LF和RH炉外精炼培训详解ppt课件

12炉外精炼 炉外精炼又称钢包精炼 可分为两种 一种是高炉 炼钢炉之间对铁水进行预处理 其主要目的是 脱硫 脱磷 脱硅 另一种是在炼钢炉 连铸之间处理钢水的二次精炼 其主要目的是 脱气 H N CO 脱硫 脱碳 脱氧 炉外精炼的特点 各种炉外精炼设备都具备高效精炼的特点 适宜冶炼各类纯净钢 超纯净钢 其原因在于各种炉外精炼设备的工艺与设备设计能满足以下冶金特点 1 改善冶金化学反应的热力学条件 如炼钢中脱碳 脱气反应 反应产物为气体 降低气相压力 提高真空度 有利于反应继续进行 2 加速熔池传质速度 对于多数冶金反应 液相传质是反应速度的限制环节 各种精炼设备采用不同的搅拌方式 强化熔池搅拌 加速混匀过程 提高化学反应速度 3 增大渣钢反应面积 对各种炉外精炼设备均采用各种搅拌或喷粉工艺 造成钢渣乳化 颗粒气泡上浮 碰撞 聚合等现象 显著增加渣钢反应面积 提高反应速度 4 精确控制反应条件 均匀钢水成分 温度 多数炉外精炼设备 配备了各种不同的加热功能 可以精确控制反应温度 同时 通过搅拌均匀钢水成分 精确调整成分 实现成分微调 精确控制化学反应条件 使各种冶金反应更趋近平衡 5 健全在线检测设施 对精炼过程实现计算机自动控制 保证精炼终点的命中率和控制精度 提高产品质量的稳定性 为实现上述冶金功能 各种炉外精炼设备一般均采用以下精炼方法 1 渣洗精炼 精确控制炉渣成分 通过渣钢反应实现对钢水的提纯精炼 主要用于钢水脱氧脱硫和去除夹杂物等方面 2 真空精炼 在真空条件下实现钢水的提纯精炼 通常工作压力 50Pa 适用于对钢液脱气 脱碳和用碳脱氧等反应过程 3 熔池搅拌 通常是向反应体系提供一定的能量 促使该系统内的熔体产生流动 通过对流加速熔体内传热 传质过程 达到混匀的效果 搅拌的方法主要有气体搅拌 电磁搅拌和机械搅拌三种方法 4 喷射冶金 通过载气将固体颗粒反应物喷入熔池深处 造成熔池的强烈搅拌并增大反应面积 固体颗粒上浮过程中发生熔化 溶解 完成固 液反应 显著提高精炼效果 5 加热与控温 为了精确控制反应温度与终点钢水温度 多炉炉外精炼设备采用了各种不同的加热功能 避免精炼过程温降 主要的加热方法有 电弧加热 化学加热和脱碳二次燃烧加热 12 1概述要精确控制钢中的 C P N H 0 含量 在转炉或电炉中进行的精炼 对这些有害元素的去除是有限的 为了提高精炼水平 这些冶金操作将移到精炼炉中去进行 早期的炉外处理设备是钢包脱气 其目的在于减少钢中的 H 和 O 德国于1956年发明了真空提升脱气法即DH法 莱茵钢冶金公司和海拉斯公司合作开发了真空循环脱气法即RH法 解决了传统炼钢方法难以解决的脱氧 脱氮等问题 进入60年代后 瑞典研制出具有感应搅拌和电弧加热功能的ASEA SKF精炼炉 1965年 德国又研制成真空吹氧脱碳法即VOD法 1968年 美国研制成氩 氧精炼炉即AOD法 70年代初 日本研制成具有电弧加热 氩气搅拌功能的钢包精炼炉即LF炉 其质量也赶上或超过了有名的瑞典轴承钢 日本山阳钢厂对不同氧含量的轴承钢进行疲劳试验证明 当钢中 O 由30ppm降到15ppm时 轴承钢的疲劳寿命增加5倍 降到5ppm 可提高30倍 炉外精炼主要有真空处理 吹氮或氩 吹氧 电磁搅拌 加入渣料 脱氧剂和合金元素 电弧加热等 12 2炉后处理技术在任何炉外精炼方法操作过程中 最重要的一环是脱氧 合理地脱氧可以最大程度地回收微合金化元素 