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HHF炼钢知识培训第一节 钢铁产品的分类一、黑色金属和有色金属1、黑色金属：是指铁和铁的合金。如钢、生铁、铁合金、铸铁等。钢和生铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。 钢与生铁的区别：首先是碳的含量，理论上一般把碳含量小于2.11%称之钢，它的熔点在1450-1500，而生铁的熔点在1100-1200。在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体，随着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和冲击韧性降低。钢具有很好的物理、化学性能与力学性能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，其用途十分广泛。 生铁是指把铁矿石放到高炉中冶炼而成的产品，主要用来炼钢和制造铸件。 把铸造生铁放在熔铁炉中熔炼，即得到铸铁（液状,含碳量大于2.11%的铁碳合金），把液状铸铁浇铸成铸件，这种铸铁叫铸铁件。铁合金是由铁与硅、锰、铬、钛等元素组成的合金，铁合金是炼钢的原料之一，在炼钢时做钢的脱氧剂和合金元素添加剂用。 含碳量低于2.11%的铁碳合金称为钢，把炼钢用生铁放到炼钢炉内按一定工艺熔炼，即得到钢。钢的产品有钢锭、连铸坯和直接铸成各种钢铸件等。通常所讲的钢，一般是指轧制成各种钢材的钢。 2、有色金属：又称非铁金属，指除黑色金属外的金属和合金，如铜、锡、铅、锌、铝以及黄铜、青铜、铝合金和轴承合金等。另外在工业上还采用铬、镍、锰、钼、钴、钒、钨、钛等，这些金属主要用作合金附加物，以改善金属的性能，其中钨、钛、钼等多用以生产刀具用的硬质合金。以上这些有色金属都称为工业用金属，此外还有贵重金属：铂、金、银等和稀有金属，包括放射性的铀、镭等。二、钢的分类钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。钢的分类方法多种多样，其主要方法有如下七种：1、按品质分类(1) 普通钢（P0.045%，S0.050%）(2) 优质钢（P、S均0.035%）(3) 高级优质钢（P0.035%，S0.030%）2、按化学成份分类(1) 碳素钢：a.低碳钢（C0.25%）；b.中碳钢（C0.250.60%）；c.高碳钢（C0.60%）。(2) 合金钢：a.低合金钢（合金元素总含量5%）；b.中合金钢（合金元素总含量510%）；c.高合金钢（合金元素总含量10%）。3、按成形方法分类：(1) 锻钢；(2) 铸钢；(3) 热轧钢；(4) 冷拉钢。4、按金相组织分类(1) 退火状态的：a.亚共析钢（铁素体+珠光体）；b.共析钢（珠光体）；c.过共析钢（珠光体+渗碳体）；d.莱氏体钢（珠光体+渗碳体）。(2) 正火状态的：a.珠光体钢；b.贝氏体钢；c.马氏体钢；d.奥氏体钢。 (3) 无相变或部分发生相变的5、按用途分类(1) 建筑及工程用钢：a.普通碳素结构钢；b.低合金结构钢；c.钢筋钢。(2) 结构钢：a.机械制造用钢：(a)调质结构钢；(b)表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氨钢、表面淬火用钢；(c)易切结构钢；(d)冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷镦用钢。b.弹簧钢c.轴承钢(3) 工具钢：a.碳素工具钢；b.合金工具钢；c.高速工具钢。(4) 特殊性能钢：a.不锈耐酸钢；b.耐热钢：包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢；c.电热合金钢；d.耐磨钢；e.低温用钢；f.电工用钢。(5)专业用钢如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、农机用钢等。6、综合分类(1)普通钢a.碳素结构钢：(a) Q195；(b) Q215(A、B)；(c) Q235(A、B、C)；(d) Q255(A、B)；(e) Q275。b.低合金结构钢c.特定用途的普通结构钢(2)优质钢（包括高级优质钢）a.结构钢：(a)优质碳素结构钢；(b)合金结构钢；(c)弹簧钢；(d)易切钢；(e)轴承钢；(f)特定用途优质结构钢。b.工具钢：(a)碳素工具钢；(b)合金工具钢；(c)高速工具钢。c.特殊性能钢：(a)不锈耐酸钢；(b)耐热钢；(c)电热合金钢；(d)电工用钢；(e)高锰耐磨钢。7、按冶炼方法分类(1) 按炉种分a.转炉钢：(a)酸性转炉钢；(b)碱性转炉钢。或 (a)底吹转炉钢；(b)侧吹转炉钢；(c)顶吹转炉钢。b. 电炉钢：(a)电弧炉钢；(b)电渣炉钢；(c)感应炉钢；(d)真空自耗炉钢；(e)电子束炉钢。(2)按脱氧程度和浇注制度分a.沸腾钢；b.半镇静钢；c.镇静钢；d.特殊镇静钢。 