炉外冶炼课程论文作业Word下载.docx

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理论基础炉外精炼技术是以冶金过程物理化学为理论基础的。

真空脱气钢液中气体的溶解度服从希维茨（Sieverlts）平方根定律，钢中氢含量[H]％=KH√pH2。

钢液真空处理时，降低精炼容器中氢的分压pH2，即可达到钢液脱氢的目的。

氢的溶解反应平衡常数KH是温度的函数，在1600℃时，KH=0．0027。

氢在钢液中的溶解平衡常数低，扩散速度快，所以钢液脱氢速度很快，可使钢中氢含量接近平衡值。

同理，也可进行脱氮，但氮在钢液中的溶解平衡常数较高，Kn=0．040，扩散速度慢，因此钢液真空处理时，氮的脱出率仅为10%~25%（见钢液真空脱气）。

真空脱氧炉外精炼通常使用两种脱氧方法，真空下碳脱氧和加入含硅、锰、铝等的铁合金进行沉淀脱氧。

真空下碳氧反应为[C]+[O]--->

CO，[C]%[O]%=pco/K=mpco，平衡常数K是温度的函数，在1600℃和pco=0.101MPa时，m（即1/K）值为0．0020~0．0025，可见真空下碳脱氧能力很强，可超过脱氧元素硅、锰和铝的脱氧能力。

反应产物CO是气态而不是呈夹杂物形态，在真空下极易排除。

惰性气体处理向钢水中吹入惰性气体，这种气体本身不参与冶金反应，但从钢液中上升的每个小的惰性气泡都相当于一个“小真空室”（气泡中H2、N2、CO的分压接近于零），具有“气洗”的作用。

氩氧炉生产不锈钢的原理，就是应用在不同的CO分压和不同温度下，碳、铬之间平衡关系的变化，进行脱碳保铬的。

利用惰性气体加氧进行精炼脱碳（工艺过程中不断变换氩/氧的比例），可以降低碳氧反应中CO的分压，在较低温度的条件下，降低碳含量，而铬不被氧化。

钢液搅拌对钢液进行搅拌的作用是使钢液成分和温度均匀化，这对促进精炼反应十分重要，而精炼剂与钢液的混匀时间tc是精炼反应的参量，即tc=Kcε-0.4，Kc是常数；

ε为搅拌能。

多数冶金反应是相界面反应，反应物和生成物的扩散速度是这些反应的限制性环节。

钢液在静止状态下，冶金反应速度很慢。

如电炉中静止的钢液脱硫需要30~60min，炉外精炼中搅动钢液进行脱硫，只需3~5min即可达到同样的效果。

钢液在静止状态下，夹杂物靠上浮去除，服从于斯托克斯（Stokes）定律，排除速度较慢；

搅动钢液时，夹杂物的除去服从指数规律，即Xt=Xoe-kt，式中Xt和X0分别表示时间t和开始时（t=0）夹杂物的浓度；

k为常数，与搅拌强度、搅拌方式和夹杂物的特性有关。

喷粉精炼将精炼粉剂直接送入钢液深部，显著改善钢液内冶金反应的热力学和动力学条件。

由于喷粉精炼时冶金反应的表面积成千百倍的增加，大大加速精炼剂与熔池组元的反应速度，而冶金反应速度与反应物之间单位接触面积（F单位）成正比。

喷粉精炼是增加F单位值的最简单和最有效的方法。

F单位=F/V=3/R

式中F为粉剂的表面积；

V为粉剂体积。

将粉剂半径R减小至原半径的1/n（R/n），则F单位增加n倍。

通过调节工艺参数，可以按数量、品种和次序连续地加入精炼粉剂，均衡地进行冶金反应过程，提高冶炼效果。

例如用Ca—Si处理时，共加入3kg/t的物料，一次加入和分4批加入相比较，分批加入的脱硫效果比一次加入的高1倍以上，若将物料做成粉状并连续加入，其效果将提高4～5倍。

除向钢液加入各种合金粉剂、合成渣粉剂进行精炼外，喷粉对于比重轻或易氧化的微量元素控制也十分有利，在炼钢温度下用常规加料方式加入蒸气压高的元素（如Ca）、放散有毒气体的元素（如Pb）是有困难的，如采用喷粉精炼技术，将这些元素穿过渣层直接连续送入钢液深部，则既能保证工艺过程的稳定，又能精确地控制这些微合金元素在钢中的含量。

