洁净钢与清洁辅助原料课件汇总完整版课件全套ppt最全教学教程整本书电子教案

1、洁净钢与清洁辅助原料2内容提纲第一部分：钢铁工业发展概况第二部分：铁水预处理与熔剂第三部分：炼钢工艺与原料第四部分：钢液脱氧与夹杂物控制第五部分：洁净钢与耐火材料技术3第一部分 钢铁工业发展概况4一、 钢铁材料钢铁材料因其硬度大，延展性好，可加工性强，易于回收利用，是人类历史发展中用量最大的材料，也是最重要、通用性和适应性最强的工程材料。人类文明史是伴随着钢铁材料的发展而形成的。钢铁材料现在并且未来仍是材料的第一选择，在本世纪它仍然能提供最大的价值财富。56棒材线材型材钢管薄板厚板1.1 钢铁材料种类71.2 钢铁冶金流程演变春秋时期的吴越之地是最先发明炼钢的地方。吴越春秋记载：干将“采五山之

2、铁精、六和之金英”以铸铁剑，三月不成，莫邪“断发剪爪，投入炉内，金铁乃濡，遂以成剑”。经无损科学检测，该剑主要合金成分为铜、锡、铅、铁、铬、硫等。花纹处含硫较高，硫化铜可防锈。 81.2 钢铁冶金流程演变图 魏晋南北朝时期的灌钢技术古人为了提高鼓风效率，采用水力驱动的方式将空气吹入冶炼炉内。古代流程91.2 钢铁冶金流程演变现代流程高炉焦炭废钢焦化直流电弧炉煤粉复吹转炉Vacuum DegasserLadle Furnace石灰铁矿石AlCr/Ni/MoFe-MnCoke焦炭石灰焦炭钢水包CC-molds中间包直接还原竖炉烧结 101.3 钢铁工业的发展方向优化产业结构，淘汰落后产能提高产品质

3、量，提升技术创新水平坚持“绿色冶金”、“生态冶金”的发展模式大力发展循环冶金，走可持续发展道路钢铁工业绝不是夕阳工业！是挑战和机遇共存的工业！11二 世界钢铁工业现状12Year132.2 世界产钢国钢铁产量2013年全球粗钢产量：15.82亿吨，中国钢粗钢产量：7.79亿吨。142.3 全球大型钢铁企业钢产量（百万吨）1 阿赛洛-米塔尔Arcelor-Mittal 96.12 新日铁住金Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation 50.13 河北钢铁集团Hebei Steel Group 45.84 宝钢集团Baosteel Group 43.95 武

4、钢集团Wuhan Steel Group 39.36 韩国浦项POSCO 38.47 沙钢集团Shagang Group35.18 鞍钢集团Ansteel Group 33.79 首钢集团Shougang Group 31.510日本JFEJFE 31.211塔塔钢铁集团Tata Steel Group 25.312山钢集团Shandong Steel Group 22.813美国钢铁U. S. Steel Corporation 20.414纽柯公司Nucor Corporation 20.215天津渤海钢铁Tianjin Bohai Steel 19.3中国钢铁企业举足轻重！2013年度排

5、名152.4 我国人均粗钢产量人均粗钢产量差距明显！162.4 我国人均粗钢产量17三、中国钢铁工业特点产量大，产能过剩无序竞争突出（投产项目扎堆、恶性循环）过于依赖国内基础建设（房地产、铁路、基建等）钢铁企业利润降低，“暴利”变“微利”资源依赖性增强（铁矿石）环境污染问题依然突出183.1 我国钢材消费量的变化基础建设总规模下降，钢铁消费转变为低增长。19产能过剩的行业中，钢铁行业首当其冲！203.1 我国钢材消费量的变化213.2 原材料价格波动223.3 钢铁企业的利润水平233.4 我国钢铁企业的分布情况趋势：由内陆迁往沿海，受困于水资源和铁矿石运输成本。2425四、新一代钢铁冶金流程

6、特征消耗/Cost 低生产效率/Productivity 高质量/Quality 高环境/Environment 环境友好材料264.1 钢铁冶金原料铁矿石、煤炭已经成为当今世界两大紧缺能源。尚无新流程能够取代当前钢铁生产传统流程。水资源的匮乏制约了钢铁冶金行业的发展步伐。27世界铁矿石资源分布28我国铁矿石进口情况（2008）来源单一，依赖性强29世界煤炭资源分布30世界煤炭生产情况/2008年31世界焦炭资源供应情况/2008年3233我国水资源情况我国水资源总量.万亿吨、世界位。但人均水占有量仅为世界平均水平的/，属于缺水国家水资源不均衡南水北调国际标准：人均水占有量吨以下时为极度缺水。

7、中国钢铁产量第一的河北省人均水占有量仅为吨。 水制约中国钢铁工业的发展。344.2 钢铁冶金工艺流程35炼铁过程炼钢过程杂质元素: C、Si、P、S、Mn、N、H、O等合金元素: Cr、Ni、Mo、V、Ti、Nb等直接还原 固-固反应间接还原 气-固反应强供氧促进碳氧反应加速钢铁冶金化学反应3637现代化炼铁厂鸟瞰38烧结工序目的：生产合格烧结矿，供给高炉使用。铁矿石烧结矿39焦化工序目的：生产合格焦炭，作为高炉骨料和还原剂。焦煤焦炭40高炉工序直接还原间接还原供热41高炉工序42铁水预处理工序脱硅、脱磷、脱硫“三脱”处理43产物向炉渣方向迁移脱硅反应脱硫反应脱磷反应铁水“三脱”原理44转炉工

8、序45转炉工序目的：脱碳、升温46氧气二次精炼惰性气体/Ar或N2CO/CO2气体转炉工序47炼钢过程各元素的行为向炉渣迁移Al, B, Si, Ti, V, Zr炉渣钢水间的分配P, S, Mn, Cr钢水中残留Cu, Ni, Co, Sn, Mo, W, As, Sb向气相中的移动/蒸发Zn, Cd, Pb, C转炉工序48精炼工序目的：脱氧、合金化、成分微调、去除杂质。常用的二次精炼装备有RH、LF、VOD、CAS等。二次精炼是生产洁净钢的必备手段。49元素冶炼方式含量代表产品CLD-顶底复吹转炉RHC20ppm深冲钢板P RH 铁水预处理顶底复吹转炉PI RH PI 钢的脱磷LF RH

