冶金概论-炉外精炼

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1、第五章 炉外精炼(Secondary Refining),2019/4/20/14:47:57,2,主要内容,5.1 炉外精炼的特点 5.2 精炼手段 5.3 炉外精炼方法 5.3.1 RH 5.3.2 LF,2019/4/20/14:47:57,3,钢中杂质元素,钢中杂质元素是指O、S、P、H、N等非金属元素（对某些钢种也包含C）及有色金属（Pb、As、Sb、Bi、Cu、Sn等）。 这些溶解在钢中的元素用传统的炼钢方法是很难除去的，不能达到纯净钢要求的标准。 由于真空技术的应用，H所引起的白点问题已基本解决。 P除利用高磷生铁或冶炼超低碳钢种外，多数钢种能达到P0.03%水平。,2019/4

2、/20/14:47:57,4,C虽是一般钢种的有益元素，但在某些特殊钢中可成为有害元素，因此，要求含量很低. N在一般钢种中是有害元素，要求大力降低。 O和S是钢中必须大量除去的主要杂质(少数钢种，如易切削钢等例外:一般低硫钢的S0.025， 有的甚至S0.01；中硫钢的S=0.040.09；高硫钢的S=0.10.3 )。 钢实际上合金基体与非金属夹杂物组成的复合材料。 生产纯净钢必须进一歩大力降低钢中的wO和wS，达到510-3%以下。,2019/4/20/14:47:57,5,5.1 炉外精炼的定义及特点,炉外精炼S.R. (Secondary Refining) ：按传统工艺，将常规炼钢

3、炉（转、电）中完成的精炼任务（四脱（S、P、C、O），二去（气体、夹杂），两调整（温度、成分），部分或全部地转移到钢包或其它容器中进行。,2019/4/20/14:47:57,6,炉外精炼的特点,任务、要求常规炼钢炉不能满足常规炉缺陷不足改进办法出现S.R 特点： 二次冶金。创造最佳环境，提高效率、解决难创造最佳条件和效率低的问题； 具备各种类型的搅拌，改善了动力学条件，解决了优越性不能发挥的问题； 具备浇注功能（钢包炉、容器）省略出钢过程，解决了已精炼钢水的再污染、工艺安排矛盾的问题。,2019/4/20/14:47:57,7,5.2 精炼手段,5.2.1 对精炼手段的要求 5.2.2 精炼

4、手段定义 5.2.3 精炼手段的作用及代表方法,2019/4/20/14:47:57,8,5.2.1对精炼手段的要求,主要要求： 独立性不是伴随其他冶金过程出现的一种现象 作用时间可控 作用强度可调 还有： 作用的能力重现性好 便于与其他精炼手段配合 操作方便、设备简单、基础投资和运行费用低,2019/4/20/14:47:57,9,精炼手段： 具有独立性、作用时间可控、作用强度可调的特定方法、措施称为精炼手段。 炉外精炼共有5种精炼手段： 渣洗、真空、搅拌、加热、喷吹。,5.2.2 精炼手段定义,2019/4/20/14:47:57,10,5.2.3 精炼手段的功能及代表方法,2019/4/

5、20/14:47:57,11,精炼的作用及方法,2019/4/20/14:47:57,12,5.2.3.1 渣洗,渣洗法是在出钢时利用钢流的冲击作用使钢包中的合成渣与钢液混合，精炼钢液。,2019/4/20/14:47:57,13,对反应容器中的钢液进行搅拌，是炉外精炼的最基本、最重要的手段。它采取某种措施给钢液提供动能，促使钢液在精炼反应器中对流运动。 钢液搅拌可改善冶金反应动力学条件，强化反应体系的传质和传热，加速冶金反应，均匀钢液成分和温度，有利于夹杂物聚合长大和上浮排除。,5.2.3.2 搅拌,2019/4/20/14:47:57,14,1 、气体搅拌 气体搅拌主要用氩气，故又称氩气搅

