煉鋼原理8 鋼液的爐外精煉原理..ppt

1、,引言：爐外精煉的含義 8.1 鋼液的真空處理,8 鋼液的爐外精煉原理,8.1引言：爐外精煉的含義,返回,1 爐外精煉的含義 2 爐外精煉的方法 3 爐外精煉在要完成的任務(wù) 4 精煉手段,1 爐外精煉,返回,就是將在轉(zhuǎn)爐或電爐內(nèi)初煉的鋼液倒入鋼包或?qū)Ｓ萌萜鲀?nèi)進(jìn)行脫氧、脫硫、脫碳、去氣、去除非金屬夾雜物和調(diào)整鋼液成分及溫度以達(dá)到進(jìn)一步冶煉目的的煉鋼工藝，即將在常規(guī)煉鋼爐中完成的精煉任務(wù)，如去除雜質(zhì)(包括不需要的元素、氣體和夾雜)、調(diào)整和均勻成分和溫度的任務(wù)，部分或全部地移到鋼包或其他容器中進(jìn)行，變一步煉鋼法為二步煉鋼，即把傳統(tǒng)的煉鋼過(guò)程分為初煉和精煉兩步進(jìn)行。 (1)初煉時(shí)爐料在氧化性氣氛的爐內(nèi)

2、進(jìn)行熔化、脫磷、脫碳、去除雜質(zhì)和主合金化，獲得初煉鋼水； (2)精煉則是將初煉的鋼水在真空、惰性氣體或還原性氣氛的容器內(nèi)進(jìn)行脫氣、脫氧、脫硫、去除夾雜物和成分微調(diào)等。,2 爐外精煉的方法,返回,第一類(lèi)：?jiǎn)卧僮鲀?nèi)容少，功效單一，處理時(shí)間短，是用 于生產(chǎn)節(jié)奏快的情況。 真空處理：真空室處理（VD）、真空澆注、滴硫式處 理、循環(huán)脫氣（RH）、提升脫氣（DH）等；噴粉處理：SL、TN、KIP、RH-IJ等；吹氬：吹氬攪拌、罩下吹氬（CAS）、CAS-OB、IR-UT等。 第二類(lèi)，有較多的單元操作，功效較全面，處理時(shí)間長(zhǎng)，成本較高。例如： 不銹鋼脫碳：AOD、VOD、RHOB等； 加熱精煉；VAD、A

3、SEA-SKF、LF等。,3 爐外精煉要完成的任務(wù),返回,（1）降低鋼中氧、硫、氫、氮和非金屬夾雜物含量，改變夾雜物形態(tài)，以提高鋼的純凈度，改善鋼的機(jī)械性能。 （2）深脫碳，滿(mǎn)足低碳或超低碳鋼的要求。在特定條件下，把碳脫到極低的水平。 （3）微調(diào)合金成分，把合金成分控制在很窄的范圍內(nèi)，并使其分布均勻，盡量降低合金的消耗，以提高合金收得率。 （4）調(diào)整鋼水溫度到澆注所要求的范圍內(nèi)，最大限度地減小包內(nèi)鋼水的溫度梯度。,4 精煉手段,下頁(yè),有六種 ： 渣洗、真空、攪拌、噴吹和加熱(調(diào)溫) 、過(guò)濾等,（1）渣洗,下頁(yè),獲得潔凈鋼并能適當(dāng)進(jìn)行脫氧、脫硫的最簡(jiǎn)便的精煉手段。將事先配好(在專(zhuān)門(mén)煉渣爐中熔煉)

4、的合成渣倒入鋼包內(nèi)，借出鋼時(shí)鋼流的沖擊作用，使鋼液與合成渣充分混合，從而完成脫氧、脫硫和去除夾雜等精煉任務(wù)。在電弧爐冶煉中，還有在出鋼前控制調(diào)整還原渣的成分、流動(dòng)性和溫度，出鋼時(shí)鋼渣混出，借此使鋼液與還原渣充分混合，以進(jìn)步利用還原渣的精煉作用脫氧脫硫，稱(chēng)同爐渣洗，這種工藝也是利用了渣洗原理。,（2）、（3）、（4）、（5）、（6）,（2）真空：將鋼水置于真空室內(nèi)，由于真空作用使反應(yīng)向生成氣相方向移動(dòng)，達(dá)到脫氣、脫氧、脫碳等目的。真空是爐外精煉中廣泛應(yīng)用的一種手段。 （3）攪拌：通過(guò)攪拌擴(kuò)大反應(yīng)界面，加速反應(yīng)物質(zhì)的傳遞過(guò)程，提高反應(yīng)速度。攪拌方法：吹氣攪拌和電磁攪拌。 （4）加熱：調(diào)節(jié)鋼水溫度的

