《炉外精炼》PPT课件.ppt

1、冶金学炼钢篇电炉炼钢及炉外精炼,阎立懿 东北大学钢铁冶金研究所 2008年10月2911月24日沈阳,（No11）,2020/8/30,东北大学/阎立懿,2,主要内容,电炉炼钢及其发展 电炉炼钢设备及其电热特性 电炉炼钢原料及冶炼工艺 电炉新技术、新工艺 炉外处理炉外精炼 中国钢铁与大型电炉现状,2020/8/30,东北大学/阎立懿,3,上次介绍第五章“电炉废钢预热技术”的内容： 废钢预热技术：利用电炉排出的高温废气预热进行废钢预热，到目前为止，世界范围废钢预热方法主要有料罐预热法、双壳电炉法、竖窑电炉法以及炉料连续预热法等等。 工作原理及节能效果：其中效果最好、最有发展前途的是炉料连续连续预

2、热式电炉，实现了废钢连续加料、连续预热及连续熔化“三连续”，电弧加热熔池、熔池熔化废钢。 操作特点：这种炉料连续预热式电炉，正常冶炼过程给电的一开始就是“平熔池期”，所以平熔池持续时间长、渣线由下至上范围变化大为“变渣线”，这就使得电弧始终威胁大部分炉墙，2#区域损坏最为严重，这将大大减少了炉衬寿命。 因此，这种电炉炉衬砌筑、造渣、吹氧及供电等均与普通电炉有着很大的区别，必须予以重视！,第六章 炉外精炼,炉外精炼概况 炉外精炼的基本手段 炉外精炼方法,2020/8/30,东北大学/阎立懿,5,6.1 炉外精炼的概况,6.1.1 在现代炼钢流程中的位置 高炉铁水预处理转炉钢水二次精炼连铸 电炉钢

3、水二次精炼连铸 其中铁水预处理与钢水二次精炼可统称为炉外处理或炉外精炼,2020/8/30,东北大学/阎立懿,6,6.1. 2 炉外精炼技术与目的 炉外精炼技术是在初炼炉（转炉、电炉）以外的钢包或专用容器中，对钢液进行炉外处理的精炼方法。 炉外精炼的主要目的： 脱碳、脱气（H、N、CO）、脱氧、脱硫、去除夹杂物、控制夹杂物的形态、调整成分及温度等等。,2020/8/30,东北大学/阎立懿,7,6.1.3 传统炼钢存在的问题,1）电炉的还原期钢液吸气严重 电炉的还原期为吸气过程，使钢中气体增加，影响钢的质量。对于防止大断面合金结构钢和大锻件钢最敏感的缺陷白点来说，要求把钢中的氢降低到2.53.0

4、ppm以下。 这在电炉冶炼的氧化期，经过激烈而均匀的碳-氧沸腾是完全可以达到的。但是，紧接着的还原期，却又使钢中的氢回升到57ppm，而出钢、浇注后则几乎回复到熔清时的水平。以往采取还原期密封电炉，保护出钢及浇注，但效果也不明显。 2）出钢、浇注过程钢液二次氧化严重 电炉氧化期脱碳过程夹杂物的去除，还原期的脱氧及其夹杂物的上浮均比较彻底。但在出钢、浇注过程中，由于钢液与大气接触，气体及O急剧升高，影响钢的质量。在出钢过程中，如果钢液与大气接触达到平衡的话，O就会回复到脱氧前的水平（100200ppm），给浇注带来恶劣的后果。,2020/8/30,东北大学/阎立懿,8,3）电炉还原期的变压器利用

5、率非常低 电炉的还原期钢液基本上处于保温与调温的状态，因而电炉的还原过程需要的电功率很低（仅为变压器额定功率的1/31/6），而且时间很长（约1/3），使变压器利用率非常低、生产率低、成本高。 尤其超高功率电炉技术的出现，高功率、强化用氧使废钢迅速熔化、氧化，但钢液的还原仍然要在低功率、长时间下运行，这大大降低了超高功率电炉的功率利用率，显然这是不合理的。,2020/8/30,东北大学/阎立懿,9,4）电炉炼钢的品种受限制 科技对钢材质量日益苛刻的要求：如纯净度高，各向异性小，合金成分范围窄等方面。其中对钢的纯净度要求，即钢中C、S、P、T.O、N、H杂质总量达到l00ppm。如此低的杂质含量

6、，用传统电炉炼钢方法根本达不到的。对于有些超低C、S、N等纯净钢种也不能冶炼。 另外，生产低碳高铬不锈钢时，铬的烧损严重、炉体寿命低等，使得炼钢成本大为提高。 5）转炉炼钢法去硫困难 传统的炼钢方法中，转炉炼钢法钢中的气体含量低，但存在炼钢过程去硫困难，对铁水中的硫等要求特别严格（常要求铁水炉外处理），以及出钢沉淀脱氧，钢中夹杂物多，使得所炼钢种受到限制。 当UHP电炉出现发挥了炉外精炼的作用，就UHP电炉本身来说也只有与炉外精炼相配合，才能获得高效、节能，创造更大的利润。,2020/8/30,东北大学/阎立懿,10,6.1.4 钢水炉外精炼的优越性,正是由于以上诸多原因，使得传统的炼钢法受到

