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钢铁冶金学教程


刘中清 四川大学冶金工程学科组

301qzl@vip.sina.com

内容提要
炉外精炼方法分类

炉外精炼方法

炉外精炼的产生
定义: 把一般炼钢炉(转炉 平炉或电炉) 转炉、 定义 把一般炼钢炉 转炉、平炉或电炉)中完 成的部分精炼任务,移到炉外的“钢包” 成的部分精炼任务,移到炉外的“钢包”或专 用容器中进行。 用容器中进行。 半世纪以来迅速发展的钢铁冶金重要技术; 半世纪以来迅速发展的钢铁冶金重要技术; 提高生产率的需要; 提高生产率的需要; 提高钢质量的需要; 提高钢质量的需要; 满足不同钢种的特殊要求; 满足不同钢种的特殊要求;

炉外精炼发展历程
20世纪30-40年代,合成渣洗、真空模铸; 20世纪30-40年代,合成渣洗、真空模铸; 世纪30 年代 50年代 大功率蒸汽喷射泵技术的突破, 年代, 50年代,大功率蒸汽喷射泵技术的突破,发明了 钢包提升脱气法(DH)及循环脱气法(RH) (DH)及循环脱气法(RH); 钢包提升脱气法(DH)及循环脱气法(RH); 60-70年代 高质量钢种的要求, 年代, 60-70年代,高质量钢种的要求,产生了各种精 炼方法; 炼方法; 80-90年代 连铸的发展, 年代, 80-90年代,连铸的发展,连铸坯对质量的要求 及炼钢炉与连铸的衔接; 及炼钢炉与连铸的衔接; 21世纪 更高节奏及超级钢的生产。 世纪, 21世纪,更高节奏及超级钢的生产。

炉外精炼的内容
脱氧; 脱氧; 脱硫; 脱硫; 脱气; 脱气; 去除夹杂和夹杂物变性处理; 去除夹杂和夹杂物变性处理; 合金化; 合金化 调整钢液成分及温度。 调整钢液成分及温度。
手段:渣洗、真空、搅拌、喷吹、加热, 手段:渣洗、真空、搅拌、喷吹、加热,过滤等

广泛使 用并得 到公认 的是LF 的是 和 RH 法

炉外精炼方法分类

◆ 在常压下处理精炼钢液的方法 ◆ 采用真空未用加热手段精炼钢液的方法

在常压下处理精炼钢液的方法
1 渣洗法 (1)合成渣渣洗法(perrin法 1933年法国发明)。 (2)同炉渣洗法(电弧炉冶炼时普遍采用)。 2 合金元素等特殊添加法和喷粉法 (1)弹丸发射法(ABSl973午日本使用)。 (2)喂丝法(WF法 1967年日本使用)。 (3)喷粉法:TN法(1974年西德使用);SL法(1976午瑞典)。 3 氩气精炼法 (1)钢包吹氩法(Gazal法,1950年加拿大使用)。 (2)带盖钢包吹氩法(CAB法,1965年日本使用)。 (3)氩氧脱碳精炼法(AOD法,1968年美国使用)。 (4)汽氩脱碳精炼法(CLu法,1973年法国和瑞典使用)。

采用真空和未用加热手段精炼钢液的方法
1.以脱气为主的精炼方法 .
(1)钢包除气法(西德和苏联首先使用)。 (2)倒包处理法(现已被淘汰),如BV法(1952年西德使 用)。 (3)出钢过程脱气法(TD法,1962年西德使用)。 (4)真空浇注法(苏联首先使用)。 (5)真空吹氩法(Finkl或Gazid法,1953~1963午法 国、 英国使用)。 (6)提升脱气法(DH法,1956年西德使用)。 (7)真空循环脱气法(RH法,1958年西德使用)。

采用真空和未用加热手段精炼钢液的方法
2.以脱碳、脱氧、脱气为主的精炼方法
(1)真空吹氧脱碳法(VOD法,1965年西德使用)。 (2)真空循环脱气吹氧法(RH—OB法,1968—1970年日 本首先使用)。 (3)真空循环脱气喷粉法(RH—PI法,1956年我国首先 使用)。

3.采用真空和加热手段的精炼方法
(1)钢包精炼法(ASEA—SKF法,1965年瑞典使用)。 (2)真空电弧加热精炼法(VAD法,1967年美国使用)。 (3)埋弧加热桶炉法(LF法,1971年日本使用)。

炉外精炼方法 内容提要
◆ 钢包脱气法 ◆ 钢液的滴流脱气精炼 真空提升脱气法(DH法 ◆ 真空提升脱气法 法) ◆ 循环脱气法 法) 循环脱气法(RH法 钢包真空精炼法(ASEA—SKF法 ◆ 钢包真空精炼法(ASEA—SKF法) 电弧加热钢包脱气法(FINKL—VAD法) 法 ◆ 电弧加热钢包脱气法 钢包炉精炼法(LF炉精炼法 炉精炼法) ◆ 钢包炉精炼法 炉精炼法 真空吹氧脱碳法(VOD法) ◆ 真空吹氧脱碳法 法 氩氧精炼炉(AOD)法和水蒸汽 氧气混合精炼 法和水蒸汽-氧气混合精炼 法和水蒸汽 氧气混合精炼(CLU)法 法 ◆ 氩氧精炼炉 喷射冶金(喷粉精炼 喷粉精炼) ◆ 喷射冶金 喷粉精炼