第二节 钢铁是怎样炼成的一、炼钢的基本任务 所谓炼钢，就是将废钢、铁水（生铁）等炼成具有所要求化学成分的钢，并使钢具有一定的物理化学性能和力学性能。为此，必须完成下列基本任务：按所炼钢种的质量要求，调整钢中碳和合金元素含量到规定范围之内，并使P、S、H、O、N等杂质的含量降至允许限量之下。炼钢过程实质上是一个氧化过程，炉料中过剩的碳被氧化，燃烧成CO气体逸出，其它Si、P、Mn 等氧化后进入炉渣中。S部份进入熔渣中，部份则生成SO2排出。当钢水成份和温度达到工艺要求后，即可出钢。为了除去钢中过剩的氧及调整化学成份，可以添加脱氧剂和铁合金或合金元素。二、炼钢工艺手段：造渣：调整钢、铁生产中熔渣成分、碱度和粘度及其反应能力的操作。目的是通过渣金属反应炼出具有所要求成分和温度的金属。例如氧气顶吹转炉造渣和吹氧操作是为了生成有足够流动性和碱度的熔渣，以便把硫、磷降到计划钢种的上限以下，并使吹氧时喷溅和溢渣的量减至最小。 出渣：电弧炉炼钢时根据不同冶炼条件和目的在冶炼过程中所采取的放渣或扒渣操作。如用单渣法冶炼时，氧化末期须扒氧化渣；用双渣法造还原渣时，原来的氧化渣必须彻底放出，以防回磷等。 熔池搅拌：向金属熔池供应能量，使金属液和熔渣产生运动，以改善冶金反应的动力学条件。熔池搅拌可藉助于气体、机械、电磁感应等方法来实现。 吹送气体：通过置于炉底、炉顶或炉壁的喷嘴将N2、Ar、CO2、CO、CH4、O2等气体根据工艺要求吹入炉内熔池以达到加速熔化，促进冶金反应过程的目的。如电炉中静止的钢液脱硫需3060分钟；而在炉精炼中采取搅拌钢液的办法脱硫只需35分钟。钢液在静止状态下，夹杂物上浮除去，排除速度较慢；搅拌钢液时，夹杂物的除去速度按指数规律递增，并与搅拌强度、类型和夹杂物的特性、浓度有关。采用底吹工艺可缩短冶炼时间，降低电耗，改善脱磷、脱硫操作，提高钢中残锰量，提高金属和合金收得率。并能使钢水成分、温度更均匀，从而改善钢质量，降低成本，提高生产率。 向钢液中吹入惰性气体，这种气体本身不参与冶金反应，但从钢水中上升的每个小气泡都相当于一个“小真空室”（气泡中H2、N2、CO的分压接近于零），具有“气洗”作用。炉外精炼法生产不锈钢的原理，就是应用不同的CO分压下碳铬和温度之间的平衡关系。用惰性气体加氧进行精炼脱碳，可以降低碳氧反应中CO分压，在较低温度的条件下，碳含量降低而铬不被氧化。 真空冶炼：依靠真空泵对某一给定的容器进行抽空，形成负压，也就是气压要低于当地的大气压值，单位用帕表示，即Pa。作用一脱除钢中H、N气体，脱氢率可达40-80%，脱氮主要是间接进行，消除钢中由于氢造成的白点；作用二脱氧（深层次），真空下碳的脱氧能力大于硅铝，形成的CO气泡不污染钢液；作用三钢液的沸腾与夹杂物的去除，温度和成分得到均匀；作用四低熔点元素的挥发。喷粉精炼：利用氩气或氮气为载体将粉料直接喷射到钢液的深部，显著地改变钢液内的冶金反应的热力学和动力学条件，扩大了反应界面；连续、可控地供料；包内熔体激烈搅动。三、转炉炼钢简介 从鱼雷车运来的铁水经过脱硫、挡渣等处理后即可倒入转炉中作为主要炉料，另加10% 以下的废钢。然后，向转炉内吹氧燃烧，铁 水中的过量碳被氧化并放出大量热量，当探头测得达到预定的低碳含量时，即停止吹氧 并出钢。 一般在钢包中需进行脱氧及调整成份操作；然后在钢液表面抛上碳化稻壳防止钢水被氧化，即可送往连铸或模铸工区。对要求高的钢种可增加底吹氩、RH真空处理、喷粉处理（喷SICA粉及变性石灰）可以有效降低钢中的气体与夹杂，并有进一步降碳及降硫的作用。在这些炉外精炼措施后还可以最终微调成份，满足优质钢材的需求。四、电炉炼钢简介 电炉炼钢主要利用电弧热，在电弧作用区，温度高达4000。冶炼过程一般分为熔化期、氧化期和还原期，在炉内不仅能造成氧化气氛，还能造成还原气氛，因此脱磷、脱硫的效率很高。 以电为能源的炼钢过程。此类炼钢炉即电炉，种类有电弧炉、感应电炉、电渣炉、电子束炉、自耗电弧炉等。通常说的电炉钢是用碱性电弧炉生产的钢。电炉钢多用来生产优质碳素结构钢、工具钢和合金钢。这类钢质量优良、性能均匀。在相同含碳量时，电炉钢的强度和塑性优于转炉钢。电炉钢用相近钢种废钢为主要原料，也有用海绵铁代替部分废钢。通过加入铁合金来调整化学成分、合金元素含量。以废钢为原料的电炉炼钢，比之高炉转炉法基建投资少，同时由于直接还原的发展，为电炉提供金属化球团代替大部分废钢，因此就大大地推动了电炉炼钢。世界上现有较大型的电炉约1400座，目前电炉正在向大型、超高功率以及电子计算机自动控制等方面发展，最大电炉容量为400吨。国外150吨以上的电炉几乎都用于冶炼普通钢，许多国家电炉钢产量的6080%均为低碳钢。我国由于电力和废钢不足，目前主要用于冶炼优质钢和合金钢。 五、炉外精炼简介将炼钢炉（转炉、电炉等）中初炼过的钢液移到另一个容器中进行精炼的炼钢过程，也叫二次冶金。炼钢过程因此分为初炼和精炼两步进行。初炼：炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化、脱磷、脱碳和主合金化。精炼：将初炼的钢液在真空、惰性气体或还原性气氛的容器中进行脱气、脱氧、脱硫，去除夹杂物和进行成分微调等。