炉外精炼a学习.pptx

1 概述把常规炼钢炉中初炼的钢水移到另一个容器中，为得到比初炼炉更高的生产率和更好的质量进行的冶炼操作，也叫 “二次精炼”（Secondary RefiningSecondary Refining），二次冶金或钢包冶金（Secondary Steelmaking Secondary Steelmaking ProcessProcess）。要完成冶金操作：脱硫、脱氧（夹杂物）、脱碳、非金属夹杂物形态控制、去除气体、钢的成分和温度调整和均匀化、脱磷。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。日、欧洲的炉外精炼比接近100%，真空精炼比70%以上。第1页/共207页1933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；50年代-真空处理技术。1935年H.Schenck 确定大型钢锻件中的白点缺陷是由氢引起的-氢脆。1950年，德国Bochumer Verein(伯施莫尔-威林）真空铸锭。1953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。1954年，钢包真空脱气。1956年，真空循环脱气（DH、RH）。1.11.1炉外精炼的产生和发展第2页/共207页60607070年代，高质量钢种的要求，产生了各种年代，高质量钢种的要求，产生了各种精炼方法；精炼方法；80809090年代，连铸的发展，连铸坯对质量的要年代，连铸的发展，连铸坯对质量的要求及炼钢炉与连铸的衔接；求及炼钢炉与连铸的衔接；2121世纪，更高节奏及超级钢的生产。世纪，更高节奏及超级钢的生产。第3页/共207页炉外精炼发展的背景在转炉中生产平炉和电炉生产的钢种。转炉大型化、钢锭大型化导致炼钢过程生产率的提高。连续铸钢的发展。钢材使用条件日益苛刻、制品大型化、薄壁化带来的质量问题。第4页/共207页1.2炉外精炼的冶金特点二次精炼，良好的动力学条件，精炼容器具有浇注功能。改善冶金化学反应的热力学条件。加速熔池传质速度。增大渣钢反应面积。精确控制反应条件，均匀钢水成分和温度。第5页/共207页1.3炉外精炼的作用提高钢的质量去除钢种的有害元素及气体，S、O、N、H、C 等；成分调整；提高生产效率（电炉），降低成本、优化工艺；保证连铸过程顺利进行（缓冲、温度调整）扩大品种（转炉）第6页/共207页1.4炉外精炼的手段炉外精炼的手段渣洗 最简单的精炼手段；真空 目前应用的高质量钢的精炼手段；搅拌 最基本的精炼手段；喷吹、喂线 将反应剂直接加入熔体的手段；调温 加热是调节温度的一项常用手段。第7页/共207页炉外精炼手段炉外精炼手段要求：独立性：出钢，VOD/AOD，CAS-OB作用时间可控:真空，搅拌作用能力可控:真空真空，搅拌，加热作用能力再现性强:出钢便于与其它手段组合:燃料燃烧操作方便、设备简单、投资运行费用低。第8页/共207页1)合成渣洗使渣和钢充分接触，通过渣-钢之间的反应，有效去除钢中的硫和氧（夹杂物）；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；第9页/共207页2)2)真真 空空 处处 理理目的：目的：提高真空度可将钢中提高真空度可将钢中C C、H H、O O降低；降低；第10页/共207页3)搅拌搅拌目的：目的：加速反应的进行加速反应的进行均匀成分、温度均匀成分、温度手段：手段：电磁搅拌电磁搅拌吹气搅拌吹气搅拌第11页/共207页4)喷吹技术喷吹技术喷吹实现脱碳、脱硫、脱氧、合金化、控制夹杂物形态；喷吹实现脱碳、脱硫、脱氧、合金化、控制夹杂物形态；单一气体喷吹单一气体喷吹 VODVOD；混合气体喷吹混合气体喷吹 AODAOD；粉气流的喷吹粉气流的喷吹 TNTN；固体物加入固体物加入 喂线。喂线。第12页/共207页5)调温调温提高生产率的需要；提高生产率的需要；保证连铸的顺利进行；保证连铸的顺利进行；加热方法：加热方法：电加热：电弧加热、感应加热等电加热：电弧加热、感应加热等化学热：铝氧加热法化学热：铝氧加热法第13页/共207页第14页/共207页1.6炉外精炼技术的发展趋势需完善的技术：温度补偿耐火材料精炼后期钢水再污染老厂改造发展趋势：多功能化提高精炼设备生产效率和二次精炼比 钢包净空、吹氩强度和混匀时间、升温速度、传质系数 冶炼周期、包衬寿命钢铁生产流程优化、提高过程自动控制、冶金效果在线监测第15页/共207页炼钢工序功能的演变炼钢工序功能的演变 1)脱碳；脱碳；2)升温；升温；3)脱磷；脱磷；4)脱硫；脱硫；4)脱氧、氮、氢等；脱氧、氮、氢等；5)合金化。