5、一項(xiàng)重要手段，使煉鋼與連鑄更好地銜接。加熱方法：電弧加熱法和化學(xué)加熱法。 （5）噴吹：用氣體作載體將反應(yīng)劑加入金屬液內(nèi)的一種手段。噴吹的冶金功能取決于精煉劑的種類(lèi)，它能完成脫碳、脫硫、脫氧、合金化和控制夾雜物形態(tài)等精煉任務(wù)。 （6）過(guò)濾： 利用陶瓷過(guò)濾器將中間包內(nèi)鋼液中的氧化物夾雜等過(guò)濾掉。真空應(yīng)用最廣而且效果明顯。吹氬時(shí)的氬氣泡也可看作小的真空因?yàn)槠渲蠧O、H2、N 2的分壓均很小。,返回,8.1鋼液的真空處理,1 真空冶金的一般規(guī)律壓力對(duì)化學(xué)平衡的影響 2 金屬的真空脫氧 3 鋼液的真空脫氣,返回,1真空冶金的一般規(guī)律 壓力對(duì)化學(xué)平衡的影響,（1）根據(jù)麥克斯韋關(guān)系式，吉布斯自由能隨壓力的變

6、化，決定于該物質(zhì)在該溫度下的摩爾體積。 氣體物質(zhì)的摩爾體積大，壓力的變化明顯地影響氣態(tài)物質(zhì)的吉布斯自由能。n摩爾氣體在溫度不變而氣體壓力變動(dòng)的情況下，吉布斯自由能的變化關(guān)系可用下式表達(dá)。 式中n為氣體摩爾數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；P1和P2分別為反應(yīng)的始態(tài)與終態(tài)時(shí)的氣體壓力。 。,返回,分析,1）當(dāng)反應(yīng)生成物為氣體時(shí)，降低系統(tǒng)的壓力，反應(yīng)仍具有自發(fā)進(jìn)行的趨勢(shì)，也就是提高真空度可使已達(dá)到平衡的反應(yīng)向產(chǎn)生氣體的方向繼續(xù)進(jìn)行。 2） 在常壓下適用的物理化學(xué)基本規(guī)律在高真空條件下（如1Pa）仍然是適用的。 3）壓力的變化使冶金物理化學(xué)理論分析增加了一個(gè)變量。 在常壓下往往將相律公式簡(jiǎn)化為F=C-

7、P+1，但當(dāng)壓力變化時(shí)，相律公式仍應(yīng)恢復(fù)為F=C-P+2,下頁(yè),以液態(tài)Fe-C合金和由CO與CO2組成的氣體混合物之間的相互作用為例， 討論 ： 當(dāng)溫度為1600時(shí)，=-97853.5J K=535.3 平衡常數(shù)：,返回,分析,（假設(shè)鋼液含碳0.2%，碳的活度系數(shù)為1.067，碳在鋼液中的活度，與此相應(yīng)氣體混合物的壓力比為： 當(dāng)氣體混合物的壓力為0.1MPa時(shí)，可以求出CO和CO2的平衡分壓： 開(kāi)啟真空泵，使氣體壓力降至原來(lái)的 ，爐內(nèi)兩種氣體的分壓也分別下降 ，則顯然，混合氣體壓力比也隨之變化， 但是，平衡常數(shù)不變，在1873K時(shí)，K=535.3，由此得出：,結(jié)論,（1）當(dāng)抽真空時(shí)會(huì)引起平衡向

