120t区域精炼工艺3-16详解课件

一、炉外精炼采用的手段及其功能

1.渣洗渣洗是能适量脱硫、脱氧、去夹杂、提高钢水纯净度的最简便的精炼手段。早在二十世纪30年代就已开始应用。渣洗工艺有一定的缺陷，如不能去除钢中气体，甚至可能增氮和造成二次氧化。为增强钢渣反应界面，应使钢、渣尽可能混匀、乳化，而为使乳化的合成渣尽可能上浮，又需要足够的镇静时间。另外，渣洗效果精炼渣的性能影响非常大。尽管渣洗有上述缺陷，但由于其操作方便、简洁，与其他精炼手段综合应用，可以有效的脱硫、脱氧和吸附夹杂。应用渣洗的炉外精炼方法有CAS、LF、VD等。1/25/20241.2.搅拌

搅拌是绝大部分炉外精炼方法都采用的基本手段。

冶金反应的速率与钢液被搅动的程度有关，因为搅拌可以扩大反应界面，加快传质，改善动力学条件，从而提高钢—渣—气的反应速度。炉外精炼方法，除了要创造最佳的热力学条件外，还必须提供最佳的动力学条件，因此搅拌几乎成为各种炉外精炼的必选。

搅拌作为一种炉外精炼手段，搅拌强度、持续时间应当可以按精炼要求控制。

较早出现的搅拌方法，是利用钢液本身的位能，依靠钢液的冲击，促使钢水搅动。

真空碳氧反应产生的CO气泡产生熔池搅拌，但搅拌强度较弱，持续的时间也不可能太长，精确控制也比较困难。

RH、DH等方法利用压差造成部分钢水位能差异，利用钢液回流搅动熔池，是一种简便可行的办法。

单纯的搅拌可以均匀成分、温度，促进夹杂物聚合、上浮。1/25/20242.3.真空

真空是炉外精炼中广泛采用的手段。真空对有气相参加，且反应前后气相分子数不同的反应均产生影响，促使反应向生成气相多的方向进行。

现在各种炉外精炼方法中，真空度通常有几十帕，对于钢液脱气、碳脱氧、超低碳钢脱碳等反应均能起到作用。只要提高真空度，并若辅以吹氩、脱碳反应或延长真空脱气时间，[H]含量可降到2ppm以下。

氮在钢水中传质慢，同时由于钢中固氮元素的影响，脱氮效率低一些，一般在20~30%。1/25/20243.4.喷吹

喷吹也称喷射，是将反应剂利用气流直接加入冶金熔体中的一种炉外精炼方法。由于它简便、高效，所以也经常作为一种精炼手段，组合到其他炉外精炼方法中。

喷吹技术利用气体的搅拌作用增加了粉状精炼剂和钢液的接触界面，显著改善冶金反应的动力学条件。因此可以实现快速脱硫、脱磷、脱氧，提高合金收得率，促使夹杂物变性等功能。

RH配备喷吹功能，可以进行深脱硫，生产超低硫钢。1/25/20244.5.喂线

喂线是通过喂线机将钙、铝、硅钙、钡系合金等制成的包芯线或铝等金属线高速加入到钢液的方法。具有如下特点：

·合金收得率高；

·能解决特种合金的加入问题；

·避免合金加入时的吸氮；

·投资费用少，应用范围广，操作简便。

喂线技术可单独应用。也可应用到各种精炼方法中。目前各种炉外精炼方法中都添加了喂线设施，并且以推广到中间包喂线、结晶器喂线。

采用不同的包芯线、金属线，喂线技术可具有脱氧、脱硫、夹杂物变性、防止水口堵塞等功能。1/25/20245.6.升温

加热是调节钢液温度的一项常用手段。炉外精炼设备大多配备加热手段。

采用电弧加热的方法有LF等炉外精炼方法，有些DH、RH的真空室内也设有电阻加热。还采用化学热法升温，即利用加铝（或碳、硅）吹氧氧化的化学热，使钢液升温，如CAS—OB、RH—OB、VOD等。

