合金熔化与精炼6

1、合金熔化及炉外精炼 铸 钢 材冶学院:张国志70万千瓦水轮机转轮430吨不锈钢叶轮缸 体小型铸钢件n.小型铸钢件n.铸钢的熔炼概述n目的:1.熔化,过热;n 2.调整成分,C;Si;Mn;Cr;Mo;合金元素达到设计的含量;n 3.去除杂质元素:S;P;On 4.去除夹杂物,气体,净化钢液.n炼钢的设备;平炉; 转炉; 电弧炉; 感应电炉(中频)n 转炉(1856年BSM):产量大,速度快,2040分钟,主要用与钢厂铸锭连铸用,铸件生产不用.n 平炉(1864年):量大(100吨),速度慢,适合于重型铸件.n 中频感应炉:中小型铸钢件主要用中频感应炉熔炼,(容量几百公斤几十吨),也有用60吨的

2、浇注100吨以上的大件.n 电弧炉(1899年):石墨电极之间放电产生高温电弧,使钢熔化.(超高功率,VHP,1964年).n(三相电弧炉);(直流电弧炉1985年);按炉衬又分为:酸性电弧炉;和碱性电弧炉.三相电弧炉n.电弧炉炉体电弧炉炉盖感应电炉炉体真空感应电炉n.第四章.电弧炉炼钢n铸钢件主要使用三相电弧炉和中频感应电炉熔炼,其熔化和精炼原理主要以三相电弧炉为对象.n三相电弧炉的优点:n (1).温度高,n (2)炉气容易控制,(无燃料)可形成氧化性气分,也可形成还原性气分,加入脱氧剂,形成还原性气分,彻底脱氧.n (3).造还原性渣,脱硫;n (4).还原性渣适合炼合金钢,元素氧化烧损

3、少.n 缺点:n (1).耗电多,3吨炉,1800KVA; 10吨炉,5000KVA,n20吨:9000KVA.n (2).电弧使空气电离,产生原子状态的N,溶于钢中,钢水中气体增加.n (3).炉温不均匀,点状加热,上部温度高.炉衬及加热原理n酸性电弧炉用硅砖砌成,水玻璃石英砂打结炉衬.n碱性电弧炉用镁砖或粘土砖砌成,内衬用焦油镁砂或卤水镁砂打结.n加热原理:石墨电极(三根石墨电极;三相电源)与金属炉料之间放电产生电弧,产生高温,熔化金属,钢水过热.碱性电弧炉氧化法炼钢n一.炼钢的工艺过程.n 1.补炉;2.装料; 3.熔化n 在电弧加热下,电极附近的金属熔化,形成”穿井”,形成钢液熔池.在

4、熔化过程中,Si;Mn;P形成氧化物,与加入的石灰(CaO)形成炉渣,覆盖在钢液的表面.为了脱P,加入氧化铁,(铁矿石),低温阶段有利于脱P,含P多时,可先放渣,再加石灰造渣.n 4.氧化期.前期温度低时,主要是脱P,然后提高温度(1530),以后,开使第二期,氧化脱碳,沸腾精炼,去除夹杂物和气体。因为C+OCO 的反应，随温度的升高，自由能降低，形成CO气，既有除气净化作用，又脱掉钢中过多的碳。氧化脱碳的方法：矿石脱碳法（Fe2O3）； 吹氧脱碳法，矿石吹氧结合脱碳法。nFe2O3+Fe 3FeO FeO+C=Fe+Co 形成气泡，钢液沸腾。温度对脱P的影响n 注意：矿石不能一次加入过多，温

5、度不能太低，应分批小量加入，否则温度低，反应较弱，温度升高后，反应激烈，造成钢液翻腾，跑钢。n 吹氧脱碳：以6-8个大气压（0.6-0.8MPa)通过吹氧头把氧吹入钢液中，氧化脱碳。n 结合法：吹氧时加入部分矿石。n 当碳量符合工艺要求时，温度达到要求时，扒去氧化渣，进入还原期。n 5.还原期：脱氧脱S，调整成分，提高温度。n 扒去氧化渣后，先加Mn铁脱氧，快速脱去大部分氧化亚铁，然后加入石灰，萤石和碎砖块，造渣，34:1:1.主要起覆盖作用.n 然后造还原渣,分两种:白渣和电石渣.n白渣:石灰; 萤石; 碳粉.每吨钢:石灰812kg; 萤石12kg,碳粉1.52kg.渣中的C脱氧,石灰脱S,

