11-炉外精炼

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29～11月24日沈阳（No11）2020/1/19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2020/1/19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2020/1/19东北大学/阎立懿56.1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2020/1/19东北大学/阎立懿66.1.2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。2020/1/19东北大学/阎立懿76.1.3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2.5～3.0ppm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5～7ppm，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（100～200ppm），给浇注带来恶劣的后果。2020/1/19东北大学/阎立懿83）电炉还原期的变压器利用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1/3～1/6），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。2020/1/19东北大学/阎立懿94）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，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。2020/1/19东北大学/阎立懿106.1.4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。2020/1/19东北大学/阎立懿113）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。2020/1/19东北大学/阎立懿126.2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。2020/1/19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ε衡量，搅拌的效果通常用反应容器内的均匀混合时间τ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。4.08002020/1/19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2020/1/19东北大学/阎立懿152）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。2020/1/19东北大学/阎立懿16图6-1底、顶吹氩方式2020/1/19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。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。2501046.11ln12.6PHTTWQTLGL2020/1/19东北大学/阎立懿18图6-2常用钢包搅拌系统示意图2020/1/19东北大学/阎立懿196.2.2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。2020/1/19东北大学/阎立懿20图6-3钢水真空处理工艺示意图2020/1/19东北大学/阎立懿216.2.3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，精炼钢液。2020/1/19东北大学/阎立懿222）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。2020/1/19东北大学/阎立懿23图6-4合金的喂入与喷粉工艺示意图2020/1/19东北大学/阎立懿246.2.4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。2020/1/19东北大学/阎立懿25其中铝氧化的反应和热效应为：2[Al]+3/2{O2}=Al2O3ΔHAl=－1594752J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。2020/1/19东北大学/阎立懿262）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4～6℃/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℃。GCPn60coscos60GCPn2020/1/19东北大学/阎立懿27图6-6钢包加热系统工艺示意图2020/1/19东北大学/阎立懿286.3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