1/25/20246.二、LF精炼工艺1/25/20247.LF工艺流程1.只经LF处理的钢水到处理位测温、取样、定氧吹氩加渣料喂线预加热及补加渣料吹氩结束加保温剂钢水出站主加热合金微调测温、取样、定氧到等待位1/25/20248.2.经LF/VD(RH)处理的钢水到处理位测温、取样、定氧吹氩加渣料预加热及补加渣料吹氩结束钢水出站主加热合金微调测温、取样、定氧到等待位1/25/20249.LF主要技术参数公称容量：120t最大钢水处理量：150t最小钢水处理量：100t电极电流密度（国产电极）：27A/cm2电极直径：450mm电极最大电流：45KALF变压器功率（连续负载）：26MVA最大升温速度：5℃/min1/25/202410.LF炉主要设备LF设备主要包括：加热电源、炉盖、电极及控制装置、钢包车、钢包、除尘系统、底吹搅拌装置、加料系统。1/25/202411.LF的作用提高生产能力降低出钢温度提高合金收得率均匀钢水的成分和温度精确控制钢水的成分和温度协调炉机节奏钢水的脱硫和脱氧去除钢中的夹杂物以及夹杂物的变性处理1/25/202412.LF精炼工艺1.温度控制工艺1.1埋弧加热：减少吸氮；提高加热效率。1.2加热终了温度确定：TLF终了=T中+ΔT1+ΔT2TLF终了-最后一次加热结束后的钢包钢水温度。T中-中间包标准温度。ΔT1-过程温降。ΔT2-补偿温度。1/25/202413.2.还原渣精炼工艺LF炉利用白渣进行钢水精炼，实现钢水脱氧、脱硫，去除夹杂，白渣精炼是LF炉工艺操作的核心，也是提高钢水纯净度的重要保证。

目前LF精炼渣一般采用CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系

CaO主要来源于加入的石灰和初炼炉渣

SiO2和Al2O3主要来源于初炼炉渣、脱氧产物和耐火材料以及造渣料。

MgO来源于初炼炉渣、钢包和炉盖耐火材料。1/25/202414.精炼渣的要求：

合适的成分

低的熔化温度

低氧势

合适的粘度

高碱度

适当的渣量1/25/202415.要取得良好的精炼效果，控制好精炼渣的成分至关重要。对于LF处理来说，主要要控制以下几个方面：

适当的高碱度：高碱度渣有利于脱氧、脱硫和吸附夹杂，但是随着碱度的增加，渣的流动性降低，降低了精炼反应的动力学条件。同时，由于高碱度的精炼渣会形成点状夹杂，对轴承钢等钢种产生较大的影响，因此应根据实际需要控制适当的碱度。

低SiO2含量：SiO2含量的增加，势必增加石灰的加入量，造成消耗的增加和处理时间的延长，同时SiO2含量过高时，在高温和低氧势的精炼处理过程中，易发生Si的还原，最终影响成分的精确控制或造成成分出格。1/25/202416.适当的Al2O3含量：在渣中的Al2O3含量低于30%时，增加其含量，可以增加渣的流动性，改善动力学条件，但是Al2O3含量过高，不利于夹杂物的吸附。

低氧势：(FeO+MnO+Cr2O3)含量一般应控制在2.0%以下，以保证脱氧、脱硫效果。

CaF2：萤石有利于化渣，但是对包衬的侵蚀严重，因此应尽量减少其用量。

MgO：渣中的MgO含量增加，有利于提高钢包寿命，但是随着MgO含量的增加，渣子的流动性变差，恶化了动力学条件。

1/25/202417.加热工艺对精炼渣的要求要求高碱度精炼渣。高碱度精炼渣的导电性能良好，电弧稳定，一般要求碱度≥2。确保埋弧加热，提高热电效率。控制适当的渣层厚度，渣层过薄，无法保证埋弧加热，能耗增加，同时对钢包内衬的侵蚀加剧；渣层过厚，用于渣料消耗的能耗增加，同时由于电极被渣层包覆，电极区域的温度过程，将会发生如下反应：CaO+3C→CaC2+CO从而使电极消耗增加。一般情况下，控制渣层厚度为电弧长度的2倍左右为宜。1/25/202418.3.LF脱氧沉淀脱氧Al+O→Al2O3扩散脱氧Al+O2-→Al2O3Al2O3+CaO→(CaO)x(Al2O3)y1/25/202419.一般情况下，脱氧结束后Mn/Si要＞3，保证生成的硅化物在钢水中以液态存在。

