合金熔化與精煉6

1、合金熔化及爐外精煉 鑄 鋼 材冶學(xué)院:張國志70萬千瓦水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪430噸不銹鋼葉輪缸 體小型鑄鋼件n.小型鑄鋼件n.鑄鋼的熔煉概述n目的:1.熔化,過熱;n 2.調(diào)整成分,C;Si;Mn;Cr;Mo;合金元素達(dá)到設(shè)計(jì)的含量;n 3.去除雜質(zhì)元素:S;P;On 4.去除夾雜物,氣體,凈化鋼液.n煉鋼的設(shè)備;平爐; 轉(zhuǎn)爐; 電弧爐; 感應(yīng)電爐(中頻)n 轉(zhuǎn)爐(1856年BSM):產(chǎn)量大,速度快,2040分鐘,主要用與鋼廠鑄錠連鑄用,鑄件生產(chǎn)不用.n 平爐(1864年):量大(100噸),速度慢,適合于重型鑄件.n 中頻感應(yīng)爐:中小型鑄鋼件主要用中頻感應(yīng)爐熔煉,(容量幾百公斤幾十噸),也有用60噸的

2、澆注100噸以上的大件.n 電弧爐(1899年):石墨電極之間放電產(chǎn)生高溫電弧,使鋼熔化.(超高功率,VHP,1964年).n(三相電弧爐);(直流電弧爐1985年);按爐襯又分為:酸性電弧爐;和堿性電弧爐.三相電弧爐n.電弧爐爐體電弧爐爐蓋感應(yīng)電爐爐體真空感應(yīng)電爐n.第四章.電弧爐煉鋼n鑄鋼件主要使用三相電弧爐和中頻感應(yīng)電爐熔煉,其熔化和精煉原理主要以三相電弧爐為對(duì)象.n三相電弧爐的優(yōu)點(diǎn):n (1).溫度高,n (2)爐氣容易控制,(無燃料)可形成氧化性氣分,也可形成還原性氣分,加入脫氧劑,形成還原性氣分,徹底脫氧.n (3).造還原性渣,脫硫;n (4).還原性渣適合煉合金鋼,元素氧化燒損

3、少.n 缺點(diǎn):n (1).耗電多,3噸爐,1800KVA; 10噸爐,5000KVA,n20噸:9000KVA.n (2).電弧使空氣電離,產(chǎn)生原子狀態(tài)的N,溶于鋼中,鋼水中氣體增加.n (3).爐溫不均勻,點(diǎn)狀加熱,上部溫度高.爐襯及加熱原理n酸性電弧爐用硅磚砌成,水玻璃石英砂打結(jié)爐襯.n堿性電弧爐用鎂磚或粘土磚砌成,內(nèi)襯用焦油鎂砂或鹵水鎂砂打結(jié).n加熱原理:石墨電極(三根石墨電極;三相電源)與金屬爐料之間放電產(chǎn)生電弧,產(chǎn)生高溫,熔化金屬,鋼水過熱.堿性電弧爐氧化法煉鋼n一.煉鋼的工藝過程.n 1.補(bǔ)爐;2.裝料; 3.熔化n 在電弧加熱下,電極附近的金屬熔化,形成”穿井”,形成鋼液熔池.在

4、熔化過程中,Si;Mn;P形成氧化物,與加入的石灰(CaO)形成爐渣,覆蓋在鋼液的表面.為了脫P(yáng),加入氧化鐵,(鐵礦石),低溫階段有利于脫P(yáng),含P多時(shí),可先放渣,再加石灰造渣.n 4.氧化期.前期溫度低時(shí),主要是脫P(yáng),然后提高溫度(1530),以后,開使第二期,氧化脫碳,沸騰精煉,去除夾雜物和氣體。因?yàn)镃+OCO 的反應(yīng)，隨溫度的升高，自由能降低，形成CO氣，既有除氣凈化作用，又脫掉鋼中過多的碳。氧化脫碳的方法：礦石脫碳法（Fe2O3）； 吹氧脫碳法，礦石吹氧結(jié)合脫碳法。nFe2O3+Fe 3FeO FeO+C=Fe+Co 形成氣泡，鋼液沸騰。溫度對(duì)脫P(yáng)的影響n 注意：礦石不能一次加入過多，溫

