炉外处理基础知识

第五章炉外处理第一节炉外处理的概况第二节炉外处理的基本手段第三节铁水的预处理技术第一节炉外处理的概况

一、现代炼钢流程

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

其中钢水二次精炼与铁水预处理在这里我们统称为炉外处理。二、炉外处理技术与目的炉外处理技术是在初炼炉（转炉、电炉）以外的钢包或专用容器中，对金属液（铁水或钢液）进行炉外处理的精炼方法。炉外处理的主要目的：铁水预处理：脱硫、脱硅及同时脱磷—脱硫；钢水二次精炼：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。第二节炉外处理的基本手段为了创造最佳的冶金反应条件，所采用的基本手段不外乎搅拌、真空、加热、渣洗、喷吹及喂丝等几种。当前各种炉外精炼方法也都是这些基本手段的不同组合。一、搅拌

对反应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。

反应器的搅拌强度用单位重量的金属液所得到的搅拌能密度衡量，搅拌的效果通常用反应器内的均匀混合时间τ来反映。

事实上，反应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、熔池的几何形状等均有关。1、气体搅拌

底吹氩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。

优点：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。缺点：透气砖有时易堵塞，与钢包寿命不同步。(a)Q=1.19×10-2Nm3/h(b)Q=3.56×10-2Nm3/h(c)Q=4.75×10-2Nm3/h典型的底吹氩气泡行为图

顶吹氩

顶吹氩是通过吹氩枪从钢包上部浸入钢水进行吹氩搅拌。要求设立固定吹氩站，该方法操作稳定也可喷吹粉剂。但顶吹氩搅拌效果不如底吹氩好。吹氩搅拌对金属液所作的功

◆氩气在出口处因温度升高产生的体积膨胀功Wt

◆氩气在金属液中因浮力所做的功Wb

◆氩气从出口前的压力降至出口压力时的膨胀功Wp

◆氩气吹入时的动能We从它们的计算值比较可知，Wt和Wb较大，而Wp和We较小，可忽略。

氩气对钢液的搅拌能密度通常用下式计算：Q—气体流量；W—钢液重量；TG、TL—气体与钢液温度；H0—钢液深度；P2—钢液面压力。

增加吹氩流量，增大钢液的深度均可提高氩气对钢液的搅拌能。

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2、电磁搅拌

3、循环搅拌

典型的循环搅拌:RH、DH。又称吸吐搅拌。在RH精炼中，钢包内的搅拌是由真空室内钢液注流进入钢包中引起的。其搅拌能为注入钢液的动能：增大搅拌能，可通过增大钢液循环量来实现。增加吹氩流量，增大上升管直径和下降管直径均可增大搅拌能。温度梯度和浓度梯度通过搅拌很易消除。在一个合理的气量下，经过2～3min就可以达到均匀化效果。常用钢包搅拌系统示意图

二、真空

当反应生成物为气体时，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。

钢水真空处理工艺示意图

三、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。渣洗法是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。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，与钢液的接触面积大大增加。因此，可以显著提高精炼效果。

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。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。合金的喂入与喷粉工艺示意图

四、加热

钢液在进行炉外精炼时，有热量损失，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，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。常用的加热方法有电加热和化学加热。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。化学加热是利用放热反应产生的化学热来加热钢液的。常用的方法有硅热法、铝热法和CO二次燃烧法。化学加热需吹入氧气，与硅、铝、CO反应，才能产生热量。钢包加热系统工艺示意图

第三节铁水预处理技术

铁水预处理是指铁水兑入炼钢炉之前对其进行脱除杂质元素或从铁水中回收有价值元素的一种铁水处理工艺。铁水预处理分为普通铁水预处理和特殊铁水预处理两类。普通铁水预处理包括铁水脱硅、脱硫和脱磷（即“三脱”）。特殊铁水预处理是针对铁水中的特殊元素进行提纯精炼或资源综合利用而进行的处理过程，如铁水提钒、提铌、提钨等。铁水预处理工艺兴起于20世纪70年代。目前，铁水预处理和钢水炉外精炼已成为近五十年来钢铁工业迅速发展起来的两项重要工艺技术。铁水预处理在日本、美国等国发展非常快，处理量基本上在70%-80%以上，有的企业己达100%。日本“三脱”技术发展最快，应用最广泛。我国铁水预处理起步较晚，但近年来发展很快，宝钢、太钢等分别建成了“三脱”预处理设备，鞍钢、武钢等多家企业都建成了铁水预脱硫、预脱磷设备。一、铁水预脱硅铁水预脱硅技术是基于铁水预脱磷技术而发展起来的。铁水中硅的氧势比磷的氧势低得多，当脱磷过程加入氧化剂后，硅与氧的结合能力远远大于磷与氧的结合能力，所以硅比磷优先氧化。

脱磷前必须优先将铁水硅氧化到远远低于高炉铁水硅含量的0.15%以下，磷才能被迅速氧化去除。硅含量与脱磷速率常数的关系图

为了减少脱磷剂用量、提高脱磷效率，开发了铁水预脱硅技术。1、铁水预脱硅基本原理铁水中的硅与氧有很强的亲和力，因此硅很容易与氧反应而被氧化去除。常用的铁水脱硅剂均为氧化剂，主要有：◆固体氧化剂，如高碱度烧结矿、氧化铁皮、铁矿石、铁锰矿、烧结粉尘；◆气体氧化剂，如氧气或空气。