6、拌。向钢液吹入氩气可以用顶枪插入法，也可以用底部透气砖法。 实践证明，从底部通过透气砖吹入氩气，可充分发挥其搅拌作用，氩气利用率高 目前，大多数的吹氩搅拌均采用透气砖底吹法。,2019/4/20/14:47:57,15,2、 电磁搅拌 对钢水施加一个交变磁场，当磁场以一定速度切割钢液时，会产生感应电势，这个电势可在钢液中产生感应电流，载流钢液与磁场的相互作用产生电磁力，从而驱动钢液运动，达到搅拌钢液的目的。 3、 循环搅拌 典型的循环搅拌是钢液在循环流动的过程中实现搅拌，如RH与DH的搅拌方式，也有人称吸吐搅拌。 在RH精炼中，钢包内的搅拌是由真空室内钢液注流进入钢包中引起的。,2019/4/

7、20/14:47:57,16,2019/4/20/14:47:57,17,2019/4/20/14:47:57,18,5.2.3.3 真空,当冶金反应生成物为气体时，通过减小反应体系的压力即抽真空，可以使反应的平衡向着生成气态物质的方向移动。因此，在真空下，钢液将进一步脱气、脱碳及脱氧。 向钢液中吹入氩气，从钢液中上浮的每个小气泡都相当一个“小真空室”，气泡内的H2，N2及CO等分压接近于零，钢中的H、N以及碳氧反应产物CO将向小气泡中扩散并随之上浮排除。吹氩对钢液具有“气洗”作用。 例如，电弧炉冶炼不锈钢的返回吹氧法，在1873K下很难使C降至很低的数值。而在AOD法中，向钢液中吹入不断变换

8、Ar/O2比例的气体，可以降低碳氧反应中产生的CO分压，从而使钢液的C含量达到超低碳水平。 采用专门的真空装置，将钢液置于真空环境中精炼，可以降低钢中气体、碳及氧含量。 常用的真空装置主要有VD 、RH等。,2019/4/20/14:47:57,19,5.2.3.4 喷吹,喷吹法是用载气（Ar）将精炼粉剂流态化，形成气固两相流，经过喷枪，直接将精炼剂送入钢液内部。 由于在喷吹法中精炼粉剂粒度小，进入钢液后，与钢液的接触面积大大增加。因此，可以显著提高精炼效果。 炉外精炼中钢液的精炼剂一类为以钙的化合物（CaO或CaC2）为基的粉剂或合成渣，另一类为合金元素如Ca、Mg、Al、Si及稀土元素等。

9、 将精炼剂加入钢液中，可起到脱硫、脱氧，去除夹杂物，夹杂物变性处理以及合金成分调整的作用。,2019/4/20/14:47:57,20,喂丝法是将易氧化，密度小的合金元素置于低碳钢包裹线中，通过喂丝机将其送入钢液内部。 喂丝法的优点是，可防止易氧化的元素被空气和钢液面上的顶渣氧化，准确控制合金元素添加数量，提高和稳定合金元素的利用率； 添加过程无喷溅，避免了钢液再氧化； 精炼过程温降小； 设备投资少； 处理成本低。,2019/4/20/14:47:57,21,喷吹的功能及代表工艺,2019/4/20/14:47:57,22,喷吹工艺,2019/4/20/14:47:57,23,5.2.3.5

10、加热,钢液在进行炉外精炼时，由于有热量损失，造成温度下降。若炉外精炼方法具有加热升温功能，可避免高温出钢和保证钢液正常浇注，增加炉外精炼工艺的灵活性，精炼剂用量，钢液处理最终温度和处理时间均可自由选择，以获得最佳的精炼效果。,2019/4/20/14:47:57,24,常用的加热方法有电加热和化学加热。 电加热方式主要有电弧加热和感应加热。 电弧加热原理与电弧炉相似，采用石墨电极，通电后，在电极与钢液间产生电弧，依靠电弧的高温加热钢液。 由于电弧温度高，在加热过程中，需控制电弧长度及造好发泡渣进行埋弧加热，以防止电弧对耐火材料产生高温侵蚀。 化学加热是利用放热反应产生的化学热来加热钢液的。常用

11、的方法有硅热法，铝热法和CO二次燃烧法。 化学加热需吹入氧气，与硅、铝、CO反应，才能产生热量。,2019/4/20/14:47:57,25,LF炉,2019/4/20/14:47:57,26,5.3 炉外精炼方法 5.3.1 RH,5.3.1.1 RH概述 5.3.1.2 RH工艺流程 5.3.1.3 RH的发展 5.3.1.4 RH的精炼功能,2019/4/20/14:47:57,27,5.3.1.1 RH概述,运用了真空、搅拌两种 精炼手段； 功能：脱气、成分的微调。,2019/4/20/14:47:57,28,5.3.1.2 RH工艺流程,准备工作； 装料； 钢包中测温取样； 钢包上升

