炉外处理技术讲座.ppt

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1、炉外处理技术,朱苗勇东北大学2006年3月,内 容 提 要,概述 纯净钢概念 铁水预处理 钢包精炼的基本方法 熔池中的气泡行为 典型精炼工艺,1 概 述,炉外处理技术发展的原因 炉外处理技术的开发历程 我国炉外处理技术的发展与现状 炉外处理技术的基本方法,炉外处理的含义,指在冶炼炉生产铁水、钢水的基础上，以更加经济、有效的方法，改进铁水、钢水的物理与化学性能的冶金技术。包括：铁水预处理（hot metal pretreatment)、钢包精炼(ladle metallurgy)、中间包冶金(tundish metallurgy).,1.1炉外处理技术发展的原因,科学技术进步要求提高钢材质量 高

2、速火车，汽车的轻型高速化，深层采油 用户对钢材质量的要求，其主要指标有钢材纯净度、均匀性能和高的精度。各种炉外处理方式则是获得高纯度、高均匀性和高精度钢材的重要措施。,提高钢材性能和质量的重点之一是钢的超纯净化。即有效降低钢中的有害杂质元素和夹杂物的含量。钢水超纯化，大大减轻了产生中心偏析、裂纹、大型夹杂、气孔、白点和斑疤等缺陷的倾向，使钢组织致密均匀，改善了连铸坯表面及内部质量，使钢材性能大为提高。,精确控制化学成分以保证钢性能稳定 减少钢中P、S含量以改善冲击性能、抗层状拉裂性能、热脆性，并能减少中心偏析和防止连铸坯的表面缺陷；减少钢中氧、氢、氮含量以减少超声波探伤缺陷、条状裂纹等，且能改

3、善钢材的制管性能；控制夹杂物的形态以改善钢的深冲性能和钢的加工性能。,稳定连铸生产要求控制钢水质量 实践表明：没有符合连铸要求的钢水质量，就不可能稳定连铸生产工艺和保证铸坯的质量。采用炉外精炼工艺，虽然投资将增加5-10%，成本将增加10-30元/吨，但可冶炼出具有高质量特性的钢种，能提高总经济效益。,1.2 炉外处理的开发历程,第一阶段，炉外精炼主要用于：提高脱氧控制 由熔池的软吹搅拌去夹杂 通过合成渣和喷射冶金脱硫 通过使用钙使夹杂物变性,第二阶段，开发并使用了钢包炉 加热钢水和温度控制 支撑钢包用于连续浇铸 增加合金的加入量 均匀成份和温度 用于加气体搅拌生产超纯净钢 脱硫 真空脱气去氢

4、和碳,第三阶段是二次精炼真空工艺 的开发 50年前的真空脱气主要用于脱氢,目前用于生产超低碳钢和IF钢。,1.3 我国炉外处理发展与现状,60s-70s:特钢企业和机电、军工行业应用钢水精炼技术。大冶、武钢的RH，北京重型的ASEA-SKF，抚钢的VOD-VAD，首钢的钢包吹氩。80年代:我国炉外处理技术发展奠定基础的时期。国产的LF炉，合金包芯线及喂线设备，铁水喷射脱硫，喷射冶金技术，宝钢引进大型RH装置、KIP喷粉装置，齐钢引进SL，宝钢、太钢引进铁水三脱技术与装备。,90年代:我国的炉外处理技术得到迅速发展，为21世纪炉外处理技术的全面、高水平、快速发展奠定坚实基础。铁水预处理比由199

5、0年的2%增加到2000年的25.1%，钢水精炼比由2.68%增至22.5%，钢水吹Ar喂线比由24.7%增至82%。到1999年8月为止，拥有真空、非真空钢水精炼设备140多台，铁水预处理设备20多台。,2.1 纯净钢的概念,钢中总氧含量和夹杂物水平很低的钢；钢中氧、硫、磷、氮、氢的含量，甚至包括碳含量很低的钢。国外一些先进钢厂，钢中氧、硫、磷、氮、氢五大元素的总含量已达到80ppm以下，目前尚有继续降低的趋势。,纯净钢应是所含杂质很少的钢。减少钢中的杂质含量，可以显著地改善钢材的延展性、韧性、加工、焊接、抗腐蚀等性能。对于钢性能要求不同，纯净度所要求的控制因素也不同。如IF钢，要获得成品钢

