炉外精炼aPPT课件

.,1,炉外精炼工艺与操作,材料与冶金学院董方,.,2,1概述,把常规炼钢炉中初炼的钢水移到另一个容器中，为得到比初炼炉更高的生产率和更好的质量进行的冶炼操作，也叫“二次精炼”（SecondaryRefining），二次冶金或钢包冶金（SecondarySteelmakingProcess）。要完成冶金操作：脱硫、脱氧（夹杂物）、脱碳、非金属夹杂物形态控制、去除气体、钢的成分和温度调整和均匀化、脱磷。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70%以上。,.,3,1933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,.,4,6070年代，高质量钢种的要求，产生了各种精炼方法；8090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。,.,5,炉外精炼发展的背景,在转炉中生产平炉和电炉生产的钢种。转炉大型化、钢锭大型化导致炼钢过程生产率的提高。连续铸钢的发展。钢材使用条件日益苛刻、制品大型化、薄壁化带来的质量问题。,.,6,1.2炉外精炼的冶金特点,二次精炼，良好的动力学条件，精炼容器具有浇注功能。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。,.,7,1.3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；保证连铸过程顺利进行（缓冲、温度调整）扩大品种（转炉）,.,8,1.4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。,.,9,炉外精炼手段,要求：独立性：出钢，VOD/AOD，CAS-OB作用时间可控:真空，搅拌作用能力可控:真空，搅拌，加热作用能力再现性强:出钢便于与其它手段组合:燃料燃烧操作方便、设备简单、投资运行费用低。,.,10,1)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；,.,11,2)真空处理,目的：提高真空度可将钢中C、H、O降低；,.,12,3)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,.,13,4)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。,.,14,5)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,.,15,.,16,1.6炉外精炼技术的发展趋势,需完善的技术：温度补偿耐火材料精炼后期钢水再污染老厂改造,发展趋势：多功能化提高精炼设备生产效率和二次精炼比钢包净空、吹氩强度和混匀时间、升温速度、传质系数冶炼周期、包衬寿命钢铁生产流程优化、提高过程自动控制、冶金效果在线监测,.,17,炼钢工序功能的演变,1)脱碳；2)升温；3)脱磷；4)脱硫；4)脱氧、氮、氢等；5)合金化。,基本任务,炉外精炼,.,18,2炉外精炼工艺操作,2.1合成渣洗在钢包内通过对合成渣的冲洗提高钢水质量。固态渣，液态渣，预熔渣。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,.,19,1）成分（compositions）CaO-SiO2-Al2O3、B、(CaO)u（参与冶金反应的CaO数量）、FeO、S,CaO：达到冶金反应目的Al2O3、SiO2、CaF2、MgO：调整成分得到合适的熔点、粘度、表面张力等理化性能。FeO：降低脱硫、脱氧能力。石灰-粘土质渣，石灰-氧化铝合成渣。脱氧、脱硫渣以CaO-CaF2碱性渣系为主。去除氧化无夹杂渣中含有更多的Al2O3、SiO2。发热固态渣：铝粉、萤石。,.,20,常用的渣洗合成渣成分,图,.,21,熔点（meltingpoint）,钢的熔点T=1538-Tjj%合成渣的熔点需根据渣的成分利用相应的相图确定CaO-SiO2、CaO-Al2O3、CaO-SiO2-Al2O3等相图。针对某一成分的渣系得出的经验公式。