钢水炉外精炼设施设计(design of liquid steel secondary refining facilities)

以转炉或电炉为初炼炉，将熔炼出来的初炼钢水倒入另一容器中进行精炼的设施设计。是炼钢厂设计的主要组成部分。炉外精炼又称二次炼钢。在不同的炉外精炼设施中，可分别对钢水进行脱硫、脱碳、脱气、去夹杂、均匀并调整成分或调整温度等精炼工作。炉外精炼设施设计包括炉外精炼方法的选择、炉外精炼装置容量和生产能力、工艺流程和布置、设备组成、公用系统、安全和防护等。

简史20世纪50年代，各国普遍采用钢液真空脱气法，到50年代后期，联邦德国开发了DH(提升法)和RH(循环法)真空处理方法，被许多国家采用，使钢液真空处理技术发展到一个新阶段。60年代至70年代前期，一些国家又研制出许多不同形式的炉外精炼装置，如钢包真空脱气(VD)、钢包加热精炼(LF)、钢包真空加热精炼(VHD、ASEA-SKF)、钢包喷射冶金(TN、SL)、氩氧脱碳精炼(AOD)和真空吹氧脱碳精炼(VOD)等装置。80年代又发展了钢包喂丝(FW)和钢包化学加热升温精炼(CAS-OB、IR-UT)等方法。因而，炼钢工艺已由传统的炼钢炉一步炼钢法转变为炼钢炉(初炼炉)与炉外精炼配合的二步炼钢法。70年代以后建设的炼钢车间，普遍采用初炼炉一炉外精炼-连续铸钢(简称连铸)的工艺流程。

中国从50年代开始设计炉外精炼装置，当时一些特钢厂和机械厂建设过一批小容量钢包静态真空脱气装置。至60年代中期，随着大型蒸汽喷射泵技术的成熟，中国开始了现代炉外精炼技术的开发工作。1966年，中国设计制造的15～30t和100tDH真空处理装置先后顺利建成投产。1967年后中国在一些厂建设了RH真空处理装置。70年代后期至80年代初期，建设了ASEA-SKF精炼装置、VOD/VHD精炼装置、新型RH真空处理装置和SL喷粉装置，并设计建成了AOD和VOD精炼装置、LF(包括LF/VD)精炼装置、VD真空处理装置、各种型式的钢包喷粉装置。80年代后期，又成功地开发了钢包喂丝技术。

据统计，至1990年底中国已有炉外精炼装置见表1。

表1 中国现有炉外精炼装置

炉外精炼方法选择常用的炉外精炼装置如图所示。各种精炼装置的工艺效果见表2。

常用的炉外精炼装置

炉外精炼方法的选择要能够满足产品质量的要求。不同产品对精炼要求的功能为：

采用炉外精炼的另一个重要目的是，它与炼钢炉配合可以大大减轻炼钢炉的负荷、提高生产能力、改善生产指标。新建的高功率和超高功率电炉，一般都应配备LF精炼装置。LF、VHD、ASEA-SKF和CAS-OB等加热型钢包精炼装置，还具有在炼钢炉与连铸机之间起缓冲协调的作用，有利于稳定连铸生产和提高连浇率，因而采用连铸的车间，尤其是全连铸车间，往往选用LF或其他加热型精炼装置。

生产不锈钢的车间，宜选用AOD或VOD精炼装置，前者适用于产量大、钢种较单纯、最低碳含量不低于0.015%，且具有充足氩气源的车间，后者适用于不锈钢产量比较小，最低碳含量需低于0.01%，除生产不锈钢外还可承担其他许多钢种的脱气、成分微调等任务，或者不锈钢产量虽大但无足够氩气供应的车间。当不锈钢产量大，又有低于0.01%C的品种，且质量要求较高时，可考虑同时采用AOD与VOD，此时AOD除生产碳含量约为0.03%的一般不锈钢外，还承担向VOD提供碳含量为0.2%～0.3%的半钢水的任务，以便使VOD以较短的精炼时间生产碳含量低于0.01%的高质量不锈钢。此外在采用连铸时，炉外精炼除AOD、VOD外，还可以组合LF钢包精炼装置，以协调冶炼与连铸之间的配合关系。

表2 炉外精炼装置的工艺效果

①表中所列数据为一般水平，当初炼炉无渣出钢且精炼工艺良好时，氧含量有可能低于下限值；

②不吹氧时，需吹炼钢水[c]≤0.04%。

生产硫含量低于0.02%的低硫或超低硫钢的车间，需要选用喂丝机或钢包喷粉等精炼设备。也可以选用具有还原精炼功能的LF等钢包精炼装置。

生产需要真空脱气，或需要在真空下脱碳生产碳含量不高于0.01%的超低碳钢，或需在真空下精确微调成分的车间，应选用VD、DH、RH等真空精炼装置。

实践中，为了提高生产的灵活性，适应多品种的要求，许多新建的炼钢车间，往往配备几种型式的精炼装置，或选用组合型(如LF/VD、VOD/VHD炉等)的炉外精炼装置。

初炼炉与炉外精炼的几种典型配合工艺为：

(1)当生产硅钢、深冲、超深冲、镀层板和重轨等产品时为：

转炉+RH+CAS-OB或LF(硅钢为冷轧硅钢)

转炉+RH+CAS-OB或LF+FW或喷粉(硅钢为高牌号超低硫硅钢)

转炉用铁水一般须进行脱硫或脱硫、磷预处理。

(2)当生产轴承钢、模具钢和弹簧钢等产品时为：

电炉+LF/VD或VHD或ASEA-SKF。

(3)当生产不锈钢、超低碳钢等产品时为：

电炉或转炉+AOD+VD(产量大，C≥0.01%)