5、度不能太低，應(yīng)分批小量加入，否則溫度低，反應(yīng)較弱，溫度升高后，反應(yīng)激烈，造成鋼液翻騰，跑鋼。n 吹氧脫碳：以6-8個(gè)大氣壓（0.6-0.8MPa)通過吹氧頭把氧吹入鋼液中，氧化脫碳。n 結(jié)合法：吹氧時(shí)加入部分礦石。n 當(dāng)碳量符合工藝要求時(shí)，溫度達(dá)到要求時(shí)，扒去氧化渣，進(jìn)入還原期。n 5.還原期：脫氧脫S，調(diào)整成分，提高溫度。n 扒去氧化渣后，先加Mn鐵脫氧，快速脫去大部分氧化亞鐵，然后加入石灰，螢石和碎磚塊，造渣，34:1:1.主要起覆蓋作用.n 然后造還原渣,分兩種:白渣和電石渣.n白渣:石灰; 螢石; 碳粉.每噸鋼:石灰812kg; 螢石12kg,碳粉1.52kg.渣中的C脫氧,石灰脫S,

6、還要更換新的造渣材料,在白渣下還原2530min.吹氧脫碳過程脫碳反應(yīng)的自由能脫碳凈化過程電石渣(每噸鋼:石灰:812kg; 螢石:12kg,碳粉:45kg).碳粉增加,在電弧的高溫還原性氣分下,生成電石,(CaC2)nC脫氧,石灰脫S.n也要更換新造渣材料,白渣適合于低碳鋼,電石渣,適合于高碳鋼,C=0.35%.n經(jīng)還原期后,O; S含量達(dá)到要求,溫度達(dá)到要求,加鐵合金,調(diào)整Si; Mn含量和其它合金元素.n成分合格后,加鋁進(jìn)行終脫氧,可用插入法,沖入法,(喂絲法),脫氧后出鋼.n(爐渣的作用及煉鋼的物理化學(xué)原理不講)金屬元素的脫氧能力化學(xué)成分控制n吹氧時(shí)要消耗碳,提高溫度,爐料要考慮碳含量

7、,搭配爐料,吹氧脫碳要掌握C的變化,應(yīng)比鑄件成分要求的C量低一些,在還原期還要增加一些C.n控制S; P含量.nSi; Mn 在氧化期大量燒損,爐料可不考慮Si; Mn量,等還原期后,加硅鐵和錳鐵調(diào)整.Si;Mn含量.鑄鋼廠必須有化驗(yàn)室,每爐都在爐前檢測(cè)成分.n鋼的澆注溫度:鋼的含碳量高時(shí),溫度低一些,一般16001480 (光學(xué)高溫計(jì).低70)n鋼液量少時(shí),出爐溫度應(yīng)高些.4-4堿性電弧爐吹氧返回法煉鋼n 吹氧返回法是利用不銹鋼廢料冶煉不銹鋼的方法.回收Cr,用氧化法煉不銹鋼,Cr是在還原期加入的,采用吹氧返回法,Cr全部或大部分在裝料時(shí)加入的,可利用大量回爐料(廢鑄件;澆冒口).n一,吹氧

8、返回法原理.n 爐料中含有大量Cr,熔化后也有較高的Cr量(13%).氧化期為了去除鋼中的氣體,夾雜物等,要吹氧脫碳,但Cr也要氧化。為了既脫碳，有能保Cr，就要采用特殊的措施，解決脫碳保Cr的矛盾。n (1)高溫高壓脫氧n C和Cr與O的親和力隨溫度的變化趨勢(shì)不同。在低溫下， Cr與O的親和力大于C與O的親和力；在高溫下， C與O的親和力大于Cr與O的親和力；。超過一定溫度，主要是碳氧化， Cr的燒損就少，就可以達(dá)到脫C保Cr的目的。n 不同的含C和Cr量，平衡的溫度也不同。n含C一定，溫度高，平衡的Cr量也越高；n溫度一定，含C量越高，平衡的Cr量越高；n 吹氧返回法就是利用高溫高壓吹氧創(chuàng)

