爐外精煉或鋼包冶金的含義

1、爐 外 精 煉 爐外精煉或鋼包冶金的含義: 就是按傳統(tǒng)工藝，將在常規(guī)煉鋼爐中完成的精煉任務(wù)，如去除雜質(zhì)，成分和溫度的調(diào)整和均勻等任務(wù)，部分或全部地移到鋼包或其他容器中進行。因此，爐外精煉也稱二次精煉或鋼包冶金（Secondary Refining /Ladle Metallurgy）。爐外精煉的目的和手段 v 爐外精煉的目的：在真空、惰性氣氛或可控氣氛的條件下進行深脫碳、脫硫、脫氧、除氣、調(diào)整成分（微合金化）和調(diào)整溫度并使其均勻化，去除夾雜物，改變夾雜物形態(tài)和組成等。鋼水爐外精煉是為適應(yīng)鋼的品種質(zhì)量的提高，生產(chǎn)新鋼種以及生產(chǎn)過程合理化，不可缺少的工序，成為現(xiàn)代煉鋼、連鑄生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。v 為

2、了創(chuàng)造最佳的冶金反應(yīng)條件，到目前為止，爐外精煉的基本手段有攪拌、渣洗、加熱、真空、噴吹等5種。 鋼水精煉設(shè)備選擇的依據(jù)v 鋼種的質(zhì)量要求；v 連鑄機生產(chǎn)對鋼水的質(zhì)量要求；v 轉(zhuǎn)爐與連鑄機生產(chǎn)的作業(yè)協(xié)調(diào)要求。 鋼包吹氬攪拌的作用 v 鋼包吹氬攪拌是最基本也是最普通的爐外處理工藝。v 鋼包吹氬攪拌的作用是：v 均勻鋼水溫度。由于包襯吸熱和鋼包表面散熱，包襯周圍鋼水溫度較低，中心區(qū)域溫度較高，鋼包上、下部鋼水溫度較低，而中間溫度較高，這種溫度差異導(dǎo)致中間包澆注過程鋼水溫度前后期低，中期高。鋼包吹氬攪拌促使鋼包鋼水溫度穩(wěn)定均勻，有利于提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，使結(jié)晶器內(nèi)坯殼生長均勻，避免開澆水口凍鋼斷流。v

3、均勻鋼水成分。出鋼是在鋼包內(nèi)加入大量的鐵合金，成分不均勻，吹氬攪拌過程中可根據(jù)快速分析提供的鋼水成分而進行成分微調(diào)，以使鋼的成分控制范圍更窄，以確保鋼材性能均勻。v 促使夾雜物上浮，攪動的鋼水促使了鋼種非金屬夾雜物碰幢長大，上浮的氬氣泡能夠吸收鋼中的氣體，同時粘附懸浮與鋼水中的夾雜物并帶至鋼水表面被渣層所吸收。生產(chǎn)實踐表明，吹氬攪拌后鋼水氧含量有明顯降低，其降低幅度與脫氧程度有關(guān)，一般可降低20%以上，但脫氮效果不明顯，并要注意減少增氮。吹氬攪拌排除的夾雜物數(shù)量與鋼水液面上覆蓋渣層FeO含量有關(guān)，渣中的FeO含量越低，吹氬攪拌夾雜物排除的量越多。 鋼包吹氬形式：v 底吹氬。底吹氬大多數(shù)是通過安

4、裝在鋼包底部一定位置的透氣磚吹入氬氣。這種方法的優(yōu)點是均勻鋼水溫度、成分和去除夾雜物的效果好，設(shè)備簡單，操作靈便，不需占用固定操作場地，可在出鋼過程或運輸途中吹氬。鋼包底吹氬攪拌還可與其他技術(shù)配套組成新的爐外精練方式。缺點是透氣磚有時易堵塞，與鋼包壽命不同步。v 頂吹氬。頂吹氬是通過吹氬槍從鋼包上部浸入鋼水進行吹氬攪拌，要求設(shè)立固定吹氬站，該法操作穩(wěn)定也可噴吹粉劑。但頂吹氬攪拌效果不如底吹。 v 工作壓力、流量確定的一般原則：最小值的設(shè)定應(yīng)確保透氣磚或吹氬槍不被堵塞；最大值則以鋼包液面渣層不被大面積吹開，以免鋼水二次氧化。采用較大吹氬流量，叫強攪拌。預(yù)吹氬、加廢鋼調(diào)溫或調(diào)合金時采用強攪拌，以加