6、材的高延展性、高r值以及优良的表面性能，要求钢中碳、氮、氧含量尽可能低；管线钢，为了提高钢的冲击韧性及抗HIC的能力则要求钢中硫、磷含量尽可能低。,2.2 纯净度与钢的性能,硫：在钢中主要以硫化物（MnS、FeS）的形式存在，除对钢材的热加工性能、焊接性能、抗腐蚀性能有大的影响外，对力学性能的影响主要表现在：与钢材轧制方向的性能相比，非轧制方向（横向、厚度）的强度、延展性、冲击韧性等显著降低；,显著降低钢材抗氢致裂纹（HIC）能力。用于高层建筑、重载桥梁、海洋设施等重要用途钢板目前硫控制在80ppm以下，将来会降到50ppm以下；用于含H2S等酸性介质油气输送用管线钢硫含量目前已降低到（5-1

7、）ppm。,磷：对钢材的延展性、低温韧性、调质钢的回火脆性有很大影响，优质钢对磷的要求已由（200-400）ppm降到150 ppm以下，对于少数钢种，如9Ni的低温储罐用钢，要求磷在30ppm以下。磷低浓度条件下对绝大多数钢材的延展性没有明显影响。磷属于偏析较严重的元素，对凝固有较大影响，会造成组织结构脆化，对于大多数钢种磷降到100ppm左右即可满足钢材延展性要求。,氮：对钢材性能的危害主要表现为：加重钢材的时效；降低钢材的冷加工性能；造成焊接热影响区脆化；对于新一代汽车用超深冲IF钢冷轧钢板，氮要求低于25ppm；对于厚板为了保证焊接热影响区的韧性，钢中氮应低于20ppm。,氧：氧主要是

8、以氧化物系非金属夹杂物的形式存在于钢中。非金属夹杂物对钢材的疲劳特性、加工性能、延性、韧性、焊接性能、抗HIC性能、耐腐蚀等性能均有显著的影响。如用于轮胎的钢帘线要求钢中总氧含量小于10ppm，夹杂物尺寸小于5m；,轴承钢中钢总氧量每低1ppm，其寿命可提高10倍，总氧量为46ppm；优质宽厚板和管线钢连铸坯总氧量要求小于10ppm，MnS夹杂全部转化为球形CaS；用于易拉罐的镀锡板要求总氧含量小于10ppm，钢中Al2O3夹杂物小于10m；生产汽车外板（O5板）要求钢中总氧含量小于20ppm，且Al2O3杂物尺寸小于20m。,3 铁水预处理,铁水预处理工艺已成为转炉钢厂大量生产洁净钢的必要手

9、段。国外大型转炉已100%采用此工艺。日本五大钢铁公司铁水“三脱”预处理的比例已超过90%。,铁水预处理技术发展经历三个时期：石灰系铁水脱硫处理工艺；铁水脱硅，喷吹法铁水同时脱硫、磷的“三脱”预处理工艺；铁水镁脱硫工艺和转炉脱硅、脱磷的“三脱”预处理工艺。,3.1 铁水炉外脱硅,在日本和欧洲，高炉铁水的硅含量平均分别为0.3%和0.6%,北美为1.0%.硅含量差别将对高炉和转炉操作产生影响。铁水最佳含硅量取决于BOF的铁水比。在日本铁水比为92-97%（最佳Si含量0.2-0.4%)，北美则为56-80%(最佳含量0.8%)。,低硅铁水的生产明显节省了BOF的操作成本：1)氧气消耗和熔剂消耗降

10、低；2)渣量减少，金属收得率提高；3)耐材消耗减少，炉衬寿命增加。,铁水炉外脱硅的方法,高炉出铁场主沟内喷吹铁皮与石灰的混合物；将轧钢铁皮和石灰加到摆动流嘴内；铁水罐内吹氧或将石灰喷入铁水中，轧钢铁皮加在铁水表面。,铁水炉外脱硅动力学,铁水脱硅反应可表达为：W为消耗的熔剂量（kg/t)；k为常数。,硅从铁水转移到渣中的反应可表达为：有利脱硅因素：1)低温 2)较低的SiO2活度 3)较高的FeO活度,3.2 铁水炉外脱磷,80年代初日本，有30-40%的高炉停产，BOF中铁水废钢比也明显增加，BOF温度升高不有利于脱磷；铁水炉外脱磷最大优点可使BOF装载铁水的时间最小化，可明显提到底吹喷咀的寿