CaO-MgO62-66.2%;CaF29%;SiO2-Al2O324-29%;渣中MgO对熔点的影响:t=1208+15.5(MgO%),2）性质,.,22,不同成分合成渣的熔点,CaO-MgO对熔点影响,W(Al2O348-56%,w(CaO)52-54%,.,23,流动性粘度（Viscosity）图,1600以上，（CaO）54-56%CaO/Al2O3=1.2,.,24,CaOAl2O3渣系的粘度与(CaO)的关系,1,.,25,1600时粘度与（CaO+MgO）的关系（CaO-MgO-SiO2-Al2O3渣系）,1,SiO220-25%Al2O35-11%R:2.4-2.5,.,26,炉外精炼渣的主要成分,CaO:5055%；MgO:610%；SiO2:1520%；Al2O3:815%；CaF2:5%,.,27,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,N/m。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的表面张力有关。熔渣表面张力S=1N1+2N2+；熔渣的表面张力还是温度的函数,随温度升高表面张力减小。钢液的表面张力受温度和成分的影响，炼钢温度下一般为1.11.5N/m。渣钢界面张力m-s=m-scosdyn/cm还原性,.,28,渣中常见氧化物的表面张力,合成渣表面张力的计算值,.,29,2.1.2渣洗的精炼作用,1）合成渣的乳化和上浮乳化：rmin=2m-s/cmH渣滴最小半径的计算,.,30,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，降低渣温，延长镇静时间，降低钢的粘度等都利于渣滴上浮。,乳化渣滴1mm,上浮速度3.88cm/s.,.,31,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，降低渣温，延长镇静时间，降低钢的粘度等都利于渣滴上浮。,.,32,2）合成渣对钢中元素脱氧能力的影响,硅的脱氧Si+2O=SiO2当钢中含硅0.3%,aSiO2=1,温度为1500,1550,1600时平衡含氧量分别为34.4ppm,64.5ppm,96.6ppm.,.,33,硅、锰综合脱氧,不同Mn含量时钢水中1600,Si,O平衡浓度,渣中脱氧产物活度减少提高渣的碱度，温度和aSiO2降低，硅脱氧能力提高,.,34,不同碱度、T=1873K时钢中氧和硅的关系,.,35,铝脱氧2Al+3O=（Al2O3）,1873K时与不同铝含量相平衡的氧含量,.,36,通常钢中氧在20-50ppm,反应的排除和反应平衡问题。Ar喷CaO+CaF2粉O可到10ppm,熔融CaO+CaF2中aAl2O3小，铝粉可提高铝脱氧能力。吹入含铝粉的石灰、萤石混合粉剂，可促进铝脱氧反应，使产物渣化上浮。石灰-氧化铝渣中:CaO+Al2O3=CaOAl2O3反应的存在使aAl2O3减少,提高铝的脱氧能力。,.,37,CaOAl2O3渣中各组元活度,合成渣精炼,渣中Al2O3一般为39-50%范围内,aAl2O2为0.1-0.3.,.,38,3）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,.,39,4）夹杂的去除,钢中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。,.,40,渣成分对Ls的影响,.,41,Ls与(CaO%)u、(FeO%)的关系,.,42,LS与(FeO)、(CaO)u的关系,.,43,2.1.3顶渣控制及挡渣技术,1）顶渣控制技术,2）挡渣技术挡渣球浮动塞挡渣气动吹气挡渣塞偏心炉底出钢,.,44,2.2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；,.,45,2.2真空,给定的空间内，气体分子的密度低于该地区大气压的气体分子密度的状态。气体在钢液中的溶解和析出碳脱氧脱碳溶解在钢液中的碳与炉衬作用合金元素的挥发金属和夹杂物的挥发和去除,.,46,2.2.1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=2N,N2=2N,.,47,气体在铁中溶解反应的热力学数据,.,48,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。,.,49,钢中氢的主要来源,空气中水蒸气的分压、原材料的干燥程度、钢水的脱氧程度。