炉外精炼与炼钢连铸的匹配

炼钢-连铸流程的炉机匹配陈若冰;齐欢【摘要】根据对钢厂炼钢-连铸流程中各工序的功能及相互关系的分析，建立炼钢-连铸流程简化模型，从理论上分析转炉和连铸机主要参数应满足的衔接匹配要求。

在中冶连铸公司炼钢厂实际数据的基础上，借助Matlab仿真工具归纳比较不同物流瓶颈下可采取的炉机参数改进方案的利弊与匹配效果，提出进行炉机匹配的一般性改进方法和选择方案。

最后，将其应用在中冶连铸公司炼钢厂的实例中，为其制定适应该厂的最佳炉机参数改进方案，在保证生产安全与流畅的前提下实现炉机参数的良好匹配。

%According to the analysis of functions of the procedures in the steelmaking-casting process and the relationship between them, a simplified model of converting-casting process was established and the requirements for the main parameters of converters and continuous casters to be matched with each other theoretically were proposed. Based on the testing data from the steel plant of MCC (China Metallurgical Corporation), the pros and cons of the possible optimizing schemes for the parameters were stimulated and compared when there were different bottle-neck procedures in the process and a generalized way was proposed to achieve the matching between converters and continuous casters. And a specific plan for the plant of MCC was also raised, not onlyto achieve a better match between its converters and continuous casters, but also to guarantee the safety and fluency of process.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(042)006【总页数】7页(P1650-1656)【关键词】炼钢-连铸系统;炉机匹配;参数优化【作者】陈若冰;齐欢【作者单位】华中科技大学控制科学与工程系,湖北武汉,430074;华中科技大学控制科学与工程系,湖北武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】TF758随着钢铁技术的快速发展，钢铁生产的设备与技术都发生了显著变化，在这样动态更新的过程中，工序的匹配程度已成为影响系统运行效率的重要基础。

炉外精炼的方法LD为转炉，LF为钢包精炼炉，VD为真空脱气装置，WF为喂丝，CC为连铸。

电炉炼钢工艺：工艺一般都是三期，可分为熔化期氧化期还原期。

原理:电炉炼钢.电炉炼钢是利用电能来作热源进行冶炼. 常用的电炉有电弧炉和感应炉两种,而电弧炉炼钢占电炉炼钢产量的绝大部分.一般所说电炉就是指电弧炉. 电炉可全部用废钢做为金属原料,可冶炼力学性能和化学成分要求严格的钢,如特殊工具钢,航空用钢和不锈钢等. 电炉按所有的炉衬分为酸性和碱性两种.目前主要用碱性电炉,这种炉子可以有效地祛除钢中的硫,这是其他炼钢方法所欠缺的.随着世界钢铁生产的发展,电炉钢的比例不断提高,目前占世界钢产量的30%左右,尤其以电路-连铸-连扎为特点的电炉短流程工艺的确立,使电炉钢得到了很大的发展。

