第7章炉外精炼

第七章炉外精炼武汉科技大学材料与冶金学院冶金工程系周进东7.1炉外精炼的定义及特点定义：炉外精炼，就是按传统工艺，将在常规炼钢炉中完成的精炼任务，如去除杂质（包括不需要的元素、气体和夹杂），成分和温度的调整和均匀化等任务，部分或全部地移到钢包或其他容器中进行。因此，炉外精炼也称为二次精炼或钢包冶金。7.1炉外精炼的定义及特点炉外精炼的任务1钢水成分和温度的均匀化2精确控制钢水成分和温度3脱氧脱硫脱磷和脱碳4去除钢中气体（氢、氮）及夹杂5夹杂物形态控制7.1炉外精炼的定义及特点炉外精炼技术的特点（1）二次精炼—创造最佳环境，提高效率、解决难创造最佳条件和效率低的问题；（2）创造较好的冶金反应的动力学条件—解决了传统炼钢设备优越性不能发挥的问题；（3）二次精炼的容器具有浇注的功能—解决了已精炼钢水的再污染、工艺安排矛盾的问题。

7.2炉外精炼手段炉外精炼基本手段

渣洗真空搅拌加热喷吹7.2炉外精炼手段渣洗法是在出钢时利用钢流的冲击作用使钢包中的合成渣与钢液混合，精炼钢液。合成渣有液态渣和固态渣，多数为液态渣。主要有CaO-Al2O3系，CaO-SiO2-Al2O3系，CaO-SiO2-CaF2系等。其中CaO含量大都波动在45%~60%之间，MgO在6%~10%，Al2O3在12%~16%，SiO2在16%~20%。渣洗的主要目的是降低钢中的氧、硫和非金属夹杂物含量，它可以把[O]降至0.002%、[S]降至0.005%甚至0.003%。渣洗7.2炉外精炼手段渣洗的精炼作用（1）浮化渣的碰撞、合并、长大和上浮（2）合成渣对钢中元素脱氧能力的影响（3）扩散脱氧（4）去除夹杂（5）脱硫7.2炉外精炼手段单独应用渣洗手段的炉外精炼方法有异炉渣洗、同炉渣洗、混合炼钢。7.2炉外精炼手段

真空是炉外精炼中广泛应用的一种手段，目前被使用的炉外精炼方法中，将近有三分之二配有真空装置。定义：

是在真空条件下去除金属中非金属夹杂物(氧、氢、氮)以及其他有害杂质，并使成分精确的方法。

真空7.2炉外精炼手段只应用真空的炉外精炼方法，主要以脱气为目的。有VC法（真空浇注）、SLD法（倒包法）、TD法（出钢过程中的真空脱气）等。真空辅以搅拌的炉外精炼方法，有芬克尔法、VD、ISLD、DH、PM等。辅以搅拌和加热的方法，有LFV、SKF、VAD等。辅以搅拌和喷吹的方法，有VOD、RH-OB等。7.2炉外精炼手段