9、P70ppmP50ppmP70ppm合金钢、高压容器耐海水腐蚀钢耐海水腐蚀钢S铁水预处理顶底复吹转炉PI RH PI S10ppm耐海水腐蚀钢NLD-顶底复吹转炉RHN20ppm连续退火用钢板O铁水预处理顶底复吹转炉LF RH O10ppm轴承钢H铁水预处理 LD-顶底复吹转炉RHH1.5ppm高级别管线材夹杂物控制铁水预处理顶底复吹转炉LF 高洁净度轮胎子午线钢表 高洁净度钢冶炼方式及各元素的要求精炼工序50连铸工序目的：将钢水浇注优质铸坯，为轧钢提供原料。连铸是炼钢最后一道工序，决定了产品质量（内部与表面质量）51钢液凝固包括以下过程：结晶器内钢液的运动坯壳的凝固与变形夹杂物的上浮去除保护

10、渣的作用结晶器振动无缺陷连铸坯生产连铸工序52结晶器内钢液流动至关重要，它影响了保护渣的熔化情况、钢液初始凝固坯壳的形成、非金属夹杂物的去除能力、铸坯表面和内部质量等。连铸工序533D在线凝固控制直接带钢连铸二次冷却自动控制结晶器内流动现象测量高速连铸动态轻压下重新引入立弯式连铸机液芯压下(LCR)薄板坯连铸连轧电磁制动中间包冶金铸坯电磁搅拌结晶器连续温度测量结晶器液面自动控制保护渣自动加入196019701980199019952000连铸工序大量新技术的采用提高了连铸坯质量。54轧钢工序将铸坯在一定温度下，以一定变形量加工成所需厚度和尺寸的物理过程。钢的轧制分为：热轧和冷轧轧钢过程中最为重

11、要的两个因素：温度、变形量。55钢的相变理论Fe-C相图共析钢的相转变曲线56轧钢工序-热轧“热轧”是热机械轧制(TMT)的缩写，是专门用来调整钢铁产品组织发生相变的工艺。57轧钢工序-冷轧冷轧与热轧相比，具有表面质量好、尺寸精度高、产品厚度更薄的特征。由于加工硬化效应，冷轧钢具有更好的强度。58五、钢铁冶金清洁生产中华人民共和国清洁生产促进法对清洁生产的定义：不断采取改进设计、使用清洁能源和原料、采用先进技术与设备、改善管理、综合利用等措施，从源头削减污染，提高资源利用效率，减少或避免生产、服务和产品使用过程中污染物的产生和排放，以减轻或者消除对人类健康和环境的危害。钢铁冶金流程是典型的高消

12、耗、高排放、高污染的行业，实现清洁化生产具有重大的现实意义。59目 标605.1 钢铁厂污染物排放钢铁工业“三废”是指，废气、废水和固体废弃物废气主要包括：CO2、SO2、二噁英废水主要包括：选矿废水、焦化废水、烧结废水、水冲渣废水等，含有大量重金属离子和悬浮物固废主要包括：尾矿、炉渣、粉尘、尘泥等61我国钢铁工业CO2排放量 钢铁工业是主要温室气体排放行业之一，从全球统计来看，钢铁工业排放的CO2占全球温室气体总排放量的45%，而我国钢铁工业的CO2排放量占全国CO2排放总量的12%左右。钢铁工业节能减排任重而道远！ 我国与世界先进水平差距明显！62典型高炉-转炉流程由碳素消耗产生的CO2排

13、放比例63我国钢铁工业SO2排放吨钢SO2 排出量 （kg） SO2 emission rate (kg/t steel) SO2气体是钢铁冶金工业排放的一种有毒气体； SO2形成的酸雨和酸雾可对湖泊、地下水、建筑物、森林、以及人体构成腐蚀和威胁。同时，长期的酸雨作用还将对土壤和水质产生不可估量的损失。 酸雨侵蚀的乐山大佛 钢铁工业中，SO2主要排放工序是炼铁的烧结工序。下降明显64NORTHEASTERN UNIVERSITY OF CHINA我国钢铁业吨钢粉尘排出量（kg）Exhaust rate of dust, kg/t steel我国钢铁工业粉尘排放 钢铁工业是粉尘排放大户，随着我国

14、钢产量的增加，粉尘的综合治理和有效利用成为必然。冶金粉尘具有排放量大、成分复杂、粒度分布差异大的特点。由于粉尘中含有大量有价元素，如Fe、Zn、Cr等，回收利用潜力大。65钢铁工业粉尘的处理方法含锌粉尘我国钢铁企业每年粉尘的产量在50006000万t左右。这些粉尘含有大量的铁元素，其中一部分粉尘还含有碳、锌、铅、钾和钠等其他元素 。图 含锌粉尘转底炉处理工艺66高炉渣 300kg/吨钢 转炉渣 80120kg/吨钢电炉渣 120150kg/吨钢 精炼渣 2030kg/吨钢我国钢铁工业废渣排放67冶金废渣的利用方式2011年日本高炉渣的利用途径产量大碱度低含铁低稳定性好利用率高高 炉 渣68冶金

15、废渣的利用方式2011年日本转炉渣的利用途径转 炉 渣产量大碱度高含铁高稳定性差利用率低 游离CaO导致钢渣体积安定性差是制约转炉渣应用的主要障碍。693HHigh resource consumptionHigh energy consumptionHigh pollutant emission3RReduceReuseRecycle过去将来第2部分 炉外处理与熔剂铁水预处理是指铁水兑入转炉之前进行的各种前期处理。铁水预处理包括普通预处理和特殊预处理两类。普通预处理包括，铁水脱Si、脱S和脱P，即“三脱”处理。特殊预处理是指对铁水中的特殊元素进行提纯精炼或资源综合利用，如铁水提Nb、提V、提

