钢铁冶金学教程ppt课件

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1、 第七章炉外精炼工艺 刘中清四川大学冶金工程学科组 301qzl 内容提要 炉外精炼的产生 半世纪以来迅速发展的钢铁冶金重要技术 提高生产率的需要 提高钢质量的需要 满足不同钢种的特殊要求 定义 把一般炼钢炉 转炉 平炉或电炉 中完成的部分精炼任务 移到炉外的 钢包 或专用容器中进行 炉外精炼发展历程 20世纪30 40年代 合成渣洗 真空模铸 50年代 大功率蒸汽喷射泵技术的突破 发明了钢包提升脱气法 DH 及循环脱气法 RH 60 70年代 高质量钢种的要求 产生了各种精炼方法 80 90年代 连铸的发展 连铸坯对质量的要求及炼钢炉与连铸的衔接 21世纪 更高节奏及超级钢的生产 炉外精炼的

2、内容 脱氧 脱硫 脱气 去除夹杂和夹杂物变性处理 合金化 调整钢液成分及温度 手段 渣洗 真空 搅拌 喷吹 加热 过滤等 广泛使用并得到公认的是LF和RH法 炉外精炼方法分类 在常压下处理精炼钢液的方法 采用真空未用加热手段精炼钢液的方法 在常压下处理精炼钢液的方法 渣洗法 1 合成渣渣洗法 perrin法1933年法国发明 2 同炉渣洗法 电弧炉冶炼时普遍采用 合金元素等特殊添加法和喷粉法 1 弹丸发射法 ABSl973午日本使用 2 喂丝法 WF法1967年日本使用 3 喷粉法 TN法 1974年西德使用 SL法 1976午瑞典 氩气精炼法 1 钢包吹氩法 Gazal法 1950年加拿大使

3、用 2 带盖钢包吹氩法 CAB法 1965年日本使用 3 氩氧脱碳精炼法 AOD法 1968年美国使用 4 汽氩脱碳精炼法 CLu法 1973年法国和瑞典使用 采用真空和未用加热手段精炼钢液的方法 1 以脱气为主的精炼方法 1 钢包除气法 西德和苏联首先使用 2 倒包处理法 现已被淘汰 如BV法 1952年西德使用 3 出钢过程脱气法 TD法 1962年西德使用 4 真空浇注法 苏联首先使用 5 真空吹氩法 Finkl或Gazid法 1953 1963午法国 英国使用 6 提升脱气法 DH法 1956年西德使用 7 真空循环脱气法 RH法 1958年西德使用 采用真空和未用加热手段精炼钢液的方

4、法 2 以脱碳 脱氧 脱气为主的精炼方法 1 真空吹氧脱碳法 VOD法 1965年西德使用 2 真空循环脱气吹氧法 RH OB法 1968 1970年日本首先使用 3 真空循环脱气喷粉法 RH PI法 1956年我国首先使用 3 采用真空和加热手段的精炼方法 1 钢包精炼法 ASEA SKF法 1965年瑞典使用 2 真空电弧加热精炼法 VAD法 1967年美国使用 3 埋弧加热桶炉法 LF法 1971年日本使用 循环脱气法 RH法 钢包真空精炼法 ASEA SKF法 电弧加热钢包脱气法 FINKL VAD法 钢包炉精炼法 LF炉精炼法 真空吹氧脱碳法 VOD法 氩氧精炼炉 AOD 法和水蒸汽

5、 氧气混合精炼 CLU 法 喷射冶金 喷粉精炼 钢包脱气法 钢液的滴流脱气精炼 真空提升脱气法 DH法 内容提要 炉外精炼方法 内容提要 1钢包脱气法 原理 先将钢包放入真空室内 盖上真空室盖后抽真空脱气 内容提要 1钢包脱气法 过程 1 气体从钢液中逸出全靠真空室的负压作用 2 伴随气体逸出 钢液产生沸腾 起到气体搅拌的作用 其间可用加铝或调节真空室压力的方法控制带气相的反应 操作指标 真空室内的压力 666 2 66 104Pa 5 200mmHg 处理时间 12 15分钟 决定于钢液温度 问题与不足 脱气效果不大显著 特别是吨位较大的钢包 因受钢液静压力的影响 包底层的气体不易逸出 内容