11、命。,铁水脱磷预处理目前主要在铁水包、鱼雷罐车中喷粉脱磷和氧气转炉对铁水脱磷处理两种。采用铁水包或鱼雷罐车中喷粉脱磷，须将铁水进行脱硅处理，将硅脱除至0.15%-0.20%，然后再对铁水进行脱磷。脱磷剂主要采用Fe2O3-CaO-CaF2系，炉渣碱度控制在2.5-5.0，处理终了磷可脱到0.015%-0.050%。,在氧气转炉中进行铁水脱磷处理，利用氧枪、加料和除尘等装置，无需先行脱硅处理，处理时间短，渣铁分离完全，处理后的铁水兑入另一转炉进行炼钢。脱磷实质是一个氧化反应：PFe+5FeOflux=P2O5+5Fe 有效脱磷的条件：高氧势、低P2O5活度和低温。,3.3 铁水炉外脱硫,主要有K

12、R和喷粉脱硫两种工艺，目前采用较多的是在铁水包或鱼雷罐车中喷粉脱硫工艺。脱硫早期多采用CaC2，考虑环境和成本的原因，目前多采用CaO+CaF2粉剂，用量3-8 kg/t，脱硫率在40-80%，处理终了铁水S可脱至100-80ppm。,为了用较少的熔剂消耗达到更有效的脱硫，在CaO中混入Mg或CaC2，可以将硫降到50ppm以下。脱硫反应：CaOflux+SFe=CaSslag+OFe 高温和低氧势对反应有利。在同一容器中先脱磷，后紧接着脱硫。如在脱磷后期不吹氧而添加苏打。,4.1 钢包精炼的基本方法,1、吹氩 通过钢包底吹氩或浸入式喷枪喷吹，依靠钢水中上浮的氩气泡粘附渣滴以及上浮气泡引起的钢

13、液流动来实现均匀成分温度、去夹杂和加速反应的目的。,钢包吹氩搅拌的作用:,均匀钢水温度。由于包衬吸热和钢包表面散热，包衬周围钢水温度较低，中心区域温度较高，钢包上、下部钢水温度较低，而中间温度较高，这种温度差异导致中间包浇注过程钢水温度前后期低，中期高。钢包吹氩搅拌促使钢包钢水温度稳定均匀，有利于提高铸坯内部质量，使结晶器内坯壳生长均匀，避免开浇水口冻钢断流。,均匀钢水成分。出钢是在钢包内加入大量的铁合金，成分不均匀，吹氩搅拌过程中可根据快速分析提供的钢水成分而进行成分微调，以使钢的成分控制范围更窄，以确保钢材性能均匀。,促使夹杂物上浮。搅动的钢水促使了钢种非金属夹杂物碰幢长大，上浮的氩气泡能

14、够吸收钢中的气体，同时粘附悬浮与钢水中的夹杂物并带至钢水表面被渣层所吸收。生产实践表明，吹氩搅拌后钢水氧含量有明显降低，其降低幅度与脱氧程度有关，一般可降低20%以上。吹氩搅拌排除的夹杂物数量与钢水液面上覆盖渣层FeO含量有关，渣中的FeO含量越低，吹氩搅拌夹杂物排除的量越多。,2、真空脱气 通过在钢液表面抽真空来减少钢中的有害气体。此设想1860年贝塞麦就提出，直至二战后才得以工业应用。VC、SLD（Shift Ladle Degassing）TD（Tap Degassing）、VD ISLD(Induction Stirring Ladle Degassing)VSR(Vacuum Sla

15、g Refining)DH、RH、PM（Pulsating Mixing Process）,在真空条件下对钢水进行精炼的一种处理工艺。真空脱气工艺已成为现代高质量钢生产过程不可分割的一部分。钢水流脱气 钢包脱气 钢水循环脱气,3、带有加热装置精炼法 LF(Ladle Furnace)GRAF(Gas Refining Arc Furnace)ASEA-SKF VAD(Vacuum Arc Degassing)CAS-OB,钢包加热系统,LF加热功能，可为连铸准备温度合适的钢水，精炼后有很好的纯净度，协调初炼炉与连铸机工序，保证多炉浇铸。VAD(Vacuum Arc Degassing)精炼炉是

