爐外處理基礎知識

第五章爐外處理第一節(jié)爐外處理的概況第二節(jié)爐外處理的基本手段第三節(jié)鐵水的預處理技術第一節(jié)爐外處理的概況

一、現(xiàn)代煉鋼流程

高爐——鐵水預處理——轉爐——鋼水二次精煉——連鑄

電爐——鋼水二次精煉——連鑄

其中鋼水二次精煉與鐵水預處理在這里我們統(tǒng)稱為爐外處理。二、爐外處理技術與目的爐外處理技術是在初煉爐（轉爐、電爐）以外的鋼包或專用容器中，對金屬液（鐵水或鋼液）進行爐外處理的精煉方法。爐外處理的主要目的：鐵水預處理：脫硫、脫硅及同時脫磷—脫硫；鋼水二次精煉：脫碳、脫氣（H、N、CO）、脫氧、脫硫、去除夾雜物、控制夾雜物的形態(tài)、調整成分及溫度等等。第二節(jié)爐外處理的基本手段為了創(chuàng)造最佳的冶金反應條件，所采用的基本手段不外乎攪拌、真空、加熱、渣洗、噴吹及喂絲等幾種。當前各種爐外精煉方法也都是這些基本手段的不同組合。一、攪拌

對反應器中的金屬液進行攪拌，是爐外精煉的最基本、最重要的手段。它是采取某種措施給金屬液提供動能，促使它在精煉反應器中對流運動。

攪拌可改善冶金反應動力學條件，強化反應體系的傳質和傳熱，加速冶金反應，均勻鋼液成分和溫度，有利于夾雜物聚合長大和上浮排除。

反應器的攪拌強度用單位重量的金屬液所得到的攪拌能密度衡量，攪拌的效果通常用反應器內的均勻混合時間τ來反映。

事實上，反應器內的均勻混合時間除了與攪拌能密度有關外，還與攪拌方式、熔池的幾何形狀等均有關。1、氣體攪拌

底吹氬底吹氬是通過安裝在鋼包底部一定位置的透氣磚吹入氬氣。

優(yōu)點：均勻鋼水溫度、成分和去除夾雜物的效果好，設備簡單，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。還可與其它技術配套組成新的爐外精煉方式。缺點：透氣磚有時易堵塞，與鋼包壽命不同步。(a)Q=1.19×10-2Nm3/h(b)Q=3.56×10-2Nm3/h(c)Q=4.75×10-2Nm3/h典型的底吹氬氣泡行為圖

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。要求設立固定吹氬站，該方法操作穩(wěn)定也可噴吹粉劑。但頂吹氬攪拌效果不如底吹氬好。吹氬攪拌對金屬液所作的功

◆氬氣在出口處因溫度升高產生的體積膨脹功Wt

◆氬氣在金屬液中因浮力所做的功Wb

◆氬氣從出口前的壓力降至出口壓力時的膨脹功Wp

◆氬氣吹入時的動能We從它們的計算值比較可知，Wt和Wb較大，而Wp和We較小，可忽略。

氬氣對鋼液的攪拌能密度通常用下式計算：Q—氣體流量；W—鋼液重量；TG、TL—氣體與鋼液溫度；H0—鋼液深度；P2—鋼液面壓力。

增加吹氬流量，增大鋼液的深度均可提高氬氣對鋼液的攪拌能。

對鋼水施加一個交變磁場，當磁場以一定速度切割鋼液時，會產生感應電勢，這個電勢可在鋼液中產生感應電流J，載流鋼液與磁場的相互作用產生電磁力f，從而驅動鋼液運動，達到攪拌鋼液的目的。電磁攪拌能主要決定于磁場強度。而要增大磁場強度，必須增大輸入感應線圈中的電流。常用的電磁攪拌裝置的感應方式:基于異步電機原理的旋轉攪拌基于同步電機原理的直線攪拌2、電磁攪拌