（见喷射冶金）

精炼方式常用的炉外精炼方法可分钢包处理型和钢包精炼型两类（图2）。

钢包处理型特点是精炼时间短（10~30min），精炼任务单一，没有补偿加热装置，工艺操作简单，设备投资少。

这类方法可进行钢液脱气、脱硫、成分控制和改变夹杂物形态等。

真空循环和真空提升脱气法（RH、DH）、钢包真空吹氩法（Gazid）、钢包喷粉处理法（TN、SL）等均属此类。

钢包精炼型特点是精炼时间长（60~180min），具有多种精炼机能，有补偿钢水温度降低的加热装置，适于各类高合金钢和特殊性能钢种（如超纯钢种）的精炼生产。

真空吹氧脱碳炉（VOD）、真空电弧加热脱气炉（VAD）和钢包精炼炉（ASEA-SKF）等均属此类。

与此类似的还有氩氧炉（AOD）。

冶金效果炉外精炼一般采用3种技术措施：

（1）选择一个理想的精炼气氛条件。

通常采用真空、惰性气氛或还原气氛。

（2）对钢液进行搅拌。

采用的方式有电磁感应、惰性气流或机械方法。

（3）钢液加热。

在精炼过程中通常采用电弧加热、埋弧加热、等离子加热或增加化学热等。

各种炉外精炼方法不外乎上述三个方面技术的不同组合

脱碳炉外精炼采用强搅拌，在真空下钢液含碳量可降到0.005%以下，用以精炼超低碳钢种。

如：

RH法处理容量为250t的钢液，碳能降到20×

10-4%以下（原始含碳0.015%）。

容量为50t的强搅拌的VOD炉（SS-VOD）精炼30%Cr-2%Mo不锈钢时，碳可降到9×

10-4%。

脱硫带加热的炉外精炼设备均可将钢液含硫量降到几个ppm以下。

用CaO基粉剂处理钢液，硫能降到0.02%以下。

为了生产超低硫钢种，要求对铁水进行脱硫处理，当铁水中含硫12×

10-4%时，炉外精炼可使钢中硫降到7×

10-4%以下。

脱磷生产含磷低于10×

10-4%的钢种时，除要求采用铁水脱磷处理外，必须同时采用钢液炉外精炼脱磷处理。

超低磷钢生产流程可概括为：

铁水脱硅--喷吹脱磷（用Na2CO3或CaO基粉剂）-转炉炼钢-炉外精炼（VAD、LF炉等）脱磷。

脱氧钢液终脱氧一般用铝，经吹氩搅拌除去钢中Al2O3夹杂。

但钢中全氧（T[O]）要达到20×

10-4%以下则比较困难。

炉外精炼虽然可将钢中氧含量降低，但由于耐火材料会向钢液供氧，也难于达到较低水平。

例如在1600℃用铝脱氧，钢中Al=0.04%，钢中平衡含量为20×

10-4%，如采用优质耐火材料高铝砖等碱性钢包，加顶渣并进行吹氩搅拌，可使T[O]<

15×

因此低氧钢的生产，除炉外精炼要精心操作外，选用优质耐火材料包衬、高碱度顶渣及吹氩搅拌都是十分必要的，这样则有可能将钢中T[0]降到10×

脱气真空处理可以有效地脱除钢中的氢，使钢中氢含量降到0．5×

而钢液脱氮则比较困难。

钢中含氮水平一般分为3组：

[N]≤80×

10-4%，[N]≤30×

10-4%和[N]≤15×

琴用钢丝钢要求[N]≤10×

炉外精炼降低钢中氧硫含量，使钢液更易于吸氮，因此，防止钢液吸氮是使钢中氮含量保持低水平的关键。

采用SS-VOD炉精炼，可使不锈钢中的氮降到很低水平；

真空下精炼能使钢中[N]≤15×

10-6，如在浇注时采用良好的氩气保护，可使钢液吸氮量小于5×

10-6。

夹杂物去除与变性炉外精炼能有效地降低钢中夹杂物含量。

经炉外精炼的钢液、夹杂物一般呈均匀细小分布，夹杂物尺寸小于10μm。

夹杂物变性处理则可改变夹杂物的组成、形态和在钢中的行为，减少其有害影响。

硫化物变性是使MnS型长条硫化物变成高熔点硫化物。

氧化物变性是使Al2O3型夹杂变成易于从熔体中排除的铝酸盐，而残留在钢中的氧化物则能变成不变形的铝酸盐。

工业上普遍采用钙处理技术使夹杂物变性。

此外向钢液喷吹含稀土金属元素及Ti、Zr、Te等的粉剂也已取得良好的夹杂物变性效果。

微量有害元素的去除炉料中微量有害元素（Pb、Sb、As、Sn、Bi等）在冶炼过程中难于除去，它们对优质合金钢和锻件质量损害甚为严重。

采用真空处理可排除易挥发元素Pb、Zn和Bi。

采用AOD炉精炼时可以排除不锈钢中的Pb。

采用钙处理技术对除去钢中微量有害元素也十分有效。

例如向含碳0．2%的不锈钢中喷吹碳化钙40~50kg/t，钢中最终微量有害元素均小于5×

