鋼工作者有一句名言“煉鋼就是煉渣”,(可參考三元渣系相圖,可只用什么脫氧劑產(chǎn)生什么夾雜物)可見煉渣的重要性。隨著科技進步,對鋼的純凈度要求日益提高,爐渣在精煉鋼水方面的作用,不僅沒有削弱,而且更加突出,更加重要。沒有爐渣精煉,要生產(chǎn)出低S、低P的鋼是不可能的;沒有泡沫渣,超高功率電弧爐的作用難以充分發(fā)揮;沒有埋孤渣LF爐精煉能力也會受到很大限制;沒有白渣精煉,LF爐脫氧、脫S的效果不佳。

認為現(xiàn)代化爐外精煉造渣技術(shù)簡單、容易、渣量大小、渣子黑黃、渣子稀稠等無關(guān)緊要,隨便造渣,誰都可以造渣,這種不重視造渣的觀點是非常錯誤的。造渣是一種技藝,是最重要的基本功,要靠長期經(jīng)驗積累,造好渣并不容易。(到位后必須先加脫氧劑、增碳,達到先脫、脫硫,后調(diào)整成分的觀念,這樣才能煉出好鋼)

(1)精煉渣的作用

LF爐精煉渣是由CaO、SiO2、Al2O3、MgO、MnO等氧化物所組成的堿性渣,其作用是:

A、穩(wěn)定電弧燃燒。

b、保持鋼水溫度,減少降溫。

c、保護鋼水防止或減少二次氧化和吸氣。

D、吸收和容納鋼水中非金屬夾雜物。

E、通過造渣控制煉鋼過程物理化學反應(yīng)的方向,速度和完全的程度,做好脫氧、脫硫。

(2)LF爐白渣精煉

LF爐白渣精煉,才能更有效的發(fā)揮爐渣上述五方面的作用。很多實驗證明,堿性白渣具有很強的脫氧能力,具有很好的還原性。這是堿性白渣的主要作用。所謂堿性白渣是指堿度達到3-4之間,渣中CaO≥60%、FeO≤0.5%,渣殼厚度3-4mm,渣發(fā)泡活潑,渣冷卻后變成白色粉沫狀,這就是白渣。白渣所以變成粉沫狀,是因為渣中正硅酸鹽(2CaO•SiO2),冷卻至850℃時,發(fā)生同素異形轉(zhuǎn)變,由α晶格轉(zhuǎn)變?yōu)?gamma;晶格,體積增大,自動粉化。

堿性白渣的主要功能是擴散脫氧。擴散脫氧的基本原理是在一定溫度下,鋼水和鋼渣氧的濃度比是一個常數(shù),用脫氧劑將渣中氧脫掉,渣中氧濃度下降,為保持平衡常數(shù)不變,鋼中氧不斷向渣中擴散,從而達到脫氧目的。脫氧同時也脫硫。

LF爐堿性白渣本身具有很強的脫氧能力,由于埋孤加熱,電極中的C還原渣中氧化物,產(chǎn)生的CO氣體具有還元性氧氛,Ar氣攪拌,不斷更析渣鋼介面,加速脫氧脫S反應(yīng),白渣不污染鋼水,因而白渣精煉效果更佳。

(3)堿性白渣的性能

為了充分發(fā)揮堿性白渣擴散脫氧的還原性,對堿性白渣提出以下性能要求:(可適當講一下還原性及氧化性,最外層電子數(shù))

a渣量

要有足夠的渣量才能發(fā)揮白渣的作用。渣量太少,限制了Ar氣攪拌的效果;渣子忽白忽黃不穩(wěn)定,還原性不易保持;對脫氧、脫硫不利,吸咐夾雜物效果不好。渣量太大,造成白灰和能源的浪費,一般要求渣量要達到鋼水重量2%以上,我們的渣量太少,僅1.5%。

b堿度

白渣是堿性渣,高堿性白渣具有很強的脫氧能力,堿度是白渣的重要特性,通常白渣堿度應(yīng)≥2.5,白渣冷卻后才能粉化,白渣不粉化,表明堿度還不高。白渣堿度主要渣料合理配比來保證。

c流動性

流動性良好的白渣,才能更有效的發(fā)揮擴散脫氧作用。渣子過稠,渣鋼介面化學反應(yīng)速度慢,擴散脫氧脫硫不好。渣子過稀,液面像水一樣,孤光反射強烈,熱利用率低,加熱速度慢,鋼包渣線浸蝕嚴重,鋼水易進C。流動性良好的白渣,渣殼厚度為3-4mm。

d活潑性

用C粉保持白渣,埋孤加熱都會產(chǎn)生CO氣泡,保持白渣的活潑性,白渣發(fā)泡,渣層變厚,透氣性好,有利埋孤加熱,升溫快,鋼水不易增C,擴散脫氧能力強,對脫氧脫S有利。