16、美国公司研制的，将加热和脱硫结合，它具有电弧加热、吹氩搅拌、真空脱气、包内造渣、合金化多种精炼功能，能精确控制温度和成分。ASEA-SKF法也称桶式精炼炉，是瑞典公司研制的，它具有在钢包内对钢液真空脱气、电弧加热、电磁搅拌的功能。,CAS是成分调整密封吹氩法，由日本发明，该工艺采用低吹氩强搅拌将液面渣层吹开，将下耐火材料制作的浸渍罩，浸渍深度为200mm，在密封的浸渍罩内迅速形成氩气保护气氛，可加入各种合金进行微合金化，合金吸收率高而稳定，钢的质量有明显改善。为了解决钢加热的问题，日本又在CAS法基础上增设顶吹氧枪和加铝粒设备，通过溶入钢水内的铝氧化发热，实现钢水升温，称之为CAS-OB工艺，

17、OB就是吹氧的意思。,CAS-OB工艺主要包括：,吹氧升温和终点温度控制。吹氧过程连续加入铝粒，合理控制加铝量和吹氧量之比是避免钢中C、Si、Mn等元素烧损和控制钢中酸溶铝含量的关键技术。一般每吨钢水升温1，铝耗量为350-450g，升温速度快。吹氩与夹杂物排除。采用加铝升温，铝氧化生成大量Al2O3夹杂，并可能使钢中铝含量升高。因此在加热过程中，要精确控制加铝量和吹氧量之比以及搅拌强度，升温后要保证一定时间的弱吹氩搅拌，促进夹杂物上浮。合金微调。在CAS处理中补加合金进行钢水成分的最终调整，实现窄成分控制。,4、低碳钢液的精炼方法 VOD(Vacuum Oxygen Decarburizat

18、ion)SS-VOD(Strong Stirring VOD)RH-OB(RH-Oxygen Blowing)RH-(K)TB(RH-Top Blowing)AOD(Argon Oxygen Decarburization)CLU(法Creusot-Loire和瑞Uddeholm),VD(Vacuum Degassing)法是将转炉、电炉的初炼钢水置于真空室中，同时钢包底部吹氩搅拌的一种真空处理法。可进行脱碳、脱气、脱硫、去除杂质、合金化和均匀钢水温度、成分等处理。其主要设备由真空系统、真空罐系统、真空罐盖车及加料系统组成。适于生产各种合金结构钢、优质碳钢和低合金高强度钢。在VD炉上增加顶吹氧

19、系统，构成VOD炉。此法可以完成真空吹氧脱碳的功能，适宜冶炼低碳钢和低碳不锈钢。,VD真空处理依靠钢包底部全程吹氩搅拌，目的是均匀钢水的成分和温度，促进真空脱气、去硫、成分调整、夹杂物上浮，尤其是喂线后的软吹氩更是去除钢中氧化物夹杂的有效方法。与RH真空处理工艺相比，VD的精炼强度受到钢包净空的严格制约。一般要求钢包净空为8001000mm；若进行钢液碳脱氧工艺时，钢包净空应不小于900mm；若实现吹氧脱碳工艺，则钢包净空为1.21.5m。,AOD炉即氩氧脱碳法(Argon Oxygen Decarburization)，它是美国联合碳化物公司的专利，AOD炉的炉体类似氧气转炉，是一种常压下的

20、精炼设备。AOD法通过炉体下部侧面吹入氩氧混合气体，由于氩气稀释降低钢液中pCO,使高铬钢水在减压下进行脱碳反应。由于AOD法可以在不太高的冶炼温度和常压下将高铬钢液中的碳降到极低的水平，而铬又没有明显的烧损。该精炼法投资省，生产效率高，生产费用低，产品质量高，操作简便。因此，全世界大部分不锈钢都是由AOD炉来生产的。,5、固体料添加法 IRSID喷粉法 TN法（德Thyssen-Niederhein）SL法(Scandinavian Lances)ABS法(Aluminum Ball Shoot)WF法（Wire Feeding）,喷粉和加合金,钢包加合金工艺不断发展，以节省合金料用量，精确

21、控制钢的成分。工艺进展分三步：1）从块状合金加入发展到喷粉加入 2）用喂丝工艺代替喷粉工艺 3）钢包站上装连通管在惰性气氛下加 不少喷粉工艺是在70年代中期发展起来的，如TN、SL。它要求钢包的钢水必须无渣，以便进行有效脱硫，此外钢包上方必须有300mm的自由空间。,钢包喷粉的冶金效果：,脱硫。一般脱硫、脱氧用硅钙粉，成分为wSi=54%,wCaO=30%,粒度小于1mm，其中小于0.125mm占50%以上，喷枪距包底250-300mm，喷吹压力为0.25-0.35MPa，喷吹时间为2-10min，供粉速率为7-10kg/min，氩气流量为0.5-0.6m3/min。钢中硫含量可以将到0.01