6、还要更换新的造渣材料,在白渣下还原2530min.吹氧脱碳过程脱碳反应的自由能脱碳净化过程电石渣(每吨钢:石灰:812kg; 萤石:12kg,碳粉:45kg).碳粉增加,在电弧的高温还原性气分下,生成电石,(CaC2)nC脱氧,石灰脱S.n也要更换新造渣材料,白渣适合于低碳钢,电石渣,适合于高碳钢,C=0.35%.n经还原期后,O; S含量达到要求,温度达到要求,加铁合金,调整Si; Mn含量和其它合金元素.n成分合格后,加铝进行终脱氧,可用插入法,冲入法,(喂丝法),脱氧后出钢.n(炉渣的作用及炼钢的物理化学原理不讲)金属元素的脱氧能力化学成分控制n吹氧时要消耗碳,提高温度,炉料要考虑碳含量

7、,搭配炉料,吹氧脱碳要掌握C的变化,应比铸件成分要求的C量低一些,在还原期还要增加一些C.n控制S; P含量.nSi; Mn 在氧化期大量烧损,炉料可不考虑Si; Mn量,等还原期后,加硅铁和锰铁调整.Si;Mn含量.铸钢厂必须有化验室,每炉都在炉前检测成分.n钢的浇注温度:钢的含碳量高时,温度低一些,一般16001480 (光学高温计.低70)n钢液量少时,出炉温度应高些.4-4碱性电弧炉吹氧返回法炼钢n 吹氧返回法是利用不锈钢废料冶炼不锈钢的方法.回收Cr,用氧化法炼不锈钢,Cr是在还原期加入的,采用吹氧返回法,Cr全部或大部分在装料时加入的,可利用大量回炉料(废铸件;浇冒口).n一,吹氧

8、返回法原理.n 炉料中含有大量Cr,熔化后也有较高的Cr量(13%).氧化期为了去除钢中的气体,夹杂物等,要吹氧脱碳,但Cr也要氧化。为了既脱碳，有能保Cr，就要采用特殊的措施，解决脱碳保Cr的矛盾。n (1)高温高压脱氧n C和Cr与O的亲和力随温度的变化趋势不同。在低温下， Cr与O的亲和力大于C与O的亲和力；在高温下， C与O的亲和力大于Cr与O的亲和力；。超过一定温度，主要是碳氧化， Cr的烧损就少，就可以达到脱C保Cr的目的。n 不同的含C和Cr量，平衡的温度也不同。n含C一定，温度高，平衡的Cr量也越高；n温度一定，含C量越高，平衡的Cr量越高；n 吹氧返回法就是利用高温高压吹氧创

9、造高温条件，从而减少Cr的烧损。n吹氧开始的温度要高，1600。而氧化法只要求1530 。吹氧的压力1.21.5MPA.高温高压,氧化速度快,快速脱C,温度进一步提高,达到脱C保Cr的目的.(2).还原炉渣,回收Crn高温减少了Cr的氧化,但还有一部分Cr氧化形成nCr2 O3进入炉渣. 为了回收被氧化的Cr,氧化期之后,不放掉渣,然后利用强氧化剂(硅钙粉和铝粉),还原渣中的Cr2O3使返回到钢中.回收被氧化的Cr.n 2Al+ Cr2O3 = Al2O3 + 2Crn SiCa+ Cr2O3 = SiO2 +CaO+2Cr n需要注意的问题n .不锈钢含C量低，在吹氧返回法时，还原期的C量不

10、能太高，不用含碳的材料，加入的铁合金易增C，可以用纯金属(纯锰).n .控制炉料的含P量，因为氧化期不放掉炉渣（保Cr）还原期P要返回到钢液中。4-5碱性电弧炉不氧化法炼钢n不氧化法-装入法重熔过程。适合于量高合金钢。高锰；高Cr。铁合金和炉料一起装入炉内，不用氧化期，时间短，节电。缺点：n.无氧化脱C过程，无沸腾，不能去除气体和夹杂物；n.无氧化期，不能脱P；n.去氧化脱C，不能降C，不能炼低C合金钢。n ZG1Cr18Ni9Tin不氧化法的质量控制:n.控制化学成分,不氧化法,各种元素都变化不大,钢的成分主要是由炉料的成分决定的.配料时C;S;P都应低于要求的成分含量.n.净化钢液 n,炉

