炉外精炼教学课件

炉外精炼材料科学与工程学院董方1概述把常规炼钢炉中要完成的精炼任务，如脱硫、脱氧、脱磷、去除气体和夹杂物、调整钢的成分和温度等，移到钢包或专用容器中进行，也叫二次冶金或钢包冶金。（SecondarySteelmakingProcess），“二次精炼”（SecondaryRefining）。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50%以上。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BochumerVerein(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）。1.1炉外精炼的产生和发展60－70年代，高质量钢种的要求，产生了各种精炼方法；80－90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；21世纪，更高节奏及超级钢的生产。1.2炉外精炼的冶金特点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。1.3炉外精炼的冶金功能熔池搅拌功能提纯精炼功能钢水升温控温功能合金化功能生产调节功能1.4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；保证连铸过程的顺利进行（缓冲、温度调整）扩大品种（转炉）1.5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。炉外精炼手段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；2)真空处理目的：提高真空度可将钢中C、H、O降低；3)搅拌目的：加速反应的进行均匀成分、温度手段：电磁搅拌吹气搅拌4)喷吹技术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VOD；混合气体喷吹AOD；粉气流的喷吹TN；固体物加入—喂线。5)调温提高生产率的需要；保证连铸的顺利进行；加热方法：电加热：电弧加热、感应加热等化学热：铝氧加热法2炉外精炼理论和工艺2.1合成渣洗目的: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）；2.1.1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1）成分（compositions）CaO-SiO2-Al2O3、B、(CaO)u（参与冶金反应的CaO数量）、FeO、S常用的渣洗合成渣成分图2）性质熔点（meltingpoint）流动性粘度（Viscosity）图CaO—Al2O3渣系的粘度与(CaO)的关系1600℃时粘度与（CaO+MgO）的关系（CaO-MgO-SiO2-Al2O3渣系）炉外精炼渣的主要成分CaO:50—55%；MgO:6—10%；SiO2:15—20%；Al2O3:8—15%；CaF2:5%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。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相的表面张力有关。熔渣表面张力σS=σ1N1+σ2N2+·······；熔渣的表面张力还是温度的函数。钢液的表面张力受温度和成分的影响，在炼钢温度下一般为1100—1350dyn/cm。渣钢界面张力σm-s=σm-σscosθdyn/cm还原性2.1.2渣洗的精炼作用1）合成渣的乳化和上浮乳化：rmin=2σm-s/cρmH表2—8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，提高σm-s，降低渣温，延长镇静时间，降低钢的粘度等都利于渣滴上浮。1231000%]%][[lglg22TaOSiKSiOSismsmgdDV)(2）合成渣对钢中元素脱氧能力的影响硅的脱氧[Si]+2[O]=SiO2硅、锰综合脱氧铝脱氧2[Al]+3[O]=（Al2O3）lgKAl=-64000/T+20.48=lg[Al%]2[O]3/aAl2O3Ar喷CaO+CaF2粉、铝粉可提高铝脱氧能力。不同Mn含量时钢水中1600℃,[Si],[O]平衡浓度1231000%]%][[lglg22TaOSiKSiOSi不同碱度、T=1873K时钢中氧和硅的关系CaO—Al2O3渣中各组元活度1873K时与不同铝含量相平衡的氧含量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0[%]lg2.3[%]BOAABOA4）夹杂的去除钢种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。渣成分对Ls的影响Ls与(CaO%)u、(FeO%)的关系CaO—Al2O3渣中，Ls与(CaO%)u的关系LS与(FeO)、(CaO)u的关系2.2渣洗工艺2.2.1工艺异炉渣洗同炉渣洗混合炼钢2.2.2功能通过在专门的炼渣炉中熔炼，出钢时钢液与炉渣混合，实现脱硫及脱氧去夹杂功能；局限：不能去除钢中气体；2.2真空2.2.1基本原理2.2.1.1钢液的真空脱气一、钢液脱气的热力学N2=2[N]钢中氢的主要来源：22[][%]HOHOpHKO2[]NNNKp22[][]HOHO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。