合金化。基本任务基本任务炉外精炼炉外精炼第16页/共207页2 炉外精炼工艺操作2.1合成渣洗在钢包内通过对合成渣的冲洗提高钢水质量。固态渣，液态渣，预熔渣。目的目的:使渣和钢充分接触，通过渣使渣和钢充分接触，通过渣-钢之间的反应，有效去钢之间的反应，有效去除钢中的硫和氧（夹杂物）；除钢中的硫和氧（夹杂物）；合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 物理化学性能第17页/共207页1）成分（compositions）CaO-SiO2-Al2O3、B、(CaO)u（参与冶金反应的CaO 数量）、FeO、SCaO：达到冶金反应目的Al2O3、SiO2、CaF2、MgO：调整成分得到合适的熔点、粘度、表面张力等理化性能。FeO：降低脱硫、脱氧能力。石灰-粘土质渣，石灰-氧化铝合成渣。脱氧、脱硫渣以CaO-CaF2碱性渣系为主。去除氧化无夹杂渣中含有更多的Al2O3、SiO2。发热固态渣：铝粉、萤石。第18页/共207页常用的渣洗合成渣成分图第19页/共207页熔点（melting point）钢的熔点T=1538-Tjj%合成渣的熔点需根据渣的成分利用相应的相图确定CaO-SiO2、CaO-Al2O3、CaO-SiO2-Al2O3等相图。针对某一成分的渣系得出的经验公式。CaO-MgO62-66.2%;CaF29%;SiO2-Al2O324-29%;渣中MgO对熔点的影响:t=1208+15.5(MgO%)2）性质第20页/共207页不同成分合成渣的熔点CaO-MgO对熔点影响W(Al2O348-56%,w(CaO)52-54%第21页/共207页流动性 粘度（Viscosity）图1600以上，（CaO）54-56%CaO/Al2O3=1.2第22页/共207页CaOAl 2O3渣系的粘度与(CaO)的关系1第23页/共207页1600时粘度与（CaO+MgO）的关系（CaO-MgO-SiO2-Al2O3渣系）1SiO220-25%Al2O35-11%R:2.4-2.5第24页/共207页炉外精炼渣的主要成分CaO:5055%；MgO:610%；SiO2:1520%；Al2O3:815%；CaF2:5%第25页/共207页表面张力液体的表面张力是作用于液体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,N/m。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,随温度升高表面张力减小。钢液的表面张力受温度和成分的影响，炼钢温度下一般为1.11.5N/m。渣钢界面张力 m-s=m-scos dyn/cm还原性第26页/共207页渣中常见氧化物的表面张力合成渣表面张力的计算值第27页/共207页渣洗的精炼作用1）合成渣的乳化和上浮乳化：rmin=2 m-s/cmH渣滴最小半径的计算第28页/共207页合成渣的乳化和上浮上浮：速度与渣液滴直径、钢渣密度差、钢渣的界面张力等有关。渣洗过程中乳化和上浮是一对矛盾。保证精炼前提下，增大渣滴直径，降低渣温，延长镇静时间，降低钢的粘度等都利于渣滴上浮。乳化渣滴1mm,上浮速度3.88cm/s.第29页/共207页上浮：速度与渣液滴直径、钢渣密度差、钢渣的界面张力等有关。渣洗过程中乳化和上浮是一对矛盾。保证精炼前提下，增大渣滴直径，降低渣温，延长镇静时间，降低钢的粘度等都利于渣滴上浮。第30页/共207页2）合成渣对钢中元素脱氧能力的影响硅的脱氧 Si+2O=SiO2 当钢中含硅0.3%,aSiO2=1,温度为1500,1550,1600 时平衡含氧量分别为34.4ppm,64.5ppm,96.6ppm.第31页/共207页p硅、锰综合脱氧不同Mn含量时钢水中1600,Si,O平衡浓度渣中脱氧产物活度减少提高渣的碱度，温度和aSiO2降低，硅脱氧能力提高第32页/共207页不同碱度、T=1873K时钢中氧和硅的关系第33页/共207页铝脱氧2Al+3O=（Al2O3）1873K时与不同铝含量相平衡的氧含量第34页/共207页通常钢中氧在20-50ppm,反应的排除和反应平衡问题。