第六章(炉外精炼).ppt

1、1,2,第一节 概 述,1.炉外精炼的概念和目的 2.炉外精炼的发展 3.炉外精炼的分类 4.炉外精炼的共同特点,3,1.炉外精炼的概念及目的,概念： 炉外精炼就是将转炉（或电炉）中初炼的钢水移到另一反应器中进行精炼的过程，也称二次精炼。 目的： 把传统的炼钢方法分为两步，即初炼+精炼。初炼在氧化性气氛下进行炉料的熔化、脱P、脱C和合金化。精炼在真空、惰性气体或可控气氛的条件下进行深脱C、去气、脱氧、去夹杂物和夹杂物变性处理，调整成分，控制钢水温度等，从而优化工艺和产品结构、开发高附加值产品、节能降耗、降低成本增加经济效益。,4,2.炉外精炼的发展,20世纪30年代,20世纪40年代,20世纪

2、50年代,20世纪60,70年代,20世纪80年代,20世纪90年代-今,使用高碱度合成渣进行脱S以提高钢水质量；,在低真空度下对钢水进行脱气处理；,大抽速蒸汽喷射泵问世,DH、RH真空法用于钢水脱气,减少了杂质数量；,在真空脱气基础上，VOD、VAD、ASEA、LFV、RH-OB蓬勃发展;,出现合金包丝线喂丝法,不同功能精炼设备的组合使用;,多种形式发展，广泛应用的有循环真空处理（RH，RH-OB）,提升真空处理（DH）,合金微调及温度处理（CAS,CAS-OB）,LF钢包精炼炉,真空吹氩脱氧（VD）,真空吹氧脱碳（VOD）,钢包喷粉（KIP、TN、SL）,喂丝法、氩氧精炼（AOD）等.,5

3、,3.炉外精炼的分类,1)按精炼手段分类,常压下处理法,真空精炼法,真空和加热法：,渣洗法：合成渣洗、同炉渣洗,合金添加和喷粉法：弹丸发射法、喂丝法、 喷粉法,Ar精炼法：Gazal、CAB、AOD、CLU,脱气为主:钢包除气法、DH、RH,脱C、O、气为主:VOD、RH-OB、RH-PI,ASEA-SKF、VAD、LF,6,2)按精炼的主要用途分类,3）DH、RH,不同形式的流滴去气法和真空吹Ar法,可脱除钢中气体、氧和夹杂,但无加热设备,适应于普通钢和中低合金钢的真空脱气处理;,4）同炉渣洗法主要用于电炉出钢过程中对钢水脱S、脱O和去除夹杂。,2）桶炉，VAD（VHD）和LF具备加热搅拌功

4、能对温度控制灵活,可去气、脱氧、去除夹杂和合金化;,1） AOD、CLU、VOD、RHOB和VODC适合冶炼低碳和超低碳钢;,7,4.炉外精炼方法的共同特点,理想的精炼气氛条件，通常应用真空、惰性气氛或还原气氛； 搅动钢水，采用电磁力、惰性气体或机械搅拌的方法； 为补偿精炼过程的钢水温度损失，采用加热设施有电弧加热、等离子加热或增加钢水中的化学热等。,8,第二节RH法精炼工艺,RH 法,9,1.真空循环脱气法（RH法）,1）RH的功能与特点 2）生产过程模拟 3）RH设备简介 4）RH过程工艺原理 5）RH的主要功能与工艺参数,10,1）RH的功能与特点,以小部分钢水进入真空环境，经受真空处理

5、，在不同程度上增大了钢气接触面积，提高了精炼脱气效果。 特 点： 脱气效果好； 适用于大量的钢液处理； 处理过程温降小； 脱C能力强，适用于低碳钢的生产,11,2）生产过程模拟,12,3）RH设备简介,真空室,钢包车,13,真 空 室,结 构： 真空室由钢板焊接的圆柱形容器，内砌耐火材料。为直接结合MgO-Cr2O3砖，一部分为MgO-C砖。 功 能： 是脱气系统的重要组成部分，有足够的容积，保证钢水在真空脱气过程中有较大的脱气表面，提高脱气效果，同时在脱气过程中热损失小。,14,钢 包 车,功 能： 用钢包车将炼钢车间的钢水送到浇注工段； 沿铺设的宽轨铁路线运行，是自行台车，有两套直流电机驱