脱氧产物应有效的从熔池中上浮并被精炼渣所吸附。

自由氧含量比全氧含量更易降低。

精炼渣的特性能满足脱氧的要求。1/25/202420.对于全氧来说，其去除速度主要取决于夹杂物的上浮速度和渣的吸附能力。搅拌时通过钢液的流动，促进夹杂物的碰撞、聚合，直径增大，利于上浮；在搅拌条件下，夹杂物与乳化渣碰撞，被渣滴吸附，随渣滴上浮排除。由于吸附夹杂，渣滴本身也长大，上浮速度加快；气体搅拌时，夹杂物吸附在气泡上，随气泡上升并排除。由于Al2O3比硅化合物更容易通过碰撞、聚合长大，因此更易去除。在精炼处理过程中，钢水被渣中的FeO、MnO以及大气中的氧二次氧化。1/25/202421.4.Ca处理对于Al脱氧镇静钢，钢中夹杂物主要是固态Al2O3夹杂物，熔点高，不易去除。通过向钢液中加入钙合金或高CaO渣料，将钢中固态的Al2O3转变为液态的铝酸钙球形夹杂，易于从钢液中排除。残余的夹杂物对钢材性能的影响也比固态Al2O3小。同时，含CaO很高的夹杂物中S的平衡浓度很高，可以吸附大量的S，当其温度降低时，CaS析出，生成复合夹杂物，该夹杂物为球形，熔点高，轧制时状态不变形。Ca处理必须在精炼处理结束后进行。喂入Ca线的速度要适当。喂线速度受钢水温度、钢带厚度、熔池深度等方面的影响，同时应考虑钢带表面钢水冷凝层厚度的影响。控制生成低熔点的铝酸钙夹杂。为了避免生产大量的CaS，应控制钢中的S含量。喂入CaSi线后，将会还原Si、Mn等元素。1/25/202422.5.吹氩搅拌工艺均匀成分均匀温度扩散脱氧脱硫夹杂物去除1/25/202423.吸气LF处理过程中的吸气主要由于气体分子在电弧的高温作用下，产生气体分子电离，同时在高温区域气体的溶解度增加，易造成吸气。由于在搅拌过程中造成钢水液面裸露，发生吸气以及二次氧化现象。处理时间越长，吸气越严重。应保证埋弧加热，减少吸气量。1/25/202424.三、VD工艺1/25/202425.VD工艺流程钢水到站测温、定氧、定氢吹氩抽真空保真空吹氩结束喂线加保温剂破真空测温、取样、定氧、定氢出站1/25/202426.VD主要技术参数真空泵抽真空能力：370kg/h（67Pa）抽真空时间（无预排空条件下）：≤5min工作真空度：67Pa极限真空度：26.7PaVD蒸汽消耗：12.1t/h蒸汽温度：≥190℃蒸汽锅炉能力：19t/h破真空时间：2min1/25/202427.VD炉主要设备VD炉主要设备有：真空罐、真空系统、真空罐盖车、底吹系统、加料系统等。1/25/202428.VD的作用均匀钢水温度和钢水成分。真空脱气。协调转炉连铸生产节奏。钢水深脱氧、脱硫。去除钢水中夹杂。夹杂物变性处理。成分微调。1/25/202429.VD精炼工艺1.真空脱气一般来讲，脱气过程可分为三个环节：由液相向气—液界面传质；在气—液界面上的化学反应；由气—液界面向气相传质。1/25/202430.在真空过程中，气—液界面的化学反应十分迅速；由于气相的分压很低，由气—液界面向气相传质的速度液很快。所以液相传质是钢液脱气中的限制性环节。

当钢液中存在CO或Ar气泡时，产生脱气反应。这些气泡中氢、氮的分压接近于零，在气液界面处产生[H]＝1/2H2和[N]＝1/2N2的反应，H2和N2进入CO或Ar气泡，随之上浮排除。CO或Ar气泡的数量越多，停留时间越长，脱气效果越好。同时脱气速度与气体在钢中含量有关，气体含量少时，脱气效果不明显。

真空条件下，气相分压大幅度减少，搅拌更加强烈，[H]、[N]反应界面增大，提高了气—液间的传质系数。1/25/202431.真空状态下，脱氢效果与以下因素有关：

☆初始含量：初始含量越低，达到最终含量的处理时间越短。钢液中初始含量并不取决于大气中的氢分压，钢液中〔H〕主要是空气中水蒸气和原材料中水分带入的。

☆处理时间：处理时间越长，最终〔H〕含量越低，但是当〔H〕含量降低到一定程度，随着处理时间的延长，最终〔H〕含量变化不大。因为此时钢水静压力和传质速度是其限制环节。

