炉外精炼教学课件PPT

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1、炉外精炼材料科学与工程学院 董 方1 概述n把常规炼钢炉中要完成的精炼任务，如脱硫、 脱氧、脱磷、去除气体和夹杂物、调整钢的成 分和温度等，移到钢包或专用容器中进行，也 叫二次冶金或钢包冶金。（Secondary Steelmaking Process），“二次精炼”（Secondary Refining）。n纯净钢生产技术、连铸、炼钢新技术以及降低 生产成本的要求。n日、欧洲的炉外精炼比接近100%，真空精炼 比50%以上。n1933年，法国佩兰（R.Perrin)应用高碱度合成渣，对钢液 进行“渣洗脱硫”现代炉外精炼技术的萌芽；n50年代-真空处理技术。n1935年H.Schenck 确定

2、大型钢锻件中的白点缺陷是由氢 引起的-氢脆。n1950年，德国Bochumer Verein (伯施莫尔-威林）真空 铸锭。n1953年以来，美国的10万千瓦以上的发电厂中，都发现 了电机轴或叶片折损的事故。n1954年，钢包真空脱气。n1956年，真空循环脱气（DH、RH）。1.1炉外精炼的产生和发展n6070年代，高质量钢种的要求，产生了各种精 炼方法；n8090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；n21世纪，更高节奏及超级钢的生产。1.2炉外精炼的冶金特点n改善冶金化学反应的热力学条件。n加速熔池传质速度。n增大渣钢反应面积。n精确控制反应条件，均匀钢水成分 和温

3、度。1.3炉外精炼的冶金功能n熔池搅拌功能n提纯精炼功能n钢水升温控温功能n合金化功能n生产调节功能1.4炉外精炼的作用n提高钢的质量n去除钢种的有害元素及气体，S、O、N、H、C 等；n成分调整；n提高生产效率（电炉），降低成本、优化工 艺；n保证连铸过程的顺利进行（缓冲、温度调整 ）n扩大品种（转炉）1.5炉外精炼的手段n渣洗 最简单的精炼手段；n真空 目前应用的高质量钢的精炼手 段；n搅拌 最基本的精炼手段；n喷吹、喂线 将反应剂直接加入熔体 的手段；n调温 加热是调节温度的一项常用手 段。炉外精炼手段n1)合成渣洗n使渣和钢充分接触，通过渣-钢之间的反 应，有效去除钢中的硫和氧（夹杂物

4、） ；n根据要求将各种渣料配置成满足某种冶 金功能的合成炉渣；2)真 空 处 理目的：n提高真空度可将钢中C、H、O降低；3)搅拌n目的：n加速反应的进行n均匀成分、温度n手段：n电磁搅拌n吹气搅拌4)喷吹技术n喷吹实现脱碳、脱硫、脱氧、合金化 、控制夹杂物形态；n单一气体喷吹 VOD；n混合气体喷吹 AOD；n粉气流的喷吹 TN；n固体物加入 喂线。5)调温n提高生产率的需要；n保证连铸的顺利进行；n加热方法：n电加热：电弧加热、感应加热等n化学热：铝氧加热法2 炉外精炼理论和工艺n2.1合成渣洗n目的:使渣和钢充分接触，通过渣-钢之间的反 应，有效去除钢中的硫和氧（夹杂物）； 2.1.1合

5、成渣 根据要求将各种渣料配置成满足某种冶金功能的 合成炉渣；成分 物理化学性能 1）成分（compositions）CaO-SiO2-Al2O3、B、(CaO)u（参与冶金反应的 CaO 数量）、FeO、S常用的渣洗合成渣成分n图2）性质n熔点（melting point）n流动性 粘度（Viscosity） 图CaOAl 2O3渣系的粘度与(CaO)的关系1600时粘度与（CaO+MgO）的关系 （CaO-MgO-SiO2-Al2O3渣系）炉外精炼渣的主要成分nCaO:5055%；MgO:610%；SiO2:15 20%；Al2O3:815%；CaF2:5%表面张力液体的表面张力是作用于液体

6、表面 单位长度上使表面收缩的力。表面 张力为液面的分子受液体内部分子 吸引的结果。 渣洗过程中，直接起作用的是钢渣、 渣与夹杂间的界面张力，界面张力的 大小与每一组成相的表面张力有关。熔渣表面张力S= 1N1+ 2N2+；熔渣的表面张力还是温度的函数 。钢液的表面张力受温度和成分的影响，在炼钢温度下一般为1100 1350dyn/cm。渣钢界面张力 m-s=m-scos dyn/cmn还原性2.1.2渣洗的精炼作用n1）合成渣的乳化和上浮 乳化：rmin=2 m-s/cmH 表28合成渣的乳化和上浮n上浮：速度与渣液滴直径、钢渣密度差、钢渣 的界面张力等有关。n渣洗过程中乳化和上浮是一对矛盾。