Ar喷CaO+CaF2粉O可到10ppm,熔融CaO+CaF2中 aAl2O3 小，铝粉可提高铝脱氧能力。吹入含铝粉的石灰、萤石混合粉剂，可促进铝脱氧反应，使产物渣化上浮。石灰-氧化铝渣中:CaO+Al2O3=CaOAl2O3反应的存在使aAl2O3减少,提高铝的脱 氧能力。第35页/共207页CaOAl2O3渣中各组元活度合成渣精炼,渣中Al2O3一般为39-50%范围内,aAl2O2为0.1-0.3.第36页/共207页3）扩散脱氧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。渣洗与二次氧化第37页/共207页4）夹杂的去除钢中夹杂物与乳化渣滴碰撞，被吸附、同化上浮排除。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。第38页/共207页渣成分对Ls的影响第39页/共207页Ls与(CaO%)u、(FeO%)的关系第40页/共207页LS与(FeO)、(CaO)u的关系第41页/共207页顶渣控制及挡渣技术1）顶渣控制技术2）挡渣技术挡渣球浮动塞挡渣气动吹气挡渣塞偏心炉底出钢第42页/共207页2.2渣洗工艺工艺异炉渣洗同炉渣洗混合炼钢功能功能 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；硫及脱氧去夹杂功能；局限：不能去除钢中气体；局限：不能去除钢中气体；第43页/共207页2.2真空给定的空间内，气体分子的密度低于该地区大气压的气体分子密度的状态。气体在钢液中的溶解和析出碳脱氧脱碳溶解在钢液中的碳与炉衬作用合金元素的挥发金属和夹杂物的挥发和去除第44页/共207页基本原理钢液的真空脱气一、钢液脱气的热力学 N2=2N N2=2N第45页/共207页气体在铁中溶解反应的热力学数据第46页/共207页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。第47页/共207页钢中氢的主要来源空气中水蒸气的分压、原材料的干燥程度、钢水的脱氧程度。PH=5.310-7atm,平衡氢0.02ppm第48页/共207页1600，KH2O=1.2610-3，PH2O=0.04atm(生产中石灰烘烤不好，废钢锈多）条件：氧化性钢液：O%=0.05 H=11.3ppm已脱氧钢液：O%=0.002 H=56.4ppm热力学研究结果，气相中气体分压为100200Pa时，就可以将钢中气体降低到较低水平。第49页/共207页二、钢液脱气的动力学1）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。第50页/共207页2）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传质系数第51页/共207页 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、钢种及时间等因素有关。K的确定可以根据实验计算，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0.010.1秒,与温度、搅动情况有关。第52页/共207页计算得出1600气体在铁液中的传质系数:氮:0.0145cm/sec;氢:0.091cm/sec;氧:0.0143-0.0456cm/sec。当熔池强烈搅拌时,氢的传质系数可高达0.640cm/sec.第53页/共207页3）钢液沸腾时脱气的速率熔池脱气速率与脱碳速率的关系:熔池脱气量与脱碳量的关系:第54页/共207页4）吹氩搅拌时脱气的速率增加吹氩量利于钢液脱气。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。第55页/共207页三、降低钢中气体的措施使用干燥的原材料和耐火材料降低与钢液接触的气相中气体的分压增加钢液的比表面积（A/V)提高传质系数k适当延长脱气时间利用生成氮化物来 脱除钢中氮第56页/共207页钢液的真空脱氧一、氧在钢中的溶解Fe-O系平衡实验，1520-1700纯铁中氧溶解度：1600:wO=0.23%1700:wO=0.32%氧在-Fe中溶解度小于0.003%氧在钢中的溶解度决定于钢液温度和成分等，钢中实际氧含量与炉子类型、温度、钢液成分、造渣制度等参数有关。