22、%以下，一般为0.005%，最低可达0.002%。,净化钢液和控制夹杂物性态。喷吹钙、钙的合金或含钙的化合物时，不仅降低钢中夹杂的含量，还可以改变夹杂物的性态。喷钙后，由于其脱氧、脱硫能力强，它能取代MnS中的Mn，并还原MnO、FeO、SiO2、Al2O3等氧化物夹杂。CaO与Al2O3可形成低熔点的铝酸盐（12CaO7Al2O3或CaO Al2O3），在钢液中成球状，易于上浮排除。由于夹杂物总量减少，特别是由群族状Al2O3和长条状MnS变成细小的圆球状，因而钢在不降低强度的条件下，显著的提高塑性和冲击韧性，并使钢材的各向异性也得到显著的改善。,提高合金吸收率。喷入的合金粉剂能直接与钢水接

23、触，有相当大的接触界面和相当长的接触时间。特别是对于一些易氧化的元素，如硼、钛、钒、钙等，可避免它们在炉气、炉渣中的烧损，使钢水成分稳定，对合金元素吸收率高。改善钢水的可浇性。经钙处理的钢水，流动性显著提高，改善了钢水的可浇性。由于CaO与Al2O3结合成低熔点铝酸钙（12CaO7Al2O3）在钢水中呈球状易上浮，避免了水口的堵塞。目前真空精炼设备与喷粉组合成新的精炼工艺，可进一步提高钢水精炼效果。,钢包喂丝,一种方法是用金属丝通过喂丝机喂入钢液；另一种是用芯线将所需加入的粉密封在钢套中并制成盘卷，在精炼时喂入。与喷粉相比，喂钙芯线设备和工艺简单，同时钢液的扰动较小，降低钢液的热损失并减少从大

24、气中吸氧和吸氮量。,各种炉外精炼方法的共同特点：有一个理想精炼气氛 搅动钢水 补偿温度损失采用加热设施,5 熔池中的气泡行为,气泡行为是钢水精炼中最重要的现象之一，在精炼体系中，一方面有着气泡内部以及相互的相对运动（分散、聚合）；另一方面还有气泡与介质之间的相对运动，而且伴随着传热和传质，甚至反应，因此，气泡的大小、形状、运动情况无疑对精炼操作有很大的影响。,5.1 气泡形核生成,气泡存在于液相时,气泡内压修正可写为:在均相体系内，只有处于高度饱和，才能形核成泡。冶金熔体中气泡的生成属于非均相形核，原因在于熔体中存在大量的形核物质。,当气泡长大到其浮力超过其表面张力时，气泡将脱落。气泡脱落时的

25、直径可Fritz公式估算，即 气泡开始长大到脱落所需的时间:,5.2 气泡孔口的生成,在浸入式喷口上形成气泡时，可能作用在气泡上的力有：浮力Fb，残余压力Fp，出口动量产生的力Fk。同时气泡还受到介质中力的作用，如惯性力Fi，表面张力Fs和粘性阻力Fd等。气体流量很低时，粘性力和惯性力的作用可以忽略，可认为浮力和表面张力接近于平衡，即可导出气泡直径的计算公式。,取cos=1 上式只适用于NRe0200，如将密度g为1.2kg/m3的空气通过一直径为1.3mm的孔口鼓泡进入水中时，可得气泡直径为db=4.06mm。,当气体流量较大时，200NRe02100时，气泡的长大和最终体积主要决定于惯性力

26、。气泡浮力：Fb=Vb(l-g)g 惯性力:气泡完全形成并脱落孔口时，气泡半径rb=s。,取=11/16 Ar-Al体系，8001000，Vb=2.75Qg6/5g-3/5 Ar-Fe体系，13501400，Vb=2.86Qg6/5g-3/5 相对应的气泡频率分别为12-16s-1(Ar-Al)和8-12s-1(Ar-Fe)，均小于空气水体系中测得的频率。,佐野正道和森一美提出了从小到中等气体流量下气泡尺寸的计算式，此式是在水银和铁液中通过实验获得的。,5.3 液体中气泡的形状,很小的气泡可以认为是球形，而大的气泡则会变形，成椭球，也可以是球帽形，即前部为球形的一部分，而后部则平坦或者凹曲。气