搅拌是各种炉外精炼方法都采用的基本手段。搅动可以扩大反应界面，加速反应物质的传递过程，从而提高反应速率。搅拌可以借助于喷吹气体（VD、VAD、LF、VOD、AOD法等）、电磁感应（SKF、ISLD法等）、机械等方法来实现。单纯的搅拌可以均匀成分和温度，促进夹杂的上浮。搅拌7.2炉外精炼手段在炉外精炼过程中，若无加热措施，则钢液不可避免地逐渐冷却。因此，加热是调节被精炼钢液温度的一项重要手段。当前应用最多的是电弧加热，如LF、LFV、SKF、VAD、GRAF等。加热7.2炉外精炼手段喷吹是将反应剂加入冶金熔体的一种手段。单一气体喷吹，如VOD。混合气体喷吹，如AOD（氩氧混合气）。粉气流的喷吹，如SL和TN。喷吹的冶金功能取决于精炼剂的种类。它可以完成脱碳、脱硫、合金化、控制夹杂形态等精炼任务。喷吹7.3炉外精炼典型工艺RH法又称真空循环脱气法。其基本工艺原理是利用气泡将钢水不断地提升到真空室内进行脱气、脱碳等反应，然后回流到钢包中。7.3.1RH法7.3炉外精炼典型工艺7.3炉外精炼典型工艺1）RH-OB可进行强制脱碳、加铝吹氧升高钢水温度、生产铝镇静钢等技术，从而减轻了转炉负担，提高了转炉作业率，降低了脱氧铝耗。喷溅严重，易结瘤，处理时间长等。RH法的发展7.3炉外精炼典型工艺2）RH-KTB工艺特点：不需加热源（如铝、硅等），成本低；不需延长处理时间，作业率高；热效率高，吹氧脱碳期间的前10min内，炉气中含CO2量高达60.5%（而RH仅为3.5%）。7.3炉外精炼典型工艺RH-KTB的优点A、脱碳速度快转炉出钢终点碳400~500ppm；B、热量补偿多吹氧脱碳时，二次燃烧，可降低转炉出钢温度23℃；C、防止和减轻真空室结冷钢7.3炉外精炼典型工艺3）RH-PB7.3炉外精炼典型工艺RH-PB的特点不仅可以脱氧、脱硫，还可以冶炼超低磷钢；吹氧喷嘴具有喷粉功能，可以使钢水升温，达到8~10℃；具有良好的去氢效果；不会影响传统的RH真空脱气的能力，更无吸氮之忧。7.3炉外精炼典型工艺4）RH-PTB特点：无喷枪堵塞问题；无耐火材料消耗；因无钢水阻力，载气消耗量小。7.3炉外精炼典型工艺7.3炉外精炼典型工艺5）RH-MFB7.3炉外精炼典型工艺7.3炉外精炼典型工艺7.3炉外精炼典型工艺7.3炉外精炼典型工艺LF炉是一种特殊的精炼容器，多采用埋弧精炼操作。其特点主要有：将初炼炉内熔炼的钢水送入钢包，再将电极插入钢包钢水上部炉渣内并产生电弧，加入合成渣，形成高碱度白渣，用氩气搅拌，使钢包内保持强还原性气氛，进行所谓埋弧精炼7.3.2LF法7.3炉外精炼典型工艺LF炉冶金功能：升温：电弧加热脱硫：加入脱硫剂脱氧、合金化：加入脱氧剂和合金元素；均匀成分和温度：吹氩搅拌；夹杂物改性：喂Ca线，与Al2O3形成12CaO·7Al2O的球形夹杂物。7.3炉外精炼典型工艺CAS法是在以往的钢包底吹氩均匀钢液成分和温度功能的基础上，在钢液面插入一个隔离罩，撇开炉渣，铁合金从隔离罩上面加入，不与炉渣接触，直接加入到钢液内，并在低吹氩搅拌下，微调合金成分，提高了合金收得率。此外，这种方法还有利于消除钢中的大型夹杂物，以较低的成本获得纯净的钢液。CAS法主要用于处理转炉钢液。7.3.3CAS法7.3炉外精炼典型工艺精炼功能1）均匀钢水成分、温度；2）提高合金收得率；3）净化钢水，去除夹杂物。7.3炉外精炼典型工艺在隔离罩内增设顶吹氧枪，利用罩内加入的铝或硅铁与氧反应所放出的热量直接对钢水加热。CAS-OB7.3炉外精炼典型工艺CAS-OB法的工艺原理OB氧枪吹氧，并向罩内投入铝、硅、碳等可燃物质，发生氧化反应产生化学热。燃烧热通过辐射、传导、对流传给钢液，借助氩气搅拌将热传向钢液深部。燃烧1.0kg铝的理论需氧量为0.62m3，燃烧1.0kg硅的理论需氧量为0.8m3；实际分别为0.74和1.05m3.钢液比热容取0.88kJ/kg·℃，燃烧1.0kg铝和1.0kg硅的吨钢升温值分别为35℃和33℃。7.3炉外精炼典型工艺VOD法是一种在真空条件下吹氧脱碳并吹氩搅拌生产高铬不锈钢的炉外精炼技术，是真空吹氧脱碳法的简称。7.3.4VOD法7.3炉外精炼典型工艺工作原理是在真空减压条件下顶吹氧脱碳，并通过包底吹氩促进钢液循环，在冶炼不锈钢时能容易的把钢中碳降到0.02%~0.08%范围内而几乎不氧化铬。并对钢液进行真空处理，加上氩气的搅拌作用，对反应的动力学条件很有利，能获得良好的去气、去夹杂物的效果。冶金功能：

