炉外精炼20114

1、q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q5.5.1 5.5.1 搅拌方法与作用搅拌方法与作用 q5.5.3 5.5.3 吹氩与脱气吹氩与脱气 q5.5.2 5.5.2 底吹搅拌底吹搅拌 q5.6 VD5.6 VD法法 q5.5.1 5.5.1 搅拌方法与作用搅拌方法与作用 一般地说， 搅拌就是向流体系统供应能量， 使该系统 内产生运动。 v 搅拌的作用： （1）均匀成份与温度； （2）加速溶质传输，促进钢渣间间化学反应与脱气反应； （3）促进夹杂物的上浮排除； v 搅拌方式： 喷吹气体、 电磁感应和机械搅拌的方法。气体搅拌是 一种应用最为广泛的搅拌方法：LF、VD、RH等几乎现有 所

2、有精炼手段。 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q搅拌方式搅拌方式 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q搅拌的普遍性搅拌的普遍性 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 CAS-OB 底吹搅拌底吹搅拌 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 RH上升管吹氩搅拌上升管吹氩搅拌 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 LF（V）底吹氩搅拌）底吹氩搅拌 VD底吹搅拌底吹搅拌 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 喂线时底吹搅拌喂线时底吹搅拌 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 喷粉时的底吹搅拌与载气搅拌喷粉时的底吹搅拌与载气搅

3、拌 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 4 2 9 M P a q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 5.5.2 5.5.2 底吹搅拌底吹搅拌 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q气体搅拌下的钢包气体搅拌下的钢包 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 v 钢包底部中心位置钢包底部中心位置 吹气时，吹气时， 包内钢液包内钢液 的运动可用右图描的运动可用右图描 述。根据钢包液的述。根据钢包液的 循环流动情况，循环流动情况， 基基 本上可以分为本上可以分为 A

4、、 B、C、D 四个区。四个区。 A区气相分率约占区气相分率约占 4.8%。 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 也有人认为可以： 分为三个主区： 上升区 吐出区 下降区 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 搅拌能力的评价搅拌能力的评价: : v 搅拌强度：搅拌强度：比搅拌功率：单位重量（比搅拌功率：单位重量（1t 1t）钢液所承）钢液所承 受到的搅拌功率，受到的搅拌功率，W/tW/t。 v 搅拌效果：搅拌效果：混匀时间混匀时间 s s一般采用示踪的方法来实际一般采用示踪的方法来实际 测量。测量。 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 v Stirring P

5、ower :Stirring Power :Homogenization of bath temperature and composition by Homogenization of bath temperature and composition by argon bubbling is primarily caused by the dissipation of the buoyant energy argon bubbling is primarily caused by the dissipation of the buoyant energy of the injected ga

6、s. The following equation is used to calculate the stirring of the injected gas. The following equation is used to calculate the stirring power.power. where: where: = stirring power, W tonne = stirring power, W tonne-1 -1 V V = gas flow rate, N m = gas flow rate, N m3 3 min min-1 -1 T T = bath tempe

7、rature, K = bath temperature, K MM = bath weight, tonne = bath weight, tonne H H = depth of gas injection, m = depth of gas injection, m P P0 0 = gas pressure at the bath surface, atm = gas pressure at the bath surface, atm q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q比搅拌功率比搅拌功率 或气体搅拌钢包时比搅拌功率可按下式计算（考虑或气体搅拌钢包时比搅拌功率可按下式计

8、算（考虑 温度影响）：温度影响）： q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q比搅拌功率与吹氩流量比搅拌功率与吹氩流量 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q混均时间混均时间 s s 中西恭二公式（经验式之一）：中西恭二公式（经验式之一）： 其中：其中：s混匀时间，混匀时间，s 比搅拌功率，比搅拌功率，W/t 0.4 800 s q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 v The mixing time, The mixing time, s s (i.e. the stirring time to achieve 95% (i.e. the stirring ti

9、me to achieve 95% homogenization) can also be given by(homogenization) can also be given by(经验式二经验式二): ): s s= 116 = 116 -1/3 -1/3 D D5/35/3 H H-1 -1 where where D D is the ladle diameter, in m is the ladle diameter, in m s s= the mixing time, s= the mixing time, s = stirring power, W tonne = stirri