1 钢包脱气法 内容提要
原理: 先将钢包放入真空室内,盖上真空室盖后抽真空脱气。 原理 先将钢包放入真空室内,盖上真空室盖后抽真空脱气。
1 H 2 → [H ] 2
KH = f[ H ]ω[ H ]% ( PH 2 / P )
1 Θ 2

lg K H

? 1670 = ? 1.68 T
K H ( PH 2 / P ) f[ H ]
1 Θ 2

, ω[ H ]% =

1 N 2 → [N ] 2
KN = f[ N ]ω[ N ]% ( PN2 / P )
1 Θ 2

? 564 lg K N = ? 1.095 T

, ω[ N ]% =

K N ( PN2 / P ) f[ N ]

1 Θ 2

1 钢包脱气法 内容提要
过程: 过程
(1)气体从钢液中逸出全靠真空室的负压作用 ) (2)伴随气体逸出,钢液产生沸腾,起到气体搅拌的作用, ) 其间可用加铝或调节真空室压力的方法控制带气相的反应。

操作指标:
真空室内的压力:666~2.66×104Pa(5~200mmHg) 真空室内的压力 ~ × ~ 处理时间:12~ 分钟 决定于钢液温度 分钟。 决定于钢液温度) 处理时间 ~15分钟。(决定于钢液温度

问题与不足: 问题与不足:
脱气效果不大显著,特别是吨位较大的钢包, 脱气效果不大显著,特别是吨位较大的钢包,因受钢液静 压力的影响,包底层的气体不易逸出。 压力的影响,包底层的气体不易逸出。

2 钢液的滴流脱气精炼 内容提要
目前主要采用: 目前主要采用
(1)倒包法 (2)真空浇注法 (3)出钢过程脱气法。

2 钢液的滴流脱气精炼 内容提要
基本原理:
将钢液流股注入真空室,由于压力急剧降低, 将钢液流股注入真空室,由于压力急剧降低,使流股松散膨 并散开成一定角度以滴状降落,脱气表面积增大, 胀,并散开成一定角度以滴状降落,脱气表面积增大,有利于气 体的逸出。 体的逸出。

2 钢液的滴流脱气精炼 内容提要
冶金效果: 冶金效果 真空滴流精炼效果要比钢包真空精炼法好得多。

脱除成分 镇静钢的脱 除量,% 未脱氧钢的 脱除量,%

[O] 30 60

[H] 60 80

[N] 4 20~25

非金属夹杂物的含量也相应降低50~ % 非金属夹杂物的含量也相应降低 ~70%

2 钢液的滴流脱气精炼 内容提要
存在主要问题
(1)钢液温降严重,为了保证充分脱气与合适的浇注温度, 钢液温降严重,为了保证充分脱气与合适的浇注温度, 钢液需过热100℃左右。 100℃左右 钢液需过热100℃左右。 生产能力较大的炼钢车间, (2)生产能力较大的炼钢车间,完全采用这种方法有很大困 这种方法主要适用于生产大锻件的机械制造厂。 难,这种方法主要适用于生产大锻件的机械制造厂。

优点: 优点:
(1)实际上出钢温度比通常不处理的钢液过热 ~0℃; )实际上出钢温度比通常不处理的钢液过热20~ ℃ (2)使用的钢包容积应比一般用的容量稍大,以保证钢液上有较 )使用的钢包容积应比一般用的容量稍大, 大的反应空间; 大的反应空间 (3)中间包的容积约为出钢量的l/50。 )中间包的容积约为出钢量的 / 。

2 钢液的滴流脱气精炼 内容提要
冶金效果比较:
钢种 30CrM nSiA 30CrM nSiNiA 30CrM nSiNiA 真空精炼 方法 钢包处 理法 真空钢包 吹氩法 真空滴 流法 真空度,帕 (毫米汞柱) 266 665 266~665 (2~5) 400~800 (3~6) 540~1200 (4~9) 温度损 失,℃ 35~45 50~60 90~104 脱气程 度,% 20~40 40~50 56~67 ~

3 真空提升脱气法(DH法 内真空提升脱气法 法) 容提要
设备组成: 设备组成:
原西德Dortmund H?rder冶金联合公司于 冶金联合公司于1956年首先提出 。 原西德 冶金联合公司于 年首先提出 真空室 提升机构 加热装置 合金加入装置 抽气系统

3 真空提升脱气法(DH法 内真空提升脱气法 法) 容提要
工艺原理: 工艺原理:
(1)将真空室下部的吸嘴插入钢液内,真空室抽成真空后, )将真空室下部的吸嘴插入钢液内,真空室抽成真空后, 钢液沿吸嘴上升到真空室内脱气。 钢液沿吸嘴上升到真空室内脱气。 真空室内压力: 真空室内压力:13.3~66Pa(0.1~0.5mmHg), ~ ~ , 提升的钢液高度: l.48m。 提升的钢液高度: 。 (2)当钢包下降或真空室相对提升时,脱气后的钢液重新返 )当钢包下降或真空室相对提升时, 回到钢包内。当钢包上升或真空室下降时, 回到钢包内。当钢包上升或真空室下降时,又有一批新的钢液进入 真空室进行脱气。这样,钢液一次一次地进入真空室, 真空室进行脱气。这样,钢液一次一次地进入真空室,直到处理结 束为止。 束为止。

