冶金概论5炉外精炼幻灯片

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1、第五章 炉外精炼(Secondary Refining),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,2019/6/3/18:17:29,2,炉外精炼产生的原因,对钢的质量要求的提高用普通炼钢炉(转 炉、电炉和平炉)冶炼出来的钢液已经难以满足 其质量的要求 。 提高生产率，缩短冶炼时间希望能把炼钢 的一部分任务移到炉外去完成。 连铸技术的发展对钢液的成分、温度和气 体的含量等也提出了严格的要求 。,2019/6/3/18:17:29,3,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

2、（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。,2019/6/3/18:17:29,4,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

3、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。,2019/6/3/18:17:29,5,5.1 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。,2019/6/3/18:17:29,6,现状,到目前为止，还没有任何一种炉外精炼方 法能完成上述所有任务，某一种精炼方法 只能完成其中一项或几项任务。 由于各厂条件和冶炼钢种不同，一般是根 据不同需要配备一两种

4、炉外精炼设备。,2019/6/3/18:17:29,7,炉外精炼的特点,2019/6/3/18:17:29,8,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。,炼钢技术的发展方向,1）质量方面 降低钢中的有害杂质和非金属夹杂物的含量、 改善夹杂物的形态和分布、使钢的化学成分均匀、 精确控制过程温度、使之能适合后步工序生产要求 2）经济方面 提高生产

5、率、降低原材料、能源和劳动力消耗,2019/6/3/18:17:29,9,5.2 精炼手段,5.2.1 对精炼手段的要求 5.2.2 精炼手段定义 5.2.3 精炼手段的作用及代表方法,2019/6/3/18:17:29,10,5.2.1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,2019/6/3/18:17:29,11,5.2.2 精炼手段定义,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

6、炼手段： 渣洗、真空、搅拌、加热、喷吹。,2019/6/3/18:17:29,12,5.2.3 精炼手段的功能及代表方法,2019/6/3/18:17:29,13,2019/6/3/18:17:29,14,精炼的作用及方法,5.2.3.1 渣洗,渣洗法 获得洁净钢液并能适当进行脱氧、脱 硫和去夹杂的最简便的精炼手段。将事先配好 (在专门炼渣炉中熔炼)的合成渣倒入钢包内， 借出钢时钢流的冲击作用，使钢液与合成渣充 分混合，从而完成脱氧、脱硫和去除夹杂等精 炼任务。电弧炉冶炼时的钢渣混出，称同炉渣 洗，也是利用了渣洗原理。,2019/6/3/18:17:29,15,5.2.3.2 搅拌,搅拌：通过

7、搅拌扩大反应界面，加 速反应物质的传递过程，提高反应速度。搅拌方 法：吹气搅拌和电磁搅拌。通常使用的方法有吹 氩搅拌，可以达到脱气（N、H）、去除夹杂和脱 氧脱碳的目的。 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。,2019/6/3/18:17:29,16,1 、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

8、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。,2019/6/3/18:17:29,17,2、 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。,2019/6/3/18:17:29,18,2019/6/3/18:17:29,19,2019/6/3

9、/18:17:29,20,5.2.3.3 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。

10、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。,2019/6/3/18:17:29,21,挥发性杂质的去除,钢液中的有色金属，如Pb、Cu、As、Sn、Bi等 在钢液进行真空熔炼或处理时，可通过挥发而 除去一部分。 挥发量取决于该元素的蒸气压和在铁液中的活度。,2019/6/3/18:17:29,22,真空脱气,氮、氢在钢液中的溶解遵从西华特（平方根）定律 降低体系的压力，使气体的分压降低减小钢液中溶 解的气体量。 真空中钢液脱气过程的三个环节： 1）钢液中溶解气体原子向钢液气相界面扩散； 2）这些气体原子在相界面上吸附，结合

11、成气体分 子，再从界面脱附； 3）脱附的气体分子在真空作用下向气相中扩散。 其中，1）为限制性环节,2019/6/3/18:17:29,23,真空脱气的方法,真空提升脱气法（DH法） 真空循环脱气法（RH法）,2019/6/3/18:17:29,24,真空提升脱气法（DH）,真空提升脱气法是1956年德国多特蒙特(Dortmund) 和豪特尔(Horder)冶金联合公司首先发明使用的，简称DH法。 1）DH真空提升脱气装置由真空 室（钢壳内衬耐火材料）及提升 机构，加热装置（电极加热装置 或喷燃气，喷油加热），合金料 仓（真空下密封加料），抽气系统等组成。,2019/6/3/18:17:29,