6、动的运行机构。,15,4）RH过程生产工艺原理,当真空室抽真空后，插入管插入钢液中，Ar经钢液加热膨胀，形成向上流动的气泡，使上升管内的钢液随之上升进入真空室。气泡在真空室下突然膨胀，使钢液溅成极细微粒呈喷泉状，增加了钢液与真空接触面积，使钢液充分脱气。 脱气后的钢液汇集在真空室底部，在密度差的作用下不断地从下降管回到钢包中。如此循环多次，达到精炼钢液的目的。,16,5) RH的主要功能与工艺参数,功 能: 脱H:对完全脱氧钢液脱氢效率60%,对未完全脱氧钢液,由于C-O反应剧烈,70%.脱气时间1520min,H2ppm. 脱N:N易形成N-化物,脱氮效率010%; 脱O:O0.0020.0

7、05% 脱碳:对初始C有要求,处理15min,可使C0.002%; 脱S:效率5075%; 减少非金属夹杂:改善钢水纯净度; 成分微调:合金元素控制精度为0.0030.010%,17,工艺参数: 处理容量:钢包钢水重量,30t; 脱气时间:钢水在真空下脱气的处理时间,2030min; 循环因数:钢包内的钢水通过真空室的次数,等于5; 循环流量:单位时间通过真空室的钢水量; 真空度:真空室内的压力.RH处理67134Pa,RH-OB处理,2000033000Pa,18,第三节LF法精炼工艺,1) LF概述 2) LF生产模拟 3) LF工艺原理 4) LF生产工艺 5) LF相关设备,19,1)

8、 LF概述,LF是日本大同制钢公司于1971年开发，特点是将电弧炉炼钢还原期任务移到专用的钢包内进行。在利用电弧加热钢水的同时，向钢液内吹入惰性气体（Ar），以实现在非氧化性气氛下精炼，从而达到钢液脱硫、脱氧、去气、去夹杂物的效果。经LF处理的钢水，钢中O10-30ppm、S20ppm、H1.5-2.5ppm。,20,2) LF生产模拟,工部全景,生产模拟,21,3) LF工艺原理,脱 氧,脱 硫,去夹杂,22,脱 氧,目 的: 钢中过剩氧与C反应产生气泡,将造成凝固组织不致密; 沉淀脱氧: Fe-Si和Al等脱氧剂与钢中O反应,脱氧产物上浮,达到脱氧的目的.因产物在钢液内部以沉淀形态产生,故

9、称沉淀脱氧.优点:脱氧速度快,操作简单,缺点:部分脱氧产物成为非金属夹杂; 扩散脱氧: C、Si、Mn等脱氧元素以粉末状加入渣中,与渣中（FeO）、（MnO）、（Fe2O3）及O在钢渣界面进行反应,使O降低，脱氧产物直接溶于渣中,不污染钢液；,脱氧剂选择: 脱氧元素对氧的亲和力铁对氧的亲和力；脱氧产物在钢液中的溶解度尽可能小；残留钢中的脱氧元素对钢性能不产生坏的影响；脱氧元素应在钢液中溶解快、均匀并经济。,23,脱 硫,目 的: S在钢中产生”热脆”并降低钢的抗腐蚀性、延展性和韧性； 原 理: （FeS）+（CaO）=（FeO）+（CaS） 条 件: 高碱度、还原气氛、高温、大渣量,24,去

10、夹 杂,来 源： 脱氧产物、浇注及凝固反应产物，混入熔渣及耐材； 危 害： 破坏钢的组织连续性； 措 施： 减少外部带入；强化冶炼；提高耐材质量；出钢过程强化非金属夹杂排除,25,4) LF生产工艺,供 电 制 度,吹 氩 制 度,造 渣 制 度,成 分 调 整,26,供电制度,初期低功率供电造渣;泡沫渣造好后高功率埋弧精炼;连续加热1015min后,停止加热25min,使钢液温度均匀,加热时间约30min,升温速度为2-4 /min,27,吹氩制度,原 则: 钢包到位后,采用中等吹Ar量,均匀成分和温度; 化渣时采用大流量吹Ar以尽快化渣; 加合金时,采用大流量吹Ar,加速合金熔化,提高收得

