第五章炉外精炼.

1炉外精炼：在转炉、电弧炉之外，加上必要的精炼装置，对初炼钢液进行精炼或处理，这一精炼过程，统称为炉外精炼。2§1炉外精炼的理论基础炉外精炼应用真空、钢液搅拌、加热、渣洗等技术，或其组合技术，大大强化了冶金反应过程，最终达到提高钢的纯净度，控制夹杂物的性质和形态等的目的。3§1炉外精炼的理论基础——真空脱气（I）真空脱气包括真空脱氧、脱氮和脱氢冶金过程中的各种化学反应，都是向平衡状态方向自发进行。改变系统压力可以影响化学平衡，例如反应生成物为气体时，减少系统的压力，可以使化学平衡向增多气体物质的方向移动。这就是真空可以使已经达到平衡的脱气、脱碳、脱氧反应继续进行，从而提高钢液的质量。45§1炉外精炼的理论基础——真空脱气（I）实际生产过程中在熔池内部，因为生成气泡要克服气相总压力、液体静压力和毛细管压力的作用，CO气泡内的压力必然大大超过金属上面气相中CO的分压力，其CO的气相压力为式中，p(g)为金属熔池上面的气相压力；ρ为液体金属的密度；H为气泡逸出点上面金属液柱的高度；σ为金属液的表面张力；r为气泡核的半径。rHppgCO26§1炉外精炼的理论基础——真空脱气（I）如果向钢液中吹入惰性气体，形成很多小气泡，这些小气泡内CO含量几乎为零，钢液中的碳、氧能在气泡表面生成CO而进入气泡中。直至气泡中的CO分压达到与钢液中的ωC、ωO相平衡的数值为止。这就是吹氩法脱气和脱氧的理论依据。7§1炉外精炼的理论基础——真空脱气（I）双原子的气体（N2、H2、O2）在金属中的溶解度与气体压力的平方根成正比。如果对于纯铁来说，当温度为1600℃时，与氢的质量分数0.0002%和氮的质量分数0.0033%的金属液平衡时，气相中氢和氮的分压力应为8§1炉外精炼的理论基础——真空脱气（I）氮与钢液中多种元素生成稳定的氮化物，靠真空状态下脱氮，气相中氮的分压力必须低于氮化物的分解压力才有可能。钢液真空脱气与真空脱氧非常相似，特别是脱氮，其热力学条件虽然具备，但实际的脱氮效果很差，原因就在于动力学条件。9§1炉外精炼的理论基础——钢液搅拌（II）钢液搅拌是炉外精炼过程中强化冶金动力学条件的重要手段搅拌是向系统输送能量，使钢液和熔渣产生运动10§1炉外精炼的理论基础——钢液搅拌（II）（一）气体搅拌气体可通过安装在精炼钢包底部的透气塞、风眼或喷枪来吹入，吹入气体的比搅拌能受吹气量（例如Ar、N2等）、钢液温度和真空度的影响。吹氩的作用：脱氧、脱碳、去气、搅拌钢液及去除夹杂物等为了达到预定的去气、脱氧的效果，通常把至少必须的吹氩数量称为临界供氩量11表5-1给出了在1600℃、0.1MPa下吹氩去气和脱氧的临界吹氩量的理论计算值。12§1炉外精炼的理论基础——钢液搅拌（II）（二）感应搅拌用低频率电流，通过改变熔体中的电磁场来搅拌钢液。感应搅拌的比搅拌能是线圈电流、线圈与钢液之间距离的函数。13§1炉外精炼的理论基础——钢液搅拌（II）（三）RH循环搅拌和DH提升搅拌RH与DH输入搅拌能可用下式计算式中分别为下降管的线速度、环流量及钢液质量14§1炉外精炼的理论基础——钢液搅拌（II）（四）钢液的搅拌效果钢液搅拌使精炼炉中的加入物与钢液的混合均匀时间缩短，消除温度、浓度梯度，促进精炼反应。1516§1炉外精炼的理论基础——钢液搅拌（II）钢包吹氩搅拌能促进脱氧产物（非金属夹杂物）从钢液中分离出去①吹氩的搅拌作用，缩短了夹杂物向钢液表面移动的距离，增大了夹杂物上浮的速度；②增大夹杂物颗粒间碰撞的几率，促进了夹杂物的长大；③使夹杂物附着于气泡表面，起到浮选的作用。17图5-3为大冶特殊钢公司60t钢包精炼炉生产高碳铬轴承钢，吹氩搅拌铝脱氧钢液时钢中ωΣO的减少情况。211;218图5-4钢包吹氩时，Al2O3系夹杂物指数的变化19§1炉外精炼的理论基础——精炼炉渣（III）钢液与炉渣相互作用时的脱氧、脱硫速度可用下式表示单位S平衡n式中，t为时间(s)；为渣、钢单位接触面积，等于总接触面积与钢液总体积之比；ωn钢液中硫或氧的质量分数（%）；为硫或氧的平衡质量分数（%）；βi为取决于渣和钢中的物质扩散速度及搅动功率的传质系数。