3、循環(huán)攪拌

典型的循環(huán)攪拌:RH、DH。又稱吸吐攪拌。在RH精煉中，鋼包內的攪拌是由真空室內鋼液注流進入鋼包中引起的。其攪拌能為注入鋼液的動能：增大攪拌能，可通過增大鋼液循環(huán)量來實現(xiàn)。增加吹氬流量，增大上升管直徑和下降管直徑均可增大攪拌能。溫度梯度和濃度梯度通過攪拌很易消除。在一個合理的氣量下，經(jīng)過2～3min就可以達到均勻化效果。常用鋼包攪拌系統(tǒng)示意圖

二、真空

當反應生成物為氣體時，通過減小反應體系的壓力—抽真空，可以使反應向著生成氣態(tài)物質的方向移動。因此，在真空下，鋼液將進一步脫氣、脫碳及脫氧。向鋼液中吹入氬氣，從鋼液中上浮的每個小氣泡都相當一個“小真空室”，氣泡內的H2、N2及CO等分壓接近于零，鋼中的[H]、[N]以及碳氧反應產物CO將向小氣泡中擴散并隨之上浮排除。因此，吹氬對鋼液具有“氣洗”作用。采用專門的真空裝置，將鋼液置于真空環(huán)境中精煉，可以降低鋼中氣體、碳及氧含量。

鋼水真空處理工藝示意圖

三、添加精煉劑

爐外精煉中金屬液的精煉劑一類為以鈣的化合物（CaO或CaC2）為基的粉劑或合成渣，另一類為合金元素如Ca、Mg、Al、Si及稀土元素等。將這些精煉劑加入鋼液中，可起到脫硫、脫氧、去除夾雜物、夾雜物變性處理以及合金成分調整的作用。添加方法:合成渣洗法、噴吹法和喂線法。渣洗法是在出鋼時利用鋼流的沖擊作用使鋼包中的合成渣與鋼液混合，精煉鋼液。噴吹法是用載氣（Ar）將精煉粉劑流態(tài)化，形成氣固兩相流，經(jīng)過噴槍，直接將精煉劑送入鋼液內部。由于精煉粉劑粒度小，進入鋼液后，與鋼液的接觸面積大大增加。因此，可以顯著提高精煉效果。

喂絲法是將易氧化、比重輕的合金元素置于低碳鋼包芯線中，通過喂絲機將其送入鋼液內部。優(yōu)點：◆可防止易氧化的元素被空氣和鋼液面上的頂渣氧化，準確控制合金元素添加數(shù)量，提高和穩(wěn)定合金元素的利用率；◆添加過程無噴濺，避免了鋼液再氧化；◆精煉過程溫降小；◆設備投資少；◆處理成本低。合金的喂入與噴粉工藝示意圖

四、加熱

鋼液在進行爐外精煉時，有熱量損失，會造成溫度下降。若爐外精煉方法具有加熱升溫功能，可避免高溫出鋼和保證鋼液正常澆鑄，增加爐外精煉工藝的靈活性，在精煉劑用量，鋼液處理最終溫度和處理時間均可自由選擇，以獲得最佳的精煉效果。常用的加熱方法有電加熱和化學加熱。電加熱是將電能轉變成熱能來加熱鋼液的。這種加熱方式主要有電弧加熱和感應加熱?；瘜W加熱是利用放熱反應產生的化學熱來加熱鋼液的。常用的方法有硅熱法、鋁熱法和CO二次燃燒法。化學加熱需吹入氧氣，與硅、鋁、CO反應，才能產生熱量。鋼包加熱系統(tǒng)工藝示意圖

第三節(jié)鐵水預處理技術

鐵水預處理是指鐵水兌入煉鋼爐之前對其進行脫除雜質元素或從鐵水中回收有價值元素的一種鐵水處理工藝。鐵水預處理分為普通鐵水預處理和特殊鐵水預處理兩類。普通鐵水預處理包括鐵水脫硅、脫硫和脫磷（即“三脫”）。特殊鐵水預處理是針對鐵水中的特殊元素進行提純精煉或資源綜合利用而進行的處理過程，如鐵水提釩、提鈮、提鎢等。鐵水預處理工藝興起于20世紀70年代。目前，鐵水預處理和鋼水爐外精煉已成為近五十年來鋼鐵工業(yè)迅速發(fā)展起來的兩項重要工藝技術。鐵水預處理在日本、美國等國發(fā)展非?？?，處理量基本上在70%-80%以上，有的企業(yè)己達100%。日本“三脫”技術發(fā)展最快，應用最廣泛。我國鐵水預處理起步較晚，但近年來發(fā)展很快，寶鋼、太鋼等分別建成了“三脫”預處理設備，鞍鋼、武鋼等多家企業(yè)都建成了鐵水預脫硫、預脫磷設備。一、鐵水預脫硅鐵水預脫硅技術是基于鐵水預脫磷技術而發(fā)展起來的。鐵水中硅的氧勢比磷的氧勢低得多，當脫磷過程加入氧化劑后，硅與氧的結合能力遠遠大于磷與氧的結合能力，所以硅比磷優(yōu)先氧化。

