冶金概论5炉外精炼.ppt

第五章炉外精炼(SecondaryRefining),2020/6/7/15:07:14,2,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5.3.1RH5.3.2LF,2020/6/7/15:07:14,3,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。,2020/6/7/15:07:14,4,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。,2020/6/7/15:07:14,5,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。,2020/6/7/15:07:14,6,5.1炉外精炼的定义及特点,炉外精炼S.R.(SecondaryRefining)：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。,2020/6/7/15:07:14,7,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炉外精炼设备。,2020/6/7/15:07:14,8,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。,2020/6/7/15:07:14,9,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）经济方面提高生产率、降低原材料、能源和劳动力消耗,2020/6/7/15:07:14,10,5.2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,2020/6/7/15:07:14,11,5.2.1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,2020/6/7/15:07:14,12,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,2020/6/7/15:07:14,13,5.2.3精炼手段的功能及代表方法,2020/6/7/15:07:14,14,精炼的作用及方法,2020/6/7/15:07:14,15,5.2.3.1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。,2020/6/7/15:07:14,16,搅拌：通过搅拌扩大反应界面，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。,5.2.3.2搅拌,2020/6/7/15:07:14,17,1、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。,2020/6/7/15:07:14,18,2、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。,2020/6/7/15:07:14,19,2020/6/7/15:07:14,20,2020/6/7/15:07:14,21,5.2.3.3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。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。,2020/6/7/15:07:14,22,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。,2020/6/7/15:07:14,23,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,2020/6/7/15:07:14,24,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）,2020/6/7/15:07:14,25,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。,2020/6/7/15:07:14,26,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。,2020/6/7/15:07:14,27,真空提升脱气法(DH),3）DH法的主要优缺点优点：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。,2020/6/7/15:07:14,28,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(2.56.5)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。,2020/6/7/15:07:14,29,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）。,2020/6/7/15:07:14,30,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（RuhrstahlAG）和海拉斯公司（HeraeusAG）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。,2020/6/7/15:07:14,31,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。,2020/6/7/15:07:14,32,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、真空室固定装置、真空室下部槽及浸渍管更换台车及专用工器具、浸渍管修补台车、电极加热装置（煤气加热）、钢包液压升降装置、钢包台车、测温取样装置、脱气附属设备、管道设备、RH-OB装置等。,2020/6/7/15:07:14,33,真空循环脱气法（RH）,4）RH法的冶金功能,2020/6/7/15:07:14,34,真空脱碳（脱氧）,真空脱碳和脱氧同时进行：C+O=CO在真空条件下，降低了PCO，使在大气压力下已经达到平衡的脱碳反应再度进行，从而达到脱碳脱氧的目的。利用真空可使钢液深度脱碳，生产超低碳钢并使钢液中氧含量也降低到很低的水平。脱碳反应动力学表明：钢液中碳含量降低到临界量以下:C0.1%-0.45%后，即可采用真空脱碳。,2020/6/7/15:07:14,35,真空脱碳（脱氧）,真空条件下，脱氧剂为碳：当脱氧元素浓度B=0.1%,Pco=10kPa时，碳的脱氧能力高于硅的脱氧能力；而Pco=0.1kPa时，碳的脱氧能力甚至高于铝的脱氧能力。真空脱氧过程速率的限制性环节是钢液中C和O的扩散，C较高时，O的扩散为限制性环节。,2020/6/7/15:07:14,36,5.2.3.4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。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。,2020/6/7/15:07:14,37,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。