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1、铁水预处理与炉外精炼 讲座,苗木池主讲,铁水预处理与炉外精炼综述,铁水预处理与钢水炉外精炼是20世纪50年代迅速发展起来的两项重要钢铁冶炼工艺技术，铁水预处理设备包括高炉铁水的炉外预脱硫、脱硅、脱磷处理，为转炉提供优质铁水；经过转炉初炼的钢液再进入钢包或专用容器内进一步精炼（称炉外精炼或二次冶炼），调整和均匀钢液的调质和成分，去除钢中的气体、有害元素和非金属夹杂物等，达到洁净钢液、提高钢水质量的目的。,铁水预处理是指：在高炉出铁沟槽、铁水输送罐、鱼雷罐车、铁水包甚至预处理用转炉中，预先脱除铁水中的硅、磷、硫，对一些特殊成分(如钒、钛、高磷铁水中的磷)进行富集预处理，并除去这些元素与化合物高含量
2、的炉渣； 炉外精炼是指：在转炉或电炉内初炼的钢液倒入钢包或专用容器内进行脱氧、脱硫、脱碳、去气、去除非金属夹杂物和调整钢液成分及温度以达到进一步冶炼目的的炼钢工艺。即将在常规炼钢炉中完成的精炼任务，如去除杂质(包括不需要的元素、气体和夹杂)、调整和均匀成分和温度的任务，部分或全部地移到钢包或其他容器中进行。把一步炼钢法变为二步炼钢法，国外也称之为二次精炼(Secondary Refining)、二次炼钢(Secondary steelmaking)和钢包冶金(Ladle Metallurgy)。初炼时炉料在氧化性气氛的炉内进行溶化、脱磷、脱碳、去除夹杂物和主合金化，获得初炼钢液；精炼则是将初炼
3、的钢液在真空、惰性气体或还原性气氛的容器内进行脱气、脱氧、脱硫、去除夹杂物和成分微调等。可提高钢的质量，缩短冶炼时间、优化工艺过程并降低生产成本。,铁水预处理与炉外精炼的产生和发展 半世纪以来迅速发展的钢铁冶金重要技术； 洁净钢的生产是现代科学技术的发展和现 代工业的需要； 提高生产率的需要； 满足不同钢种的特殊要求。 转炉炼钢、连铸、炉外精炼和超高功率电 弧炉是现代钢铁生产四大关键技术,所谓洁净钢,通常指非金属夹杂物(主要是各类氧化物和硫化物) 含量少的钢。也有人认为,洁净钢是指钢中S , P ,H ,O ,N 含量极低的钢。,一铁水预处理 铁水预处理是指铁水进入转炉之前的进行的脱硫、脱硅、
4、脱磷预处理（简称铁水三脱处理）和特殊铁水的提钒、提铌、提钨预处理（简称铁 水三提处理）图P3 随着炼钢工艺的不断完善和材料工艺对钢铁产品质量的严格要求，铁水预处理逐步形成钢铁冶金的重要环节，我国的宝钢、武钢、鞍钢、攀钢、唐钢、首钢等也都采用了铁水与脱硫处理，宝钢和太钢还采用了三脱处理。攀钢、包钢、承钢等共生矿资源综合利用，广泛应用了三提处理，以提取钒、铌、钨为主要目的。 传统的转炉生产工艺流程已逐步被现代化钢铁生产工艺流程所替代，既高炉炼铁-铁水预处理-转炉冶炼-炉外精炼-连铸连轧或连铸-铸坯热送直接轧制。这已成为国内外大型钢铁企业技术改造后的普遍模式。 铁水预处理目的针对炼钢而言，主要是使其
5、中的硫、磷、硅含量降低到要求范围，以简化炼钢过程提高钢的质量。铁水预处理按需要可以分别在炼铁工序和炼钢工序的设备内，如铁水沟、鱼雷罐、铁水包或专用冶金炉内进行。,铁水预处理原理与方法 铁水预处理是在原则不外加热源的情况下，利用处理剂活性物质与铁水中待脱除元素进行快速反应，形成稳定的渣相而和铁水分离的过程。 铁水预处理脱硫反应为： S+M=(Ms)或 式中： S+Mo=(Ms)+O M指金属脱硫剂中金属元素（如Mg、 S+Mc=(Ms)+C Ca、Ca-Si） Mo金属氧化物脱硫剂（如CaO）; Mc金属碳化物脱硫剂（如CaC2） 铁水预处理脱硅、脱磷反应为： Si2O（SiO2） 4/5P 2