脫磷前必須優(yōu)先將鐵水硅氧化到遠遠低于高爐鐵水硅含量的0.15%以下，磷才能被迅速氧化去除。硅含量與脫磷速率常數(shù)的關系圖

為了減少脫磷劑用量、提高脫磷效率，開發(fā)了鐵水預脫硅技術。1、鐵水預脫硅基本原理鐵水中的硅與氧有很強的親和力，因此硅很容易與氧反應而被氧化去除。常用的鐵水脫硅劑均為氧化劑，主要有：◆固體氧化劑，如高堿度燒結礦、氧化鐵皮、鐵礦石、鐵錳礦、燒結粉塵；◆氣體氧化劑，如氧氣或空氣。

2、鐵水預脫硅方法及其選擇

鐵水預脫硅主要有三種方法:◆高爐出鐵溝脫硅

；◆魚雷罐車或鐵水罐中噴射脫硅劑脫硅；◆“兩段式”脫硅，即為前兩種方法的結合，先在鐵水溝內加脫硅劑脫硅，然后在魚雷罐車或鐵水罐中噴吹脫硅。高爐出鐵溝脫硅

優(yōu)點：脫硅不占用時間，能大量處理，溫降小，時間短，渣鐵分離方便。缺點：用于脫硅反應的氧的利用率低和工作條件較差。鐵水罐中噴射脫硅劑脫硅特點：工作條件好，處理能力大，脫硅效率高且穩(wěn)定。缺點：占用時間長，溫降較大。“兩段式”脫硅法

當鐵水含硅量低于0.4%時，可采用鐵水溝脫硅法。當硅含量大于0.4%時，脫硅劑用量增大，泡沫渣嚴重，適宜采用脫硅效率高的噴吹法或兩段法。若煉鋼廠扒渣能力不足，應采用兩段脫硅法，利用擋渣器分離渣鐵。日本新日鐵某廠在高爐出鐵溝和300t魚雷罐車上采用兩段法進行脫硅處理，處理后硅含量可以達到0.12%。二、鐵水預脫硫1、鐵水預脫硫的意義

鐵水中含有大量的硅、碳和錳等還原性好的元素，能夠大大提高硫的活度系數(shù)，在使用不同類型的脫硫劑，特別是強脫硫劑如鈣、鎂、稀土等金屬及其合金時，硫很容易就能脫到很低水平。對煉鋼來說，鐵水爐外脫硫能減輕負擔、簡化操作和提高煉鋼生產率。可減少渣量和提高金屬收得率，并為轉爐冶煉品種鋼創(chuàng)造條件。在鐵水預處理溫度下，硫元素的穩(wěn)定狀態(tài)是氣態(tài)（硫的沸點為445℃），但在有金屬液和熔渣的情況下，硫能溶解在金屬液和熔渣中。硫在鐵液中的溶解度很高，在鐵水溫度下能同很多金屬和非金屬元素結合成氣、液相化合物。各種脫硫方法的實質都是將溶解在金屬液中的硫轉變?yōu)樵诮饘僖褐胁蝗芙獾南?，進入熔渣或經(jīng)熔渣再從氣相逸出。目前，生產中常用的脫硫劑有石灰（CaO）、碳化鈣（CaC2）、蘇打（Na2CO3）、金屬鎂、鈣以及由他們組成的各種復合脫硫劑。2、鐵水預脫硫的基本原理