5、速廢鋼、合金熔化，充分混合，保證鋼水成分、溫度均勻。其后的時間應(yīng)采用較小吹氬流量進行弱攪拌，以促進夾雜物上浮，凈化鋼水。經(jīng)過小流量較平穩(wěn)的弱攪拌，抑制了頂渣卷混，二次氧化等現(xiàn)象，氧化物夾雜總量比吹氬處理前大幅度降低，一般降低量可達45%，大于20um的夾雜物可從鋼水中被分離去除，因此要凈化鋼水，必須保證有足夠的弱吹氬時間。v 此外，需要脫硫時，則要用更大吹氬流量進行強攪拌，加速渣鋼界面反應(yīng)以利于脫硫。v 惰性氣體中的氬氣，不溶解于水，也不與任何元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，是一種十分理想的攪拌氣源，因此被普遍采用。從攪拌作用而言，氮氣與氬氣一樣，且氮氣更便宜，但在高溫下氮能溶解在鋼水中，其增氮量是隨溫度的

6、升高及吹氮時間的延長而增多。當(dāng)溫度高于1575時，可使鋼中氮含量增加0.003%，影響鋼的質(zhì)量，因而使用氮氣作為攪拌氣源受到了限制，僅有少量含氮鋼種可用吹氮氣攪拌，但還存在增氮不穩(wěn)定的問題。 CAS法和CAS-OB法 v CAS是成分調(diào)整密封吹氬法，由日本發(fā)明，該工藝采用低吹氬強攪拌將液面渣層吹開，將下耐火材料制作的浸漬罩，浸漬深度為200mm，在密封的浸漬罩內(nèi)迅速形成氬氣保護氣氛，可加入各種合金進行微合金化，合金吸收率高而穩(wěn)定，鋼的質(zhì)量有明顯改善。為了解決鋼加熱的問題，日本又在CAS法基礎(chǔ)上增設(shè)頂吹氧槍和加鋁粒設(shè)備，通過溶入鋼水內(nèi)的鋁氧化發(fā)熱，實現(xiàn)鋼水升溫，稱之為CAS-OB工藝，OB就是吹

7、氧的意思。主要有鋼包及鋼包車、CAS浸漬罩及升降系統(tǒng)、OB供氧系統(tǒng)和鋁粒加入系統(tǒng)、合金加料系統(tǒng)、底吹氬控制系統(tǒng)、計算機和自動化檢測控制系統(tǒng)等設(shè)備組成。 CAS-OB工藝主要包括：v 吹氧升溫和終點溫度控制。吹氧過程連續(xù)加入鋁粒，合理控制加鋁量和吹氧量之比是避免鋼中C、Si、Mn等元素?zé)龘p和控制鋼中酸溶鋁含量的關(guān)鍵技術(shù)。一般每噸鋼水升溫1，鋁耗量為350-450g，升溫速度快。v 吹氬與夾雜物排除。采用加鋁升溫，鋁氧化生成大量Al2O3夾雜，并可能使鋼中鋁含量升高。因此在加熱過程中，要精確控制加鋁量和吹氧量之比以及攪拌強度，升溫后要保證一定時間的弱吹氬攪拌，促進夾雜物上浮。v 合金微調(diào)。在CAS

8、處理中補加合金進行鋼水成分的最終調(diào)整，實現(xiàn)窄成分控制。CAB吹氬精煉法 v CAB法（Capped Argon Bubbling）是帶鋼包、蓋加合成渣吹氬精煉法，由日本新日鐵公司開發(fā)。對合成渣的要求是熔點低、流動性好、吸收夾雜能力強。吹氬時鋼液不與空氣接觸，避免二次氧化。上浮夾雜物被合成渣吸附和溶解，不會返回鋼中。鋼包有包蓋可大大減少降溫。合成渣處理鋼液，必須進行吹氬強攪拌，促進渣鋼間反應(yīng)，利于鋼液脫氧、脫硫及去除夾雜。 LF爐v LF爐（Ladle Furnace）稱為鋼包爐（如圖8-2所示），是20世紀(jì)70年代初由日本開發(fā)成功的，現(xiàn)已大量推廣應(yīng)用，成為當(dāng)代最主要的精煉設(shè)備。LF爐通過電弧加