LF—为钢包精炼炉，利用电极加热，底吹氩搅拌；进行成分和温度调整；主要用于钢水脱硫和升温；LF对钢包没有特别要求；一般和电炉、转炉、VD均可匹配。

VD—真空脱气钢包精炼炉，主要用于钢水脱氢和脱氮；VD处理时是带渣操作，会发泡，因此要求钢包要有一定的净空，一般在1000mm左右，可以防止钢水溢出。

所以钢包最好为瘦长型。

处理时间长，一般和电炉、转炉匹配。

RH—为真空循环脱气精炼炉，主要用于钢水脱氢，通常配有氧枪，用于脱碳和升温；RH处理时要求真空槽能进入钢包内，使得环流管插入钢水中。

由于钢包是倒梯形的，所以真空槽不能无限度下降的。

因此要求钢包净空短，一般在300mm左右就可。

所以钢包最好为矮胖型。

处理时间短，一般和转炉匹配。

VD (Vacuum Degassing)精炼法，是将电炉、转炉的初炼钢液置于密闭罐内抽真空，同时钢包底部吹氩搅拌的一种钢液真空处理方法。

在电炉、转炉中经过熔化、初步吹炼，再置于真空罐内（真空室）通过钢包底吹氩搅拌加真空脱气过程，以获得纯净的钢液。

VD炉一般与LF炉相匹配，分别由LF炉上完成成分、温度的调整，由VD炉完成脱气、搅拌等任务。

LF精炼工艺和效果的研究摘要：炉外精炼技术能使传统炼钢法难以生产的许多高质量钢种、各种特殊用途钢都可以以非常经济的方法大量生产, 并使钢内气体含量、夹杂物含量与形态、成分偏差等影响质量的因素均达到前所未有的水平, 进而大大改善了钢的化学与机械性能, 取得巨大的经济效益, 发展极为迅速。

炼钢生产过程中，LF 炉精炼后的钢渣具有自由CaO 含量大、碱度高和还原性强的特点，回收LF 炉热态余渣用于脱硫，渣中硫含量会有所升高，说明LF 炉精炼后的热态钢渣硫含量仍可提高，仍具有一定硫容量。

本文分析了LF精炼工艺和效果。

关键词：LF；精炼工艺；效果；LF 炉由于工艺流程简便, 精炼成本相对较低,已成为开发品种、提高质量的主要精炼设备之一。

国内大量厂家采用转炉-LF 炉-连铸的生产工艺路线, 但发挥LF 炉精炼作用的却不多, 仅用其均匀成分和升温。

某钢厂结合自身生产工艺实际, 采用合理控制精炼周期、快速造白渣、精确调整成份等手段, 在较短的时间内使LF 炉充分发挥其精炼效果, 钢材实物质量达到国内先进水平, 有效的实现了转炉-LF 炉-连铸低成本生产优质钢的新生产模式。

一、LF 炉精炼工艺流程及周期控制1.工艺流程。

到精炼站、加第一批渣料、脱氧剂、送电7min 、取样、测温、加第二批渣料、脱氧剂、送电10～15 min 、取样、测温、调整成分、升温至合格温度、氧含量、出站钙处理、连铸。

2.LF 炉处理周期。

LF 炉的处理周期是指钢包进入加热位至精炼完毕钢包离站所用的全部时间。

处理周期不仅受钢水条件的影响, 同时也受上下工序的制约。

LF 炉的处理周期包括处理时间和缓冲时间目前, 国内LF 炉处理周期一般在40～60min 。

我厂由于LF 炉布局问题, 辅助时间较长,且连铸能力远远大于LF 炉, LF 炉周期必须控制在25～35min 以内, 才能使连铸拉速维持在正常水平。

因此, 为保证与连铸匹配和精炼钢水质量,就得采取各种措施来缩短LF处理周期:一是进站钢水的条件稳定, 温度和带渣量符合标准;二是控制好处理时间, 其关键是统筹兼顾、合理安排。

炼钢物流系统炉机匹配规则1.转炉炼钢厂工序产能和品种钢铸机配置炼钢生产组织的核心是生产作业计划与调度。

合理的生产作业计划与调度是保证生产物流通畅、进行资源合理配置与高效利用,提高设备利用率,进而提升生产系统的整体运行效率,降低物耗、能耗及成木,增加企业盈利和企业竞争力的重要途径。

钢产量是衡量炼钢厂生产运营状况的一个重要指标。

对于转炉-LF-连铸机流程,三个工序都有可能成为制约整个流程生产的瓶颈,决定流程的实际生产能力。

瓶颈是企业在实现其目标的过程中现存的或潜伏的制约因素,是生产能力小于或等于生产负荷的资源,而且在不同条件下,同一生产流程的瓶颈可能会发生转移,因此在市场需求允许的情况下,根据钢铁冶金过程工程和炼钢厂系统的运行原则与调控策略等相关理论,充分发挥每个设备的生产能力,首先应该分析限制钢厂年生产能力的因素.在解决了流程瓶颈的基础上,还要解决好各个生产环节的衔接匹配的问题。