10、ng power, W tonne-1 -1 H H = depth of gas injection, m = depth of gas injection, m q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 v 根据传输原理的量纲分析，比搅拌功率与混均时间的 关系为： 式中L为特征长度，为混合长度。 v 根据流动支配力的不同和传质方式不同，具体系数如 下表： q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q底吹搅拌对传质的影响底吹搅拌对传质的影

11、响 气体流量对脱气体流量对脱 硫容量系数的硫容量系数的 影响。（底吹影响。（底吹 搅拌，搅拌，2.5t试试 验炉）验炉） q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 qEffect of Stirring on Inclusion RemovalEffect of Stirring on Inclusion Removal q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q底吹组件底吹组件 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q供气元件供气元件 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q底吹氩流量底吹氩流量 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 最高可到8.0

12、Nl/min,t qLFLF及及VDVD底吹氩流量底吹氩流量 流量L/min启泵 前 深真空 前 深真空0.1kPa喂丝软吹 85t1010-50300-36050-10020-50 120t100200250-350200 150t100200-300400(裸露30-50cm) 80-120200-80 VD处理吹氩流量控制 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 马钢马钢120tLF120tLF吹氩制度吹氩制度 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 操作项目 预吹氩加热化渣脱硫合金化喂丝静吹氩 氩气流量 m3.h-1 15-3010-2040-6020-4010-151

13、0-15 氩气流量 Nl/t.min 1.25-2.50.83-1.673.33-5.01.67-3.330.83-1.250.83-1.25 熔池深度3300mm，上下内径分别为：3500、3100mm. 鞍钢第二炼钢厂鞍钢第二炼钢厂180-200tLF180-200tLF吹氩制度吹氩制度 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q5.5.3 5.5.3 吹氩与脱气吹氩与脱气 （吹氩对脱硫及夹杂物去除的影响将结 合LF炉精炼论述） q吹氩搅拌时脱气的速率吹氩搅拌时脱气的速率 氩气泡通过钢液时，溶解于钢中的气体会以气体分子的形 式进入氩气

14、泡中。设气泡的总压等于外压 ，气泡中气体的分 压为 ，则可得： （1） 式中 从1t钢液中放出的气体的体积，m3/t； 吹入钢液氩气体积，m3/t； 气泡内总压，atm。 设钢中溶解的气体向氩气泡解析的反应达到了平衡，则有 和 22 2 GG ArG dVP dVPP 2G V Ar V 2 % GG pKG % 224 2 Gd M dVG P q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 P 2G p 将此式代入（将此式代入（1）得）得 ： 积分得：积分得： 1% 224 2G Ar p P Gd M dV % % %224 2 2 Gd G Gd KP M G 0 0 2 % % 1

15、% 1224 GG GG KP M V GAr q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 由于上式中第二项远小于它的前一项，所以可将此项忽由于上式中第二项远小于它的前一项，所以可将此项忽 略，而得如下近似式：略，而得如下近似式： （2） 0 2 % 1 % 1224 GG KP M V GAr q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 吹氩脱氢：吹氩脱氢： (5-74) 式中式中 吹氩量，吹氩量， mol/t ； 钢液最终的含氢量，钢液最终的含氢量，%； 钢液原始含氢量，钢液原始含氢量，%； 1吨钢液中氢的摩尔数吨钢液中氢的摩尔数(mol)与氢百分浓度与氢百分浓度(%)之间之间 的

16、关系（的关系（ ）。）。 of 23 %H 1 %H 1 105 总 PKQ HAr Ar Q fH% oH% 3 105 %105 3 Hm H q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 v 例如常压下，温度为例如常压下，温度为1600的钢液中原始含氢量为的钢液中原始含氢量为 710-4，通过吹氩，使氢含量降至，通过吹氩，使氢含量降至210-4，求每，求每 吨钢应吹入的最少氩气量？吨钢应吹入的最少氩气量？ v 解：已知解：已知P总=1atm, 所以所以 Kt1873 0027. 0 H K tmtLtmol 3 916. 2291618.1304 .22178.130 32 44 11