,2020/6/7/15:07:14,38,喷吹的功能及代表工艺,2020/6/7/15:07:14,39,喷吹工艺,2020/6/7/15:07:14,40,5.2.3.5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。,2020/6/7/15:07:14,41,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。,2020/6/7/15:07:14,42,5.3炉外精炼方法5.3.1RH,5.3.1.1RH概述5.3.1.2RH工艺流程5.3.1.3RH的发展5.3.1.4RH的精炼功能,2020/6/7/15:07:14,43,5.3.1.1RH概述,运用了真空、搅拌两种精炼手段；功能：脱气、成分的微调。,2020/6/7/15:07:14,44,5.3.1.2RH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；RH循环处理钢水。,2020/6/7/15:07:14,45,2020/6/7/15:07:14,46,5.3.1.3RH的发展,1RH-OB2RH-KTB3RH-IJ、RH-PB,2020/6/7/15:07:14,47,1RH-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。,2020/6/7/15:07:14,48,2RH-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，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）。,2020/6/7/15:07:14,49,3RH-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（PowderBlowing）：真空室下部增设喷吹管。,2020/6/7/15:07:14,50,5.3.1.4RH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N1020。（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。,2020/6/7/15:07:14,51,5.3.2LF（LadleFurnace钢包炉）,5.3.2.1LF精炼手段及功能5.3.2.2LF工艺设备及布置5.3.2.3生产工艺5.3.2.4精炼效果,2020/6/7/15:07:14,52,5.3.2.1LF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：炉内还原性气氛；底吹氩气搅拌；大气压下石墨电极埋弧加热；高碱度合成渣精炼；微调合金成分。,2020/6/7/15:07:14,53,炉内还原性气氛,LF炉精炼时，靠钢包上的水冷法兰盘，水冷炉盖及密封橡胶圈的作用加氩气搅拌可以起到隔离空气的密封作用。再加上还原性渣以及加热时石墨电极与渣中的FeO、MnO、Cr2O3等氧化物作用生成CO气体，增加了炉气的还原性。从而可使LF炉内气氛中的氧含量减为0.5以下。如此阻止了炉气中的氧向钢液传递，保证了精炼时炉内的还原气氛。钢液在还原条件下精炼可以进一步的脱氧、脱硫及去除非金属夹杂物，有利于钢液质量的提高。,2020/6/7/15:07:14,54,底吹氩气搅拌,良好的氩气搅拌是LF炉精炼的又一特点。氩气搅拌有利于钢、渣之间的化学反应，它可以加速钢、渣之间的物质传递有利于钢液的脱氧，脱硫反应的进行。吹氩搅拌还可以去除非金属夹杂物，特别是对Al2O3类型的夹杂物上浮去除更为有利，如图6-10所示，吹氩可加速Al2O3粒子的上浮速度。特别值得提出的是LF炉的吹氩搅拌是在排除了大气的密封炉内进行的，因此还可以加大吹氩量。正如图6-10所示，吹氩处理15min后，可使钢中大于21m的Al2O3夹杂全部去除，残留钢中的只是小颗粒的Al2O3夹杂。,2020/6/7/15:07:14,55,底吹氩气搅拌,吹氩搅拌的另一作用是可以加速钢液中的温度与成分均匀，能精确的调整复杂的化学组成，而这对优质钢又是必不可少的要求。此外吹氩搅拌可加速渣中氧化物的还原，对回收铬、钼、钨等有价值的合金元素有利。底吹氩气搅拌贯穿于整个精炼过程，即在初炼炉出钢时就开始吹氩，以防止透气砖堵塞，直至精炼过程结束停止吹氩。按照先强后弱的搅拌方式吹氩搅拌钢液。通过底吹氩搅拌均匀钢液成分和温度，促进脱氧产物的上浮，脱除钢中的部分气体，纯净钢液。,2020/6/7/15:07:14,56,石墨电极埋弧加热,LF炉采用石墨电极埋弧加热，加热时将石墨电极插入泡沫渣层中，电弧在渣层中产生。采用埋弧加热法，泡沫渣对电弧的屏蔽作用减少了电弧光对包衬的热辐射，对包衬有保护作用。与此同时钢液和炉渣有效地吸收电弧热，提高了热效率。,2020/6/7/15:07:14,57,高碱度合成渣精炼,LF炉利用还原气氛下造高碱度合成渣进行精炼，通过合成渣的精炼作用可以降低钢中氧、硫及夹杂物含量。它可以把O降至0.002%、S降至0.005%甚至0.003%。合成渣在LF炉内具有很强的还原性，这是LF炉内良好的还原气氛和氩气搅拌，互相作用的结果。一般渣量为钢液量的28。LF炉冶炼时可以不用加脱氧剂，而是靠合成渣对氧化物吸附而达到脱氧的目的。,2020/6/7/15:07:14,58,微调合金成分,钢液成分的调整是在电弧加热、底吹氩搅拌和还原气氛下加入合金料，合金收得率高，合金元素熔化后能很快地在钢液内均匀。通过边加合金料边分析，微调合金成分，把合金成分调整到很窄地范围内。,2020/6/7/15:07:14,59,LF精炼功能,LF炉的几个精炼功能互相影响、互相依存与互相促进。炉内的还原气氛，在加热条件下的钢渣搅拌，提高了合成渣的精炼能力，创造了一个理想的炼钢环境，从而能提高钢液质量。由于LF法用吹氩搅拌而不用电磁搅拌；在大气压下加热，而不采用真空加热，因此它比ASEA-SKF法和VAD法都简单，其冶金效果与前两种方法基本相同。,2020/6/7/15:07:14,60,5.3.2.2LF工艺设备及布置,2020/6/7/15:07:14,61,2020/6/7/15:07:14,62,5.3.2.3生产工艺,2020/6/7/15:07:14,63,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,2020/6/7/15:07:14,64,（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。,2020/6/7/15:07:14,65,（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。,2020/6/7/15:07:14,66,（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。,2020/6/7/15:07:14,67,5.3.2.4精炼效果,深脱硫。S10ppm；脱气。真空后，H1.5ppm，N脱除2035；去夹杂、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。,2020/6/7/15:07:14,68,第五章小结,重点掌握内容：炉外精炼的定义；精炼手段的定义，各种精炼手段的作用；RH具有的精炼手段及功能；LF手段及功能。,