具体到BOF—LF—CCM流程,分析三者的实际生产能力,掌握流程的瓶颈并提出改进建议。

炼钢厂生产能力的分析,就是对钢铁制造过程中物质流的三个基本参数(时间、温度和物质量中的物质量进行分析,剖析转炉、LF炉和连铸机生产过程,并进行协调匹配研究,以提升整个流程的产能。

炼钢内部能力匹配这里应考虑炼钢、热轧和冷轧各工序内部的能力匹配关系。

炼钢工序主要包括冶炼、精炼和连铸工段:冶炼和精炼以炉为单位、连铸以浇次为单位分别进行连续生产,连铸的浇次与浇次间隔为30~50m in;为保证连铸的连续生产,这3个工段的时间需满足精炼周期<冶炼周期≤浇注时间,对1炉钢是这样要求,对1个浇次也是这样要求。

精炼在冶炼和连铸之间起到缓冲和协调作用,因此3个工段中要求精炼周期最短,为避免连铸等待钢水则须冶炼周期小于或等于浇注时间。

因此,炼钢工序内部的能力匹配关系为:精炼能力>冶炼能力>连铸能力,其匹配程度与连铸产能扩展能力有关。

连铸产能扩展能力强,则炼钢工序内部之间是一种宽松型能力匹配;连铸扩展能力弱,则炼钢内部之间是一种紧凑型能力匹配,以确保在连铸产能扩展后炼钢内部仍能满足能力匹配关系。

高效连铸知识问答1．什么是高效连铸？答：高效连铸通常定义为五高：即整个连铸坯生产过程是高拉速、高质量、高效率、高作业率、高温铸坯。

陆着市场经济的深入发展，应当添加高经济效益(大幅度降成本)这一项最直接的指标；另外，高自动控制也提到日程上来了。

目前，国内的方坯高效连铸(以150方为例)，应在单流年产15万吨~20万吨合格普碳钢铸坯的水平、板坯应在100万-150万吨合格铸坯的水平。

其铸坯每吨的成本也在逐年降低。

连铸机的全程自动控制水平也在逐年提高。

2．高效连铸技术有哪些主要内容?答：高效连铸技术是一项系统的整体技术，实现高效连铸需要工艺、设备、生产组织和管理、物流管理、生产操作以及与之配套的炼钢车间各个环节的协调与统一。