如果钢水脱氧不彻底 那就可能损失掉一部分较为贵重的微合金元素 钢包中进行脱氧和用喂丝法加入微合金元素 1 钢水的脱氧 众所周知 钢中氧的含量是随着钢中碳的减少和温度的升高而增加的 很明显 在低碳范围内 0 2 C以下 处于与 C 平衡的 O 含量急剧增加 铝在生产中是应用广泛的一种脱氧剂 这是因为铝与氧的亲和力很强 且易于加入 反应快 相对成本也较低和具有细化晶粒的作用 故铝是一种有效的脱氧剂 在平衡条件下 钢中溶入0 04 Al 通常可使约含500ppm的最高含氧量 低碳钢 降到极限值 根据下列反应铝与氧生成A12O3 2A1十3 O Al2O3 2 微合金化加入合金元素将B Ti Nb V和Zr这些元素少量地加入到钢水中 可提高钢的强度和韧性 在钢筋业和汽车行业中都显示了微合金化的作用 在钢筋业中 具有高屈服强度的低碳钢筋是很受欢迎的 因为这些钢筋易于焊接和加工 通过微合金化方法加入Nb和V后 很容易使低碳钢筋获得高屈服强度 在汽车工业中使用大量钢卷 要求炼钢各炉之间 各卷之间 甚至同一卷中前后部分的屈服强度的差别很小 为此 需通过炉后钢包喂丝方法来控制合金的加入量 以得到满足上述要求的钢 并可使机械性能进一步提高 由于微合金化元素本身也是强脱氧剂 因此钢中微合金化元素的最终含量极不易控制准确 有时会造成贵重的微合金元素的浪费 所以在加入微合金化元素前一定要先脱好氧 目前用喂丝机将合金丝插入钢水中的方法 大大提高了合金的收得率 3 夹杂物的形态控制 用A1脱氧必然形成A12O3 当残余铝超过0 03 时 A12O3 颗粒将形成颗粒团 这些颗粒团将成为钢质量下降的主要夹杂物 在采用炉后钢包喂丝技术后 可将填有CaSi粉的空心铝丝喂入钢水中 这样既进行了脱氧又可达到细化晶粒的目的 CaSi中的Ca与Al2O3化合产生铝酸钙 而铝酸钙成球状 且在钢的浇注过程中不堵水口 有助于提高连铸能力并在轧制温度下不变形 所以 炉后处理用钢包喂丝法 通过控制钢水中的Ca CaSi Mg或稀土元素的加入量 可精确地控制脱氧量并可改善夹杂物的形态 是一种极好的炉后处理方法 12 3真空处理钢水真空处理就是在浇注前或浇注过程中 利用抽真空的办法以降低钢水处理容器中的气体压力 达到去除钢中气体和非金属夹杂物的目的 若处理未脱氧的钢水 还能进一步脱碳 炼出低碳钢 目前 真空处理方法很多 但一般将其分为液面脱气 钢流脱气 提升脱气 循环脱气四种 1 液面脱气法 又称钢包脱气法 这种方法过曾起到过一定作用 但目前已不太采用了 2 钢流脱气法 目前采用的主要有倒包法 真空浇注法及出钢过程脱气法三种 如图13 2所示 1 真空铸锭法 真空铸锭法是把大气中冶炼的钢水注入锭模时进行真空处理的方法 有脱氢及防止空气氧化等效果 它是由钢包脱气法发展而来 进而发展成为流滴脱气法及真空贮锭法 这三种方法都由德国BochumerVerein公司开发 称为Bochumer法 钢液滴流脱气法是将钢水流股注入真空室 由于压力急剧下降 使流股突然膨胀并散开成一定角度以滴状降落 使脱气表面积大大增加 有利于气体逸出 经真空下对末脱氧的钢水钢滴流脱氧和脱碳的作用研究证明 在真空滴流过程中 钢水脱氧的同时还有脱碳作用 另外 非金属夹杂物的含量也相应降低约50 70 滴流处理的主要问题是钢水温降严重 尤其是倒包法更为突出 为了保证充分脱气与合适的浇注温度 钢水需过热100 左右 2 真空提升脱气法 DH法 真空提升脱气法的主要设备由真空室 