电弧炉氧化末期C%0.20,氧主要取决于碳（0.01-0.08%），低碳时氧化终了氧会大于1000PPm。第57页/共207页二、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：第58页/共207页1600时,由以上关系推导出：与0.1%碳平衡的氧含量：PCO=1 atm O=220ppm;PCO=10-3 atm O=0.22ppm。第59页/共207页真空下碳的脱氧能力钢液中碳的实际脱氧能力与压力的关系第60页/共207页真空下碳脱氧的能力小于计算的原因碳氧反应未达到平衡。（Dc=2.010-4,Do=2.6 10-5）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：碳还原钢中氧化物夹杂，反应的动力学条件差。炉衬和炉渣供氧。表面张力形成的附加压力,气泡半径越小，该值越大钢液的静压力，10cm-6.67kPa真空压力第61页/共207页三、碳脱氧的动力学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CO3）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，氧在钢液侧界面层的传质是碳脱氧速率的控制环节。第62页/共207页CO气相的非自发形核深度为h时,钢液不能进入的最大缝隙半径:第63页/共207页当曲率半径达到最小值时,缝隙中气体的总压力达到最大:活性缝隙,炉底和炉壁渣化后活性缝隙大大减少.第64页/共207页缝隙内气体体积随着CO的生成增大,所受浮力也成比例增大,气体所受浮力超过由于表面张力而产生的附着力时气泡将脱离缝隙上浮.钢液中自由上浮的气泡随体积的增大上浮速度加快.上浮过程中,气泡大小不同,由于不同力的作用具有不同的形状.气泡的当量直径:5mm 5-10mm 10mm以上形状:球形 扁圆形 球冠形受力:表面张力 钢水静压力 钢水静压力 第65页/共207页 钢中氧浓度的变化速率Do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碳脱氧的速率氧在钢液侧界面层的传质是碳脱氧速率的控制环节第66页/共207页O%SO%1，更多的设计成锥桶形。对精炼反应的要求 渣钢反应、夹杂上浮，卷渣，冲刷炉衬、增碳（电弧加热）、脱气，促进碳氧反应、降温设备投资和运行费用第120页/共207页搅拌过程中的能量消耗 描述搅拌特征和质量指标：能量耗散系数或比搅拌功率（W/t或W/m3）：单位时间内，向一吨钢液（或1m3钢液）提供的搅拌能量。不同搅拌方法可根据使钢液搅动的能量种类计算能量耗散系数，比较其搅拌能量的大小。例:a)利用重力的搅拌:搅拌能量比搅拌功率出钢平均高度2.8m,出钢时间3.2min,平均比搅拌功率1398W/t b)RH:钢包钢液搅动耗能为经下降管流入钢包钢流的动能.比搅拌功率循环流量30-50t/min,被处理钢液量120-300t,比搅拌功率500-100W/m3 W/t第121页/共207页熔体的混匀时间与比搅拌功率的关系混匀时间也是一个常用的描述搅拌特征和质量的指标。其定义：在被搅拌的熔体中，从加入示踪迹到它在熔体中均匀分布所需的时间。C/C=1熔体被搅拌的越剧烈，混匀时间越短。中西等人在各种搅拌方法的钢包中实测的比搅拌功率与混匀时间的关系见图。统计规律如下：=800-04 s(单个喷嘴）=800-04 sN1/3(多个喷嘴）所有以传质为限制性环节的冶金反应，都可以借助增加比搅拌功率的措施加以改善。第122页/共207页完全混匀时间与搅拌能的关系第123页/共207页1)处理时间没有限制，可以充分进行精炼；还可以自由且精确地调整钢水浇铸温度。2）由于渣的组成和渣量可以自由选择，能够充分地进行渣洗精炼，脱硫、脱氧可以脱到10PPm水平。3)合金添加量没有限制，适于熔炼大部分钢种。与电炉组合使用的时候，由于能够省略电炉还原期，提高了电炉的炼钢能力。4)在粗精炼炉里，不需提高出钢温度，可以减轻粗精炼炉的负荷。2.4 加热第124页/共207页燃料燃烧加热：氧化性，内衬，残钢，氢，烟气电阻加热电弧加热化学热法其它加热方法第125页/共207页电弧加热与电弧炉相同，由三相变压器供电，变压器容量小，电极直径小，电流密度大。电弧加热效率高，升温幅度大，对钢质量影响较小。