10-6，其脱除率达85%~90%。

炉外精炼钢液的质量水平采用初炼加炉外精炼工艺后，钢质量大幅度提高，经济效益显著：

（1）缩短初炼炉的冶炼时间，提高生产率20%~40%，降低生产成本10%~50%；

（2）钢的清洁度提高，钢中夹杂物总量降到0.01%以下，夹杂物尺寸，一般小于10μm，钢中气体降到[H]=（0．5~3）×

10-6，[O]=（5~25）×

10-6，[N]=（10~40）×

10-6；

（3）将几种炉外精炼方法组合使用可生产清洁度为[H]+[N]+[O]+[P]+[S]≈50×

10-6水平的钢。

例如碳钢经炉外精炼后钢中[H]≤0．7×

10-6、[C]≤20×

10-6、[N]≤15×

10-6、[O]≤10×

10-6、[P]≤15×

10-6和[s]≤5×

含铬18%~30%的不锈钢经炉外精炼后钢中[C]≤20×

10-6，[N]≤50×

10-6并做到[C]+[N]≤100×

10-6的水平。

工业生产概况及展望各种炉外精炼方法中，钢包精炼在工业生产中使用最多。

80年代中期，世界各国投入工业生产的炉外精炼设备约有500余座，美国和日本生产的轴承钢全部经过炉外真空处理（RH法、DH法等），超低硫钢以及控制夹杂物形态的钢种主要用钢包喷粉处理法（TN法，SL法）生产。

AOD炉生产的不锈钢，铬元素的回收率达98％以上，并可使用高碳铬铁做合金原料，经济效益十分显著。

美国的不锈钢几乎全部用AOD炉进行精炼。

世界上用AOD炉生产的不锈钢约占不锈钢总量的75%以上。

ASEA—SKF炉、VAD炉和LF炉均采用电弧加热钢液，用电磁感应或氩气流搅拌钢液，可进行长时间的精炼操作，多用于生产优质结构钢和各类高合金钢。

这类设备还可做钢液保持炉，用于多炉联合生产特大钢锭或保持连铸钢液。

几种炉外精炼法的设备投资、操作费用及所适用的钢种见表2。

各种炉外精炼方法，各有所长，在选择炉外精炼方法时，应充分考虑到产品质量要求，生产厂原材料条件以及原有设备状况、生产操作水平和资金情况等进行综合分析研究，因地制宜地进行选择。

表1几种炉外精炼方法的投资及适用钢种

精炼方法

真空循环晚气法（RH）

钢包真空吹氩法（Gazid）

钢包喷粉法（IJ）

真空吹氧脱碳炉（VOD）

真空电弧加热脱气炉（VAD）

氩氧炉（AOD）

设备投资比较

中

低

高

较低

操作费用比较

精炼时间/min

<

20

90~120

60~90

钢包容量/t

20~300

20~150

20~200

20~155

15~175

适用钢种

优质碳钢、低合金钢、轴承钢、硅钢

优质碳钢、合金结构钢

超低硫钢、特厚板钢、油气管道用钢

各类不锈钢

各类高合金钢

超低碳不锈钢、各类不锈钢

由于使用部门对高质量钢材的需求以及钢铁工业本身的技术进步，新的炉外精炼方法将不断出现，炉外精炼的发展趋势，将是选用各种炉外精炼方法进行适当组合，优化工艺过程，经济地生产各类高质量钢和超纯钢种，进一步提高钢的清洁度和降低钢中杂质含量，预计可做到[C]<

6×

10-6，[S]<

1×

10-6，[P]<

8×

10-6，T[O]<

5×

10-6，[N]<

14×

10-6和[H]<

0．2×

原理

　　真空脱气钢液中气体的溶解度服从平方根定律，钢中氢含量。

钢液真空处理时,降低精炼容器中氢的分压p啹,即可达到钢液脱氢的目的。

氢的溶解反应平衡常数KH是温度的函数，在1600℃时，KH＝0.0027。

氢在钢液中溶解平衡常数低,扩散速度快,所以钢液脱氢速度很快，可使钢中氢含量接近平衡值。

同理，也可进行脱氮,但氮在钢液中的溶解平衡常数较高,KN＝0.040，扩散速度慢,因此钢液真空处理时，氮的脱出率仅为10～25％（见钢的去气，真空冶金）。

真空脱氧炉外精炼通常用两种脱氧方法。

真空下碳脱氧和加入合金元素硅、锰、铝等进行沉淀脱氧。

真空下碳氧反应为:

【C】+【O】─→CO↑,则【C】％·

【O】％＝ppCO/K＝mppCO,平衡常数K为温度的函数，在1600℃和ppCO＝1大气压时,值为0.0020～0.0025,因此真空下碳的脱氧能力很强，可超过脱氧元素硅、锰和铝。

反应产物CO是气态而不是呈夹杂物形态,在真空下极易排除（见钢的脱氧反应）。

处理方式

钢包处理型炉外精炼特点是精炼时间短（10～30分钟），精炼任务单一，没有补偿钢水温度降低的加热装置，工艺操作简单，设备投资少。

有钢水脱气、脱硫，成分控制和改变夹杂物形态等装置。

真空循环脱气法（RH、DH），钢包真空吹氩法（Gazid）,钢包喷粉（CaSi或其他粉剂）处理法（IJ、TN、SL）等均属此类。

钢包精炼型炉外精炼特点是精炼时间长（60～180分钟），具有多种精炼机能,有补偿钢水温度降低的加热装置，适于各类高合金钢和特殊性能钢种（如超纯钢种）的精炼生产。

真空吹氧脱碳法（VOD）、真空电弧加热脱气法（VAD）和钢包精炼炉法（ASEA-SKF）等,均属此类。

与此类似的还有氩氧脱碳法（AOD）。

工艺特点

炉外精炼具有共同工艺特点：

①选择一个理想的精炼气氛条件，通常采用真空、惰性气氛或还原性气氛。

②对钢液进行搅拌，可采用电磁感应、惰性气流或机械方法搅拌。

③钢液加热，在精炼过程中通常采用电弧加热、埋弧加热、等离子加热或增加化学热等。

各种炉外精炼法不外乎这三个方面技术的不同组合。

几种炉外精炼的工艺特点和冶金机能见表1炉外精炼。

工业生产概况

在各种炉外精炼方法中，钢包处理型炉外精炼在工业生产中使用最多。

70年代末期世界各国投入工业生产的炉外精炼设备约有400余座。

美国和日本生产轴承钢全部都经真空处理（RH法、DH法等），超低硫钢的生产以及控制夹杂物形态的钢种主要应用钢包喷粉处理法生产（TN法、SL法）。

AOD炉利用氩-氧混合吹炼生产不锈钢，铬元素的回收率达98％以上，并可使用高碳铬铁做合金原料，经济效果十分显著。

美国的不锈钢生产几乎全部用AOD炉。

目前世界上AOD炉生产的不锈钢约占75%。

ASEA-SKF炉和VAD炉均采用电弧加热钢液，用电磁感应或氩气流搅拌钢液，可进行长时间的精炼操作，多用于生产高合金钢。

这类设备还可作钢液保护炉，用于多炉联合生产特大钢锭。

　　炉外精炼法可以大幅度地提高冶金质量，并将钢中有害杂质降低到以下水平：

【H】0.5～3ppm,【O】5～30ppm，【N】15～50ppm，【C】0.002～0.03％，【S】0.002～0.01％，提高现有炼钢炉生产能力30～50％，使钢液浇铸温度波动幅度保持±

3～4℃范围内,生产成本降低13～54%。

几种炉外精炼法的设备投资、操作费用、工业化水平炉外精炼技术将会得到进一步发展。

长期以来用电炉生产优质钢的地位有被氧气转炉加炉外精炼和电炉加炉外精炼的工艺流程代替的趋势。

每种炉外精炼法，各有所长，应结合产品方向、生产操作经验、设备状况、原料供应条件和资金等情况进行综合研究

炉外精炼法能否成功地达到提高钢质量,增加产量的目的,首先要看所选用的炉外精炼设备是否能满足钢种要求,其次是考虑其技术经济效果是否合理,最后再根据各厂具体情况（如原料条件、氩气、蒸汽供应等）,因地制宜地作出判断。

为此,在确定上炉外精炼之后,先对炉外精炼设备进行选择。

二、钢种对炉外精炼设备的要求随着工业技术迅速发展,对钢材产品,品种的需要日益扩大,对材质的要求也日益严格,对产品性能要求越来越高。

进入七十年代以后,质量问题比数量问题更为引人重视。

从而也对钢水的纯净度提出更高的要求。

对普碳钢,优质纲和低合金高强度钢的冶炼,提出了三点要求:

一是对白点敏感,要求纲中含氢低于2ppm;

二是对钢中夹杂物

炉外精炼又称二次炼钢,就是把钢水的精炼过程,如脱硫、脱氧、去除夹杂物和脱氢、合金化、成分和温度调整等过程移到炉外去进行。

而电炉仅作为高功率的废钢熔化设备使用,转炉则吹炼粗钢水。

这种方法是近20多年来炼钢工艺的重大革新。

它破除了过去长时间炉内扩散脱氧的传统工艺,使钢水占用电炉的时间大大缩短,并使变压器能力得到充分利用,促使电炉向高功率和超高功率方向发展。