将炼钢分两步进行的好处是：可提高钢的质量，缩短冶炼时间，简化工艺过程并降低生产成本。炉外精炼的种类很多，大致可分为常压下炉外精炼和真空下炉外精炼两类。按处理方式的不同，又可分为钢包处理型炉外精炼及钢包精炼型炉外精炼等。六、炼钢工艺流程1.熔化期： 电弧炉炼钢从通电开始到炉料全部熔清为止、转炉炼钢从兑完铁水到炉料全部化完为止都称熔化期。熔化期的任务是尽快将炉料熔化及升温，并造好熔化期的炉渣。 2. 氧化期：普通功率电弧炉炼钢的氧化期，通常指炉料溶清、取样分析到扒完氧化渣这一工艺阶段。也有认为是从吹氧或加矿脱碳开始的。氧化期的主要任务是氧化钢液中的碳、磷；去除气体及夹杂物；使钢液均匀加热升温。脱碳是氧化期的一项重要操作工艺。为了保证钢的纯净度，要求脱碳量大于0.2左右。氧化未期预合金化：向钢液加入一种或几种合金元素，使其达到成品钢成分规格要求的操作过程称为合金化。多数情况下脱氧和合金化是同时进行的，加入钢中的脱氧剂一部分消耗于钢的脱氧，转化为脱氧产物排出；另一部则为钢水所吸收，起合金化作用。在脱氧操作未全部完成前，与脱氧剂同时加入的合金被钢水吸收所起到的合金化作用称为预合金化。 电炉氧化期操作要点：氧化、测温符合要求，渣况良好方可分批加矿石，每批加矿石量不得超过料重的12，每批间隔时间需5min。为确保熔池沸腾良好，应将氧化脱碳速率控制在每分钟0.O10.03。调整渣况。当氧化沸腾开始，采用流渣，要求炉渣R=23，炉内渣量控制在34。氧化期后阶段，应使炉渣流动性好，渣层要薄，渣量控制在23。温度控制。氧化期总的来讲是一个升温阶段，升温速度的快慢根据钢液中磷的情况而定。氧化末期必须使钢液温度升高到大于该钢种出钢温度的102O。净沸腾。当温度、化学成分合适，就停止加矿石，调整好炉渣，让熔池进入自然沸腾(510min)，使钢液中的残余含氧量降低，并使气体及夹杂物充分上浮，以利于还原期的顺利进行。扒渣。氧化期炉渣中FeO含量很高，又含有P205，为了还原期脱氧及防止回磷必须扒渣，扒渣的条件是扒渣温度高于出钢温度102O；扒渣前碳、磷及其他限制性成分应符合要求。增碳。如果氧化末期碳含量过低需增碳，可在扒渣后裸露的钢液面上撒加纯净、干燥的碳粉，进行增碳。碱性电炉脱磷反应式：2P+5（FeO）+4（CaO）=（Ca4P2O9）+5Fe3. 还原期： 普通功率电弧炉炼钢操作中，通常把氧化末期扒渣完毕到出钢这段时间称为还原期。其主要任务是造还原渣进行扩散、脱氧、脱硫、控制化学成分和调整温度。目前高功率和超功率电弧炉炼钢操作已取消还原期。 成分控制：保证成品钢成分全部符合标准要求的操作。成分控制贯穿于从配料到出钢的各个环节，但重点是合金化时对合金元素成分的控制。对优质钢往往要求把成分精确地控制在一个狭窄的范围内；一般在不影响钢性能的前提下，按中、下限控制。 对转炉而言，冶炼未期还需控制：一增硅：吹炼终点时，钢液中含硅量极低。为达到各钢号对硅含量的要求，必须以合金料形式加入一定量的硅。它除了用作脱氧剂消耗部分外，还使钢液中的硅增加。增硅量要经过准确计算，不可超过吹炼钢种所允许的范围。二终点控制：氧气转炉炼钢吹炼终点（吹氧结束）时使金属的化学成分和温度同时达到计划钢种出钢要求而进行的控制。终点控制有增碳法和拉碳法两种方法。 电炉还原期的操作要点： 停电扒氧化渣后，首先加入锰铁进行“预脱氧”。锰铁加入后，应立即加入石灰、氟石和碎硅砖造稀薄渣覆盖钢液，以减少钢液吸气和降温。石灰、氟石、碎硅砖块的加入比例为4：1：1，其总加入量约为钢液重量的23，稀薄渣形成后造还原渣进行还原。 稀薄渣造好后，立即取样分析C、Mn、Si、S、P等元素含量，并加还原碳粉。还原碳粉加入后立即关闭炉门，尽量保证炉膛有较好的密封性，以保持白渣快速形成。 随着还原过程的进行，炉渣逐渐失去脱氧、脱硫能力，因而需要分批补充造渣材料，调整炉渣的流动性，大约每隔68min加入一批造渣材料，确保反应继续进行，还原末期加入硅铁和铬铁，做好出钢准备。 为了充分地进行脱氧和脱硫，钢液在良好的白渣下还原时间一般应15min，且有良好的流动性。还原期总渣量为炉料的23，其配比为：石灰：氟石：碳粉=4：15：1。 当含氧量和含硫量都已降到合格的程度，这时可以测量钢液温度，当钢液温度达到出钢温度要求时，调整钢液的化学成分。 化学成分和钢液温度均调整好后，即可插铝进行终脱氧。最终脱氧的加铝量是钢液重量的0.10.15。碱性电炉脱硫反应式：S+（O2-）=（S2-）+OS+Fe=（S2-）+（Fe2+）S+（MgO）=（MgS）+OS+（CaO）+C=（CaS）+CO2S+4（CaO）+Si=2（CaS）+（Ca2SiO4）4. 出钢：钢液的温度和成分达到所炼钢种的规定要求时将钢水放出的操作。出钢时要注意防止熔渣流入钢包。用于调整钢水温度、成分和脱氧用的添加剂在出钢过程中加入钢包或出钢流中。出钢操作要点： 成分合格，各主要元素达到内控规范要求。 脱氧良好，加硅铁前必须是白渣，加入后在10min内出钢。 出钢槽必须清洁、干燥、平整，并与出钢口保持平直，以利于出钢畅通，做到钢液与炉渣混出。 出钢时，盛钢桶必须烘烤成暗红色，出钢前15min加2.0kg硅铝钡终脱氧刹，以及每吨钢液加入1kg的稀土硅铁，并在包内烤红。 