某廠100 t LF爐設(shè)計(jì)及實(shí)踐研究

張培強(qiáng)，李 藝，宗有成，王行雨，孔 輝

（1.常州東方特鋼有限公司煉鋼廠，江蘇 常州 213000；2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

引 言

早在20世紀(jì)70年代初期，LF鋼包精煉爐便已誕生，因其具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、投資費(fèi)用低、操作簡便靈活及精煉效能突出等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于爐外精煉工作中［1］。LF爐可以和轉(zhuǎn)爐配合產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)合金鋼，通過吹氬、電弧加熱、加入合金等方式，實(shí)現(xiàn)控制溫度，調(diào)整成分等功能［2-4］。

LF爐特點(diǎn)有以下幾個(gè)：第一，創(chuàng)造強(qiáng)還原氣氛，雖然爐自身沒有真空系統(tǒng)，但是可以通過金屬外包裹物和密封爐蓋隔絕外界的空氣，加熱后石墨電極與爐渣中的FeO，MnO等生成反應(yīng)，生成CO氣體，進(jìn)而使LF爐內(nèi)氣氛中氧含量降低到0.5%。冶煉產(chǎn)品在還原氣氛下精煉能夠進(jìn)一步脫氧、脫硫，更好地去除非金屬夾雜物［5-6］；第二，進(jìn)行氬氣攪拌，氬氣攪拌可以加速金屬與渣之間的物質(zhì)傳遞，有利于脫氧、脫硫反應(yīng)的進(jìn)行［7-8］。針對非金屬夾雜物的處理，也可以通過LF爐的吹氬攪拌功能來實(shí)現(xiàn)［9］。在非金屬夾雜物的處理過程中，LF爐對去除Al2O3類別的夾雜物上浮最為有效，借此可有效提高產(chǎn)品的質(zhì)量［10-11］；第三，進(jìn)行埋弧加熱，LF爐裝備了三根石墨電極，可以通過電極實(shí)現(xiàn)埋弧加熱的效果，這種方法輻射熱小，加熱的熱效率較高，升溫幅度可達(dá)3～5 ℃/min［12］。

1 100 t LF爐設(shè)計(jì)需求

某廠的現(xiàn)代化煉鋼生產(chǎn)工藝流程中的轉(zhuǎn)爐流程為LD-LF-CC。某廠現(xiàn)有2座轉(zhuǎn)爐，同時(shí)吹煉2座，另有3座LF爐。其目前轉(zhuǎn)爐年處理鋼水量為2300萬噸左右，全年鋼水精煉任務(wù)為230萬噸，因此目前3座LF爐精煉能力不足，與轉(zhuǎn)爐出鋼量不匹配，仍有較大缺口。

根據(jù)某廠的設(shè)計(jì)需求可發(fā)現(xiàn)，精煉能力不足會(huì)導(dǎo)致連鑄的溫度、拉速波動(dòng)較大，從而影響連鑄坯的質(zhì)量，進(jìn)而影響產(chǎn)品的質(zhì)量［16］。LF爐可提升工廠的精煉能力，調(diào)整生產(chǎn)節(jié)奏，保證軟吹時(shí)間，穩(wěn)定連鑄恒溫恒拉速，提高連鑄坯質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)降本增效。因此某廠需要設(shè)計(jì)新建一座100 t LF爐，加強(qiáng)煉鋼精煉連鑄等環(huán)節(jié)的配合度，提高H345W-YG，QD08，20G等鋼種的產(chǎn)能和質(zhì)量，獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。

2 100 t LF爐設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 LF爐設(shè)計(jì)依據(jù)

LF爐精煉是在ASEA-SKF法和VAD法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，即一種鋼包爐外精煉。它主要依靠爐內(nèi)白渣，在吹氬攪拌和石墨電極的埋弧加熱的過程中，實(shí)現(xiàn)精煉的目的。氬氣攪拌能夠有效加快LF爐內(nèi)渣鋼之間的反應(yīng)速率，再通過電弧加熱使LF爐保持在需要的溫度區(qū)間下，可以達(dá)到延長精煉時(shí)間的目的，進(jìn)而有效實(shí)現(xiàn)脫氧脫硫的功能。LF爐可以與電爐配合，以取代電爐的還原期，還可以與氧氣轉(zhuǎn)爐配合，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)合金鋼。此外，LF爐還是連鑄車間，特別是合金鋼連鑄生產(chǎn)線上不可缺少的控制成分、溫度及保存鋼水的設(shè)備［17］。