☆真空度：真空度提高，气相中氢分压降低，有利于脱氢反应。

☆吹氩搅拌：通过吹氩搅拌，相应增加了气液反应界面；提高了熔池内传质速度；氩气泡上浮时，溶解在钢中的〔H〕会以原子的形式进入氩气泡，氩气泡相当于一个个微小的真空室。

☆表面活性元素：〔O〕、〔S〕等表面活性元素含量的降低，有利于〔H〕原子通过气液界面。1/25/202432.真空脱氮：

氮在钢液中以两种形态存在：自由氮原子和结合氮（如AlN等）。由于钢液中和氮原子结合力强的元素（Al、Ti、V等）的存在，因此真空脱氮效果较差。

增加真空脱氮速度应采取以下措施：

☆降低初始含量：钢液中溶解的〔N〕主要来源于转炉吹炼过程、出钢过程、LF精炼过程中加入的原材料带入和大气中氮气溶解进入钢水中。因此应控制原材料和大气中进入钢水中的〔N〕。

☆提高真空度：提高真空度可以降低气相中氮分压，从而降低钢中氮的平衡压力。

☆降低钢中表面活性元素〔S〕、〔O〕的含量有利于脱氮反应的进行。

☆吹氩搅拌及CO气泡搅拌。1/25/202433.四、RH工艺1/25/202434.RH工艺流程钢水到站测温、定氧、定氢吹氩真空处理成分调整吹氩结束喂线加保温剂破真空测温、取样、定氧、定氢出站1/25/202435.RH炉主要设备RH的设备主要包括：能源介质系统、冷却水系统、钢包台车系统、真空槽车系统、真空排气系统、合金加料系统、顶枪系统、（喷粉系统）、(预热枪系统)、耐材修砌烘烤系统、真空槽维护系统、液压系统、三电控制系统和辅助设备等。1/25/202436.RH的作用升温。调整钢水温度和钢水成分。真空脱气。真空脱氧和真空脱碳。协调转炉和连铸生产节奏。去除钢水中夹杂。夹杂物变性处理。1/25/202437.1.钢水循环原理EH△BBP2P11/25/202438.RH钢液的循环原理类似于“气泡泵”的作用，当两个浸渍管插入到钢液一定深度时，启动真空泵，真空室被抽真空，由于真空室内外的压力差，钢液从两个浸渍管上升到与压力差相等的高度，即循环高度B，与此同时，上升管提升气体由于受热膨胀以及压力由P1降到P2而引起的等温膨胀，使上升管内钢液与气体的混合物密度降低，从而驱动钢液上升进入真空室内，使真空室内的平稳状态被打破，为保持平稳，一部分钢液从下降管回到钢包中，就这样钢水受到压力差和提升气体的作用不断从上升管涌入到真空室内，并经下降管回到钢包中，周而复始，实现钢液的循环。1/25/202439.2.提高环流量的方法森辛治公式Q:RH环流量，t/minG:环流气体流量(m3/min);d:环流管内径(m);p1,p2分别表示大气和真空室内压力(Pa)1/25/202440.增加循环管的截面积

增加提升气体流量

提高真空度

增加提升气体的进入高度1/25/202441.3.RH脱气从理论上讲，RH真空精炼过程中是具有脱氮能力，但是由于钢中氮的扩散速度很慢，在钢中氮含量很低的情况下，RH真空精炼过程中脱氮是很困难的，有时甚至由于RH真空室漏气或提升气体氩气不纯而增氮。在RH真空处理过程中调整氮含量的方法是在RH精炼过程中添加增氮剂，或采用氮气作为提升气体，提高RH真空精炼过程中的氮分压来增加钢中的氮含量。而通过提升气体来增氮还可以提高钢中氮含量的控制精度。1/25/202442.4.真空脱碳碳、氧反应原理RH真空脱碳时，［C］、［O］反应生产CO气体，降低真空槽中的CO分压使［C］、［O］反应向生成CO气体的方面进行。其反应的平衡常数为从热力学来讲主要是以下几个方面：1.CO的分压；2.[%C],[%O]的浓度1/25/202443.真空脱碳速度

RH内的脱碳速度取决于两个基本过程：

1.钢包内的混匀过程，主要取决于钢水量和环流量

2.真空室内的化学反应和混匀过程

在低碳区，碳的传质是反应的限制环节：

kc=60/［W(1/Q+1/αkcρ］

在高碳低氧区，氧的传质速度控制