提升机构 加热装置 合金加入装置以及抽气系统等组成 如图12 3所示 真空提升脱气法的原理是压力平衡 其操作程序是 将真空室下部的吸嘴插入钢水中 真空室抽成真空后 钢水沿吸嘴上升到真空室内脱气 如真空室内压力为13 3322 66 661Pa 提升的钢水高度约为l 48m 当钢包下降或真空室相对提升时 脱气后的钢水重新返回到钢包中 当钢包上升或真空室下降时 又有一批新的钢水进入真空室进行脱气 这样不断重复 直到全部钢水处理完毕为止 真空提升脱气法的主要优点为 进入真空室内的钢水激烈沸腾 脱气表面积大 脱气效果较好 适用于大量钢水的脱气处理 即用较小的真空室处理大吨位的钢水 还可用电极 重油和煤气等对真空室进行烘烤和加热 钢水降温较小 因沸腾激烈 还具有较大的脱碳能力 可以用来生产含C0 002 的低碳钢 处理过程中可以加合金 合金元素的收得率高 因此有较好的发展 尤其在大容量的处理上经济效益更好 真空提升脱气法的主要设备由真空室 提升机构 加热装置 合金加入装置以及抽气系统等组成 主要进行 1 脱碳 氧 氮等气体 2 真空脱碳 3 搅拌进行成分 温度的均匀化和分离非金属夹杂物等 图12 4DH法原理图 处理后的实际效果为 1 脱氢 处理前钢中含 H 为2 5 6 5ppm 处理后含 H 量可降到1 0 2 5ppm 2 脱氧 处理未经脱氧的钢水 含 0 虽可降低55 90 同时非金属夹杂物可降低40 50 另外 合金加入在真空下进行 因此合金收得率在95 以上 而且成分非常均匀 3 脱氮 一般来说脱氮速度较慢 氮在钢水中的扩散系数较小 当钢中含 N 为30 40ppm时 短时间处理后 氮含量几乎没有什么变化 但当含氮量高于l00ppm时 脱氮量可达20 30ppm 4 脱碳 在真空处理过程中 由于碳 氧反应降低了碳的含量 因此 利用真空提升脱气法可生产超低碳钢 DH法的改进 ADH AD法为了采用氩气促进脱气 日本川崎制铁所对DH法进行了吹氩脱气试验 在氩气流量为0 25 0 3m3 min时 脱碳量由50ppm降低到30ppm 此后喷嘴改进成不锈钢埋入式 1974年应用于工业生产 BREAD法该法于1995年由新日铁开发出来 它把DH法真空槽的浸渍管加粗 在真空槽里减压排气 从钢包底部通过透气砖向钢水慢慢吹氩 此法结构简单 易于管理和维护 吹入少量的氩气就可以得到很大的搅拌效果 可以得到 C N 25ppm的钢 图12 5DH法的改进 3 循环脱气法 RH法 循环脱气法是德国鲁尔钢铁公司 Ruhrstahl 和海拉斯公司 Heraeus 于1957年共同设计的 故简称RH法 1 RH法的基本工作原理 如图12 6所示 真空脱气设备由真空室和抽气装置组成 真空室下端有两根吸钢水和排放钢水的上升管和下降管 脱气处理时 将这两根管子插入钢水中 通过真空室抽成真空 使钢水从两根管内上升到压差高度约1 5m 同时从上升管下部三分之一处吹入作为驱动气体的氩气 使上升管内的钢水中充满气泡 氩气经高温钢水加热 加之钢中气体向Ar气泡内扩散 使其体积迅速膨胀 膨胀的气泡使上升管内的钢水密度变小 气泡带动钢水上升 当钢水进入真空室时 流速高达5m s左右 氩气泡在真空下突然膨胀 使钢水呈雨滴状喷起 脱气后的钢水进入下降管 因其比重相对较大 以l 2m s的速度返回钢包中 如此周而复始多次循环 钢水顺次进入真空室 在真空下完成脱气过程 图12 6RH脱气法设备示意图 RH的基本设备主要包括 