27、泡的形状取决于作用在气泡表面上的力。表征气泡形状的主要参数是雷诺数(NRe)、韦伯数(NWe)、奥脱斯数(NEo)、和莫顿数(NMo).,NRe1000，NEo50时，气泡呈球冠形，相当于在低粘度或中等粘度液体中上升的大气泡；NRe处中间、NEo较大时，气泡呈裙形或微凹形，这相当于高粘度液体中上浮的大气泡；在中间雷诺数和奥脱斯数下，气泡呈椭球形和盘状，不断摆动并盘旋上升。,5.4 液体中单个气泡的运动,不同流动条件下气泡上浮速度与直径存在着不同关系，可分为以下四种情况：（1）小气泡，NRe2，小气泡在液体中运动时相当于刚体球，用斯托克斯公式计算上浮速度:,（2）中等尺寸球形，25000，气泡呈

28、球冠形，上浮时对液体有强烈的搅拌作用，在其下方形成尾流。这时气泡上浮，速度与液体的性质无关，与当量直径的平方根成正比。,5.5 两相区中气泡群的行为,在精炼反应器中，在有气泡存在的情况下，气泡往往以气泡群的形式出现，这种分散气泡群对增大体系内的反应面积起着很重要的作用。描述气泡群特性的主要参数有空塔速度ub,s、气流滞留比g和气泡平均直径等。,佐野正道和森一美测定了水银中分散气泡的平均直径db与空塔速度的关系:列维奇建议用下式计算湍流体系中最大气泡直径db,max 可计算钢水中（1600、1.5atm、=1.5m1）氮气泡最大尺寸为60mm，水中最大尺寸为10.4mm。,大量的研究结果表明:两

29、相区的气泡频率和含气率在径向呈高斯分布，可用高斯函数来描述；在轴向线上气液两相区呈锥形扩展，含气率沿轴线迅速下降，两相区的几何结构取决于液体的特性和修正的Froude数。描述两相区气泡分布比较有代表性的结果:,5.6喷吹气体对熔池的搅拌作用,钢水精炼过程中喷吹气体，其冶金效果是加快熔池中的化学反应速度，促使熔池中温度和成分的均匀，加速非金属夹杂的排除。其最基本的功能是搅拌。吹入的气体是通过对液体作功来实现搅拌的目的。,吹入气体对液体作功，包括四个方面：膨胀功：气体在喷咀附近由于温度升高引起 体积膨胀而做功 浮力功：气泡上浮过程中因浮力和膨胀做功 动力功：喷吹时气体流股的动能做功 静压力功：气体

30、喷出时残余静压力使气体膨 胀做功。,从理论上计算气体搅拌熔池的总功率,众多研究者的结果表明，气泡在上升过程中所作的功（浮力功膨胀功）是引起熔池搅拌混合的最主要部分，气体动能很大一部分在喷口消耗。,气体对熔池所作的功率用搅拌能密度来表示 精炼钢包内的搅拌混合特性通常用均匀混合时间来体现。所谓均匀混合时间中指熔池从某一状态到达所需均匀度的时间。均匀混合时间常用加入示踪剂的方法来测定，也可以通过数值计算来获得。实际上通常定义95%的混合度。,很显然，熔池中的均混时间与熔池中的搅拌功率有直接关系，通常是用下式来表示它们之间的关系，即 体系不同，系数a、b值也各不相同。除此之外，均混时间还受液体性质和操

31、作条件如喷吹位置和数目、熔池直径和高度等的影响。,6 RH真空精炼技术,概况 RH真空处理的冶金功能 RH真空脱碳机理 RH真空精炼过程研究,6.1 概 况,RH精炼法最早是由德国Ruhrstahl和Heraeus公司共同设计的真空精炼设备。最初是用于脱氢。目前已经发展成为能够脱除碳、硫、磷、氧和夹杂以及升温、调整成分等的多功能精炼设备。由于RH功能不断被扩展，引伸而诞生了RH-OB、RH-KTB、RH-PB等多功能的二次精炼设备。RH真空精炼技术得到迅速发展，目前世界上有150多座RH装置投入使用。,6.2 RH真空处理的冶金功能,脱氢：RH真空脱气装置的脱气效率很高，对于完全脱氧的钢水，其

