炉外精炼技术概述
炉外精炼定义
炉外精炼是指将在初炼炉（如转炉、电炉）中冶炼的钢水倒入另一个专用容器（钢包）中，在真空或非真空条件下，通过吹氩搅拌、加热、造渣、电磁搅拌、真空脱气等一系列手段，进一步提高钢水纯净度、精确调整钢水成分和温度，以满足高品质钢生产要求的炼钢工艺。炉外精炼技术是现代钢铁冶金流程中不可缺少的重要环节。
炉外精炼特点
- 功能专业化：专门承担精炼任务，提高效率
- 灵活性强：可根据不同钢种需求调整工艺
- 质量提升：显著改善钢水纯净度和成分精度
- 生产协调：缓冲初炼与连铸之间的生产节奏
- 成本优化：降低整体生产成本，提高成材率
- 品种扩展：为生产特殊钢种创造条件
发展历史
萌芽期(1930年代)
德国发明钢包吹氩技术，开创炉外精炼先河
发展期(1950-70年代)
LF炉、RH真空处理等技术相继问世
成熟期(1980年代至今)
多功能精炼炉、智能控制系统广泛应用
现代钢铁流程中的地位
精炼比
95%
高附加值钢种
处理能力
200-300
吨/炉
处理时间
30-60
分钟
投资占比
15-20%
全厂设备
炉外精炼类型
按处理气氛分类
真空精炼法
在低于大气压的环境下进行精炼处理
- RH法（循环脱气法）
- VD法（真空脱气法）
- VOD法（真空吹氧脱碳法）
- VAD法（真空电弧加热法）
非真空精炼法
在常压或保护气氛下进行精炼处理
- LF法（钢包炉法）
- ASEA-SKF法（钢包吹氩搅拌法）
- CAS法（成分调整吹氩法）
- IR-UT法（惰性气体加热法）
按加热方式分类
电弧加热法
利用石墨电极产生电弧加热钢水
代表设备：LF炉
化学加热法
通过铝氧反应等化学反应放热升温
代表设备：CAS-OB
无加热法
依靠钢水自身热量进行处理
代表设备：RH、VD
按功能组合分类
单一功能型
专一完成某项精炼任务
复合功能型
具备多项精炼功能
多功能型
集多种精炼手段于一体
智能化型
具备智能控制功能
主要精炼方法比较
| 方法 | 主要功能 | 处理气氛 | 加热方式 | 适用钢种 |
|---|---|---|---|---|
| LF炉 | 加热、造渣、脱硫 | 常压 | 电弧加热 | 普碳钢、低合金钢 |
| RH | 脱气、脱碳、成分调整 | 真空 | 无加热 | 超低碳钢、IF钢 |
| VD | 脱气、去夹杂 | 真空 | 无加热 | 轴承钢、模具钢 |
| VOD | 深脱碳、脱气 | 真空 | 电弧加热 | 不锈钢、工具钢 |
| CAS-OB | 成分调整、加热 | 常压 | 化学加热 | 一般用途钢 |
炉外精炼主要设备
LF钢包精炼炉
炉体结构
由钢包、炉盖、电极升降机构等组成
钢包容积：100-300吨
电极直径：400-600mm
加热系统
三根石墨电极构成电弧加热系统
电极功率：10-25MW
升温速度：3-6℃/min
吹氩系统
底部透气砖吹入氩气搅拌钢水
氩气流量：50-300NL/min·t
搅拌强度：0.05-0.20Nm³/min·t
RH真空循环脱气装置
循环系统
通过真空室实现钢水循环流动
循环流量：100-200t/min
循环因数：5-10次
真空系统
蒸汽喷射泵或机械泵构成真空系统
极限真空：67Pa(50torr)
抽气能力：15000-30000kg/h
加热系统
RH-KTB顶枪吹氧升温系统
升温速度：2-4℃/min
供氧强度：15-30Nm³/t·h
辅助系统设备
合金加料系统
称量、输送、加入设备
喂丝设备
钙丝、铝丝喂入装置
控制系统
PLC、HMI自动化系统
除尘系统
烟气净化处理设备
典型设备技术参数
| 设备 | 容量 | 处理能力 | 处理时间 | 功率 |
|---|---|---|---|---|
| LF炉 | 100-300吨 | 50-150吨/炉 | 30-60分钟 | 10-25 MW |
| RH装置 | 150-300吨 | 100-250吨/炉 | 15-45分钟 | - |
| VD装置 | 50-200吨 | 50-180吨/炉 | 20-60分钟 | - |
| VOD装置 | 50-150吨 | 50-120吨/炉 | 45-90分钟 | 5-15 MW |
炉外精炼工艺流程
LF炉精炼工艺流程
钢包就位
处理钢包运送至精炼工位，接通各种管线
准备工作：
检查透气砖、电极、炉渣状况
测温取样
测定初始温度和成分，确定处理方案
检测项目：
[C]、[P]、[S]、T.O、温度
造还原渣
加入石灰、萤石等造渣料，形成白渣
渣系要求：
(FeO+MnO)<1%，R=2.5-3.5
加热升温
通电加热，调整钢水温度