出钢后在盛钢桶内取成品样，检查温度及脱氧情况是否良好，根据包内钢液温度并结合烤包、炉渣量等实际情况决定镇静时间，以达到铸钢件始浇温度不高于该钢种浇注温度，出钢后应保证镇静时间5min。七、炼钢设备1、电弧炉偏心炉底出钢 1979年德国首先将传统的50t超高功率电弧炉改为中心炉底出钢，后又将其改为更完善的偏心炉底出钢。偏心炉底出钢的最大特点是将出钢口移到炉壳外边，便于维修与检修。偏心炉底出钢与超高功率相匹配，近年来在发达国家发展及推广很快，特别是对于无渣操作的大型电弧炉，其优越性尤其明显，主要为： (1)熔池中可以保留98%以上的熔渣； (2)耐火材料消耗可降低25%左右； (3)出钢时钢水温度一般只下降25左右； (4)出钢时间短，60t电弧炉的出钢时间仅80s左右； (5)每吨钢电耗可下降20kWh左右； (6)每吨钢电极消耗可降低05kg左右； (7)出钢口耐火材料内衬寿命可达250次左右。 偏心炉底出钢的一个最大缺点是要求电弧炉为高架式结构。我国电弧炉结构多为地坑式，高架式较少，再加上炉容量较小、车间设备老化，改造困难，发展和推广偏心炉底出钢还将有一个长期的过程。2、感应电炉 利用感应电流在炉料中发热来熔化金属或保温金属液的炉子。在这重点介绍一下无心感应熔炼炉和真空感应熔炼炉无心感应熔炼炉无心炉的命名是相对有心炉而言，其金属液盛于一坩埚中，故又名坩埚炉。此种炉型主要用于特种钢、铸铁、有色金属及其合金的熔炼和保温。无心炉具有熔炼温度高、杂质污染少，合金成分均匀、劳动条件好等许多优点。与有心炉相比，无心炉起炉和改换金属品种比较容易，使用较灵活，但其电、热效率远比有心炉低。无心炉由于表面温度低，不利于要求高温造渣工艺的熔炼。无心炉有高频、中频和工频之分。（1） 高频无心炉 高频无心炉容量一般在50公斤以下，适用于实验室和小规模生产中供熔炼特种钢和特种合金之用。 （2） 中频无心炉 中频无心炉的容量和功率都比高频炉大。主要用于特种钢、磁性合金和铜合金等的熔炼。这种炉子由于需要昂贵的变频设备，所以在一些较大容量的场合已改用工频无心炉。但是，和工频炉相比，中频炉也有其独到之处。如对于同样容量的炉子，中频炉的输入功率比工频炉大，所以熔化速度比较快，中频炉在冷炉起熔时不需要起炉块，金属液可以全部倒出等，所以使用时比工频炉灵活方便；另外，中频熔炼炉溶液对坩埚冲刷轻些，对炉衬有利。因此，在发展了大功率廉价的中频电源之后，中频炉还是大有前途的。（3） 工频无心炉 工频无心炉是几种无心炉中出现最晚而发展最迅速的。主要用于铸铁和钢，特别是高强度铸铁和合金铸铁的熔炼以及铸铁溶液的升温、保温和成分调整等；另外也用于铜、铝等有色金属及其合金的熔炼。炉子容量小采用工频的不经济的，以铸铁为例，容量小于750公斤时电效率就显著下降。 真空感应熔炼炉真空感应熔炼炉用来熔炼耐热合金、磁性合金、电工合金和高强度钢等。该炉型的特点是在熔炼过程中炉温、真空度和熔炼时间等的控制比较容易，所以炉料的脱气可以很充分。另外，合金料的添加量也可以精确控制，所以是熔炼含铝、钛等活泼元素的耐热合金和精密合金的较合适的炉子。上述感应熔炼炉除具有电冶金的一般优点，如易于造成必须的气氛，便于调节温度规范，减少金属烧损、保证铸件质量、提高生产率和降低工人的劳动强度外，尚因金属液内产生的电磁搅拌作用，能确保合金成分的均匀。冶金特点：节约合金3、电渣炉Electroslag Remelting电渣炉是特殊钢厂必不可少的生产设备。是一种利用电极在熔渣层中通电，利用熔渣的电阻热将电极熔化，并通过熔渣精炼金属液的炉子。重熔电流产生热能熔化插入渣池的自耗电极，金属熔滴通过渣液清洗后，在水冷结晶器中结晶成电渣锭的一种特殊冶炼设备。电渣冶金具有加热、精炼和顺序结晶三大基本功能。工艺过程：重熔前准备（自耗电极、渣料）、引燃起动、重熔精炼（电压、电流、熔化速度）、补缩、锭子处理。由于渣液的去夹杂作用和良好的结晶条件，电渣重熔金属具有良好的纯净度，铸态组织细致均匀，无白点及年轮状偏析，硫含量极低，夹杂物细小弥散等优良性能。因此，电渣重熔在大中型锻件、模块毛坯生产中处于垄断地位，在优质工模具钢、马氏体时效钢、双相钢管坯、冷轧轧辊电渣钢占绝对优势，电渣熔铸异形件有独特之处，国内电渣钢年产量逐年上升。冶金质量：1、钢锭表面光洁，不需精整，无缩孔疏松，锭子致密（重熔后密度增加0.33-1.37%）;偏析小，且致密。2、显著脱硫，钢中硫减少30%-60%以上，含硫量可降至0.003%水平；3、氧降低33-50%，氢降低1/3左右（有水汽时增H），氮含量降低66.6%（有含形成氮化物元素时增N）；4、夹杂物总量可降低30-50%，夹杂物尺寸和数量显著减少，一般夹杂物水平可降至50-100PPM；5、提高了钢的塑性、韧性、焊接性，特别是横向性能大幅度地提高，使钢材的各向异性显著减少。4、 炉外精炼设备： 炉外精炼的种类很多，大致可分为常压下炉外精炼和真空下炉外精炼两类。按处理方式的不同，又可分为钢包处理型炉外精炼及钢包精炼型炉外精炼等。钢包处理：钢包处理型炉外精炼的简称。