2、铁水预脱硅方法及其选择

铁水预脱硅主要有三种方法:◆高炉出铁沟脱硅

；◆鱼雷罐车或铁水罐中喷射脱硅剂脱硅；◆“两段式”脱硅，即为前两种方法的结合，先在铁水沟内加脱硅剂脱硅，然后在鱼雷罐车或铁水罐中喷吹脱硅。高炉出铁沟脱硅

优点：脱硅不占用时间，能大量处理，温降小，时间短，渣铁分离方便。缺点：用于脱硅反应的氧的利用率低和工作条件较差。铁水罐中喷射脱硅剂脱硅特点：工作条件好，处理能力大，脱硅效率高且稳定。缺点：占用时间长，温降较大。“两段式”脱硅法

当铁水含硅量低于0.4%时，可采用铁水沟脱硅法。当硅含量大于0.4%时，脱硅剂用量增大，泡沫渣严重，适宜采用脱硅效率高的喷吹法或两段法。若炼钢厂扒渣能力不足，应采用两段脱硅法，利用挡渣器分离渣铁。日本新日铁某厂在高炉出铁沟和300t鱼雷罐车上采用两段法进行脱硅处理，处理后硅含量可以达到0.12%。二、铁水预脱硫1、铁水预脱硫的意义

铁水中含有大量的硅、碳和锰等还原性好的元素，能够大大提高硫的活度系数，在使用不同类型的脱硫剂，特别是强脱硫剂如钙、镁、稀土等金属及其合金时，硫很容易就能脱到很低水平。对炼钢来说，铁水炉外脱硫能减轻负担、简化操作和提高炼钢生产率。可减少渣量和提高金属收得率，并为转炉冶炼品种钢创造条件。在铁水预处理温度下，硫元素的稳定状态是气态（硫的沸点为445℃），但在有金属液和熔渣的情况下，硫能溶解在金属液和熔渣中。硫在铁液中的溶解度很高，在铁水温度下能同很多金属和非金属元素结合成气、液相化合物。各种脱硫方法的实质都是将溶解在金属液中的硫转变为在金属液中不溶解的相，进入熔渣或经熔渣再从气相逸出。目前，生产中常用的脱硫剂有石灰（CaO）、碳化钙（CaC2）、苏打（Na2CO3）、金属镁、钙以及由他们组成的各种复合脱硫剂。2、铁水预脱硫的基本原理

CaC2、Mg和Na2O的脱硫能力均较CaO强很多，而且脱硫反应平衡时的硫含量前三者也可以达到较低的水平。实际处理中，如果要求铁水预脱硫终点硫含量小于0.005%，可选用Mg、CaC2以及它们组成的复合脱硫剂。用苏打粉脱硫时由于产生回硫现象，很难达到0.005%以下的水平。碱性渣脱硫按熔渣的离子理论，强化碱性渣脱硫能力的热力学条件是：提高熔渣的碱度，降低脱硫体系中的氧势，提高脱硫温度。3、铁水预脱硫方法目前已经开发的铁水预脱硫方法很多，部分典型处理方法见下图。

KR法和以镁为主的喷吹法是最普遍和最广泛的方法。

KR法金属损失很小，因为是在铁水熔池深部进行搅拌，金属喷溅较少。镁脱硫方法目前国内普遍应用的方式有：单喷颗粒镁、CaO-Mg复合喷吹、CaC2-Mg复合喷吹，这几种方法均具有生产[S]≤0.005%铁水的深脱硫能力。随着用户对高强度、高韧性、高抗应力腐蚀性能钢种需求量的不断增加和质量要求的日益严格，世界各国都在努力降低钢中磷含量。为了降低氧气转炉钢的生产成本和实行少渣炼钢，也要求铁水磷含量小于0.015%。三、铁水预脱磷铁水中的磷首先氧化成P2O5，然后与强碱性氧化物结合成稳定的磷酸盐而去除。在铁水预脱磷过程中，首先要有适当的氧化剂将溶解于铁水中的磷氧化，然后采用强有力的固定剂，使被氧化的磷牢固地结合在炉渣中。1、铁水预脱磷的基本原理◆在高炉出铁沟或出铁槽内进行脱磷◆在铁水包或鱼雷罐车中进行预脱磷◆在专用转炉内进行铁水预脱磷

与鱼雷罐车内或铁水包内进行的铁水预处理脱磷相比，在转炉内进行铁水脱磷预处理的优点是转炉的容积大、反应速度快、效率高、可节省造渣剂的用量，吹氧量较大时也不易发生严重的溢渣现象，有利于生产超低磷钢，尤其是中高碳的超低磷钢。2、铁水预脱磷方法在氧化性条件下，渣铁间的磷硫分配比可表示为：四、铁水同时脱硫脱磷