3 真空提升脱气法(DH法 内真空提升脱气法 法) 容提要
优点: 优点
(1)较小的真空室处理大吨位的钢液。 (2)可以用石墨电极、重油和煤气对真空室进行烘烤和加 热,因此钢液温降较小。 (3)可以用来生产含[C]0.002%的低碳钢。 (4)处理过程中可以加合金,合金元素的收得率高。

缺点: 缺点
(1)提升脱气法的设备较复杂,操作费用和投资费用较高。 (2)适用于大容量的冶炼设备。

3 真空提升脱气法(DH法 内真空提升脱气法 法) 容提要
工艺参数: 工艺参数
(1) 钢液吸入量 每次升降时吸入到真空室内的钢液量。它取决于钢包的容量, 一般为钢包内钢液的10~15%。 2) (2)升降次数 (d ? β ) 1 n= ? lg n 处理过程中钢液分批进入真空室的次数: lg (1 ? a ) ( d ? β )
0

升降次数; 式中 n——升降次数; 升降次数 α——钢液吸入量与总钢液量之比; 钢液吸入量与总钢液量之比; 钢液吸入量与总钢液量之比 dn——n次升降后,包内钢液的平均气体含量; 次升降后, 次升降后 包内钢液的平均气体含量; β——处理的钢液残余气体含量; 处理的钢液残余气体含量; 处理的钢液残余气体含量 d0——脱气处理前钢液中气体含量。 脱气处理前钢液中气体含量。 脱气处理前钢液中气体含量 按上式可计算出必要的最高升降次数,在接近于生产的条件下, 按上式可计算出必要的最高升降次数,在接近于生产的条件下,即α <0.1时,n的实际值与计算的偏差不到 %。 的实际值与计算的偏差不到15%。 时 的实际值与计算的偏差不到

3 真空提升脱气法(DH法 内真空提升脱气法 法) 容提要
工艺参数: 工艺参数
(3)循环因数 ) 在处理过程中进入真空室的钢液量与钢包内钢液量之比。 用 ?表示,计算公式如下:

n?q ?= Q

式中 ?——循环因数; n——升降次数; q——吸入钢液量,t; Q ——钢包内钢液量,t。 说明: 说明: (1)循环因数的选择应根据处理钢种、钢液中原始含气量以及处理时的真空 度而定。 (2)对于中、高碳钢,循环因数为3时,钢中气体含量才能达到要求。 (3)在实际生产中,循环因数是按提升次数来控制的。

3 真空提升脱气法(DH法 内真空提升脱气法 法) 容提要
工艺参数: 工艺参数
(4)处理的时间 ) 一般提升的钢液要在真空室内停留6~7s。同样在排除钢液时也 要在最低位置停留5s左右,以使钢液完全返回钢包内。 (5)升降速度 ) 钢液上升速度增大,还有利于钢液喷溅,增加脱气表面积,下 降速度增大,有利于钢包内钢液均匀混合。0.05m/s→0.2m/s (6)升降行程 ) 提升行程取决于处理容量、钢水吸入量及真空室和钢包 的直径,也与升降装置等有关。 镇静钢:真空室内熔池深度不超过0.45m 沸腾钢:不超过0.6m

3 真空提升脱气法(DH法 内真空提升脱气法 法) 容提要
实际效果: 实际效果:
(1)脱氢 脱氢 真空提升处理前氢含量为2.5~6.5ppm,处理后氢含量下降到1.10~2.5ppm。 (2)脱氧 脱氧 未经预脱氧钢液的含氧量可降低55~90%。非金属夹杂物降低40~50%。合 金的收得率在95%以上 (3)脱氮 脱氮 一般来说脱氮速度较慢。氮在铁液中的扩散系数较小,当钢中氮含量为 30~40ppm时,短时间处理后氮含量几乎没有什么变化。不过,当氮含量高 于100ppm时,脱氮量可达20~30ppm。 (4)脱碳 脱碳
在真空处理过程中,由于碳氧反应降低了碳的含量。因此利用真空提升法可 生产超低碳钢,最低碳含量可达0.002%,这是目前国内外都很重视的课题 这是目前国内外都很重视的课题。 这是目前国内外都很重视的课题

4 循环脱气法 循环脱气法(RH法) 法
钢液真空循环脱气法是西 德鲁尔钢铁公司(Ruhrs tahl) 德鲁尔钢铁公司 和海拉斯公司(Hcraeus)于 于 和海拉斯公司 1957年共同设计的,所以又 年共同设计的, 年共同设计的 脱气法。 称RH脱气法。 脱气法