,PH=5.310-7atm,平衡氢0.02ppm,.,50,1600，KH2O=1.2610-3，PH2O=0.04atm(生产中石灰烘烤不好，废钢锈多）条件：氧化性钢液：O%=0.05H=11.3ppm已脱氧钢液：O%=0.002H=56.4ppm,热力学研究结果，气相中气体分压为100200Pa时，就可以将钢中气体降低到较低水平。,.,51,二、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。,.,52,2）真空脱气的速率（1）式中：Gt为真空脱气t时间后钢液中的气体浓度G0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,.,53,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：,式中：D扩散系数，1600氮5.510-5cm2/sec;氢3.5110-3cm2/sec;氧2.610-5cm2/sec。te熔体内某一体积元在气液界面停留时间0.010.1秒,与温度、搅动情况有关。,.,54,计算得出1600气体在铁液中的传质系数:氮:0.0145cm/sec;氢:0.091cm/sec;氧:0.0143-0.0456cm/sec。当熔池强烈搅拌时,氢的传质系数可高达0.640cm/sec.,.,55,3）钢液沸腾时脱气的速率,熔池脱气速率与脱碳速率的关系:,熔池脱气量与脱碳量的关系:,.,56,4）吹氩搅拌时脱气的速率,增加吹氩量利于钢液脱气。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0.440.75，未脱氧钢吹氩0.80.9。,.,57,三、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,.,58,2.2.1.2钢液的真空脱氧,一、氧在钢中的溶解Fe-O系平衡实验，1520-1700纯铁中氧溶解度：1600:wO=0.23%1700:wO=0.32%氧在-Fe中溶解度小于0.003%氧在钢中的溶解度决定于钢液温度和成分等，钢中实际氧含量与炉子类型、温度、钢液成分、造渣制度等参数有关。,电弧炉氧化末期C%0.20,氧主要取决于碳（0.01-0.08%），低碳时氧化终了氧会大于1000PPm。,.,59,二、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：,.,60,1600时,由以上关系推导出：与0.1%碳平衡的氧含量：PCO=1atmO=220ppm;PCO=10-3atmO=0.22ppm。,.,61,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,.,62,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。（Dc=2.010-4,Do=2.610-5）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,气泡半径越小，该值越大,钢液的静压力，10cm-6.67kPa,真空压力,.,63,三、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=2.010-4;DO=2.610-5)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。,.,64,CO气相的非自发形核,深度为h时,钢液不能进入的最大缝隙半径:,.,65,当曲率半径达到最小值时,缝隙中气体的总压力达到最大:,活性缝隙,炉底和炉壁渣化后活性缝隙大大减少.,.,66,缝隙内气体体积随着CO的生成增大,所受浮力也成比例增大,气体所受浮力超过由于表面张力而产生的附着力时气泡将脱离缝隙上浮.钢液中自由上浮的气泡随体积的增大上浮速度加快.,上浮过程中,气泡大小不同,由于不同力的作用具有不同的形状.气泡的当量直径:5mm5-10mm10mm以上形状:球形扁圆形球冠形受力:表面张力钢水静压力钢水静压力,.,67,碳脱氧的速率,氧在钢液侧界面层的传质是碳脱氧速率的控制环节,.,68,O%SO%1，更多的设计成锥桶形。