12、25,真空提升脱气法(DH),2）DH法脱气工作原理 根据压力平衡原理，借助于真空室与钢包之间的相对运动， 将钢液经吸嘴分批吸入真空室内进行脱气处理的。处理时将真 空室下部的吸嘴插入钢液内，真空室抽成真空后其内外形成压 力差，钢液沿吸嘴上升到真空室内的压差高度。由于真空作用室内的钢液 沸腾形成液滴，大大增加气液相界面积，钢中的气体由于真空 作用而被脱除。当钢包下降或真空室提升时脱气后的钢液重新 返回到钢包内。当钢包提升或真空室下降时又有一批钢液进入 真空室进行脱气。这样钢液一批一批地进入真空室直至处理结 束为止。,2019/6/3/18:17:29,26,真空提升脱气法(DH),3）DH法的主

13、要优缺点 优点：进入真空室内的钢液由于气相压力的降低产 生激烈的沸腾，脱气表面积增大，脱气效果较好，适用 于大量钢液的脱气处理，可以用比较小的真空室处理大 吨位的钢液；可以对真空室进行烧烤加热，因此处理过 程中钢液温降小。由于激烈地沸腾还具有较大的脱碳能 力，可以生产含碳0.002%的低碳钢。处理过程中可以加 入合金，在真空室内合金元素的收得率高。由于这一系 列的优点，使DH法得到了发展。 缺点：设备比较复杂，投资和操作费用都比较高。,2019/6/3/18:17:29,27,真空提升脱气法(DH),4）DH法主要工艺参数 钢液吸入量、升降次数、循环因数、停顿时间、升降 速度、提升行程等。合理

14、确定这些参数对真空室的设 计，确定工艺制度对达到满意的脱气效果有重要意义。 5）DH法的实际效果 （1）脱氢：效果较好，可由处理前的(2.5 6.5)104降低到(1.02.5)104。当处理未 脱氧钢时从熔池底部产生大量CO气泡，有利于脱氢反应 的进行。,2019/6/3/18:17:29,28,真空提升脱气法（DH）,（2）脱氧：处理未经预脱氧钢液可使氧降低5590%， 还可以降低非金属夹杂物4050%，合金在真空下加 入，收得率高达95%以上，并且成分和温度均匀。 （3）脱氮：效果较差，当钢中含氮量低(3040)104 时，短时间处理几乎没有什么变化，当氮含量高于 100104时，脱氮量

15、可达(2030)104。 （4）脱碳：真空处理时，由于碳氧反应降低了碳含 量，因此DH法可生产超低碳钢（C0.002）。,2019/6/3/18:17:29,29,真空循环脱气法（RH）,1）RH法的产生及发展概况 RH法是德国鲁尔钢铁公司（Ruhrstahl AG）和海拉 斯公司（Heraeus AG）两家公司1957年共同发明的，故简称 RH法。第一台RH设备1959年在德国Thyssn(蒂森)公司的 Hattingen厂建成。RH法近十几年来在我国发展也很快，我国 的一部分钢厂也选用了RH装置，大冶钢厂1968年投产第一 台，宝钢分别于1985年和1999年投产了两台RH装置，武钢分 别

16、于1979年至1990年投产了四台RH装置，最大容量是宝钢 1985年12月投产的一台300吨RH装置。,2019/6/3/18:17:29,30,真空循环脱气法（RH）,2）RH真空处理工艺的特点 RH真空处理工艺操作简便、处理量大、生产效 率高，在原来脱氢的基础上又开发了脱碳、脱氧、吹氧 升温、喷粉脱硫和成分控制等功能，使改进后的RH法能 进行多种冶金操作，使其发展成为多功能的真空精炼方 法。 在现代化钢铁生产工艺流程中，炉外精炼已成为不可缺 少的重要环节，高炉铁水炉外预处理转炉顶底复合 吹炼RH真空精炼或CAS-OB精炼连铸连轧或连铸 铸坯热送直接轧制，是现代转炉炼钢最佳工艺流程。,2019/6/3/18:17:29,31,真空循环脱气法（RH）,3）RH的主体设备 RH法的设备由脱气主体设备、水处理设备、电气 设备、仪表设备所组成。而主体设备又由如下设备构 成：真空室及附属设备、气体冷却器、真空排气装置、 合金称量台车及加料装置、真空室移动台车