爐外精煉基本的工藝和操作要求

1、爐外精煉基本的工藝和操作要求1 概述把常規(guī)煉鋼爐中初煉的鋼水移到另一個(gè)容器中，為得到比初煉爐更高的生產(chǎn)率和更好的質(zhì)量進(jìn)行的冶煉操作，也叫 “二次精煉”（Secondary Refining），二次冶金或鋼包冶金（Secondary Steelmaking Process）。要完成冶金操作：脫硫、脫氧（夾雜物）、脫碳、非金屬夾雜物形態(tài)控制、去除氣體、鋼的成分和溫度調(diào)整和均勻化、脫磷。純凈鋼生產(chǎn)技術(shù)、連鑄、煉鋼新技術(shù)以及降低生產(chǎn)成本的要求。日、歐洲的爐外精煉比接近100%，真空精煉比70%以上。1933年，法國佩蘭（R.Perrin)應(yīng)用高堿度合成渣，對(duì)鋼液進(jìn)行“渣洗脫硫”現(xiàn)代爐外精煉技術(shù)的萌芽；

2、50年代-真空處理技術(shù)。1935年H.Schenck 確定大型鋼鍛件中的白點(diǎn)缺陷是由氫引起的-氫脆。1950年，德國Bochumer Verein (伯施莫爾-威林）真空鑄錠。1953年以來，美國的10萬千瓦以上的發(fā)電廠中，都發(fā)現(xiàn)了電機(jī)軸或葉片折損的事故。1954年，鋼包真空脫氣。1956年，真空循環(huán)脫氣（DH、RH）。6070年代，高質(zhì)量鋼種的要求，產(chǎn)生了各種精煉方法；8090年代，連鑄的發(fā)展，連鑄坯對(duì)質(zhì)量的要求及煉鋼爐與連鑄的銜接；21世紀(jì)，更高節(jié)奏及超級(jí)鋼的生產(chǎn)。爐外精煉發(fā)展的背景在轉(zhuǎn)爐中生產(chǎn)平爐和電爐生產(chǎn)的鋼種。轉(zhuǎn)爐大型化、鋼錠大型化導(dǎo)致煉鋼過程生產(chǎn)率的提高。連續(xù)鑄鋼的發(fā)展。鋼材使用條

3、件日益苛刻、制品大型化、薄壁化帶來的質(zhì)量問題。爐外精煉的冶金特點(diǎn)二次精煉，良好的動(dòng)力學(xué)條件，精煉容器具有澆注功能。改善冶金化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)條件。加速熔池傳質(zhì)速度。增大渣鋼反應(yīng)面積。精確控制反應(yīng)條件，均勻鋼水成分和溫度。提高鋼的質(zhì)量去除鋼種的有害元素及氣體，S、O、N、H、C 等；成分調(diào)整；提高生產(chǎn)效率（電爐），降低成本、優(yōu)化工藝；保證連鑄過程順利進(jìn)行（緩沖、溫度調(diào)整）擴(kuò)大品種（轉(zhuǎn)爐）渣洗 最簡單的精煉手段；真空 目前應(yīng)用的高質(zhì)量鋼的精煉手段；攪拌 最基本的精煉手段；噴吹、喂線 將反應(yīng)劑直接加入熔體的手段；調(diào)溫 加熱是調(diào)節(jié)溫度的一項(xiàng)常用手段。爐外精煉手段要求：獨(dú)立性：出鋼，VOD/AOD ，CA

4、S-OB作用時(shí)間可控:真空，攪拌作用能力可控:真空，攪拌，加熱作用能力再現(xiàn)性強(qiáng):出鋼便于與其它手段組合:燃料燃燒操作方便、設(shè)備簡單、投資運(yùn)行費(fèi)用低。1)合成渣洗使渣和鋼充分接觸，通過渣-鋼之間的反應(yīng)，有效去除鋼中的硫和氧（夾雜物）；根據(jù)要求將各種渣料配置成滿足某種冶金功能的合成爐渣；2)真 空 處 理目的：提高真空度可將鋼中C、H、O降低； 3)攪拌目的：加速反應(yīng)的進(jìn)行均勻成分、溫度手段：電磁攪拌吹氣攪拌4)噴吹技術(shù)噴吹實(shí)現(xiàn)脫碳、脫硫、脫氧、合金化、控制夾雜物形態(tài)；單一氣體噴吹 VOD；混合氣體噴吹 AOD；粉氣流的噴吹 TN；固體物加入 喂線。5)調(diào)溫提高生產(chǎn)率的需要；保證連鑄的順利進(jìn)行；加

5、熱方法：電加熱：電弧加熱、感應(yīng)加熱等化學(xué)熱：鋁氧加熱法爐外精煉技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)需完善的技術(shù)：溫度補(bǔ)償耐火材料精煉后期鋼水再污染老廠改造發(fā)展趨勢(shì)：多功能化提高精煉設(shè)備生產(chǎn)效率和二次精煉比 鋼包凈空、吹氬強(qiáng)度和混勻時(shí)間、升溫速度、傳質(zhì)系數(shù) 冶煉周期、包襯壽命鋼鐵生產(chǎn)流程優(yōu)化、提高過程自動(dòng)控制、冶金效果在線監(jiān)測煉鋼工序功能的演變 1) 脫碳；2) 升溫；3) 脫磷；4) 脫硫；4) 脫氧、氮、氫等；5) 合金化?；救蝿?wù)爐外精煉2 爐外精煉工藝操作合成渣洗在鋼包內(nèi)通過對(duì)合成渣的沖洗提高鋼水質(zhì)量。固態(tài)渣，液態(tài)渣，預(yù)熔渣。目的:使渣和鋼充分接觸，通過渣-鋼之間的反應(yīng)，有效去除鋼中的硫和氧（夾雜物）；合成渣