其特点是精炼时间短（约1030分钟），精炼任务单一，没有补偿钢水温度降低的加热装置，工艺操作简单，设备投资少。它有钢水脱气、脱硫、成分控制和改变夹杂物形态等装置。如真空循环脱气法（RH、DH），钢包真空吹氩法（Gazid），钢包喷粉处理法（IJ、 TN、SL）等均属此类。 钢包精炼：钢包精炼型炉外精炼的简称。其特点是比钢包处理的精炼时间长（约60180分钟），具有多种精炼功能，有补偿钢水温度降低的加热装置，适于各类高合金钢和特殊性能钢种（如超纯钢种）的精炼。目前降低Pco的方法有：真空法，如VOD法；稀释法，如AOD法、CLU法，用Ar气和蒸汽分解出来的H稀释降低Pco。真空吹氧脱碳法（VOD）、真空电弧加热脱气法（VAD）、钢包精炼法（ASEA-SKF）、封闭式吹氩成分微调法（CAS）等，均属此类；与此类似的还有氩氧脱碳法（AOD）。 （1）AOD精炼法是氩氧脱碳法（argon oxygen decarburization）的简称。是不锈钢生产的“利器”在精炼不锈钢时，它是在标准大气压力下向钢水吹氧的同时，吹入惰性气体（Ar，N2），通过降低CO分压，达到假真空的效果，从而使碳含量降到很低的水平，并且抑制钢中铬的氧化。 早在1954年，克里夫斯基就提出了用混合气体降低CO分压来脱碳的思想，直到1968年才在乔斯林不锈钢公司（现名为史莱特不锈钢公司）研制成功世界上第一台AOD炉。到目前为止，AOD炉在不锈钢的生产中发挥着重要作用。据统计，2000年世界上80%的不锈钢都是用AOD炉生产的。AOD精炼法的优点包括：其精炼铬回收率高，适合生产低碳和超低碳不锈钢，易于将特殊钢中S含量控制在0.005%以下；对于原材料要求较低，可以利用廉价的高碳铬铁，可以使用100%返回废钢生产不锈钢；在高碳区吹炼速度快，反应的动力学条件优越；设备简单、操作方便、基础建设投资低和经济效益显著等。 经过多年的研究和开发，AOD工艺目前应用较广泛，其中美国和日本应用较多。最大的AOD炉在美国Armco公司，炉容为175吨。 太原钢铁（集团）有限公司是目前中国最大的不锈钢生产企业，也是国内最早研究开发AOD精炼技术生产不锈钢的企业。1973年，他们开始进行AOD炉小型试验研究，并于1983年9月建成投产了中国第一座工业化AOD炉（18吨）。为进一步扩大生产能力和提高质量，1999年太钢对18吨AOD炉进行了改造，先后建成40吨AOD炉3座，生产能力由原来的16万吨/年提高到40万吨/年；2004年又实施了第二次改造，炉容扩大至45吨，并引进奥钢联的智能精炼控制系统，提高了冶炼控制精度，同时增大了顶吹氧枪以提高供氧强度，缩短了冶炼时间。经过两次改造，太钢AOD炉装备水平已经达到国际先进水平。1969年以后AOD炉很快遍及世界各地，1972年以后AOD炉迅速发展，据资料介绍全世界不锈钢生产量的75是用AOD炉冶炼的。西欧，美国，日本等主要的不锈钢生产国，生产着世界不锈钢总产量的93，在这些国家AOD生产不锈钢的比例为：美国95，芬兰100，英国88，意大利95，原西德75，日本65，现在世界上有AOD炉140多台，容量最小4吨，最大175吨，（最多的是日本，有13座）。我国从1973年开始AOD炉吹炼不锈钢试验，在太钢三炼钢建成一座18吨的AOD炉，但是发展缓慢，日本AOD炉18台。AOD与VOD几乎同时出现，1972年以前发展速度相当，1973年以后AOD发展迅速，无论装备数量和产量都大大超过了VOD炉。究其原因是：AOD无论在原料选择，生产成本和生产率方面都比VOD优越。且能快速处理高碳钢水。Cr的收得率高，吹炼比较容易实现计算机自动控制。AOD法的理论依据与VOD基本相同，所不同的是降低Pco方法不是真空法而是采用稀释气体的方法。利用氩气稀释炉内的CO气体降低Pco，从而可以在较低的温度下，不使铬氧化而将碳脱到很低的水平。2、AOD的设备特点AOD炉的炉型与侧吹转炉十分相似，主要由炉体，倾动机构，氩氧枪，测温装置，气体混合调节装置，除尘设备和加料设备等组成。熔池深度：熔池直径：炉身高度1：2：3。熔池壁选用2025度的倾角，使其吹入的气体离开炉壁上升，减少气体对氩氧枪上部炉衬的侵蚀。由于吹炼过程中的喷溅较小，所以炉容比比顶吹氧气转炉小些。如18吨AOD炉的炉容比为0.6m3/t。Ar-O枪：Ar-O枪安装在靠近炉底的侧壁上。它由风口砖和不锈钢管组成，风口砖采用优质镁铬砖。砖内埋不锈钢管，其结构为双层套管式，外层环缝通冷却介质氩气，内管分阶段通氧气或氩氧混合气体。在出钢和装料的空隙时间改吹压缩空气或氮气。Ar-O枪为可拆模式的。Ar-O枪的数量视炉子容量大小而定，如20吨以下采用2根枪，3050吨采用三根枪，90吨采用5根枪，Ar-O枪的水平夹角为两根枪时为90度或60度，三根枪时为30度，操作气压视各厂具体情况而不同。炉衬：Ar-O炉的炉衬内层用镁砖或镁铬砖砌成，厚度为300400mm，炉帽部位用耐火混凝土浇灌成。外层为保温层，一般用115mm厚的耐火粘土砖砌筑，国外也有镁质白云石砖的。托圈及倾动机构，与转炉基本相同。采用活炉座，炉体座在脱圈上。目前AOD炉的炉龄还比较低，为了连续生产，采用多个炉体更换使用，当炉子吹坏以后将旧炉体从脱圈上吊出去，更换上新砌好的炉子，换炉时间45分钟到1小时。