32、脱氢率可不小于60%，而未完全脱氧钢水，脱氢率可不小于70%。脱氢效率在一定真空度下取决于钢水的循环次数。一般情况下，脱气15-20min，可将钢水中原始含量降到2ppm以下。,脱氮：由于钢中的氮的溶解度是氢的15倍，且硫和氧影响脱氮速率，因此，RH真空脱气的脱氮效果不明显，通常效率为0-10%。脱氧：在真空条件下，由于碳、氧反应非常激烈，产生的CO气体很快被抽走，因此，RH真空脱气的脱氧效果比较好，一般经过RH真空处理的钢水，全氧含量可保持在20-50ppm，特别好的炉次还能低于这个含量。,脱碳：RH最主要的功能是脱碳，金属中的氧和渣中的(FeO)用于脱碳，经过RH处理可将钢中的碳降到20p

33、pm以下。脱硫：RH体系本身脱硫效果并不好，但如与其他设备连接如RH-PB，RH顶枪喷粉，情况就会改变。脱硫率可达到50%-75%。,去夹杂：采用RH处理，有可能使氧总量低于15ppm，此外，合金收得率比较高，被氧化的合金元素少。成分控制精确：合金加料系统能快速、准确、均匀将所需合金加入到真空室内，使钢中成分可控制在非常小范围。,在普通RH真空室的顶部安装水冷氧枪，构成RH-KTB工艺。RH-KTB法是由日本川崎钢铁公司开发的工艺（Kawasaki Top Blowing）。在真空脱气的同时，吹氧进行脱碳，以生产碳含量极低（wC0.0020）的超深冲用薄板钢。吹氧二次燃烧所产生的化学热还可用于

34、钢水升温。RH-KTB可配备喷粉系统，通过顶枪向真空室钢水内喷吹脱硫粉剂，构成RH-KTB/PB工艺，可实现真空喷粉脱硫。,RH法处理效果：,一般脱氢率5080，脱氮率1525，降低夹杂物65以上。处理后可达到以下水平：RH法适用于对含氢量严格要求的钢种，主要是低碳薄板钢，超低碳深冲钢、厚板钢、硅钢、轴承钢、重轨钢等。,RH-KTB处理效果：,RH法加顶吹氧可提高脱碳速度，缩短真空脱碳时间，提高RH真空脱碳前钢水碳含量0.02以上，初始碳含量可为0.06，增加了升温功能。处理后可达到以下水平：RH-KTB法适用钢种同RH法，多用于超低碳钢、IF钢及硅钢的处理。RH-KTB/PB法增加钢水脱硫功

35、能，处理后可成产的超低硫钢种。,6.3 RH真空脱碳机理,RH炉中脱碳反应的区域：钢液和喷射进入上升管Ar气泡的界面 真空室中钢液的自由表面 脱碳反应形成的CO气泡,RH中的脱碳五个步骤：1）钢液从大包到真空室的供应 2）钢液中C到气液界面的质量传输 3）钢液中O到气液界面的质量传输 4）气液界面上的化学反应（C+O=CO)5）CO在气相中的质量传输 2），4）和5）认为可能是速度控制环节。,真空室中自由表面的脱碳 脱碳由液相控制，速率方程可表示为：,6.4 RH循环流量模型,前人提出的循环流量计算模型：,根据RH真空精炼的特点，建立描述RH装置内循环流量理论模型。循环流量模型从两个角度出发：

36、（1）以上升管中Ar气泡为核心而发生的去N、H作用和C-O反应，因而沿上升管轴线方向，气液两相流的含气率逐步增加，使气液两相各自的绝对速度与两相流的相对速度逐步变化；（2）上升管中气液两相流的动量平衡。,基本方程（1）液相中各元素的浓度平衡方程（2）气相中各元素的浓度平衡方程（3）气液两相流的连续方程（4）液相的动量平衡方程和（5）气相的理想气体状态方程,循环流量模型研究结论：气体流量的增大并不一定带来钢液循环流量的提高。对于一定直径的浸渍管，当循环流量达到极大值后，可以通过扩大浸渍管的直径，使循环流量达到一个较大的值。随着提升气体吹入位置的降低，循环流量随之增大，但并不很明显。碳含量对循环流