6、根據(jù)要求將各種渣料配置成滿足某種冶金功能的合成爐渣； 成分 物理化學(xué)性能1）成分（compositions） CaO-SiO2-Al2O3、B、(CaO)u（參與冶金反應(yīng)的CaO 數(shù)量）、FeO、SCaO：達(dá)到冶金反應(yīng)目的Al2O3、SiO2、CaF2、MgO：調(diào)整成分得到合適的熔點(diǎn)、粘度、表面張力等理化性能。FeO：降低脫硫、脫氧能力。石灰-粘土質(zhì)渣，石灰-氧化鋁合成渣。脫氧、脫硫渣以CaO-CaF2堿性渣系為主。去除氧化無夾雜渣中含有更多的Al2O3、SiO2。發(fā)熱固態(tài)渣：鋁粉、螢石。常用的渣洗合成渣成分圖熔點(diǎn)（melting point）鋼的熔點(diǎn)T=1538-Tjj%合成渣的熔點(diǎn)需根據(jù)渣

7、的成分利用相應(yīng)的相圖確定CaO-SiO2、CaO-Al2O3、 CaO-SiO2-Al2O3等相圖。針對(duì)某一成分的渣系得出的經(jīng)驗(yàn)公式。CaO-MgO62-66.2%;CaF29%; SiO2-Al2O324-29%;渣中MgO對(duì)熔點(diǎn)的影響: t=1208+15.5(MgO%)2）性質(zhì)不同成分合成渣的熔點(diǎn)CaO-MgO對(duì)熔點(diǎn)影響W(Al2O348-56%,w(CaO)52-54%流動(dòng)性 粘度（Viscosity）圖1600以上，（CaO）54-56%CaO/Al2O3CaOAl 2O3渣系的粘度與(CaO)的關(guān)系11600時(shí)粘度與（CaO+MgO）的關(guān)系（CaO-MgO-SiO2-Al2O3渣系

8、）1SiO220-25%Al2O35-11%爐外精煉渣的主要成分CaO:5055%；MgO:610%；SiO2:1520%；Al2O3:815%；CaF2:5%表面張力液體的表面張力是作用于液體表面單位長度上使表面收縮的力。表面張力為液面的分子受液體內(nèi)部分子吸引的結(jié)果,N/m。 渣洗過程中，直接起作用的是鋼渣、渣與夾雜間的界面張力，界面張力的大小與每一組成的表面張力有關(guān)。熔渣表面張力S= 1N1+ 2N2+；熔渣的表面張力還是溫度的函數(shù),隨溫度升高表面張力減小。鋼液的表面張力受溫度和成分的影響，煉鋼溫度下一般為1.11.5N/m。 渣鋼界面張力 m-s=m-scos dyn/cm還原性渣中常見

9、氧化物的表面張力合成渣表面張力的計(jì)算值渣洗的精煉作用1）合成渣的乳化和上浮乳化：rmin=2 m-s/cmH渣滴最小半徑的計(jì)算合成渣的乳化和上浮上?。核俣扰c渣液滴直徑、鋼渣密度差、鋼渣的界面張力等有關(guān)。渣洗過程中乳化和上浮是一對(duì)矛盾。保證精煉前提下，增大渣滴直徑，降低渣溫，延長鎮(zhèn)靜時(shí)間，降低鋼的粘度等都利于渣滴上浮。乳化渣滴1mm,上浮速度8cm/s.上浮：速度與渣液滴直徑、鋼渣密度差、鋼渣的界面張力等有關(guān)。渣洗過程中乳化和上浮是一對(duì)矛盾。保證精煉前提下，增大渣滴直徑，降低渣溫，延長鎮(zhèn)靜時(shí)間，降低鋼的粘度等都利于渣滴上浮。2）合成渣對(duì)鋼中元素脫氧能力的影響硅的脫氧 Si+2O=SiO2 當(dāng)鋼中

10、含硅0.3%,aSiO2=1,溫度為1500,1550 , 1600 時(shí)平衡含氧量分別為34.4ppm,64.5ppm,96.6ppm.硅、錳綜合脫氧不同Mn含量時(shí)鋼水中1600,Si,O平衡濃度渣中脫氧產(chǎn)物活度減少提高渣的堿度，溫度和aSiO2降低， 硅脫氧能力提高不同堿度、T=1873K時(shí)鋼中氧和硅的關(guān)系鋁脫氧2Al+3O=（Al2O3） 1873K時(shí)與不同鋁含量相平衡的氧含量通常鋼中氧在20-50ppm,反應(yīng)的排除和反應(yīng)平衡問題。Ar噴CaO+CaF2粉O可到10ppm ,熔融CaO+CaF2中 aAl2O3 小，鋁粉可提高鋁脫氧能力。吹入含鋁粉的石灰、螢石混合粉劑，可促進(jìn)鋁脫氧反應(yīng)，使

11、產(chǎn)物渣化上浮。石灰-氧化鋁渣中: CaO+Al2O3= CaOAl2O3反應(yīng)的存在使aAl2O3減少,提高鋁的脫 氧能力。CaOAl2O3渣中各組元活度合成渣精煉,渣中Al2O3一般為39-50%范圍內(nèi),aAl2O2為0.1-0.3.3）擴(kuò)散脫氧氧在熔渣和鋼液中的分配： LO=O%/(FeO%)rFeO 式中O%0為鋼中原始氧含量類似現(xiàn)場條件下，擴(kuò)散脫氧反應(yīng)大約在2min左右就能完成。渣洗與二次氧化4）夾雜的去除鋼中夾雜物與乳化渣滴碰撞，被吸附、同化上浮排除。促進(jìn)二次氧化產(chǎn)物的排出。乳化渣滴表面作為脫氧反應(yīng)新相形成的晶核。5）脫硫反應(yīng)式：FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO) Ls=(S)

12、/S=Ks(CaO)u/(FeO)渣的成分、流動(dòng)性（CaF2）及冶煉條件（增加H、吹氬）對(duì)Ls影響較大。渣成分對(duì)Ls的影響Ls與(CaO%)u、(FeO%)的關(guān)系LS與(FeO)、(CaO)u的關(guān)系頂渣控制及擋渣技術(shù)1）頂渣控制技術(shù)2）擋渣技術(shù)擋渣球浮動(dòng)塞擋渣氣動(dòng)吹氣擋渣塞偏心爐底出鋼渣洗工藝異爐渣洗同爐渣洗混合煉鋼 通過在專門的煉渣爐中熔煉，出鋼時(shí)鋼液與爐渣混合，實(shí)現(xiàn)脫硫及脫氧去夾雜功能； 局限：不能去除鋼中氣體；真空給定的空間內(nèi)，氣體分子的密度低于該地區(qū)大氣壓的氣體分子密度的狀態(tài)。氣體在鋼液中的溶解和析出碳脫氧脫碳溶解在鋼液中的碳與爐襯作用合金元素的揮發(fā)金屬和夾雜物的揮發(fā)和去除基本原理一、