CaC2、Mg和Na2O的脫硫能力均較CaO強很多，而且脫硫反應平衡時的硫含量前三者也可以達到較低的水平。實際處理中，如果要求鐵水預脫硫終點硫含量小于0.005%，可選用Mg、CaC2以及它們組成的復合脫硫劑。用蘇打粉脫硫時由于產生回硫現(xiàn)象，很難達到0.005%以下的水平。堿性渣脫硫按熔渣的離子理論，強化堿性渣脫硫能力的熱力學條件是：提高熔渣的堿度，降低脫硫體系中的氧勢，提高脫硫溫度。3、鐵水預脫硫方法目前已經(jīng)開發(fā)的鐵水預脫硫方法很多，部分典型處理方法見下圖。

KR法和以鎂為主的噴吹法是最普遍和最廣泛的方法。

KR法金屬損失很小，因為是在鐵水熔池深部進行攪拌，金屬噴濺較少。鎂脫硫方法目前國內普遍應用的方式有：單噴顆粒鎂、CaO-Mg復合噴吹、CaC2-Mg復合噴吹，這幾種方法均具有生產[S]≤0.005%鐵水的深脫硫能力。隨著用戶對高強度、高韌性、高抗應力腐蝕性能鋼種需求量的不斷增加和質量要求的日益嚴格，世界各國都在努力降低鋼中磷含量。為了降低氧氣轉爐鋼的生產成本和實行少渣煉鋼，也要求鐵水磷含量小于0.015%。三、鐵水預脫磷鐵水中的磷首先氧化成P2O5，然后與強堿性氧化物結合成穩(wěn)定的磷酸鹽而去除。在鐵水預脫磷過程中，首先要有適當?shù)难趸瘎⑷芙庥阼F水中的磷氧化，然后采用強有力的固定劑，使被氧化的磷牢固地結合在爐渣中。1、鐵水預脫磷的基本原理◆在高爐出鐵溝或出鐵槽內進行脫磷◆在鐵水包或魚雷罐車中進行預脫磷◆在專用轉爐內進行鐵水預脫磷

與魚雷罐車內或鐵水包內進行的鐵水預處理脫磷相比，在轉爐內進行鐵水脫磷預處理的優(yōu)點是轉爐的容積大、反應速度快、效率高、可節(jié)省造渣劑的用量，吹氧量較大時也不易發(fā)生嚴重的溢渣現(xiàn)象，有利于生產超低磷鋼，尤其是中高碳的超低磷鋼。2、鐵水預脫磷方法在氧化性條件下，渣鐵間的磷硫分配比可表示為：四、鐵水同時脫硫脫磷

在溫度和鐵水成分一定時，選擇磷容量CP和硫容量CS較大的渣系，就能得到較大的LP和LS值，實現(xiàn)同時脫磷脫硫。在一定渣系條件下，可以通過控制熔渣—鐵水界面的氧位來調節(jié)LP和LS值的大小，即增大氧位能增大LP和減小LS，反之亦然。這樣，可以根據(jù)鐵水脫磷和脫硫的程度要求，控制合適的氧位，有效地實現(xiàn)鐵水的同時脫磷脫硫。SARP生產工藝流程圖將高爐鐵水首先脫Si，當[Si]＜0.1％后，扒出高爐渣，然后噴吹蘇打粉19kg/t，使鐵水脫硫96％，脫磷95％。五、鋼水的二次精煉1、鋼水二次精煉的發(fā)展背景

二十世紀60年代，在世界范圍內，傳統(tǒng)的煉鋼方法發(fā)生了根本性的變化——“功能分化”，即由原來單一設備初煉及精煉的一步煉鋼法，變成由傳統(tǒng)煉鋼設備初煉，然后在爐外另一容器中進行精煉，即“二步煉鋼”（SecondarySteelmakingProcess），又稱“二次精煉”（SecondaryRefining）、“爐外精煉”。時間可追朔到1933年法國的佩蘭（R.Perrin）應用高堿度合成渣，對鋼液進行“渣洗脫硫”，這應該屬于二次精煉的前身——爐外處理。作為鋼水的二次精煉，始于1952年真空鑄錠法，其后，相繼開發(fā)出DH、RH、LVD、ASEA-SKF、VAD、LF法等等。目前，經(jīng)爐外精煉的普通鋼已超過總鋼產量的80％，特殊鋼的爐外精煉比已超過95％。而且出現(xiàn)大量爐外精煉比達到100％的車間。2、傳統(tǒng)煉鋼存在的問題