16、Cr等预处理工艺。2.1 洁净钢高效铁水预处理技术铁水“三脱”预处理Desiliconization; Desulfurization; Dephosphorization低温有利新日铁君津铁水预处理工艺流程铁水“三脱”原理产物向炉渣方向迁移脱硅反应脱硫反应脱磷反应铁水预处理的意义化学冶金学意义： 创造最佳的冶金反应环境钢铁冶金过程优化： 各个工艺环节的紧密衔接 减轻转炉冶炼负担 减轻二次精炼任务 实现少渣炼钢 是洁净钢生产顺利实施的保障2. 1.2 铁水预处理脱Si铁水脱Si的意义： 是铁水脱P的必要条件 减少转炉渣量和石灰用量 可在低碱度下实现脱硅，成本低铁水脱Si的方法：铁水沟直接脱Si

17、铁水罐脱Si脱磷前的预脱硅？铁水中的硅的氧势比磷的氧势低的多，当氧化剂加入后，硅比磷优先氧化，形成的氧化硅降低了炉渣的碱度，影响了脱磷的效率。为了减少脱磷剂的使用量，提高脱磷效率，必须预先脱除硅，脱磷处理前一般将铁水中的Si降低0.100.15 mass%的水平。铁水罐脱Si示意图顶吹氧气的目的，防止熔池温降。控制固态氧和气态氧的比例，使得脱硅过程少温降或无温降。铁水脱硅方法的比较方法脱硅剂气固比处理后硅含量处理时间成本铁水沟连续脱硅高碱度烧结矿颗粒00.100.15%不额外占用低铁水灌脱硅O2+高碱度烧结矿50%900.00320 40挥发，侵蚀，污染电石系CaC2+CaO+CaCO34 6

18、90900.0035 15深脱，深喷，低温表 各种喷吹脱硫工艺脱硫效果的比较脱硫剂反应原理及特征苏打系(+氧化剂，可以实现同时脱硫、脱磷)特点：脱硫效果好，但价格贵，挥发损失严重，污染大，严重侵蚀包衬。石灰（CaO）系特点：廉价易得，经细磨后的活性石灰脱硫效果更佳。但石灰易吸水，脱硫后形成CaS渣壳，阻碍反应进行，不能深度脱硫。脱硫剂反应原理及特征电石系(CaC2)特点：脱硫效果好，价格相对便宜。提高CaC2脱硫效率的方法有：需磨细后使用防止铁水带渣，因为CaC2可以还原炉渣中的MnO、FeO成分为防止CaC2粉烧结，一般加入CaCO3混合使用惰性气体保护，易受潮分解，需防爆脱硫剂反应原理及特

19、征金属Mg系特点：高效深脱硫剂，价格较贵，极活泼，易挥发，使用前必须“钝化”处理。由于Mg蒸汽压大，需要喷入铁水液面2-3m以下，以平衡Mg蒸汽压。目前使用的镁系脱硫剂有：镁合金（Mg-Fe-Si）覆膜镁粒覆膜混合镁粒（Mg含量30%-80%）或脱硫剂反应原理及特征金属Mg脱硫动力学条件提高金属Mg溶解的措施有：铁水温度低有利；外包裹惰性物质减缓Mg的气化速度；喷枪插入液面以下2-3m，使得Mg气泡与铁水接触时间长。 低温、高压有利于金属Mg的溶解铁水脱硫剂的选择物质的脱硫能力，由高到低的顺序依次是： CaC2、Na2O、 Mg、 BaO、 CaO、 MnO、 MgO工业中常用的脱硫剂有： C

20、aO系、 CaO+ CaC2系、 CaC2系、 CaO+ Mg系、 Mg系铁水脱硫剂性能比较CaC2石灰粉CaO镁粉1350平衡常数6.91056.4893.17103脱硫能力很强较强很强Smin4.910-5%1.610-3%3.710-3%特点1、极易吸潮分解；2、运输和保存需要惰性气体密封；3、单独储存；4、析出的石墨碳对环境有污染；5、价格昂贵。1、消耗量大，渣量大，铁损多；2、价格低，资源广，使用安全；3、易吸潮。1、气泡脱硫效果好；2、配合强的搅拌效果更佳；3、价格贵，需要钝化处理；2. 1.4 铁水预处理同时脱硫、脱磷 同时脱硫、脱磷的电化学原理阳极阴极图5 喷粉处理时不同熔池内

21、氧分压分布顶渣喷枪脱硫脱磷粉剂+O2-N2载气 如左图所示的100吨铁水灌内测定的熔池内氧位分布，同时脱硫和脱磷的本质是：在喷枪附近，氧位较高，logPO2=-12-13,可进行氧化脱磷反应，而在铁水灌壁与顶渣界面处，氧位较低， logPO2=-15-17，可进行还原脱硫反应。喷粉处理是在实现了熔池氧分布后，才达到了同时脱硫、脱磷的目的，即，“同时不同位”。铁水预处理脱磷的优势氧化脱磷为放热反应，铁水温度低，热力学条件有利；铁水中的C、Si含量高，提高了熔池内P的活度，有利于脱磷反应进行；铁水预处理脱磷渣-钢间磷的分配系数是炼钢脱磷的510倍。因此，渣量较少，可以控制较低的FeO含量，铁损低；

22、和炼钢相比，不会造成钢水的过氧化。两类工业脱磷剂苏打系： Na2CO3（+氧化剂）石灰系：CaO+氧化剂+助溶剂（CaF2）气态氧化剂： 工业氧气（O2）固态氧化剂： 轧钢铁皮，铁精矿粉，烧结返回料，成分FeO；助溶剂： 萤石（CaF2）、CaCl2。脱磷预处理方法铁水罐或混铁车喷吹粉剂法专用转炉脱磷法 专用转炉可实现顶底复吹，脱磷动力学条件好，且顶吹氧气对熔池温度进行控制，温降小。可顶部加入粒状或块状脱磷剂，并可返回利用转炉渣和加锰矿进行熔融还原，对处理我国的中、高磷铁水具有良好的应用前景。第一种-基于铁水深度脱硫的纯净钢冶炼工艺 代表企业： 北美，欧洲，宝钢，武钢等。 工艺流程： 高炉铁水