13、鋼液脫氣的熱力學(xué) N2=2N N2=2N氣體在鐵中溶解反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)影響氣體在鋼中的溶解度的因素：溫度、壓力、鐵的相結(jié)構(gòu)、鐵中溶解的其它元素等。鋼中氫的主要來源空氣中水蒸氣的分壓、原材料的干燥程度、鋼水的脫氧程度。PH=5.310-7atm,平衡氫1600，KH2O=1.2610-3，PH2O=0.04atm(生產(chǎn)中石灰烘烤不好，廢鋼銹多）條件：氧化性鋼液：已脫氧鋼液： 熱力學(xué)研究結(jié)果，氣相中氣體分壓為100200Pa時(shí)，就可以將鋼中氣體降低到較低水平。二、鋼液脫氣的動(dòng)力學(xué)1）脫氣反應(yīng)的步驟鋼中溶解的氣體原子向金屬氣相界面的擴(kuò)散為限制性環(huán)節(jié)。2）真空脫氣的速率 （1）式中：Gt為真空脫氣t時(shí)

14、間后鋼液中的氣體濃度 G0為真空脫氣前鋼液中的氣體濃度 t 脫氣時(shí)間 V鋼液體積 A接觸面積 k傳質(zhì)系數(shù) 傳質(zhì)系數(shù)k的確定： 傳質(zhì)系數(shù)k的確定復(fù)雜，它與溫度、攪動(dòng)狀況、擴(kuò)散系數(shù)、鋼種及時(shí)間等因素有關(guān)。K的確定可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算，另外描述氣液相之間反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的表面更新理論，得出了以下公式：式中：D擴(kuò)散系數(shù)，1600 氮10-5cm2/sec; 氫 10-3cm2/sec; 氧10-5cm2/sec。 te熔體內(nèi)某一體積元在氣液界面停留時(shí)間秒,與溫度、攪動(dòng)情況有關(guān)。計(jì)算得出1600氣體在鐵液中的傳質(zhì)系數(shù): 氮:0.0145cm/sec; 氫: 0.091cm/sec; 氧。當(dāng)熔池強(qiáng)烈攪拌時(shí),氫的傳質(zhì)

15、系數(shù)可高達(dá)3）鋼液沸騰時(shí)脫氣的速率熔池脫氣速率與脫碳速率的關(guān)系:熔池脫氣量與脫碳量的關(guān)系:4）吹氬攪拌時(shí)脫氣的速率增加吹氬量利于鋼液脫氣。以上兩個(gè)公式推導(dǎo)時(shí)作了兩個(gè)假設(shè)：1鋼中溶解的氣體與氣泡達(dá)到平衡。2氣泡內(nèi)的總壓等于外壓。生產(chǎn)中氣泡上浮時(shí)1的平衡達(dá)不到，實(shí)際的氣體分壓必然小于平衡分壓。所以，生產(chǎn)中為脫除一定量的氣體須吹入更多的氣體或脫掉更多的碳。去氣效率f：脫氧鋼吹氬，未脫氧鋼吹氬。三、降低鋼中氣體的措施使用干燥的原材料和耐火材料降低與鋼液接觸的氣相中氣體的分壓增加鋼液的比表面積（A/V)提高傳質(zhì)系數(shù)k適當(dāng)延長脫氣時(shí)間利用生成氮化物來 脫除鋼中氮鋼液的真空脫氧一、氧在鋼中的溶解Fe-O系平

16、衡實(shí)驗(yàn)，1520-1700純鐵中氧溶解度：1600:wO=0.23% 1700:wO=0.32% 氧在-Fe中溶解度小于0.003%氧在鋼中的溶解度決定于鋼液溫度和成分等，鋼中實(shí)際氧含量與爐子類型、溫度、鋼液成分、造渣制度等參數(shù)有關(guān)。 電弧爐氧化末期C%0.20,氧主要取決于碳（0.01-0.08%），低碳時(shí)氧化終了氧會(huì)大于1000PPm。二、碳脫氧的熱力學(xué)C+O=CO 為真空下最重要的脫氧反應(yīng)。其熱力學(xué)關(guān)系式：1600時(shí),由以上關(guān)系推導(dǎo)出：與0.1%碳平衡的氧含量：PCO=1 atm O=220ppm; PCO=10-3。真空下碳的脫氧能力鋼液中碳的實(shí)際脫氧能力與壓力的關(guān)系真空下碳脫氧的能力

17、小于計(jì)算的原因碳氧反應(yīng)未達(dá)到平衡。（Dc10-4,Do=2.6 10-5）反應(yīng)區(qū)的壓力高于真空壓力。C-O反應(yīng)進(jìn)行時(shí)CO的生成壓必須滿足：碳還原鋼中氧化物夾雜，反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件差。爐襯和爐渣供氧。表面張力形成的附加壓力,氣泡半徑越小，該值越大鋼液的靜壓力，真空壓力三、碳脫氧的動(dòng)力學(xué)碳氧反應(yīng)為在鋼液氣相界面進(jìn)行的非自發(fā)形核，CO氣相形成的核心是爐底和爐壁耐火材料表面的縫隙和吹入鋼液的氣體。反應(yīng)步驟如下：1）碳、氧通過擴(kuò)散邊界層遷移到相界面（DC10-4; DO=2.610-5)2）相界面上反應(yīng)生成CO3）產(chǎn)物脫離相界面進(jìn)入氣相4）CO氣泡長大、上浮、排出以上步驟中，氧在鋼液側(cè)界面層的傳質(zhì)是碳脫氧

