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当前位置:首页 > 临时分类 > 北科大,河北理工,东大8-二次精炼
8钢液的二次精炼反应HebeiPolytechnicUniversitySchoolofMetallurgyandEnergy主要内容8.1二次精炼概述8.2钢液的真空处理8.3吹氩处理8.4合成渣处理8.5喷吹粉料处理8.6钢中夹杂物的变形(变性)处理1)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。2)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。3)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。炉外精炼产生的原因8.1.1炉外精炼的概念炉外精炼将在转炉或电炉内初炼的钢液倒入钢包或专用容器内进行脱氧、脱硫、脱碳、去气、去除非金属夹杂物和调整钢液成分及温度以达到进一步冶炼目的的炼钢工艺一步炼钢两步炼钢炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化、脱磷、脱碳、去除杂质和主合金化,获得初炼钢液将初炼的钢液在真空、惰性气体或还原性气氛的容器内进行脱气、脱氧、脱硫、去除夹杂物和成分微调等精炼初炼提高钢的质量,缩短冶炼时间,优化工艺过程并降低生产成本炉外精炼的优点二次精炼(SecondaryRefining)二次炼钢(Secondarysteelmaking)二次冶金(SecondaryMetallurgy)钢包冶金(LadleMetallurgy)炉外精炼8.1.2炉外精炼的主要目的和任务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3)经济方面炼钢技术的发展方向任务•1)降低钢中氧、硫、氢、氮和非金属夹杂物含量,改变夹杂物形态,以提高钢的纯净度,改善钢的机械性能。•2)深脱碳,满足低碳或超低碳钢的要求。在特定条件下,把碳脱到极低的水平。•3)微调合金成分,把合金成分控制在很窄的范围内,并使其分布均匀,尽量降低合金的消耗,以提高合金收得率。•4)调整钢液温度到浇铸所要求的温度范围内,最大限度地减小包内钢液的温度梯度。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。1)渣洗: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。2)真空:将钢液置于真空室内,由于真空作用使反应向生成气相方向移动,达到脱气、脱氧、脱碳、除去有害挥发成分等目的。真空是炉外精炼中广泛应用的一种手段。8.1.3炉外精炼的手段8.1.3炉外精炼的手段3)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。4)加热:调节钢液温度的一项重要手段,使炼钢与连铸更好地衔接。加热方法:电弧加热法和化学加热法。8.1.3炉外精炼的手段5)喷吹:用气体作载体将反应剂加入金属液内的一种手段。喷吹的冶金功能取决于精炼剂的种类,它能完成脱碳、脱硫、脱氧、合金化和控制夹杂物形态等精炼任务。一般炉外精炼方法都是渣洗、真空、搅拌、喷吹和加热这五种精炼手段的不同组合,采用一种或几种手段组成一种炉外精炼方法8.1.3炉外精炼的手段8.2钢液的真空处理作用:达到去除溶解的挥发性组分、脱气、脱碳(脱氧)、脱硫和去除夹杂物的目的8.2.1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8.2钢液的真空处理8.2.1挥发性杂质的去除8.2.1.1元素的挥发系数元素在真空下的挥发速率遵从朗格谬尔公式:RTMcpvBBB2'式中:—挥发速率,量纲Bv12smkgc—朗格谬尔系数BM—挥发组分B的摩尔质量—挥发组分的蒸气压'Bp对于铁基二元系,挥发元素的挥发系数:1)高真空下元素挥发过程成为限制性环节时,挥发系数为:8.2钢液的真空处理8.2.1挥发性杂质的去除8.2.1.1元素的挥发系数**FeFeBBBFeppMM式中:α为挥发系数MFeMB分别为合金元素和Fe的摩尔质量γB,γFe分别为合金元素和Fe的活度系数分别为纯合金组分及Fe的蒸气压,Pa*Bp*Fep,8.2钢液的真空处理8.2.1挥发性杂质的去除8.2.1.1元素的挥发系数)100/][1ln()100/][1ln(FeB2)挥发元素受熔体中扩散限制时,挥发系数为:式中:w[B]为组分B的相对挥发量,w[Fe]为Fe的相对挥发量。w[B],w[Fe]可分别由下式计算:][][BVAdtBdBtVABBB][][ln0][][FeVAdtFedFetVAFeFeFe][][ln0(微分式)(积分式)(微分式)(积分式)式中:分别为熔体中B和Fe的传质系数,,数量级为BFe1sm15410~10sm,由挥发系数α可以推断高真空条件下,合金元素能否通过挥发除去,一般来说α10的元素可以经挥发除去。