17、 5 100.00271 2 107 10 Ar Q 这是最少（临界）吹氩量，实际耗氩量要比此数这是最少（临界）吹氩量，实际耗氩量要比此数 大得多。因为：大得多。因为： 反应不可能平衡；反应不可能平衡； 氩气中含微量水分，去氢同时要渗入氢；氩气中含微量水分，去氢同时要渗入氢； 钢液表面吸氢。钢液表面吸氢。 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 吹氩脱氮：吹氩脱氮： *以上分析是基于热力学条件。以上分析是基于热力学条件。 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 钢包吹氩脱氧 ： 如果钢液未完全脱氧，钢液中有相当数量的溶解氧时， 那么钢包吹氩还可以脱除部分钢中的溶解氧，起到脱氧和

18、 脱碳的作用。 设氩气泡中的 分压力为 ，则从物质平衡可以推出下式： 式中 钢液重量，t. CO CO % 100 10 4.22 16 6 Od WQd mCOAr m W q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 时，时， ： %OCK oCO 447 o KCt o 1600 tm O O W C tL C C C W O O W C Q f o m f om f o mAr 33 6 % % lg % 1 101 .72 % % lg %10044716 4 .2210303.2 % % lg % 1 1 .72 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 v 由上表可见，脱

19、氮和脱氢所需的吹氩量是相当大的。用多 孔砖在短短的镇静时间内吹入这样多的氩气量是有困难的， 但是，如果真空与吹氩相结合，就可以收到十分显著的效 果。因为吹氩量与系统总压力成正比。由于真空，系统总 压力降低，吹氩量可以显著减少。如果真空度达到1000Pa， 则用大约1/10的氩气就可以达到1105Pa下的去气效果。 这意味着只要用0.10.3m3/t的氩气就可以使氢含量从 （67）10-4降到（23）10-4。 q5.5 5.5 钢包搅拌与吹氩钢包搅拌与吹氩 q5.6 VD5.6 VD法法 VD法: （Vacuum Degassing） 真空脱气法 手段： q5.6真空脱气（VD）法 美国芬克尔

20、（美国芬克尔（FinklFinkl）公司）公司19581958年首先提出来的，所以年首先提出来的，所以 也叫芬克尔法，一般简称为也叫芬克尔法，一般简称为VD(Vacuum Degassing)VD(Vacuum Degassing)法。法。 5.6.1VD5.6.1VD法的方法特点法的方法特点 v VDVD法是把法是把钢包真空脱气法和吹氩搅拌相结合钢包真空脱气法和吹氩搅拌相结合产生的一种产生的一种 方法。方法。 q5.6 VD5.6 VD法法 qVDVD功能功能 具有以下功能： 有效的脱气，减少H、N； 通过吹Ar使夹杂物聚集上浮脱氧； 通过C+O=CO去除O ； 通过合金微调及吹Ar控制化学

21、成分和温度； 通过碱性顶渣去S 。 VD主要与电弧炉和LF配合:S10ppm；H 1.5-2ppm；N 40ppm；O 20ppm。 q5.6真空脱气（VD）法 v VDVD法的法的精炼手段是是底吹氩搅拌与真空相结合底吹氩搅拌与真空相结合。在真空。在真空 状态下包底吹氩搅拌钢液，一方面增加了钢液与真空状态下包底吹氩搅拌钢液，一方面增加了钢液与真空 的接触界面积；另一方面从包底上浮的氩气泡吸收钢的接触界面积；另一方面从包底上浮的氩气泡吸收钢 液内溶解的气体，加强了真空脱气效果，脱氢率可达液内溶解的气体，加强了真空脱气效果，脱氢率可达 到到424278%78%，同时上浮的氩气泡还能沾附非金属夹杂，

22、同时上浮的氩气泡还能沾附非金属夹杂 物，促使夹杂物从钢液内排除。使钢的纯净度提高，物，促使夹杂物从钢液内排除。使钢的纯净度提高， 清除钢的白点和发纹缺陷。清除钢的白点和发纹缺陷。 v 真空室的压力一般为真空室的压力一般为66.7Pa66.7Pa2.662.6610104 4PaPa。 q5.6真空脱气（VD）法 图5-35 VD钢液真空脱气装置 5.6.2 VD5.6.2 VD法的装置特点法的装置特点 q5.6真空脱气（VD）法 q5.6真空脱气（VD）法 q5.6真空脱气（VD）法 q5.6真空脱气（VD）法 qVDVD（含（含VODVOD）真空系统）真空系统 q5.6真空脱气（VD）法 q

