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1、炉外处理技术,朱苗勇 东北大学 2006年3月,内 容 提 要, 概述 纯净钢概念 铁水预处理 钢包精炼的基本方法 熔池中的气泡行为 典型精炼工艺,1 概 述,炉外处理技术发展的原因 炉外处理技术的开发历程 我国炉外处理技术的发展与现状 炉外处理技术的基本方法,炉外处理的含义,指在冶炼炉生产铁水、钢水的基础上，以更加经济、有效的方法，改进铁水、钢水的物理与化学性能的冶金技术。包括：铁水预处理（hot metal pretreatment)、钢包精炼(ladle metallurgy)、中间包冶金(tundish metallurgy).,1.1炉外处理技术发展的原因, 科学技术进步要求提高钢材
2、质量 高速火车，汽车的轻型高速化，深层采油 用户对钢材质量的要求，其主要指标有钢材纯净度、均匀性能和高的精度。各种炉外处理方式则是获得高纯度、高均匀性和高精度钢材的重要措施。, 提高钢材性能和质量的重点之一是钢的超纯净化。即有效降低钢中的有害杂质元素和夹杂物的含量。 钢水超纯化，大大减轻了产生中心偏析、裂纹、大型夹杂、气孔、白点和斑疤等缺陷的倾向，使钢组织致密均匀，改善了连铸坯表面及内部质量，使钢材性能大为提高。,精确控制化学成分以保证钢性能稳定 减少钢中P、S含量以改善冲击性能、抗层状拉裂性能、热脆性，并能减少中心偏析和防止连铸坯的表面缺陷； 减少钢中氧、氢、氮含量以减少超声波探伤缺陷、条状
3、裂纹等，且能改善钢材的制管性能； 控制夹杂物的形态以改善钢的深冲性能和钢的加工性能。,稳定连铸生产要求控制钢水质量 实践表明：没有符合连铸要求的钢水质量，就不可能稳定连铸生产工艺和保证铸坯的质量。 采用炉外精炼工艺，虽然投资将增加5-10%，成本将增加10-30元/吨，但可冶炼出具有高质量特性的钢种，能提高总经济效益。,1.2 炉外处理的开发历程, 第一阶段，炉外精炼主要用于： 提高脱氧控制 由熔池的软吹搅拌去夹杂 通过合成渣和喷射冶金脱硫 通过使用钙使夹杂物变性,第二阶段，开发并使用了钢包炉 加热钢水和温度控制 支撑钢包用于连续浇铸 增加合金的加入量 均匀成份和温度 用于加气体搅拌生产超纯净
4、钢 脱硫 真空脱气去氢和碳,第三阶段是二次精炼真空工艺 的开发 50年前的真空脱气主要用于脱氢,目前用于生产超低碳钢和IF钢。,1.3 我国炉外处理发展与现状, 60s-70s:特钢企业和机电、军工行业应用钢水精炼技术。大冶、武钢的RH，北京重型的ASEA-SKF，抚钢的VOD-VAD，首钢的钢包吹氩。 80年代:我国炉外处理技术发展奠定基础的时期。国产的LF炉，合金包芯线及喂线设备，铁水喷射脱硫，喷射冶金技术，宝钢引进大型RH装置、KIP喷粉装置，齐钢引进SL，宝钢、太钢引进铁水三脱技术与装备。, 90年代:我国的炉外处理技术得到迅速发展，为21世纪炉外处理技术的全面、高水平、快速发展奠定坚
5、实基础。 铁水预处理比由1990年的2%增加到2000年的25.1%，钢水精炼比由2.68%增至22.5%，钢水吹Ar喂线比由24.7%增至82%。到1999年8月为止，拥有真空、非真空钢水精炼设备140多台，铁水预处理设备20多台。,2.1 纯净钢的概念, 钢中总氧含量和夹杂物水平很低的钢； 钢中氧、硫、磷、氮、氢的含量，甚至包括碳含量很低的钢。 国外一些先进钢厂，钢中氧、硫、磷、氮、氢五大元素的总含量已达到80ppm以下，目前尚有继续降低的趋势。, 纯净钢应是所含杂质很少的钢。减少钢中的杂质含量，可以显著地改善钢材的延展性、韧性、加工、焊接、抗腐蚀等性能。 对于钢性能要求不同，纯净度所要求