4 循环脱气法 循环脱气法(RH法) 法
结构原理
(1)钢液脱气是在一个砌有耐火材料内衬的真空室内进行的。 (2)真空室下部设有两个管子(钢液上升管和下降管)。在进行 真空处理时,将这两个管子插入钢液内,由于真空室内被抽成 真空,钢液便从两个管子内上升到压差高度。 (3)将驱动气体从上升管下部三分之一处吹入钢液时,上升管 内瞬间产生大量气泡核。

4 循环脱气法 循环脱气法(RH法) 法
结构原理
(4)钢液中的气体向氩气泡内扩散,气泡在高温和低压的作用 下,体积成百倍地增大,以至钢液以约5m/s的速度呈喷泉状喷 5m s 入真空室,使钢液的表面积大大增加,加速了脱气的过程。 (5)脱气后的钢液汇集在真空室底部,不断地经下降管以1~ 2m/s的速度返回到钢包内。 (6)未经脱气的钢液又不断地从上升管进入真空室进行脱气。 这样连续循环几次后,脱气过程便告结束。

4 循环脱气法 循环脱气法(RH法) 法
优点: 优点:
(1)脱气效果较好 脱气效果较好 由于输入驱动气体Ar,上升管内生成大量气泡核,进入 真空室的钢液又喷射成极细小的液滴。大大增加了钢液脱气 表面积,因而有利于脱气的进行。
(2)钢液温降小,—般处理只有30~50℃。而且在脱气过

程中还可进行电加热,因此钢液在炉内只需少许过热。 (3)适用范围较大,用同一设备能处理不同容量的钢液, 也可以在电弧炉和感应炉内进行处理。

4 循环脱气法 循环脱气法(RH法) 法
工艺参数的选定
(1)处理容量 钢液真空循环脱气 分炉内脱气和炉外脱 气(钢包内脱气)两种。 采用哪一种方法主要 取决于脱气过程中温 降速度。

4 循环脱气法 循环脱气法(RH法) 法
工艺参数的选定
(2)处理时间 为了使钢液充分脱气,就要保证足够的脱气时间,脱气时 间t由下式确定:

tc t= vt

式中 t——脱气时间,min; tc——处理时允许的温度损失,℃; vt ——处理过程中平均温降速度,℃/min。

4 循环脱气法 循环脱气法(RH法) 法
工艺参数的选定
(3)循环因数u的确定 循环因数u是指钢液在处理过程中循环钢液的当量次数,就是 脱气过程中通过真空室的总钢液量与处理容量比:

式中 u ——循环因数; t——脱气处理时间, min; w——循环流量,t/min; V——钢包容量,t。

w?t u= V

4 循环脱气法 循环脱气法(RH法) 法
工艺参数的选定
(4)循环流量 的确定 循环流量w的确定 循环流量 循环流量或称循环速 率,就是每分钟通过真空 室的钢液量。循环流量主 要取决于输入的驱动气体 量和上升管截面面积。

4 循环脱气法 循环脱气法(RH法) 法
循环流量w表达式一
循环流量与上升管内径和驱动气体量存在以下关系:

w = a?d

1.5

?G

0.35 0

式中 w——循环流量,t/min; α——常数,对脱氧钢, α =0.02(测定值); d——上升管内径,cm; Go——通入上升管内的驱动气体量,L/min。

4 循环脱气法 循环脱气法(RH法) 法
循环流量w表达式二
设计真空室时,循环流量w是根据处理容量V,循环因数u和 脱气时间t确定的,如:

u ?V w= t

关于循环流量w讨论 当循环因数u=4~5时: (1)钢包容量为30~120t时,循环流量取15~25t/min; ) (2)钢包容量为120~200t时,循环流量取30~40t/min; ) (3)钢包容量为200~300t时,循环流量取40~60t/min。 )

4 循环脱气法 循环脱气法(RH法) 法
冶金效果:
(1)处理后钢中氢大都小于2ppm, 如果延长处理时间,平均 ) 含氢量可降到lppm以下。 (2)脱氢率和脱氧率有类似的正比关系,这表明氢的去除和碳 ) 氧反应均为界面反应。 (3)未脱氧的钢液 [O]由200~500ppm降到80~300ppm。镇静 ) 钢可由60~250ppm降到20~60ppm。 (4)和其它真空脱气法一样,RH处理时脱氮的效果不明显。 ) 一般脱氮率在10~20%之间。 (5)真空循环脱气法处理的钢种范围很广,其中包括锻造用钢、 ) 高强钢、结构钢、轴承钢、工具钢、不锈钢、电工钢、深冲钢 等。

4 循环脱气法 循环脱气法(RH法) 法
RH的发展 的发展
-OB (Oxygen Blowing),真空室下部吹氧 , -KTB (Kawasaki Top Blowing) 日本川崎,顶吹 日本川崎, 氧 -PB(Powder Blowing),真空室下部喷粉脱 、S。 ,真空室下部喷粉脱P、 。

5 钢包真空精炼法 钢包真空精炼法(ASEA—SKF法) 法
该方法是瑞典ASEA公司和SKF公司于1965年联合研制而 成的,设备处理容量在20~140t之间,其工艺流程如下:

5 钢包真空精炼法 钢包真空精炼法(ASEA—SKF法) 法
工艺过程: 工艺过程:
(1)钢液出钢后,将钢包炉吊入搅拌器内,进行电磁感应搅拌; ) (2)加造渣料换新渣,电弧加热熔化渣料,钢液温度合适后,盖 ) 上真空盖进行真空脱气处理; (3)真空脱气后,通过斜槽漏斗加入合金调整钢液成分,最后将 ) 钢液再加热到合适的温度,将钢包炉吊出并进行浇注。整个精炼在 1.5~3.0 h完成。

5 钢包真空精炼法 钢包真空精炼法(ASEA—SKF法) 法
优点: 优点:
(1)可对钢液进行加热和电磁感应搅拌,钢液的脱气时间可以 不受限制,夹杂物易于上浮去除,所以操作灵活,可以进行脱 硫、脱氧、脱碳、调整成分和温度,钢液的质量大为提高; (2)提高了初炼炉的生产能力; (3)扩大了品种 精炼过程中可入大量的铁合金,可生产由碳素钢到合金钢 等品种; (4)降低成本 初炼炉的熔炼时间大大缩短,降低了电耗,提高了铁合金的 收得率;改善了钢锭的表面质量,所以钢锭修磨量减少;大断 面钢坯的氢气扩散退火时间减少,因此节约了能源。

5 钢包真空精炼法 钢包真空精炼法(ASEA—SKF法) 法
缺点: 缺点:
(1)设备较复杂,搅拌用低频电源装置造价很贵。 ) (2)精炼时间较长。 ) (3)小容量炉子的耐火材料消耗高。 )

操作中注意的问题: 操作中注意的问题:
耐火砖的选择 工艺的制定 氧枪的设置 铬的回收

6电弧加热钢包脱气法 电弧加热钢包脱气法(FINKL—VAD法) 电弧加热钢包脱气法 法
电弧加热钢包脱气法或称真 空电弧钢包脱气法,是用氩 气搅拌钢液,并且在真空室 的盖子上增设了电弧加热装 置。这种方法与钢包精炼炉 法(ASEA-SKF法)不同之处 在于它用氩气搅拌钢液,并 在真空下进行电弧加热。

6电弧加热钢包脱气法 电弧加热钢包脱气法(FINKL—VAD法) 电弧加热钢包脱气法 法
工艺特点
1)由于电弧加热是在真空下进行的,故在加热过程中可以获得良 好的脱气效果; 2)能够准确地调整浇注温度,而且钢包内衬充分蓄热,浇注时温 降稳定; 3)由于精炼过程中搅拌充分,所以钢液成分稳定; 4)可加入大量的合金,能冶炼范围很广的碳素钢与合金钢; 5)可以加入造渣剂和其它造渣材料进行脱硫和脱碳,如果在真空 盖上装设氧枪,还可采用真空吹氧脱碳工艺,冶炼超低碳不锈钢。

6电弧加热钢包脱气法 电弧加热钢包脱气法(FINKL—VAD法) 电弧加热钢包脱气法 法
操作工艺
(1)真空加热约在(2.4~2.6)×104Pa(180~120mmHg)进行。 (2)可进行钢包脱气和钢包精炼,脱气处理约15分钟。抽真空 的同时,包底吹氩搅拌钢液。 (3)一个容量为50吨的VAD炉,使钢液升温50℃需耗电35kWh /t。 (4)真空精炼处理时间一般不小于30分钟。电弧加热后可补偿 100~200℃。 (5)设有水冷氧枪时可采用真空吹氧脱碳工艺,这对精炼不锈 钢有重要意义。铬的收得率约为98%,其质量与VOD法相同。

6电弧加热钢包脱气法 电弧加热钢包脱气法(FINKL—VAD法) 电弧加热钢包脱气法 法
精炼效果: 精炼效果:
(1)钢液处理后氢含量平均为 1.3ppm,脱氢率为65%,脱氢效 果显著,锭模内92%钢液氢含量 小于2ppm。 (2)钢液中的氧平均含量为 24ppm,脱氧率为54%,处理后 氧回升约5ppm,90%的钢液中总 含氧在30ppm以下。

7钢包炉精炼法 钢包炉精炼法(LF炉精炼法 炉精炼法) 钢包炉精炼法 炉精炼法
钢包精炼法采用Ar氩气搅拌, 钢包精炼法采用 氩气搅拌, 氩气搅拌 在大气压力下用石墨电极埋弧 加热,再加上炉渣精炼技术。 加热,再加上炉渣精炼技术。 该精炼方法1971年由日本首先 使用。炉体部分由一个普通钢 包制成,它与VAD炉很相似。

LF炉 LF炉

7钢包炉精炼法 钢包炉精炼法(LF炉精炼法 炉精炼法) 钢包炉精炼法 炉精炼法
LF炉精炼法 LF炉精炼法 VAD炉精炼法 VAD炉精炼法

7钢包炉精炼法 钢包炉精炼法(LF炉精炼法 炉精炼法) 钢包炉精炼法 炉精炼法
LF精炼炉工艺参数 LF精炼炉工艺参数
(1)加热时升温速度 4℃/min (2)气体搅拌时钢液温度下降速度1℃/min; (3)脱气造成温度下降速度 3.5℃/min (4)加热时把电极插入渣中,能使电流稳定。