8、碳的活度降低的方向移動(dòng)，即起到脫碳的效果。 （2） 規(guī)律推廣：在有氣體參加的所有冶金反應(yīng)當(dāng)中應(yīng)用真空，當(dāng)過(guò)程中有氣相參加，并且反應(yīng)生成物中氣體摩爾數(shù)大于反應(yīng)物中氣體摩爾數(shù)時(shí)，便可利用真空引起的反應(yīng)平衡移動(dòng)來(lái)達(dá)到精煉的目的。如真空脫氧、真空脫碳等。,2 金屬的真空脫氧,（1）真空條件下碳的脫氧能力 在常壓下進(jìn)行冶煉時(shí)，碳的脫氧能力較低，必須使用強(qiáng)脫氧劑進(jìn)行終脫氧。碳的脫氧產(chǎn)物是CO氣體，在降低壓力后，平衡向產(chǎn)生CO氣體方向移動(dòng)，使碳的脫氧能力提高。圖8-1表示不同壓力下碳的脫氧能力與幾種元素脫氧能力的比較。,分析圖,真空條件下，碳的脫氧能力可以達(dá)到和硅、鋁相近的水平， 碳脫氧的反應(yīng)式如下： 當(dāng)鋼

9、液中C、O含量不高時(shí)，可用濃度代替活度，即 在T=1873K，時(shí)，求得m=0.0024。因?yàn)镵和m在一定溫度下是常數(shù)，所以真空可以使碳的脫氧能力提高。 在實(shí)際情況下，碳的脫氧能力并不能達(dá)到熱力學(xué)計(jì)算的那樣強(qiáng)的水平，提高真空度不能使碳的脫氧能力無(wú)限提高。 在生產(chǎn)實(shí)踐中不管采用哪一種真空熔煉或處理裝置，鋼液在真空下由碳脫氧后，其殘存的氧含量總是大于按熱力學(xué)計(jì)算的值。,真空碳脫氧的動(dòng)力學(xué),一、組織教學(xué) 二、教學(xué)內(nèi)容 1 概述 2 合成渣的性質(zhì) 3 合成渣洗的精煉作用,a,1 概述,（1）、含義：合成渣洗是由煉鋼爐初煉的鋼水再在鋼包內(nèi)通過(guò)鋼液對(duì)合成渣的沖洗進(jìn)一步提高鋼水質(zhì)量的一種爐外精煉方法。 適合于

10、處理用于制造高強(qiáng)度鋼板、鋼管、輸氣管道、航空及耐寒和深沖變形部件的鋼種。 （2）、合成渣種類(lèi)： 液態(tài)渣、固態(tài)渣 （3）、主要目的： 降低鋼中的氧，硫和非金屬夾雜物含量，它可以把O降至0.002%、S降至0.005%甚至0.003%。 （4）、合成渣洗過(guò)程：在一個(gè)專(zhuān)門(mén)容器內(nèi)(一般使用電弧爐)熔煉合成渣(液態(tài))，爐渣溫度控制在16801750C,出鋼前將熔煉好的合成渣倒入鋼包內(nèi)并移至爐下，在出鋼過(guò)程中鋼液流沖擊包內(nèi)的合成渣，充分?jǐn)嚢?，鋼液與合成渣充分接觸，使鋼液得到渣洗。為了使鋼渣充分?jǐn)嚢杞佑|，需大出鋼口、深坑出鋼，即鋼水有一定的沖擊力，鋼流有一定的高度和速度，使鋼水盡快出凈?；鞗_高度一般為34米

11、，出鋼時(shí)間要短，如10t爐子3555秒，20t爐子4550秒，合成渣用量一般為鋼水量的56%，進(jìn)行渣洗的鋼液出鋼前應(yīng)扒除爐渣，然后再出鋼。,返回,（1）合成渣成分 合成渣主要有CaO-Al2O3系，CaO-SiO2-Al2O3系，CaO-SiO2-CaF2系等。其中CaO含量大都波動(dòng)在45一60的范圍，MgO波動(dòng)在610%, Al2O3波動(dòng)在1216%。SiO2波動(dòng)在1620%。 通常是將合成渣在化渣爐內(nèi)熔化成液態(tài)再倒入鋼包內(nèi)使用。 特點(diǎn)：堿度(石灰粘土渣) (石灰氧化鋁渣 ) （自熔性固體渣 ） 游離氧化鈣量(CaO)來(lái)表示能參與冶金反應(yīng)的氧化鈣的數(shù)量,2 合成渣的性質(zhì),下頁(yè),2 合成渣的性