对精炼反应的要求渣钢反应、夹杂上浮，卷渣，冲刷炉衬、增碳（电弧加热）、脱气，促进碳氧反应、降温设备投资和运行费用,.,122,2.3.5搅拌过程中的能量消耗,描述搅拌特征和质量指标：能量耗散系数或比搅拌功率（W/t或W/m3）：单位时间内，向一吨钢液（或1m3钢液）提供的搅拌能量。不同搅拌方法可根据使钢液搅动的能量种类计算能量耗散系数，比较其搅拌能量的大小。例:a)利用重力的搅拌:搅拌能量比搅拌功率出钢平均高度2.8m,出钢时间3.2min,平均比搅拌功率1398W/tb)RH:钢包钢液搅动耗能为经下降管流入钢包钢流的动能.比搅拌功率循环流量30-50t/min,被处理钢液量120-300t,比搅拌功率500-100W/m3,W/t,.,123,2.3.6熔体的混匀时间与比搅拌功率的关系,混匀时间也是一个常用的描述搅拌特征和质量的指标。其定义：在被搅拌的熔体中，从加入示踪迹到它在熔体中均匀分布所需的时间。C/C=1熔体被搅拌的越剧烈，混匀时间越短。中西等人在各种搅拌方法的钢包中实测的比搅拌功率与混匀时间的关系见图。统计规律如下：=800-04s(单个喷嘴）=800-04sN1/3(多个喷嘴）所有以传质为限制性环节的冶金反应，都可以借助增加比搅拌功率的措施加以改善。,.,124,完全混匀时间与搅拌能的关系,.,125,1)处理时间没有限制，可以充分进行精炼；还可以自由且精确地调整钢水浇铸温度。2）由于渣的组成和渣量可以自由选择，能够充分地进行渣洗精炼，脱硫、脱氧可以脱到10PPm水平。3)合金添加量没有限制，适于熔炼大部分钢种。与电炉组合使用的时候，由于能够省略电炉还原期，提高了电炉的炼钢能力。4)在粗精炼炉里，不需提高出钢温度，可以减轻粗精炼炉的负荷。,2.4加热,.,126,2.4.1燃料燃烧加热：氧化性，内衬，残钢，氢，烟气2.4.2电阻加热2.4.3电弧加热2.4.4化学热法2.4.5其它加热方法,.,127,2.4.3电弧加热,与电弧炉相同，由三相变压器供电，变压器容量小，电极直径小，电流密度大。电弧加热效率高，升温幅度大，对钢质量影响较小。几种电弧加热的精炼炉的升温速度,.,128,炉外精炼电弧加热的平均单位能耗,.,129,钢包炉电弧加热系统的有关参数,.,130,炉壁烧损系数RE与电弧功率Ph的关系,加热钢水前期升温速度低，提高其不能用增大变压器输入功率的办法：式中：Ph一相电弧的功率，MW；Uh该相的电弧电压，V；a电弧与炉壁间的距离，m；RE的安全值约为450MWV/m2。埋弧加热，加强烘烤。,.,131,钢包炉加热功率的计算,W=Cmt+S%Ws+A%WA式中：W精炼一吨钢液理论上需要补偿的能量，kWh/t;Cm每吨钢液升温1所需要的热量，kWh/t;t钢液的温升，按精炼工艺要求定,50-80；S%渣量，造渣材料的用量与钢总量的百分比1.5%；Ws熔化10kg渣并加热到钢水温度所需能量，约为5.8kWh/1%t;A%合金的加入量与钢液总量的百分比；WA熔化10kg合金并加热到钢水温度所需能量，约为7kWh/1%t;精炼炉的热效率一般为30%40%，实际需要的能量：W=W/,.,132,选用变压器容量时还应考虑电效率，炉外精炼配备变压器的额定单位容量一般是150200KVA/t左右。电弧加热的缺点：对电极的要求高；电弧距钢包内衬距离近，包衬寿命短；常压下电弧加热促进钢液吸气；,.,133,2.4.4化学热法,利用钢液内氧与铝、硅、锰等元素间的氧化反应热。其具有设备简单、加热效率高的特点。铝氧加热法（AOH）；CASOB；RHOB等利用喷枪吹氧使铝氧化放热加热钢液。工艺如下：向钢液加入足够的铝向钢液吹入合适量的氧气钢液搅拌,.,134,铝首先氧化，喷枪口附近铝降低发生硅锰的氧化，其中大部分会被还原，氧气的利用率高，可准确预测钢中铝含量的控制情况。氧化性渣会增加铝的损失和残铝波动。钢中碳含量变化不大，高碳钢碳的损失不超过0.01%；硅含量高时锰的烧损小；硅的减少约10%；磷含量平均增加0.001%；硫含量平均增加0.001%；需要促进铝的氧化，抑制硅锰的氧化。加热260t钢水，加铝0.26kg/t，吹氧强度185L/(mint)，可升温5.6，升温速度为5.6/min，氧气消耗48.1kgm3，铝耗量68kg。,.,135,2.4.5其它加热方法,直流钢包炉炉衬寿命高、升温速率高、热效率高、底电极寿命。感应加热钢包炉可控性高、避免增碳和增氮。等离子弧加热钢包炉热效率高、升温速率快、枪结构复杂、技术要求高。,.,136,2.4.6钢包加热精炼法（钢包炉）,具有多种精炼手段，功能比较齐全的精炼方法和设备。