几种电弧加热的精炼炉的升温速度精炼炉类型SKFVADLF升温速度/min24.51.6535第126页/共207页炉外精炼电弧加热的平均单位能耗第127页/共207页钢包炉电弧加热系统的有关参数第128页/共207页炉壁烧损系数RE与电弧功率Ph的关系加热钢水前期升温速度低，提高其不能用增大变压器输入功率的办法：式中：Ph一相电弧的功率，MW；Uh该相的电弧电压，V；a电弧与炉壁间的距离，m；RE的安全值约为450 MWV/m2。埋弧加热，加强烘烤。第129页/共207页钢包炉加热功率的计算W=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每吨钢液升温1所需要的热量，kWh/t;t钢液的温升，按精炼工艺要求定,50-80 ；S%渣量，造渣材料的用量与钢总量的百分比1.5%；Ws熔化10kg渣并加热到钢水温度所需能量，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合金并加热到钢水温度所需能量，约为7kWh/1%t;精炼炉的热效率一般为30%40%，实际需要的能量：W=W/第130页/共207页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。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；第131页/共207页化学热法利用钢液内氧与铝、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。铝氧加热法（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第132页/共207页p铝首先氧化，喷枪口附近铝降低发生硅锰的氧化，其中大部分会被还原，氧气的利用率高，可准确预测钢中铝含量的控制情况。氧化性渣会增加铝的损失和残铝波动。p钢中碳含量变化不大，高碳钢碳的损失不超过0.01%；硅含量高时锰的烧损小；硅的减少约10%；磷含量平均增加0.001%；硫含量平均增加0.001%；需要促进铝的氧化，抑制硅锰的氧化。p加热260t钢水，加铝0.26kg/t，吹氧强度185L/(mint)，可升温5.6，升温速度为5.6/min，氧气消耗48.1kgm3，铝耗量68kg。第133页/共207页其它加热方法直流钢包炉炉衬寿命高、升温速率高、热效率高、底电极寿命。感应加热钢包炉可控性高、避免增碳和增氮。等离子弧加热钢包炉热效率高、升温速率快、枪结构复杂、技术要求高。第134页/共207页钢包加热精炼法（钢包炉）具有多种精炼手段，功能比较齐全的精炼方法和设备。常用的钢包炉 LF炉 VD ASEA-SKF法 CAS和CASOB VAD VOD第135页/共207页钢包炉的种类及特点钢包炉的特点：具有良好的 脱气条件准确的调整钢液温度钢液成分均匀稳定优越的合金化条件可加入造渣剂或其它脱硫材料，精炼低硫钢种。第136页/共207页钢包炉的类型只有加热和搅拌的钢包炉。（LF）只有真空和搅拌手段的钢包炉。（VD）具有真空、搅拌、喷吹三种手段的钢包炉。（VOD）SKF、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。第137页/共207页1)LF1)LF炉炉最常用的精炼方法；最常用的精炼方法；取代电炉还原期；取代电炉还原期；具有加热及搅拌功能；具有加热及搅拌功能；脱氧、脱硫、合金化；脱氧、脱硫、合金化；LF炉原理第138页/共207页电极合金料斗透气砖滑动水口LF精炼炉原理第139页/共207页LF炉的工艺优点精炼功能强，适宜生产超低硫、超低氧钢。热效率高，升温幅度大，温度控制精度高。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。采用渣钢精炼工艺，精炼成本较低。设备简单，投资较少。第140页/共207页LF LF 工艺操作工艺操作电炉EBT或转炉出钢，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。一般3050分钟，电耗5080kwh/t；现代转炉、电炉与连铸联系的纽带。第141页/共207页LFLF精炼工艺包括以下三部分：精炼工艺包括以下三部分：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150200kVA/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,(TFe+MnO)3.0%;白渣精炼；还原气氛；适当搅拌。