主要技术内容如下：(1)保证适宜的钢水温度、最佳的钢水成分．并保证其稳定性的连铸相关配套技术。

(2)供应清洁的钢水和良好流动性钢水的连铸相关技术。

(3)连铸的关键技术—高冷却强度的、导热均匀的长寿结晶器总成(包括结晶器整体结构、精密水套、导热均匀的曲面铜管等等)。

(4)高精度、长寿的结晶器振动装置是高效连铸关键技术之一，这其中包括振动装置硬件的优化及结晶器振动形式、振动工艺参数的软件优化。

以往高效连铸采用的半板簧、全板簧及高频小振幅正弦波形起到了一定的正面效果。

目前，中冶连铸研制的新型串接式全板簧振动装置，其精度更高，整体刚度增强，寿命长，对促进高效连铸进一步发展将起到重要作用。

该装置可采用液压传动或机械传动，液压传动可增加正滑脱时间，提高保护渣用量，减小上振速度峰值，降低拉坯阻力，降低负滑脱时间，使振痕深度相应减小。

机械传动可以降低成本，更易于，推广使用。

(5)保护渣技术。

众所周知，保护渣与拉速相匹配，拉速提高后，保护渣黏度等指标要相应改进，保证用量不减或在允许范围内减少，以保证铸坯的高质量。

因此，连铸高效化后必须有低黏度、低熔点、高熔化速度、大凝固系数的保护渣。

保护渣技术是连铸高效化的一项关键技术。

炉外精炼工：初级炉外精炼工试题预测1、判断题电弧加热是得到广泛应用的最理想的加热方式之一。

（）正确答案：错2、填空题RH真空室的插入管分为上升管和（）。

正确答案：下降管3、填空题转炉炼钢所用的冷却剂主要（江南博哥）是：废钢、（）、球团矿、氧化铁皮等。

正确答案：矿石4、填空题气体搅拌对钢液的调温效果主要体现在（）。

正确答案：冷却钢液5、单选CAS-OB吹氧升温过程会使钢水硅含量（）。

A.提高B.降低C.保持不变正确答案：B6、填空题RH脱碳处理要求（）。

正确答案：钢包无残钢残渣7、判断题RH处理过程中合金加入的种类及数量不会对处理过程的温降速度产生影响。

（）正确答案：错8、单选一般RH精炼用合金的粒度以（）为宜。

A.＜3mmB.3mm～5mmC.＞15mm正确答案：B9、单选所谓浇铸温度，是指（）内钢水的温度。

A.盛钢桶B.中间包C.结晶器正确答案：B10、填空题采用RH处理工艺可利用一较小的真空设备，分批处理（）。

正确答案：大量钢液11、填空题钢和铁都是以（）为基体，含有碳、硅、磷、硫、锰等五大元素的铁碳合金。

正确答案：铁12、填空题对绝大多数钢种来说，磷都是一种有害元素，它会导致钢材的（）性。

正确答案：冷脆13、填空题考虑到互换性，一般真空的（）和（）内径相同。

正确答案：上升管；下降管14、填空题氮主要以（）的形式存在于钢中，钢中的氮可使钢材产生时效脆化，使钢材的冲击韧性降低。

正确答案：化合物15、单选下列精炼方法中，具备加热功能的是（）。

A.RHB.DHC.RH-OB正确答案：C16、问答题RH能起什么精炼效果？正确答案：RH主要起真空脱气作用，同时起均匀成份和温度作用；也可以在精炼过程微调成份，还可与吹氧加热、脱碳、喷粉等手段结合取得更广泛的精炼效果。

17、问答题RH真空脱气法有哪些精炼功能？正确答案：（1）去除钢中的气体，即氮、氢、氧；（2）合金化，微调钢液成份；（3）均匀钢液成份和温度；（4）脱硫，去除夹杂物，提高钢液纯净度；（5）脱碳。

炼钢-精炼-连铸流程连铸坯质量“零缺陷”控制北京科技大学冶金与生态工程学院蔡开科孙彦辉2012.5目录1.连铸凝固过程的冶金特性2.连铸钢水质量纯净度（洁净度）控制3.连铸坯裂纹缺陷控制4.连铸坯内部中心缺陷控制5.结语21. 连铸坯凝固过程的冶金特性1. 1连铸坯凝固过程基本特征把钢水凝固成固体，根据冷却速度不同有两种凝固工艺如图：●钢锭模浇注工艺●连续铸钢工艺连铸与模铸流程比较连续铸钢是一项把钢水直接浇注成形的新工艺，它的出现从根本上改变了一个世纪以来占统治地位的钢锭→初轧工艺。

与模铸相比，连铸的优点：◆节省工序，缩短流程◆提高金属收得率10~14%◆降低能耗减少1/2~1/4◆机械化自动化程度高◆产品质量好2011年中国钢产量达到6.75亿吨,2011年我国连铸比达98%以上，已达到饱和状态。

近年来近终型（Near Net-Shape）连铸技术如薄板坯连铸连轧（CSP、FTSC…）和中等厚度板坯连铸得到了很大的发展。

与钢锭模浇铸工艺相比，如图所示，连续铸钢过程基本特点如下：（1）连铸坯凝固过程实质上是动态热量传递过程钢水从液态转变为固体放出热量：钢水→固体+Q放出热量包括：✓过热✓凝固潜热✓物理显热连铸凝固过程示意图以20钢为例，钢水凝固冷却到室温放出热量是：✓过热25.2 kJ/kg✓潜热328 kJ/kg✓显热958 kJ/kg总热量中大约1/3从液体→固体放出，其余2/3是完全凝固后放出的。

钢水在连铸机内凝固是一个热量释放和传递的过程，铸坯边运行，边放热，边凝固，形成了很长的液相穴（10~20几米），在液相穴长度上布置了三个冷却区：●一次冷却区：钢水在结晶器中形成足够厚的均匀坯壳，以保证铸坯出结晶器不拉漏。