6、O2/5（P2O5）,铁水预处理工艺方法有： 铁水沟连续处理方法； 铁水罐喷吹法； 机械搅拌法； 专用炉法。 预脱硫技术的发展和现状 早期预处理工艺方法机械搅拌法，由于喷射冶金技术的发展（喷粉）广泛用于铁水预处理。预处理脱硫剂，早期使用CaO为基本原料，但由于CaO基脱硫剂产生的脱硫渣流动性差，无法正常使用扒渣设备难以适应（现已能生产各种型号的气动和液动扒渣机，预计研制出新设备：真空吸渣及技术与装备）现在预处理脱硫剂广泛采用镁基脱硫剂，特点：减少金属损失，冶金效果好，生产效益高，钢铁厂首选材料。,我国铁水预处理技术起步较早，但发展较慢，与主要产钢国家相比，预处理较低，技术不成熟等一系列问题，并
7、在一定程度上影响了洁净钢的生产。 CaC2基脱硫剂由于成本高，运输和使用中需要建设复杂的安全系统，正逐渐失去它的地位，镁基脱硫剂已成为主导产品，另外，大型企业中将逐渐改变在鱼雷罐中进行铁水预处理的思路，主要转向铁水包脱硫或专用转炉脱硫。 铁水预处理在八十年代以前是进行预脱硫处理，八十年代以后开始发展为三脱(脱硅、脱磷、脱硫)处理。我国目前大型钢厂已广泛开展预脱硫处理。,铁水预处理容器的选择 根据铁水预处理容器的选择，脱硫工艺可分为： 混铁车喷吹法 铁水罐法 铁水包法 发展趋势： 采用铁水包作为铁水脱硫预处理的容器,铁水预处理与纯净钢生产实践 高炉铁水常规(轻)脱硫(S 0.02%)复吹转炉(脱
8、磷、脱碳、升温)钢水精炼(脱氧、去气体、去夹杂)普通钢水，此即常规流程(生产普通钢种)。 高炉铁水深度脱硫(S0.005%)复吹转炉(脱磷、脱碳、升温)钢水精炼(脱硫、去气体、去夹杂)低硫钢水(S0.005%)，此即纯净钢流程。 其中生产超低硫钢(S0.002%)，铁水则要深脱硫至S0.002%0.003%。,铁水预脱硫扒碴设备及工艺流程 1)宝钢混铁车顶喷脱硫设备及工艺流程:见图P4、P5 宝钢混铁车顶喷脱硫设备(TDS)自1985年9月20日投入试生产后，实际情况表明，这种预处理方法具有处理能力大，设备利用率高，能够生产低硫铁水等优点，其主要设备如图P5所示。 脱硫作业在鱼雷式铁水罐车内进
9、行，以氮气为载流气体，采用顶喷法将脱硫剂(CaC2，CaO)喷入铁水。脱硫操作室内装有CRT显示装置，能传送及显示有关混铁车铁水脱硫所需的各种信息，例如混铁车车号，高炉炉号，出铁号，估计出铁量、铁水成分(Si、Mn，P、S)和铁水温度，以及收集和管理脱硫作业中的有关数据。为了远距离监视脱硫过程，尚设有工业电视 。,2）首钢混铁车和铁水包脱硫扒渣设备及工艺流程: 首钢第三炼钢厂工艺流程： 铁水包喷镁脱硫装置1座，鱼雷罐铁水喷粉脱硫设备1套 主要设备 该厂脱硫设备为国产设备，主要包括：供气系统、供料系统、喷枪系统、夹钳装置、喷枪维修设备、电控系统、仪表及检测系统、扒渣机和铁水罐倾翻车等。其中，喷枪
