冶金概论5炉外精炼.ppt
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1、第五章 炉外精炼(Secondary Refining),/00:14:2418:11:51,2,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5.3.1 RH5.3.2 LF,/00:14:2418:11:51,3,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。,/00:14:2418:11:51,4,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
2、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。,/00:14:2418:11:51,5,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
3、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。,/00:14:2418:11:51,6,5.1 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。,/00:14:2418:11:51,7,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
4、炉外精炼设备。,/00:14:2418:11:51,8,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。,/00:14:2418:11:51,9,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
5、料、能源和劳动力消耗,/00:14:2418:11:51,10,5.2 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,/00:14:2418:11:51,11,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,/00:14:2418:11:51,12,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,
6、/00:14:2418:11:51,13,5.2.3 精炼手段的功能及代表方法,/00:14:2418:11:51,14,精炼的作用及方法,/00:14:2418:11:51,15,5.2.3.1 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。,/00:14:2418:11:51,16,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:
7、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,/00:14:2418:11:51,17,1、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
8、的吹氩搅拌均采用透气砖底吹法。,/00:14:2418:11:51,18,2、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。,/00:14:2418:11:51,19,/00:14:2418:11:51,20,/00:14:2418:11:51,21,真空,当冶金反应生成物为气体时,通过减小反应体
9、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
10、有VD、RH等。,/00:14:2418:11:51,22,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。,/00:14:2418:11:51,23,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,/00:1
11、4:2418:11:51,24,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),/00:14:2418:11:51,25,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。,/00:14:2418:11:51,26,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
12、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。,/00:14:2418:11:51,27,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
13、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。,/00:14:2418:11:51,28,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
14、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。,/00:14:2418:11:51,29,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)。,/00:14:
15、2418:11:51,30,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(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。,/00:14:2418:11:5
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