1）吹氧升温、脱碳保铬；

2）脱气；

3）造渣、脱氧、脱硫、去夹杂；

4）合金化。7.3炉外精炼典型工艺

AOD法也称为氩氧脱碳法，它的外形与转炉近似，在炉子的底侧部装有向熔池水平方向吹入气体的喷枪，喷枪的数量根据炉子的吨位而有所不同，一般为2～3支。喷枪由内管(铜质)及外管(不锈钢)两层组成，内管导入主吹炼气体(由Ar–O2或Ar–N2组成)，内管与外管之间的环形缝隙导入Ar、N2或碳氢化合物起冷却作用以保护喷枪。喷枪是消耗式的，在筑炉时埋入耐火材料层，在冶炼过程中与炉衬同步烧损。7.3.5AOD法7.3炉外精炼典型工艺项目AOD法比较VOD法操作条件入炉钢液[C]=0.5~2.0%;[Si]=0.03~0.5%＞[C]=0.3~0.5%；[Si]=0.3%;[Cr]规格中上限；[S]＜0.15%[Cr]规格中上限；[S]＜0.06%成分控制大气中操作，取样调整方便＞真空下操作，只能间接控制温度控制用改变氧氩比和冷却剂控制＞调温不方便质量脱氧40~80ppm＝40~80ppm脱硫脱硫率大于80%~90%＞脱硫率不及AOD脱氢[H]＜4ppm＜[H]＜2ppm脱氮[N]＜200ppm＜[N]=50~80ppm脱碳脱碳量大，脱碳速率高＞脱碳量一般不超过0.5%成本原材料可用高碳铬铁部分铬矿等，费用低＞返回钢和碳素铬铁操作费Ar和Si-Fe用量大＜用量少铬总回收率96~98%＝96~98%设备费低＞高其他冶炼周期80~120min＜60~90min提高电炉生产率50~100%＞30~50%适用性＜较AOD法强对环境影响要设除尘系统＞不需要设除尘系统不同钢种钢种冶炼工艺方案选择

钢类

质量特点及要求冶炼方法碳结钢保证常规机械性能转炉（电炉）+吹Ar电炉/转炉+LF碳工钢气体敏感性强﹑钢锭易出现针状气孔中心裂纹；要保证硬度﹑耐腐性及均匀性电炉（或转炉、平炉）+吹Ar合金结构钢淬透性↑气体﹑夹杂物↓机械性能转炉﹑电炉+钢包吹Ar电炉/转炉+LF轴承钢夹杂物↓﹑碳化物偏析↑电炉+LF+VD+MC/CC电炉+VOD/VAD电炉+ASEA-SKF转炉+LF+VD不锈钢降碳保铬﹑焊接性﹑耐腐蚀性﹑延展性﹑耐高温﹑表面质量电炉返回吹氧法电炉/转炉+AOD或VOD转炉+RH-OB电/转+转炉（AOD）+VOD高速钢合金工具钢碳偏析↓硬度﹑热硬性﹑耐腐性高强度﹑耐磨性和一定的韧性电炉白渣工艺电炉+ESR或VAR感应炉+ESR电炉+LF模具钢耐磨性﹑洁净度﹑组织成分均匀性电炉+LF（+VD）电炉+ESR电工硅钢碳﹑硫﹑气体﹑夹杂物↓电