10、系统与除尘烟道和防尘罩集结于一体，可以在水平轨道上移动到喷吹工位及待机工位，设计比较灵活。 主要工艺参数 铁水包喷镁脱硫设计的主要工艺参数为： (1)储料系统 罐体有效容积：5 m 罐体工作压力：1 MPa 最大装料量：5 000 kg,(2)喷吹系统 喷吹罐有效容积：06 m 喷镁速度的调节精度：-I-03 kgmin 喷镁速度(无级可调)：118 kgmin 喷吹氮气压力：06 MPa 最大装料量：500 kg (3)铁水包 容量：80 t 净高：400600 mm (4)喷枪系统 喷枪气化室最大直径：700 mm 喷枪长度：8985 mm,喷枪系统采用组装式气化室喷枪，重约17t，长约8
11、9 m，气化室最大直径700 mm，喷枪升降行程为15 mmin，升降力为100 kN，实现了喷枪触底的瞬间驱动装置立即停机并自动升高200 mm，喷吹自动重新开始。 工艺流程： 装有高炉铁水的260 t铁水鱼雷罐运至第三炼钢厂一90 t铁包一脱硫间一喷镁脱硫一捞渣(原采用气动扒渣机，因铁损大而改为回转式捞渣机)一140 t天车吊一至炉前兑铁。 脱硫应用条件和技术参数：若铁水初始硫含量不大于0030 ，能满足品种质量需要，就不进行脱硫，必要时只进行捞渣处理；当初始硫含量不小于0040时，冶炼低硫钢时就必须进行铁水脱硫；当冶炼纯铁、钢帘线时，需要入炉铁 水硫含量不大于0005 ，则必须进行深脱硫
12、处理。,首钢第二炼钢厂采用乌克兰单吹颗粒镁脱硫技术，建有2座铁水脱硫站，其设计能力为年处理铁水330万t，该工艺具有脱硫率高、综合成本低、操作简便和易于过程控制等优点，因此受到越来越多的冶金同行的认可。 工艺技术参数 第二炼钢厂单吹颗粒镁脱硫工艺技术参数如下： ( (1)脱硫剂为 0516 mm的球状钝化颗粒镁，其镁含量不小于 92 (粒度大于3 mm不规则针状钝化颗粒镁的含量小于8)； (2)喷吹气体为惰性气体N ，供氮压力为0610 MPa，流量120140 m h；颗粒镁喷吹强度为614 kgmin； (3)铁水重量为185215 t，温度为1 250 1 400 oC； (4)铁水包净
13、空不小于400 mm ； (5)喷枪端部距包底高度为200250 mm。,铁水脱硫预处理效果 首钢,二.炉外精炼 一.炉外精炼的主要目的和任务 1）降低钢中氧、硫、氢、氮和非金属夹杂物含量，改变夹杂物形态，以提高钢的纯净度，改善钢的机械性能。 2）深脱碳，满足低碳或超低碳钢的要求。在特定条件下，把碳脱到极低的水平。 3）微调合金成分，把合金成分控制在很窄的范围内，并使其分布均匀，尽量降低合金的消耗，以提高合金收得率。 4）调整钢水温度到浇注所要求的范围内，最大限度地减小包内钢水的温度梯度。,二、炉外精炼的手段 渣洗：获得洁净钢并能适当进行脱氧、脱硫的最简便的精炼手段。将事先配好(在专门炼渣炉中
14、赔炼)的合成渣倒入钢包内，借出钢时钢流的冲击作用，使钢液与合成渣充分混合，从而完成脱氧、脱硫和去除夹杂等精炼任务。 真空：将钢水置于真空室内，由于真空作用使反应向生成气相方向移动，达到脱气、脱氧、脱碳等的目的。是炉外精炼中广泛应用的一种方法。 搅拌：通过搅拌扩大反应界面，加速反应过程，提高反应速度。搅拌方法：吹氩搅拌，电磁搅拌。 加热：调节钢水温度的一项重要手段，使炼钢与连铸更好地衔接。加热方法：电弧加热，化学热法。 喷吹：将反应剂加入钢液内的一种手段，喷吹的冶金功能取决于精炼剂的种类。它们完成脱碳、脱硫、脱氧、合金化和控制夹杂物形态等精炼任务。 过滤：随着技术的进步出现的一种新的精炼手段，如