18、速率的控制環(huán)節(jié)。CO氣相的非自發(fā)形核深度為h時(shí),鋼液不能進(jìn)入的最大縫隙半徑:當(dāng)曲率半徑達(dá)到最小值時(shí),縫隙中氣體的總壓力達(dá)到最大:活性縫隙,爐底和爐壁渣化后活性縫隙大大減少.縫隙內(nèi)氣體體積隨著CO的生成增大,所受浮力也成比例增大,氣體所受浮力超過由于表面張力而產(chǎn)生的附著力時(shí)氣泡將脫離縫隙上浮.鋼液中自由上浮的氣泡隨體積的增大上浮速度加快.上浮過程中, 氣泡大小不同,由于不同力的作用具有不同的形狀.氣泡的當(dāng)量直徑: 5mm 5-10mm 10mm以上形狀: 球形 扁圓形 球冠形受力: 表面張力 鋼水靜壓力 鋼水靜壓力 鋼中氧濃度的變化速率Do氧在鋼液中的擴(kuò)散系數(shù)氣液界面鋼液側(cè)擴(kuò)散邊界層的厚度氣液界

19、面上反應(yīng)平衡時(shí)的氧含量碳脫氧的速率氧在鋼液側(cè)界面層的傳質(zhì)是碳脫氧速率的控制環(huán)節(jié)O%SO% 1，更多的設(shè)計(jì)成錐桶形。對(duì)精煉反應(yīng)的要求 渣鋼反應(yīng)、夾雜上浮，卷渣，沖刷爐襯、增碳（電弧加熱）、脫氣，促進(jìn)碳氧反應(yīng)、降溫設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用 描述攪拌特征和質(zhì)量指標(biāo)： 能量耗散系數(shù)或比攪拌功率（ W/t或W/m3）：單位時(shí)間內(nèi)，向一噸鋼液（或1m3鋼液）提供的攪拌能量。不同攪拌方法可根據(jù)使鋼液攪動(dòng)的能量種類計(jì)算能量耗散系數(shù)，比較其攪拌能量的大小。例:a)利用重力的攪拌:攪拌能量比攪拌功率出鋼平均高度2.8m,出鋼時(shí)間3.2min,平均比攪拌功率1398W/t b)RH:鋼包鋼液攪動(dòng)耗能為經(jīng)下降管流入鋼包鋼流

20、的動(dòng)能. 比攪拌功率循環(huán)流量30-50t/min,被處理鋼液量120-300t,比攪拌功率500-100W/m3 W/t混勻時(shí)間也是一個(gè)常用的描述攪拌特征和質(zhì)量的指標(biāo)。其定義：在被攪拌的熔體中，從加入示蹤跡到它在熔體中均勻分布所需的時(shí)間。 C/C=1熔體被攪拌的越劇烈，混勻時(shí)間越短。中西等人在各種攪拌方法的鋼包中實(shí)測的比攪拌功率與混勻時(shí)間的關(guān)系見圖。統(tǒng)計(jì)規(guī)律如下： =800-04 s(單個(gè)噴嘴） =800-04 sN1/3(多個(gè)噴嘴）所有以傳質(zhì)為限制性環(huán)節(jié)的冶金反應(yīng)，都可以借助增加比攪拌功率的措施加以改善。完全混勻時(shí)間與攪拌能的關(guān)系1)處理時(shí)間沒有限制，可以充分進(jìn)行精煉；還可以自由且精確地調(diào)整

21、鋼水澆鑄溫度。2）由于渣的組成和渣量可以自由選擇，能夠充分地進(jìn)行渣洗精煉，脫硫、脫氧可以脫到10PPm水平。3)合金添加量沒有限制，適于熔煉大部分鋼種。 與電爐組合使用的時(shí)候，由于能夠省略電爐還原期，提高了電爐的煉鋼能力。4)在粗精煉爐里，不需提高出鋼溫度，可以減輕粗精煉爐的負(fù)荷。2.4 加熱2.4.1燃料燃燒加熱：氧化性，內(nèi)襯，殘鋼，氫，煙氣與電弧爐相同，由三相變壓器供電，變壓器容量小，電極直徑小，電流密度大。電弧加熱效率高，升溫幅度大，對(duì)鋼質(zhì)量影響較小。幾種電弧加熱的精煉爐的升溫速度精煉爐類型SKFVADLF升溫速度/min24.51.6535爐外精煉電弧加熱的平均單位能耗鋼包爐電弧加熱系

22、統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)爐壁燒損系數(shù)RE與電弧功率Ph的關(guān)系加熱鋼水前期升溫速度低，提高其不能用增大變壓器輸入功率的辦法：式中： Ph一相電弧的功率，MW； Uh該相的電弧電壓，V； a電弧與爐壁間的距離，m； RE的安全值約為450 MWV/m2。埋弧加熱，加強(qiáng)烘烤。 鋼包爐加熱功率的計(jì)算W=Cmt+S%Ws+A%WA式中： W精煉一噸鋼液理論上需要補(bǔ)償?shù)哪芰浚琸Wh/t; Cm每噸鋼液升溫1所需要的熱量， kWh/t ;t鋼液的溫升，按精煉工藝要求定,50-80 ； S%渣量，造渣材料的用量與鋼總量的百分比1.5%； Ws熔化10kg渣并加熱到鋼水溫度所需能量，約為5.8kWh/1%t; A%合金的加

23、入量與鋼液總量的百分比； WA熔化10kg合金并加熱到鋼水溫度所需能量，約為7kWh/1%t;精煉爐的熱效率一般為30%40%，實(shí)際需要的能量：W=W/ 選用變壓器容量時(shí)還應(yīng)考慮電效率，爐外精煉配備變壓器的額定單位容量一般是150200 KVA/t左右。電弧加熱的缺點(diǎn)：對(duì)電極的要求高；電弧距鋼包內(nèi)襯距離近，包襯壽命短；常壓下電弧加熱促進(jìn)鋼液吸氣；化學(xué)熱法利用鋼液內(nèi)氧與鋁、硅、錳等元素間的氧化反應(yīng)熱。其具有設(shè)備簡單、加熱效率高的特點(diǎn)。鋁氧加熱法（AOH）；CASOB；RHOB等利用噴槍吹氧使鋁氧化放熱加熱鋼液。工藝如下：向鋼液加入足夠的鋁向鋼液吹入合適量的氧氣鋼液攪拌鋁首先氧化，噴槍口附近鋁降低