12、質(zhì),下頁(yè),（2）合成渣的熔點(diǎn) 合成渣的熔點(diǎn)應(yīng)當(dāng)?shù)陀诒辉翠撘旱娜埸c(diǎn)。 鋼的熔點(diǎn)可按下式近似地計(jì)算。 式中 含元素鋼的近似熔點(diǎn)，； 一鋼中元素增加1時(shí)使純鐵的熔點(diǎn)降低值，； 鋼中B元素的質(zhì)量百分含量； 1538純鐵的熔點(diǎn)，。 不同B元素的值列于表8-6。 各種合成渣的熔點(diǎn)可根據(jù)合成渣的成分，利用相應(yīng)的相圖來(lái)確定。,2 合成渣的性質(zhì),下頁(yè),（3）合成渣的流動(dòng)性 合成渣要求有較好的流動(dòng)性，流動(dòng)性是影響渣在鋼液中的乳化程度的重要因素。 有人研究了Al2O3、CaF2和Na2AlF6對(duì)白渣粘度的影響。白渣的組成為：58CaO、20SiO2、10MgO、5%A12O3、7CaF2。試驗(yàn)是在粘度等于0.3P

13、as不變的情況下進(jìn)行的，發(fā)現(xiàn)渣的熔點(diǎn)隨(CaO)和(CaO+MgO)含量的增加而提高。為了使渣的熔點(diǎn)小于1500，必須使(CaOMgO)63。用A12O3或Na2AlF6代替CaO時(shí)，渣的熔點(diǎn)會(huì)急劇降低。因此，對(duì)于爐外精煉，推薦采用下述成分的合成渣，5055CaO；610MgO；1520SiO2；815A12O3；5.0CaF2。其中SiO2、Al2O3、CaF2三組元的總量控制在3540之間。 。,2 合成渣的性質(zhì),（4）合成渣表面張力 在渣洗過(guò)程中，雖然直接起作用的是鋼渣之間的界面張力和渣與夾雜之間的界面張力(如鋼渣間的界面張力決定了乳化渣滴的直徑和渣滴上浮的速度，而渣與夾雜間的界面張力的

14、大小影響著懸浮于鋼液中的渣滴吸附和同化非金屬夾雜的能力，但是界面張力的大小是與每一相的表面張力直接有關(guān)的。 通常熔渣都是由兩種以上氧化物組成，其表面張力可按下式計(jì)算： 式中 合成渣的表面張力； 組元1和組元2的表面張力； 組元1和組元2的濃度；,下頁(yè),2 合成渣的性質(zhì),（5）合成渣還原性 由渣洗完成的精煉任務(wù)決定了渣洗所用的熔渣都是還原性的，渣中(FeO)含量都很低。電爐還原期的白渣，(FeO)含量小于0.6，高爐渣(FeO)小于0.48，,返回,3 合成渣洗的精煉作用,合成渣洗工藝： 按要求的成分、溫度、渣量先倒入鋼包內(nèi)，然后吊到電弧爐或轉(zhuǎn)爐出鋼位置，靠出鋼鋼流的沖擊使合成渣乳化，渣和鋼充分

15、接觸混合，然后乳化的渣滴上浮至鋼液面，完成鋼液的脫硫，脫氧、去除非金屬夾雜等精煉任務(wù)。,下頁(yè),3 合成渣洗的精煉作用,（1）合成渣的乳化和上浮 倒入鋼包內(nèi)的合成渣在鋼流的沖擊下，被分裂成細(xì)小的渣滴并彌散于鋼液中，粒徑越小，與鋼液接觸的表面積越大，渣洗作用越強(qiáng)。乳化的渣滴隨鋼流紊亂攪動(dòng)的同時(shí)不斷碰撞合并長(zhǎng)大上浮。,下頁(yè),3 合成渣洗的精煉作用,（2）合成渣對(duì)鋼中脫氧元素脫氧能力的影響 1）硅脫氧 用硅脫氧的反應(yīng)式為： Si+2O=(SiO2) 當(dāng)溫度降低時(shí)，硅的脫氧能力明顯增強(qiáng)。 2）鋁脫氧 用Al脫氧的反應(yīng)式為 反應(yīng)的平衡常數(shù) 用鋁脫氧時(shí)，由于脫氧產(chǎn)物(Al2O3)來(lái)不及從鋼液中排出，鋼中的氧