15、利用陶瓷过滤器将钢中的氧化物夹杂等过滤掉。,三、炉外精炼方法的分类 1、渣洗法 1) 合成渣洗法(Perrin法 1933年法国开发) 2) 同炉渣洗法（电炉上普遍采用） 3) 混合炼钢 2、吹氩及真空 1) 钢包吹氩 2) CAS法（CAS-OB法） 3) 真空吹氩（VD） 4) 真空脱气 5) DH法 6) RH法,3、低碳钢液的精炼 1)VOD法 2)AOD法 3 RH-OB法 (OB-Oxygen Blowing) 4)CLU法（法国的克勒索-卢瓦尔(Crousol-loire)公司与瑞典的乌德霍尔姆(Uddeholms)公司联合研制） 4、钢包精炼炉 1) ASEA-SKF法（瑞典两
16、家研制公司的缩写） 2) VAD法 (Vacuum Arc Degassing) 3) LF(V)法 (Ladle Furnace) 5、固定料的添加方法 1) 喷射冶金 (TN、SL等) 2) 喂丝法 (Wire Feeding),炉外精炼法示意图,四、炉外精炼主要装置工艺目标和功能,炉外精炼方法的选择 炉外精炼方法的选择主要取决于生产的钢种。不同产品对炉外精炼的功能有不同的要求，例如各种产品对精炼功能的一般要求： 厚板钢：脱氢、脱硫、减少氧化物夹杂； 钢轨：脱氢； 薄板：脱碳、脱氧； 管材：脱硫、减少夹杂物； 弹簧钢：减少氧化物夹杂； 轴承钢：脱氧、减少氧化物夹杂、脱硫、改变硫化物形态；
17、硅钢：脱碳、脱氢、微调成分； 不锈钢：脱碳保铬、脱氢、减少夹杂物、降低成本,主要的精炼工艺 LF(Ladle Furnace process)； AOD(Argon-oxygen decaburizition process ); VOD (Vacuum oxygen decrease process) ; RH (Ruhrstahl Heraeus process); CAS-OB( Composition adjustments by sealed argon -oxygen blowing process) ； 喂线 (Insert thread) ； 钢包吹氩搅拌(Ladle argo
18、n stirring)； 喷粉( powder injection )。,钢包吹氩(Ladle argon stirring) 钢包吹氩是目前国内外采用最广泛的一种炉外精炼方法，目前我国的转炉配连铸的车间，一般都配有钢包吹氩设施。钢包吹氩是一种成本较低而又操作简便的钢水炉外处理措施，通过吹氩搅拌钢液，驱动钢液自下而上运动，均匀钢液的成分和湿度，氩气泡在上升过程中吸附钢液中溶解的气体和非金属夹杂物并将其排出液面。这对于保证连铸的正常浇注非常重要，所以一般钢厂都规定连铸钢水必须经过吹氩处理。 1）钢包吹氩对去氢的作用： 为了达到预定的去氢效果，通常把至少必需的吹氩量称为去氢临界供氩量，钢液中的氢在
19、高温下扩散很快，钢液沸腾时气泡中氩的分压力与钢液中的氢之间的关系服从西华特定律。 钢包吹氩去氧的作用： 如果钢液未完全脱氧，钢液中有相当数量的溶解氧时，那么吹氩还可以脱除部分钢中的溶解氧，起到脱氧和脱碳的作用。 吹氩时间：一般515分钟，与钢包容量和钢种有关，时间不宜太长，否则温降过大，也不宜太短。吹氩时间不够，碳氧反应未能充分进行，非金属夹杂物和气体不能有效排除，吹氩效果不显著。,真空吹氩脱气法VD/VOD炉 这种方法是美国芬克尔（Finkl）1958公司年首先提出来的，所以也叫芬克尔法，在我国一般简称为VD(Vacuum Degassing)法。 VD 的功能仅是真空加搅拌， VOD 是V