常用的钢包炉LF炉VDASEA-SKF法CAS和CASOBVADVOD,.,137,钢包炉的种类及特点,钢包炉的特点：具有良好的脱气条件准确的调整钢液温度钢液成分均匀稳定优越的合金化条件可加入造渣剂或其它脱硫材料，精炼低硫钢种。,.,138,钢包炉的类型,只有加热和搅拌的钢包炉。（LF）只有真空和搅拌手段的钢包炉。（VD）具有真空、搅拌、喷吹三种手段的钢包炉。（VOD）SKF、LFV、VAD等具备真空、搅拌、加热手段的钢包炉，是最典型的钢包炉。,.,139,1)LF炉,最常用的精炼方法；取代电炉还原期；具有加热及搅拌功能；脱氧、脱硫、合金化；,LF炉原理,.,140,电极,合金料斗,透气砖,滑动水口,LF精炼炉原理,.,141,LF炉的工艺优点,精炼功能强，适宜生产超低硫、超低氧钢。热效率高，升温幅度大，温度控制精度高。具备搅拌和合金化功能，易于实现窄成分控制，提高产品的稳定性。采用渣钢精炼工艺，精炼成本较低。设备简单，投资较少。,.,142,LF工艺操作,电炉EBT或转炉出钢，出钢过程加合金、加渣料(石灰、萤石等2%)，底吹氩、通电升温、化渣，取样分析，加渣料，测温取样，加合金。一般3050分钟，电耗5080kwh/t；现代转炉、电炉与连铸联系的纽带。,.,143,LF精炼工艺包括以下三部分：,加热与温度控制加热效率60%;钢水耗电0.50.8kWh/t;比功率为150200kVA/t,升温速度35/min;埋弧泡沫渣技术可减轻辐射热损失，提高加热效率1015%。白渣精炼工艺LF操作的核心。出钢挡渣，控制下渣量5kg/t；钢包渣改质，控制包渣R2.5,(TFe+MnO)3.0%;白渣精炼；还原气氛；适当搅拌。合金微调与窄成分控制快速分析；精确估算钢水重量及合金收得率；白渣操作。,.,144,LF炉的主要功能,成分的最终调整和精确控制。均匀钢水成分和温度。采用惰性气体搅拌和喂丝等清洁钢液技术，改变夹杂物形态，去除夹杂。脱硫钢液加热利于转炉与连铸之间的衔接、匹配和缓冲，确保连铸稳定生产。,.,145,2)ASEA-SKF法,ASEA-SKF法原理图,功能真空电磁搅拌电弧加热,.,146,电磁搅拌,.,147,ASEA-SKF法,ASEA-SKF具有很全的精炼手段,可以实现去气,脱氧,脱硫,去夹杂,脱碳,调整成分等多种功能.其优点:1)很快均匀钢液温度,有利于钢纯净度提高并减少耐火材料的消耗.2)加入的合金熔化快,分布均匀,成分稳定.3)电弧加热提高炉渣流动性,加快钢渣反应速度,利于脱氧和去除夹杂.4)感应搅拌可提高真空脱气的效率.,.,148,3)CAS和CASOB,.,149,CAS密封吹Ar合金化,CAS功能：避免吹氩强度过高使钢液氧化。合金收得率提高且稳定，成分微调。均匀钢水成分和温度，且控制快速准确，操作方便。净化钢液，去除夹杂物，提高铸坯质量。基建、设备投资少，操作费用低。,.,150,CASOB,CASOB功能：钢液升温和精确控制钢水温度促进夹杂物上浮，提高钢水洁净度。精确控制钢水成分均匀钢水成分和温度。,.,151,LF与CASOB的比较,LF功能较全面升温速度的控制精度强，钢水温度易调节。对夹杂物进行稳定的控制，对钢水无污染。适应性强，对钢种的处理范围广泛。,CASOB设备及工艺简单，操作及维护简便。升温速度快（612/min,而LF为35/min）易在钢水中产生Al2O3夹杂钢中S、P增加纯净度降低,.,152,4）VAD炉VacuumArcDegassing,电弧加热吹氩搅拌真空脱气包内造渣合金化,.,153,VAD的功能,通过石墨电极放电，在减压（小于26.66kPa)条件下进行电弧加热，还能够在真空处理中加热。（1）避免炉渣回磷；（2）脱硫率高，S=0.0020.001%；（3）脱氧良好,TO=0.001%；（4）脱氢良好,H0.0003%；（5）去氮率可达5060%；（6）去除钢中夹杂物；,.,154,VAD、ASEA-SKF法与RH、DH法相比，不仅设备费用高，而且因处理时间长、耗电多和钢包耐火材料的损耗等，造成操作费用也很高，不适于钢的大量生产，仅限于合金钢和极厚钢板等高级钢。另外，它还适用于处理时钢水温降大的小容量（小于100t）钢包。在大气压力下进行渣洗精炼的LF法，使炼钢时间缩短，在“电炉一连续铸钢”过程中进行直接连接操作更容易，所以用于电炉钢的大量生产。转炉熔炼高级钢，采用DH、RH与LF工艺代替VAD、ASEA-SKF法。