11、率; 通电时,采用小流量吹Ar,均匀温度又不引起大的液面波动.,28,造渣制度,目 的: 脱S、脱O、去夹杂； 提高炉衬寿命； 防止钢水二次氧化，提高合金收得率。 基本制度: 渣料加入量8-10Kg/t; 分批加入,出钢过程加40-50%,其余待化渣后分2-3次加入; 炉渣过稠加CaF2,炉渣过稀加CaO. 常用渣系： CaO-CaF2；CaO-Al2O3； 碱度4-6,29,成分调整,粗 调： 根据电炉钢水成分分析确定合金加入量； 细 调： 在白渣后进行，此时钢液中各元素充分均匀和平衡，合金收得率稳定，易于命中目标。,30,5) LF相关设备,供 电 系 统,钢 包 及 台 车,炉 盖 提

12、升 装 置,事 故 搅 拌 装 置,测 温 取 样 装 置,加 料 系 统,喂 丝 装 置,31,供电系统,组 成： 电炉变压器和导电短网组成，实现低电压大电流输入至熔池； 参 数（150t）： 变压器功率：22MVA； 二次电压：335-315V； 三相交流：50Hz； 二次电流：48KA； 电极直径：457mm； 极心圆直径：750mm； 升温速度：2-4/min。,32,钢包及台车,炉 体： LF炉体为电弧炉出钢用钢包； 钢包车： 钢板焊接结构，由钢包支架、二台电动机、电缆线、调速器、防热罩构成。,33,炉盖提升装置,结 构： 炉盖主要用于保温，保持还原气氛，减少电极氧化。内圈为耐材，外

13、圈为水冷管；电极孔周围为耐材和绝缘材料； 炉盖提升装置： 提升液压缸安装在立柱下，液压缸外壳与炉盖立柱相固定，可实现炉盖升降。,34,事故搅拌装置,作 用： 在透气砖不能工作情况下，惰性气体通过顶枪吹入钢包，进行事故搅拌； 结 构： 顶枪安装在支撑框架上，支撑框架安装在炉盖侧面，顶枪通过电动机和卷筒实现上下； 参 数： 顶枪压力：0.6-1.6MPa； 流量（max）：600NL/min,35,测温取样装置,取样装置由固定钢结构支撑，取样枪插入钢包预定深度，停留数秒后抽出。取样枪可使用钢水取样探头和测温热电偶，也可使用测温和测氧含量的混合型探头。,36,加料系统,组 成： 高位料仓皮带、储料斗

14、、溜槽和固定料槽； 动 作： 造渣材料和合金由上位料仓经溜槽和固定料槽进入钢包。 料仓共16个，分别为铁合金、脱氧剂、造渣料和增碳剂。,37,喂丝装置,目 的： 借助喂丝机将易氧化、易挥发合金制成包芯线输入钢液，达到脱氧、脱S等目的； 喂丝设备： 松卷装置、喂丝器、导向系统构成； 喂丝操作： Al丝在成分调整时喂入，Si、Ca-Si丝在LF处理后喂入。喂丝时弱吹Ar搅拌，可自动设定也可手动。,38,第四节VD法精炼工艺,1) VD概述 2) VD生产模拟 3) VD生产工艺 4) VD相关设备,39,1) VD概述,20世纪50年代由德国首先应用，用于生产低碳钢，可严格控制成分和温度。 具有以

15、下功能： 有效的脱气，减少H、N； 脱氧，通过C+O=CO去除O； 通过碱性顶渣去S； 通过合金微调及吹Ar控制化学成分和温度； 通过吹Ar使夹杂无聚集上浮。 VD主要与电弧炉和LF配合，用于生产管线钢，S10ppm；H 1.5-2ppm；N 40ppm；O 20ppm。,40,2) VD生产模拟,工部全景,生产模拟,41,3) VD生产工艺,基本原理,真空处理,吹Ar制度,42,基本原理,真空脱气,吹Ar精炼,43,真空脱气,原 理： 基于H、N在钢液中溶解服从平方根定律，当VD抽真空时，真空室内压力降低，使H、N随之降低，达到去除目的。 脱气产物为气体，向溶液中析出的脱氧产物CO和吹Ar气

