淺談爐外精煉（LF）在冶金工業中的應用

劉界鵬，危光全，方縣委

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島 266000）

自古以來，金屬就是十分寶貴的資源，被廣泛應用于各個行業，其中鋼鐵是最基礎的金屬材料之一，應用也最為廣泛，我國煉制鋼鐵的歷史已逾千年，煉鋼工藝也在不斷發展和進步。如今隨著科技的發展，許多行業對鋼鐵制品的要求逐漸提升，為了生產出純度更高、性能更好的鋼鐵，必須提升冶金技術，例如爐外精煉技術，它是對鋼鐵進行除雜、增加純度和硬度的重要環節，能夠決定鋼鐵成品的質量，本文詳細介紹爐外精煉在冶金工業中的應用并分析其未來發展方向。

1 爐外精煉（LF）簡介

爐外精煉，顧名思義，指的就是將平爐、電爐等當中的鋼液轉移到其它容器再完成精煉的過程，它將煉鋼過程分為爐內初煉和爐外精煉兩個過程，能夠有效避免爐內一些雜質對于煉鋼過程的影響，提高鋼材精度和質量，并節約能源，降低生產過程所需成本。爐外精煉分為許多種形式，其中最常用的是鋼包精煉爐法，簡稱LF。

LF爐的結構組成如下圖中所示。

圖1 LF爐的結構組成

其爐體實際上是帶有吹氣裝置的鋼包，底部帶有出鋼用的滑動水口和通入惰性氣體的透氣磚。

2 爐外精煉（LF）的要點

2.1 溫度的控制

一般來說，升溫有助于脫硫、脫氫等各個精煉過程主要反應的進行，但有一個臨界點，超過該溫度后，溫度就不再是影響反應速率的主要因素。過高的溫度會導致能源消耗量增加，卻不會大幅度加快反應速率，因此在使用爐外精煉技術時，尋找溫度臨界值、確定生產效率最高且能夠節省能源的溫度十分重要。此外，在反應過程中做好對溫度的控制也至關重要。

2.2 均勻攪拌，避免鋼液裸露

攪拌過程對于爐外精煉而言十分重要，反應過程應當注意控制攪拌速率，過快會導致反應不完全，且增加能耗，過慢則會降低反應速率，減緩精煉過程。此外，在吹氬攪拌時還要注意防止鋼液裸露與空氣接觸，增加雜質。

2.3 采用氬氣攪拌

采用氬氣攪拌能夠加速鋼和渣之間的物質傳遞，加快鋼液的脫氧和脫硫過程，同時去除非金屬雜質，提高鋼的純度，尤其是對氧化鋁類型的雜質具有較好去除效果，如下圖所示。

圖2 攪拌對鋼中Al203粒子上浮速度的影響

3 爐外精煉（LF）的優缺點

3.1 優點

3.1.1 增大反應面積，減少反應時長

在爐外精煉所使用的容器中，都有攪拌裝置，能夠均勻地對鋼液、鋼渣進行攪拌，增大接觸面積，從而加快反應速率，并且能夠使其充分反應，去除雜質。此外，攪拌還可以使氣泡溢出，提高鋼材的穩定性，并防止鋼材中含有氣泡，降低強度。

3.1.2 加快反應速度

冶金速度的快慢直接取決于液相傳質速度，在自然反應狀態下鋼液的傳質速度較為緩慢，而爐外精煉可以通過攪拌加快鋼液運行速度，從而提升精煉速度，提高冶煉效率。

3.1.3 改變反應環境，提高鋼材質量

在過去的工業模式中，鋼鐵的冶煉在爐中進行，爐內含有大量空氣，其中有二氧化硫、氧氣、二氧化碳等多種雜質，能夠在煉鋼的環境條件下與鋼材中的成分發生反應，增加雜質，降低冶煉效率。而將其轉移到其它容器，可以減少雜質干擾，此外，煉鋼的脫硫、脫氧等過程產生的都是氣體，爐外精煉能夠方便地將氣體排出，促進反應向著有利方向進行，提高鋼材的純度。

3.2 缺點

目前的爐外精煉技術仍然不夠成熟，在轉移鋼液的過程中容易出現失誤，導致鋼液中混入雜質或是與空氣中的成分發生反應，導致鋼液氧化，此外，精煉過程不能實現真空環境，影響精煉效果。