,.,155,二次精炼不同热补偿工艺的技术比较,.,156,2.5喷吹,喷射冶金：通过载气将反应物料的固体粉粒吹入熔池深处，可以加快物料的熔化和溶解，增加反应界面，强烈搅拌熔池，加速传输过程和反应速率。是强化冶金过程和反应效果的重要方法。优点：增加反应界面，改善冶金反应的动力学条件，成分微调，提高合金收得率，搅拌利于产物浮离。缺点：粉状物料的制备、储存和运输复杂，喷吹工艺复杂，喷吹过程温度损失大，需要专门设备和气源。,.,157,2.5.1气粒输送中粉粒的行为,1）固体粉粒的流动条件流态化技术：使固体粉粒获得流动能力的技术。固定床流态化床输送床(粉粒自由沉降状态),.,158,固体粉粒流态化过程示意图,临界流态化速度：使粉粒从固定床转入流态化床的最低速度。使粉粒由容器内漂出的最低气流速度称为悬浮速度.,.,159,2）固体粉粒在流态化过程中的受力,理想流态化曲线,.,160,处于临界流态化速度时粉粒床上下部压力差是气体与粉粒之间的密度差、固定床的高度和粉粒床的空隙度的函数,.,161,孔隙度,.,162,粉粒在气流中的沉降速度,粉粒进入自由沉降状态后就可以从容器中飘溢而出，对单个粉粒进行受力分析，粉粒在运动过程中受到重力、阻力和浮力的作用，最终三个力达到平衡，气流中的粉粒将以相等的速度运动，此速度称为该颗粒的沉降速度（vt)。,式中ds粉粒直径；s粉粒密度；a气流重度；粉粒以等速度在气流中运动时的阻力系数，是雷诺数的函数,雷诺数Re表征流体流动情况的无量纲数，Re=vd/，其中v、分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度。流体流动过程中惯性力和粘性力的比值。,.,163,球形粉粒的阻力系数与雷诺数Re的变化值,.,164,粉气流的密度,质量粉气比（）：=GP/Gg式中：质量粉气比kg/kg；GP单位时间通过输送管道有效断面的粉粒质量kg/h；Gg单位时间通过输送管道有效断面的气体质量kg/h；体积粉气比（M）：M=GP/Qg式中：M体积粉气比，kg/m3；GP纯粉料的质量流量，kg/h；Gg纯载气的体积流量，m3/h；喷吹脱硫脱磷熔剂，一般粉气比为1530；喷吹脱氧和合金化粉剂，粉气比可达50120。,.,165,2.5.2非金属夹杂物变性处理,定义：向钢液中加入某些固体溶剂，即变性剂，改变存在于钢液中的非金属夹杂物的性质，以消除或减少其对钢性质的不利影响，改善钢的可浇注性，保证连铸工艺操作顺利进行。变性剂：1）与氧、硫、氮有较强的相互作用能力；2）在钢液中有一定溶解度，在炼钢温度下蒸汽压不大；3）操作简便易行，收得率高成本低。常用变性剂是硅钙合金和稀土合金。,.,166,1）稀土元素的变性作用,2Re+3O=Re2O3KO=Re2O32Re+3S=Re2S3KS=Re2S32Re+3O+3S=Re2O3SKOS=Re2O3S研究结果表明：%Re2%O=9.410-18；%Ce%S=1.210-4；Ce2O2S=410-16；CeS、Ce3S4、Ce2S3的反应自由能（J/mol)分别为-364650、-420240、-442680。稀土元素脱氧脱硫的产物与钢中原始氧硫含量的关系,.,167,1627钢中不同氧硫含量下加入Ce生成产物的平衡图,.,168,稀土为变性剂硫和稀土元素含量的临界值,.,169,稀土夹杂的性状与钢中硫、稀土含量的关系,.,170,CaOAl2O3相图,.,171,钙的沸点1491，蒸汽压与温度的关系：1600pCa=0.187MPa，硅、碳、铝可提高钙在钢中的溶解度，钢中要加入硅钙和其它钙合金。钙脱氧：Ca(g)+O=(CaO)lgKCa=-34680/T+10.0351600KCa=3.010-9Ca+O=(CaO)lgKCa=-33865/T+7.6201600KCa=3.4710-11脱氧产物为低熔点的12CaO7Al2O3改变Al2O3夹杂性状，从钢液排出。,.,172,钙脱硫,Ca(g)+S=（CaS）(S)Ca(g)+O=（CaO）(S)钙处理钢中Al、S含量与形成夹杂物的关系,反应自由能得出钙先降低钢中氧再与硫反应，硫高时同时与氧、硫反应。,1550时不同不同反应产物的生成条件,.,173,2.5.3喂丝（WF）,合金芯线处理技术，将CaSi、稀土合金、铝、硼铁等合金或添加剂制成包芯线，通过机械的方法加入钢水内部，对钢液进行脱氧、脱硫、夹杂物变性及合金化等处理，以改善冶金过程，提高钢的纯净度，优化产品的使用性能，降低处理成本。