在温度和铁水成分一定时，选择磷容量CP和硫容量CS较大的渣系，就能得到较大的LP和LS值，实现同时脱磷脱硫。在一定渣系条件下，可以通过控制熔渣—铁水界面的氧位来调节LP和LS值的大小，即增大氧位能增大LP和减小LS，反之亦然。这样，可以根据铁水脱磷和脱硫的程度要求，控制合适的氧位，有效地实现铁水的同时脱磷脱硫。SARP生产工艺流程图将高炉铁水首先脱Si，当[Si]＜0.1％后，扒出高炉渣，然后喷吹苏打粉19kg/t，使铁水脱硫96％，脱磷95％。五、钢水的二次精炼1、钢水二次精炼的发展背景

二十世纪60年代，在世界范围内，传统的炼钢方法发生了根本性的变化——“功能分化”，即由原来单一设备初炼及精炼的一步炼钢法，变成由传统炼钢设备初炼，然后在炉外另一容器中进行精炼，即“二步炼钢”（SecondarySteelmakingProcess），又称“二次精炼”（SecondaryRefining）、“炉外精炼”。时间可追朔到1933年法国的佩兰（R.Perrin）应用高碱度合成渣，对钢液进行“渣洗脱硫”，这应该属于二次精炼的前身——炉外处理。作为钢水的二次精炼，始于1952年真空铸锭法，其后，相继开发出DH、RH、LVD、ASEA-SKF、VAD、LF法等等。目前，经炉外精炼的普通钢已超过总钢产量的80％，特殊钢的炉外精炼比已超过95％。而且出现大量炉外精炼比达到100％的车间。2、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。

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。

3）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，而且生产率低、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。

4）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（常要求铁水进行炉外处理），以及出钢沉淀脱氧，钢中夹杂物多，使得所炼钢种受到限制。当超高功率电炉出现发挥了炉外精炼的作用，就超高功率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。3、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，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，尤其是转炉在生产的钢种上可以与电炉竞争。

3）调节炼-浇节奏，实现多炉连浇在炼钢设备与连铸机之间设置的具备保持和调温的缓冲设备—炉外精炼炉，则可显著地改善炼钢设备和连铸机的配合，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。

4、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。从有无补偿加热装置分为：钢包处理型钢包精炼型

尽管炉外精炼方法多达几十种，但比较普遍的、常用的就那么几种，见图。针对不同钢种、不同流程，采用不同的炉外精炼方法，如：合结钢：电炉（EBT）—LF炉—连铸轴承钢：电炉（EBT）—LF炉—VD—连铸电炉（EBT）—LF炉—RH—连铸不锈钢：电炉（槽）—VOD—（LF炉）—连铸电炉（槽）—AOD—（LF炉）—连铸电炉（槽）—AOD—VOD—（LF炉）—连铸日本电炉配炉外精炼的情况见表7-1。常用的炉外精炼方法5、钢包精炼型

钢包精炼型中典型的炉外精炼方法当属ASEA-SKF与LF法，前者是1965年瑞典通用电气公司（ASEA）与瑞典轴承公司（SKF）合作开发的，简称ASEA-SKF法。后者是日本特殊钢公司开发的钢包炉——LadleFurnace，简称LF。两者的主要差别在于钢水的搅拌，前者为低频电磁搅拌，而后者为氩气搅拌。世界范围广泛采用LF法，以下主要介绍LF法。钢水真空处理工艺示意图

LF法

钢包处理型处理钢水过程中，因钢水的温降而使渣及合金成分的调整以及处理时间等都受到限制。如果用提高初炼炉出钢温度的办法保证渣熔化及足够的精炼时间，势必加重初炼炉的负担，降低炉衬寿命。1971年，日本特殊钢公司开发的LadleFurnace，简称“LF”、“LF炉”、“LF钢包炉”、“LF钢包精炼炉”、“钢包炉”、“钢包精炼炉”等。该炉采用碱性合成渣，埋弧加热，吹氩搅拌，在还原气氛下精炼，钢包炉的原理图见下图。LF炉设备示意图1—滑动水口；2—支座；3—钢包；4—惰性气体；5—防溅包盖；6一真空室盖；7一电极；8一电极夹头；9一合金料斗；10—测温取样；11—窥孔；12—真空管道；13—真空系统

（1）LF炉设备组成

LF炉主要由钢包炉体、电极加热系统、吹氩搅拌系统、合金加料系统以及测温取样系统等部分组成。因LF炉设备简单，操作灵活、精炼效果好以及投资费用低等，而受到普遍重视，并得到了广泛的应用。（2）LF炉主要冶金功能及精炼手段LF炉具有的主要冶金功能有：钢水升温、调温及保温功能强化脱氧、脱硫功能合金微调功能采用的精炼手段有：吹氩搅拌埋弧加热造强还原气氛造碱性合成渣

1）氩气搅拌这是LF炉最大的贡献——强化精炼（还原）。“强化”——加速钢-渣之间接触，有利于钢液脱氧、脱硫反应，加速夹杂物的上浮及均匀钢液成分与温度。

2）埋弧加热降低初炼炉出钢温度，补偿精炼过程吹氩、合金化等温度损失。