鋼包爐

鋼包爐(ladle arc refining furnace)

一種在真空條件下利用電弧加熱的爐外精鍊技術。它是將在一般鍊鋼爐中初煉的鋼液置於專用鋼包內進行精鍊的。這種技術是1971年日本大同制鋼株式會社在研究。ASEA—SKF、精鍊爐、VAD爐、VOD法等精鍊技術和設備的基礎上，採用其他精鍊方法的成熟經驗，避其難點而開發的。

設備 主要有鋼包、爐蓋、電弧加熱系統、真空系統以及加料裝置。

鋼包 坐落在鋼包車上，它的熔池深度與池面直徑最佳比，即H／D為1．0～1．4，鋼包爐口外緣裝置水冷爐蓋的水冷法蘭圈，用於密封，底部裝有澆鋼用的滑LF動水口，距爐壁r/2～r/3(r為爐底半徑)處設有吹氬用的透氣磚。精鍊過程中氬氣流量根據不同工位和鋼包容量等決定。氬氣流量高可達200L／min，以達到攪拌鋼液的目的。在真空處理時包內鋼液面上留有高達1000mm的自由空間。包襯為鎂碳磚或者鎂鉻磚、高鋁磚、鋯鉻磚。根據精鍊鋼種的工藝要求，採用綜合砌磚法。

爐蓋 用於鋼包口密封，以及保持爐內強還原性氣氛和防止鋼液散熱，在鋼包口上設有水冷爐蓋。爐蓋內側澆注耐火材料。爐蓋隨工藝要求設有升降機構。

電弧加熱 以石墨電極與鋼液之間產生電弧光加熱鋼液。由於電極通過爐蓋孔插入泡沫渣或渣中，故稱埋弧加熱。此種加熱法散熱少，減少弧光對爐襯熱輻射和侵蝕並可穩定電流。鋼液升溫速度可達4℃／min。

真空系統 由真空爐蓋、真空泵、真空排氣管道以及除塵設備組成。在真空排氣管道上設置空氣或氮氣進氣口，以調節爐內真空度或精鍊處理結束時充氣破壞真空。真空爐蓋頂部設置真空抽氣的排氣口和窺視孔，與鋼包口相結處設置密封水冷裝黃，以及真空爐蓋升降機構。真空泵採用多級蒸汽噴射泵。

加料裝置 在爐蓋和真空蓋上分別設置有造渣劑及合金加入口。在爐蓋或真空蓋上部配備料斗，通過電子秤稱量過的爐料，經溜槽、加料口進入鋼包爐內。為了冶鍊超低碳不鏽鋼，在真空爐蓋垂直中心處開一個供氧槍升降的孔，以便向鋼液吹氧降碳。

精鍊工藝 包括排渣、加熱、氬氣攪拌、爐渣成分調整、鋼液成分調整、真空處理及保溫等。初鍊鋼液的質量關係到精鍊爐能否順利達到精鍊目的，為此要求初鍊鋼液的磷含量低於0．015％，從初煉爐出鋼時進行不同程度的終脫氧。

排渣 初煉爐爐渣對精鍊工藝影響很大，一是對精鍊鋼包包襯的侵蝕，二是渣中(FeO)、(SiO2)、(P2O5)等成分高會嚴重影響精鍊工藝。為此，需將初煉爐爐渣排除，排除方法有：(1)電爐出鋼前扒掉爐渣，轉爐和平爐出鋼時投擋渣球擋渣。(2)精鍊爐自動傾斜20。～30。時，用扒渣機扒掉覆蓋在初鍊鋼液上的爐渣。(3)中間倒包避免初煉爐爐渣進入精鍊爐。(4)使用壓力撇渣器，除掉初鍊鋼液表面爐渣。

加熱 採用電弧加熱和氬氣攪拌，造出還原氣氛和高鹼度爐渣。爐蓋降下罩在鋼包爐口的同時，電極降下，插入爐渣中埋弧加熱。補充鋼液從初煉爐進入精鍊爐中的溫降，精鍊過程中加造渣劑、合金等的吸熱，底吹氬氣和真空抽氣帶走的熱量等造成的鋼包爐內的鋼液熱損失，保證鋼液能夠順利地進行精鍊和最終滿足出鋼要求的溫度。LF爐電極加熱功率可用下列公式確定，然後用爐子的熱平衡計算與鋼液升溫速度校正。