11、料洁净; 无锈; 无水; 无油;n加入石灰石; 沸腾除气净化. CaCO3 CaO+CO2n形成CO气泡,起精炼作用.没有吹氧脱C的效果好.n低压吹氧,少量脱C,使熔池沸腾净化.5-6.酸性电弧炉炼钢n酸性电弧炉,炉衬用硅砖和石英砂打结.n优点:n.炉衬寿命长,硅砖热稳定性比镁砖好,耐剧烈温度变化.n.酸性电弧炉不脱硫,时间短;n.耗电少,时间短,散热少,硅砖的导热性比镁砖低4倍.n.夹杂物少,酸性氧化物脱氧能力强,还原期FeO浓度低,加入的脱氧剂少,夹杂物少.n缺点:n 不能脱S; P,必需用低S; P的炉料.n用于炼碳钢,低合金钢,和某些酸性氧化物的高合金钢:含硅高合金钢, 含铬钢.不能炼

12、高锰钢,碱性氧化物侵蚀炉衬.n感应电炉炼钢; 真空电炉; 电渣熔铸; 等离子炉炼钢.钢的炉外精炼n 炉外精炼是近代炼钢技术发展的重要方向. 用电弧炉;(或感应炉)熔化脱P之后, 钢水到精炼炉进行精炼(脱碳; 脱硫; 脱氧除气等. 炉外精炼能提高对钢液的精炼效果,大幅度改善钢的质量, 缩短炼钢时间, 降低能耗.n一,炉外精炼的作用n1.提高钢的纯净度n 铸钢件的内在质量与钢液的纯净度有很大关系, 高强度钢都要求对钢中气体和非金属夹杂物的控制. 洁净钢. 一般的炼钢方法,为了去除钢中的气体和夹杂物,是利用脱碳反应形成的钢液沸腾, 需要吹氧, 使钢强烈氧化,随后进行脱氧, 因此产生大量的夹杂物. 炉

13、外精炼是以真空和惰性气体代替CO气泡实现精炼, 从而免除了用脱氧剂进行脱氧,的工艺要求, 钢液的纯净度大大提高. 钢的强度,特别是韧性有很大提高.2.减少合金元素的烧损n用电弧炉和炉外精炼结合炼钢, 合金元素一般在精炼过程中加入, 在真空和惰性气体的保护下,合金元素烧损极少, 合金元素收得率高, 成分准确,n3.可炼超低碳钢n一般炼钢, 用氧脱碳, 低碳含氧量就必须高, 加重还原期脱氧的负担, 钢的质量恶化, 炉外精炼在真空和惰性气体的作用, 既可脱碳, 又不增加氧量, 熔炼工业纯铁和不锈钢(0.030.06%C) .n二,炉外精炼技术的发展n1965年瑞典开发钢包精炼炉. 真空抽气,电弧加热

14、.n1967年,美国开发了真空电弧加热去气法(VAD)n1968年美国开发了氩-氧脱碳精炼法,(AOD),不设真空系统.n1972年,瑞典开发了钢包喷粉精炼法用氩气喷Ca-Si; CaCn70年代以后逐步完善,目前已经大量工业化应用.三,炉外精炼技术在铸钢生产中的应用n炉外精炼是从冶金发展起来的.在铸钢生产应用较多的是氩氧脱碳精炼(AOD)法,其次是真空氩氧脱碳精炼(VOD)法,n和两种方法结合的真空氩氧脱碳转炉(VODC)法,已有很多铸钢厂建成精炼设备,有100吨的VOD炉,也有3吨的小型VOD炉.今后将有更多的精炼工艺和设备在铸钢生产行业应用.2.吹氩精炼原理nAr是惰性气体, 不溶于钢,