16、泡内扩散而一起去除。,44,吹Ar精炼,通过钢包底部的多孔塞将Ar吹入钢液， Ar在上升中形成小气泡，对H、N而言为真空室，因此向其中扩散并带走。此外，吹Ar利于去除夹杂、均匀成分和温度，避免钢液二次氧化。,45,真空处理,工作顺序： 排气连续压缩（6min后）达设计真空度保持达到VD处理要求反抽气破坏真空。,46,吹Ar制度,钢包到工位即吹Ar，不吹破渣面，防止透气砖堵塞； 加合金采用大流量吹Ar，吹开渣面，使合金直接进入钢液，提高收得率； 高真空处理时小流量吹Ar，防喷溅； 喂丝时，小流量吹Ar，防止增N和二次氧化。,47,4) VD相关设备,加 料 系 统,自 动 测 温 装 置,喂 丝

17、 设 备,真 空 罐 盖 台 车,真 空 罐,48,真空罐,组 成： 钢板制成的圆桶、法兰、密封座和平板； 典型参数： 直径 6000-7000mm 高度 6000-7000mm 钢板壁厚 20-40mm 钢包距罐顶距离 200-300mm。,49,真空罐盖台车,罐 盖： 钢结构加工件，上设观察孔、工业电视孔、合金投料斗、托架、防热罩吊挂装置； 台 车： 由型钢焊接的结构架和4个车轮组成，由电极驱动。,50,加料系统,带真空阀门的真空料仓接受高位料仓辅助料，再把辅助料加入真空料仓，料仓布置在真空罐盖的上面并一起运动。阀门的开闭由汽缸操作。,51,自动测温装置,其固定在真空罐台车上。取样枪插入预

18、定深度，停留数秒，然后抽出，枪头使用探头及热电偶。,52,喂丝设备,组 成： 松卷装置、喂丝机和导向装置构成； 丝线直径：5-18mm 喂丝速度：3-300m/min,53,第七章 特种冶炼,第一节感应炉冶炼 第二节电渣重熔冶炼,54,55,感应电炉的基本电路,56,感应炉的加热过程,交变频率的电流通过坩埚外侧的螺旋形水冷线圈时，在线圈所包围的空间和四周产生了磁 场。该磁场极性和强度随交变电流的频率而变化，因此是一个交变磁场。交变磁场的磁力 线一部分穿透金属炉料，还有一部分穿透坩埚材料。该交变磁场的极性、强度、磁通量变 化率程度等决定于通过水冷线圈的电流强度、频率和线圈的匝数和几何尺寸。,57

19、,交变磁场产生感应电流,磁场的一部分磁力线穿透坩埚内的金属炉料，当 磁力线的极性和强度产生周期性的交替变化时，磁力 线被金属炉料所切割，相当于导体做切割磁力线的运 动。在坩埚内的金属炉料之间所构成的闭合回路内就 产生了感应电动势E，其大小可用下式表示： E=4.44f(伏) F交变磁场的磁通量，奥斯特/cm2 交变电流的频率，赫兹 在感应电动势的作用下金属炉料中产生感应电流。感 应电流I的大小服从欧姆定律。 I=4.44f/R（安培） R金属炉料的有效电阻，欧姆。,58,感应电流转化为热能,金属炉料内产生的感应电流在流动中要克服一定的电阻，从而由电能转化为热能。利用这种热能使金属炉料加热并熔化

20、。,59,感应电流的集肤效应,交变频率的电流通过导体，电流沿导体的横断面分布是不均匀的。电流密度由表面向中心依次减弱，即是电流有趋于导体表面的现象，这种现象称为电流的集肤效应。 感应电流是交变频率的电流，它在炉料中的分布符合集肤效应。由于电流聚集在表面层，对感应电炉炉料熔化、频率选择以及钢液的运动等一系列问题均产生重要的影响。,60,炉料和钢液中的感应电流服从集肤效应由表面向中心依次减弱的。其分布的规律可用下面的公式表示。 Ix =IAe-x/（安培） Ix距离导体表面x厘米处的电流强度，安培； IA 导体表面的电流强度，安培； x-表面到测量处的距离，厘米； 电流透入深度，厘米；动画制作要求