1）電爐的還原期鋼液吸氣嚴重電爐的還原期為吸氣過程，使鋼中氣體增加，影響鋼的質量。對于防止大斷面合金結構鋼和大鍛件鋼最敏感的缺陷—白點來說，要求把鋼中的氫降低到2.5～3.0ppm以下。這在電爐冶煉的氧化期，經(jīng)過激烈而均勻的碳-氧沸騰是完全可以達到的。但是，緊接著的還原期，卻又使鋼中的氫回升到5～7ppm，而出鋼、澆注后則幾乎回復到熔清時的水平。

2）出鋼、澆注過程鋼液二次氧化嚴重電爐氧化期脫碳過程夾雜物的去除，還原期的脫氧及其夾雜物的上浮均比較徹底。但在出鋼、澆注過程中，由于鋼液與大氣接觸，氣體及[O]急劇升高，影響鋼的質量。在出鋼過程中，如果鋼液與大氣接觸達到平衡的話，[O]就會回復到脫氧前的水平（100～200ppm），給澆注帶來惡劣的后果。

3）電爐還原期的變壓器利用率非常低

電爐的還原期鋼液基本上處于保溫與調溫的狀態(tài)，因而電爐的還原過程需要的電功率很低（僅為變壓器額定功率的1/3～1/6），而且時間很長（約1/3），使變壓器利用率非常低，而且生產率低、成本高。尤其超高功率電爐技術的出現(xiàn)，高功率、強化用氧使廢鋼迅速熔化、氧化，但鋼液的還原仍然要在低功率、長時間下運行，這大大降低了超高功率電爐的功率利用率，顯然這是不合理的。

4）電爐煉鋼的品種受限制

科技對鋼材質量日益苛刻的要求：如純凈度高，各向異性小，合金成分范圍窄等方面。其中對鋼的純凈度要求，即鋼中C、S、P、T.O、N、H雜質總量達到l00ppm。如此低的雜質含量，用傳統(tǒng)電爐煉鋼方法根本達不到的。對于有些超低C、S、N等純凈鋼種也不能冶煉。另外，生產低碳高鉻不銹鋼時，鉻的燒損嚴重、爐體壽命低等，使得煉鋼成本大為提高。

5）轉爐煉鋼法去硫困難

傳統(tǒng)的煉鋼方法中，轉爐煉鋼法鋼中的氣體含量低，但存在煉鋼過程去硫困難，對鐵水中的硫等要求特別嚴格（常要求鐵水進行爐外處理），以及出鋼沉淀脫氧，鋼中夾雜物多，使得所煉鋼種受到限制。當超高功率電爐出現(xiàn)發(fā)揮了爐外精煉的作用，就超高功率電爐本身來說也只有與爐外精煉相配合，才能獲得高效、節(jié)能，創(chuàng)造更大的利潤。3、鋼水爐外精煉的優(yōu)越性

正是由于以上諸多原因，使得傳統(tǒng)的煉鋼法受到挑戰(zhàn)，促使電爐功能分化。尤其是超高功率電爐很“自然地”與爐外精煉相配合。煉鋼爐（初煉爐）配爐外精煉的優(yōu)越性如下：

1）縮短冶煉時間，提高生產率電爐為初煉爐時，提高生產率的效果最顯著，因取消電爐的還原期，甚至部分氧化期，故提高電爐的生產率。一般可以提高電爐生產率25％左右。若與超高功率電爐相配合，則可提高超高功率電爐生產率50%～100%。

2）改善鋼質量、擴大品種煉鋼爐與爐外精煉配合能生產出氣體含量低、夾雜物含量少的純凈鋼。擴大生產的鋼種，尤其是轉爐在生產的鋼種上可以與電爐競爭。

3）調節(jié)煉-澆節(jié)奏，實現(xiàn)多爐連澆在煉鋼設備與連鑄機之間設置的具備保持和調溫的緩沖設備—爐外精煉爐，則可顯著地改善煉鋼設備和連鑄機的配合，實現(xiàn)多爐連澆，降低生產成本。