6、的控制因素也不同。如IF钢，要获得成品钢材的高延展性、高r值以及优良的表面性能，要求钢中碳、氮、氧含量尽可能低；管线钢，为了提高钢的冲击韧性及抗HIC的能力则要求钢中硫、磷含量尽可能低。,2.2 纯净度与钢的性能,硫：在钢中主要以硫化物（MnS、FeS）的形式存在，除对钢材的热加工性能、焊接性能、抗腐蚀性能有大的影响外，对力学性能的影响主要表现在： 与钢材轧制方向的性能相比，非轧制方向（横向、厚度）的强度、延展性、冲击韧性等显著降低；,显著降低钢材抗氢致裂纹（HIC）能力。 用于高层建筑、重载桥梁、海洋设施等重要用途钢板目前硫控制在80ppm以下，将来会降到50ppm以下；用于含H2S等酸性介
7、质油气输送用管线钢硫含量目前已降低到（5-1）ppm。,磷：对钢材的延展性、低温韧性、调质钢的回火脆性有很大影响，优质钢对磷的要求已由（200-400）ppm降到150 ppm以下，对于少数钢种，如9Ni的低温储罐用钢，要求磷在30ppm以下。 磷低浓度条件下对绝大多数钢材的延展性没有明显影响。磷属于偏析较严重的元素，对凝固有较大影响，会造成组织结构脆化，对于大多数钢种磷降到100ppm左右即可满足钢材延展性要求。,氮：对钢材性能的危害主要表现为： 加重钢材的时效； 降低钢材的冷加工性能； 造成焊接热影响区脆化； 对于新一代汽车用超深冲IF钢冷轧钢板，氮要求低于25ppm；对于厚板为了保证焊接
8、热影响区的韧性，钢中氮应低于20ppm。,氧：氧主要是以氧化物系非金属夹杂物的形式存在于钢中。非金属夹杂物对钢材的疲劳特性、加工性能、延性、韧性、焊接性能、抗HIC性能、耐腐蚀等性能均有显著的影响。 如用于轮胎的钢帘线要求钢中总氧含量小于10ppm，夹杂物尺寸小于5m；,轴承钢中钢总氧量每低1ppm，其寿命可提高10倍，总氧量为46ppm； 优质宽厚板和管线钢连铸坯总氧量要求小于10ppm，MnS夹杂全部转化为球形CaS； 用于易拉罐的镀锡板要求总氧含量小于10ppm，钢中Al2O3夹杂物小于10m； 生产汽车外板（O5板）要求钢中总氧含量小于20ppm，且Al2O3杂物尺寸小于20m。,3
9、铁水预处理,铁水预处理工艺已成为转炉钢厂大量生产洁净钢的必要手段。国外大型转炉已100%采用此工艺。日本五大钢铁公司铁水“三脱”预处理的比例已超过90%。,铁水预处理技术发展经历三个时期： 石灰系铁水脱硫处理工艺； 铁水脱硅，喷吹法铁水同时脱硫、磷的“三脱” 预处理工艺； 铁水镁脱硫工艺和转炉脱硅、脱磷的“三脱” 预处理工艺。,3.1 铁水炉外脱硅,在日本和欧洲，高炉铁水的硅含量平均分别为0.3%和0.6%,北美为1.0%. 硅含量差别将对高炉和转炉操作产生影响。铁水最佳含硅量取决于BOF的铁水比。在日本铁水比为92-97%（最佳Si含量0.2-0.4%)，北美则为56-80%(最佳含量0.8
10、%)。,低硅铁水的生产明显节省了BOF的操作成本： 1)氧气消耗和熔剂消耗降低； 2)渣量减少，金属收得率提高； 3)耐材消耗减少，炉衬寿命增加。,铁水炉外脱硅的方法,高炉出铁场主沟内喷吹铁皮与石灰的混合物； 将轧钢铁皮和石灰加到摆动流嘴内； 铁水罐内吹氧或将石灰喷入铁水中，轧钢铁皮加在铁水表面。,铁水炉外脱硅动力学,铁水脱硅反应可表达为： W为消耗的熔剂量（kg/t)；k为常数。,硅从铁水转移到渣中的反应可表达为： 有利脱硅因素： 1)低温 2)较低的SiO2活度 3)较高的FeO活度,3.2 铁水炉外脱磷,80年代初日本，有30-40%的高炉停产，BOF中铁水废钢比也明显增加，BOF温度升
11、高不有利于脱磷；铁水炉外脱磷最大优点可使BOF装载铁水的时间最小化，可明显提到底吹喷咀的寿命。,铁水脱磷预处理目前主要在铁水包、鱼雷罐车中喷粉脱磷和氧气转炉对铁水脱磷处理两种。 采用铁水包或鱼雷罐车中喷粉脱磷，须将铁水进行脱硅处理，将硅脱除至0.15%-0.20%，然后再对铁水进行脱磷。脱磷剂主要采用Fe2O3-CaO-CaF2系，炉渣碱度控制在2.5-5.0，处理终了磷可脱到0.015%-0.050%。,在氧气转炉中进行铁水脱磷处理，利用氧枪、加料和除尘等装置，无需先行脱硅处理，处理时间短，渣铁分离完全，处理后的铁水兑入另一转炉进行炼钢。 脱磷实质是一个氧化反应： PFe + 5FeOflu