在吹氩技术配合下，具备喷粉的优点，弥补了喷粉的缺点，在添加易氧化元素，调整钢的成分，控制气体含量，设备投资与维护，生产操作与运行费用，产品质量，经济效益和环境保护等方面更显著的优势。,.,174,1)包芯线,我国生产的包芯线主要有硅钙、稀土合金、铝镁、钛铁、硼铁。它是用低碳钢薄带（0.20.6mm）把芯料包裹压制成。表观质量要求：铁皮接缝的咬合程度；外壳表面缺陷；断面尺寸均匀程度；内部质量要求：质量误差（4.5%）；填充率（单位长度包芯线芯料的质量与单位包芯线的总质量之比）；压缩密度（单位容积内添加芯料的质量）；化学成分；,.,175,2）喂丝机,1喂线机,2芯线,4中间包,3钢包,5结晶器,6模注,.,176,2.5.4钢包喷粉工艺,以SL为例70年代瑞典研制成功，我国引进最多的喷粉装置。其主要特点：喷粉系统中设有回收罐微孔尼龙套或其它弥散孔透气材料组成流态化段利用喷粉罐与管道内压差控制喷粉速率下料喉口更换方便,.,177,工艺过程,脱氧出钢，出钢温度高于规定1020钢包到喷粉站：脱硫剂一般为硅钙粉（Si54%,Ca30%）粒度小于1mm；喷枪使用前要烘烤（600800）。喷枪插入钢液：喷枪口距包底250300mm；喷吹压力0.250.35MPa；喷吹时间210min；供粉速率710kg/min；粉气比830；氩气流量0.50.6m3/min（水分10ppm）。精炼后的钢液到连铸。SL法可喷吹CaSi、CaC2、Mg+CaO、FeB等,.,178,马钢于1987年从瑞典进口一台SL装置，设计年产量35万吨，SL精炼后氧化物、硫化物夹杂级别大大提高，夹杂物总量0.0024%，喷吹CaSi粉精炼的脱硫率可达71%，脱氧率为3060%。,.,179,SL法喷粉装置布置图,1储料罐2喷粉罐3喷枪4钢包5喷枪把持升降旋转机构6喷枪放置架7过滤器8回收罐,.,180,工艺参数,1）喷枪插入深度（h）：保证粉气流不会冲到包底。h=H-hc式中：H包内钢液熔池深度hc粉气流的喷入深度式中：d0喷嘴孔口直径u粉气流在喷嘴出口处的速度粉气流的密度金属熔体的密度g重力加速度,.,181,混匀时间的等值线,.,182,2）喷吹压力,粉气流在喷出口的压力P1=P0/0式中：P0喷口处介质的反压0与粉粒的比热容、载流气体的密度、粉气比的因素有关的系数，不同粉气比时的0值见下表：,喷吹压力为喷枪口压力加上管道的压降.,.,183,3）喷吹时间,决定于钢液允许的降温量和降温速率。喷吹时间要满足精炼反应要求：吹氩搅拌喷吹时间略大于混匀时间，对于喷粉喷吹时间应大于或等于反应所需时间和产物排出时间总和。喷吹硅钙粉时,理论计算直径大于0.045mm的粉粒可穿透气液界面进入钢液中，因此硅钙粉的粒径范围选01.0mm，平均0.1mm，脱硫的速率方程式：脱硫60%、70%、80%需时间3.3、4.35、5.82min。吹气搅拌条件下，夹杂物和产物从钢中排出时间可以计算得出，一般只需12min。,t脱硫所需的时间，min;St、S0分别为喷粉tmin和原始硫含量,.,184,4）供料速率,单位时间内喷粉罐输出的粉料量。粉剂用量和喷粉时间之比，是一个非独立的参数，取决于粉剂种类、罐内外的压差和喉口直径。5）载流气体流量和粉气比载流气体的用量仅需保证钢液的搅拌和粉粒的均匀稳定输送，一般供气强度取0.010.02m3/tmin。可推算载流气体用量和粉气比。,.,185,冶金效果,脱硫净化钢液和控制夹杂物形态提高合金收得率改善钢液的浇注性能,.,186,TN法,装置：喷粉罐，气力输送系统，喷枪及其升降和回转系统，操作控制系统。,特点：设备简单；喷粉罐容积小，安装在喷枪架的悬臂上，随着喷枪一起升降和旋转，管路短，可用硬管连接；喷粉罐上设有上下两个出料口,TN法主要用于喷粉脱硫，喷吹的粉剂主要有CaC2、CaSi、Mg粉和石灰粉。,.,187,攀钢于1985年从德国麦素公司引进了TN喷粉的主体设备。喷粉设备和工艺喷粉设备：喷粉罐熔剂为1m3，喷枪为高铝整体打结，内径为10mm，带有微调合金化系统。冶金效果脱硫率一般可达89.75%。处理后钢中总氧含量可达16ppm。夹杂物数量减少57%以上，呈细小、球状均匀分布。,.,188,不同喷粉装置的工艺参数,.,189,不锈钢:在空气、水、酸、盐的水溶液中及其它氧化性气氛中具有很高的化学稳定性。,铁素体不锈钢：含碳量一般小于0.1%，铬1330%。单相的铁素体组织，Cr17、Cr25、Cr28。马氏体不锈钢：含碳0.10.4%，铬1618%。