6、提要 2钢液的滴流脱气精炼 目前主要采用 1 倒包法 2 真空浇注法 3 出钢过程脱气法 内容提要 2钢液的滴流脱气精炼 基本原理 将钢液流股注入真空室 由于压力急剧降低 使流股松散膨胀 并散开成一定角度以滴状降落 脱气表面积增大 有利于气体的逸出 内容提要 2钢液的滴流脱气精炼 冶金效果 真空滴流精炼效果要比钢包真空精炼法好得多 非金属夹杂物的含量也相应降低50 70 内容提要 2钢液的滴流脱气精炼 存在主要问题 1 钢液温降严重 为了保证充分脱气与合适的浇注温度 钢液需过热100 左右 2 生产能力较大的炼钢车间 完全采用这种方法有很大困难 这种方法主要适用于生产大锻件的机械制造厂 优点

7、1 实际上出钢温度比通常不处理的钢液过热20 0 2 使用的钢包容积应比一般用的容量稍大 以保证钢液上有较大的反应空间 3 中间包的容积约为出钢量的l 50 内容提要 2钢液的滴流脱气精炼 冶金效果比较 内容提要 3真空提升脱气法 DH法 设备组成 原西德DortmundH rder冶金联合公司于1956年首先提出 真空室提升机构加热装置合金加入装置抽气系统 内容提要 3真空提升脱气法 DH法 工艺原理 1 将真空室下部的吸嘴插入钢液内 真空室抽成真空后 钢液沿吸嘴上升到真空室内脱气 真空室内压力 13 3 66Pa 0 1 0 5mmHg 提升的钢液高度 l 48m 2 当钢包下降或真空室相

8、对提升时 脱气后的钢液重新返回到钢包内 当钢包上升或真空室下降时 又有一批新的钢液进入真空室进行脱气 这样 钢液一次一次地进入真空室 直到处理结束为止 内容提要 3真空提升脱气法 DH法 优点 1 较小的真空室处理大吨位的钢液 2 可以用石墨电极 重油和煤气对真空室进行烘烤和加热 因此钢液温降较小 3 可以用来生产含 C 0 002 的低碳钢 4 处理过程中可以加合金 合金元素的收得率高 缺点 1 提升脱气法的设备较复杂 操作费用和投资费用较高 2 适用于大容量的冶炼设备 内容提要 3真空提升脱气法 DH法 工艺参数 1 钢液吸入量每次升降时吸入到真空室内的钢液量 它取决于钢包的容量 一般为钢

9、包内钢液的10 15 2 升降次数处理过程中钢液分批进入真空室的次数 式中n 升降次数 钢液吸入量与总钢液量之比 dn n次升降后 包内钢液的平均气体含量 处理的钢液残余气体含量 d0 脱气处理前钢液中气体含量 按上式可计算出必要的最高升降次数 在接近于生产的条件下 即 0 1时 n的实际值与计算的偏差不到15 内容提要 3真空提升脱气法 DH法 工艺参数 3 循环因数在处理过程中进入真空室的钢液量与钢包内钢液量之比 用 表示 计算公式如下 式中 循环因数 n 升降次数 q 吸入钢液量 t Q 钢包内钢液量 t 说明 1 循环因数的选择应根据处理钢种 钢液中原始含气量以及处理时的真空度而定 2

10、 对于中 高碳钢 循环因数为3时 钢中气体含量才能达到要求 3 在实际生产中 循环因数是按提升次数来控制的 内容提要 3真空提升脱气法 DH法 工艺参数 4 处理的时间一般提升的钢液要在真空室内停留6 7s 同样在排除钢液时也要在最低位置停留5s左右 以使钢液完全返回钢包内 5 升降速度钢液上升速度增大 还有利于钢液喷溅 增加脱气表面积 下降速度增大 有利于钢包内钢液均匀混合 0 05m s 0 2m s 6 升降行程提升行程取决于处理容量 钢水吸入量及真空室和钢包的直径 也与升降装置等有关 镇静钢 真空室内熔池深度不超过0 45m沸腾钢 不超过0 6m 内容提要 3真空提升脱气法 DH法 实

11、际效果 1 脱氢真空提升处理前氢含量为2 5 6 5ppm 处理后氢含量下降到1 10 2 5ppm 2 脱氧未经预脱氧钢液的含氧量可降低55 90 非金属夹杂物降低40 50 合金的收得率在95 以上 3 脱氮一般来说脱氮速度较慢 氮在铁液中的扩散系数较小 当钢中氮含量为30 40ppm时 短时间处理后氮含量几乎没有什么变化 不过 当氮含量高于100ppm时 脱氮量可达20 30ppm 4 脱碳在真空处理过程中 由于碳氧反应降低了碳的含量 因此利用真空提升法可生产超低碳钢 最低碳含量可达0 002 这是目前国内外都很重视的课题 4循环脱气法 RH法 钢液真空循环脱气法是西德鲁尔钢铁公司 Ru