铁基二元合金中,某些元素的挥发系数见表8-1所示。8.2钢液的真空处理8.2.1挥发性杂质的去除8.2.1.1元素的挥发系数8.2钢液的真空处理8.2.1挥发性杂质的去除8.2.1.1元素的挥发系数Mn、Cu、Sn比较容易挥发,而Ni、Co反而在铁液中富集(Fe挥发量更多)8.2钢液的真空处理8.2.1挥发性杂质的去除8.2.1.1元素的挥发系数元素活度相互作用系数对挥发元素挥发的影响:提高挥发元素活度系数的其它元素存在,就能促进该元素的挥发;反之,降低挥发元素活度系数的元素存在,则降低该元素的挥发。8.2.1.2挥发元素去除的动力学环节真空条件下,钢液中元素的挥发由下列环节组成:1)钢液中溶解元素原子向钢液-气相界面扩散:2)元素原子在钢液表面吸附时,经脱附而挥发:)(*11BBCCkv*2**22)2/()/(BBFeBBBcRTMMpCkv8.2钢液的真空处理8.2.1挥发性杂质的去除8.2.1.2挥发元素去除的动力学环节真空条件下,钢液中元素的挥发由下列环节组成:3)挥发元素通过钢液表面的浓度边界层向气相扩散:1)钢液中溶解元素原子向钢液-气相界面扩散:2)元素原子在钢液表面吸附时,经脱附而挥发:)(*11BBCCkv*2**22)2/()/(BBFeBBBcRTMMpCkv)()(*33gBBCCkv挥发性较小的元素,如Fe、Ni、Co等元素挥发的限制性环节为元素向界面的扩散;挥发性较大的元素,如Mn、Sn等元素的挥发限制性环节为钢液表面这些元素的脱附;元素浓度低及真空度也比较低(),元素挥发的限制性环节为(3)。pa1008.2钢液的真空处理8.2.2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8.2钢液的真空处理8.2.2真空脱气三个环节中,限制真空脱气的环节主要是(1),由此得到真空脱气的速率计算:])[][(][XXVAdtXdvXtVAXXXXX3.21][][][][lg0平平——微分式——积分式式中:为钢液气体的初始质量分数;溶解气体的平衡值;在真空条件下,,因此速率积分式0][X平][X0][][][XXX平可简写为:tVAXXX3.21][][lg08.2钢液的真空处理8.2.3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0.1%-0.45%后,即可采用真空脱碳。例如:当'COp为100kPa、10kPa、1kPa时,分别达到和][][OC3105.23105.25105.2、,即和都大幅度降低。][C][O][C1)真空脱碳8.2钢液的真空处理8.2.3真空脱碳(脱氧)2)真空脱氧真空条件下,脱氧剂为碳:当脱氧元素浓度时,%1.0][BkPapCO10'、碳的脱氧能力高于硅的脱氧能力;而kPapCO1.0'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,w[C]较高时,[O]的扩散为限制性环节,由此可计算脱氧速率:)][][(][*OOVAdtOdOtVAOOO3.21][][lg0——微分式——积分式8.2.4真空处理时钢液和耐火材料的反应8.2钢液的真空处理真空处理时,钢液与容器耐火材料接触时,耐火材料中的氧化物能够被钢液中的碳还原:COMgCMgOgs)()(][COSiCSiOs2][][2)(2COAlCOAls3][2][3)(32随着真空度的提高,促使以上反应向右进行'COp下降→真空熔炼或处理时,需要选择不容易被碳还原或还原后元素溶解于钢液中且对钢性能不产生影响的氧化物耐火材料,例如MgO、CaO、ZrO2、SiO2等作炉衬。8.2.5真空脱气方法8.2钢液的真空处理8.2.5.1真空提升脱气法(DH法)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。DH法的设备如下图所示。1-合金添加料斗;2-真空排气管;3-钢液;4-氩气管;5-渣;6-滑动水口图5-3DH真空提升脱气装置示意图8.2.5真空脱气方法8.2钢液的真空处理8.2.5.1真空提升脱气法(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。1-合金添加料斗;2-真空排气管;3-钢液;4-氩气管;5-渣;6-滑动水口图5-3DH真空提升脱气装置示意图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,如果室内压力为13.3~66Pa,则提升钢液约1.48m。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。8.2.5真空脱气方法8.2钢液的真空处理8.2.5.1真空提升脱气法(DH法)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。8.2.5真空脱气方法8.2钢液的真空处理8.2.5.1真空提升脱气
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