12、； 启动真空泵；钢液上升，上升管输入驱动气体； RH循环处理钢水。,2019/4/20/14:47:57,29,2019/4/20/14:47:57,30,5.3.1.3 RH的发展,1 RH-OB 2 RH-KTB 3 RH-IJ、RH-PB,2019/4/20/14:47:57,31,1 RH-OB,1972年，新日铁的 室兰厂提出，吹氧脱 碳以精炼不锈钢。 特点：生产率高、 Cr收得率高。,2019/4/20/14:47:57,32,2 RH-KTB,日本川崎钢铁公司千叶厂开发 对RH进行如下改进： 顶部吹氧（垂直氧枪）； 插入管改为垂直圆筒形； 真空室高度； 增大上升管内径； 双管三管

13、，两根上升，一根下降； 弥散型吹氩环改为数根不锈钢吹氩管（3mm），并装于上升管的两处（相距300450mm）。,2019/4/20/14:47:57,33,3 RH-IJ、RH-PB,RH-IJ（Injection）：上升管下方，向钢液深处喷粉，随钢流进入真空室； RH-PB （Powder Blowing）：真空室下部增设喷吹管。,2019/4/20/14:47:57,34,5.3.1.4 RH精炼效果,（1）脱气效果好： 脱H至2ppm； 脱O（含碳镇静钢）2060ppm； 去氮：脱氮量不大，N100ppm，脱N 1020。 （2）净化钢液：纵向、横向机械性能均匀，提高延伸率，断面收缩和

14、冲击韧性； （3）提高合金收得率。,2019/4/20/14:47:57,35,5.3.2 LF（Ladle Furnace钢包炉）,5.3.2.1 LF精炼手段及功能 5.3.2.2 LF工艺设备及布置 5.3.2.3 生产工艺 5.3.2.4 精炼效果,2019/4/20/14:47:57,36,5.3.2.1 LF精炼手段及功能,LF精炼手段： 基本手段：加热、渣洗、搅拌 扩展手段：真空（LF-V）、喷吹（WF） LF精炼功能： 脱硫、脱氧、调整钢液温度、成分微调,2019/4/20/14:47:57,37,5.3.2.2 LF工艺设备及布置,2019/4/20/14:47:57,38,

15、2019/4/20/14:47:57,39,5.3.2.3 生产工艺,2019/4/20/14:47:57,40,在加热初期，采用低功率供电造渣；渣料熔化后，实现埋弧精炼，采用高功率供电。 连续加热1015分钟后，应停止加热25分钟，以便使钢液温度上下均匀，不致于造成渣面局部温度过高。 加热时间约为30分钟。升温速度控制在24/min。,（1）供电制度,2019/4/20/14:47:57,41,（2）吹氩制度,在一定的吹氩量下，采用大流量吹Ar，缩短处理时间，通常为100600NL/min。 吹氩原则为： 钢包到位后，采用中等吹Ar量，其作用是均匀成分和温度，以便进行取样测温； 化渣时，采用

16、大流量吹Ar，目的快速化渣。 加合金时，采用大流量吹Ar，将炉渣吹开，目的是加速合金熔化，提高合金收得率。 通电时，采用小流量吹Ar，目的均匀温度又不引起大的液面波动。,2019/4/20/14:47:57,42,（3）造渣制度,造渣目的：精炼钢水、脱硫、脱氧、去夹杂；实现埋弧精炼，提高热效率，降低噪音，提高炉衬寿命；防止钢水二次氧化，提高合金收得率。 常用渣系：CaO-CaF2渣系；CaO-Al2O3渣系；炉渣碱度CaO/SiO2=46。,2019/4/20/14:47:57,43,（4）成分调整,对于那些易氧化元素，一般在LF还原气氛下加入。通常合金加入： 粗调：根据出钢钢水成分分析确定合金加入量。 细调：合金微调必须在白渣后进行，这时钢液中各元素已充分均匀和平衡，合金收得率稳定，易于命中目标。,2019/4/20/14:47:57,44,5.3.2.4 精炼效果,深脱硫。S10ppm； 脱气。真空后， H1.5ppm，N脱除2035； 去夹杂、