23、深脱硫处理（S0.005%） 复吹转炉（脱磷、脱碳、升温）炉外精炼（脱硫、除气、去夹杂） 连铸2.1.5 基于铁水预处理的洁净钢冶炼工艺第二种-基于三脱预处理的纯净钢冶炼工艺 代表企业：日本（新日铁、住友金属、神户制钢，NKK和川崎制铁）。 工艺流程如下： 铁水三脱（Si、P、S）预处理转炉少渣冶炼 炉外精炼（脱硫、除气、去夹杂） 连铸专用转炉脱磷生产纯净钢工艺住友金属的SRP法神户制钢的H炉川崎制铁的Q-BOP新日铁的LD-ORP和MURC法2.1.6 专用转炉脱磷生产洁净钢工艺 近30年来，日本在生产洁净钢方面技术一直处于领先地位，值得一提的是，日本企业普遍认为，当钢产能过剩时，最为经济的

24、方式是采用转炉脱磷，以下是这些技术的代表。全量铁水预处理+BOP少渣冶炼的优势增加了钢水的洁净度。由于无脱磷任务，炉渣T.Fe降低(4%)，带入钢包的渣量减少，精炼中加Al脱氧，O含量可降低至2.310-5；可实现“提碳出钢技术”。由于无需造渣脱磷，转炉冶炼平稳，钢中C含量与温度成线性关系，终点碳含量可高达0.8%，温度可从1700降低至1640；转炉冶炼全量预处理铁水，可加锰矿或铬矿熔融还原，有利于冶炼高锰钢、高铬钢和不锈钢；炉衬寿命提高。由于渣量少，渣中FeO含量低，对炉衬的冲刷和腐蚀降低，炉龄大大提高。预脱硫预脱硅预脱磷（同时脱硫、脱磷）未来以喷吹法为主，高效喷射冶金技术值得期待。高效、

25、廉价、易得的脱硫剂是主流，形成的局面是，CaO系、CaC2系、Mg系“并驾齐驱”；铁水预处理是洁净钢冶炼的必须手段！2.1.7 铁水预处理的发展趋势市场对洁净钢的大量需求。如提高轴承钢疲劳寿命，要求钢中TO 1010-6；提高输油管抗H2S腐蚀能力，要求控制钢中S 5 10-6等等，大量生产这些高附加值纯净钢，必须采用各种炉外精炼技术。连铸技术高速发展的要求。精炼工序作为炼钢连铸间的缓冲环节，有利于实现全连铸生产，保证稳定均衡的生产节奏与工艺、质量要求。努力降低生产成本的要求。如电炉冶炼时间，从过去的210min缩短到60min，冶炼电耗和电极能耗大幅度降低，但前提是必须把还原精炼工序移到炉外

26、精炼完成，因次几乎100的电弧炉生产配备了LF精炼工艺。2.2 洁净钢二次精炼技术提高钢水洁净度。有效去除钢水中的有害元素,如硫、磷、碳、各种气体(、等)和夹杂物等；调整钢水温度、成分。有效促进夹杂物上浮并对夹杂物进行变性处理；优化生产流程和工序之间的衔接。实现炼钢过程有效化和紧凑化。2.2.1 二次精炼的任务2.2.2 二次精炼的分类电极Ar气泡钢包合成渣钢水真空脱碳、脱气LF钢包冶炼电弧加热，合成渣精炼不锈钢精炼合成渣洗技术 30年代，法国，60CaO-40%Al2O3液渣中冲混。CAS-OB(CAS with Oxygen Blowing) 1983年，日本新日铁，CAS基础上利用Al-

27、O2反应升温。RH(Ruhrstahl Huttenwerke AG 公司专利） 1959年，德国，循环式真空脱气。RH-OB(RH with Oxygen Blowing) 1972年，新日铁，RH真空槽下部淹没吹氧。RH-KTB (Kawasaki Steel New Top Oxygen Blowing) 1988年，日本川崎制铁，RH真空槽内顶吹氧。VOD(Vacuum Oxygen Decarburization) 1965年，德国，真空下顶吹氧。AOD(Argon Oxygen Decarburization) 1968年，美国，Ar-O2淹没喷吹。ASEA-SKF 1965年，瑞

28、典ASEA-SKF公司，电磁搅拌，大气下电弧加热，钢包脱气。LF(Ladle Furnace) 1971年，日本特钢公司，大气下埋弧加热，底吹Ar搅拌。主要的二次精炼工艺介绍RH真空处理技术在冶炼超低碳，有效控制钢中有害气体方面发挥重要的功能。从钢铁工业的发展来看，铁水预处理复吹转炉RH真空精炼连铸流程是现代炼钢企业的最佳工艺流程。由RH衍生的其他洁净钢冶炼手段还有RH-OB、RH-KTB、RH-MFB等。1) RH -真空脱碳工艺图 RH真空脱碳示意图真空槽合金加料孔钢包惰性气体入口图 RH循环脱气装置外观/上升管和下降管特写当左图中两个真空管插入钢液后，启动真空泵，真空室被抽成真空。由于真

29、空室的内外压力差，钢液从真空管上升到与压差相等的高度，即循环高度B；当上升管输入惰性气体，驱动气体受热膨胀从而驱动钢液上升涌入真空室。为了保持平衡，一部分钢液从下降管回到钢包中，从而周而复始，实现钢液的循环。RH 循环脱气原理提高RH钢水循环速度的方法：扩大循环管内径；增加驱动气体流量；改进驱动气体的供气方式。影响RH钢水循环速度的因素A 扩大循环管内径新日铁生产实践表明，钢水循环速度与上升管直径成正比，起关系式为：式中 Q钢水的循环速度，t/min；G气体流量(标态)，L/min；D上升管的直径，m；P压力，atm。由于真空室直径受钢包尺寸的限制，为此可将循环管由圆形改为椭圆形。在真空室直径