LF钢包炉精炼法 钢包炉精炼法

7钢包炉精炼法 钢包炉精炼法(LF炉精炼法 炉精炼法) 钢包炉精炼法 炉精炼法
冶金效果: 冶金效果:
(1)LF精炼炉脱硫速度依渣中的碱度和(FeO)而变化; (2)当精炼炉渣含(FeO)高时,脱硫效果差,钢种的[S]含量高。 (3)LF炉的全部产品基本上都进行真空脱气处理。钢液中[H]可达1~ 1.5ppm。 (4) LF炉熔炼时钢液中成分偏析极小,可将成分控制在极狭窄的范围 内。Al和Ti活性元素控制在0.05%左右。 (5)由于吹氩搅拌,可使钢包内钢液温度偏差控制在±5℃的范围内。 (6)LF炉不采用电磁感应搅拌,比真空精炼法设备简单便宜,不采用真 空下加热的装置也比VAD设备简单,其冶金效果基本相同。

8 真空吹氧脱碳法 真空吹氧脱碳法(VOD法) 法
冶炼低碳和超低碳不锈 钢。电弧炉冶炼不锈钢 时,采用较高钢液温度 (~1800℃)的办法来实 1800℃)的办法来实 现去碳保铬的目的, 现去碳保铬的目的,炉 衬寿命低。 衬寿命低。

8 真空吹氧脱碳法 真空吹氧脱碳法(VOD法) 法
脱碳讨论
1 3 Cr3O4 + [C ] = [Cr ] + CO 4 4
3 [Cr ] ? fCr 4 ? P K= CO C ] ? fC [ 34

(1)当降低PCO时,可以起到与提高温度相同的效果。 ) (2)在温度一定时,对一定成分的钢来说, )
[ Cr ]
34 3 ? f Cr 4

K ? fC

为常

数, 钢中含碳量[%C]只与PCO有 关。降低PCO就可以达到降 低碳含量的目的。
[C ] [Cr ] =
34 3 ? fCr 4

K ? fC

? PCO

8 真空吹氧脱碳法 真空吹氧脱碳法(VOD法) 法
降低P 降低 CO的方法
3 Cr ] ? fCr 4 [ ? PCO [C ] = K ? fC 34

(1)真空法,如真空吹氧脱碳法(VOD法)真空循环脱气吹氧脱 ) 碳法(RH-OB法)等。 (2)稀释法,如氩氧脱碳法(AOD法),用氩气稀释,降低PCO; ) 汽氧脱碳法(CLU法),用水蒸汽分解得来的氢气稀释降低Pco。

8 真空吹氧脱碳法 真空吹氧脱碳法(VOD法) 法
优点: 优点:
(1)VOD法不仅能冶炼不锈钢,也可对各种特殊钢进行真空 ) 精炼或真空脱气处理。 (2)钢包底部设有吹氩搅拌,其脱气去夹杂的效果较好,冶 金反应动力学较为有利。

8 真空吹氧脱碳法 真空吹氧脱碳法(VOD法) 法
精炼操作工艺:
(1)碳 0.4~0.5% ,钢液温度 1600~1650℃时出钢。将钢水倾入钢包,在 出钢过程中应尽量避免钢渣流入包内。 (2)装有钢水的钢包吊到真空罐内吹氩搅拌边抽真空,压力6700Pa(50mm Hg)时开始吹氧精炼。此时,熔池表面上的渣量少些为宜。 (3)真空度达1kPa左右。氧化反应放热,使钢液温度略有升高。 (4)在真空下或大气中进行脱氧,经调整成分和温度后,从真空罐内将钢包 吊出,进行浇注。 (5)精炼不锈钢的脱氧:过剩的碳在小于130Pa的真空下脱氧和去除夹杂物。 在真空下用氩气搅拌,因此用铝、钛脱氧的不锈钢的纯洁度也显著提高。

9 氩氧精炼炉 氩氧精炼炉(AOD)法和水蒸 法和水蒸 氧气混合精炼(CLU)法 汽-氧气混合精炼 氧气混合精炼 法
AOD法 氩氧精炼法是从炉 底侧面向熔池吹入氧和氩 的混合气体,1摩尔的氧气 与熔池中的碳反应后生成 两摩尔的一氧化碳,但是1 摩尔氩气通过熔池后数量 没有变化,然而通过吹入 不同比例的混合气体使气 泡内的PCO降低。 2[C]+O2+Ar=2CO+Ar

第一阶段O2/Ar=3:1 第二阶段O2/Ar=2:1 第三阶段O2/Ar=1:2

9 氩氧精炼炉 氩氧精炼炉(AOD)法和水蒸 法和水蒸 氧气混合精炼(CLU)法 汽-氧气混合精炼 氧气混合精炼 法
2[C]+O2+Ar=2CO+Ar 特点:
脱碳反应不是在真空下, 而是在常压下进行的,因 此避免了铬的过量损失和 高温对耐火材料的损害。