9、熱、爐內(nèi)還原氣氛、造白渣精煉、氣體攪拌等手段，強化熱力學(xué)和動力學(xué)條件，使鋼水在短時間內(nèi)達到脫氧、脫硫、合金化、升溫等綜合精煉效果。確保達到鋼水成分精確，溫度均勻，夾雜物充分上浮凈化鋼水的目的，同時很好地協(xié)調(diào)煉鋼和連鑄工序，保證多爐連澆的順利進行。 LF爐工藝的主要優(yōu)點：v 精煉能力強，脫氧、脫硫、凈化鋼水效果好，鋼的質(zhì)量顯著提高；適宜生產(chǎn)超低硫，超低氧鋼種。v 具有電弧加熱功能，熱效率高，升溫幅度大，溫度控制精度高。v 具備攪拌和合金化功能，易于實現(xiàn)窄成分控制，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。v 采用渣鋼精煉工藝，精煉成本低。v 設(shè)備簡單，投資較少。 LF爐的精煉功能：v 埋弧加熱。LF爐有3根石墨電極，加

10、熱時電極插入渣層中進行埋弧加熱，因而輻射熱小，減少對包襯的損壞，熱效率高。v 上述反應(yīng)不僅提高了熔渣的還原性，而且還提高合金吸收率，生成CO使LF爐內(nèi)氣氛更具還原性。v 氬氣攪拌。通過鋼包底吹氬氣攪拌加速鋼-渣之間的物質(zhì)傳遞，利于脫氧、脫硫反應(yīng)的進行，并促進夾雜物的上浮去除，特別是對Al2O3類型的夾雜物上浮去除更為有利。同時加速鋼水溫度和成分的均勻，達到精確地調(diào)整鋼水的成分。v 爐內(nèi)還原氣氛。鋼包與爐蓋密封起到隔絕空氣的作用，加之石墨電極氧化產(chǎn)生CO氣體，爐內(nèi)形成了還原氣氛，鋼水在還原條件下進一步脫氧、脫硫及去除非金屬夾雜物，并避免增氮。v 白渣精煉。LF爐精煉的白渣是的還原渣。通過高堿度的

11、還原渣，借助氬氣攪拌，實現(xiàn)有效的擴散脫氧、脫硫和去除非金屬夾雜物。v LF爐的4大精煉功能互相滲透，互相促進。爐內(nèi)的還原氣氛，在加熱條件下的吹氬攪拌，提高了白渣的精煉能力，創(chuàng)造了一個理想的精煉環(huán)境，從而使鋼的質(zhì)量顯著提高。 v LF爐脫氧和脫硫的原理 LF爐可以采用沉淀與擴散脫氧相集合的脫氧方式。沉淀脫氧是直接向鋼水中加入脫氧劑進行脫氧，其制約因素是脫氧產(chǎn)物不易全部上浮到渣相中導(dǎo)致鋼水不純；擴散脫氧是根據(jù)分配定律，鋼水中氧向渣相中擴散，其脫氧的限制環(huán)節(jié)是渣-鋼界面?zhèn)髻|(zhì)慢。LF爐具有還原渣精煉和底吹氬強攪拌形成了 良好的動力學(xué)條件，加大了擴散脫氧中渣-鋼間氧的傳輸速度和沉淀脫氧中脫氧產(chǎn)物的上浮速

12、度，鋼 水中的氧含量能將到很低的水平。 v 當(dāng)溶解氧不變時，硫的分配系數(shù)隨（CaO）的增加而增大，隨（FeO）、（SiO2）的增加而減少。v 脫氧程度對脫硫效果的影響很大，LF爐高堿度還原精煉渣脫氧效果良好，低氧活度可增加熔渣的脫硫能力。（CaO）含量高，（FeO）、（SiO2）含量低，對脫硫反應(yīng)十分有利，脫硫效率高。v 與硅相比，鋁具有較強的脫氧能力。一般鋁處理的鋼水，渣中（FeO+MnO）的含量相當(dāng)?shù)停摿蛞矎氐住?LF爐白渣精煉工藝的要點 1)白渣出鋼，控制噸鋼水下渣量不大于5kg/t； 2)鋼包渣改質(zhì)，控制鋼包渣堿度R2.5，渣中； 3)白渣精煉，處理周期有限，白渣形成越早，精煉時間越

