钢铁冶金概论-炉外精炼

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1、第五章 炉外精炼(Secondary Refining),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精炼的过程。 在日本、欧洲先进的钢铁生产国家, 炉外精炼比超过90%，其中真空精炼比超过50%, 有些钢厂已达到100%。,/20:31:4300:02:48,2,日本轴承钢质量好的根本原因就是在炉外精炼上大下功夫。日本山阳钢厂对不同氧含量的轴承钢进行疲劳试验证明，当钢中0由30ppm降到15ppm时

2、，疲劳寿命增加5倍；降到10PPm，则提高15倍；降到5PPm，可提高30倍。由此可以看出，保证钢材有高的纯净度是提高内在质量的重要环节。而炉外精炼就是为了解决科学技术发展对钢材质量的要求不断提高而提出来的。,/20:31:4300:02:48,3,炉外精炼的特点,特点： 选择一个理想的精炼气氛条件，通常采用真空、惰性气氛或还原性气氛 ； 对钢液进行搅拌，可采用电磁感应、惰性气流或机械方法搅拌； 钢液加热，在精炼过程中通常采用电弧加热、埋弧加热、等离子加热或增加化学热等。,/20:31:4300:02:48,4,手段： 工艺操作主要包括真空处理，吹氬气，吹氧，电磁搅拌，加入渣料、脱氧剂和合金元

3、素，电弧加热等。 实际操作时主要采用其中一种和几种组合操作制度。,/20:31:4300:02:48,5,精炼的作用及方法,/20:31:4300:02:48,6,/20:31:4300:02:48,7,/20:31:4300:02:48,8,/20:31:4300:02:48,9,（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。 精确控制炉渣成分, 通过渣钢反应实现对钢水的提纯精炼。主要用于钢水脱氧、脱硫和去除钢中夹杂物。,/20:31:4300:02:48,10,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

4、，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。,（2） 搅拌,/20:31:4300:02:48,11,a 气体搅拌 气体搅拌主要用氩气，故又称氩气搅拌。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。,/20:31:4300:02:48,12,/20:31:4300:02:48,13,/20:31:4300:02:48,14,b 电磁搅拌 对钢水施加一个交变

5、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。,/20:31:4300:02:48,15,/20:31:4300:02:48,16,c 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（真空循环脱气法 ）与DH（真空提升脱气法 ）的搅拌方式，也有人称吸吐搅拌。 在精炼中，钢包内的搅拌是由真空室内钢液注流进入钢包中引起的。,/20:31:4300:02:48,17,/20:31:4300:02:48,18,(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

6、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。,/20:31:4300:02:48,19,向钢液中吹入氩气，从钢液中上浮的每个小气泡都相当于一个“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。,/20:31:4300:02:48,20,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（氩氧精炼法 ）法中，向钢液中吹入不断变换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。

7、,/20:31:4300:02:48,21,（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的方法。 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。,/20:31:4300:02:48,22,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。 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。,/20:31:4300:02:48,23,喂丝法是将易氧化，密度小的合金元素

8、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： a 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；,（5）喂丝,/20:31:4300:02:48,24,b 添加过程无喷溅，避免了钢液再氧化； C 精炼过程温降小； d 设备投资少； e 处理成本低。,/20:31:4300:02:48,25,喷吹的功能及代表工艺,/20:31:4300:02:48,26,喷吹工艺,TN 喷粉钢包精炼法,WF 喂丝法,/20:31:4300:02:48,27,（6） 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

9、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。,/20:31:4300:02:48,28,/20:31:4300:02:48,29,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。,/20:31:4300:02:48,30,化学加热是利用放热反应产生的化学热来加热钢液

10、的。常用的方法有硅热法，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。,/20:31:4300:02:48,31,LF炉（具有加热和搅拌功能的钢包精炼法 ）,/20:31:4300:02:48,32,炉外精炼方法 1 RH,（1）RH概述 （2）RH工艺流程 （3）RH的发展 （4）RH的精炼功能,/20:31:4300:02:48,33,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。,/20:31:4300:02:48,34,原理： 通过真空室抽成真空，使钢水从两根管内上升到压差高度约1.5m时从上升管下部三分之一处吹入Ar作为驱动气体

11、，使上升管内的钢水中充满气泡，Ar经高温钢水加热，加之钢中气体向Ar气泡内扩散，使其体积迅速膨胀，膨胀的气泡使上升管内的钢水密度变小，气泡带动钢水上升，当钢水进入真空室时流速高达5ms，Ar气泡在真空下突然膨胀，钢水呈雨滴状喷起，大大增加了脱气表面积，加速了钢液脱气过程，,/20:31:4300:02:48,35,脱气后的钢水进入下降管，因其比重相对较大，以12ms的速度返回钢包中如此周而复始多次循环钢水顺次进入真空室，在真空下完成脱气过程。,/20:31:4300:02:48,36,RH工艺流程,准备工作； 装料； 钢包中测温取样； 钢包上升； 启动真空泵；钢液上升，上升管输入驱动气体； R

12、H循环处理钢水。,/20:31:4300:02:48,37,/20:31:4300:02:48,38,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，断面收缩和冲击韧性； （3）提高合金收得率。,/20:31:4300:02:48,39,RH设备简介,真空室,钢包车,/20:31:4300:02:48,40,真 空 室,结 构： 真空室由钢板焊接的圆柱形容器，内砌耐火材料。为直接结合MgO-Cr2O3砖，一部分为MgO-C砖。 功 能： 是脱气系统的重

13、要组成部分，有足够的容积，保证钢水在真空脱气过程中有较大的脱气表面，提高脱气效果，同时在脱气过程中热损失小。,/20:31:4300:02:48,41,钢 包 车,功 能： 用钢包车将炼钢车间的钢水送到浇注工段； 沿铺设的宽轨铁路线运行，是自行台车，有两套直流电机驱动的运行机构。,/20:31:4300:02:48,42,2 LF（Ladle Furnace钢包炉）,LF具有加热和搅拌功能的钢包精炼法,/20:31:4300:02:48,43,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

14、微调,/20:31:4300:02:48,44,/20:31:4300:02:48,45,/20:31:4300:02:48,46,LF工艺设备及布置,/20:31:4300:02:48,47,/20:31:4300:02:48,48,生产工艺,/20:31:4300:02:48,49,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,/20:31:4300:02:48,50,（2）吹氩制度,在一定的吹氩

15、量下，采用大流量吹Ar，缩短处理时间，通常为100600L/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。,/20:31:4300:02:48,51,（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/Si

16、O2=46。,/20:31:4300:02:48,52,（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（因渣在空气中冷却风化后呈白色粉末而得名 ）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。,/20:31:4300:02:48,53,精炼效果,深脱硫。S10ppm； 脱气。真空后， H1.5ppm，N脱除2035； 去夹杂、脱氧。 TO20ppm。 温度控制准确，温度均匀，温度偏差5左右。 成分控制精确，偏析小。,/20:31:4300:02:48,54,LF相关设备,供 电 系 统,钢 包 及 台 车,炉 盖 提 升 装 置,事 故 搅 拌 装 置,测 温 取 样 装 置,加 料 系 统,喂 丝 装 置,/20:31:4300:02: