炉外精练基本知识.docx

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炉外精练基本知识

炉外精炼

炉外精炼或钢包冶金的含义:

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,成分和温度的调整和均匀等任务,部分或全部地移到钢包或其他容器中进行。

因此,炉外精炼也称二次精炼或钢包冶金（SecondaryRefining/LadleMetallurgy）。

炉外精炼的目的和手段

炉外精炼的目的:

在真空、惰性气氛或可控气氛的条件下进行深脱碳、脱硫、脱氧、除气、调整成分（微合金化）和调整温度并使其均匀化,去除夹杂物,改变夹杂物形态和组成等。

钢水炉外精炼是为适应钢的品种质量的提高,生产新钢种以及生产过程合理化,不可缺少的工序,成为现代炼钢、连铸生产中的重要环节。

为了创造最佳的冶金反应条件,到目前为止,炉外精炼的基本手段有搅拌、渣洗、加热、真空、喷吹等5种。

钢水精炼设备选择的依据

钢种的质量要求;

连铸机生产对钢水的质量要求;

转炉与连铸机生产的作业协调要求。

钢包吹氩搅拌的作用

钢包吹氩搅拌是最基本也是最普通的炉外处理工艺。

钢包吹氩搅拌的作用是:

均匀钢水温度。

由于包衬吸热和钢包表面散热,包衬周围钢水温度较低,中心区域温度较高,钢包上、下部钢水温度较低,而中间温度较

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高,这种温度差异导致中间包浇注过程钢水温度前后期低,中期高。

钢包吹氩搅拌促使钢包钢水温度稳定均匀,有利于提高铸坯内部质量,使结晶器内坯壳生长均匀,避免开浇水口冻钢断流。

均匀钢水成分。

出钢是在钢包内加入大量的铁合金,成分不均匀,吹氩搅拌过程中可根据快速分析提供的钢水成分而进行成分微调,以使钢的成分控制范围更窄,以确保钢材性能均匀。

促使夹杂物上浮,搅动的钢水促使了钢种非金属夹杂物碰幢长大,上浮的氩气泡能够吸收钢中的气体,同时粘附悬浮与钢水中的夹杂物并带至钢水表面被渣层所吸收。

生产实践表明,吹氩搅拌后钢水氧含量有明显降低,其降低幅度与脱氧程度有关,一般可降低20%以上,但脱氮效果不明显,并要注意减少增氮。

吹氩搅拌排除的夹杂物数量与钢水液面上覆盖渣层FeO含量有关,渣中的FeO含量越低,吹氩搅拌夹杂物排除的量越多。

钢包吹氩形式:

底吹氩。

底吹氩大多数是通过安装在钢包底部一定位臵的透气砖吹入氩气。

这种方法的优点是均匀钢水温度、成分和去除夹杂物的效果好,设备简单,操作灵便,不需占用固定操作场地,可在出钢过程或运输途中吹氩。

钢包底吹氩搅拌还可与其他技术配套组成新的炉外精练方式。

缺点是透气砖有时易堵塞,与钢包寿命不同步。

顶吹氩。

顶吹氩是通过吹氩枪从钢包上部浸入钢水进行吹氩搅拌,要求设立固定吹氩站,该法操作稳定也可喷吹粉剂。

但顶吹氩搅拌效果不如底吹。

工作压力、流量确定的一般原则:

最小值的设定应确保透气砖或吹氩枪不被堵塞;最大值则以钢包液面渣层不被大面积吹开,以免钢水二

次氧化。

采用较大吹氩流量,叫强搅拌。

预吹氩、加废钢调温或调合金时采用强搅拌,以加速废钢、合金熔化,充分混合,保证钢水成分、温度均匀。

其后的时间应采用较小吹氩流量进行弱搅拌,以促进夹杂物上浮,净化钢水。

经过小流量较平稳的弱搅拌,抑制了顶渣卷混,二次氧化等现象,氧化物夹杂总量比吹氩处理前大幅度降低,一般降低量可达45%,大于20um的夹杂物可从钢水中被分离去除,因此要净化钢水,必须保证有足够的弱吹氩时间。

此外,需要脱硫时,则要用更大吹氩流量进行强搅拌,加速渣钢界面反应以利于脱硫。

惰性气体中的氩气,不溶解于水,也不与任何元素发生化学反应,是一种十分理想的搅拌气源,因此被普遍采用。

从搅拌作用而言,氮气与氩气一样,且氮气更便宜,但在高温下氮能溶解在钢水中,其增氮量是随温度的升高及吹氮时间的延长而增多。

当温度高于1575℃时,可使钢中氮含量增加0.003%,影响钢的质量,因而使用氮气作为搅拌气源受到了限制,仅有少量含氮钢种可用吹氮气搅拌,但还存在增氮不稳定的问题。

CAS法和CAS-OB法

CAS是成分调整密封吹氩法,由日本发明,该工艺采用低吹氩强搅拌将液面渣层吹开,将下耐火材料制作的浸渍罩,浸渍深度为200mm,在密封的浸渍罩内迅速形成氩气保护气氛,可加入各种合金进行微合金化,合金吸收率高而稳定,钢的质量有明显改善。

为了解决钢加热的问题,日本又在CAS法基础上增设顶吹氧枪和加铝粒设备,通过溶入钢水内的铝氧化发热,实现钢水升温,称之为CAS-OB工艺,OB就是吹氧的意思。

主要有钢包及钢包车、CAS浸渍罩及升降系统、OB供氧系统和铝粒加入系统、合金加料系统、底吹氩控制系统、计算机和自动化检测控制系统等设备组成。

CAS-OB工艺主要包括:

吹氧升温和终点温度控制。

吹氧过程连续加入铝粒,合理控制加铝量和吹氧量之比是避免钢中C、Si、Mn等元素烧损和控制钢中酸溶铝含量的关键技术。

一般每吨钢水升温1℃,铝耗量为350-450g,升温速度快。

吹氩与夹杂物排除。

采用加铝升温,铝氧化生成大量Al2O3夹杂,并可能使钢中铝含量升高。

因此在加热过程中,要精确控制加铝量和吹氧量之比以及搅拌强度,升温后要保证一定时间的弱吹氩搅拌,促进夹杂物上浮。

合金微调。

在CAS处理中补加合金进行钢水成分的最终调整,实现窄成分控制。

CAB吹氩精炼法

CAB法（CappedArgonBubbling）是带钢包、盖加合成渣吹氩精炼法,由日本新日铁公司开发。

对合成渣的要求是熔点低、流动性好、吸收夹杂能力强。

吹氩时钢液不与空气接触,避免二次氧化。

上浮夹杂物被合成渣吸附和溶解,不会返回钢中。

钢包有包盖可大大减少降温。

合成渣处理钢液,必须进行吹氩强搅拌,促进渣钢间反应,利于钢液脱氧、脱硫及去除夹杂。

LF炉

LF炉（LadleFurnace）称为钢包炉（如图8-2所示）,是20世纪70

年代初由日本开发成功的,现已大量推广应用,成为当代最主要的精

炼设备。

LF炉通过电弧加热、炉内还原气氛、造白渣精炼、气体搅拌等手段,强化热力学和动力学条件,使钢水在短时间内达到脱氧、脱硫、合金化、升温等综合精炼效果。

确保达到钢水成分精确,温度均匀,夹杂物充分上浮净化钢水的目的,同时很好地协调炼钢和连铸工序,保证多炉连浇的顺利进行。

LF炉工艺的主要优点:

精炼能力强,脱氧、脱硫、净化钢水效果好,钢的质量显著提高;适宜生产超低硫,超低氧钢种。

具有电弧加热功能,热效率高,升温幅度大,温度控制精度高。

具备搅拌和合金化功能,易于实现窄成分控制,提高产品的稳定性。

采用渣钢精炼工艺,精炼成本低。

设备简单,投资较少。

LF炉的精炼功能:

埋弧加热。

LF炉有3根石墨电极,加热时电极插入渣层中进行埋弧加热,因而辐射热小,减少对包衬的损坏,热效率高。

上述反应不仅提高了熔渣的还原性,而且还提高合金吸收率,生成CO使LF炉内气氛更具还原性。

氩气搅拌。

通过钢包底吹氩气搅拌加速钢-渣之间的物质传递,利于脱氧、脱硫反应的进行,并促进夹杂物的上浮去除,特别是对Al2O3类型的夹杂物上浮去除更为有利。

同时加速钢水温度和成分的均匀,达到精确地调整钢水的成分。

炉内还原气氛。

钢包与炉盖密封起到隔绝空气的作用,加之石墨电极氧化产生CO气体,炉内形成了还原气氛,钢水在还原条件下进一步脱氧、脱硫及去除非金属夹杂物,并避免增氮。

白渣精炼。

LF炉精炼的白渣是的还原渣。

通过高碱度的还原渣,借助氩气搅拌,实现有效的扩散脱氧、脱硫和去除非金属夹杂物。

LF炉的4大精炼功能互相渗透,互相促进。

炉内的还原气氛,在加热条件下的吹氩搅拌,提高了白渣的精炼能力,创造了一个理想的精炼环境,从而使钢的质量显著提高。

LF炉脱氧和脱硫的原理

LF炉可以采用沉淀与扩散脱氧相集合的脱氧方式。

沉淀脱氧是直接向钢水中加入脱氧剂进行脱氧,其制约因素是脱氧产物不易全部上浮到渣相中导致钢水不纯;扩散脱氧是根据分配定律,钢水中氧向渣相中扩散,其脱氧的限制环节是渣-钢界面传质慢。

LF炉具有还原渣精炼和底吹氩强搅拌形成了良好的动力学条件,加大了扩散脱氧中渣-钢间氧的传输速度和沉淀脱氧中脱氧产物的上浮速度,钢水中的氧含量能将到很低的水平。

当溶解氧不变时,硫的分配系数随（CaO）的增加而增大,随（FeO）、（SiO2）的增加而减少。

脱氧程度对脱硫效果的影响很大,LF炉高碱度还原精炼渣脱氧效果良好,低氧活度可增加熔渣的脱硫能力。

（CaO）含量高,（FeO）、（SiO2）含量低,对脱硫反应十分有利,脱硫效率高。

与硅相比,铝具有较强的脱氧能力。

一般铝处理的钢水,渣中

（FeO+MnO）的含量相当低,脱硫也彻底。

LF炉白渣精炼工艺的要点

1）白渣出钢,控制吨钢水下渣量不大于5kg/t;

2）钢包渣改质,控制钢包渣碱度R≥2.5,渣中;

3）白渣精炼,处理周期有限,白渣形成越早,精炼时间越长,精炼

效果越好,一般采用CaO-Al2O3-SiO2系渣,保持熔渣良好的流动性和较高的渣温,钢包渣的最终控制成分列于表8-1。

高碱度、低熔点、低氧化铁的精炼渣能有效脱硫,吸收夹杂物,降低钢中T[O]。

4）控制LF炉内为还原气氛;

5）良好的底吹氩搅拌,保证炉内既有较高的传质速度。

钢包喷粉是将参与合金反应的粉剂,借助喷粉罐,由载流气体混合形成粉气流,并通过管道和有耐火材料保护的喷抢,将粉气流直接导入钢液之中。

其主要优点是:

反应界面大,反应速度快;添加剂利用律高;由于有搅拌作用,为新形成的反应产物创造了良好的浮离条件。

钢包喷粉的冶金效果:

脱硫。

一般脱硫、脱氧用硅钙粉,成分为wSi=54%,wCaO=30%,粒度小于1mm,其中小于0.125mm占50%以上,喷枪距包底250-300mm,喷吹压力为0.25-0.35MPa,喷吹时间为2-10min,供粉速率为7-10kg/min,氩气流量为0.5-0.6m3/min。

钢中硫含量可以将到0.01%以下,一般为0.005%,最低可达0.002%。

净化钢液和控制夹杂物性态。

喷吹钙、钙的合金或含钙的化合物时,不仅降低钢中夹杂的含量,还可以改变夹杂物的性态。

喷钙后,由于其脱氧、脱硫能力强,它能取代MnS中的Mn,并还原MnO、FeO、SiO2、Al2O3等氧化物夹杂。

CaO与Al2O3可形成低熔点的铝酸盐（12CaO7Al2O3

或CaO〃Al2O3）,在钢液中成球状,易于上浮排除。

由于夹杂物总量减少,特别是由群族状Al2O3和长条状MnS变成细小的圆球状,因而钢在不降低强度的条件下,显著的提高塑性和冲击韧性,并使钢材的各向异性也得到显著的改善。

提高合金吸收率。

喷入的合金粉剂能直接与钢水接触,有相当大的接触界面和相当长的接触时间。

特别是对于一些易氧化的元素,如硼、钛、钒、钙等,可避免它们在炉气、炉渣中的烧损,使钢水成分稳定,对合金元素吸收率高。

改善钢水的可浇性。

经钙处理的钢水,流动性显著提高,改善了钢水的可浇性。

由于CaO与Al2O3结合成低熔点铝酸钙（12CaO7Al2O3）在钢水中呈球状易上浮,避免了水口的堵塞。

目前真空精炼设备与喷粉组合成新的精炼工艺,可进一步提高钢水精炼效果。

钢包喂线

喂线也称喂丝,是20世纪70年代末在钢包喷粉技术之后发展起来开的一种钢包精炼技术,将Ca-Si、Ca-Al、硼铁、钛铁、碳等合金或添加剂制成包芯线或纯金属线（如Al线）,通过机械的方法喂入钢水深处,对钢液进行脱氧、脱硫、非金属夹杂物变性处理和合金化等精炼处理,以提高钢的纯净度,优化产品的使用性能。

在吹氩配合下的喂线技术除具有喷粉技术反应速度快、效率高的优点外,还消除了喷粉要求粉剂制备、输送、防潮、防爆条件要求,设备投资、维护和运行费用大的缺点。

喂线具有以下工艺特点:

●设备简单,操作方便,占用场地较少;

●对钢水扰动较小、热损失小、减少了从大气中的吸氧量和吸氮量;

●喂入钢水中的合金线易熔化,且均匀;

●喂线以一定速度进入钢水深部,元素吸收率高而稳定,脱氧效果好,对钢的微量元素调整尤为方便。

RH真空脱气法和DH真空脱气法

RH法,即真空循环脱气法,由原西德鲁尔钢铁公司（Ruhrstahl）和海拉斯公司（Heraeus）联合研制,斯目前广泛应用的一种真空处理法。

主体设备由真空室与抽气装臵组成。

真空室下部有吸取钢水的上升管和排出钢水的下降管。

脱气处理时,首先将两根管插入钢包内液面以下150~300mm。

抽真空时钢水在大气压力作用下进入真空室。

在上升管内同时吹入氩气,因钢水内充满氩气泡密度将少,钢水向上流动进入真空室,气体排除后钢水密度增大而从下降管返回钢包中。

如此连续反复循环,使钢水在真空室脱气。

DH真空处理法,由原西德的多特蒙德（Dortmund）和豪特尔（Horder）

两公司联合研制,又称提升脱气法。

这种装臵与RH不同,它采用一根浸渍管抽吸和放出钢水,当浸渍管插入钢水,真空室抽真空,钢水就上升到真空室中,然后下降钢包或提升真空室,使脱气后的钢水重返钢包内。

如此多次处理,直至结束。

目前DH处理法应用较少。

RH法适用于对含氢量严格要求的钢种,主要是低碳薄板钢,超低碳深冲钢、厚板钢、硅钢、轴承钢、重轨钢等。

RH-KTB法适用钢种同RH法,多用于超低碳钢、IF钢及硅钢的处理。

RH-KTB/PB法增加钢水脱硫功能,处理后可成产的超低硫钢种。

VD法和VOD法

VD（VacuumDegassing）精炼法是将转炉、电炉的初炼钢水臵于真空室中,同时钢包底部吹氩搅拌的一种真空处理法,可进行脱碳、脱气、脱硫、去除杂质、合金化和均匀钢水温度、成分等处理。

其主要设备由真空系统、真空罐系统、真空罐盖车及加料系统组成。

适于生产各种合金结构钢、优质碳钢和低合金高强度钢。

在VD炉上增加顶吹氧系统,构成VOD炉,如图8-10所示。

此法可以完成真空吹氧脱碳的功能,适宜冶炼低碳钢和低碳不锈钢。

VD真空处理依靠钢包底部全程吹氩搅拌,目的是均匀钢水的成分和温度,促进真空脱气、去硫、成分调整、夹杂物上浮,尤其是喂线后的软吹氩更是去除钢中氧化物夹杂的有效方法。

与RH真空处理工艺相比,VD的精炼强度受到钢包净空的严格制约。

一般要求钢包净空为800~1000mm;若进行钢液碳脱氧工艺时,钢包净空应不小于900mm;若实现吹氧脱碳工艺,则钢包净空为1.2~1.5m。

ASEA-SKF精炼炉和VAD精炼炉

ASEA-SKF法也称桶式精炼炉,是瑞典公司研制的,它具有在钢包内对钢液真空脱气、电弧加热、电磁搅拌的功能。

VAD（VacuumArcDegassing）精炼炉是美国公司研制的,它具有电弧加热、吹氩搅拌、真空脱气、包内造渣、合金化多种精炼功能。

AOD炉

AOD炉即氩氧脱碳法（ArgonOxygenDecarburization）,它是美国联

合碳化物公司的专利,AOD炉的炉体类似氧气转炉,是一种常压下的精炼设备。

不锈钢的特点是含有较高的铬、较低的碳,不锈钢的冶炼,关键在于“脱碳保铬”。

AOD法通过炉体下部侧面吹入氩氧混合气体,由于氩气稀释降低钢液中pCO,使高铬钢水在减压下进行脱碳反应。

由于AOD法可以在不太高的冶炼温度和常压下将高铬钢液中的碳降到极低的水平,而铬又没有明显的烧损。

该精炼法投资省,生产效率高,生产费用低,产品质量高,操作简便。

因此,全世界大部分不锈钢都是由AOD炉来生产的。

炉外精炼用耐火材料的材质

精炼的特点决定了对炉外精炼炉用耐火材料的要求主要是:

耐高温、抗侵蚀、高密度、低气孔率、耐剥落、热震性能好等。

炉外精炼炉广泛应用的耐火材料有:

高铝砖、镁铬砖、高铝尖晶石浇注料、镁铝尖晶石浇注料、镁钙炭砖、铝镁炭砖、镁炭砖、白云石砖等。

炉外精炼炉以MgO-Cr2O3-Al2O3系材料为内衬,适用于低碱度渣精炼工艺;以含碳的镁钙系（MgO-CaO-C）材料为内衬,更适合高碱度的精炼工艺。

炉外精炼使用的钢包衬:

对于低磷、低硫及要求夹杂物含量少的钢种,宜用镁钙质类碱性砖;对低碳钢、IF钢、铝镇静钢可采用高铝尖晶石浇注料或高铝砖;冶炼锰和氧含量较高的钢种,宜用镁铝炭砖和镁炭砖。

钢包渣线部位选用耐渣蚀、热稳定性好、高温结构性能稳定的镁炭砖和镁铬砖为宜。

RH真空室工作层上部用高铝砖,顶部、底部、插入管可用镁铬砖。

高铝砖在高温和真空下不易蒸发和离解,稳定性较好,但抗侵蚀不如其他材质。

镁铬砖抗渣性较好,但熔渣碱度大于1.2的条件下不如镁砖和镁钙质砖,抗热震性能比高铝砖和镁砖好,但不如镁钙质砖,高温稳定性不如高铝砖和镁钙质砖。