4）降低生產成本

提高生產率、改善鋼的質量、擴大品種及實現(xiàn)多爐連澆都可以降低產品成本。

此外，某些爐外精煉法允許初煉爐使用一些質量較差，或價格便宜的原材料。如采用VOD或AOD生產超低碳不銹鋼，就允許初煉爐的爐料中配用高比例的同類鋼種的返回鋼或碳素鉻鐵，從而顯著地降低原材料的費用。

4、鋼水爐外精煉方法

方法多達幾十種，從精煉方法上分為：渣洗精煉法真空精煉法非真空精煉法噴射冶金及合金特殊填加法。從有無補償加熱裝置分為：鋼包處理型鋼包精煉型

盡管爐外精煉方法多達幾十種，但比較普遍的、常用的就那么幾種，見圖。針對不同鋼種、不同流程，采用不同的爐外精煉方法，如：合結鋼：電爐（EBT）—LF爐—連鑄軸承鋼：電爐（EBT）—LF爐—VD—連鑄電爐（EBT）—LF爐—RH—連鑄不銹鋼：電爐（槽）—VOD—（LF爐）—連鑄電爐（槽）—AOD—（LF爐）—連鑄電爐（槽）—AOD—VOD—（LF爐）—連鑄日本電爐配爐外精煉的情況見表7-1。常用的爐外精煉方法5、鋼包精煉型

鋼包精煉型中典型的爐外精煉方法當屬ASEA-SKF與LF法，前者是1965年瑞典通用電氣公司（ASEA）與瑞典軸承公司（SKF）合作開發(fā)的，簡稱ASEA-SKF法。后者是日本特殊鋼公司開發(fā)的鋼包爐——LadleFurnace，簡稱LF。兩者的主要差別在于鋼水的攪拌，前者為低頻電磁攪拌，而后者為氬氣攪拌。世界范圍廣泛采用LF法，以下主要介紹LF法。鋼水真空處理工藝示意圖

LF法

鋼包處理型處理鋼水過程中，因鋼水的溫降而使渣及合金成分的調整以及處理時間等都受到限制。如果用提高初煉爐出鋼溫度的辦法保證渣熔化及足夠的精煉時間，勢必加重初煉爐的負擔，降低爐襯壽命。1971年，日本特殊鋼公司開發(fā)的LadleFurnace，簡稱“LF”、“LF爐”、“LF鋼包爐”、“LF鋼包精煉爐”、“鋼包爐”、“鋼包精煉爐”等。該爐采用堿性合成渣，埋弧加熱，吹氬攪拌，在還原氣氛下精煉，鋼包爐的原理圖見下圖。LF爐設備示意圖1—滑動水口；2—支座；3—鋼包；4—惰性氣體；5—防濺包蓋；6一真空室蓋；7一電極；8一電極夾頭；9一合金料斗；10—測溫取樣；11—窺孔；12—真空管道；13—真空系統(tǒng)

（1）LF爐設備組成

LF爐主要由鋼包爐體、電極加熱系統(tǒng)、吹氬攪拌系統(tǒng)、合金加料系統(tǒng)以及測溫取樣系統(tǒng)等部分組成。因LF爐設備簡單，操作靈活、精煉效果好以及投資費用低等，而受到普遍重視，并得到了廣泛的應用。（2）LF爐主要冶金功能及精煉手段LF爐具有的主要冶金功能有：鋼水升溫、調溫及保溫功能強化脫氧、脫硫功能合金微調功能采用的精煉手段有：吹氬攪拌埋弧加熱造強還原氣氛造堿性合成渣

1）氬氣攪拌這是LF爐最大的貢獻——強化精煉（還原）?！皬娀薄铀黉?渣之間接觸，有利于鋼液脫氧、脫硫反應，加速夾雜物的上浮及均勻鋼液成分與溫度。

2）埋弧加熱降低初煉爐出鋼溫度，補償精煉過程吹氬、合金化等溫度損失。