23、5.6真空脱气（VD）法 q真空泵真空泵 q5.6真空脱气（VD）法 VDVD真空处理装置主体设置主要包括真空处理装置主体设置主要包括: : v 钢包、真空罐、真空罐盖、罐盖车及其提升系统、钢包、真空罐、真空罐盖、罐盖车及其提升系统、 v 真空料斗系统、真空料斗系统、 v 抽真空系统、抽真空系统、 v 铁合金添加系统、铁合金添加系统、 v 喂丝装置、喂丝装置、 v 液压站和其它介质供应系统等。液压站和其它介质供应系统等。 q5.6真空脱气（VD）法 ）钢包： 普通钢包普通钢包, ,但是比普通钢包稍深一些，钢液面以上留有但是比普通钢包稍深一些，钢液面以上留有800800 1200mm1200mm

24、的净空高度，以适应钢液沸腾的需要。包底装有透的净空高度，以适应钢液沸腾的需要。包底装有透 气元件或透气砖，真空盖上装有加料设备，可以在真空状态气元件或透气砖，真空盖上装有加料设备，可以在真空状态 下添加合金料。下添加合金料。 q5.6真空脱气（VD）法 ）真空罐:是圆桶形的钢性焊接结构，其底部由一个冲 压而成的半椭圆形封头构成，内衬耐火材料，罐体上 设有水冷密封法兰，底部装有漏钢装置，当发生漏钢 事故时，钢水沿罐体下部的事故流槽进入隔离式事故 坑内，达到保护设备的目的。罐体侧部装有钢包吹氢 用软管和快速接头。 ）真空罐盖系统:由罐盖、防溅罩和更换台架、摄像机, 观察孔等组成。设有密封法兰，罐盖

25、内侧由耐火材料 浇铸而成。该系统的主要作用是真空处理时对真空罐 进行密封。 q5.6真空脱气（VD）法 ）真空料斗系统:由受料斗、真空给料斗、真空密封阀 和加料均压系统组成。它安装在真空罐盖上，在真空 处理时进行合金微调。 ）罐盖移动小车系统:该系统由真空盖移动车和罐盖提 升装置组成，其功能是将罐盖和真空料斗系统升降并 运送到两个不同的处理位或等待位。 ）真空系统:由抽气管和真空泵等组成，抽气管道把真 空泵和真空罐连接起来，真空泵使用蒸汽喷射泵，提 供冶炼需要的真空效果。 q5.6真空脱气（VD）法 )钢包底吹氩系统 8）合金加料系统:该系统由铁合金储存料仓、称量系统、 运输皮带等组成，它们同

26、时满足VD和LF炉对铁合金 的需求。 9）喂丝系统:由两台喂丝机及其相应的行车轨道、丝卷 架等组成，每一台对应一个处理罐位。 q5.6真空脱气（VD）法 q耐火材料耐火材料 VD真空精炼炉系统的真空罐及罐盖都衬有耐火材料， VD精炼炉内温度在1 6001 700之间，此对耐火材料 的性能要求较高。因此，真空罐内衬应选用耐火度高、 热稳定性好、抗渣性好、耐压强度高的高铝砖，补炉 材料选用石英砂或白云石砖。具体要求列于表4。 表4 对耐火材料的具体要求 q5.6真空脱气（VD）法 q5.6.3 VD5.6.3 VD法的工艺特点法的工艺特点 1 1）40tVD40tVD真空精炼炉主要性能参数真空精炼

27、炉主要性能参数 v 额定容量/t 40 v 工作真空度/ Pa 66.7 v 真空泵额定抽气量/kg.h-1 260 v 从一个大气压抽到工作真空度的时间/min 5 v 蒸汽平均耗量/t.h-1 9 v 蒸气最大耗量/t.h-1 12 v 蒸汽温度/ 185 v 蒸汽压力/MPa 0.7 q5.6真空脱气（VD）法 q2 2）工艺过程：）工艺过程： v 需要处理的钢液在电弧炉或转炉内冶炼，炉内预脱氧， 并造流动性良好的还原渣，出钢温度比不处理时高10 20，然后出钢。将钢包座入真空室内，接通吹氩管吹 氩搅拌，测温取样，再盖上真空盖，启动真空泵，大约 5min内可达到工作真空度（ 67 133