12、x = P2O5 + 5Fe 有效脱磷的条件：高氧势、低P2O5活度和低温。,3.3 铁水炉外脱硫,主要有KR和喷粉脱硫两种工艺，目前采用较多的是在铁水包或鱼雷罐车中喷粉脱硫工艺。 脱硫早期多采用CaC2，考虑环境和成本的原因，目前多采用CaO+CaF2粉剂，用量3-8 kg/t，脱硫率在40-80%，处理终了铁水S可脱至100-80ppm。,为了用较少的熔剂消耗达到更有效的脱硫，在CaO中混入Mg或CaC2，可以将硫降到50ppm以下。 脱硫反应： CaOflux + SFe = CaSslag + OFe 高温和低氧势对反应有利。在同一容器中先脱磷，后紧接着脱硫。如在脱磷后期不吹氧而添加苏
13、打。,4.1 钢包精炼的基本方法,1、吹氩 通过钢包底吹氩或浸入式喷枪喷吹，依靠钢水中上浮的氩气泡粘附渣滴以及上浮气泡引起的钢液流动来实现均匀成分温度、去夹杂和加速反应的目的。,钢包吹氩搅拌的作用:,均匀钢水温度。由于包衬吸热和钢包表面散热，包衬周围钢水温度较低，中心区域温度较高，钢包上、下部钢水温度较低，而中间温度较高，这种温度差异导致中间包浇注过程钢水温度前后期低，中期高。钢包吹氩搅拌促使钢包钢水温度稳定均匀，有利于提高铸坯内部质量，使结晶器内坯壳生长均匀，避免开浇水口冻钢断流。,均匀钢水成分。出钢是在钢包内加入大量的铁合金，成分不均匀，吹氩搅拌过程中可根据快速分析提供的钢水成分而进行成分
14、微调，以使钢的成分控制范围更窄，以确保钢材性能均匀。,促使夹杂物上浮。搅动的钢水促使了钢种非金属夹杂物碰幢长大，上浮的氩气泡能够吸收钢中的气体，同时粘附悬浮与钢水中的夹杂物并带至钢水表面被渣层所吸收。生产实践表明，吹氩搅拌后钢水氧含量有明显降低，其降低幅度与脱氧程度有关，一般可降低20%以上。吹氩搅拌排除的夹杂物数量与钢水液面上覆盖渣层FeO含量有关，渣中的FeO含量越低，吹氩搅拌夹杂物排除的量越多。,2、真空脱气 通过在钢液表面抽真空来减少钢中的有害气体。此设想1860年贝塞麦就提出，直至二战后才得以工业应用。 VC、SLD（Shift Ladle Degassing） TD（Tap Deg
15、assing）、VD ISLD(Induction Stirring Ladle Degassing) VSR (Vacuum Slag Refining) DH、RH、PM（Pulsating Mixing Process）,在真空条件下对钢水进行精炼的一种处理工艺。真空脱气工艺已成为现代高质量钢生产过程不可分割的一部分。 钢水流脱气 钢包脱气 钢水循环脱气,3、带有加热装置精炼法 LF(Ladle Furnace) GRAF(Gas Refining Arc Furnace) ASEA-SKF VAD(Vacuum Arc Degassing) CAS-OB,钢包加热系统,LF加热功能，可
16、为连铸准备温度合适的钢水，精炼后有很好的纯净度，协调初炼炉与连铸机工序，保证多炉浇铸。 VAD (Vacuum Arc Degassing)精炼炉是美国公司研制的，将加热和脱硫结合，它具有电弧加热、吹氩搅拌、真空脱气、包内造渣、合金化多种精炼功能，能精确控制温度和成分。 ASEA-SKF法也称桶式精炼炉，是瑞典公司研制的，它具有在钢包内对钢液真空脱气、电弧加热、电磁搅拌的功能。,CAS是成分调整密封吹氩法，由日本发明，该工艺采用低吹氩强搅拌将液面渣层吹开，将下耐火材料制作的浸渍罩，浸渍深度为200mm，在密封的浸渍罩内迅速形成氩气保护气氛，可加入各种合金进行微合金化，合金吸收率高而稳定，钢的质量有明显改善。为了解决钢加热的问题，日本又在CAS法基础上增设顶吹氧枪和加铝粒设备，通过溶入钢水内的铝氧化发热，实现钢水升温，称之为CAS-OB工艺，OB就是吹氧