v合金微调与窄成分控制快速分析；精确估算钢水重量及合金收得率；白渣操作。第142页/共207页LF炉的主要功能成分的最终调整和精确控制。均匀钢水成分和温度。采用惰性气体搅拌和喂丝等清洁钢液技术，改变夹杂物形态，去除夹杂。脱硫钢液加热利于转炉与连铸之间的衔接、匹配和缓冲，确保连铸稳定生产。第143页/共207页2)ASEA-SKF法ASEA-SKF法原理图功能真空电磁搅拌电弧加热第144页/共207页电磁搅拌第145页/共207页ASEA-SKF法ASEA-SKF具有很全的精炼手段,可以实现去气,脱氧,脱硫,去夹杂,脱碳,调整成分等多种功能.其优点:1)很快均匀钢液温度,有利于钢纯净度提高并减少耐火材料的消耗.2)加入的合金熔化快,分布均匀,成分稳定.3)电弧加热提高炉渣流动性,加快钢渣反应速度,利于脱氧和去除夹杂.4)感应搅拌可提高真空脱气的效率.第146页/共207页3)CAS和CASOB第147页/共207页CAS密封吹Ar合金化CAS功能：避免吹氩强度过高使钢液氧化。合金收得率提高且稳定，成分微调。均匀钢水成分和温度，且控制快速准确，操作方便。净化钢液，去除夹杂物，提高铸坯质量。基建、设备投资少，操作费用低。第148页/共207页CASOBCASOB功能：钢液升温和精确控制钢水温度促进夹杂物上浮，提高钢水洁净度。精确控制钢水成分均匀钢水成分和温度。第149页/共207页LF与CASOB的比较LF功能较全面升温速度的控制精度强，钢水温度易调节。对夹杂物进行稳定的控制，对钢水无污染。适应性强，对钢种的处理范围广泛。CASOB设备及工艺简单，操作及维护简便。升温速度快（612/min,而LF为35/min）易在钢水中产生Al2O3夹杂钢中S、P增加纯净度降低第150页/共207页4 4）VADVAD炉炉Vacuum Arc DegassingVacuum Arc Degassing电弧加热电弧加热吹氩搅拌吹氩搅拌真空脱气真空脱气包内造渣包内造渣合金化合金化 第151页/共207页VADVAD的功能的功能通过石墨电极放电，在减压（小于26.66kPa)条件下进行电弧加热，还能够在真空处理中加热。（1 1）避免炉渣回磷；）避免炉渣回磷；（2 2）脱硫率高，）脱硫率高，S=0.002S=0.0020.001%0.001%；（3 3）脱氧良好）脱氧良好,TO=0.001%,TO=0.001%；（4 4）脱氢良好）脱氢良好,H,H0.0003%0.0003%；（5 5）去氮率可达）去氮率可达505060%60%；（6 6）去除钢中夹杂物；）去除钢中夹杂物；第152页/共207页VAD、ASEA-SKF法与RH、DH法相比，不仅设备费用高，而且因处理时间长、耗电多和钢包耐火材料的损耗等，造成操作费用也很高，不适于钢的大量生产，仅限于合金钢和极厚钢板等高级钢。另外，它还适用于处理时钢水温降大的小容量（小于100t）钢包。在大气压力下进行渣洗精炼的LF法，使炼钢时间缩短，在“电炉一连续铸钢”过程中进行直接连接操作更容易，所以用于电炉钢的大量生产。转炉熔炼高级钢，采用DH、RH与LF工艺代替VAD、ASEA-SKF法。第153页/共207页二次精炼不同热补偿工艺的技术比较第154页/共207页2.5 喷吹喷射冶金：通过载气将反应物料的固体粉粒吹入熔池深处，可以加快物料的熔化和溶解，增加反应界面，强烈搅拌熔池，加速传输过程和反应速率。是强化冶金过程和反应效果的重要方法。优点：增加反应界面，改善冶金反应的动力学条件，成分微调，提高合金收得率，搅拌利于产物浮离。缺点：粉状物料的制备、储存和运输复杂，喷吹工艺复杂，喷吹过程温度损失大，需要专门设备和气源。第155页/共207页气粒输送中粉粒的行为1）固体粉粒的流动条件流态化技术：使固体粉粒获得流动能力的技术。固定床流态化床输送床(粉粒自由沉降状态)第156页/共207页固体粉粒流态化过程示意图临界流态化速度：使粉粒从固定床转入流态化床的最低速度。使粉粒由容器内漂出的最低气流速度称为悬浮速度.