9 氩氧精炼炉 氩氧精炼炉(AOD)法和水蒸 法和水蒸 氧气混合精炼(CLU)法 汽-氧气混合精炼 氧气混合精炼 法
AOD主要结构 AOD
炉体、供气装置、除尘装置、 加料装置四部分组成。 形状近似直筒形转炉变速向 前、后旋转180° 炉子内型 熔池深度:内径:高度=l: 2:3

氩氧精炼炉(AOD)法 氩氧精炼炉(AOD)法 (AOD)
AOD工艺优点 AOD工艺优点: 工艺优点
(1)可以利用廉价的原料生产不锈钢 ) (2)容易生产低碳和超低碳不锈钢 ) (3)设备简单,操作方便,基建投资低和经济效益显著。 )设备简单,操作方便,基建投资低和经济效益显著。

AOD工艺缺点: AOD工艺缺点: 工艺缺点
(1)氩气消耗高 ) (2)耐火砖价格高 ) 炉不能直接进行浇注, (3)AOD炉不能直接进行浇注,这样会产生二次氧化,因此 ) 炉不能直接进行浇注 这样会产生二次氧化, 钢中的气体含量要稍高。 钢中的气体含量要稍高。

氩氧精炼炉(AOD)法 氩氧精炼炉(AOD)法 (AOD)
AOD冶金效果 冶金效果
(1)脱硫是十分有效 ) 这是因为强烈的氩气搅拌和高碱度炉渣作用的结果,以达 到[S]=0.005%左右,这是电弧炉冶炼很难实现的 (2)脱氧脱氢效果好 ) 电炉采用纯氧吹炼时,脱碳完毕钢中总氧量大约为0.16%, AOD炉则只有0.14%,VOD炉则更低。 AOD法和VOD法 生产的钢含氢量比电炉法低25~65% (4)N2含量低 ) 氮含量低30~50%。因此,精炼炉生产的钢,切削性能优 于一般电炉冶炼的钢。

10 喷射冶金 喷粉精炼 喷射冶金(喷粉精炼 喷粉精炼)
定义: 定义:
根据流态化和气体输送的原理,用氩气或其它气体将不 同类型的粉剂喷入钢水或铁水。

起源: 起源:
作为一种精炼手段,喷射冶金最早在法国得到开发。60 年代初,法国钢铁研究院有这方面的报导。目前影响较大 的还有西德的TN法和瑞典的SL法。

10 喷射冶金 喷粉精炼 喷射冶金(喷粉精炼 喷粉精炼)

钢液喷粉时的两个反应区

10 喷射冶金 喷粉精炼 喷射冶金(喷粉精炼 喷粉精炼)
用途: 用途:
(1)铁水预处理 (2)缩短冶炼时间,降低电耗 缩短冶炼时间, 缩短冶炼时间 电炉炼钢过程中强化氧化期加速脱磷,加速还原期脱氧脱硫,缩短 冶炼时间,降低电耗。有的工厂可缩短冶炼期30~40min。 (3)提高合金元素的利用率 将易氧化元素(Al、Ti、B、V、Ca、Re等)粉剂用气作载体喷入钢液,可 提高合金元素的利用率,减少烧损,稳定钢水成分。 (4)高铬钢水的脱磷 如果在还原期采用喷吹的方法向钢水加入CaC2或CaSi等脱磷剂,可 以保证钢水中铬、镍、锰等合金元素含量基本不变,同时可获得20~ 56%的脱磷率。但成本较高,喷后还需精炼脱碳、脱硅。

10 喷射冶金 喷粉精炼 喷射冶金(喷粉精炼 喷粉精炼)
用途: 用途:
(5)夹杂物形态的控制 向钢水中喷吹CaSi系列粉或稀土金属(Re)份时,在取得良好的脱氧脱硫效果的 同时,可以起到控制夹杂物形态的作用。 (6)钢水的工艺性能有很大改善 喷吹CaSi后,钢水的工艺性能有很大改善,浇注温度可降低10~20℃,钢水的 流动性提高,很少出现水口结瘤和粘包底现象。 (7)喷粉增碳 电炉冶炼中一项重要的操作是调整钢中碳含量,利用喷吹法向钢液喷入焦碳粉, 碳的回收率在熔化期为80~90%,电炉还原期为95~100%,改变了由生铁增碳增 加能耗的状况,并降低了钢的成本。

10 喷射冶金 喷粉精炼 喷射冶金(喷粉精炼 喷粉精炼)

10 喷射冶金 喷粉精炼 喷射冶金(喷粉精炼 喷粉精炼)

喷粉速度: △p=p1-p2

各种炉外精炼工艺钢水比搅拌能的比较

*合成渣洗及性能 合成渣洗及性能* 合成渣洗及性能
适用于脱氧、脱硫的合成渣是高碱度(R>2)的还原渣 系 ( w(FeO)≤0.4~0.8% , 基 本 CaO-Al2O3 (w(CaO) =53~ 55%,w(Al2O3)=43~45%),除此之外还采用了石灰-高岭土渣, 石灰-火砖块及石灰-硅酸盐渣。 合成渣要求: 合成渣要求:熔点低于被渣洗的钢液,配加溶剂,如CaF2、 Na3AlF6、Na2O;黏度要小于0.2Pa.s;σms 要小。FeO、Fe2O3、 MnO、Na2O、CaC2能强烈降低合成渣的界面张力。