电炉或转炉+VOD(产量小，但生产C<0.01%钢种)

电炉或转炉+AOD+VOD(产量大，又有c<0.01%钢种)

当与连铸配合时最好再增加LF。

(4)当生产容器板、锅炉板、高压锅炉管和油井管等产品时为：

电炉或转炉+LF/VD+FW或喷粉

炉外精炼装置容量和生产能力精炼装置的容量取决于初炼炉的容量，以初炼炉的平均出钢量为其公称容量。为保证冶金效果，LF，VHD，ASEA-SKF的公称容量一般应不小于30t，DH、RH的公称容量最好不小于50t。精炼装置的实际处理容量，应能适应初炼炉最小与最大出钢量的波动。由于精炼用钢包比非精炼包重得多，新建车间确定浇注起重机能力时，应充分考虑此因素。

精炼炉的生产能力取决于其精炼周期(包括辅助作业)和作业率，可按下式计算：

式中Q为年生产能力，t/a；1440为每天工作时间，min/d；T为每炉钢精炼周期，min；365为每年日历天数，d；η为精炼炉年作业率，%；G为精炼炉公称容量，t。

工艺流程和布置在炼钢生产流程中，炉外精炼处于初炼炉与连铸(或模铸)之间，故通常将炉外精炼设在初炼炉与浇注区之间，使流程顺行。考虑炉外精炼的工艺流程和布置时，要综合考虑出钢至浇注的全部作业，为精炼操作创造最理想的条件。例如，初炼炉应无渣出钢或少渣出钢，否则要采取扒渣措施。当精炼中要精确微调成份时，要解决钢水的称量、快速送样、快速报样问题。为减少钢水温度降，应采取措施实现红包出钢、钢包加盖出钢和加盖运输。此外，对精炼中所需的各种物料的制备、贮运、计量应予妥善安排。

炉外精炼装置在立面布置上有两种基本形式：一为低架布置，又称坑式布置，即将钢包(或真空罐)置于地坑内；另一种为高架布置，又称车式布置，即将钢包(或真空罐)置于移动台车上。这两种形式应根据厂房条件与其他具体情况确定。

采用真空精炼装置时，真空泵一般设置在地面以上l0m的平台上，应尽可能靠近精炼装置，使真空管道长度尽可能短于40m。

设备组成各种炉外精炼装置的设备组成见表3。

表3 各种炉外精炼装置设备组成

精炼钢包应采用滑动水口，在采用底吹氩搅拌钢水时，钢包上要设置供氩管线和带逆止阀的快速接头。确定钢包尺寸参数时，应使钢液面至包口有足够的自由空间高度，对于除：DH、RH以外的真空精炼装置，此高度为800～1.400mm。用于ASEA-SKF装置的精炼钢包要采用奥氏体不锈钢制作。

LF、VHD、ASEA-SKF电弧加热型精炼装置、单位功率负荷为150～200kVA/t，其电极中心圆直径应尽可能小，以提高精炼钢包内衬寿命。

所有真空精炼装置的真空系统，要满足空抽至极限真空度的时间不大于8min和工作极限真空度为67Pa的要求。真空泵的抽气能力应根据精炼装置型式和系统条件，通过计算确定，并参考同类装置实践情况，适当留有余地。设计中，应对真空系统密封的可靠性予以充分重视。

当精炼装置要求精确微调成分时，加料系统采用的电子秤精度应不低于2‰。

公用系统(1)冷却水。设备冷却采用净循环水，用户处的工作压力为0.3～0.6MPa。蒸汽喷射真空泵冷凝器用冷却水为浊循环水，要求进水温度不高于32℃，真空泵平台处工作压力为0.2～0.3MPa。因为精炼装置都是间歇性工作，最好设置单独的水处理设施，VOD等吹氧的真空精炼装置、水处理设施应考虑污泥处理。(2)蒸汽。蒸汽喷射真空泵用蒸汽，要严格符合真空泵设计规定的蒸汽类别、工作压力、工作温度和用量的要求。供汽压力应大于工作压力30%，供汽量应大于设计用汽量20%，以利于稳定真空泵工作性能。为适应精炼装置间歇工作的工况特点，最好设置供蒸汽的专用快速锅炉。(3)氩气、氮气和氧气。首先要保证纯度质量要求(Ar≥99.99%，N₂≥99.5%，O₂≥99.5%)，用量小时可用瓶装汇流排供应，其压力应大于工作压力0.2MPa。(4)压缩空气。用于气动设备时要保证工作压力不低于0.4MPa，不含机械水；用于输粉时应脱水除油。(5)供电和电气控制。炉外精炼装置的供电应设置两路电源。操作控制一般设自动和手动两种方式，两种方式切换时，应能保持已进行到的工作状态。对于必须顺序运转而被控设备又较多的部分，如真空系统、喷粉系统、机械化加料系统等可采用可编程序控制。精炼装置各运转设备之问应设必要的安全和操作连锁。有条件的最好采用计算机集散控制系统。(6)仪表。炉外精炼使用的所有介质的压力、流量、温度、物料重量和精炼装置的特定工艺参数，都应设置准确的测量仪表监测。有条件时设置计算机数据收集系统。(7)电信。精炼装置操作室与初炼炉操作室、浇注操作室和各公用设施之间应设可靠的电信联络手段。

安全和防护对精炼装置设备和工作区域可能出现的漏钢事故，要采取必要的防护措施。对电弧加热精炼装置的漏电事故，真空精炼装置的爆炸与CO外逸中毒事故，要有可靠的防范措施，此外，真空泵房要隔音。

主要消耗指标一些炉外精炼装置的主要消耗指标见表4。

表4炉外精炼装置主要消耗指标