13、長，精煉效果越好，一般采用CaO-Al2O3-SiO2系渣，保持熔渣良好的流動性和較高的渣溫，鋼包渣的最終控制成分列于表8-1。高堿度、低熔點、低氧化鐵的精煉渣能有效脫硫，吸收夾雜物，降低鋼中TO。 4)控制LF爐內(nèi)為還原氣氛； 5)良好的底吹氬攪拌，保證爐內(nèi)既有較高的傳質(zhì)速度。 v 鋼包噴粉是將參與合金反應(yīng)的粉劑，借助噴粉罐，由載流氣體混合形成粉氣流，并通過管道和有耐火材料保護的噴搶，將粉氣流直接導(dǎo)入鋼液之中。其主要優(yōu)點是：反應(yīng)界面大，反應(yīng)速度快；添加劑利用律高；由于有攪拌作用，為新形成的反應(yīng)產(chǎn)物創(chuàng)造了良好的浮離條件。v 鋼包噴粉的冶金效果：v 脫硫。一般脫硫、脫氧用硅鈣粉，成分為wSi=5

14、4%, wCaO=30%,粒度小于1mm，其中小于0.125mm占50%以上，噴槍距包底250-300mm，噴吹壓力為0.25-0.35MPa，噴吹時間為2-10min，供粉速率為7-10kg/min，氬氣流量為0.5-0.6m3/min。鋼中硫含量可以將到0.01%以下，一般為0.005%，最低可達0.002%。v 凈化鋼液和控制夾雜物性態(tài)。噴吹鈣、鈣的合金或含鈣的化合物時，不僅降低鋼中夾雜的含量，還可以改變夾雜物的性態(tài)。噴鈣后，由于其脫氧、脫硫能力強，它能取代MnS中的Mn，并還原MnO、FeO、SiO2、Al2O3等氧化物夾雜。CaO與Al2O3可形成低熔點的鋁酸鹽（12CaO7Al2O

15、3或CaO· Al2O3 ），在鋼液中成球狀，易于上浮排除。由于夾雜物總量減少，特別是由群族狀A(yù)l2O3和長條狀MnS變成細(xì)小的圓球狀，因而鋼在不降低強度的條件下，顯著的提高塑性和沖擊韌性，并使鋼材的各向異性也得到顯著的改善。v 提高合金吸收率。噴入的合金粉劑能直接與鋼水接觸，有相當(dāng)大的接觸界面和相當(dāng)長的接觸時間。特別是對于一些易氧化的元素，如硼、鈦、釩、鈣等，可避免它們在爐氣、爐渣中的燒損，使鋼水成分穩(wěn)定，對合金元素吸收率高。v 改善鋼水的可澆性。經(jīng)鈣處理的鋼水，流動性顯著提高，改善了鋼水的可澆性。由于CaO與Al2O3結(jié)合成低熔點鋁酸鈣（12CaO7Al2O3）在鋼水中呈球狀易上

16、浮，避免了水口的堵塞。v 目前真空精煉設(shè)備與噴粉組合成新的精煉工藝，可進一步提高鋼水精煉效果。 鋼包喂線 v 喂線也稱喂絲，是20世紀(jì)70年代末在鋼包噴粉技術(shù)之后發(fā)展起來開的一種鋼包精煉技術(shù)，將Ca-Si、Ca-Al、硼鐵、鈦鐵、碳等合金或添加劑制成包芯線或純金屬線（如Al線），通過機械的方法喂入鋼水深處，對鋼液進行脫氧、脫硫、非金屬夾雜物變性處理和合金化等精煉處理，以提高鋼的純凈度，優(yōu)化產(chǎn)品的使用性能。v 在吹氬配合下的喂線技術(shù)除具有噴粉技術(shù)反應(yīng)速度快、效率高的優(yōu)點外，還消除了噴粉要求粉劑制備、輸送、防潮、防爆條件要求，設(shè)備投資、維護和運行費用大的缺點。v 喂線具有以下工藝特點： 設(shè)備簡單，