9、造高溫條件，從而減少Cr的燒損。n吹氧開始的溫度要高，1600。而氧化法只要求1530 。吹氧的壓力1.21.5MPA.高溫高壓,氧化速度快,快速脫C,溫度進(jìn)一步提高,達(dá)到脫C保Cr的目的.(2).還原爐渣,回收Crn高溫減少了Cr的氧化,但還有一部分Cr氧化形成nCr2 O3進(jìn)入爐渣. 為了回收被氧化的Cr,氧化期之后,不放掉渣,然后利用強(qiáng)氧化劑(硅鈣粉和鋁粉),還原渣中的Cr2O3使返回到鋼中.回收被氧化的Cr.n 2Al+ Cr2O3 = Al2O3 + 2Crn SiCa+ Cr2O3 = SiO2 +CaO+2Cr n需要注意的問題n .不銹鋼含C量低，在吹氧返回法時(shí)，還原期的C量不

10、能太高，不用含碳的材料，加入的鐵合金易增C，可以用純金屬(純錳).n .控制爐料的含P量，因?yàn)檠趸诓环诺魻t渣（保Cr）還原期P要返回到鋼液中。4-5堿性電弧爐不氧化法煉鋼n不氧化法-裝入法重熔過程。適合于量高合金鋼。高錳；高Cr。鐵合金和爐料一起裝入爐內(nèi)，不用氧化期，時(shí)間短，節(jié)電。缺點(diǎn)：n.無氧化脫C過程，無沸騰，不能去除氣體和夾雜物；n.無氧化期，不能脫P(yáng)；n.去氧化脫C，不能降C，不能煉低C合金鋼。n ZG1Cr18Ni9Tin不氧化法的質(zhì)量控制:n.控制化學(xué)成分,不氧化法,各種元素都變化不大,鋼的成分主要是由爐料的成分決定的.配料時(shí)C;S;P都應(yīng)低于要求的成分含量.n.凈化鋼液 n,爐

11、料潔凈; 無銹; 無水; 無油;n加入石灰石; 沸騰除氣凈化. CaCO3 CaO+CO2n形成CO氣泡,起精煉作用.沒有吹氧脫C的效果好.n低壓吹氧,少量脫C,使熔池沸騰凈化.5-6.酸性電弧爐煉鋼n酸性電弧爐,爐襯用硅磚和石英砂打結(jié).n優(yōu)點(diǎn):n.爐襯壽命長(zhǎng),硅磚熱穩(wěn)定性比鎂磚好,耐劇烈溫度變化.n.酸性電弧爐不脫硫,時(shí)間短;n.耗電少,時(shí)間短,散熱少,硅磚的導(dǎo)熱性比鎂磚低4倍.n.夾雜物少,酸性氧化物脫氧能力強(qiáng),還原期FeO濃度低,加入的脫氧劑少,夾雜物少.n缺點(diǎn):n 不能脫S; P,必需用低S; P的爐料.n用于煉碳鋼,低合金鋼,和某些酸性氧化物的高合金鋼:含硅高合金鋼, 含鉻鋼.不能煉

12、高錳鋼,堿性氧化物侵蝕爐襯.n感應(yīng)電爐煉鋼; 真空電爐; 電渣熔鑄; 等離子爐煉鋼.鋼的爐外精煉n 爐外精煉是近代煉鋼技術(shù)發(fā)展的重要方向. 用電弧爐;(或感應(yīng)爐)熔化脫P(yáng)之后, 鋼水到精煉爐進(jìn)行精煉(脫碳; 脫硫; 脫氧除氣等. 爐外精煉能提高對(duì)鋼液的精煉效果,大幅度改善鋼的質(zhì)量, 縮短煉鋼時(shí)間, 降低能耗.n一,爐外精煉的作用n1.提高鋼的純凈度n 鑄鋼件的內(nèi)在質(zhì)量與鋼液的純凈度有很大關(guān)系, 高強(qiáng)度鋼都要求對(duì)鋼中氣體和非金屬夾雜物的控制. 潔凈鋼. 一般的煉鋼方法,為了去除鋼中的氣體和夾雜物,是利用脫碳反應(yīng)形成的鋼液沸騰, 需要吹氧, 使鋼強(qiáng)烈氧化,隨后進(jìn)行脫氧, 因此產(chǎn)生大量的夾雜物. 爐