24、發(fā)生硅錳的氧化，其中大部分會(huì)被還原，氧氣的利用率高，可準(zhǔn)確預(yù)測鋼中鋁含量的控制情況。氧化性渣會(huì)增加鋁的損失和殘鋁波動(dòng)。鋼中碳含量變化不大，高碳鋼碳的損失不超過0.01%；硅含量高時(shí)錳的燒損小；硅的減少約10%；磷含量平均增加0.001%；硫含量平均增加0.001%；需要促進(jìn)鋁的氧化，抑制硅錳的氧化。加熱260t鋼水，加鋁/t，吹氧強(qiáng)度185L/(mint)，可升溫5.6，升溫速度為5.6/min，氧氣消耗3，鋁耗量68kg。其它加熱方法直流鋼包爐爐襯壽命高、升溫速率高、熱效率高、底電極壽命。感應(yīng)加熱鋼包爐可控性高、避免增碳和增氮。等離子弧加熱鋼包爐熱效率高、升溫速率快、槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)要求高。

25、2.4.6 鋼包加熱精煉法（鋼包爐）具有多種精煉手段，功能比較齊全的精煉方法和設(shè)備。常用的鋼包爐 LF爐 VD ASEA-SKF法 CAS和CASOB VAD VOD鋼包爐的種類及特點(diǎn)鋼包爐的特點(diǎn)：具有良好的 脫氣條件準(zhǔn)確的調(diào)整鋼液溫度鋼液成分均勻穩(wěn)定優(yōu)越的合金化條件可加入造渣劑或其它脫硫材料，精煉低硫鋼種。鋼包爐的類型只有加熱和攪拌的鋼包爐。（LF）只有真空和攪拌手段的鋼包爐。（VD）具有真空、攪拌、噴吹三種手段的鋼包爐。（VOD）SKF、LFV、VAD等具備真空、攪拌、加熱手段的鋼包爐，是最典型的鋼包爐。1)LF爐最常用的精煉方法；取代電爐還原期；具有加熱及攪拌功能；脫氧、脫硫、合金化；L

26、F爐原理電極合金料斗透氣磚滑動(dòng)水口LF精煉爐原理LF爐的工藝優(yōu)點(diǎn)精煉功能強(qiáng)，適宜生產(chǎn)超低硫、超低氧鋼。熱效率高，升溫幅度大，溫度控制精度高。具備攪拌和合金化功能，易于實(shí)現(xiàn)窄成分控制，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。采用渣鋼精煉工藝，精煉成本較低。設(shè)備簡單，投資較少。LF 工藝操作電爐EBT或轉(zhuǎn)爐出鋼，出鋼過程加合金、加渣料(石灰、螢石等2%)，底吹氬、通電升溫、化渣，取樣分析，加渣料，測溫取樣，加合金。一般3050分鐘，電耗5080kwh/t；現(xiàn)代轉(zhuǎn)爐、電爐與連鑄聯(lián)系的紐帶。LF精煉工藝包括以下三部分：加熱與溫度控制加熱效率60%;鋼水耗電0.50.8kWh/t;比功率為150200kVA/t,升溫速度35

27、 /min;埋弧泡沫渣技術(shù)可減輕輻射熱損失，提高加熱效率1015%。 白渣精煉工藝LF操作的核心。出鋼擋渣，控制下渣量,(TFe+MnO)3.0%;白渣精煉；還原氣氛；適當(dāng)攪拌。合金微調(diào)與窄成分控制快速分析；精確估算鋼水重量及合金收得率；白渣操作。LF爐的主要功能成分的最終調(diào)整和精確控制。均勻鋼水成分和溫度。采用惰性氣體攪拌和喂絲等清潔鋼液技術(shù)，改變夾雜物形態(tài)，去除夾雜。脫硫鋼液加熱利于轉(zhuǎn)爐與連鑄之間的銜接、匹配和緩沖，確保連鑄穩(wěn)定生產(chǎn)。2)ASEA-SKF法ASEA-SKF法原理圖功能真空電磁攪拌電弧加熱電磁攪拌ASEA-SKF法ASEA-SKF具有很全的精煉手段,可以實(shí)現(xiàn)去氣,脫氧,脫硫,

28、去夾雜,脫碳,調(diào)整成分等多種功能.其優(yōu)點(diǎn):1)很快均勻鋼液溫度,有利于鋼純凈度提高并減少耐火材料的消耗.2)加入的合金熔化快,分布均勻,成分穩(wěn)定.3)電弧加熱提高爐渣流動(dòng)性,加快鋼渣反應(yīng)速度,利于脫氧和去除夾雜.4)感應(yīng)攪拌可提高真空脫氣的效率.3)CAS和CASOBCAS密封吹A(chǔ)r合金化CAS功能：避免吹氬強(qiáng)度過高使鋼液氧化。合金收得率提高且穩(wěn)定，成分微調(diào)。均勻鋼水成分和溫度，且控制快速準(zhǔn)確，操作方便。凈化鋼液，去除夾雜物，提高鑄坯質(zhì)量?；ā⒃O(shè)備投資少，操作費(fèi)用低。CASOBCASOB功能：鋼液升溫和精確控制鋼水溫度促進(jìn)夾雜物上浮，提高鋼水潔凈度。精確控制鋼水成分均勻鋼水成分和溫度。LF與

29、CASOB的比較LF功能較全面升溫速度的控制精度強(qiáng)，鋼水溫度易調(diào)節(jié)。對(duì)夾雜物進(jìn)行穩(wěn)定的控制，對(duì)鋼水無污染。適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)鋼種的處理范圍廣泛。CASOB設(shè)備及工藝簡單，操作及維護(hù)簡便。升溫速度快（612/min,而LF為35 /min）易在鋼水中產(chǎn)生Al2O3夾雜鋼中S、P增加純凈度降低4）VAD爐Vacuum Arc Degassing電弧加熱吹氬攪拌真空脫氣包內(nèi)造渣合金化 VAD的功能通過石墨電極放電，在減壓（小于26.66kPa)條件下進(jìn)行電弧加熱，還能夠在真空處理中加熱。 （1）避免爐渣回磷； （2）脫硫率高，S=0.0020.001%； （3）脫氧良好,TO=0.001%； （4）脫氫良

