一种自由调控LF精炼炉钢水成分的炼钢生产方法与流程

本发明涉及一种炼钢方法，具体涉及一种自由调控lf精炼炉钢水成分的炼钢生产方法，属于钢铁冶金连铸精炼。

背景技术：

1、lf精炼炉（ladle furnace）是目前钢铁企业普遍采用的一种炉外精炼设备，其主要功能是在真空脱气处理之前对钢水进行加热、成分微调、脱氧脱硫及去除夹杂物等精炼操作。随着下游用户对钢材质量要求的日益提高，lf精炼过程中的成分控制精度已成为决定最终产品质量的关键环节之一。

2、目前，国内外钢铁企业在lf精炼成分控制方面，主要存在以下技术路线。

3、（一）国内技术现状

4、国内钢铁企业针对lf精炼成分超标问题，主要通过优化原料管控、提升设备精度、强化操作规范等方式进行预防。具体技术手段包括：

5、（1）原料质量控制：建立废钢分类堆放与检测体系，减少残余元素波动；采用合金成分在线检测技术，确保配加合金纯度；通过铁水三脱技术，提升钢铁原料质量。

6、（2）工艺优化改进：开发合金收得率预测模型，提高配加精度；优化lf炉吹氩制度与炉渣配比，减少成分波动；推行合金配加确认制、过程数据追溯制等管理措施。

7、然而，上述技术手段均立足于预防为主的思路，对已经发生的成分超标问题缺乏高效的主动调控手段。部分工艺尝试采用普通废钢进行稀释，但因废钢成分波动较大，稀释效果不稳定，且易引入新的有害元素，难以满足高精度成分控制的要求。

8、（二）国外技术现状

9、国外先进钢铁企业（如日本新日铁、德国蒂森克虏伯）在 lf 精炼成分控制方面，主要聚焦于数字化与智能化升级：采用全程自动化配料系统，结合炉气分析与钢水成分在线检测，实现合金配加的精准闭环控制；开发多功能精炼剂与复合合金，优化成分调整效率；对于成分超标炉次，也是多采用转炉回炼或改浇低等级钢种的方式处理，尚未建立针对超标成分的高效、经济的主动调控技术体系。

10、目前，中国发明专利cn119913380a公开了一种对含铝高钛镍基合金钢水快速脱铝的方法，在lf炉钢水铝含量超标（＞0.20%）时，通过加入石灰、萤石，结合钢包底吹强搅和相应的送电制度，达到快速脱铝的目的，此类方法通过加入特定脱除剂与超标元素发生化学反应实现脱除，但化学脱除法通常仅针对单一元素有效，且可能影响炉渣碱度和钢水洁净度，工艺窗口较窄。

11、因此，研发一种能克服以上缺陷的自由调控lf精炼炉钢水成分的炼钢生产方法，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是，针对以上现有技术存在成分超标后难以在不引入新杂质的前提下实现高效精准调控并维持生产顺行的问题，提出一种自由调控lf精炼炉钢水成分的炼钢生产方法，实现对超标元素的主动稀释与多工序协同控制，保障精炼过程的热平衡与炉机衔接连续性。

2、本发明解决以上技术问题的技术方案是：

3、一种自由调控lf精炼炉钢水成分的炼钢生产方法，包括获取精炼炉内钢水的当前成分数据；基于当前成分数据中存在超标元素，确定铁基稀释剂的目标加入量，目标加入量基于钢水的当前质量、超标元素的当前含量、目标含量确定；控制向精炼炉内兑加目标加入量的铁基稀释剂；在兑加铁基稀释剂的过程中，执行针对精炼炉的温度补偿控制。

4、技术效果，本发明利用纯铁即铁基稀释剂中该元素的极低含量稀释钢水浓度，最终使钢水成分达到目标要求，避免了传统废钢稀释法因杂质带入导致的二次污染风险；同时，基于钢水当前质量、超标元素当前含量、目标含量要素确定目标加入量，确保了稀释计算成分调控的精准度；进一步地，在兑加过程中同步执行温度补偿控制，有效抵消了冷态稀释剂加入引起的钢水温降，维持了精炼系统的热平衡，为后续连铸工序的顺行提供了温度保障。