30、相同的情况下，采用椭圆形循环管后，循环管面积增加了87%，钢水循环流速由34t/min增加到了79t/min。圆形椭圆形真空室底部视图循环管面积1320cm2707cm2喷嘴数168氩气流量1600L/min500L/min真空度(0.3-2) 133.3Pa(0.3-2) 133.3PaB 增大驱动气体流量同样参照上式，钢水循环速度与驱动气体流量也是成正比的。德国蒂森进行的模拟实验得到了驱动气体和循环速度的关系，其规律见右图所示。RH处理中，需向上升管的钢液中输送惰性气体或反应气体，要求气体输送系统设计和材质选择上要合理。最初采用的是多孔扩散环，其特征是孔径小，加工困难，寿命短，喷嘴易堵塞；

31、后来改为环形板，两板缝隙间形成进气环，但由于环形砖较薄，烧成困难，且更换也较麻烦。后来，改成了供气钢管的形式。C 改进驱动气体的供气方式图 输送气体的扩散环图 输送气体的环形砖图 各种形式的钢管喷嘴早期RH真空精炼是以脱H为主要目的，随着RH真空精炼的实践发展，其冶金功能得到充分发展。如图所示。RH真空精炼的冶金功能RH真空精炼的冶金功能脱气脱H脱N脱O自然脱碳温度和成分调整吹氧喷粉升温强制脱碳脱气去除夹杂物脱硫脱磷精炼板材、线材电磁材料及低碳钢碳素钢不锈钢、IF钢等超低碳合金钢、不锈钢脱氢：可将H降至0.0001%以下；脱碳：可将C降至0.0015%以下；脱氧：T.O不高于0.002%，如和

32、LF配合， T.O可降至0.001%；脱氮：可将氮降至0.0005%左右；脱硫：向真空室喷入脱硫剂，可生产S小于0.001%的低硫钢；钙处理：向真空室添加钙合金，钢中的Ca可达0.001%；升温：加铝升温，可使钢水获得4/min的升温效果。RH真空精炼的冶金效果新日铁技术中心提供的2000年钢中碳、磷、硫、氮、氢、氧等元素的极限含量可以达到：C=(40.2) 10-6; P=(30.2) 10-6; S=(10.2) 10-6; N=(60.1) 10-6;H=(0.50.1) 10-6; O=(20.1) 10-6; =(16.10.1) 10-6真空吹氧的目的在于强制脱碳，冶炼超低碳钢必须

33、采用辅助吹氧的措施，否则冶炼周期太长，无法保证与连铸机合理匹配。脱碳反应：C+O=CO(g)RH-OB在于减轻转炉负担，转炉出钢的碳含量不用控制在极低水平，可以通过RH-OB调整。缺点：喷嘴寿命低，喷溅严重，真空室容易结瘤。RH-OB 真空吹氧技术1988年，日本川崎制铁(现日本JFE)为了满足汽车板钢超低碳的要求，开发了RH-KTB真空吹氧技术；其技术特点在于顶吹氧，类似于真空状态下的转炉冶炼；目前RH-KTB在RH设备中应用已经非常普遍。RH-KTB 真空吹氧技术Kawasaki Steel New Top Oxygen BlowingRH精炼前，钢水不进行吹氩搅拌时，精炼开始3分钟，钢水

34、温降20，主要由于真空室和钢包内衬吸热及均匀钢水温度；精炼开始3-10分钟，平均温降为2.0 /min；精炼开始11-20分钟，平均温降为1.5-2.0 /min；21分钟后，平均温降为1.0-1.5 /min。当采用RH-OB或RH-KTB后，钢水温度可以在线调整。 RH真空精炼温度变化RH过程脱氢，遵循西维茨平方根法则：H2=2H当fH=1时，即钢水中的氢与氢分压的平方根成比例。由于惰性驱动气体和真空脱碳形成的CO气泡作用，钢液中的氢向上述气泡中的扩散速度显著增大。RH脱氢图 钢中氢含量与精炼时间的关系RH真空脱碳时，C-O反应生成CO气体，降低CO分压使反应朝着CO生成的方向进行；C+O

35、=CO(g)反应的平衡常数为：当钢液中碳和氧浓度很小时，fC和fO可看做为1，则上式可以写成：可见利用真空下的碳氧反应，可使碳氧同时减少。RH真空脱碳原理图 1600不同CO分压下的碳氧平衡下的等压曲线2.510-3RH脱氮反应：RH脱氮理论上讲，RH真空精炼是具备脱氮能力的。但实际上，由于N的扩散速度比较慢，在钢中原始氮含量很低的情况下，RH真空脱氮是比较困难的，需要的时间也较长；有时由于RH真空室漏气或者驱动气体不纯净，甚至可能导致钢液增氮；因此，对于生产极低氮的钢中，要防止RH真空处理增氮。RH真空脱硫一般处理硫含量要求不高的钢种；经合金溜槽添加入脱硫剂；RH脱硫要求渣层厚度薄，且炉渣碱

36、度要高，且FeO含量要尽可能控制在较低水平，因此转炉出钢要严格挡渣，防止大量钢渣进入钢包，以防止钢液回硫；RH深脱硫的时机一般是在钢液深脱氧之后2min后进行；脱硫剂一般选择CaO-CaF2系脱硫剂，粒度在3-5mm，防止细小的脱硫剂被真空泵吸入。RH真空脱硫真空槽钢包惰性气体入口脱硫剂/ CaO-CaF2图 RH脱硫示意图LF的最初目的是把EAF的还原操作移到钢包进行；LF精炼可提高钢液纯净度及满足连铸对钢液和成分要求；目前，转炉配LF的精炼模式得到迅速发展，几乎所有钢厂都配备。LF精炼的目的：加热钢水、均匀钢水成分、成分微调、夹杂物去除。尤其适合冶炼超低硫钢种。2) LF-钢包炉图 南非S

37、aldanha厂170吨LF炉装备外观确定LF电弧加热功率的经验式为：电弧功率的确定式中，W精炼1t钢水所需补偿的能量，kWh/t； Cm1t钢水升温1所需的能量， kWh/t； t钢水的升温， ； S%-渣料用量占钢水总量百分比； Ws熔化10kg渣料所需的能量； kWh/t； A%-合金加入量占钢水总量百分比； WA熔化10kg合金所需热量kWh/t；氧的控制LF精炼过程一方面要用脱氧剂最大限度的降低钢水中的溶解氧，另一方面要采取措施使脱氧产物上浮去除；用Al脱氧，钢中Als达到0.03-0.05%时，钢液几乎脱氧完全，此时钢中的溶解氧几乎全部变为Al2O3，钢液脱氧实质变成钢中夹杂物去除