30、好,H0.0003%； （5）去氮率可達(dá)5060%； （6）去除鋼中夾雜物；VAD 、ASEA-SKF法與RH、DH法相比，不僅設(shè)備費(fèi)用高，而且因處理時(shí)間長、耗電多和鋼包耐火材料的損耗等，造成操作費(fèi)用也很高，不適于鋼的大量生產(chǎn)，僅限于合金鋼和極厚鋼板等高級(jí)鋼。另外，它還適用于處理時(shí)鋼水溫降大的小容量（小于100t） 鋼包。 在大氣壓力下進(jìn)行渣洗精煉的LF法，使煉鋼時(shí)間縮短，在“電爐一連續(xù)鑄鋼”過程中進(jìn)行直接連接操作更容易，所以用于電爐鋼的大量生產(chǎn)。轉(zhuǎn)爐熔煉高級(jí)鋼，采用DH、RH與LF工藝代替VAD 、ASEA-SKF法。二次精煉不同熱補(bǔ)償工藝的技術(shù)比較2.5 噴吹噴射冶金：通過載氣將反應(yīng)物料的

31、固體粉粒吹入熔池深處，可以加快物料的熔化和溶解，增加反應(yīng)界面，強(qiáng)烈攪拌熔池，加速傳輸過程和反應(yīng)速率。是強(qiáng)化冶金過程和反應(yīng)效果的重要方法。優(yōu)點(diǎn)：增加反應(yīng)界面，改善冶金反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件，成分微調(diào)，提高合金收得率，攪拌利于產(chǎn)物浮離。缺點(diǎn)：粉狀物料的制備、儲(chǔ)存和運(yùn)輸復(fù)雜，噴吹工藝復(fù)雜，噴吹過程溫度損失大，需要專門設(shè)備和氣源。氣粒輸送中粉粒的行為1）固體粉粒的流動(dòng)條件流態(tài)化技術(shù)：使固體粉粒獲得流動(dòng)能力的技術(shù)。固定床流態(tài)化床輸送床(粉粒自由沉降狀態(tài))固體粉粒流態(tài)化過程示意圖臨界流態(tài)化速度：使粉粒從固定床轉(zhuǎn)入流態(tài)化床的最低速度。使粉粒由容器內(nèi)漂出的最低氣流速度稱為懸浮速度.2）固體粉粒在流態(tài)化過程中的受力理

32、想流態(tài)化曲線 處于臨界流態(tài)化速度時(shí)粉粒床上下部壓力差是氣體與粉粒之間的密度差、固定床的高度和粉粒床的空隙度的函數(shù)孔隙度粉粒在氣流中的沉降速度粉粒進(jìn)入自由沉降狀態(tài)后就可以從容器中飄溢而出，對(duì)單個(gè)粉粒進(jìn)行受力分析，粉粒在運(yùn)動(dòng)過程中受到重力、阻力和浮力的作用，最終三個(gè)力達(dá)到平衡，氣流中的粉粒將以相等的速度運(yùn)動(dòng)，此速度稱為該顆粒的沉降速度（vt)。式中ds粉粒直徑；s粉粒密度；a氣流重度；粉粒以等速度在氣流中運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力系數(shù)，是雷諾數(shù)的函數(shù)雷諾數(shù)Re表征流體流動(dòng)情況的無量綱數(shù)，Re=vd/，其中v、分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù)，d為一特征長度。流體流動(dòng)過程中慣性力和粘性力的比值。 球形粉粒的阻力系

33、數(shù)與雷諾數(shù)Re的變化值粉氣流的密度質(zhì)量粉氣比（）： =GP/Gg 式中： 質(zhì)量粉氣比 kg/kg； GP單位時(shí)間通過輸送管道有效斷面的粉粒質(zhì)量kg/h； Gg單位時(shí)間通過輸送管道有效斷面的氣體質(zhì)量kg/h；體積粉氣比（ M）： M=GP/Qg 式中： M體積粉氣比 ，kg/m3； GP純粉料的質(zhì)量流量，kg/h； Gg純載氣的體積流量，m3/h；噴吹脫硫脫磷熔劑，一般粉氣比為1530；噴吹脫氧和合金化粉劑，粉氣比可達(dá)50120。非金屬夾雜物變性處理定義：向鋼液中加入某些固體溶劑，即變性劑，改變存在于鋼液中的非金屬夾雜物的性質(zhì)，以消除或減少其對(duì)鋼性質(zhì)的不利影響，改善鋼的可澆注性，保證連鑄工藝操作

34、順利進(jìn)行。變性劑：1）與氧、硫、氮有較強(qiáng)的相互作用能力；2）在鋼液中有一定溶解度，在煉鋼溫度下蒸汽壓不大；3）操作簡便易行，收得率高成本低。常用變性劑是硅鈣合金和稀土合金。1）稀土元素的變性作用2Re+3O=Re2O3 KO=Re2O3 2Re+3S=Re2S3 KS= Re2S3 2Re+3O+ 3S =Re2O3S KOS=Re2O3S研究結(jié)果表明： %Re210-18； %Ce%S=1.2 10-4； Ce2O2S=4 10-16；CeS、Ce3S4、Ce2S3的反應(yīng)自由能（J/mol)分別為-364650、-420240、- 442680。稀土元素脫氧脫硫的產(chǎn)物與鋼中原始氧硫含量的關(guān)系

35、稀土氧化物稀土氧硫化物稀土硫化物S/O1001627鋼中不同氧硫含量下加入Ce生成產(chǎn)物的平衡圖稀土為變性劑硫和稀土元素含量的臨界值稀土夾雜的性狀與鋼中硫、稀土含量的關(guān)系CaOAl2O3相圖鈣的沸點(diǎn)1491，蒸汽壓與溫度的關(guān)系： 1600 pCa=0.187MPa，硅、碳、鋁可提高鈣在鋼中的溶解度，鋼中要加入硅鈣和其它鈣合金。鈣脫氧：Ca(g)+O=(CaO) lgKCa 1600 KCa10-9 Ca+O=(CaO) lgKCa 1600 KCa10-11脫氧產(chǎn)物為低熔點(diǎn)的12 CaO7Al2O3改變Al2O3夾雜性狀，從鋼液排出。鈣脫硫Ca(g)+S=（CaS）(S)Ca(g)+O=（CaO