20、acuum and stir and injection oxygen； VD主要应用于轴承钢脱氧； VOD 主要用于不锈钢冶炼； VD法特点: 钢包脱气法只有钢包上部一层钢液与真空作用，所以脱气效果差。而VD法的精炼手段是吹氩搅拌与真空相结合，真空状态下吹氩搅拌钢液，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液内溶解的气体，加强了真空脱气效果，脱氢率可达到4278%，同时上浮的氩气泡还能沾附夹杂物，促使夹杂物从钢液中排除。使钢的纯净度提高，清除钢的白点和发纹缺陷。,工艺过程： 将钢包座入真空窒内，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1015m
21、in后可达到工作真空度（0.11mmHg），在真空下保持10min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。,精炼效果 （1）脱氧：经VD法精炼后钢中全氧含量在1227ppm之间，溶解氧含量一般为715ppm，溶解氧的脱除率平均为82%。 （2）脱氢：脱氢率平均55%，氢含量为2.34ppm。 （3）温度均匀：处理前不同部位的温差为，处理后为。 （4） 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。 （5）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。,CASOB法 1、CAS法
22、：CASComposition adjustment by sealed argon bubbling，即密封吹氩微调合金成分。这是日本新日铁公司八幡技术研究所1975年开发的炉外精炼技术。,这种方法是在以往的钢包底吹氩均匀钢液成分和温度功能的基础上，在钢液面上插入一个隔离罩，憋开炉渣，铁合金从隔离罩上面加入，不与炉渣接触。直接加入到钢液内，并在底吹氩搅拌下，微调合金成分。提高了合金收得率。此外，这种方法还有利于消除钢中的大型夹杂物，以较低的成本获得纯净的钢水。 CAS法的设备：钢包底吹氩系统；隔离罩（或浸渍罩）及其升降机构，隔离罩由罩体和浸入部分组成，浸入部分用高铝耐火水泥浇铸而成；合金料加
23、入系统，有合金料仓，电磁振动给料器，电子衡量装置，输送皮带；还有测温取样和割渣装置。,精炼工艺过程是：氩气通过安装在包底的弥散型透气砖吹入钢液进行搅拌，在上升的气液两相区的流股作用下，钢液沸腾，氩气流股上方的钢液表面凸起，将熔渣向周围推开，当裸露的钢液表面积相当于隔离罩面积时降下隔离罩，插入裸露的钢液内，罩内呈密封状态，钢液面无炉渣覆盖，加上吹氩使罩内充满氩气，形成相对的惰性气氛，保持氩气正压，调整成分用的铁合金从罩的顶部加入不经过炉渣，因此合金收得率高，且稳定，成分迅速均匀，并可精确调整成分。 与常规吹氩搅拌处理钢水比较，处理78分钟，钢中总氧量由100ppm可降到40ppm以下，处理后钢中