38、问题。LF精炼过程洁净度控制炉渣成分控制右图为轴承钢冶炼时，LF精炼过程炉渣中氧化物含量的变化。轴承钢Als的控制LF精炼过程中，引起钢水溶解铝氧化的主要因素是炉渣中的SiO2、MnO、FeO、Cr2O3以及空气的氧化。因而定义钢水中Als变化的速度常数k为：式中，a、b、c、d、e分别为SiO2、MnO、FeO、Cr2O3以及大气氧化引起的溶解铝氧化速度常数，10-6/min。在一定渣系条件下，根据钢水中各成分的变化确定a、b、c、d、e，从而可求得LF精炼过程Als的变化；目前一般企业都可实现Als的在线分析。利用Als的损失可以大体判断钢水的二次氧化程度。LF精炼过程洁净度控制夹杂物上浮

39、钢水中总氧的去除速率为：LF精炼过程洁净度控制总氧的速度去除项，即由于夹杂物上浮导致的总氧去除速率，k1为夹杂物上浮去除的速度常数。k2为总氧的增加速度项，即由于二次氧化造成的钢水氧的增加速度，由钢液中的Als氧化速率决定。其中，为钢渣界面反应生成的夹杂物在钢水中的残留比例。在t=0时，TOt=TO0，则某时刻的总氧量为：钙处理目的：氧化铝夹杂物与硫化物夹杂变质处理，防止连铸过程水口结瘤，提高钢水可浇性。Al2O3（固态）12CaO7Al2O3（液态）喂线前的钢水条件为：S0.010%，O 0.05%-0.08%)，脱碳速度与钢中碳含量无关，为常数，由供氧大小决定；低碳区(C0.05%-0.0

40、8%)，碳在钢液中的扩散为反应的限制环节，脱碳速度随钢中碳含量减少而降低；图 脱碳速度与钢中含碳量的关系VOD基本功能2、去碳保铬VOD法吹炼不锈钢铬的收得率一般为98.5%-99.5%。提高铬回收率的具体措施为：提高开吹钢水温度；提高吹氧真空度；减少过吹；增大氩气搅拌强度；加入足够脱氧剂，保证还原反应时间不少于10min；造碱性还原渣。VOD基本功能3、吹氧升温VOD法主要靠合金元素的氧化放热提高钢水温度，主要放热元素有碳、硅、锰、铬、铁、铝等；VOD精炼过程平均温升为2.36/min，吹氧停止后平均温降为1.30/min.右图为不锈钢吹氧精炼中元素氧化升温图。元素氧化量/%图 不锈钢吹氧精

41、炼中元素氧化升温图VOD基本功能3、吹氧升温VOD法因为吹氧脱碳产生钢液沸腾，加上吹氩搅拌，为去除钢中气体创造了良好的动力学条件。VOD装置的脱氢率一般在50%，脱氮率一般在40-60%；提高VOD脱气效果的措施有：降低除炼钢液的氢、氮含量；提高冶炼过程的真空度；增加有效脱碳速度；增大氩气流量；使用干燥的原材料，尤其石灰应该防止吸收水分；减少设备泄露；浇注超低氮钢种时应采取保护浇注措施。转炉VOD冶炼不锈钢工艺以转炉为初炼炉给VOD提供初炼铁水是不锈钢生产的新途径。复吹转炉脱碳速度快，可以换渣脱硫，可以提供温度高、含碳量低的初炼钢水，减轻VOD脱碳负担，缩短精炼时间，实现最低成本生产不锈钢。巴

42、西Timotco集团利用转炉VOD生产304不锈钢，VOD吹炼参数如下。阶段CSiCrNiMnT/转炉出钢0.370.0918.048.471.231623VOD入罐0.410.0318.668.391.401595吹氧结束0.0210.0118.248.451.161639VOD出罐0.0370.2618.668.211.301610表 VOD冶炼过程化学成分和温度变化参数O2流量/m3min-1Ar流量/m3min-1精炼时间/min阶段顶吹主吹缓吹吹氧还原脱氧顶吹碳脱氧总脱碳还原全程指标18.32515250023502300215571296表 VOD冶炼过程工艺参数1968年，美国联

43、合碳化物公司开发了第一座AOD精炼工艺装备；把电炉钢水倒入AOD炉，用Ar-O2混合气体从侧下方吹入炉内，在Ar-O2气泡表面进行脱碳反应；由于Ar对所生成的CO具有稀释作用，降低了气泡内的CO分压，促进了脱碳反应。此时钢水中的C-Cr-T的平衡关系为：可实现在假真空状态下精炼不锈钢。AOD较VOD法少了真空系统，设备投资相对较低，但脱碳速率较VOD低。4) AOD精炼炉图 AOD炉示意图电炉钢水采用吹入气体进行精炼，设备投资比VOD法少2倍以上；工艺简单，易冶炼超低碳不锈钢；钢水质量高，由于可采用吹入纯的氩气，H、O可分别降低25-65%和25-30%，由于氩气的强搅拌作用，钢中S含量较低，

44、可生产S0.001%的超低硫钢种；可利用氮气合金化生产高氮钢。AOD法冶炼不锈钢的优点CAS(Composition Adjustment by Sealed Argon Bubbling)，即密封吹氩合金成分调整，1975年由日本新日铁八幡厂推出；CAS操作，首先用氩气喷吹，形成一个无渣的区域，然后将隔离罩插入无渣区，使钢水与大气隔离，合金化的损失显著降低。CAS的基本功能：均匀钢水成分和温度；调整钢水成分和温度；提高脱氧剂Al的收得率；净化钢水，去除夹杂物。5) CAS精炼工艺CAS-OB(Oxygen Blowing)是在CAS的基础上发展起来的。它在隔离罩内设置了氧枪吹氧，其目的在于对