36、）(S)鈣處理鋼中Al、S含量與形成夾雜物的關(guān)系反應(yīng)自由能得出鈣先降低鋼中氧再與硫反應(yīng)，硫高時(shí)同時(shí)與氧、硫反應(yīng)。1550時(shí)不同不同反應(yīng)產(chǎn)物的生成條件喂絲（WF）合金芯線處理技術(shù)，將CaSi、稀土合金、鋁、硼鐵等合金或添加劑制成包芯線，通過機(jī)械的方法加入鋼水內(nèi)部，對(duì)鋼液進(jìn)行脫氧、脫硫、夾雜物變性及合金化等處理，以改善冶金過程，提高鋼的純凈度，優(yōu)化產(chǎn)品的使用性能，降低處理成本。在吹氬技術(shù)配合下，具備噴粉的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了噴粉的缺點(diǎn)，在添加易氧化元素，調(diào)整鋼的成分，控制氣體含量，設(shè)備投資與維護(hù)，生產(chǎn)操作與運(yùn)行費(fèi)用，產(chǎn)品質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)等方面更顯著的優(yōu)勢(shì)。1)包芯線我國生產(chǎn)的包芯線主要有硅鈣、稀土

37、合金、鋁鎂、鈦鐵、硼鐵。它是用低碳鋼薄帶（0.20.6mm）把芯料包裹壓制成。表觀質(zhì)量要求：鐵皮接縫的咬合程度；外殼表面缺陷；斷面尺寸均勻程度；內(nèi)部質(zhì)量要求：質(zhì)量誤差（4.5%）；填充率（單位長度包芯線芯料的質(zhì)量與單位包芯線的總質(zhì)量之比）；壓縮密度（單位容積內(nèi)添加芯料的質(zhì)量）；化學(xué)成分；2）喂絲機(jī)1 喂線機(jī)2 芯線4 中間包3 鋼包5結(jié)晶器6 模注鋼包噴粉工藝以SL為例70年代瑞典研制成功，我國引進(jìn)最多的噴粉裝置。其主要特點(diǎn)：噴粉系統(tǒng)中設(shè)有回收罐微孔尼龍?zhí)谆蚱渌鼜浬?孔透氣材料組成流態(tài)化段利用噴粉罐與管道內(nèi)壓 差控制噴粉速率下料喉口更換方便工藝過程脫氧出鋼，出鋼溫度高于規(guī)定1020 鋼包到噴粉

38、站：脫硫劑一般為硅鈣粉（Si54%,Ca30%）粒度小于1 mm；噴槍使用前要烘烤（600800 ）。3/min （水分10ppm）。精煉后的鋼液到連鑄。SL法可噴吹CaSi、CaC2、Mg+CaO、FeB等馬鋼于1987年從瑞典進(jìn)口一臺(tái)SL裝置，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量35萬噸，SL精煉后氧化物、硫化物夾雜級(jí)別大大提高，夾雜物總量0.0024%，噴吹CaSi粉精煉的脫硫率可達(dá)71%，脫氧率為3060%。SL法噴粉裝置布置圖1儲(chǔ)料罐2噴粉罐3噴槍4鋼包5噴槍把持升降 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)6噴槍放置架7過濾器8回收罐工藝參數(shù)1）噴槍插入深度（h）：保證粉氣流不會(huì)沖到包底。 h= H-hc 式中：H包內(nèi)鋼液熔池深度 hc粉

39、氣流的噴入深度 式中： d0 噴嘴孔口直徑 u 粉氣流在噴嘴出口處的速度 粉氣流的密度 金屬熔體的密度 g 重力加速度混勻時(shí)間的等值線2）噴吹壓力粉氣流在噴出口的壓力P1=P0/ 0式中：P0噴口處介質(zhì)的反壓 0與粉粒的比熱容、載流氣體的密度、粉氣 比的因素有關(guān)的系數(shù)，不同粉氣比時(shí)的0值見下表：噴吹壓力為噴槍口壓力加上管道的壓降.3）噴吹時(shí)間決定于鋼液允許的降溫量和降溫速率。噴吹時(shí)間要滿足精煉反應(yīng)要求：吹氬攪拌噴吹時(shí)間略大于混勻時(shí)間，對(duì)于噴粉噴吹時(shí)間應(yīng)大于或等于反應(yīng)所需時(shí)間和產(chǎn)物排出時(shí)間總和。噴吹硅鈣粉時(shí),理論計(jì)算直徑大于0.045mm的粉?？纱┩笟庖航缑孢M(jìn)入鋼液中，因此硅鈣粉的粒徑范圍選01

40、.0mm，平均0.1mm，脫硫的速率方程式：脫硫60%、70%、80%需時(shí)間3.3、4.35、5.82min。吹氣攪拌條件下，夾雜物和產(chǎn)物從鋼中排出時(shí)間可以計(jì)算得出，一般只需12min。t脫硫所需的時(shí)間，min; St、S0分別為噴粉tmin和原始硫含量4）供料速率單位時(shí)間內(nèi)噴粉罐輸出的粉料量。粉劑用量和噴粉時(shí)間之比，是一個(gè)非獨(dú)立的參數(shù)，取決于粉劑種類、罐內(nèi)外的壓差和喉口直徑。5）載流氣體流量和粉氣比3/tmin?？赏扑爿d流氣體用量和粉氣比。冶金效果脫硫凈化鋼液和控制夾雜物形態(tài)提高合金收得率改善鋼液的澆注性能TN法裝置：噴粉罐，氣力輸送系統(tǒng)，噴槍及其升降和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，操作控制系統(tǒng)。特點(diǎn)：設(shè)備簡單

41、；噴粉罐容積小，安裝在噴槍架的懸臂上，隨著噴槍一起升降和旋轉(zhuǎn)，管路短，可用硬管連接；噴粉罐上設(shè)有上下兩個(gè)出料口TN法主要用于噴粉脫硫，噴吹的粉劑主要有CaC2、CaSi、Mg粉和石灰粉。攀鋼于1985年從德國麥素公司引進(jìn)了TN噴粉的主體設(shè)備。噴粉設(shè)備和工藝噴粉設(shè)備：噴粉罐熔劑為1 m3，噴槍為高鋁整體打結(jié)，內(nèi)徑為10mm，帶有微調(diào)合金化系統(tǒng)。冶金效果脫硫率一般可達(dá)89.75%。處理后鋼中總氧含量可達(dá)16ppm。夾雜物數(shù)量減少57%以上，呈細(xì)小、球狀均勻分布。不同噴粉裝置的工藝參數(shù)不銹鋼:在空氣、水、酸、鹽的水溶液中及其它氧化性氣氛中具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性。鐵素體不銹鋼：含碳量一般小于0.1%，鉻