21、： 1曲线由上到下渐渐呈现。 e-数学常数，e=2.718。当x=时 Ix =IAe-1 将e值代入上式后得 Ix =0.368IA（安培） 由此可知：电流透入深度就是从电流强度降低到表面电流强度的36.8%的那一点到导体表面的距离。从图中可以看出沿导体横断面上距表面5倍透入深度处的电流强度接近于零。 电流透入深度可用下式计算： f-电流的频率，赫兹。,=5030（厘米）这里导体的电阻率，欧姆厘米； 导体的导磁率，亨利厘米；,61,炉料的最佳尺寸范围和电流透入深度的关系,当圆柱形的直径d和透入深度的比值为3.5时总效 率最高。产中所用炉料尺寸形状是复杂的，即d与 ，的比值变化范围较大。但是，当

22、该比值在36 之间时，所选择的电源频率可以认为是合理的。根 据这一实验基础可以近似地计算出不同电源频率时 圆柱形炉料的最佳尺寸范围，计算公式如下： d=nt（cm） n实验常数，取n=36; t炉料在居里点以上时的透入深度，cm； d-圆柱炉料的最佳尺寸。 由此最佳炉料尺寸与电流频率的关系：当炉料直径为电流透 入深度的36倍时可得到较好的总效率。,62,坩埚容量和电源频率的关系,电源频率影响电流透入深度，而后者又决定 最佳炉料尺寸。可以看出，随电源频率的增 加，最佳炉料直径相应地变小。也就是说频 率高的电源应选用小尺寸的炉料、频率低的 电源选用大尺寸的炉料为宜。因此，在感应 电炉的设计时，大中

23、容量的电炉多选用较低 频率的电源，以便利用大块炉料。,63,电磁力的产生和对钢液的作用,处在强磁场中的钢液受到电磁力 的作用产生强烈的运动。磁场对 钢液的这种作用称为电磁搅拌作 用。钢液在电磁力的作用下产生 运动，而钢液的运动又带来了一 系列包括有益的和有害的结果。,64,坩埚的分类及质量要求,坩埚的分类 (l)按材质分类。 A 碱性坩埚：B酸性坩埚： C中性坩埚： （2)按制作方法分类。 A炉外成型预制坩埚 B炉内成型坩埚 C砌筑式坩埚 2）坩埚的质量要求 （l)坩埚应具有高的耐火度。炼钢用坩埚为1700 （2) 制作坩埚的耐火材料必须有良好的物化稳定性。 （3）抗钢液的化学浸蚀性。 （4)

24、耐急冷急热性。 （5)高温强度。 （6)一定的绝缘性能，以免被击穿。 （7)无污染、无害和成本低廉。,65,电渣重熔法,电渣重熔法(Electroslag Remelting)，简称ESR，是利用水 冷铜模和自耗电极在熔渣中熔化精 炼，快速凝固得到高质量钢锭的方法。 该设备以熔渣的电阻做发热源，以炉 渣和钢液物化反应清洗钢中夹杂物生 产特殊钢和合金。,66,电渣重熔基本原理,在熔铸的过程中，自耗电 极的熔化、钢水的净化和 填充以及顺序凝固终不断 地进行，直到结晶器被全部充满，完成全部熔铸过程。,67,第八章 钢的浇铸,第一节 钢的凝固理论 第二节 模铸 第三节 连铸（PPT） 第四节 实验 镇

25、静钢凝固模拟,68,第一节钢的凝固理论,钢的凝固理论 钢的结晶条件 钢液结晶的一般规律 晶核的形成与长大 钢液结晶时产生的物理化学现象,69,第一节钢的凝固理论,钢的凝固理论 浇注是炼钢的重要组成部分，基本任务就是将温度合适的优质钢液浇注成形状良好的钢锭、连铸坯。 钢由液态转变为固态的过程称为钢的凝固。钢的凝固过程也是结晶过程。从微观上来看，它是钢液中无规则的原子集团转变为原子并按一定规则排列的结晶体；从宏观上来看，就是钢液中贮藏的显热和凝固潜热（结晶潜热）传输到外界，使钢液变为固态。,70,第一节钢的凝固理论,钢的结晶条件 当温度高于T。时，钢液的自由能低于 固体钢的自由能，这时固体钢转变为

