爐外精煉-概述

煉鋼工藝與操作爐外精煉-概述1.概述

1現(xiàn)代煉鋼流程長流程：高爐——鐵水預處理——轉(zhuǎn)爐——鋼水二次精煉——連鑄短流程：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。

2爐外處理技術(shù)與目的爐外處理技術(shù)是在初煉爐（轉(zhuǎn)爐、電爐）以外的鋼包或?qū)Ｓ萌萜髦?，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(diào)整成分及溫度等等。

1.概述

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(nèi)，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(shè)備初煉及精煉的一步煉鋼法，變成由傳統(tǒng)煉鋼設(shè)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。1.1爐外精煉相關(guān)知識1.概述

目前，經(jīng)爐外精煉的普通鋼已超過總鋼產(chǎn)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(zhì)量。對于防止大斷面合金結(jié)構(gòu)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。1.概述（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(zhì)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(diào)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(chǎn)率低、成本高。

1.概述

尤其超高功率電爐技術(shù)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(zhì)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(zhì)總量達到100ppm。如此低的雜質(zhì)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(chǎn)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。1.概述（5）轉(zhuǎn)爐煉鋼法去硫困難傳統(tǒng)的煉鋼方法中，轉(zhuǎn)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。

1.概述

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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(chǎn)率電爐為初煉爐時，提高生產(chǎn)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(chǎn)率。一般可以提高電爐生產(chǎn)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(chǎn)率50%～100%。1.概述(2）改善鋼質(zhì)量、擴大品種

煉鋼爐與爐外精煉配合能生產(chǎn)出氣體含量低、夾雜物含量少的純凈鋼。擴大生產(chǎn)的鋼種，尤其是轉(zhuǎn)爐在生產(chǎn)的鋼種上可以與電爐競爭。

(3）調(diào)節(jié)煉-澆節(jié)奏，實現(xiàn)多爐連澆

在煉鋼設(shè)備與連鑄機之間設(shè)置的具備保持和調(diào)溫的緩沖設(shè)備—爐外精煉爐，則可顯著地改善煉鋼設(shè)備和連鑄機的配合，實現(xiàn)多爐連澆，降低生產(chǎn)成本。

(4）降低生產(chǎn)成本

提高生產(chǎn)率、改善鋼的質(zhì)量、擴大品種及實現(xiàn)多爐連澆都可以降低產(chǎn)品成本。1.概述

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。1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(zhì)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(nèi)的均勻混合時間τ來反映。

1.2精煉手段1.概述

事實上，反應器內(nèi)的均勻混合時間除了與攪拌能密度有關(guān)外，還與攪拌方式、熔池的幾何形狀等均有關(guān)。（1）氣體攪拌1)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(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。還可與其它技術(shù)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。1.概述2)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(chǎn)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。

1.概述（2）電磁攪拌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(chǎn)生感應電勢，這個電勢可在鋼液中產(chǎn)生感應電流J，載流鋼液與磁場的相互作用產(chǎn)生電磁力f，從而驅(qū)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(zhuǎn)攪拌基于同步電機原理的直線攪拌

1.概述（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(nèi)的攪拌是由真空室內(nèi)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。

1.概述

常用鋼包攪拌系統(tǒng)示1.概述2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(zhì)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(nèi)的H2、N2及CO等分壓接近于零，鋼中的[H]、[N]以及碳氧反應產(chǎn)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。

1.概述

鋼水真空處理工藝示意圖1.概述

3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(diào)整的作用。

添加方法:合成渣洗法、噴吹法和喂線法。（1）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。（2）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(nèi)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。1.概述（3）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(nèi)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??；設(shè)備投資少；處理成本低。

1.概述

合金的喂入與噴粉工藝示意圖1.概述

4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。（1）電加熱是將電能轉(zhuǎn)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。（2）化學加熱是利用放熱反應產(chǎn)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?；瘜W加熱需吹入氧氣，與硅、鋁、CO反應，才能產(chǎn)生熱量。

1.概述

鋼包加熱系統(tǒng)工藝示意圖1.概述

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爐外精煉方法多達幾十種，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。2從有無補償加熱裝置分為：鋼包處理型鋼包精煉型1