24、非金属夹杂物明显减少，尤其40以上的大型夹杂物可减少50%；2040的夹杂物可减少1/21/3，大大改善钢的质量。,2、CASOB法： 为了快速补偿CAS法处理过程中的温降，在隔离罩上再加一支氧枪对钢水进行吹氧（同时加铝），称为CASOB法（OBOxygen blowing）。,1.CASOB的设备组成： 底吹氩系统；合金称量与加入系统； 氧枪升降与吹氧系统；浸渍罩升降系统； 保温材料加入系统；自动测温取样； 风动送样及光谱分析系统；除尘系统。 2. 特点：CASOB法在吹氧的同时，不断通过隔离罩向钢液内加入铝（或硅铁），利用铝或硅氧化的化学热对钢水加热。吹氧时有少量的锰、碳、铁元素被氧化，升
25、温速度为510/min。如宝钢最大升温速度可达13/min。当出钢温度低时或浇注温度低时，经吹氧处理，可以不回炉再冶炼。 CASOB法对钢水加热调温的目的是为了转炉与连铸更好地协调配合。钢包处理站起缓冲站作用，为连铸中间包内的钢水提供准确的目标温度而创造条件。,真空循环脱气法 RH法是德国鲁尔钢铁公司（Ruhrstahl AG）和海拉斯公司（Heraeus）两家公司57年共同发明的，故简称RH法。第一台RH设备59年在西德Thyssn(蒂森)公司的Hattingen厂建成。 主要冶炼高质量产品，如轴承钢、LF钢、硅钢、不锈钢、齿轮钢等。 RH法可分为轻处理和本处理。轻处理就是充分发挥RH具有的
26、搅拌、脱碳功能，在低真空条件下对未脱氧钢水进行短时间处理，同时将钢水温度，成分调整到适于连铸条件的工艺。而本处理处理时间长，主要是实现深脱碳的目的 。 RH真空工艺过程 出钢后，钢包测温取样； 下降真空室，插入深度为150-200mm； 起动真空泵，一根插入管输入驱动气体； 当真空室的压力降到2610kpa后，循环加剧； 钢水上升速度为5m/s、下降速度为12m/s； 气泡在钢液中将气体及夹杂带出,RH真空工艺过程 出钢后，钢包测温取样； 下降真空室，插入深度为150-200mm； 起动真空泵，一根插入管输入驱动气体； 当真空室的压力降到2610kpa后，循环加剧； 钢水上升速度为5m/s、下
27、降速度为12m/s； 气泡在钢液中将气体及夹杂带出,RH法的脱气工作原理 钢液脱气在一个砌有耐火材料内衬的真空室内进行，真空室下部有两个用耐火材料制成的并可插入钢液内的管子，一根为钢液上升管，另一根为下降管。当进行真空脱气处理时，将这两根管子插入钢液内，启动真空泵将真空室抽成真空，钢液便从两根管子中上升到压差相等的高度（所谓的循环高度）。为了使钢液循环，同时从上升管的三分之一处吹入驱动气体（一般为氩气），上升管内瞬间产生大量的气泡核，由于气泡受热膨胀和压力降低而使体积成百倍的增大；又由于氩气泡内的氢气和氮气的压力为零，所以钢液内的气体向氩气泡内扩散，膨胀的气体驱动钢液上升，以约5m/s的速度成喷泉状喷入真空室。经脱气后的钢液汇集到真空室底部。经下降管以1-2m/s的速度返回到钢包内。未经脱气的钢液又不断的从上升管进入真空室脱气。如此反复循环n（2-4次）次后达到脱气目的，脱气过程结束。,钢包精炼炉 LF炉(LADLE FURNACE)即钢包精炼炉。 最常用的精炼方法 取代电炉还原期 解决了转炉冶炼优钢问题 具有加热及搅拌功能 脱氧、脱硫、合金化 工艺优点 精炼功能强，适宜生产超低硫、超低氧钢； 具备电弧加热功能，热效率高，升温幅度大，温度控制精度高； 具备搅拌和合金化功能，易于实现窄成分控制，提高产品的稳定性； 采用渣钢精炼工艺，精炼成本较低； 设备简单，投资较少,