第157页/共207页2）固体粉粒在流态化过程中的受力理想流态化曲线第158页/共207页 处于临界流态化速度时粉粒床上下部压力差是气体与粉粒之间的密度差、固定床的高度和粉粒床的空隙度的函数第159页/共207页孔隙度第160页/共207页粉粒在气流中的沉降速度粉粒进入自由沉降状态后就可以从容器中飘溢而出，对单个粉粒进行受力分析，粉粒在运动过程中受到重力、阻力和浮力的作用，最终三个力达到平衡，气流中的粉粒将以相等的速度运动，此速度称为该颗粒的沉降速度（vt)。式中ds粉粒直径；s粉粒密度；a气流重度；粉粒以等速度在气流中运动时的阻力系数，是雷诺数的函数雷诺数Re表征流体流动情况的无量纲数，Re=vd/，其中v、分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度。流体流动过程中惯性力和粘性力的比值。第161页/共207页球形粉粒的阻力系数 与雷诺数Re的变化值第162页/共207页粉气流的密度质量粉气比（）：=GP/Gg 式中：质量粉气比 kg/kg；GP单位时间通过输送管道有效断面的粉粒质量kg/h；Gg单位时间通过输送管道有效断面的气体质量kg/h；体积粉气比（M）：M=GP/Qg 式中：M体积粉气比，kg/m3；GP纯粉料的质量流量，kg/h；Gg纯载气的体积流量，m3/h；喷吹脱硫脱磷熔剂，一般粉气比为1530；喷吹脱氧和合金化粉剂，粉气比可达50120。第163页/共207页非金属夹杂物变性处理定义：向钢液中加入某些固体溶剂，即变性剂，改变存在于钢液中的非金属夹杂物的性质，以消除或减少其对钢性质的不利影响，改善钢的可浇注性，保证连铸工艺操作顺利进行。变性剂：1）与氧、硫、氮有较强的相互作用能力；2）在钢液中有一定溶解度，在炼钢温度下蒸汽压不大；3）操作简便易行，收得率高成本低。常用变性剂是硅钙合金和稀土合金。第164页/共207页1）稀土元素的变性作用2Re+3O=Re2O3 KO=Re2O3 2Re+3S=Re2S3 KS=Re2S3 2Re+3O+3S=Re2O3S KOS=Re2O3S研究结果表明：%Re2%O=9.410-18；%Ce%S=1.2 10-4；Ce2O2S=4 10-16；CeS、Ce3S4、Ce2S3的反应自由能（J/mol)分别为-364650、-420240、-442680。稀土元素脱氧脱硫的产物与钢中原始氧硫含量的关系稀土氧化物稀土氧硫化物稀土硫化物S/O100第165页/共207页1627钢中不同氧硫含量下加入Ce生成产物的平衡图第166页/共207页稀土为变性剂硫和稀土元素含量的临界值第167页/共207页稀土夹杂的性状与钢中硫、稀土含量的关系第168页/共207页CaOAl2O3相图第169页/共207页钙的沸点1491，蒸汽压与温度的关系：1600 pCa=0.187MPa，硅、碳、铝可提高钙在钢中的溶解度，钢中要加入硅钙和其它钙合金。钙脱氧：Ca(g)+O=(CaO)lgKCa=-34680/T+10.035 1600 KCa=3.010-9 Ca+O=(CaO)lgKCa=-33865/T+7.620 1600 KCa=3.4710-11脱氧产物为低熔点的12 CaO7Al2O3改变Al2O3夹杂性状，从钢液排出。第170页/共207页钙脱硫Ca(g)+S=（CaS）(S)Ca(g)+O=（CaO）(S)钙处理钢中Al、S含量与形成夹杂物的关系反应自由能得出钙先降低钢中氧再与硫反应，硫高时同时与氧、硫反应。1550时不同不同反应产物的生成条件第171页/共207页喂丝（WF）合金芯线处理技术，将CaSi、稀土合金、铝、硼铁等合金或添加剂制成包芯线，通过机械的方法加入钢水内部，对钢液进行脱氧、脱硫、夹杂物变性及合金化等处理，以改善冶金过程，提高钢的纯净度，优化产品的使用性能，降低处理成本。在吹氩技术配合下，具备喷粉的优点，弥补了喷粉的缺点，在添加易氧化元素，调整钢的成分，控制气体含量，设备投资与维护，生产操作与运行费用，产品质量，经济效益和环境保护等方面更显著的优势。第172页/共207页1)包芯线我国生产的包芯线主要有硅钙、稀土合金、铝镁、钛铁、硼铁。它是用低碳钢薄带（0.20.6mm）把芯料包裹压制成。q表观质量要求：v铁皮接缝的咬合程度；v外壳表面缺陷；v断面尺寸均匀程度；q内部质量要求：v质量误差（4.5%）；v填充率（单位长度包芯线芯料的质量与单位包芯线的总质量之比）；v压缩密度（单位容积内添加芯料的质量）；v化学成分；第173页/共207页2）喂丝机1 喂线机2 芯线4 中间包3 钢包5结晶器6 模注第174页/共207页钢包喷粉工艺以SL为例70年代瑞典研制成功，我国引进最多的喷粉装置。