17、操作方便，占用場地較少； 對鋼水?dāng)_動較小、熱損失小、減少了從大氣中的吸氧量和吸氮量； 喂入鋼水中的合金線易熔化，且均勻； 喂線以一定速度進入鋼水深部，元素吸收率高而穩(wěn)定，脫氧效果好，對鋼的微量元素調(diào)整尤為方便。RH真空脫氣法和DH真空脫氣法 v RH法，即真空循環(huán)脫氣法，由原西德魯爾鋼鐵公司（Ruhrstahl）和海拉斯公司（Heraeus）聯(lián)合研制，斯目前廣泛應(yīng)用的一種真空處理法。主體設(shè)備由真空室與抽氣裝置組成。v 真空室下部有吸取鋼水的上升管和排出鋼水的下降管。脫氣處理時，首先將兩根管插入鋼包內(nèi)液面以下150300mm。抽真空時鋼水在大氣壓力作用下進入真空室。在上升管內(nèi)同時吹入氬氣，因鋼水

18、內(nèi)充滿氬氣泡密度將少，鋼水向上流動進入真空室，氣體排除后鋼水密度增大而從下降管返回鋼包中。如此連續(xù)反復(fù)循環(huán)，使鋼水在真空室脫氣。v DH真空處理法，由原西德的多特蒙德(Dortmund)和豪特爾(Horder)兩公司聯(lián)合研制，又稱提升脫氣法。這種裝置與RH不同，它采用一根浸漬管抽吸和放出鋼水，當(dāng)浸漬管插入鋼水，真空室抽真空，鋼水就上升到真空室中，然后下降鋼包或提升真空室，使脫氣后的鋼水重返鋼包內(nèi)。如此多次處理，直至結(jié)束。 目前DH處理法應(yīng)用較少。v RH法適用于對含氫量嚴(yán)格要求的鋼種，主要是低碳薄板鋼，超低碳深沖鋼、厚板鋼、硅鋼、軸承鋼、重軌鋼等。 v RH-KTB法適用鋼種同RH法，多用于超

19、低碳鋼、IF鋼及硅鋼的處理。v RH-KTB/PB法增加鋼水脫硫功能，處理后可成產(chǎn)的超低硫鋼種。 VD法和VOD法 v VD( Vacuum Degassing)精煉法是將轉(zhuǎn)爐、電爐的初煉鋼水置于真空室中，同時鋼包底部吹氬攪拌的一種真空處理法，可進行脫碳、脫氣、脫硫、去除雜質(zhì)、合金化和均勻鋼水溫度、成分等處理。其主要設(shè)備由真空系統(tǒng)、真空罐系統(tǒng)、真空罐蓋車及加料系統(tǒng)組成。適于生產(chǎn)各種合金結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳鋼和低合金高強度鋼。v 在VD爐上增加頂吹氧系統(tǒng)，構(gòu)成VOD爐，如圖8-10所示。此法可以完成真空吹氧脫碳的功能，適宜冶煉低碳鋼和低碳不銹鋼。 VD真空處理依靠鋼包底部全程吹氬攪拌，目的是均勻鋼水的

20、成分和溫度，促進真空脫氣、去硫、成分調(diào)整、夾雜物上浮，尤其是喂線后的軟吹氬更是去除鋼中氧化物夾雜的有效方法。 與RH真空處理工藝相比，VD的精煉強度受到鋼包凈空的嚴(yán)格制約。一般要求鋼包凈空為8001000mm； 若進行鋼液碳脫氧工藝時，鋼包凈空應(yīng)不小于900mm；若實現(xiàn)吹氧脫碳工藝，則鋼包凈空為1.21.5m。 ASEA-SKF精煉爐和VAD精煉爐 v ASEA-SKF法也稱桶式精煉爐，是瑞典公司研制的，它具有在鋼包內(nèi)對鋼液真空脫氣、電弧加熱、電磁攪拌的功能。v VAD (Vacuum Arc Degassing)精煉爐是美國公司研制的，它具有電弧加熱、吹氬攪拌、真空脫氣、包內(nèi)造渣、合金化多種精煉功能。 AOD爐 v AOD爐即氬氧脫碳法(Argon Oxygen Decarburization)，它是美國聯(lián)合碳化物公司的專利，AOD爐的爐體類似氧氣轉(zhuǎn)爐，是一種常壓下的精煉設(shè)備。