7、挑战，也促使电炉功能分化。尤其是超高功率电炉很“自然地”与炉外精炼相配合。炼钢炉（初炼炉）配炉外精炼的优越性如下： 1）缩短冶炼时间，提高生产率 电炉为初炼炉时，提高生产率的效果最显著，因取消电炉的还原期，甚至部分氧化期，故提高电炉的生产率。 一般可以提高电炉生产率25左右。若与超高功率电炉相配合，则可提高超高功率电炉生产率50%100% 。 2）改善钢质量、扩大品种 炼钢炉与炉外精炼配合能生产出气体含量低、夹杂物含量少的纯净钢，扩大生产的钢种，尤其是转炉生产的钢种可以与电炉竞争。,2020/8/30,东北大学/阎立懿,11,3）调节炼-浇节奏，实现多炉连浇 在初炼炉与连铸机之间设置的具有保持

8、和调温的缓冲设备炉外精炼炉，则可显著地改善初炼炉和连铸机的配合，实现多炉连浇，降低生产成本。 4）降低生产成本 提高生产率、改善钢的质量、扩大品种及实现多炉连浇都可以降低产品成本。 此外，某些炉外精炼法允许初炼炉使用一些质量较差，或价格便宜的原材料。如采用VOD或AOD生产超低碳不锈钢，就允许初炼炉的炉料中配用高比例的同类钢种的返回钢或碳素铬铁，从而显著地降低原材料的费用。,2020/8/30,东北大学/阎立懿,12,6.2 炉外精炼的基本手段,为创造最佳的冶金反应条件，炉外精炼所采用的基本手段：搅拌，真空，加热，及渣洗、喷吹与喂丝等几种，以及这些基本手段的不同组合。 6.2.1 搅拌 对反应

9、容器中的金属液进行搅拌，是炉外精炼的最基本、最重要的手段。它是采取某种措施给金属液提供动能，促使它在精炼反应器中对流运动。 搅拌可改善冶金反应动力学条件，强化反应体系的传质和传热，加速冶金反应，均匀钢液成分和温度，有利于夹杂物聚合长大和上浮排除。,2020/8/30,东北大学/阎立懿,13,反应器的搅拌强度可以用单位金属液所得到的搅拌能密度衡量，搅拌的效果通常用反应容器内的均匀混合时间来反映。 事实上，反应容器内的均匀混合时间除了与搅拌能密度有关外，还与搅拌方式、熔池的几何形状等有关。,2020/8/30,东北大学/阎立懿,14,对钢水施加一个交变磁场，当磁场以一定速度切割钢液时，会产生感应电

10、势，这个电势可在钢液中产生感应电流J，载流钢液与磁场的相互作用产生电磁力f，从而驱动钢液运动，达到搅拌钢液的目的。 电磁搅拌能主要决定于磁场强度，而要增大磁场强度，必须增大输入感应线圈中的电流。 常用的电磁搅拌装置的感应方式: 基于异步电机原理的旋转搅拌 基于同步电机原理的直线搅拌 感应电炉及ASEA-SKF钢包精炼炉就是利用电磁搅拌钢液的。,1）电磁搅拌,2020/8/30,东北大学/阎立懿,15,2） 气体搅拌,常用的搅拌气体为氩气，气体搅拌通常有两种形式： 底吹氩 是通过安装在钢包底部一定位置的透气砖吹入氩气。 特点：均匀钢水温度、成分和去除夹杂物的效果好，设备简单，操作灵便，不需占用固

11、定操作场地，可在出钢过程或运输途中吹氩。还可与其它技术配套组成新的炉外精炼方式。但透气砖有时易堵塞。 顶吹氩 是通过吹氩枪从钢包上部浸入钢水进行吹氩搅拌，但其搅拌效果不如底吹氩好。 因此，炉外精炼最常用的是底吹氩气，而把顶吹氩作为事故备用，见图6-1。,2020/8/30,东北大学/阎立懿,16,图6-1 底、顶吹氩方式,2020/8/30,东北大学/阎立懿,17,氩气对钢液的搅拌能密度通常用下面的公式计算： 增加吹氩流量，提高真空度（降低钢液面压力），增大钢液的深度均可提高氩气对钢液的搅拌能，缩短混均时间。 对于钢包底吹氩，通常将透气砖安装在包底半径的1/2位置附近，可以获得较理想的搅拌效果

