炉外精炼-概述

炼钢工艺与操作炉外精炼-概述1.概述

1现代炼钢流程长流程：高炉——铁水预处理——转炉——钢水二次精炼——连铸短流程：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。

2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。

1.概述

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。1.1炉外精炼相关知识1.概述

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。1.概述（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。

1.概述

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100ppm。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。1.概述（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。

1.概述

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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%。1.概述(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。1.概述

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。1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。

1.2精炼手段1.概述

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1)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。1.概述2)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。

1.概述（2）电磁搅拌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

1.概述（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。

1.概述

常用钢包搅拌系统示1.概述2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。

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钢水真空处理工艺示意图1.概述

3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。（1）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。（2）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。1.概述（3）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。

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合金的喂入与喷粉工艺示意图1.概述

4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。（1）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。（2）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。

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钢包加热系统工艺示意图1.概述

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炉外精炼方法多达几十种，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。2从有无补偿加热装置分为：钢包处理型钢包精炼型1