气体调节系统：AOD炉配有气源调节控制系统，通过流量计，调节阀等系统控制氩气和氧气的流量并使之得到混合，使AOD炉获得所希望的流量和氩氧混合比例。此外还有保证安全的连锁装置和节省氩气的切换装置。当炉子向下倾动，风口位置露出钢液面时减少Ar-O流量，在吹炼空隙自动切换成压缩空气或氮气。当炉子回转到吹炼位置时又使气体流量回升到操作流量，从而节省氩气并避免倾动时钢渣喷溅或溢出。3、AOD法操作工艺AOD精练法采用电弧炉（或其它炉）与AOD炉双联操作。将返回钢、碳素废钢、高碳铬铁和镍配到所炼不锈钢的规格，C般配到1.0以下，必须使用廉价的高碳铬铁和不锈钢车屑。先将原料在电弧炉内熔化，把钢水温度调整到16001650并扒渣脱硫，然后把钢水兑入AOD炉去精炼。此时电弧炉就可以进行下一炉的熔化操作。由于电弧炉只熔化钢水所以生产率提高一半以上。根据钢水中C、Si、Mn等元素的含量及钢水量，计算氧化这些元素所需的氧量和各阶段吹氧时间，根据不同阶段钢水中的C、Cr含量和温度，用不同此例的氩氧混合气体吹入AOD炉内进行脱C精炼，一般分三个阶段进行混合和吹炼。随着C降低不断改变氧氩比。吹炼初期为了迅速升温，增加脱碳速度，采用较高的O2：Ar。第一阶段：按O2：Ar3：1的比例供气。吹至C降到0.2左右，此时钢水温度大约为1680。第二阶段：按O2：Ar2：1供气，将C降至0.1，此时温度约为1740。第三阶段：按O2：Ar1：2（或1：3）的比例供气，吹至C0.03所需要的限度。最后吹纯Ar 23分钟。每个阶段都应测温、取样、分析。吹氧完毕时约2的铬氧化进入炉渣中，O高达140PPm，因此到达终点后要加入SiCa、FeSi。Al粉、CaO、CaF2等还原剂，在吹纯氩搅拌状态下进行脱氧还原。当脱氧良好、成分和温度合适，即可出钢浇注。整个精炼时间约90分钟左右。氩和氧的消耗量随原始成分及终点碳的不同而变化，一般耗Ar1112m3/t。4、AOD法的特点1） 优点：可用100的废不锈钢或廉价铬铁及碳素废钢来配料。使原料中含铬量达到成品规格要求，从而省去了采用返回吹氧时补加的微碳铬铁或金属铬，降低了原料成本。例如美国一家公司采用AOD法后微碳铬铁消耗从42.75Kg/t降到2.625Kg/t，总Cr回收率达98，比电弧炉返回吹氧法提高10以上。AOD法在原料方面及成本方面的优越性是其迅速发展的原因。采用电炉和AOD炉双联生产不锈钢时，电炉进行熔化和升温，约2.53.0小时；AOD精炼90分钟左右。两座电炉配一座AOD炉，产量此电炉单炼提高4050。与其它方法相比，AOD设备简单，投资省，是VOD的1/3。过程控制比较简单，VOD要通过气相分析来判断终点，还要在真空下加脱氧剂，而AOD在大气压下稀释脱碳，可以造渣、测温、取样，相比之下方便的多。与返回吹氧法相比，AOD法更易于炼超低碳不锈钢。质量不亚于电炉单炼，且钢中气体略有降低。O及夹杂物此电炉单炼低。2） 缺点：尽管AOD具有上述优点，仍存在一些缺点：由于氩气消耗量大，因而操作费用高，氩气费用占AOD法生产不锈钢成本的40左右，AOD炼普通不锈钢耗氩量为1112Nm3/t，炼超低C不锈钢时更高1823Nm3/t。大气中含氩不足1。Ar是制O2的副产品，不能生产大量的Ar，并且随着炼钢和连铸技术的发展，用氩的地方越来越多，如转炉复吹、钢包吹氩、等离子加热等。所以AOD的发展受氩的限制。炉龄还比较低，耐火材料消耗高，致使成本高。初期仅4060炉。改进工艺操作后提高到200300炉。但是由于AOD可以使用低价原料（高碳铬铁），因而成本降低。Cr的收得率高，99。钢的收得率可达95。电炉只是熔化炉，使其生产率提高，电耗降低，操作条件改善，使炉体寿命提高。AOD炉投资省等，这些经济效果是以抵消Ar费用和AOD炉耐火材料的费用。5、精练效果脱硫：AOD炉对脱硫十分有效。由于加入石灰、硅铁可造高R炉渣，又有强烈的氩气搅拌，因此可以深度脱硫。其脱硫能力超过电炉白渣法冶炼。S可降至0.005，这是电炉难以达到的。有人认为AOD炉最低S可低于0.001，总之AOD有极强的脱硫能力是勿庸置疑的。脱H：AOD法虽然没有真空脱气过程，但是吹入Ar搅拌，也有明显的脱H效果，H约14PPm，此电炉钢低2565。脱N：此电炉钢低3060脱O：由于AOD炉Ar气的激烈搅拌，可使钢中的氧化物分离上浮，O比电炉钢低1030。基本上比电炉DH真空处理还低10PPm左右。夹杂物：由于钢中氧化物夹杂易于分离上浮，纯净物提高，不仅夹杂物含量少，而且几乎不存在大颗粒夹杂。夹杂物主要由硅酸盐组成，其颗粒细小，分布均匀。 （2）真空吹氩脱气法这种方法是美国芬克尔（Finkl）1958公司年首先提出来的，所以也叫芬克尔法，在我国一般简称为VD(Vacuum Degassing)法。 VD法的装置：类似于钢包脱气法，所用钢包比普通钢包稍深一些，使钢包液面以上留有8001000mm的净空高度。包底装有透气元件或透气砖，真空盖上装有加料设备，可以在真空下添加合金料。实现真空有两种形式：真空窒，钢包座入真空窒内，盖上真空盖然后抽真空。连接真空系统的包盖盖在带凸臂的钢包上代替真空窒。