12、。 LF炉就是利用包底吹氩搅拌强化还原，实现电炉流程的高产、优质及低耗。常用钢包搅拌系统见图6-2。,2020/8/30,东北大学/阎立懿,18,图6-2 常用钢包搅拌系统示意图,2020/8/30,东北大学/阎立懿,19,6.2.2 真空,当反应的生成物为气体时，通过减小反应体系的压力抽真空，可以使反应向着生成气态物质的方向移动。因此，在真空下，钢液将进一步脱气、脱碳及脱氧。 向钢液中吹入氩气，从钢液中上浮的每个小气泡都相当一个“小真空室”，气泡内的H2、N2及CO等分压接近于零，钢中的H、N以及碳氧反应产物CO将向小气泡中扩散并随之上浮排除。因此，吹氩对钢液具有“气洗”作用。 采用专门的真

13、空装置，将钢液置于真空环境中精炼，可以降低钢中气体、碳及氧含量。真空处理工艺示意图6-3。,2020/8/30,东北大学/阎立懿,20,图6-3 钢水真空处理工艺示意图,2020/8/30,东北大学/阎立懿,21,6.2.3 添加精炼剂,炉外精炼中金属液的精炼剂一类为以钙的化合物（CaO或CaC2）为基的粉剂或合成渣，另一类为合金元素如Ca、Mg、Al、Si及稀土元素等。 将这些精炼剂加入钢液中，可起到脱硫、脱氧、去除夹杂物、夹杂物变性处理以及合金成分调整的作用。 添加方法: 合成渣洗法、喷吹法和喂线法。 1）渣洗法 是采用预制的合成渣，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

14、炼钢液。,2020/8/30,东北大学/阎立懿,22,2）喷吹法 是用载气（Ar）将精炼粉剂流态化，形成气-固两相流，经过喷枪，直接将精炼剂送入钢液内部。由于精炼粉剂粒度小，进入钢液后，与钢液接触面积大大增加，显著提高精炼效果。 3）喂丝法 是将易氧化、比重轻的合金元素置于低碳钢包芯线中，通过喂丝机将其送入钢液内部。 合金的喂入与喷粉工艺见示意图6-4。 喂丝的优点： 可防止易氧化的元素被空气和钢液面上的顶渣氧化，准确控制合金元素添加数量，提高和稳定合金元素的利用率； 添加过程无喷溅，避免了钢液再氧化； 精炼过程温降小； 设备投资少，处理成本低。,2020/8/30,东北大学/阎立懿,23,图

15、6-4 合金的喂入与喷粉工艺示意图,2020/8/30,东北大学/阎立懿,24,6.2.4 加热,钢液在出钢过程及添加剂的加入，以及与钢包进行热交换，以及钢液在精炼过程的操作，将有大量的热量损失，会造成温度下降。若炉外精炼方法具有加热升温功能，可避免高温出钢和保证钢液正常浇铸，增加炉外精炼工艺的灵活性。这在精炼剂用量，钢液处理最终温度和处理时间均可自由选择，以获得最佳的精炼效果。 常用的加热方法有化学加热和电加热。 1）化学加热 是利用放热反应产生的化学热来加热钢液的，如吹入氧气与硅、铝、CO反应，产生热量。常用的方法有硅热法、铝热法和CO二次燃烧法。,2020/8/30,东北大学/阎立懿,2

16、5,其中铝氧化的反应和热效应为： 2Al+3/2O2=Al2O3 HAl=1594752 J 通过计算可知，若产生的热量全部被钢液吸收（热效率为1），则氧化1kg的铝，约使1吨钢液温度升高35。 另外，在RH-OB、RH-KTB、CAS-OB和IR-UT等炉外精炼方法中，就是采用铝热法加热钢液；对于有顶枪吹氧的炉外精炼法，可利用CO再燃烧提供热量补偿。 与电加热相比较，化学加热的升温速度快，耐火材料热负荷小，设备简单，投资费用低。但铝热法和硅热法若操作不当，易产生氧化物夹杂。,2020/8/30,东北大学/阎立懿,26,2）电加热 是将电能转变成热能来加热钢液的。这种加热方式主要有电弧加热和感

17、应加热，见图6-5。 其中大多采用电弧加热，钢水升温速度与变压器容量的关系可由下公式确定。电炉“三位一体”短流程LF炉过程，要求钢水升温速度46 /min 。通过计算可知，若产生的热量全部被钢液吸收（热效率为1），则提供10kWh的电能，约使1吨钢液温度升高43。,2020/8/30,东北大学/阎立懿,27,图6-6 钢包加热系统工艺示意图,2020/8/30,东北大学/阎立懿,28,6.3 钢水炉外精炼方法,方法多达几十种，从精炼方法上分为： 渣 洗 精 炼 法 真 空 精 炼 法 非真空精炼法 喷射冶金及合金特殊填加法。 从有无补偿加热装置分为： 钢包处理型 钢包精炼型,2020/8/30,东北大学/阎立懿,29,尽管炉外精炼方法多达几十种，但比较普遍的、常用的种类，如图6-7。 针对不同钢种、不同流程，其炉外精炼方法，如： 合结钢类：电炉（EBT）LF炉连铸 轴承钢类：电炉（EBT）LF炉V