●二次冷却区：喷水加速铸坯内部热量的传递，使其完全凝固。

●三次冷却区：铸坯向空气中辐射传热使铸坯温度均匀化。

以20钢为例，经过钢水凝固热平衡计算，得出以下概念：a）钢水从结晶器→二冷区→辐射区大约有40%热量放出来，铸坯钢水才能完全凝固。

钢水炉外精炼含义炉外精炼是把转炉、平炉或电炉中所炼的钢水移到另一个容器中(主要是钢包)进行精炼的过程。

也叫“二次炼钢”或钢包精炼。

炉外精炼把传统的炼钢分为两步。

(1)初炼：在氧化性气氛下进行炉料的熔化、脱磷、脱碳和主合金化。

(2)精炼：在真空、惰性气氛或可控气氛下进行脱氧、脱硫、去除夹杂、夹杂物变性、微调成分、控制钢水温度等。

从60年代以来，各种炉外精炼方法相继出现。

目前，全世界已有500多台炉外精炼设备在钢厂投入工业生产。

炉外精炼在现代化的钢铁生产流程中已成为一个不可缺少的环节。

尤其是炉外精炼与连铸相配合，是保证连铸生产顺行、扩大连铸品种、提高铸坯质量的重要手段。

在炼钢生产流程中，采用转炉(电炉)→炉外精炼→连铸已成为钢厂技术改造的普遍模式。

炉外精炼工艺特点和冶金作用各种炉外精炼方法的工艺各异，共同特点是：(1)有一个理想的精炼气氛，如真空、惰性气体或还原性气体。

(2)采用电磁力、吹惰性气体搅拌钢水。

(3)为补偿精炼过程中的钢水温降损失，采用电弧、等离子、化学法等加热方法。

炉外精炼主要是在钢包内完成的。

总的来说，有以下冶金作用：—钢水温度和成分均匀化。

—微调成分使成品钢的化学成分范围非常窄。

—把钢中硫含量降到非常低(如S<0.005％)。

—降低钢中的氢氮含量(如H<2ppm)。

—改变钢中夹杂物形态和组成。

—去除有害元素。

—调整温度。

钢包精炼方法不同，采用的工艺操作也不相同，所达到的冶金效果也不一样。

要结合生产的钢种、产品质量来选择合适的炉外精炼方法。

选择与连铸相匹配的炉外精炼的要求与连铸相匹配的钢包精炼，在于提高铸坯质量和保证连铸工艺的稳定性。

选择合适的炉外精炼方法是连铸钢水准备、提供合格质量钢水的重要手段。

为此结合产品质量要求，选择钢包精炼设备应满足以下基本要求：(1)调节钢水温度，达到连铸所要求的浇注温度。

(2)提高钢水清洁度，特别是减少钢中大型夹杂物的含量。

(3)降低钢中气体(如氢)含量。

世界金属导报/2011年/5月/10日/第012版耐火材料洁净钢炉外精炼与连铸用耐材的发展洪学勤李具中易卫东宋泽啟雷中兴易献勋耐火材料作为钢水容器和钢水冶炼过程中的功能材料，与钢水直接接触。

如果材质选择不合理，质量低劣或管理不善，耐火材料就有可能以非金属夹杂物等形式存在于钢水之中，从而影响钢水的洁净度。

因此，研究洁净钢用耐火材料具有重要的现实意义。

下面重点概述洁净钢炉外精炼与连铸用耐火材料的现状及发展方向，主要包括精炼钢包系统、RH精炼系统、中间包系统用耐火材料的材质选择及技术进步，同时强调了耐火材料的管理及创新在洁净钢生产中的作用。