第二种形式稍微简单。 VD法特点:钢包脱气法只有钢包上部一层钢液与真空作用，所以脱气效果差。而VD法的精炼手段是吹氩搅拌与真空相结合，真空状态下吹氩搅拌钢液，一方面增加了钢液与真空的接触界面积；另一方面从包底上浮的氩气泡吸收钢液内溶解的气体，加强了真空脱气效果，脱氢率可达到4278%，同时上浮的氩气泡还能沾附夹杂物，促使夹杂物从钢液中排除。使钢的纯净度提高，清除钢的白点和发纹缺陷。工艺过程：需要处理的钢液在电弧炉内冶炼，炉内预脱氧，并造流动性良好的还原渣，出钢温度比不处理时高1020，然后出钢。将钢包座入真空窒内，接通吹氩管吹氩搅拌，测温取样，再盖上真空盖，启动真空泵，大约1015min后可达到工作真空度（0.11mmHg），在真空下保持10min左右，达到脱气、去夹杂、均匀成分和温度的作用，整个精炼时间在30min以上，吹氩搅拌贯穿整个精炼过程。 工艺参数： 氩气压力：为了将氩气吹入钢液内并搅拌钢液运动，氩气应具有一定的压力。压力过小形不成气泡，压力过大，使气泡分散性下降，严重时形成连泡气柱，使氩气利用率下降，同时剧烈搅拌增加热损失。实际操作时，供气压力根据液面运动情况进行调节，最佳压力应是刚好使氩气泡在钢液底部形成，排出的气体不冲突渣层而使液面上、下脉动。常用压力为23.5atm左右。 吹氩时间：从钢包座入真空窒开始吹氩直至精炼结束钢包吊出真空窒停止吹氩，吹氩贯穿整个精炼过程，等于精炼时间。 精炼效果 脱氧：经VD法精炼后钢中全氧含量在1227ppm之间，溶解氧含量一般为715ppm，溶解氧的脱除率平均为82%。 脱氢：脱氢率平均55%，氢含量为2.34ppm。 温度均匀：处理前不同部位的温差为，处理后为。 夹杂物形态有了根本改善：以往造成废品的主要质量问题“点状”不变形夹杂现已消失。 脱硫：VD法因缺少加热手段，精炼过程不能造新渣脱硫，脱硫率只有20%左右。（3）钢包真空精炼法该方法是瑞典的ASEA(电气)公司和SKF（轴承）公司1965年联合研制的，因而简称ASEA-SKF法。设备的组成：由电磁搅拌，真空脱气和电弧加热三个系统的设备组成。钢包使用无磁性钢（奥氏体不锈钢）制成。电磁搅拌安装在钢包侧面，利用电磁感应原理产生的电磁力使钢液沿着包壁或中心上下运动。钢液加热与普通电弧炉一样装有三根电极由电弧进行加热。加热速度1.420分左右。真空精炼和电弧加热使用不同的包盖。因此设备布置方式有钢包移动式（如图）和包盖移动式两种。钢包移动式较多。世界上现有51套。该法具有电磁搅拌，电弧搅拌，真空脱气三个功能。可以进行脱气，脱氧，脱硅，加热，去处夹杂物，调整合金成分等操作。主要配电弧炉也可以配转炉。工艺过程：钢液出钢到专用钢包内，将钢包移至搅拌器内进行电磁搅拌，并除掉初炼炉熔渣，加渣料造新渣，电炉加热熔化渣料，温度合适后移到另一侧或者移到包盖至钢包上方，盖上真空包盖进行真空脱气处理，然后加入铁合金调整钢液成分和温度，处理结束后，将钢包移出进行浇注。整个精炼时间：一般钢种1.52.0小时，合金钢2.03.0小时，操作实例如下图：ASEA-SKF法的优点：由于可以对钢液再加热，所以可以再钢包内充分地进行真空脱气（时间不受限制），造渣脱硫，调整成分，调整温度；由于有电磁搅拌，所以夹杂物易于上浮排除，操作灵活，可以显著地提高钢水质量，如合金钢含氧量可降至0.002，N降至0.0065，H降至0.0002以下。由于把精炼任务移至炉外进行，提高了初炼炉的生产能力。扩大了品种，由于精炼过程中加入大量合金，可生产许多钢种。降低成本，初炼炉冶炼时间缩短，降低了能耗，提高了合金收得率（大断面钢锭得氢气扩散退火时间减少，节约了能源）。由于操作工艺非常灵活，因此可根据精炼得目的不同，而选择不同得操作工艺。例如生产非金属夹杂物要求极低得轴承钢时，可先加强脱氧剂（Al），然后经过电磁搅拌钢液，使非金属夹杂物排除。该方法多采用高碱度渣进行精炼，所以包衬的渣线部位使用碱性砖（96Mgo），其它部分用中性砖（高铝砖，Al2O375%以上）。该方法的设备比较复杂，由于电磁搅拌器内壁至金属熔池的距离较大，且熔池也有一定深度，为此要求移动磁场有较大的透入深度，需用低频电流。低频电源装置造价很高，精炼时间长，小容量炉子，耐火材料消耗高。该设置还可以在真空盖上设置吹氧枪进行吹氧，脱碳，冶炼超低碳钢种。（4）钢包炉精炼法LF(V)-Ladle furnace (Vacuum)，是钢包炉的缩写。带有真空工位的叫LF(V)法，无真空工位的叫LF法。LF法是在ASEA-SKF法和VAD法等方法基础上的改进设备，这三种方法统称为钢包精炼炉。LF炉是日本大同钢铁公司大森钢厂（特殊钢公司）1971年开发的，所以有时也称为日本式钢包炉精炼法。目前世界上有LF炉二百多套，其中日本39套。我国的大部分钢厂都配有LF炉。这种精炼法不仅使我国轴承钢的冶金质量赶上了国际先进水平，而且由于其冶金功能齐全，结构简单，操作方便，投资少等优点，在国内特殊钢，普通钢和铸钢等工业生产中得到广泛应用，已经成为我国纯净钢的主要炉外精炼方法之一。LF法的设备与VAD法相似，炉体由一个普通钢包制成，包盖上装有三根加热用的电极，包底装有底吹氩气用的透气砖（为了脱气，必要时也可以采用真空系统）。