淬火得到马氏体组织。1Cr13、2Cr13、3Cr13。奥氏体不锈钢：含铬1720%，镍911%，常温仍保持奥氏体组织。不磁化、硬度小、加工性能好。Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9。强度低、塑性好，可用冷加工的方法使之加工硬化提高强度。,2.6不锈钢精炼,.,190,不锈钢二步法:是指初炼炉熔化精炼炉脱碳的工艺流程,常见有初炼炉AOD炉；初炼炉MRP转炉；初炼炉VOD炉等。不锈钢三步法:在二步法基础上增加深脱碳的装备，通常有初炼炉AOD（LF）VOD；初炼炉MRP（LF）VOD；初炼炉MRP（LF）RH-OB等形式。初炼炉可以是电炉，也可以是转炉；精炼炉一般指以脱碳为主要功能的装备，例如AOD,VOD,RH-OB（KTB）,CLU，MRP等。其他不以脱碳为主要功能的装备，例如LF钢包炉、钢包吹氩、喷粉等，在划分二步法或三步法时则不算做其中的一步。此外，这里把专用炉熔化铬铁的操作，也不列入其中的一步。,.,191,AOD(ArgonOxygenDecarburization)炉简图,Ar,O2混合气体,出钢口,返回,双层套管风口,.,192,2.6.1AOD工艺AOD法是世界上冶炼不锈钢的主要方法，占世界不锈钢产量的70-80%。AOD的原理是吹惰性气体(Ar)作稀释气体,降低碳-氧反应产物CO的分压(PCO),以达到去碳保铬的目的.为了减少铬的氧化和防止钢液温度过高,在吹炼时要改变氩氧的混合比.实际操作中冶炼过程中分阶段变化氧压比例.氮含量要求低的钢种,应使用纯氩.对氮含量要求不高的钢种可以使用粗氮或以氮气代替氩气.为保护炉体耐火材料,钢液温度不应超过1750C,氧化期温度高时可加入清洁干燥的同钢种返回钢,以冷却钢液.,.,193,工艺参数,氧氩比：AOD吹炼所用的混合气体中氧气和氩气的体积比。氧氩比在很大程度上影响着AOD的脱碳速率，铬的氧化速率以及溶池的升温速率。为尽可能减少铬的氧化和控制溶池温度，吹炼过程中根据溶池含碳量和温度调节氧氩比。氧氩比的理论值可以根据FeCrCO四元素的平衡条件，用热力学的方法计算。混合气体流量：氧氩比确定后，取决于氧气流量。,.,194,.,195,AOD法的工艺要点：AOD对电炉所炼半钢的碳含量没有严格的要求，通常波动于12%；硅的含量一般控制在0.20.4%；对硫含量不做要求；出钢温度控制在162010。AOD法吹入氧、氩气体的比例一般为3个阶段或4个阶段。第一阶段O2：Ar（N2）=4:1(3：1)，将碳氧化到0.3%左右，此时熔池温度约为1680C.第二阶段O2：Ar=2：1或1：1将碳氧化到0.1%左右，熔池温度约为1690-1720C.第三阶段O2：Ar=1：2，将碳氧化到0.03%左右,当炼碳含量小于0.01%的极低碳钢种时,第四阶段O2：Ar=1：3(1:4)继续脱碳。,.,196,AOD法的工艺要点：最后用纯氩吹炼35分钟，使钢水中溶解氧继续脱碳，还可以减少还原Fe-Si的用量。钢中碳含量达到要求时,停止吹氧结束氧化期,加入硅铁,铝,石灰进入还原期,还原温度应高于1700C,还原期间继续向炉内吹入氩气,铬的回收率99%,锰的回收率90%以上,还原期可脱硫.,.,197,AOD法的工艺要点,脱碳终了以后如果不是冶炼含钛不锈钢,不需要脱硫操作，一般采用AOD单渣法,不扒渣直接进入还原期。由于脱碳终点温度约在1710-1750，为了控制出钢温度并有利于炉衬寿命，在脱碳后期需添加清洁的本钢种废钢作为冷却剂。随后加入Fe-Si、Si-Cr、Al等还原剂和石灰造渣材料，成分、温度合适即可出钢。原料条件不好或成品硫要求50ppm时采用双渣法操作.AOD炉的冶炼时间一般为90分钟左右。气体消耗视原料情况及终点碳水平而不同。一般氩气消耗为1223Nm3/吨，氧为1525Nm3/吨。Fe-Si用量为820Kg/吨，石灰4080Kg/吨，冷却剂为钢水量的310%。,.,198,AOD主要特点,l可以大量使用廉价的高碳铬铁、粗氩和氮气；l工艺稳定，效率高,产品质量好；l炉龄150300次,高于VOD法；l脱硫效率高于VOD法，可高达90%；l铬收得率95-99%,高于VOD法；l投资少,约为VOD法的1/3。,.,199,lAOD改进工艺在C0.7%脱碳期采用纯O2吹炼，此时不会发生铬的氧化，其结果与O2/Ar=4/1时是一样的。60吨AOD的供O2速度由2880NM3/h增大到3600Nm3