7、 保证精炼前提下，增大渣滴直径，提高m-s，降 低渣温，延长镇静时间，降低钢的粘度等都利 于渣滴上浮。2）合成渣对钢中元素脱氧能力的影响n硅的脱氧 Si+2O=SiO2n硅、锰综合脱氧n铝脱氧 2Al+3O=（Al2O3） lgKAl=-64000/T+20.48=lgAl%2O3/aAl2O3 Ar喷CaO+CaF2粉、铝粉可提高铝脱氧能 力。不同Mn含量时钢水中 1600,Si,O平衡浓度不同碱度、T=1873K时钢中氧 和硅的关系CaOAl2O3渣中各组元活度1873K时与不同铝含量相平衡的氧含量3）扩散脱氧n氧在熔渣和钢液中的分配：LO=O%/(FeO%)rFeO式中O%0为钢中原始氧

8、含量类似现场条件下，扩散脱氧反应大约在2min左右就能完 成。 渣洗与二次氧化4）夹杂的去除n钢种夹杂物与乳化渣滴碰撞，被吸附、同化上 浮排除。n促进二次氧化产物的排出。乳化渣滴表面作为 脱氧反应新相形成的晶核。 5）脱硫 反应式：FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO)Ls=(S)/S=Ks(CaO)u/(FeO) 渣的成分、流动性（CaF2）及冶炼条件（增加H 、吹氩）对Ls影响较大。渣成分对Ls的影响Ls与(CaO%)u、(FeO%)的关系CaOAl2O3渣中，Ls与(CaO%)u的关系LS与(FeO)、(CaO)u的关系2.2渣洗工艺2.2.1工艺异炉渣洗同炉渣洗混合炼钢 2.2.2

9、功能通过在专门的炼渣炉中熔炼，出钢时钢液与炉 渣混合，实现脱硫及脱氧去夹杂功能；局限：不能去除钢中气体；2.2真空n2.2.1基本原理 2.2.1.1钢液的真空脱气 一、钢液脱气的热力学N2=2N钢中氢的主要来源：影响气体在钢中的溶解度的因素：温度、压力、 铁的相结构、铁中溶解的其它元素等。二、钢液脱气的动力学n1）脱气反应的步骤 钢中溶解的气体原子向金属气相界面的扩散为限制性环节。q2）真空脱气的速率（1）式中：Gt为真空脱气t时间后钢液中的气体浓度G0为真空脱气前钢液中的气体浓度t 脱气时间V钢液体积A接触面积k传质系数传质系数k的确定：传质系数k的确定复杂，它与温度、搅动状况、扩散系数、

10、 钢种及时间等因素有关。 K的确定可以根据公式（1）由实验计算，另外描述气液相之间 反应动力学的表面更新理论，得出了以下公式：式中：D扩散系数，1600 氮5.510-5cm2/sec; 氢 3.5110-3cm2/sec; 氧2.610-5cm2/sec。te熔体内某一体积元在气液界面停留时间0.01 0.1秒,与温度、搅动情况有关，一般0.01-0.1。3）钢液沸腾时脱气的速率4）吹氩搅拌时脱气的速率以上两个公式推导时作了两个假设：1钢中溶解的气体与气泡达到平衡。 2气泡内的总压等于外压。 生产中气泡上浮时1的平衡达不到，实际的气体分压必然小于平衡分压。 所以，生产中为脱除一定量的气体须吹

11、入更多的气体或脱掉更多的碳。 去气效率f：脱氧钢吹氩0.440.75，未脱氧钢吹氩0.80.9。三、降低钢中气体的措施n使用干燥的原材料和耐火材料n降低与钢液接触的气相中气体的分压n增加钢液的比表面积（A/V)n提高传质系数kn适当延长脱气时间n利用生成氮化物来脱除钢中氮2.2.1.2钢液的真空脱氧一、氧在钢中的溶解氧在钢中的溶解度决定于钢液温度和成分。 二、碳脱氧的热力学 C+O=CO 为真空下最重要的脱氧反应。其热力学关系式：由以上关系推导出：1525，与0.1%碳平衡的氧含量：PCO=1 atm O=250ppm; PCO=10-6 atm O=0.0251ppm。真空下碳的脱氧能力钢液