20最佳的炉外精炼渣成分如表5-2所示212[C]+O2=2COAr+O2混合气体ArArArArArArAr钢液渣§1炉外精炼的理论基础——气体稀释脱碳（IV）22§1炉外精炼的理论基础——气体稀释脱碳（IV）向钢液中吹入惰性气体和氧气的混合气体，氧参与脱碳反应，而惰性气体不参与化学反应，从熔池中逸出，它在上升中的气泡相当于一个小真空室，脱碳反应生成的CO气体向氩气泡中扩散，将CO的分压Pco不断降低，这就是促进了金属熔池中下面两个反应的进行23§1炉外精炼的理论基础——气体稀释脱碳（IV）熔池中产生的CO气体不断被氩气所稀释，有利于上述反应向右进行，从而使钢液的含碳量很容易降低，同时还能保护钢液中的[Cr]不被氧化，这就是气体稀释法的原理。24第二节炉外精炼装置及工艺特点炉外处理的手段有吹氩、真空、电磁搅拌、渣洗、喷粉、喂线等炉外精炼技术的发展的三个阶段真空脱气、加热精炼及优化组合25第二节炉外精炼装置及工艺特点——脱气及炉外处理装置（I）（一）真空液面脱气法、真空浇铸法和滴流钢包脱气法①真空液面脱气法:将具有60~100℃过热度的钢液出至盛钢桶内，然后将盛钢桶放入真空室内或盖上真空密封盖，进行减压状态下脱气和去夹杂处理。这种脱气方法称为真空液面脱气法。26第二节炉外精炼装置及工艺特点——脱气及炉外处理装置（I）27第二节炉外精炼装置及工艺特点——脱气及炉外处理装置（I）（二）DH、RH脱气法、RH-OB法在脱气方法的基础上，为了进一步降低处理过程中的温度损失，提高脱气效率，进行成分微调，去除钢中夹杂物，开发出真空提升脱气法-DH和真空循环脱气法-RHDH、RH特点：借助真空和氩气的受热膨胀，将钢液吸入真空室，进行间歇或循环脱气，为耐火材料吸附夹杂物或上浮创造了良好的条件，去氢效果极佳、温降小2829第二节炉外精炼装置及工艺特点——脱气及炉外处理装置（I）（三）喷粉装置主要功能是脱硫、脱磷、脱氧、排除钢中夹杂物，改变夹杂物的形态以及微量元素，易氧化元素的合金化。30第二节炉外精炼装置及工艺特点——脱气及炉外处理装置（I）钢包喷射冶金的特征表现在：①扩大反应面积：1mm以下的粉剂，与块状料相比，反应面积成几十倍甚至几百倍增加，喷入的粉料在钢液内的传质过程可以在粉料或反应产物上浮至钢液表面以前充分进行，甚至在钢液深部完成。②连续的可控供料：连续供料可以均衡冶金反应过程，提高冶炼效果。③解决微合金化元素和易氧化元素的加入问题：对于密度显著轻于或显著重于钢液的合金材料、在炼钢温度下蒸气压很高的元素和有毒气体的元素等31第二节炉外精炼装置及工艺特点——脱气及炉外处理装置（I）④反应在熔池强烈搅动下进行：冶金过程精炼用物料采用粉剂喷吹进入钢液内部，所有反应均在熔池强烈的搅动下进行，可以显著改善冶金反应的热力学和动力学条件。图5-14是钢包喷射冶金的示意图。3233第二节炉外精炼装置及工艺特点——脱气及炉外处理装置（I）（四）钙处理技术加钙处理的目的:脱硫、改善连铸钢液的流动性，改善切削性能，改善横向力学性能。钢中加钙的作用：①能细化晶粒、脱氧、脱硫，改变非金属夹杂物的成分、数量及形态；②改善钢的耐蚀性、耐磨性、耐高温、耐低温性能；③提高钢的塑性、冲击韧性、疲劳强度和焊接性能；④增强钢的抗热裂、抗氢致裂纹和抗层状撕裂等性能。34第二节炉外精炼装置及工艺特点——脱气及炉外处理装置（I）（五）喂线技术金属钙是一种强脱氧剂和脱硫剂，然而，它是一种非常活泼的金属，在1600℃钙的蒸气压达到156.8kPa，很快气化用80~300m/min的速度将钙线送到钢液静压力超过钙蒸气压力的深度。在1600℃时，超过金属钙蒸气压力的要求深度为1.5m。