26、 钢液。当温度为T。时，钢液的自由能 与固体钢的自由能相等，两种状态共 存。当温度低于T。时，固体钢的自由 能低于钢液的自由能，这时结晶过程 才能自发地进行。T。称为理论结晶温 度，而把钢液开始结晶的温度称为实 际结晶温度Tn，钢液的理论结晶温度 与实际结晶温度之差叫做过冷度。即 T= T。-Tn，钢液的结晶总是在 过冷的条件下进行，而且过冷度越 大，结晶的自发趋势也越大，因此过 冷是钢液结晶的必要条件。,71,第一节钢的凝固理论,钢液结晶的一般规律 在液态金属中产生极小的晶体作为结晶中心，这极小的晶体称为晶核； 晶核逐渐长大成较大的晶体。 形核率：一定的过冷度下，单位时间内，单位体积的液态金

27、属中所形成的晶核数目。单位为晶核数目(S.-mm3)。 在一定的过冷度下进行结晶时，液态金属中以一定的形核率产生晶核，过冷度越大，形核率越大，晶核的数目越多，与此同时，已经产生的晶核按一定的长大线速度(mm/s)长大，这样结晶到所有的液态金属耗尽为止。,72,第一节钢的凝固理论,晶核的形成与长大 晶核的形成 均质形核：均质形核是以钢液内的近程有序排列的原子集团为核心直接产生，这样的核心称为晶胚。 非均质形核：非均质形核是在钢液内晶核依附于某些未熔的外来微粒或杂质的表面而形成。实际上，钢液的结晶主要是非均质形核。 晶核的长大 晶核一旦形成且能稳定存在后就将迅速长大。晶核长大的实质就是原子由液态向

28、固态的转移。 在实际生产中，钢液在锭模（或铸型）中结晶时，热量通过模壁向外散失。,73,第一节钢的凝固理论,钢液结晶时产生的物理化学现象 选分结晶和液析 气体析出 体积收缩 树枝状晶体的形成,74,第二节 模铸,铸锭设备 浇注工艺,75,铸锭设备,钢包 浇注控制系统 钢锭模 中注管 底盘 保温帽,76,钢包,近年来，各种炉外精炼的迅猛发展，钢包已肩负着精炼的作用，钢包即为精炼包，是精炼的重要设备,77,浇注控制系统,滑动水口浇注控制系统是由上水口、上滑板、下水口、下滑板等组成。上水口与上滑板固定在钢包的底部，但上滑板滑动面露于包底，外边并与滑动导轨平行。下水口和下滑板装在滑动机构的滑盒中。在出

29、钢时，上下水口眼处于关闭状态。浇注时，通过外力作用，使滑盒滑动，下水口和下滑板也跟着滑动，从而使上下滑板孔错位，以达到控制开闭和调节钢流的大小，使浇注速度满足要求,78,钢锭模,镇静钢钢锭从外形上看，为上大下小、封底、带保温帽。 断面形状有正方、长方、圆形和多角形多种。正方形的锭模使用最广，既适宜轧制，又适宜锻造。锭模的内表面往往做成凸面，即边形凹边，而断面的角部又都做成圆形，以减少柱状晶形成的脆弱面，防止产生角裂。,79,钢锭模,钢锭的高宽比 锭身高度与钢锭断面的平均直径之比， 常用符号H/D表示。增加高宽比，可以 提高开坯机的生产效率，但过大，即细 高，上升困难，易造成翻皮缺陷，过大 的高宽比，由于锭模内钢液静压力的增 加，又会恶化钢中气体、夹杂物的排 出，增加缩孔、中心疏松的发展。然而 增加高宽比，可以减轻偏析。但如果高 宽比过小（粗而矮），不仅会使钢锭 的偏析严重，而且也降低开坯机的生产 能力，使保温帽部分的相对重量损耗也 增加。所以，钢锭的高宽比要有合理的 比值，合适的高宽比2.54.0(轧制)。 2.03.0（锻造）。,80,保温帽,保温帽是由壳体和耐火材料内衬构成。它的