合成渣系及性能
特点
◆根据要求将各种渣料配置成满足某种冶金功能的合成炉渣; 根据要求将各种渣料配置成满足某种冶金功能的合成炉渣; ◆通过在专门的炼渣炉中熔炼,出钢时钢液与炉渣混合,实现 通过在专门的炼渣炉中熔炼,出钢时钢液与炉渣混合, 脱硫及脱氧去夹杂功能; 脱硫及脱氧去夹杂功能; 不能去除钢中气体; ◆不能去除钢中气体; 必须将原炉渣去除; ◆必须将原炉渣去除; 同炉渣洗、异炉渣洗。 ◆同炉渣洗、异炉渣洗。

合成渣系及性能
合成渣脱氧
由于熔渣中的w(FeO)远低于钢液中w(O)的平衡的数值, 即w[O]>aFeOLO,因而钢液中的[O]经过钢-渣界面向溶渣滴 内扩散,而不断降低,直到w[O]=aFeOLO的平衡状态。

合成渣脱氧
利用钢液与熔渣间的质量平衡关系,可计算出脱氧所需的 合成渣量:

w( FeO ) = w[O ] / (γ FeO LO )

合成渣脱氧

合成渣洗及性能
合成渣脱硫
由于合成渣是高碱度的还原渣,所以有很强的 脱硫能力,可使钢液中的硫的质量分数从0.015%~ 0.015%~ 0.033%下降到0.005~0.012%,而LS达27~77。

合成渣脱硫

3(CaO)+2[Al]+3[S]=3(CaS)+(Al2O3)
(% S ) aAl 2/3 ??G 0 = ? f[ s ] ? EXP ( ) [% S ] ( S .P.) 3RT

( S .P.) =

a Al2O3 1/3 (% S ) sat aCaO

a [O] C =L . S S f [S]

*钢中夹杂物的变形处理 钢中夹杂物的变形处理* 钢中夹杂物的变形处理 ◆ 夹杂物的性能及其对钢性能的影响 ◆ 硫化物夹杂物的变形处理 ◆ 铝酸盐夹杂物的变形处理

夹杂物的性能及其对钢性能的影响
来源: 来源 钢中非金属元素(O、S、P、C、N)的化合物,特别 是氧及硫的化合物最主要,对钢的性能影响也最大。 影响: 影响 夹杂物在随后的热、冷加工过程中发生形态变化,由于 其于基体金属铁在物性及机械性能,如弹性、塑性及热膨胀系 数均有较大的差别,在受力过程中,夹杂物不能随金属相应变 形。变形大的铁就会在变形小的夹杂物周围产生塑性流动。其 连接处应力分布不均匀,出现了应力集中,并急剧升高,为材 料的破坏提供了受力的薄弱区,使钢的范性、韧性及疲劳强度 降低、方向性加强、加工性能恶化。

钢中夹杂物加工前后的形态

图为不同精炼阶段 夹杂物组成分布

硫化物夹杂物的变形处理 存在形态及影响:
FeS或MnS,Fe-FeS共晶点1216K;当钢中w[Mn]/w[S]≥2时, FeS转变成MnS,MnS熔点高(1828K),虽然可降低“热脆”, 但MnS具有范性,能沿流变方向形成条带状,严重影响了钢的横 向机械性能。

防治措施
加入变形剂,控制MnS的形变,使之转变为高熔点的球 形(或点状)的不变形的夹杂物。即凡能使硫化物生成熔 点高、塑性小、硬度大的化合物的元素,如Ca、Ti、Zr、 Mg、Be、RE均可作为硫化物的变形剂。 通常RE作为变形剂。

厚板中观察到的MnS夹杂物 夹杂物 厚板中观察到的

硫化物夹杂物的变形处理 防治措施
由于RE与氧的亲和 力大于与硫的亲和力, 故首先形成稀土氧化 物,而后是含氧、硫 的稀土化合物,仅当 w[RE]/w[S] > 3 时 才 形成RE的硫化物,而 MnS完全消失,新夹 杂呈细小分散的球状, 热加工时不会变形。

RE化合物的热力学数据

铝酸盐夹杂物的变形处理 来源及影响: 来源及影响
向钢中喷入CaO+Al或钙合金脱氧,不仅氧的质量分数 降低很大(0.0001%),而且能生成熔点低(1415℃)的12 CaO.7Al2O3球形液态,易于上浮,可消除钢材的异向性。 但C12A7 夹杂物和基体铁的线膨胀系数相差较大,冷却 时,C12A7的收缩比例比基体铁要小得多,形成张力,在夹 杂物的周围产生空腔,减弱钢的强度。

铝酸盐夹杂物的变形处理 防治措施
当有线膨胀系数较大,且范性较好的硫化物存在时,C12A7 就能包围硫化物,形成共生夹杂物,改善C12A7和基体的联结性, 消除空腔及减小C12A7在周围基体产生的应力。 加入钙脱氧时同时加入稀土。


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