13、外精煉是以真空和惰性氣體代替CO氣泡實(shí)現(xiàn)精煉, 從而免除了用脫氧劑進(jìn)行脫氧,的工藝要求, 鋼液的純凈度大大提高. 鋼的強(qiáng)度,特別是韌性有很大提高.2.減少合金元素的燒損n用電弧爐和爐外精煉結(jié)合煉鋼, 合金元素一般在精煉過程中加入, 在真空和惰性氣體的保護(hù)下,合金元素?zé)龘p極少, 合金元素收得率高, 成分準(zhǔn)確,n3.可煉超低碳鋼n一般煉鋼, 用氧脫碳, 低碳含氧量就必須高, 加重還原期脫氧的負(fù)擔(dān), 鋼的質(zhì)量惡化, 爐外精煉在真空和惰性氣體的作用, 既可脫碳, 又不增加氧量, 熔煉工業(yè)純鐵和不銹鋼(0.030.06%C) .n二,爐外精煉技術(shù)的發(fā)展n1965年瑞典開發(fā)鋼包精煉爐. 真空抽氣,電弧加熱

14、.n1967年,美國開發(fā)了真空電弧加熱去氣法(VAD)n1968年美國開發(fā)了氬-氧脫碳精煉法,(AOD),不設(shè)真空系統(tǒng).n1972年,瑞典開發(fā)了鋼包噴粉精煉法用氬氣噴Ca-Si; CaCn70年代以后逐步完善,目前已經(jīng)大量工業(yè)化應(yīng)用.三,爐外精煉技術(shù)在鑄鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用n爐外精煉是從冶金發(fā)展起來的.在鑄鋼生產(chǎn)應(yīng)用較多的是氬氧脫碳精煉(AOD)法,其次是真空氬氧脫碳精煉(VOD)法,n和兩種方法結(jié)合的真空氬氧脫碳轉(zhuǎn)爐(VODC)法,已有很多鑄鋼廠建成精煉設(shè)備,有100噸的VOD爐,也有3噸的小型VOD爐.今后將有更多的精煉工藝和設(shè)備在鑄鋼生產(chǎn)行業(yè)應(yīng)用.2.吹氬精煉原理nAr是惰性氣體, 不溶于鋼,

15、 不形成非金屬夾雜物, 吹A(chǔ)r是通過多孔透氣塞進(jìn)行的, 形成細(xì)小的Ar氣泡. 減少氣泡在鋼液中的上浮速度, 提高凈化效果. 透氣塞是用剛玉(Al2O3)燒結(jié)的.吹A(chǔ)r壓力一般為0.40.6MPa.n吹A(chǔ)r使鋼液沸騰,能去除鋼液中的氣體和夾雜物,還能起到一定的脫氧作用.3.氬氧脫碳精煉法n氬氧脫碳法(AOD)n(Argon Oxygen Decarburization).精煉過程:1500以上的鋼水,裝入精煉爐,吹入氣體,回裝爐體,處于垂直位置進(jìn)行吹煉,開始時(shí)吹入的是氧氣.隨過程進(jìn)行,氧氣逐漸減少,氬氣增多,后期全部用氬氣吹煉.隨時(shí)取樣化驗(yàn).吹氧使鋼液脫碳,產(chǎn)生熱量,鋼液溫度不會(huì)降低.鋼液成分和

