浅谈炉外精炼（LF）在冶金工业中的应用

刘界鹏，危光全，方县委

（青岛特殊钢铁有限公司，山东 青岛 266000）

自古以来，金属就是十分宝贵的资源，被广泛应用于各个行业，其中钢铁是最基础的金属材料之一，应用也最为广泛，我国炼制钢铁的历史已逾千年，炼钢工艺也在不断发展和进步。如今随着科技的发展，许多行业对钢铁制品的要求逐渐提升，为了生产出纯度更高、性能更好的钢铁，必须提升冶金技术，例如炉外精炼技术，它是对钢铁进行除杂、增加纯度和硬度的重要环节，能够决定钢铁成品的质量，本文详细介绍炉外精炼在冶金工业中的应用并分析其未来发展方向。

1 炉外精炼（LF）简介

炉外精炼，顾名思义，指的就是将平炉、电炉等当中的钢液转移到其它容器再完成精炼的过程，它将炼钢过程分为炉内初炼和炉外精炼两个过程，能够有效避免炉内一些杂质对于炼钢过程的影响，提高钢材精度和质量，并节约能源，降低生产过程所需成本。炉外精炼分为许多种形式，其中最常用的是钢包精炼炉法，简称LF。

LF炉的结构组成如下图中所示。

图1 LF炉的结构组成

其炉体实际上是带有吹气装置的钢包，底部带有出钢用的滑动水口和通入惰性气体的透气砖。

2 炉外精炼（LF）的要点

2.1 温度的控制

一般来说，升温有助于脱硫、脱氢等各个精炼过程主要反应的进行，但有一个临界点，超过该温度后，温度就不再是影响反应速率的主要因素。过高的温度会导致能源消耗量增加，却不会大幅度加快反应速率，因此在使用炉外精炼技术时，寻找温度临界值、确定生产效率最高且能够节省能源的温度十分重要。此外，在反应过程中做好对温度的控制也至关重要。

2.2 均匀搅拌，避免钢液裸露

搅拌过程对于炉外精炼而言十分重要，反应过程应当注意控制搅拌速率，过快会导致反应不完全，且增加能耗，过慢则会降低反应速率，减缓精炼过程。此外，在吹氩搅拌时还要注意防止钢液裸露与空气接触，增加杂质。

2.3 采用氩气搅拌

采用氩气搅拌能够加速钢和渣之间的物质传递，加快钢液的脱氧和脱硫过程，同时去除非金属杂质，提高钢的纯度，尤其是对氧化铝类型的杂质具有较好去除效果，如下图所示。

图2 搅拌对钢中Al203粒子上浮速度的影响

3 炉外精炼（LF）的优缺点

3.1 优点

3.1.1 增大反应面积，减少反应时长

在炉外精炼所使用的容器中，都有搅拌装置，能够均匀地对钢液、钢渣进行搅拌，增大接触面积，从而加快反应速率，并且能够使其充分反应，去除杂质。此外，搅拌还可以使气泡溢出，提高钢材的稳定性，并防止钢材中含有气泡，降低强度。

3.1.2 加快反应速度

冶金速度的快慢直接取决于液相传质速度，在自然反应状态下钢液的传质速度较为缓慢，而炉外精炼可以通过搅拌加快钢液运行速度，从而提升精炼速度，提高冶炼效率。

3.1.3 改变反应环境，提高钢材质量

在过去的工业模式中，钢铁的冶炼在炉中进行，炉内含有大量空气，其中有二氧化硫、氧气、二氧化碳等多种杂质，能够在炼钢的环境条件下与钢材中的成分发生反应，增加杂质，降低冶炼效率。而将其转移到其它容器，可以减少杂质干扰，此外，炼钢的脱硫、脱氧等过程产生的都是气体，炉外精炼能够方便地将气体排出，促进反应向着有利方向进行，提高钢材的纯度。

3.2 缺点

目前的炉外精炼技术仍然不够成熟，在转移钢液的过程中容易出现失误，导致钢液中混入杂质或是与空气中的成分发生反应，导致钢液氧化，此外，精炼过程不能实现真空环境，影响精炼效果。