1材质及其技术进步耐火材料的材质选择，首先要满足冶炼工艺要求，其次要结合不同工序的特征，同时也要尽可能兼顾耐材所用原料的资源情况及其相应产品的性价比。

下面对精炼钢包系统、RH精炼系统和中间包系统逐一讨论。

1.1精炼钢包系统目前，国内大多数精炼钢包采用含碳材料。

如镁碳砖、铝镁碳砖、镁铝碳砖等，其碳含量一般在8%以上。

随着洁净钢要求的不断提高，这些材料难以满足要求。

近几年，相继出现多种低碳和无碳钢包耐火材料，如无碳刚玉-尖晶石预制块、机压刚玉-尖晶石无碳砖、低碳镁碳砖、刚玉-尖晶石浇注料、镁钙砖等。

1.1.1无碳刚玉-尖晶石预制块无碳刚玉-尖晶石预制块是以超低水泥或ρ- Al2O3结合的刚玉-尖晶石浇注料在耐火材料企业预制成型并经过热处理的产品。

该产品用于洁净钢的冶炼取得了良好的效果。

如，在武钢三炼钢的300t钢包使用，寿命达250次。

一种典型的刚玉-尖晶石预制块的理化指标如表1所示。

与之配套使用的无碳材料还有包底刚玉质冲击块，包底刚玉浇注料、包壁修补料、包底修补料和高纯铝镁火泥等，其性能如表2所示。

钢包刚玉-尖晶石预制块具有不含碳、纯度高、使用寿命高的优点，目前正在宝钢、武钢等推广用于洁净钢冶炼，并取得良好效果。

但该产品也存在如下问题与不足:(1)产品生产过程中，人工成本高，生产效率低；(2)产品原料成本高；(3)配套材料较多，需要人工修补；(4)抗热震稳定性能有待进一步提高。

1、转炉炼钢转炉炼钢（converter steelmaking）是以铁水、废钢、铁合金为主要原料，不借助外加能源，靠铁液本身的物理热和铁液组分间化学反应产生热量而在转炉中完成炼钢过程。

转炉按耐火材料分为酸性和碱性，按气体吹入炉内的部位有顶吹、底吹和侧吹；按气体种类为分空气转炉和氧气转炉。

碱性氧气顶吹和顶底复吹转炉由于其生产速度快、产量大，单炉产量高、成本低、投资少，为目前使用最普遍的炼钢设备。

转炉主要用于生产碳钢、合金钢及铜和镍的冶炼。

转炉炼钢-正文一种不需外加热源，主要以液态生铁为原料的炼钢方法。

转炉炼钢法的主要特点是：靠转炉内液态生铁的物理热和生铁内各组分（如碳、锰、硅、磷等）与送入炉内的氧进行化学反应所产生的热量，使金属达到出钢要求的成分和温度。

炉料主要为铁水和造渣料（如石灰、石英、萤石等），为调整温度，可加入废钢以及少量的冷生铁块和矿石等。

转炉按炉衬的耐火材料性质分为碱性（用镁砂或白云石为内衬）和酸性（用硅质材料为内衬）;按气体吹入炉内的部位分为底吹、顶吹和侧吹;按吹炼采用的气体，分为空气转炉和氧气转炉。

酸性转炉不能去除生铁中的硫和磷，须用优质生铁，因而应用范围受到限制。

碱性转炉适于用高磷生铁炼钢，曾在西欧得到较大发展。

空气吹炼的转炉钢，因含氮量高，质量不如平炉钢，且原料有局限性，又不能多配废钢，未能像平炉那样在世界范围内广泛采用。

1952年氧气顶吹转炉问世，逐渐取代空气吹炼的转炉和平炉，现在已经成为世界上主要炼钢方法。

简史1856年，英国贝塞麦(H.Bessemer)发明了底吹酸性转炉炼钢法，以后被称为贝塞麦转炉炼钢法。

从此开创了大规模炼钢的新时代。

1879年英国托马斯(S.G.Thomas)创造了碱性转炉炼钢法。

造碱性渣除磷,适用于西欧丰富的高磷铁矿的冶炼，一般称托马斯转炉炼钢法。

1891年，法国特罗佩纳(Tropenas)创造了侧面吹风的酸性侧吹转炉炼钢法，曾在铸钢厂得到应用。

用氧气代替空气的优越性早被认识，但因未能获得大量廉价的工业纯氧，长期未能实现。