12、中碳的实际脱氧能力与压力的关系真空下碳脱氧的能力小于计算的原因n碳氧反应未达到平衡。n反应区的压力高于真空压力。C-O反应进 行时CO的生成压必须满足：n碳还原钢中氧化物夹杂，反应的动力学 条件差。n炉衬和炉渣供氧。表面张力形成的 附加压力钢液的 静压力真空 压力三、碳脱氧的动力学n碳氧反应为在钢液气相界面进行的非自发形核，CO气 相形成的核心是炉底和炉壁的耐火材料表面的缝隙和吹 入钢液的气体。反应步骤如下： 1）碳、氧通过扩散边界层迁移到相界面（DC=2.010-4; DO=2.610-5) 2）相界面上反应生成CO 3）产物脱离相界面进入气相 4）CO气泡长大、上浮、排出 以上步骤中，氧在

13、钢液侧界面层的传质是碳脱氧速率的控 制环节。 钢中氧浓度的变化速率氧在钢液中的扩散系数气液界面钢液侧扩散边界层的厚度气液界面上反应平衡时的氧含量O%S1，更多的设计成锥桶形。n对精炼反应的要求渣钢反应、夹杂上浮、增碳、脱气、降温n设备投资和运行费用完全混匀时间与搅拌能的关系2.4 加热n2.4.1燃料燃烧加热n2.4.2电阻加热n2.4.3电弧加热n2.4.4化学热法n2.4.5其它加热方法钢包炉电弧加热系统的有关参数钢包炉电弧加热系统参数钢包炉加热功率的计算nW=Cmt+S%Ws+A%WA式中： W精炼一吨钢液理论上需要补偿的能量，kWh/t;Cm每吨钢液生温1所需要的热量， kWh/t ;

14、 t钢液的温升，按精炼工艺要求定；S%渣量，造渣材料的用量与钢液总量的百分比；Ws熔化10kg渣所需能量，约为5.8kWh/1%t;A%合金的加入量与钢液总量的百分比；WA熔化10kg合金所需能量，约为7kWh/1%t;n精炼炉的热效率一般为30%40%，实际需要的能量： W=W/ n选用变压器容量时还应考虑电效率，炉 外精炼配备变压器的额定单位容量一般 是150200 KVA/t左右。n电弧加热的缺点：v对电极的要求高；v电弧距钢包内衬距离近，包衬寿命短；v常压下电弧加热促进钢液吸气；2.4.4化学热法n利用钢液内氧与铝、硅、锰等元素间的氧化反 应热。其具有设备简单、加热效率高的特点。n铝氧

15、加热法（AOH）；CASOB；RHOB等 利用喷枪吹氧使铝氧化放热加热钢液。工艺如 下：向钢液加入足够的铝向钢液吹入合适量的氧气钢液搅拌2.4.5钢包炉的类型n只有加热和搅拌的钢包炉。（LF）n只有真空和搅拌手段的钢包炉。（VD）n具有真空、搅拌、喷吹三种手段的钢包 炉。（VOD）nSKF、LFV、VAD等具备真空、搅拌、加 热手段的钢包炉，是最典型的钢包炉。1)LF炉n最常用的精炼方 法；n取代电炉还原期 ；n具有加热及搅拌 功能；n脱氧、脱硫、合 金化；LF炉原理电极合金料斗透气砖滑动水口LF精炼炉原理LF炉的工艺优点n精炼功能强，适宜生产超低硫、超低氧 钢。n热效率高，升温幅度大，温度控

16、制精度 高。n具备搅拌和合金化功能，易于实现窄成 分控制，提高产品的稳定性。n采用渣钢精炼工艺，精炼成本较低。n设备简单，投资较少。LF 工艺操作n电炉EBT出钢，出钢过程加合金、加渣 料(石灰、萤石等2%)，底吹氩、通电升 温、化渣，取样分析，加渣料，测温取 样，加合金。n一般3050分钟，电耗5080kwh/t；n现代转炉、电炉与连铸联系的纽带。LF精炼工艺v加热与温度控制 加热效率60%;钢水耗电0.50.8kWh/t;比功率为150 200kVA/t,升温速度35 /min;埋弧泡沫渣技术可 减轻辐射热损失，提高加热效率1015%。 v白渣精炼工艺 LF操作的核心。出钢挡渣，控制下渣量5kg/t；钢包渣 改质，控制包渣R2.5