温度控制：
目标温度±5℃
成分微调
加入合金料，精确调整钢水成分
合金收得率：
Si:70-80%，Mn:85-95%
弱搅拌
小流量吹氩，促进夹杂物上浮
搅拌强度：
0.02-0.05Nm³/min·t
出站
最终测温取样，合格后送往连铸
质量要求：
成分、温度满足连铸要求
RH精炼工艺流程
真空处理步骤
关键操作参数
真空度
<100Pa
循环流量
100-200t/min
处理时间
15-45分钟
驱动气体
80-200NL/min
VD精炼工艺流程
处理工艺步骤
技术要点
- 真空度：≤100Pa
- 氩气搅拌：50-200NL/min·t
- 处理时间：20-60分钟
- 温降控制：≤2℃/min
炉外精炼功能
脱气功能
氢脱除
通过真空脱气降低钢中氢含量
脱氢率：60-80%
目标[H]：≤2ppm
氮脱除
在真空条件下脱除钢中氮
脱氮率：40-60%
目标[N]：≤40ppm
碳脱除
RH-VOD深脱碳生产超低碳钢
脱碳率：90%以上
目标[C]：≤20ppm
去夹杂物功能
夹杂物变性
通过钙处理改变夹杂物形态
处理剂：CaSi、CaO-CaF₂
目标：塑性夹杂物
夹杂物去除
搅拌促进夹杂物上浮去除
去除率：70-90%
T.O含量：≤15ppm
纯净度提升
综合手段提高钢水纯净度
目标：高洁净钢
应用：轴承钢、齿轮钢等
成分控制功能
精确合金化
成分控制精度±0.01%
温度调整
温度控制精度±5℃
脱硫处理
LF炉深脱硫至<10ppm
微量元素
控制B、Nb、V等微合金
各精炼方法功能对比
| 功能 | LF | RH | VD | VOD |
|---|---|---|---|---|
| 脱气 | △ | ○ | ○ | ○ |
| 加热 | ○ | △ | × | ○ |
| 脱硫 | ○ | △ | △ | ○ |
| 深脱碳 | × | △ | × | ○ |
| 成分调整 | ○ | ○ | ○ | ○ |
| 去夹杂 | ○ | ○ | ○ | ○ |
说明：○表示强功能，△表示有一定功能，×表示无此功能
炉外精炼过程控制
温度控制技术
温度预测模型
基于热平衡原理建立温度预报模型
预测精度：±8℃
提前时间：10-15分钟
动态加热控制
根据实测温度动态调整加热功率
控制方式：PID控制
响应时间：<2分钟
温降补偿
通过加热补偿钢水处理过程温降
补偿精度：±3℃
加热速度：3-6℃/min
成分控制技术
合金优化模型
基于成分平衡计算最优合金配比
优化目标：
成本最低、成分命中率最高
动态成分控制
根据在线分析结果实时调整加料
控制精度：
[C]：±0.01%，[Si]：±0.02%
终点命中控制
确保钢水成分和温度同时命中
命中率：
温度>95%，成分>90%
自动化控制系统
基础自动化
PLC控制系统，实现设备顺序控制
功能：
设备联锁、参数采集、报警处理
过程自动化
二级控制系统，实现工艺过程控制
功能：
模型计算、设定值生成、质量判定
管理信息化
MES系统，实现生产管理优化
功能：
计划管理、质量追踪、数据分析
关键控制指标
温度控制精度
±5
℃
成分控制精度
±0.01
%
处理节拍
30-60
分钟
终点命中率
95%
以上
炉外精炼技术发展
高效化技术
快速脱气技术
提高脱气速率，缩短处理时间
技术措施：增大循环流量、优化驱动气体
效果：脱气时间缩短20-30%
高效加热技术
提高加热效率，降低电耗
技术：泡沫渣埋弧加热、优化电极配置
效果：电耗降低10-15%
多功能集成技术
一台设备实现多种精炼功能
设备：多功能精炼炉、复合处理装置
优势：投资节省、流程简化
智能化技术
人工智能应用
基于机器学习的工艺优化
技术：神经网络、专家系统
效果：命中率提高5-10%
机器人化操作
自动加料、测温取样机器人
应用：自动副枪、机械臂
优势：提高安全性、一致性
数字孪生技术
虚拟仿真与实际生产同步
功能：工艺优化、故障预测
价值：提高作业率、降低成本
环保与节能技术
绿色精炼
减少渣料消耗，降低环境负荷
效果：
渣料消耗降低15-20%
超低排放
颗粒物<10mg/m³，实现超净排放
技术：
高效除尘、智能清灰
节能技术
余热回收、变频调速等节能措施
指标：
电耗降低10-20%
未来发展趋势
技术发展方向
极致纯净化
T.O<10ppm，[N]<15ppm的超纯净钢生产
智能化制造
全流程智能化控制，实现黑灯工厂
绿色化发展
近零排放、全生命周期环境友好
装备升级方向
大型化高效化
更大容量设备，更高生产效率
数字化装备
集成传感器、执行器的智能设备
模块化设计
标准化、系列化、可重构设备