16、溫度達(dá)到要求時(shí),傾爐出鋼.AOD精煉過程示意圖AOD法吹煉過程的三階段n(1)吹氧階段n吹煉初期鋼液含碳量高,吹氧脫碳,;n 2C+O22CO n 2Fe+ O2 2FeO n C+ 2FeO Fe+CO n經(jīng)過一階段的吹煉,碳的氧化反應(yīng)接近平衡.n(2)吹氬-氧混合氣體階段 由于氣泡中含有氬氣,降低CO的分壓,改變了C-O平衡關(guān)系,脫碳反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行. n C+ FeO Fe+CO n結(jié)果使鋼液的含碳量進(jìn)一步降低.n(3).吹氬階段,停止共氧,鋼液中的FeO 量得不到補(bǔ)充.吹氬促進(jìn)碳進(jìn)一部氧化,吹氬階段,鋼液含碳量進(jìn)一步降低.n氬-氧的聯(lián)合作用,脫碳進(jìn)行的相當(dāng)方便.在鋼液含氧低的條件下,可將

17、碳量降到0.03%以下.最初用于煉超低碳鋼,也可用于其它鋼種.鋼液中的氣體和夾雜物降到很低的程度.H-2ppm; N80ppm. 為生產(chǎn)超高強(qiáng)度鋼創(chuàng)造了條件.(常規(guī):57ppm; 150500ppm)n另一個(gè)重要用途是生產(chǎn)超低碳不銹鋼.不銹鋼要求含碳量低,用電弧爐量鋼很難把碳降得很低,因?yàn)橐堤?大量的Cr要被氧化.含碳量越低,Cr的燒損越多.AOD爐采用吹氬氣,能在保證Cr氧化極低的情況下,將C降到很低的水平，能最大限度地脫碳保Cr.原理在于吹氬減低了氣泡中CO的分壓,改變了C-Cr之間的平衡關(guān)系,當(dāng)PCO降低時(shí)，碳的氧化更充分，碳的平衡值更低。而Cr的氧化物為固相， PCO的變化對(duì)Cr的氧

18、化基本不發(fā)生影響，所以吹氬促進(jìn)碳的氧化，而不促進(jìn)Cr的氧化，nAOD精煉的前期是吹氧階段，有很強(qiáng)的脫碳能力，可以吹煉高含碳量的鋼水?？梢岳酶咛糃r鐵，價(jià)格便宜，降低成本?，F(xiàn)在都采用AOD法生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的超低碳不銹鋼鑄件。4.真空氧氬脫碳精煉法n真空氧氬脫碳精煉法-VODnVacuum Oxygen-Argon Decarburizationn 先用電弧熔化鋼液，溫度大于n1560，然后倒入底部有吹氬裝置n的鋼包內(nèi),鋼包裝入真空罐內(nèi)。密n封,抽真空,上面吹氧脫碳,底部n吹氬攪拌。有觀察孔,加料口,取n樣裝置.VOD法是一種良好的精煉n方法.真空、吹氧和吹氬相結(jié)合,n有很強(qiáng)的去除氣體和夾雜物的n能力

19、,能煉出很純凈的鋼水。與氧氬脫碳精煉(AOD)法相比:n優(yōu)點(diǎn):n (1)脫碳能力強(qiáng)，隨真空度提高，氣相中的CO分壓進(jìn)一步降低，鋼液中的C被氧化得更低。VOD可以煉出0.01%C的工業(yè)純鐵。n (2)清除氣體的能力更強(qiáng)，鋼中H含量可降到1ppm以下;n (3)節(jié)省氬氣用量，形成同樣的吹氬沸騰凈化作用，真空下，VOD法氬氣用量只是AOD的1/101/8。n缺點(diǎn)：設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資大。n VOD的應(yīng)用比AOD少。5.真空氧氬脫碳精煉法n真空氧氬脫碳精煉法VODCnC(Converter)nVODC是VOD和AOD的結(jié)合，爐體轉(zhuǎn)動(dòng)裝置與AOD基本相同，不同的是從底部吹氬，頂部吹氧。上面有可移動(dòng)的真空罩。需要抽真空時(shí)，爐體豎直，真空罩壓在爐