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。2）真空脱气的速率（1）式中：[G]t—为真空脱气t时间后钢液中的气体浓度[G]0—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0[]0.434lg[]tGAktGV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的确定可以根据公式（1）由实验计算，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：122()eDkt式中：D—扩散系数，1600℃氮5.510-5cm2/sec;氢3.5110-3cm2/sec;氧2.610-5cm2/sec。te—熔体内某一体积元在气液界面停留时间0.01—0.1秒,与温度、搅动情况有关，一般0.01-0.1。3）钢液沸腾时脱气的速率22[%][%][%]12GdGMdCPGdtKdt2022411()[%][%]ArGVPKMGG4）吹氩搅拌时脱气的速率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0.44—0.75，未脱氧钢吹氩0.8—0.9。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2.2.1.2钢液的真空脱氧一、氧在钢中的溶解氧在钢中的溶解度决定于钢液温度和成分。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：6320lg[%]2.734OT1160lg2.003cKT[%][%]coCcopKfCfO由以上关系推导出：1525℃，与0.1%碳平衡的氧含量：PCO=1atm[O]=250ppm;PCO=10-6atm[O]=0.0251ppm。lg()2.6450.31[%]0.54[%][%][%]COpCOOC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。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钢液的静压力真空压力'COaPPghr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的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=2.010-4;DO=2.610-5)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。[%]([%][%])OSDdOAOOdV[%]dOd——钢中氧浓度的变化速率OD——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[%]SO——气液界面上反应平衡时的氧含量[O%]S[O%][O%]0，可以将[O%]S忽略，积分得出下式：0[%]2.303lgOVAD[%]O——钢液经脱氧处理秒后的未脱氧率即残氧率碳脱氧的速率液滴在真空中脱氧率的计算四、如何有效的进行真空碳脱氧碳脱氧前使钢中氧处于易与碳结合状态。适当加大吹氩量。真空碳脱氧后期加入Al、Si等控制晶粒、合金化、终脱氧。浇注系统采用稳定性高的材料2.2.1.3降低CO分压时的吹氧脱碳一、吹氧脱碳吹氧的目的：助熔、脱碳吹氧脱碳的特征与钢中含碳量有关。二、高铬钢液的吹氧脱碳不锈钢冶炼中，要尽可能的降低钢中碳，同时减小铬的氧化损失，需要研究Fe—Cr—C—O系的平衡，寻求最佳的“降碳保铬”条件。高铬钢液的吹氧脱碳碳和铬的氧化反应式为：（Cr3O4）+4[C]=3[Cr]+4{CO}根据上式计算不同温度和CO分压碳和铬的平衡关系，见下图：34344crcocrocaPKaa三、真空下吹氧脱碳的部位熔池内部钢液熔池表面悬空液滴2COasmPPPPr2COaPPr2.2.2真空精炼工艺1)液面脱气法操作：将钢包放置在真空室内，进行抽真空处理。特点：设备简单，但脱气速度慢，目前已基本不采用。2)钢流脱气倒包法真空铸锭3)真空提升脱气（DH）DH法原理图4)循环脱气法（RH）RH原理图原理：•抽真空，使液面上升1.5米左右；•上升管吹入氩气，带动钢水流动，速度高达5m/s；•在真空室内，钢水呈滴状与真空接触。RH真空工艺过程出钢后，钢包测温取样；下降真空室，插入深度为150-200mm；起动真空泵，一根插入管输入驱动气体；当真空室的压力降到26－10kpa后，循环加剧；钢水上升速度为5m/s、下降速度为1－2m/s；气泡在钢液中将气体及夹杂带出。工艺参数处理容量：被处理钢液的数量。循环脱气过程中的温度损失a真空室预热800℃b真空室预热1200℃分批处理是RH法的主要特点，四种不同的真空室和抽气系统可以处理下列范围的钢液：8—30t；30—120t；120—200t；200—300t。处理时间（）钢包在RH工位停留的时间。处理时间取决于允许的钢液温降和处理时钢液的平均降温速率。允许钢液温降一般为40—55℃，降温速率与处理容量、钢包与真空室的预