12、hrstahl 和海拉斯公司 Hcraeus 于1957年共同设计的 所以又称RH脱气法 结构原理 4循环脱气法 RH法 1 钢液脱气是在一个砌有耐火材料内衬的真空室内进行的 2 真空室下部设有两个管子 钢液上升管和下降管 在进行真空处理时 将这两个管子插入钢液内 由于真空室内被抽成真空 钢液便从两个管子内上升到压差高度 3 将驱动气体从上升管下部三分之一处吹入钢液时 上升管内瞬间产生大量气泡核 4循环脱气法 RH法 结构原理 4 钢液中的气体向氩气泡内扩散 气泡在高温和低压的作用下 体积成百倍地增大 以至钢液以约5m s的速度呈喷泉状喷入真空室 使钢液的表面积大大增加 加速了脱气的过程 5

13、脱气后的钢液汇集在真空室底部 不断地经下降管以1 2m s的速度返回到钢包内 6 未经脱气的钢液又不断地从上升管进入真空室进行脱气 这样连续循环几次后 脱气过程便告结束 优点 1 脱气效果较好由于输入驱动气体Ar 上升管内生成大量气泡核 进入真空室的钢液又喷射成极细小的液滴 大大增加了钢液脱气表面积 因而有利于脱气的进行 2 钢液温降小 般处理只有30 50 而且在脱气过程中还可进行电加热 因此钢液在炉内只需少许过热 3 适用范围较大 用同一设备能处理不同容量的钢液 也可以在电弧炉和感应炉内进行处理 4循环脱气法 RH法 工艺参数的选定 1 处理容量钢液真空循环脱气分炉内脱气和炉外脱气 钢包内

14、脱气 两种 采用哪一种方法主要取决于脱气过程中温降速度 4循环脱气法 RH法 4循环脱气法 RH法 工艺参数的选定 2 处理时间为了使钢液充分脱气 就要保证足够的脱气时间 脱气时间t由下式确定 式中t 脱气时间 min tc 处理时允许的温度损失 处理过程中平均温降速度 min 4循环脱气法 RH法 工艺参数的选定 3 循环因数u的确定循环因数u是指钢液在处理过程中循环钢液的当量次数 就是脱气过程中通过真空室的总钢液量与处理容量比 式中u 循环因数 t 脱气处理时间 min w 循环流量 t min V 钢包容量 t 工艺参数的选定 4 循环流量w的确定循环流量或称循环速率 就是每分钟通过真空

15、室的钢液量 循环流量主要取决于输入的驱动气体量和上升管截面面积 4循环脱气法 RH法 4循环脱气法 RH法 循环流量w表达式一循环流量与上升管内径和驱动气体量存在以下关系 式中w 循环流量 t min 常数 对脱氧钢 0 02 测定值 d 上升管内径 cm Go 通入上升管内的驱动气体量 L min 4循环脱气法 RH法 循环流量w表达式二设计真空室时 循环流量w是根据处理容量V 循环因数u和脱气时间t确定的 如 关于循环流量w讨论当循环因数u 4 5时 1 钢包容量为30 120t时 循环流量取15 25t min 2 钢包容量为120 200t时 循环流量取30 40t min 3 钢包容

16、量为200 300t时 循环流量取40 60t min 4循环脱气法 RH法 冶金效果 1 处理后钢中氢大都小于2ppm 如果延长处理时间 平均含氢量可降到lppm以下 2 脱氢率和脱氧率有类似的正比关系 这表明氢的去除和碳氧反应均为界面反应 3 未脱氧的钢液 O 由200 500ppm降到80 300ppm 镇静钢可由60 250ppm降到20 60ppm 4 和其它真空脱气法一样 RH处理时脱氮的效果不明显 一般脱氮率在10 20 之间 5 真空循环脱气法处理的钢种范围很广 其中包括锻造用钢 高强钢 结构钢 轴承钢 工具钢 不锈钢 电工钢 深冲钢等 4循环脱气法 RH法 RH的发展 OB OxygenBlowing 真空室下部吹氧 KTB KawasakiTopBlowing 日本川崎 顶吹氧 PB PowderBlowing 真空室下部喷粉脱P S 5钢包真空精炼法 ASEA SKF法 该方法是瑞典ASEA公司和SKF公司于1965年联合研制而成的 设备处理容量在20 140t之间 其工艺流程如下 5钢包真空精炼法 ASEA SKF法 工艺过程 1 钢液出钢后 将钢包炉吊入搅拌器