4 爐外精煉（LF）的未來發展情況

4.1 自動化方向——電氣自動化主導下的爐外精煉

爐外精煉主要應用于冶金工業的鋼鐵工業分支，它是具有代表性的傳統重工業，雖然對于國計民生而言具有十分重要的意義，能夠為其它行業提供原材料和產品，但同時也具有工作環境惡劣、對人體健康損害大的特點，現場的粉塵對于呼吸道具有強烈刺激，不適宜人類長期工作。據統計，我國每年新增的癌癥患者和肺結核患者有半數以上都是從事鋼鐵、冶金工業的人員。經濟的發展決不能犧牲國民的健康，因此自動化成為冶金工業未來發展的必經之路。

我國電氣自動化技術經過了多年發展，已經逐漸成熟，其由來可以追溯到第二次世界大戰時期，在德國戰敗后，他們將這門技術作為補償傳授給我國，如今歷經改造和升級的電氣自動化技術已經能夠應用于許多領域，其中包括冶金行業。采用電氣自動化技術可以使爐外精煉的整個過程都在計算機的嚴密監控下進行，可隨時監測容器中的反應情況并作出響應。

4.1.1 即時檢測功能

采用電氣自動化系統后，在爐外精煉的整個過程中，爐料的轉移過程、熔化情況、反應容器內的溫度、氧氣含量等，都時刻處于系統的監測之下，系統能夠及時給出反饋，對于不正常的運轉發出警報，提醒管理人員處理突發事件。

4.1.2 及時斷開故障元件

爐外精煉所需的大量熱能和真空環境，一般由燃燒熱值較高的燃料和使用電能的轉化來提供，當精煉體系出現故障時，再繼續通過高電流、高電壓和提供大量熱能便會產生設備過熱等狀況，嚴重時可能融化電線外皮，引發聯電與火災、爆炸事故，嚴重影響工廠內工作人員的生命安全，甚至威脅附近建筑的安危。

若是等待專人前往切斷體系的線路，一則會耽誤寶貴的搶修時間，可能釀成巨大的災禍，二來也具有較高的危險性，可能會造成搶修人員受傷甚至犧牲。而采用電氣自動化技術，能夠實現事故的自動化處理，能夠用電子設備對精煉系統進行全天候實時監測和分析，及時發現其運轉過程中出現的問題，并且具備一定的分析和處理能力，對于一些不嚴重的問題，它都能夠自行處理，無需勞動工作人員；而某些較為復雜的故障問題，它能夠及時斷開能源的供給，及時止損，避免造成更大的損失。待專家前往現場進行檢查和維修并確認無誤后，又能夠第一時間恢復生產，減少企業誤工的損失。

4.2 智能化方向——PLC控制技術主導下的爐外精煉

PLC控制系統是一種即時系統，專為工業生產而誕生，其結構類似微電腦，具備比較基礎的部件，但又與電腦存在很大差異。近年來，智能化的概念在我國廣為流傳、逐漸深入人心，因此PLC控制系統發展迅猛，帶來了許多工業方面的變革。

將其應用在爐外精煉流程中，可實現空氣質量、溫度等的自動控制，并自動根據反應速度調整攪拌速率，智能操控加料、加熱等流程，使得整個精煉流程井然有序，不需工作人員進行管理和操控，解放大量人力資源。

4.3 高端化

追求高質量的產品是我國工業的發展趨勢，在精煉時營造真空環境能夠提高鋼材的純凈度，減少空氣中雜質的影響，從而提升鋼材質量。因此未來爐外精煉技術的發展可與真空技術相結合，從而生產出高質量的鋼鐵。

5 結語

爐外精煉是一種十分高效和節能的金屬處理方法，但目前我國國內對這項技術的掌握還未達到爐火純青的地步，未能實現整個過程的自動化和智能化生產，很多時候都需要借鑒國外相關行業的經驗和引進外來設備。

想要成為工業強國，就必定要將核心科技牢牢掌握在自己手中，完成自主生產，我國仍然需要為此付出努力，提升冶金工業的水平，為其它工業生產奠定堅實的基礎。