42、1330%。單相的鐵素體組織，Cr17、 Cr25 、Cr28。馬氏體不銹鋼：含碳0.10.4%，鉻1618%。淬火得到馬氏體組織。 1Cr13、2Cr13、3Cr13。奧氏體不銹鋼：含鉻1720%，鎳911%，常溫仍保持奧氏體組織。不磁化、硬度小、加工性能好。Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、 1Cr18Ni9。強(qiáng)度低、塑性好，可用冷加工的方法使之加工硬化提高強(qiáng)度。不銹鋼精煉不銹鋼二步法:是指初煉爐熔化精煉爐脫碳的工藝流程,常見有初煉爐AOD爐；初煉爐MRP轉(zhuǎn)爐；初煉爐VOD爐等。不銹鋼三步法:在二步法基礎(chǔ)上增加深脫碳的裝備，通常有初煉爐AOD（LF） VOD；初煉爐MRP（LF） VO

43、D；初煉爐MRP（LF） RH-OB等形式。初煉爐可以是電爐，也可以是轉(zhuǎn)爐；精煉爐一般指以脫碳為主要功能的裝備，例如AOD,VOD,RH-OB（KTB）,CLU，MRP等。其他不以脫碳為主要功能的裝備，例如LF鋼包爐、鋼包吹氬、噴粉等，在劃分二步法或三步法時(shí)則不算做其中的一步。此外，這里把專用爐熔化鉻鐵的操作，也不列入其中的一步。AOD(Argon Oxygen Decarburization)爐簡圖 Ar,O2混合氣體出鋼口返回雙層套管風(fēng)口2.6.1AOD工藝 AOD法是世界上冶煉不銹鋼的主要方法，占世界不銹鋼產(chǎn)量的70-80%。 AOD的原理是吹惰性氣體(Ar)作稀釋氣體,降低碳-氧反應(yīng)產(chǎn)

44、物CO的分壓(PCO),以達(dá)到去碳保鉻的目的. 為了減少鉻的氧化和防止鋼液溫度過高,在吹煉時(shí)要改變氬氧的混合比.實(shí)際操作中冶煉過程中分階段變化氧壓比例. 氮含量要求低的鋼種,應(yīng)使用純氬.對(duì)氮含量要求不高的鋼種可以使用粗氮或以氮?dú)獯鏆鍤? 為保護(hù)爐體耐火材料,鋼液溫度不應(yīng)超過1750C,氧化期溫度高時(shí)可加入清潔干燥的同鋼種返回鋼,以冷卻鋼液.工藝參數(shù)氧氬比：AOD吹煉所用的混合氣體中氧氣和氬氣的體積比。氧氬比在很大程度上影響著AOD的脫碳速率，鉻的氧化速率以及溶池的升溫速率。為盡可能減少鉻的氧化和控制溶池溫度，吹煉過程中根據(jù)溶池含碳量和溫度調(diào)節(jié)氧氬比。氧氬比的理論值可以根據(jù)FeCrCO四元素的

45、平衡條件，用熱力學(xué)的方法計(jì)算?；旌蠚怏w流量：氧氬比確定后，取決于氧氣流量。AOD法的工藝要點(diǎn)：AOD對(duì)電爐所煉半鋼的碳含量沒有嚴(yán)格的要求，通常波動(dòng)于12%；硅的含量一般控制在0.20.4%；對(duì)硫含量不做要求；出鋼溫度控制在162010 。AOD法吹入氧、氬氣體的比例一般為3個(gè)階段或4個(gè)階段。第一階段O2：Ar（N2）=4:1(3：1)，將碳氧化到0.3%左右，此時(shí)熔池溫度約為1680C.第二階段O2：Ar=2：1或1：1將碳氧化到0.1%左右，熔池溫度約為1690-1720C.第三階段O2：Ar=1：2，將碳氧化到0.03%左右,當(dāng)煉碳含量小于0.01%的極低碳鋼種時(shí),第四階段O2：Ar=1：

46、3(1:4)繼續(xù)脫碳。AOD法的工藝要點(diǎn)：最后用純氬吹煉35分鐘，使鋼水中溶解氧繼續(xù)脫碳，還可以減少還原Fe-Si的用量。鋼中碳含量達(dá)到要求時(shí),停止吹氧結(jié)束氧化期,加入硅鐵,鋁,石灰進(jìn)入還原期,還原溫度應(yīng)高于1700C,還原期間繼續(xù)向爐內(nèi)吹入氬氣,鉻的回收率99%,錳的回收率90%以上,還原期可脫硫.AOD法的工藝要點(diǎn)脫碳終了以后如果不是冶煉含鈦不銹鋼,不需要脫硫操作，一般采用AOD單渣法,不扒渣直接進(jìn)入還原期。由于脫碳終點(diǎn)溫度約在1710-1750，為了控制出鋼溫度并有利于爐襯壽命，在脫碳后期需添加清潔的本鋼種廢鋼作為冷卻劑。隨后加入Fe-Si、Si-Cr、Al等還原劑和石灰造渣材料，成分、溫度合適即可出鋼。原料條件不好或成品硫要求50ppm時(shí)采用雙渣法操作. AOD爐的冶煉時(shí)間一般為90分鐘左右。氣體消耗視原料情況及終點(diǎn)碳水平而不同。一般氬氣消耗為1223Nm3/噸，氧為1525Nm3/噸。Fe-Si用量為820Kg/噸，石灰4080Kg/噸，冷卻劑為鋼水量的310%。AOD主要特點(diǎn)l可以大量使用廉價(jià)的高碳鉻鐵、粗氬和氮?dú)?；l工藝穩(wěn)定，效率高,產(chǎn)品質(zhì)量好；l爐齡150300次,高于VOD法；l脫硫效率高于VOD法，可