28、.3Pa 以上），在真 空下保持1015min 左右，达到脱气、去夹杂、均匀成 分和温度的作用，整个精炼时间约30min，吹氩搅拌贯穿 整个精炼过程。 q5.6真空脱气（VD）法 q5.6真空脱气（VD）法 qVDVD底吹氩流量底吹氩流量 流量L/min启泵 前 深真空 前 深真空0.1kPa喂丝软吹 85t1010-50300-36050-10020-50 120t100200250-350200 150t100200-300400(裸露30-50cm) 80-120200-80 VD处理吹氩流量控制 q5.6真空脱气（VD）法 以某厂精炼GCr15钢为例 脱氧：经VD法精炼后钢中全氧含量在

29、（1227）10-4之间， 溶解氧含量一般为（715）10-4，溶解氧的脱除率平均为 82%。 脱氢：脱氢率平均55%，氢含量为2.3410-4。 温度均匀：处理前不同部位的温差为 ，处理后 为 。 夹杂物形态有了根本改善：以往造成废品的主要质量问题“点状” 不变形夹杂现已消失。 脱硫：VD法因缺少加热手段，精炼过程不能造新渣脱硫，脱硫率 只有20%左右。 C o 20 C o 3 精炼效果：精炼效果： q5.6真空脱气（VD）法 q4040吨吨VDVD炉的精炼工艺实践炉的精炼工艺实践 v 1）钢水入罐前的所有设备处于良好状态，并联系好冷却水、 蒸汽，钢包包沿无钢瘤。 v 2）钢包入罐，吹氩正

30、常后，罐车开至加热工位，测温取样， 送电调渣。 v 3）由LF炉转VD炉前(或抽真空前)视钢水中铝含量高低喂 10 30 m铝丝，进VD炉前喂Si- Ca线100150 m(喂丝量根 据各钢种喂丝要求而定)。 q5.6真空脱气（VD）法 4）进VD钢水条件: v ( 1)温度:1640 1660; v (2)成分: C控制在规格下限0.02%左右，其余成分在规 格中下降，易氧化合金不调加; v (3)自由空间:700 mm，抽真空前必须保证钢渣内C、Si 粉反应完全，渣白且流动性好，渣厚控制在100mm 以 内。 q5.6真空脱气（VD）法 v 5）抽真空前15 min送蒸汽，送水，确认蒸汽温

31、度不小于 185，蒸汽压力不小于0. 7 MPa,蒸汽流量不小于l0t/h。 v 6）抽真空前氩气控制在0.20 0.35 MPa，达到极限真空 度时，将氩气调至0.3 0.5 MPa，保持至破空。 v 7）罐车开至VD定位完毕，并确定罐盖达下限位时，方可 开始抽真空，先开5级泵，真空度达到33kPa左右开4级泵， 真空度达到8 kPa左右，开启3级泵，真空度1达到2. 4 kPa左 右开2级泵，真空度1达到0. 4 kPa左右，开启1级泵，在1级 泵下达到极限真空度开始保持，保持时间大于15min。 v 8） VD完毕后将钢包车开至加热工位升温、调渣，取样 并调整成分，尽快具备吊包条件。 q

32、5.6真空脱气（VD）法 VD真空脱氢 v VD真空脱气处理是一个温度不断降低的过程。钢 包坐入真空罐内、盖上真空盖，通过五级九个真空泵 分5个步骤依次抽真空，抽真空时间5min，达到工作真 空度0.5torr(1torr= 133Pa)开始保压1525min，初始 H7PPm按下限控制；H7PPm可延长保真空时间， 以利于脱气，初始H含量与保真空时间的关系见图4 （略），VD处理期间全过程吹Ar，氩气流量根据钢水 沸腾情况调节，以不溢出钢渣为准。生产实践证明： VD真空脱氢效果良好，破真空后H2PPm。 q5.6真空脱气（VD）法 冶金效果： v VD真空处理是减少和控制钢水中气体含量的最主要手 段，同时还具有脱碳、脱氧、分离夹杂物、调整钢水成 分和控制钢水温度的功能。 v VD炉冶炼过程中强烈的惰性气体搅拌和熔池反应确保