合金料仓及加料系统 真空室和真空泵系统 钢包车 顶开机构及钢包系统和烘烤维修系统 在普通RH顶部安装水冷氧枪 构成RH KTB工艺 可实现吹氧脱碳和二次燃烧 对RH KTB配备喷粉系统 通过顶枪向真空室内钢水喷吹脱硫粉剂 构成RH KTBPPB工艺 可实现真空喷粉脱硫 2 RH法的优点 反应速度快 表观脱碳速度常数可达到3 5min 1 处理周期短 生产效率高 常与转炉配套使用 反应效率高 钢水直接在真空室内进行反应 可生产 H 0 5 10 6 质量分数 下同 N 25 10 6 C 10 10 6的超纯净钢 可进行吹氧脱碳和二次燃烧进行热补偿 减少处理温降 可进行喷粉脱硫 生产 S 5 10 6 质量分数 的超低硫钢 3 RH法的改进 随着技术的进步 RH法也有着不断的改进和发展 现在 RH法不仅能脱气 而且具有在减压条件下脱碳 脱硫等功能 ARH OB法1965年 开发了减压条件下用O2脱碳的VOD法 把这一想法与RH法结合 1971年在新日铁开发了用氧气喷枪进行顶吹的RH OB法 B RH KTB法RH法问题之一是长时间处理钢水温度降低 导致金属附着在真空槽的内壁上 1989年 川崎制铁千叶制铁所开发了设置顶吹氧气喷枪 向在纯氧顶吹转炉进行软吹的RH KTB法 图12 4RH的改进形式 CRH MFB法和RH KTB法相同 为了提供钢水温度和防止金属在真空壁内壁上附着的方法 同时也为了适合极低碳钢的吹炼 1993年新日铁开发了上下升降自由 可以按照需要使用纯氧或 纯氧 燃料 的多功能烧嘴 DRH 喷吹法和RH PTB法RH 喷吹法是在处理中向真空槽钢水上升管下面喷吹脱硫剂粉末 CaO CaF2 的方法 1989年由新日铁公司开发 PH OB法 顶吹法 1992年新日铁公司开发 采用这些方法 可以得到含硫小于5 10ppm的钢水 EMESID技术1994年比利时西德玛 SIDMAR 钢铁公司研制成功MESID技术 MESID喷枪用脉冲气流工作 从而减少氧气流对真空室内钢液面的影响 可向溶池表面喷吹用于脱硫的固体混合料 还可加热真空室的耐火材料或保温 RH精炼效率及冶金效果决定于以下基本工艺参数 极限真空度与抽气速率 钢水的循环流量Q 表观反应速度常数kx 顶吹供氧强度和枪位控制 脱硫剂成分及喷粉工艺控制 为了进一步提高RH的精炼效率 扩大处理能力 近几年国际RH精炼技术的发展趋势是 1 提高真空泵的抽气能力 使RH达到极限真空度 66 7Pa 的抽气时间缩短到2min 2 进一步提高钢水的循环流量Q 大量的实验证明 钢水循环流量决定于下降内径D真空室内钢水深度H和吹Ar的气体流量G 扩大RH下降管直径 提高氩气的供气强度以及提高真空室真空度 均有利于提高RH的循环流量3 进一步提高RH的容积反应速度常数aKc 可以提高RH的反应速度 容积反应常数aKc是熔池传质速度Kc与反应界面积A的乘积 并和以下参数成正比4 向RH内吹入纯氧 可以提高RH在高碳低氧区内的脱碳速度 因而有利于提高RH的初始含碳量 5 提高脱硫粉剂中CaF2的配比至40 增加脱硫粉剂用量 有利于提高RH脱硫的效率 适宜冶炼 S 10 10 6的超低硫钢 4 LVD法 LVD法 钢包脱气法 是向放在真空容器中的钢包里的钢水吹氩的方法 因其结构简单 便于维护 广泛应用于小规模电炉厂进行特殊钢精炼 5 V KIP法 此法于1986年在新日铁开发成功 其与LVD法相似 在真空容器中设置钢包 