5、本发明进一步限定的技术方案为：

6、进一步，前述自由调控lf精炼炉钢水成分的炼钢生产方法中，铁基稀释剂的成分按质量百分比计包括以下组分：

7、碳：0.0027%，硅：0.0043%，锰：0.010%，磷：0.0019%，氧：0.00778%，氮：0.00631%，铝：0.0052%，铬：0.005%，镍：0.0072%，铜：0.0054%，钛：0.0005%，镁：0.0012%，钼：0.0001%，钒：0.00001%，铌：0.0005%，钽：0.00493%，氢：0.00002%，硼：0.0001%，钙：0.0037%，钴：0.0029%，铅：0.0002%，锑：0.0002%，铋：0.00005%，锡：0.001%，砷：0.0004%，余量为铁，以上各组分质量百分比之和为100%。

8、技术效果，本发明通过将铁基稀释剂具体限定为工业纯铁，并对其关键杂质元素设定严格的含量，从材质源头确保了稀释介质的纯净度，使得稀释过程仅降低超标元素浓度而不显著改变钢水中其他受控元素的含量，提升了成分调控的可预测性与稳定性。

9、前述自由调控lf精炼炉钢水成分的炼钢生产方法中，目标加入量基于以下公式计算：

10、，

11、其中，wd为目标加入量，wo为钢水的当前质量，co为超标元素的当前含量，ct为目标含量。

12、技术效果，本发明提供了基于质量守恒原理修正后的精确计算公式，该公式显著提高了目标加入量的计算精度，减少了因计算误差导致的反复调整次数。

13、前述自由调控lf精炼炉钢水成分的炼钢生产方法中，执行针对精炼炉的温度补偿控制，包括：在准备兑加铁基稀释剂的阶段，控制精炼炉执行升温操作，以补偿兑加过程产生的热损失；在兑加铁基稀释剂完成后，基于精炼炉的实时温度与目标温度的差值，控制精炼炉执行温度恢复操作。

14、技术效果，本发明通过在兑加前预升温和兑加后动态恢复的两阶段温度补偿策略，主动应对稀释剂吸热造成的温降，避免了钢水温度偏离工艺窗口，确保了精炼渣系的熔化状态与脱硫、脱氧反应的动力学条件不受破坏，保障了冶金反应的正常进行。

15、前述自由调控lf精炼炉钢水成分的炼钢生产方法中，在控制向精炼炉内兑加目标加入量的铁基稀释剂之后，控制向精炼炉内吹入氩气进行搅拌，搅拌的持续时间不低于300秒，以使钢水与铁基稀释剂混合均匀，保证钢水成分均匀，避免了局部成分偏析或未熔物残留，为后续成分检测的准确性与钢水质量的均一性提供了保障。

16、前述自由调控lf精炼炉钢水成分的炼钢生产方法中，获取精炼炉内钢水的当前成分数据，包括：在对钢水执行搅拌操作后，从精炼炉内的多个预设位置采集钢水样本；基于钢水样本获取初始成分数据，并结合合金加入记录数据和钢水重量数据对初始成分数据进行交叉核实，得到当前成分数据。

17、技术效果，本发明发现钢水成分超标后，立即在钢水充分搅拌后多点取样复检，通过多点取样与多维度数据交叉核实的机制，有效消除了因钢水成分不均匀或计量误差导致的虚假超标信号，确保了稀释计算所依赖的基础数据的真实性与可靠性，防止了误操作带来的资源浪费与生产扰动，核对合金加入记录、钢水量数据，确认超标元素种类、超标量及钢水当前温度、剩余精炼时间。

18、前述自由调控lf精炼炉钢水成分的炼钢生产方法中，在控制向精炼炉内兑加目标加入量的铁基稀释剂之后，还包括：重新采集钢水样本以获取验证成分数据；若验证成分数据中超标元素的含量仍大于目标含量，基于验证成分数据重新计算补充加入量，并控制向精炼炉内兑加补充加入量的铁基稀释剂；若成分达标，按正常精炼流程升温至目标温度，确保连铸顺行。