15、 不形成非金属夹杂物, 吹Ar是通过多孔透气塞进行的, 形成细小的Ar气泡. 减少气泡在钢液中的上浮速度, 提高净化效果. 透气塞是用刚玉(Al2O3)烧结的.吹Ar压力一般为0.40.6MPa.n吹Ar使钢液沸腾,能去除钢液中的气体和夹杂物,还能起到一定的脱氧作用.3.氩氧脱碳精炼法n氩氧脱碳法(AOD)n(Argon Oxygen Decarburization).精炼过程:1500以上的钢水,装入精炼炉,吹入气体,回装炉体,处于垂直位置进行吹炼,开始时吹入的是氧气.随过程进行,氧气逐渐减少,氩气增多,后期全部用氩气吹炼.随时取样化验.吹氧使钢液脱碳,产生热量,钢液温度不会降低.钢液成分和

16、温度达到要求时,倾炉出钢.AOD精炼过程示意图AOD法吹炼过程的三阶段n(1)吹氧阶段n吹炼初期钢液含碳量高,吹氧脱碳,;n 2C+O22CO n 2Fe+ O2 2FeO n C+ 2FeO Fe+CO n经过一阶段的吹炼,碳的氧化反应接近平衡.n(2)吹氩-氧混合气体阶段 由于气泡中含有氩气,降低CO的分压,改变了C-O平衡关系,脱碳反应进一步进行. n C+ FeO Fe+CO n结果使钢液的含碳量进一步降低.n(3).吹氩阶段,停止共氧,钢液中的FeO 量得不到补充.吹氩促进碳进一部氧化,吹氩阶段,钢液含碳量进一步降低.n氩-氧的联合作用,脱碳进行的相当方便.在钢液含氧低的条件下,可将

17、碳量降到0.03%以下.最初用于炼超低碳钢,也可用于其它钢种.钢液中的气体和夹杂物降到很低的程度.H-2ppm; N80ppm. 为生产超高强度钢创造了条件.(常规:57ppm; 150500ppm)n另一个重要用途是生产超低碳不锈钢.不锈钢要求含碳量低,用电弧炉量钢很难把碳降得很低,因为要降碳,大量的Cr要被氧化.含碳量越低,Cr的烧损越多.AOD炉采用吹氩气,能在保证Cr氧化极低的情况下,将C降到很低的水平，能最大限度地脱碳保Cr.原理在于吹氩减低了气泡中CO的分压,改变了C-Cr之间的平衡关系,当PCO降低时，碳的氧化更充分，碳的平衡值更低。而Cr的氧化物为固相， PCO的变化对Cr的氧

18、化基本不发生影响，所以吹氩促进碳的氧化，而不促进Cr的氧化，nAOD精炼的前期是吹氧阶段，有很强的脱碳能力，可以吹炼高含碳量的钢水。可以利用高碳Cr铁，价格便宜，降低成本。现在都采用AOD法生产优质的超低碳不锈钢铸件。4.真空氧氩脱碳精炼法n真空氧氩脱碳精炼法-VODnVacuum Oxygen-Argon Decarburizationn 先用电弧熔化钢液，温度大于n1560，然后倒入底部有吹氩装置n的钢包内,钢包装入真空罐内。密n封,抽真空,上面吹氧脱碳,底部n吹氩搅拌。有观察孔,加料口,取n样装置.VOD法是一种良好的精炼n方法.真空、吹氧和吹氩相结合,n有很强的去除气体和夹杂物的n能力

19、,能炼出很纯净的钢水。与氧氩脱碳精炼(AOD)法相比:n优点:n (1)脱碳能力强，随真空度提高，气相中的CO分压进一步降低，钢液中的C被氧化得更低。VOD可以炼出0.01%C的工业纯铁。n (2)清除气体的能力更强，钢中H含量可降到1ppm以下;n (3)节省氩气用量，形成同样的吹氩沸腾净化作用，真空下，VOD法氩气用量只是AOD的1/101/8。n缺点：设备结构复杂，投资大。n VOD的应用比AOD少。5.真空氧氩脱碳精炼法n真空氧氩脱碳精炼法VODCnC(Converter)nVODC是VOD和AOD的结合，炉体转动装置与AOD基本相同，不同的是从底部吹氩，顶部吹氧。上面有可移动的真空罩。需要抽真空时，炉体竖直，真空罩压在炉