用氩气作载气 通过喷枪把粒状的精炼剂吹入钢水 用于脱气 脱硫 夹杂物的形态控制 13 4钢包精炼真空脱气法是以提高钢的质量为主要目的发展起来的 而钢包精炼法则是在确保质量的同时 以提高生产率和降低产品成本为目标发展起来的 其方法很多 其中比较典型的有ASEA SKF法 VAD法 LF法等 以代替电炉的还原精炼 脱氧 脱硫 去夹杂及成分调整 目前 有些国家正在研究更新的方法 使之不仅可以在炉外进行还原精炼 而且利用真空下优先脱碳 把氧化精炼也放在炉外进行 这些新方法中有如VOD法等 1 钢包真空精炼法 ASEA SKF法 该法是瑞典ASEA与SKF公司于1985年联合研究制造而成的 设备可处理的容量在20 140t之间 其处理工艺流程如图13 5所示 当钢水出钢后 将钢包炉吊入搅拌器内进行电磁感应搅拌 此时除掉初炼渣 加渣料造新渣 待钢水温度合适后盖上真空盖 进行真空脱气处理 真空脱气后 通过斜槽漏斗加入合金调整钢水成分 最后将钢水加热到合适的温度 再将钢包吊出进行浇注 整个精炼过程约在1 5 3h内完成 这种精炼法的优点为 1 可对钢水进行电弧加热和电磁感应搅拌 钢水的脱气时间可不受限制 夹杂物易于上浮到渣中 操作灵活 可进行脱氧 脱硫 调整成分和温度 钢水质量可大大提高 2 可提高初炼炉的生产率 初炼炉一般只起熔化的作用 3 可扩大品种 由于精炼过程中加入了大量铁合金 因而可生产由碳素钢到合金钢等很多品种 4 可降低生产成本 由于初炼炉的熔炼时间大大缩短 降低了电耗 提高了合金收得率 同时还改善了钢锭的表面质量 所以钢锭修磨量少 另外 还可使大断面钢坯的氢扩散退火时间减少 因而也降低了能耗 该法的不足是 设备较复杂 搅拌用低频电源 造价高 精炼时间也较长 小炉子的耐火材料消耗高 2 真空吹氧脱碳法 VOD法 VOD法的生产工艺如图13 6所示 其设备与其它钢包脱气法比较 除有两点不同外其它均相似 一是吹氧精炼用的氧枪可通过真空室盖子自由升降 另一点是由于真空室进行吹氧脱碳产生大量CO气体 故要增强抽气能力 VOD法对于精炼超低碳钢种具有突出的优越性 同时对各种特殊钢进行真空精炼或真空脱气处理也很有效 该法由于包底设有吹氩搅拌装置 其脱气去除夹杂的效果比较好 冶金反应动力学条件也较好 如果处理时间短 钢包采用适当的预热措施 钢水在处理过程中虽末进行补充加热 钢水的温降不大 效果较好 图12 6真空吹氧脱碳法1 氧枪 2 合金添加孔 3 氩气 4 抽气孔 3 钢包炉精炼法 LF法 这种钢包精炼炉的特点之一是不用真空 但必要时也可加上真空 它采用氩气搅拌 免去了昂贵的电磁搅拌 在大气压下用石墨电极埋弧加热 再加上炉渣精炼技术 其工作原理如图13 7所示 钢包炉的炉体由一个普通钢包制成 包盖上配有三根电极以便加热钢水 氩气由钢包底部吹入钢水 其主要工艺流程如图13 8所示 LF炉的工艺参数大致如下 加热升温速度为4C min 氩气搅拌时钢水温度下降速度为1C min 因脱气造成温度下降为3 5C min 在加热时电极插入渣中能使电流稳定 LF炉的精炼效果 脱硫速度依渣中的碱度和 FeO 而变化 当渣中含 FeO 高时 脱硫效果差 钢中的 S 含量高 LF炉的全部产品基本上都进行真空脱气处理 钢中 H 可降至1 1 5ppm LF熔炼时钢水中成分偏析很小可将成分控制在极小范围 加上吹氩搅拌可使钢包内钢水温度偏差控制在 5C左右 这种精炼装置主要由钢包 真空容器和电弧加热设备组成 