45、转炉钢水进行快速补偿升温，补偿CAS操作过程中的温降；CAS-OB法为新日铁最早推出，为最具代表性的化学升温加热工艺。目前，我国宝钢、武钢、鞍钢在冶炼低成本钢的时候均采用CAS-OB精炼工艺。CAS-OB图 320吨CAS-OB装置外观/浸渍罩特写吹氧化学加热法的基本原理是，加装OB喷枪，并向罩内投入Al、Mg、Si、C等可燃物质，与喷枪喷入的氧发生氧化反应产生化学热，提供给熔池温度，实现化学升温。化学反应：燃烧热通过辐射、传导、对流传给钢水，借助底部氩气搅拌将热量均匀传递给熔池深部；钢水的比热容取0.88kJ/(kg)，燃烧1.0kg铝和1.0kg硅的吨钢升温值为35和33 。CAS-OB工

46、艺原理CAS-OB发热剂选择反应式E/molQE/KJkg-1氧化热效应T/Ktkg-1钢水升温值W0(标态)/m3kg-1理论耗氧量26.89-27481.5933.6370.62328.09-28555.8734.9500.78910.81-49364.260.41.55412.01-25888.4413.6871.86540.08-13731.7616.8080.29747.88-17317.0421.1960.48624.31-21474.9826.285.0461表 元素的发热值与耗氧量升温值的大小顺序是：B、Si、Al、C、Mg、Ti、Ca。CAS-OB发热剂选择合金成分SiAlC

47、CaBaTiFe(余量)Si-Fe75.025.0Si-Al20.548.531.0Si-Ba-Ca40.518.215.725.6Ti-Fe4.08.537.750.2Si-Ca55-652.40.8315.8表 几种合金发热剂的成分及含量, %合金成分QE/KJkg-1T/Ktkg-1Si-Fe-19743.222.49Si-Al-18607.821.19Si-Ba-Ca-17307.519.71Ti-Fe-9610.410.95Si-Ca-22140.227.10表 合金的QE值与T值可见，Si-Fe、Si-Al、Si-Ba-Ca、Si-Ca均可以作为合金发热剂使用。一般情况下，CAS-

48、OB从吹氩到升起隔离罩整个操作系统需要23min，其中吹氩越6min，操作时间分配见下图。CAS-OB的装置特点：采用底吹氩气搅拌，在隔离罩内充满氩气形成无氧区；隔离罩为氧气流冲击钢水及Al、Si氧化提供必要的缓冲和保护空间，提高金属收得率；隔离罩兼具排气的功能。CAS-OB工艺流程01345711121618212223开始吹氩均匀取样测温降罩加铝吹氧取样测温除杂加合金均匀除杂取样测温提罩终止吹氧过程IF钢轴承钢管线钢2.2.3 典型钢种的二次精炼采用BOF+RH真空循环脱气等技术，降低钢中C含量(0.005-0.010%)，加入Ti、Nb元素固定C、N元素，从而得到无间隙原子的纯铁素体钢，

49、即IF钢。IF钢具有优良的深冲性能、塑性变形性能、高的应变硬化指数、良好的伸长率等。高强度IF钢、热镀锌和电镀锌IF钢，能满足汽车工业对材料轻量、耐蚀、抗凹和成型等需要，几乎可以满足各种形状复杂的冷冲压成型件的性能要求。IF钢图 汽车车体钢材构造IF钢的化学成分间隙原子C、N对冲压用钢的组织、塑性应变比()与时效特性等影响极为显著；Ti、Nb元素在冲压钢中主要起“净化”作用，即将C、N间隙原子从铁素体中清除出来，获得纯净的铁素体，有利于增加值；因而IF钢必须具有超低碳、超低氮、微量的钛或铌合金化，杂质含量低等特点。国内外部分钢铁厂IF钢的化学成分见表所示。成分ArmcoKSC宝钢相关标准C0.

50、0020.0120.0020.0060.0020.0080.010Si0.0070.0250.0100.0200.0100.0300.010Mn0.250.500.100.200.100.200.100.20S0.0080.0200.0020.0130.0070.0100.010P0.0010.0100.0050.0150.0030.0150.010Al0.0030.0120.0200.0700.0200.0700.020.070N0.0040.0080.0010.0040.0010.0040.003Ti0.080.310.0100.0600.040.020.10Nb0.060.250.005

51、0.0150.0040.0100.20表 国内外部分钢铁厂IF钢的化学成分，%IF钢的生产工艺流程一般为： 铁水预处理复吹转炉RH 真空脱气连铸热轧冷轧退火平整。冶炼工艺最主要的是要解决脱碳、防止增碳、脱氮、防止脱氮、纯净度控制及微合金化等问题。IF钢的生产工艺特点铁水预处理生产优质IF钢必须进行铁水脱硫预处理，通过同时喷吹含Mg和CaC2的混合物使S降低到0.01%以下，并吹氩气搅拌使成分均匀；转炉冶炼常规转炉生产的终点碳一般控制在0.01%-0.04%。且转炉听吹后，如何避免钢水与空气接触是防止后期增氮的关键。IF钢的生产工艺特点出钢操作生产IF钢转炉终点渣FeO含量15%-25%，钢包内

52、渣层控制在50mm以下，出钢下渣量大会造成严重的二次氧化。出钢后立即向钢包内加入炉渣改质剂，改质剂由CaCO3和金属Al组成，可将(TFe)降低至4%左右，甚至2%。RH精炼加强RH精炼过程的精确控制，其措施为：严格控制前工序的碳、氧含量和温度；前期吹氧强制脱碳；建立合理的工艺控制模型；进行炉气在线分析、动态控制RH脱碳终了的合理氧含量应小于0.025%。IF钢的生产工艺特点保护浇注加强大包-长水口之间的密封；中间包使用前Ar清扫；高的大包滑动水口开启成功率；浸入式水口吹氩密封；中间包钢水液面监控；使用碱性中间包覆盖剂。防止增碳RH真空脱碳后，后步工序的增碳因素很多，若采用低碳保温材料、低碳保