4 炉外精炼（LF）的未来发展情况

4.1 自动化方向——电气自动化主导下的炉外精炼

炉外精炼主要应用于冶金工业的钢铁工业分支，它是具有代表性的传统重工业，虽然对于国计民生而言具有十分重要的意义，能够为其它行业提供原材料和产品，但同时也具有工作环境恶劣、对人体健康损害大的特点，现场的粉尘对于呼吸道具有强烈刺激，不适宜人类长期工作。据统计，我国每年新增的癌症患者和肺结核患者有半数以上都是从事钢铁、冶金工业的人员。经济的发展决不能牺牲国民的健康，因此自动化成为冶金工业未来发展的必经之路。

我国电气自动化技术经过了多年发展，已经逐渐成熟，其由来可以追溯到第二次世界大战时期，在德国战败后，他们将这门技术作为补偿传授给我国，如今历经改造和升级的电气自动化技术已经能够应用于许多领域，其中包括冶金行业。采用电气自动化技术可以使炉外精炼的整个过程都在计算机的严密监控下进行，可随时监测容器中的反应情况并作出响应。

4.1.1 即时检测功能

采用电气自动化系统后，在炉外精炼的整个过程中，炉料的转移过程、熔化情况、反应容器内的温度、氧气含量等，都时刻处于系统的监测之下，系统能够及时给出反馈，对于不正常的运转发出警报，提醒管理人员处理突发事件。

4.1.2 及时断开故障元件

炉外精炼所需的大量热能和真空环境，一般由燃烧热值较高的燃料和使用电能的转化来提供，当精炼体系出现故障时，再继续通过高电流、高电压和提供大量热能便会产生设备过热等状况，严重时可能融化电线外皮，引发联电与火灾、爆炸事故，严重影响工厂内工作人员的生命安全，甚至威胁附近建筑的安危。

若是等待专人前往切断体系的线路，一则会耽误宝贵的抢修时间，可能酿成巨大的灾祸，二来也具有较高的危险性，可能会造成抢修人员受伤甚至牺牲。而采用电气自动化技术，能够实现事故的自动化处理，能够用电子设备对精炼系统进行全天候实时监测和分析，及时发现其运转过程中出现的问题，并且具备一定的分析和处理能力，对于一些不严重的问题，它都能够自行处理，无需劳动工作人员；而某些较为复杂的故障问题，它能够及时断开能源的供给，及时止损，避免造成更大的损失。待专家前往现场进行检查和维修并确认无误后，又能够第一时间恢复生产，减少企业误工的损失。

4.2 智能化方向——PLC控制技术主导下的炉外精炼

PLC控制系统是一种即时系统，专为工业生产而诞生，其结构类似微电脑，具备比较基础的部件，但又与电脑存在很大差异。近年来，智能化的概念在我国广为流传、逐渐深入人心，因此PLC控制系统发展迅猛，带来了许多工业方面的变革。

将其应用在炉外精炼流程中，可实现空气质量、温度等的自动控制，并自动根据反应速度调整搅拌速率，智能操控加料、加热等流程，使得整个精炼流程井然有序，不需工作人员进行管理和操控，解放大量人力资源。

4.3 高端化

追求高质量的产品是我国工业的发展趋势，在精炼时营造真空环境能够提高钢材的纯净度，减少空气中杂质的影响，从而提升钢材质量。因此未来炉外精炼技术的发展可与真空技术相结合，从而生产出高质量的钢铁。

5 结语

炉外精炼是一种十分高效和节能的金属处理方法，但目前我国国内对这项技术的掌握还未达到炉火纯青的地步，未能实现整个过程的自动化和智能化生产，很多时候都需要借鉴国外相关行业的经验和引进外来设备。

想要成为工业强国，就必定要将核心科技牢牢掌握在自己手中，完成自主生产，我国仍然需要为此付出努力，提升冶金工业的水平，为其它工业生产奠定坚实的基础。