LF法的功能：底吹氩气搅拌，大气压下采用石墨电极埋弧加热，高碱度合成渣精炼。此法是把电弧炉的还原精炼原样移到钢水包中操作。将电弧埋入钢液面以上的熔渣层中加热钢液，采用高碱度合成渣精炼，吹氩搅拌，在还原气氛下精炼，亦称为埋弧桶炉法。操作工艺过程与ASEA-SKF法和VAD法相似，出钢后将钢包移至精炼工位，加入高碱度合成渣，降下石墨电极插入熔渣层中，边底吹氩搅拌，边电弧加热。由于钢包盖做成密封式结构，加热时产生CO气体在包内形成强还原性气氛（气氛中的氧含量2%，这样就保证(FeO)0.4%），所以脱硫效果显著。由于LF法用吹氩搅拌而不用电磁搅拌；在大气压下加热，而不采用真空加热，因此它比ASEA-SKF法和VAD法都简单，其冶金效果与前两种方法基本相同。精炼效果：由于使用高碱度合成渣精炼，所以有较高的脱硫能力，S可降到20ppm以下；由于吹氩搅拌，合成渣，还原性气氛，有很好的脱氧和去夹杂能力，10m的夹杂几乎全部去除。钢中溶解氧可降至20ppm以下，电弧加热可以精确地控制钢液温度，调整合金成分，将成分控制在很窄的范围内。例如能把耐热钢，氮化钢等钢中地Al和Ti控制在0.05左右，由于吹氩搅拌可使钢水温度偏差控制在5范围内。（5）LFV法=LF+VD：由于LF法未采用真空，吹氩只是为了搅拌，所以脱气能力小。为了脱气，在原设备上配备真空盖，并配有真空室下加料设备。这种带有真空脱气系统的钢包炉，我国仍称为钢包精炼炉，仍用LF表示。为了区别用LFV或VLF表示。功能与VAD相同，大气压下石墨电极埋弧加热，电弧加热，底吹氩搅拌，真空脱气，高碱度，合成渣精炼，成分微调，所不同的是真空和加热分别采用两个包盖，大气压下加热，加合成渣，然后抽真空，吹氩搅拌脱气。而VAD的加热和真空同用一个包盖，真空下电弧加热。可以在真空下加合金微调合金成分。LFV法所完成的操作任务：脱气，脱氧，脱碳，脱硫，去夹杂，加热钢水，微调成分等。如果配一支吹氧枪还可以真空吹氧气，脱碳。LFV的工艺布置：LFV既可以与电弧匹配，也可与转炉配合，既可与电炉或转炉处于同一跨中，也可处于异跨中。LFV通常由座包工位，加热工位，真空工位组成，既可以以座包加热真空型式布置。LFV的真空工位有两种形式：真空包盖与精炼钢包直接用耐热橡胶密封圈密封，即为桶式密封结构。真空罐与真空罐盖组成一个密闭的真空室，即为罐式密封结构。前者适合于现有厂房条件的中、小型LFV。其优点是：占地面积小，操作较灵活，但对精炼钢包的包口外型尺寸要求比较高。后者优点是：比较适合于低碳和超低碳钢的精炼。而且对钢包没有特殊要求，但占地面积和真空体积相应都比较大。抽真空采用蒸汽喷射泵，抽气能力一般根据处理钢水量，处理钢种，精炼工艺，真空体积等因素来选择。例如对于LFV（3050t），处理一般纯净度要求的钢种，采用桶式真空结构的蒸汽喷射泵的能力一般150Kg/h，而采用罐式真空结构的蒸汽喷射泵的能力一般250Kg/h。LFV的真空度一般为6727Pa，LF的加热速度一般要达到25。LFV精炼工艺：根据钢种的特性及其质量要求，LFV的精炼工艺可以分为四类：基本精炼工艺：电炉熔化去磷扒渣造渣合金化出钢精炼钢包进入LFV座包工位吹氩加热调整成分真空脱气成分微调吊包浇注。这种工艺适用于纯净钢的生产，其精炼时间5070分钟，电耗3040Kwh/t。特殊精炼工艺：电炉熔化，成分分析去磷扒渣出钢钢包合金化进入LFV加热工位造渣，加热，吹氩真空脱气真空合金化成分和温度微调吊包浇注。这种工艺适用于超纯净钢生产，其精炼时间7090分钟，电耗4050Kwh/t。普通精炼工艺：电炉熔化，成分分析去磷扒渣造渣，合金化出钢钢包进LF(V)座包工位吹氩，加热成分和温度调整吊包浇注。这种工艺适用于一般要求的低合金钢，无真空。其精炼时间在30分钟，电耗3040Kwh/t。真空吹氩脱碳工艺：电炉熔化，成分分析吹氧，脱碳初还原调整成分出钢钢包除渣加渣料加热，吹氩真空吹氧，脱碳真空合金化真空脱气成分和温度微调吊包浇注。这种工艺适用于生产低碳和超低碳不锈钢。其精炼时间120150分钟，电耗2030Kwh/t。精炼效果：采用真空吹氩可使轴承钢的H达2.68PPm，N达37PPm，O达10PPm。采用普通工艺可使工业纯铁的S从0.060下降到0.015以下。采用特殊精炼工艺可使轴承钢中的S从0.030下降到0.003以下。采取特殊的真空精炼和吹氩搅拌制度不仅可使轴承钢中的S+H+N+O70PPm。而且钢中氧化物含量达到0.003以下。硫化物含量达到0.0246。钢水温度范围可控制在2.5内。过去LF法主要配合电弧炉，用以生产特殊钢。最近几年，在转炉车间装配LF(V)精炼炉，越来越引起人们的兴趣。在转炉与连铸生产线上采用LF(V)精炼法，可使转炉出钢温度和炉渣中氧化铁含量降低，又可提高炉衬寿命和钢的纯净度以及连铸的浇成率。可用氧气转炉配LFV法取代电炉法生产特殊钢。对于采用连铸生产普通钢的中型转炉车间，也可以只采用电弧加热和底吹氩搅拌两个功能，补偿温度损失，微调及均匀合金成分和温度。（6）真空吹氧脱碳法一、VOD的产生VOD法是Vacuum Oxygen Decarb