W理=CMΔt+S％Ws+A％WA式中W理為精鍊鋼液理論上所需要補償的能量，kw•h／t；CM為鋼液升溫1℃所需要的能量，kW•h／t；Δt為鋼液的升溫數，℃；S％為造渣材料占鋼液重的百分比；Ws為熔化占鋼液總重1％的渣料所需要的能量，kw•h；A％為合金料占鋼液總重的百分數；WA為熔化占鋼液總重1％的合金料所需要的能量，kw•h。鋼包爐總的熱效率一般為η=30％～35％。故鋼包爐實際需要的能量W實＝w理／η。加熱時間取決於初鍊鋼液進入鋼包爐后的溫度和進入真空處理所允許的最低溫度(一般≥1600℃)。除電極加熱之外，也可以採用鋁熱法或者硅熱法加熱。

氬氣攪拌 採用包底吹氬攪拌，對於脫硫、脫氧、脫氫、脫氮和夾雜上浮有很大影響。實際上吹氬在鋼包爐受鋼時即已開始。加熱時的底吹氬流量，一般為真空操作時的40％～45％(真空操作時底吹氬氣流量為最大)。

造鹼性精鍊渣造渣是精鍊工藝中的重要環節。將石灰、螢石按不同比例(如5：1或4：1)分兩次加入鋼液面，加入量是鋼液量的1％～2％，造高鹼度精鍊渣脫硫；然後，用硅鐵粉、硅鈣粉和鋁粉或碳粉，按一定比例混合直接加入鋼液面或採取噴吹方法加入鋼液中，形成爐渣成分為CaO60％±5％、SiO2 10％±5％、A12O3 30％士5％的渣系或者CaO60％、Al2O3 30％、CaF2 10％的渣系。影響脫硫反應的主要因素，除還原性氣氛下高鹼度的爐渣之外，還有吹氬攪拌能的影響。包底吹氬攪拌，加速鋼液中的硫向渣一鋼界面擴散，可使脫硫率提高1．5～2．0倍，達到90％。

鋼液成分調整 加熱升溫達到≥1600℃時，即可向鋼液中加入合金調整成分。鋼包爐精鍊允許的合金成分調整範圍大，易均勻且收得率高。凡是在初煉爐合金化時易被氧化的合金，都可以移到爐外精鍊過程中在鋼包爐內進行。

真空處理 鋼包爐在真空狀態下進行脫氣、去夾雜等精鍊。按照鋼種要求，分為高真空處理(133Pa以下)和低真空處理(2666Pa以下)。高真空處理的鋼種有壓力容器、核電站、熱壁加氫反應器等用鋼。低真空處理的鋼種有汽輪機葉片、炮鋼、熱軋輥等用鋼。

在真空處理中，包底吹氬流量隨真空度高低而不同。高真空處理的氬氣流量達最大，低真空處理氬氣流量是最大流量的35％左右。在真空和底吹氬氣攪拌作用下，完成脫氧和去除非金屬夾雜，鋼包爐精鍊非金屬夾雜物上浮分離比較徹底。最後經測溫、取樣、化驗等均達到目標值(主要是氣體含量)后，即完成了真空處理的任務。一般真空精鍊15～20min。

保溫 完成保溫以及窄範圍合金微調。在此時仍需底吹適當流量的氬氣，以均勻溫度和成分。最後測溫(澆注方法不同，出鋼溫度也不同)、取樣作全分析(包括鋼、渣樣)等，均達到出鋼要求，即可出鋼。

冶金效果 (1)深度脫碳。對於一般鋼種，在LF爐中可進行常壓下的吹氧脫碳。對於低碳和超低碳不鏽鋼和工業純鐵，在LF爐中進行真空吹氧脫碳。鐵素體不鏽鋼類，可使碳降到0．008％，鉻的回收率在97％以上；對於奧氏體不鏽鋼類，可使碳降到0．004％，而鉻的回收率在98％以上；對於工業純鐵，可使碳降到0．003％。(2)脫氣和脫氧。LF爐採用的真空下吹氬攪拌，可使軸承鋼的[H]、[N]和∑[O]的含量分別達到2．68×10-6 38×10-6和10×10-6的水平；精鍊06CrMoV7鋼時_H]和∑[O]分別達到2．5×10-6和15×10-6以下；精鍊CK45鋼時[N]和∑[O]分別降到50×10-6和14×10-6以下，效果十分顯著。(3)成分和溫度微調。在LF爐中鋼液的C、Mn、si、s、Cr、Al、Ti、N等元素含量都能夠精確的控制和進行成分微調，加入易氧化元素時收得率也較高。各元素控制的範圍(％)如下：C Mn Si S Cr Al Ti N±0．01 土0．02 ±0．02 ±0．004 ±0．01 ±0．02 ±0．025 ±0．005鋼液溫度誤差可控制在2．5℃以內，使鋼錠表面質量和連鑄坯表面質量得到有效保證，而且為全連鑄和實現多爐連澆創造了十分有利的條件。