35第二节炉外精炼装置及工艺特点——具有加热功能的精炼装置（II）（一）ASEA-SKF法桶炉由一个钢包（内衬碱性耐火材料）和钢包车、一个电极炉盖和一个真空炉盖所组成，并配有电磁感应搅拌器、蒸气喷射泵，可在桶炉内进行各种不同的冶炼工序，包括：除渣、感应搅拌、电弧加热、脱氧、合金化、脱硫、脱气，最后将钢液注入锭模36ASEA-SKF桶炉（Ladlefurnace）真空脱气精炼法，见图5-16。37（二）VAD法一个带多孔塞的钢包、电极加热密封盖、真空室、多极蒸气喷射泵和加料系统组成。38（三）LF法四个部分：带有搅拌器的常规钢（氩气搅拌方式）；带有电极孔的钢包加热盖；加热装置；真空系统。39（四）CAB法一种钢包吹氩精炼装置（CAS）和氧枪吹氧（OB）的工艺组合40第二节炉外精炼装置及工艺特点——炉外精炼工艺优化（III）炉外精炼技术发展的第三阶段，形成了独立而完整的炉外精炼工艺，它表现在根据精炼装置的机能，进行合理的组合与搭配、前后工序的合理配置与完善，即精炼工艺的最优化在炉外精炼工艺优化阶段，多种精炼装置的合理组合搭配，及喷粉、钙处理、喂线技术与连铸机或VOD、LF等炉外精炼设备的配合，生产高质量钢。41§3炉外精炼方法的选用原则及冶金质量——炉外精炼方法的选用原则(I)⑴选择炉外精炼方法时，提高钢的纯洁度与提高生产效率和经济效益应该同时考虑⑵在选择炉外精炼方法时，不仅为了满足钢的纯洁度及更精确地控制化学成分，有效地改善钢的力学性能，以适应多种复杂和恶劣的工作条件的要求，同时还要满足钢生产的本身来自连铸、压力加工、热处理等后步工序的要求。42表5-3列出了几类炉外精炼装置的处理时间范围43炉外精炼装置所能达到的成分控制指标见图5-444§3炉外精炼方法的选用原则及冶金质量——高质量钢的生产技术及精炼效果(II)(一)EF-VAD-IC工艺效果工艺一：50t高功率电弧炉熔化废钢，氧化脱碳、脱磷、自由放渣，最后将炉渣碱度调整到R=1.0~2.5，翻炉出钢，钢包合金化，接着加热，调整钢液成分（包括补加脱硫剂调整钢液含硫量），在真空下脱气精炼。工艺二：将真空精炼改为非真空加氩搅拌精炼精炼时间都在60min左右45§3炉外精炼方法的选用原则及冶金质量——高质量钢的生产技术及精炼效果(II)炉外精炼工艺特点：⑴初炼钢液事先用铝沉淀脱氧，然后再进行精炼。⑵真空精炼与非真空吹氩搅拌精炼的脱氧、去除夹杂物的效果没有差异⑶将精炼渣的碱度控制在1.0~2.5范围内，可以减少钢液中的含钙量（≤20×10-4%），从而导致高碳铬轴承钢不会出现不变形的球状夹杂物，提高了轴承钢的疲劳寿命。46表5-5为高碳铬轴承钢采用大气下熔炼和炉外真空精炼的气体和夹杂物的测定结果。47采用炉外精炼工艺生产的渗碳钢(G20CrNi2Mo)的氧含量及非金属夹杂物含量与其尺寸分布列于表5-648采用炉外精炼工艺生产的渗碳钢(G20CrNi2Mo)的力学性能及淬透性列于表5-749采用炉外精炼工艺生产的渗碳钢(G20CrNi2Mo)的疲劳寿命列于表5-850采用氩气搅拌方式的炉外精炼工艺生产高质量钢，影响其质量的主要因素⒈精炼渣氩气搅拌方式有利于渣-钢间的物理化学反应。要求深度脱硫的钢种，既要控制精炼渣的碱度，同时还应控制渣中Al2O3的含量；在精炼高碳铬轴承钢时，渣的碱度控制在较低的范围内(1.0~2.5)。⒉搅拌强度不管是真空精炼或非真空下的吹氩搅拌精炼，一定的搅拌强度是获得高质量钢的必备条件。(见图5-3)⒊吹氩搅拌时间60t钢包精炼炉以70~200L/min吹氩搅拌，搅拌时间是影响氧含量的主要因素（见图5-3）。51EF-LF-RH-CC工艺特点⒈扩大炉子容量、采用偏心炉底出钢系统炉子容量的扩大，提高了生产效率。采用偏心炉底出钢系统，减少了钢液的二次氧化，同时能隔开氧化渣，有利于无渣出钢，使在精炼包内的还原过程更容易进行。⒉采用LF钢包炉加热精炼钢包炉的加热功能使温度和浇铸时间的控制成为可能⒊RH真空循环脱气避开精炼渣，只对钢液进行循环脱气和去除夹杂物。⒋大截面连铸机浇铸钢坯带有两段或三段电磁搅拌，可使残留于与钢液中的夹杂物在