53、护渣、无碳耐火材料及有效措施，其增碳量可控制在0.001%以下。IF钢的生产工艺特点图 IF钢冶炼的增碳因素示意图RH脱C结束(0.0015-0.002%)合金增碳RH真空室内的冷钢增碳钢包保温剂增碳包衬、水口、滑板增碳中间包覆盖剂增碳耐材、水口、滑板、浸入式水口增碳结晶器保护渣增碳轴承钢要求具有高的疲劳寿命，另外还必须具备高强韧性、表面高硬度、高耐腐性、优良的淬透性、尺寸精度高、尺寸稳定性好等指标。根据轴承接触疲劳破坏机理，确定提高轴承钢疲劳寿命的技术关键：尽最大可能减少钢中夹杂物，提高钢材纯洁度；严格控制和消除钢中碳化物缺陷，提高钢材的组织均匀性。轴承钢图 不同种类轴承钢制品轴承钢的疲劳寿

54、命高纯净度高均匀度 TO 0.001% Ti 0.0015% S(0.21O1/2-0.003)% (0.21) O1/2+0.007)% 控制和消除液析碳化物 控制和消除带状碳化物 控制和消除网状碳化物 控制碳化物尺寸1m图 影响轴承钢疲劳寿命的主要因素对钢材性能的要求控制指标氧含量是轴承钢洁净度重要的标志之一。轴承钢接触疲劳寿命试验显示：T.O 0.001%时疲劳寿命可提高15倍， T.O 0.0005%时，疲劳寿命可提高30倍，见右图所示。国外已经将轴承钢T.O含量控制在8ppm左右，日本山阳特钢甚至已经降低至5ppm，我国轴承钢企业现在也可以将T.O控制在10ppm以下。轴承钢的氧含量

55、图 轴承钢氧含量与疲劳寿命的关系厂名平均氧含量/%波动范围/ppm精炼比/%200020012000200120002001宝钢集团上钢五厂0.000860.00082415515100100大连特钢0.00110.00099717517100100西宁特钢0.001120.0010762361849.7100抚顺特钢0.0009120.000902612613100100无锡锡钢0.0009560.000885720714100100本溪特钢0.0011881597.16北满特钢0.0010930.001085715815100100兴澄特钢0.000710.000714124.510100

56、100长城特钢0.0010230.001176622618100100大冶钢厂0.000924317100100表 我国主要特钢企业轴承钢的氧含量控制水平1、轴承钢电炉生产技术目前，国际上电炉生产轴承钢，按是否采用连铸技术，可以分为两类：瑞典SKF公司的UHPEAFLF IC工艺日本山阳公司的UHPEAFLF CC工艺轴承钢生产工艺比较瑞典SKF公司轴承钢生产工艺日本山阳特钢轴承钢生产工艺钢厂指标SPAlTiT.OSKF平均值波动范围0.020.0130.00240.0080.0060.0130.0360.0270.0450.00130.00100.00160.00080.00050.0015

57、山阳太钢平均值波动范围0.0020.0020.0130.0080.0060.0140.0150.0110.0220.00140.00100.00150.00050.00050.0008表 两种精炼工艺产品洁净度比较轴承钢炉外精炼技术轴承钢炉外精炼，根据对S的控制要求，分为“高碱度渣”和“低碱度渣”两种工艺.高碱度渣工艺控制炉渣碱度(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3) 3.0，渣中T.Fe小于1.0%，炉渣具有较高的硫容，可生产S 0.002%的超低硫轴承钢。高碱度渣可以大量吸附氧化铝夹杂，但由于CaO含量高，容易被Al还原生成D类夹杂，对轴承钢危害甚大。因此，要严格控制钢水中Al含量，

58、尽可能避免D类含Ca夹杂的形成。低碱度渣工艺控制炉渣碱度(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)=1.2，渣中T.Fe小于1.0%。该渣系由于碱度低，消除含CaO的D类夹杂物，具有一定的脱硫能力，有利于改变钢中夹杂物形态。轴承钢炉外精炼处理工艺，按照采用的精炼设备可以分为三种：LF+VD精炼工艺。为最传统的精炼方式，适用于电炉生产。其优点是可进行充分的渣-钢精炼，可以有效降低钢中氧含量并改变夹杂物形态，实现高效脱硫；RH精炼工艺。多用于转炉轴承钢精炼，其特点是在真空下强化钢中的碳-氧反应。该工艺的优点是，氧化铝夹杂物可以充分上浮去除，钢中不含CaO类夹杂物；SKF精炼工艺。采用真空、加铝深

59、脱氧和强电磁搅拌促进夹杂物上浮，适宜生产超低硫、氧含量的轴承钢。轴承钢炉外精炼技术炉外精炼是轴承钢生产的必须手段，可有效提高钢的洁净度，生产出“极低氧”或“超纯”轴承钢。国外轴承钢的生产特点是：大型化。采用大于80吨的电炉生产，生产效率高；除渣彻底。为了冶炼超低氧轴承钢，国外普遍采用无渣出钢、真空吸渣和换钢包除渣等，将氧化渣彻底排除；长时间搅拌。长时间搅拌钢水可促进夹杂物充分上浮，但需要额外的加热设备。如果生产氧含量小于10ppm的轴承钢，至少应搅拌30min以上；高碱度精炼渣。一般讲精炼渣碱度控制在4-6之间；连铸。由于轴承钢碳含量高，铸坯易偏析、缩孔和裂纹等，加之该钢种对非金属夹杂物和碳化

60、物要求严格，国外普遍采用铸坯末端电磁搅拌以降低偏析。国外轴承钢生产技术国内轴承钢生产技术生产厂工艺流程铸坯尺寸/mmmm轴承钢产量/tT.O/%上钢五厂100tEAF120tLF VD IC/CC2202201173420.00086兴澄特钢100t DCEAF115tLF VD CC3003001832790.00071无锡锡钢30tEAF40tLF VD IC/CC180220782550.00096长城特钢30tEAF40tLF VD IC/CC200200187420.00102莱芜特钢50tEAF60tLF VD IC/CC18878大冶钢厂60tEAF60tLF VD IC/CC3