LF爐冶煉關(guān)鍵優(yōu)勢在于精煉能力強(qiáng)，因此適合生產(chǎn)超低硫、超低氧鋼。具有較強(qiáng)的加熱能力，可精確控制溫度，擁有攪拌、合金化功能，方便實(shí)現(xiàn)對于成分的精確控制。精煉成本較低，設(shè)備簡單，投資少，在各種二次精煉設(shè)備中，LF爐的綜合性價(jià)比高，因此在工業(yè)生產(chǎn)中具備成本優(yōu)勢。LF爐除了冶煉超低C、S、N的鋼種外，也適合冶煉軸承鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、彈簧鋼等［18］。

2.2 LF爐功能設(shè)計(jì)

某廠100 t LF爐用于對轉(zhuǎn)爐鋼水進(jìn)行加熱升溫、成份調(diào)整、鋼水脫硫、脫氧除氣、去夾雜、均勻鋼水成份等操作，以滿足對各類鋼水的質(zhì)量要求［17］，充分協(xié)調(diào)和緩沖煉鋼-精煉-連鑄等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多爐連澆，使連鑄機(jī)可穩(wěn)定生產(chǎn)，擴(kuò)大了H345W-YG，QD08，20G等鋼種的產(chǎn)能。其主要功能設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 100 t LF鋼包精煉爐主要功能設(shè)計(jì)表

2.3 LF爐設(shè)備技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)某廠對產(chǎn)能、鋼種等的需求，設(shè)計(jì)中主要需要考慮鋼水處理量、電耗、處理周期等重要參數(shù)，LF爐主要技術(shù)參數(shù)如表2所示

表2 100 t LF鋼包精煉爐主要技術(shù)參數(shù)表

2.4 生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

針對某廠現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐、LF爐、連鑄機(jī)等設(shè)備以及供水供電等系統(tǒng)的實(shí)際相對位置和具體生產(chǎn)要求對LF爐的生產(chǎn)工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，其具體設(shè)計(jì)如下：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，均勻設(shè)計(jì)法實(shí)驗(yàn)得到的ITAE相較于工程整定法更小，穩(wěn)態(tài)性能較好。輸出波形圖表明，均勻設(shè)計(jì)法得到的輸出曲線與工程整定法相比，超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間均有降低，系統(tǒng)的暫態(tài)性能有所提高。

（1）轉(zhuǎn)爐出鋼完畢后，鋼包車開出到原料跨，由140 t/40 t鑄造起重機(jī)將鋼包吊到LF精煉爐爐吊包工位座包。

（2）接通底吹氬系統(tǒng)，對鋼水進(jìn)行底吹氬攪拌操作。開動(dòng)鋼包車到處理工位，降下爐蓋，對其進(jìn)行手動(dòng)取樣并測溫。

（3）手動(dòng)下降電極并通電，開始加熱。

（4）通過加料系統(tǒng)將造渣料填入爐內(nèi)，埋弧精煉，鋼水加熱一定時(shí)間后，通過采樣并進(jìn)行化驗(yàn)分析，得出后續(xù)所需的合金類型和質(zhì)量，提升電極，通過加料系統(tǒng)向爐內(nèi)自動(dòng)加入鐵合金進(jìn)行成分微調(diào)，降下電極加熱。

（5）整個(gè)加熱過程中操作工在爐前通過爐門觀察精煉渣的顏色、流動(dòng)性和發(fā)泡情況，根據(jù)需要在爐門添加適量脫氧劑，也可通知主操作室通過加料系統(tǒng)補(bǔ)加適量渣料［18-19］。

（6）等候一段時(shí)間后再次進(jìn)行手動(dòng)取樣并測溫，重復(fù)進(jìn)行這樣的操作，直至達(dá)到滿足鋼水成分和溫度時(shí)再進(jìn)行下一步操作，再比對生產(chǎn)要求，進(jìn)行喂線處理等［20］，以此來對夾雜物狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

（7）進(jìn)行軟吹氬并提升爐蓋和電極，鋼包臺車開到吊包工位，用吊車吊鋼包到下步工序。

（8）配合連鑄機(jī)多爐連澆操作，鋼水可在LF爐根據(jù)需要進(jìn)行保溫加熱。在整個(gè)精煉過程中全程底吹氬攪拌，鋼水精煉過程中通過調(diào)整氬氣流量來調(diào)整攪拌強(qiáng)度。