16、是不可能那么低。,下頁(yè),3 合成渣洗的精煉作用,（3）擴(kuò)散脫氧 當(dāng)還原性合成渣與未脫氧(或脫氧不充分)的鋼液接觸時(shí)，鋼中溶解的氧能通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入渣中，從而使鋼液脫氧。其脫氧限度可用熱力學(xué)方法計(jì)算。氧在熔渣和鋼液中的分配可寫(xiě)成： 式中 氧在鋼液與熔渣中的分配系數(shù) 渣中FeO的活度系數(shù) 由氧的物質(zhì)平衡和分配系數(shù)的關(guān)系式，可以算出平衡時(shí)鋼中氧含量將會(huì)降低到相當(dāng)?shù)偷乃?。但是在電爐還原期，該過(guò)程未達(dá)到平衡。其限制性環(huán)節(jié)在于擴(kuò)散。當(dāng)渣洗時(shí)，合成渣在鋼液中乳化使鋼渣界面成百倍地增大。同時(shí)強(qiáng)烈地?cái)嚢瓒际箶U(kuò)散過(guò)程顯著地加快。,下頁(yè),3 合成渣洗的精煉作用,（4）夾雜物的去除 1）一方面鋼液內(nèi)的夾雜物與乳化渣滴碰

17、撞，被渣滴吸附、同化而隨渣滴上浮排除。 2）另一方面促進(jìn)了二次脫氧反應(yīng)產(chǎn)物的排出，從而使鋼中的夾雜減少。,下頁(yè),3 合成渣洗的精煉作用,（5）脫硫脫硫反應(yīng)式可寫(xiě)成： FeS(CaO)(CaS) (FeO) 反應(yīng)的平衡常數(shù)為 硫的分配系數(shù)為 式中 硫在渣、鋼之間的分配系數(shù) 渣中游離氧化鈣的質(zhì)量百分含量 1）渣的成分對(duì)硫的分配系數(shù)有很大的影響。 2）除爐渣的成分影響LS外，爐渣的流動(dòng)性對(duì)實(shí)際所能達(dá)到的硫的分配系數(shù)也有影響。,返回,一、組織教學(xué) 二、教學(xué)內(nèi)容 1 鋼包吹氬原理 2 鋼包吹氬對(duì)去氫的作用 3 鋼包吹氬去氮的作用 4 鋼包吹氬去氧的作用 5 吹氬工藝參數(shù)的選定,8.3 鋼包吹氬,1 鋼包

18、吹氬原理,氬氣是一種惰性氣體，吹入鋼液內(nèi)的氬氣既不參與化學(xué)反應(yīng)，也不在其內(nèi)溶解，純氬內(nèi)氫、氮、氧等含量很少，可以認(rèn)為吹入鋼液內(nèi)的氬氣泡對(duì)于溶解在鋼液內(nèi)的氣體來(lái)說(shuō)就像一個(gè)小的真空室，在這個(gè)小氣泡內(nèi)其他氣體的分壓力幾乎等于零。根據(jù)平方根定律，在一定溫度下，氣體的溶解度與該氣體在氣相中分壓力的平方根成正比，即：。鋼中溶解的氣體不斷地向氬氣泡內(nèi)擴(kuò)散，氣泡內(nèi)的分壓力增大，但是氬氣泡在上浮過(guò)程中受熱膨脹，因而氮?dú)夂蜌錃獾姆謮毫θ匀槐３衷谳^低的水平，繼續(xù)吸收氫和氮，最后隨氬氣泡逸出鋼液而被去除。 此外，氬氣泡上浮過(guò)程中推動(dòng)鋼液上下運(yùn)動(dòng)，攪拌鋼液，促使其成分和溫度均勻，在未吹氬前鋼包上、中、下部的鋼水溫度和成分是有差別的。細(xì)小分散的氬氣泡表面與非金屬氧化物夾雜有機(jī)會(huì)接觸，當(dāng)氬氣泡中氧分壓趨于零時(shí)，氬氣泡表面與鋼水中氧化物非金屬夾雜界面張力明顯減少，夾雜物被氬氣泡吸附并攜帶浮出鋼液面而排除。鋼液的攪拌還促進(jìn)了夾雜物的上浮排除，同時(shí)又加速了脫氣過(guò)程的進(jìn)行。,返回,（1）去氫臨界供氬量：至少必需的吹氬量 ， （2）鋼液沸騰時(shí)氣泡中氬的分壓力與鋼液中的氫之間的關(guān)系服從平方根定律。,2 鋼包吹氬對(duì)去氫的作用,返回,3 鋼包吹氬去氮的作用,返回,吹氬去氮也可以推出類(lèi)似的公式： 由于溶解在鋼中的氮和氣泡中遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到平衡，所以在公式中