我們所以要求LF爐白渣精煉,是因為白渣堿度高,還元性強,流動性、活潑性好,吸收鋼水夾雜物能力強,白渣易于鋼水分離,不污染鋼水。要造好白渣,發(fā)揮爐渣作用。

(4)造白渣的基本方法

在LF爐精煉過程中,爐中物理化學反應(yīng)不停的進行,通過造渣觀察爐渣的顏色,可以了解爐中物理化學反應(yīng)的方向,速度和完全的程度,為造好白渣提供依據(jù)。

a爐渣顏色的互相轉(zhuǎn)化

爐渣有以下幾種顏色互相轉(zhuǎn)化,參見原創(chuàng)圖(1)

 黑色氧化渣逐漸被還原

  原創(chuàng) 圖(1)中的箭頭為爐中物理化學反應(yīng)的方向。在正常情況下,包中合金化后,爐渣顏色為白渣,脫氧較好。當電爐出鋼出部分氧化渣時,爐渣可能由白色轉(zhuǎn)變?yōu)榈S色或黃白色,黃渣中有一定的Feo  MnO等,電爐出氧化渣較多時,渣中Feo  MnO含量較高,爐渣可能由黃色轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏:谏趸l(fā)亮,渣內(nèi)有孔洞。黃渣和黑渣都呈氧化性,沒有脫氧能力,是不希望出現(xiàn)的。

向氧化性渣中加入脫氧劑后,渣中氧化物被還原,黑色氧化渣逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)辄S白渣,繼續(xù)還原,由黃白渣轉(zhuǎn)變?yōu)榘自?。為保持白渣,如加C粉較多,在電弧高溫下,渣中發(fā)生    Cao+3C→CaC2+Co↑化學反應(yīng),這是吸熱反應(yīng),產(chǎn)生灰白渣,即由白渣轉(zhuǎn)變?yōu)槿蹼娛–aC2≤1.5%)。如果加C粉過多,則由灰白渣轉(zhuǎn)變?yōu)閺婋娛–aC2≥2.5%),電石渣也是黑色,無光澤,黑渣表面有白色條紋,渣放入水中,發(fā)生Cao+H2O→CaC2+C2H2↑(乙炔氣),乙炔氣有臭味。弱電石渣(灰白渣)和強電石渣(黑色),因渣中有CaC2是強脫氧劑,有很強的脫氧能力。但電石渣粘度大、渣發(fā)死、不活潑、擴散脫氧能力差。電石渣與鋼水濕潤性好,渣易沾附鋼水,污染鋼水,增加鋼中夾雜。渣中含CaC2鋼水容易增C。因此,弱電石渣和強電渣雖有很強的還原性,因有上述缺點,LF爐也不用。所以,用白渣精煉是最佳選擇。

當白渣保持一定時間,渣鋼之間氧濃度平衡,由于鋼水氧含量較高,由于脫氧劑作用已盡,或由于空氣進入熔池,渣由白變黃,失去脫氧作用,為了維持爐內(nèi)還元性氣氛,為了繼續(xù)保持白渣的還元性,要及時向爐中加入脫氧劑,如C粉、Fei  粉、Al粉等,保持白渣。

b造渣方法

為了造好精煉白渣,必須堅持兩條基本方法:

一是勤探渣、勤看渣、勤調(diào)渣。在精煉期內(nèi),要有專用探渣棍,每隔3~5分鐘向爐內(nèi)各部位探渣,觀察渣顏色和渣殼厚薄。如果渣稠或稀,應(yīng)及時加入少量白灰或CaF2,Al釩土(或白灰)調(diào)整渣子流動性。如果渣黃或綠,應(yīng)及時加入脫氧劑。

是勤加、少加、均勻加脫氧劑。根據(jù)渣顏色的變化加脫氧劑,脫氧劑要加在熔池的整個渣面上,才能脫氧均勻,發(fā)揮白渣脫氧作用。如只加在某一點上,其它渣面沒加到脫氧劑,則大部分渣面沒有脫氧作用,而加入脫氧劑在某一點上過多,還容易增C、增Si、增Al。

F爐一般操作基本上違背這兩條造白渣原則?;旧喜惶皆?、不看渣、不及時調(diào)渣。加入脫氧劑是集中加大量一次加,加在熔池一個點上。有人還認為,不用探渣,看爐內(nèi)冒出煙氣顏色就知道了。爐內(nèi)煙氣是漸變的,當渣變黃時冒黃煙,當看到冒黃煙時,爐內(nèi)黃渣已經(jīng)很嚴重了,再加脫氧劑晚了。所以,LF爐精煉終了,開出LF位,取渣樣觀察,有黑色的、綠色的、黃色的,很少有白色的,這是不足為奇的。必須堅持白渣出鋼的原則。

(來源:煉鋼)


 
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