37、量的影响与提升气体的流量有关。在真个精炼过程中，即使提升气体流量保持不变，循环流量也会因碳含量的降低而发生改变。,6.5 RH流动与脱碳模型,控制方程：,源项 在描述真空室内碳的行为时，可表达成，为脱碳的速度常数，在RH装置的其他区域为零。,RH流动与脱碳模型研究结论：RH处理过程中，脱碳前期，真空槽内的碳浓度较大包中的低得多，大包内的大回流区碳浓度最高，但经过真空槽循环后，浓度明显下降，此时脱碳的速率较大；随着脱碳的进行，真空槽与大包和大包内部碳浓度的差别越来越小，脱碳速率也明显降低。,增大提升气量有利于RH脱碳速率的增加，但效果不是特别明显，尤其是处理初期。上升管直径增加明显加快了RH处理

38、过程中的脱碳速率，与增加吹气量相比，增加上升管直径的效果更明显。,有无KTB吹氧操作对RH精炼脱碳影响很大。顶吹氧能显著加速初期的脱碳，在初始氧含量较低时，如果不实行KTB操作，将无法在RH装置中实现超低碳精炼，相反，如果在RH处理中进行KTB操作，不仅可以加速脱碳，缩短冶炼时间，而且可以将初始碳含量提得更高。,7 LF炉工艺,主要优点：精炼能力强，脱氧、脱硫、净化钢水效果好，钢的质量显著提高；适宜生产超低硫，超低氧钢种。具有电弧加热功能，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，精炼成本低。设备简单，投资较少。,LF炉

39、的精炼功能：,埋弧加热。加热时电极插入渣层中进行埋弧加热，辐射热小，减少对包衬的损坏，热效率高。氩气搅拌。通过底吹氩搅拌加速钢-渣之间的物质传递，利于脱氧、脱硫反应的进行，并促进夹杂物的上浮去除，特别是对Al2O3类型的夹杂物上浮去除更为有利。同时加速钢水温度和成分的均匀，达到精确地调整钢水的成分。,炉内还原气氛。钢包与炉盖密封起到隔绝空气的作用，加之石墨电极氧化产生CO气体，炉内形成了还原气氛，钢水在还原条件下进一步脱氧、脱硫及去除非金属夹杂物，并避免增氮。白渣精炼。LF炉精炼的白渣是的还原渣。通过高碱度的还原渣，借助氩气搅拌，实现有效的扩散脱氧、脱硫和去除非金属夹杂物。LF炉的4大精炼功能

40、互相渗透，互相促进。炉内的还原气氛，在加热条件下的吹氩搅拌，提高了白渣的精炼能力，创造了一个理想的精炼环境，从而使钢的质量显著提高。,LF炉脱氧和脱硫的原理 LF炉可以采用沉淀与扩散脱氧相集合的脱氧方式。沉淀脱氧是直接向钢水中加入脱氧剂进行脱氧，其制约因素是脱氧产物不易全部上浮到渣相中导致钢水不纯；扩散脱氧是根据分配定律，钢水中氧向渣相中扩散，其脱氧的限制环节是渣-钢界面传质慢。LF炉具有还原渣精炼和底吹氩强搅拌形成了 良好的动力学条件，加大了扩散脱氧中渣-钢间氧的传输速度和沉淀脱氧中脱氧产物的上浮速度，钢水中的氧含量能将到很低的水平。,脱硫的化学反应式为：脱硫能力用分配系数Ls表示：当溶解氧

41、不变时，硫的分配系数随（CaO）的增加而增大，随（FeO）、（SiO2）的增加而减少。脱氧程度对脱硫效果的影响很大，LF炉高碱度还原精炼渣脱氧效果良好，低氧活度可增加熔渣的脱硫能力。（CaO）含量高，（FeO）、（SiO2）含量低，对脱硫反应十分有利，脱硫效率高。与硅相比，铝具有较强的脱氧能力。一般铝处理的钢水，渣中（FeO+MnO）的含量相当低，脱硫也彻底。,LF炉白渣精炼工艺的要点：,1)白渣出钢，控制吨钢水下渣量不大于5kg/t；2)钢包渣改质，控制钢包渣碱度R2.5，渣中；3)白渣精炼，处理周期有限，白渣形成越早，精炼时间越长，精炼效果越好，一般采用CaO-Al2O3-SiO2系渣，保持熔渣良好的流动性和较高的渣温，钢包渣的最终控制成分列于表。高碱度、低熔点、低氧化铁的精炼渣能有效脱硫，吸收夹杂物，降低钢中TO。4)控制LF炉内为还原气氛；5)良好的底吹氩搅拌，保证炉内既有较高的传质速度。,表 LF炉钢包渣最终控制成分,