未来保持真空脱气的沸腾时间 上部自由空间要大些 在盛放钢包的真空容器盖上 设有漏斗可添加合金及熔剂 LF炉的精炼工艺主要包括三项内容 1 加热与温度控制 LF炉采用电弧加热 对钢水加热效率一般 60 高于电炉升温热效率 2 白渣精炼工艺 LF炉利用白渣进行钢水精炼 实现钢水脱硫 脱氧 生产超低硫钢和低氧钢 因此 白渣精炼是LF炉工艺操作的核心 也是提高钢水纯净度的重要保证 3 合金微调与窄成分控制 图13 8钢包炉精炼法a 加热 b 脱气 c 除渣1 吹氩 2 取样 测量 3 电弧加热 4 加料口 5 加热时用炉盖 6 钢包 7 抽气管道 8 真空炉盖 LF炉的特点 1 电弧加热是在真空条件下进行的 因此在加热过程中可以获得良好的脱气效果 2 能够准确的调整浇铸温度 而且钢包内衬充分蓄热 浇注时温降稳定 3 由于精炼过程中充分搅拌 钢液成分稳定 4 可以加入大量合金 能冶炼范围很广的碳素钢与合金钢 5 可以加入造渣剂和其它造渣材料进行脱硫和脱碳 如果在真空盖上装设氧枪 还可以采用真空吹氧脱碳 冶炼超低碳不锈钢 LF炉的改进 1 NK AP法 1981年在日本NKK福山制铁所开发成功 使用插入式气体喷枪代替透气砖 来进行气体搅拌和精炼粉剂的喷吹 图12 8NK AP设备图 LF炉的改进 2 PLF法此方法把LF炉中的加热用石墨电极换成等离子体枪 由于没有碳电极剥落的碳的溶解 对于极低碳钢的冶炼是非常有效的 PLF法首先于1993年在日本新日铁用于生产 LF炉的改进 3 多功能LF法有人提出把钢包放在真空槽中 设置吹氩搅拌 电弧加热 喷吹精炼粉剂 添加合金元素等设备的多功能LF法 它把钢包脱气和LF精炼组合在一起 称为LVF法 12 5简易钢包精炼法 1 喂丝法 合金弹射法 CAS法喂丝法 把卷在滚筒上的铝线高速送入钢包中钢水深处 合金弹射法 把弹状的合金高速发射到钢水中 CAS法 在排除了钢包渣中的密闭容器中一边吹氩一边从钢水表面加合金的方法 2 SAB法 CAB法用合成渣置换保护钢水的表面 上面空间维持惰性气体气氛 在钢包底部吹氩搅拌分离非金属夹杂物 3 TN法 用载气向钢水中喷吹Ca CaC2或者特殊熔剂粉末 由此进行脱硫 脱氧以及控制夹杂物形态的方法 12 6不锈钢的吹炼 对于冶炼不锈钢来说 在冶炼过程中降低CO分压使钢水中的碳优先氧化 抑制铬的氧化以达到脱碳保铬的目的 为了降低CO分压 一系列能够控制Pco的方法被开发出来 主要有三种 1 减压法 VOD法 RH OB法 2 稀释气体吹入法 AOD法 ClU法 K BOP法 3 两者组合法 AOD VCR法 VODC法 1 气体稀释法AAOD法采用氩气作为稀释气体而无需真空设备 这是目前国内外用来生产不锈钢的一种好方法 简称AOD法 1 AOD法的特点 AOD法是氩氧脱碳法的简称 其炉型与结构同一般氧气顶吹转炉很相似 如图13 9所示 AOD法的特点是能把电炉熔化的高铬钢水顺利地脱碳 故可以大量采用价格较便宜的高碳铬铁 且可使铬的收得率达98 以上 因此 可使不锈钢的生产成本大为降低 AOD法其工艺过程是 先将原料在电炉中熔化 并将铬 镍等元素含量调整到规定范围 碳含量可根据原料的情况来配 一般在1 0 以下 炉料熔化后 将钢液温度提高到1600 1650 进行扒渣脱硫 然后将钢水倒入钢包再兑入AOD炉中精炼 根据钢中碳 硅 锰等元素含量 计算出氧化所需的氧量 一般分三个阶段将氧与不同比例的氩混合映入AOD炉内 根据炉容量