其主要特点：o喷粉系统中设有回收罐o微孔尼龙套或其它弥散 孔透气材料组成流态化段o利用喷粉罐与管道内压 差控制喷粉速率o下料喉口更换方便第175页/共207页工艺过程脱氧出钢，出钢温度高于规定1020 钢包到喷粉站：脱硫剂一般为硅钙粉（Si54%,Ca30%）粒度小于1 mm；喷枪使用前要烘烤（600800）。喷枪插入钢液：喷枪口距包底250300mm；喷吹压力0.250.35MPa；喷吹时间210min；供粉速率710kg/min；粉气比830；氩气流量0.50.6m3/min（水分10ppm）。精炼后的钢液到连铸。SL法可喷吹CaSi、CaC2、Mg+CaO、FeB等第176页/共207页马钢于1987年从瑞典进口一台SL装置，设计年产量35万吨，SL精炼后氧化物、硫化物夹杂级别大大提高，夹杂物总量0.0024%，喷吹CaSi粉精炼的脱硫率可达71%，脱氧率为3060%。第177页/共207页SL法喷粉装置布置图1储料罐2喷粉罐3喷枪4钢包5喷枪把持升降 旋转机构6喷枪放置架7过滤器8回收罐第178页/共207页工艺参数1）喷枪插入深度（h）：保证粉气流不会冲到包底。h=H-hc 式中：H包内钢液熔池深度 hc粉气流的喷入深度 式中：d0 喷嘴孔口直径 u 粉气流在喷嘴出口处的速度 粉气流的密度 金属熔体的密度 g 重力加速度第179页/共207页混匀时间的等值线第180页/共207页2）喷吹压力粉气流在喷出口的压力P1=P0/0式中：P0喷口处介质的反压 0与粉粒的比热容、载流气体的密度、粉气 比的因素有关的系数，不同粉气比时的0值见下表：喷吹压力为喷枪口压力加上管道的压降.第181页/共207页3）喷吹时间决定于钢液允许的降温量和降温速率。喷吹时间要满足精炼反应要求：吹氩搅拌喷吹时间略大于混匀时间，对于喷粉喷吹时间应大于或等于反应所需时间和产物排出时间总和。喷吹硅钙粉时,理论计算直径大于0.045mm的粉粒可穿透气液界面进入钢液中，因此硅钙粉的粒径范围选01.0mm，平均0.1mm，脱硫的速率方程式：脱硫60%、70%、80%需时间3.3、4.35、5.82min。吹气搅拌条件下，夹杂物和产物从钢中排出时间可以计算得出，一般只需12min。t脱硫所需的时间，min;St、S0分别为喷粉tmin和原始硫含量第182页/共207页4）供料速率单位时间内喷粉罐输出的粉料量。粉剂用量和喷粉时间之比，是一个非独立的参数，取决于粉剂种类、罐内外的压差和喉口直径。5）载流气体流量和粉气比 载流气体的用量仅需保证钢液的搅拌和粉粒的均匀稳定输送，一般供气强度取0.010.02m3/tmin。可推算载流气体用量和粉气比。第183页/共207页冶金效果脱硫净化钢液和控制夹杂物形态提高合金收得率改善钢液的浇注性能第184页/共207页TN法装置：喷粉罐，气力输送系统，喷枪及其升降和回转系统，操作控制系统。特点：设备简单；喷粉罐容积小，安装在喷枪架的悬臂上，随着喷枪一起升降和旋转，管路短，可用硬管连接；喷粉罐上设有上下两个出料口TN法主要用于喷粉脱硫，喷吹的粉剂主要有CaC2、CaSi、Mg粉和石灰粉。第185页/共207页攀钢于1985年从德国麦素公司引进了TN喷粉的主体设备。喷粉设备和工艺喷粉设备：喷粉罐熔剂为1 m3，喷枪为高铝整体打结，内径为10mm，带有微调合金化系统。冶金效果脱硫率一般可达89.75%。处理后钢中总氧含量可达16ppm。夹杂物数量减少57%以上，呈细小、球状均匀分布。第186页/共207页不同喷粉装置的工艺参数第187页/共207页不锈钢:在空气、水、酸、盐的水溶液中及其它氧化性气氛中具有很高的化学稳定性。铁素体不锈钢：含碳量一般小于0.1%，铬1330%。单相的铁素体组织，Cr17、Cr25、Cr28。马氏体不锈钢：含碳0.10.4%，铬1618%。淬火得到马氏体组织。1Cr13、2Cr13、3Cr13。奥氏体不锈钢：含铬1720%，镍911%，常温仍保持奥氏体组织。不磁化、硬度小、加工性能好。Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9。强度低、塑性好，可用冷加工的方法使之加工硬化提高强度。2.6不锈钢精炼第188页/共207页不锈钢不锈钢二步法二步法:是指初炼炉熔化精炼炉脱碳的工艺流程,常见有初炼炉AOD炉；初炼炉MRP转炉；初炼炉VOD炉等。不锈钢三步法:在二步法基础上增加深脱碳的装备，通常有初炼炉AOD（LF）VOD；初