LF爐精煉工藝流程如圖1所示。

圖1 100 t LF鋼包精煉爐精煉工藝流程圖

2.5 生產(chǎn)能力設(shè)計(jì)

2.5.1 精煉周期

精煉周期的設(shè)計(jì)不僅需要考慮LF爐功率、隔熱性能、熱效率等因素，還需要參考具體冶煉鋼種的特點(diǎn)。根據(jù)某廠具體冶煉鋼種：H345W-YG，QD08，20G等對于溫度、化學(xué)成分含量等參數(shù)的要求，設(shè)計(jì)該LF精煉爐平均處理周期為40 min，視具體情況延長或縮短部分時(shí)間，其分項(xiàng)時(shí)間如表3所示。

表3 100 t LF鋼包精煉爐處理時(shí)間分析表

2.5.2 作業(yè)率

某廠100 t LF精煉爐平均處理鋼水量為100 t，LF爐平均處理周期為40 min，LF爐為1座。如果年作業(yè)率按65%計(jì)算可得出100 t LF精煉爐年作業(yè)率為65%情況下，年生產(chǎn)能力可達(dá)到114萬噸。

3 應(yīng)用效果

根據(jù)前述LF爐的設(shè)計(jì)內(nèi)容，某廠實(shí)際生產(chǎn)中的主要鋼種：H345W-YG，QD08，20G的具體冶煉工藝如表4所示。

表4 100 t LF鋼包精煉爐鋼種具體冶煉工藝表

在熱態(tài)調(diào)試準(zhǔn)備工作完成后，鋼包可受鋼，受鋼前，其烤包溫度應(yīng)達(dá)到1000℃，吹氬管應(yīng)聯(lián)通并吹氬，氬氣量根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。受鋼完成后，將鋼包吊到鋼包車，并將LF鋼包車開至加熱工位。啟動(dòng)爐蓋提升裝置，使?fàn)t蓋下落并蓋在鋼包上，主回路送電，并啟動(dòng)電極升降裝置，使電極與鋼水之間起弧加熱，需要加料時(shí)，打開加料門，根據(jù)設(shè)計(jì)的工藝要求，適時(shí)測溫取樣。加料及測溫取樣應(yīng)在主回路斷電情況下進(jìn)行。鋼水加熱處理完成后，主回路斷電，并提升爐蓋及電極到上限位，開動(dòng)鋼包車到吊包工位，吊包至澆鑄工位進(jìn)行澆鑄。在生產(chǎn)過程中各項(xiàng)設(shè)施總體運(yùn)行情況狀況良好。

新設(shè)計(jì)的LF爐及其配套設(shè)施建設(shè)在某廠連鑄機(jī)東面，與其相鄰。轉(zhuǎn)爐出鋼到LF爐精煉再到連鑄機(jī)的距離較短，時(shí)間成本低，生產(chǎn)流程緊湊，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)多爐連續(xù)澆注，穩(wěn)定連鑄生產(chǎn)。

對某廠的實(shí)際生產(chǎn)分析得出，4座LF爐年處理鋼水提升至2300萬噸，年處理精煉鋼水增加了29.7萬噸，年?duì)I業(yè)收入增加了5940萬元。其中，新設(shè)計(jì)的LF爐擁有110萬噸鋼水精煉能力，加上某廠現(xiàn)有的3座LF爐，完全滿足了全年230萬噸鋼水精煉任務(wù)。新設(shè)計(jì)的LF爐使某廠煉鋼精煉連鑄等環(huán)節(jié)更加緊密高效，提高了某廠的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)某廠的具體要求設(shè)計(jì)了LF爐的技術(shù)參數(shù)、精煉周期、冶煉工藝等，針對性的設(shè)計(jì)有效滿足了其對于精煉能力的需要和H345W-YG、QD08、20G等的冶煉要求。新設(shè)計(jì)的100 t LF鋼包精煉爐為某廠增加了110萬噸精煉能力，為某廠協(xié)調(diào)緩沖了轉(zhuǎn)爐煉鋼到連鑄機(jī)等環(huán)節(jié)之間的配合作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了多爐連澆，使連鑄機(jī)可穩(wěn)定生產(chǎn)，滿足了其全年230萬噸鋼水精煉任務(wù)。