19、本发明建立了成分验证与动态补充调整的闭环方法，当一次稀释未完全达标时，能够基于最新实测数据快速修正并执行补充兑加，避免了因单次调控不到位导致的整炉改判或回炉，提升了成分调控的最终命中率与生产效率。

20、前述自由调控lf精炼炉钢水成分的炼钢生产方法中，向精炼炉内兑加目标加入量的铁基稀释剂时，通过专用料仓自动化投料系统或天车吊运装置，将铁基稀释剂以低于预设高度阈值的方式加入精炼炉的钢包内，以控制钢水飞溅。

21、技术效果，纯铁专用吊运时段，后期规划建设专用料仓，避免天车抢用冲突，在lf炉作业区附近划分专用纯铁存储区域，确保原料就近供应，减少转运时间；若建设专用料仓，可实现自动化投料，提升效率并降低安全风险；本发明通过限定投料方式，有效控制了冷态固体物料加入高温钢水时的物理冲击与飞溅风险，既保障了现场操作人员与设备的安全，又减少了因飞溅造成的钢水损失与环境污染。

22、本发明的有益效果是：

23、（1）成分调控效率显著提升：采用本发明后，超标处理时间从传统的4小时以上缩短至30分钟以内。例如铬超标事故，采用本技术后影响时间不超过半小时，连浇炉可正常生产，无需停浇。

24、（2）工艺适应性广：本发明可适用于c、mn、si、cr、ni、mo等常规元素及p、cr、b、cu等残余元素、有害元素的超标处理，对不同钢种（如轴承钢、合金结构钢、冷镦钢等）均具有良好的适配性，克服了现有化学脱除法仅针对单一元素的局限。

25、（3）操作难度低：技术流程简单易懂，操作人员经短期培训即可掌握，避免传统复杂调整工艺的操作失误风险。例如因合金计算错误导致的铬超标问题可通过稀释法快速补救。

26、（4）直接经济效益显著，以一个年产400万吨钢的炼钢厂测算：

27、①降低超标处理损失：按年处理1000吨纯铁计算，可避免2万吨产品改判/报废（吨钢加工成本400元），减少损失800万元；

28、②减少连铸断浇24次（每月2次），挽回产量损失1.7万吨（吨钢毛利300元），增加收益500万元；

29、③降低lf精炼额外电耗72小时（每小时5000度，电价0.6元/度），节省电费21.6万元；

30、④减少电极、耐材消耗及天车系统额外成本150万元；

31、⑤提升产品合格率：钢水成分控制命中率从98.5%提升至99.5%以上，高附加值钢种改判率显著降低，按每吨高附加值钢差价500元计算，额外增加收益超1000万元/年。

32、以上合计直接经济效益达3592万元/年，完全覆盖200万元/年的纯铁采购成本。

33、（5）间接经济效益突出：

34、①生产系统稳定性提升：减少lf精炼时间延长、连铸断浇等事故，提升炉机匹配衔接效率，预计年间接效益超5000万元，包括减少订单交付延迟导致的违约金损失、提升设备作业率增加的产能收益、降低质量异议引发的索赔风险等。

35、②品牌信誉增强：产品质量稳定性提升，客户满意度提高，有助于拓展高端市场份额，增强长期市场竞争力。

36、本发明该方案从物理本质上避免了传统废钢稀释法因杂质带入导致的二次污染风险，成分调控的精准度与一次命中率高，通过在兑加过程中同步执行精炼炉温度补偿控制，并可与下游连铸工序进行节奏联动，有效维持了精炼系统的热平衡与炉机衔接的连续性，避免了因成分调控导致的温度失控或生产中断，从而在保障钢水质量的前提下，提升了整体生产系统的稳定性与运行效率；本发明创新提出工业纯铁稀释法、自由调控钢水成分。本质是利用工业纯铁极低的杂质元素含量特性，通过精准兑加工业纯铁，降低 lf 精炼炉内钢水超标元素浓度，实现成分快速调控。核心逻辑为：当钢水某元素超标时，根据超标量与目标成分差值，计算所需工业纯铁兑加量，利用纯铁中该元素的极低含量（接近零）稀释钢水浓度，最终使钢水成分达到目标要求，钢水成分与纯铁成分差距越大，稀释效果越显著，可实现成分的高效自由调控。