二次精炼

炉 外 精 炼
二次精炼(Secondary Refining) 二次炼钢(Secondary steelmaking) 二次冶金（Secondary Metallurgy） 钢包冶金(Ladle Metallurgy)
炉外精炼的优点
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
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）调整钢液温度到浇铸所要求的温度范围内， 最大限度地减小包内钢液的温度梯度。
现 状
到目前为止，还没有任何一种炉外精炼方 法能完成上述所有任务，某一种精炼方法 只能完成其中一项或几项任务。
由于各厂条件和冶炼钢种不同，一般是根 据不同需要配备一两种炉外精炼设备。
炉外精炼的手段 1）渣洗：获得洁净钢液并能适当进行脱氧、脱 硫和去夹杂的最简便的精炼手段。将事先配好 (在专门炼渣炉中熔炼)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。电弧炉冶炼时的钢渣混出，称同炉渣 洗，也是利用了渣洗原理。 2）真空：将钢液置于真空室内，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、除去有害挥发成分等目的。真空是炉外 精炼中广泛应用的一种手段。
3）挥发元素通过钢液表面的浓度边界层向气相扩散：
* v3 k3 (CB CB ( g ) )
挥发性较小的元素，如Fe、Ni、Co等元素挥发的限制性 环节为元素向界面的扩散；挥发性较大的元素，如Mn、 Sn等元素的挥发限制性环节为钢液表面这些元素的脱附； 100 pa 元素浓度低及真空度也比较低 ( )，元素挥发的限 制性环节为（3）。
元素在真空下的挥发速率遵从朗格谬尔公式：
' vB cpB
MB 2RT
式中：vB —挥发速率，量纲 kg m2 s 1 c —朗格谬尔系数 M B —挥发组分B的摩尔质量
' pB
—挥发组分的蒸气压
元素的挥发系数
对于铁基二元系，挥发元素的挥发系数：
1）高真空下元素挥发过程成为限制性环节时，挥发系数为：
1－合金添加料斗；2－真空排气管；3－钢液； 4－氩气管；5－渣；6－滑动水口 图5-3 DH真空提升脱气装置示意图
1）DH真空提升脱气装置由真空 室（钢壳内衬耐火材料）及提升 机构，加热装置（电极加热装置 或喷燃气，喷油加热），合金料 仓（真空下密封加料），抽气系 统等组成。
1－合金添加料斗；2－真空排气管；3－钢液； 4－氩气管；5－渣；6－滑动水口 图5-3 DH真空提升脱气装置示意图
——积分式
w 式中： w[X ]0 为钢液气体的初始质量分数； [X ]平 溶解气体的平衡值；
w 在真空条件下， [ X ]平 w[ X ] w[ X ]0 ，因此速率积分式 可简写为：
lg
w[ X ] 1 A X t w[ X ]0 2.3 V
5.9.1.3真空脱碳
真空脱碳和脱氧同时进行：[C]+[O]=CO在真空条件下， 降低了 PCO，使在大气压力下已经达到平衡的脱碳反 应再度进行，从而达到脱碳脱氧的目的。
炉外精炼的手段
3）搅拌：通过搅拌扩大反应界面，加 速反应物质的传递过程，提高反应速度。搅拌方 法：吹气搅拌和电磁搅拌。通常碳的目的。 4）加热：调节钢液温度的一项重要手 段，使炼钢与连铸更好地衔接。加热方法：电弧 加热法和化学加热法。
炉外精炼的手段 5）喷吹：用气体作载体将反应剂加入金 属液内的一种手段。喷吹的冶金功能取决于精炼 剂的种类，它能完成脱碳、脱硫、脱氧、合金化 和控制夹杂物形态等精炼任务。
一般炉外精炼方法都是渣洗、真空、搅拌、喷 吹和加热这五种精炼手段的不同组合，采用一 种或几种手段组成一种炉外精炼方法
炉外精炼的手段
5.9.1.2挥发元素去除的动力学环节
真空条件下，钢液中元素的挥发由下列环节组成：
* v 1）钢液中溶解元素原子向钢液－气相界面扩散：1 k1 (CB CB )
2）元素原子在钢液表面吸附时，经脱附而挥发：
* * 2 * v2 k2CB ( B pB / ) M Fe /(2RTM B ) cB
5.9.1.4真空脱氧
真空条件下，脱氧剂为碳：当脱氧元素浓度 w[ B] 0.1%
' ' pCO 10 kPa 时， 碳的脱氧能力高于硅的脱氧能力；而 pCO 0.1kPa
、
时，碳的脱氧能力甚至高于铝的脱氧能力。 真空脱氧过程速率的限制性环节是钢液中[C]和[O]的扩散， w[C]较高时，[O]的扩散为限制性环节，由此可计算脱氧速率：
5.9 二次精炼主要内容
二次精炼概述 5.9.1钢液的真空处理 5.9.2吹氩处理 5.9.3合成渣处理 5.9.4喷吹粉料处理
炉外精炼产生的原因
1）对钢的质量要求的提高→用普通炼钢炉(转炉、 电炉和平炉)冶炼出来的钢液已经难以满足其质 量的要求 。
2）提高生产率，缩短冶炼时间→希望能把炼钢 的一部分任务移到炉外去完成。 3）连铸技术的发展→对钢液的成分、温度和气 体的含量等也提出了严格的要求 。
Fe 式中：B ， 分别为熔体中B和Fe的传质系数， s ，数量级为 m 1
10 4 ~ 10 5 m s 1
元素活度相互作用系数对挥发元素挥发的影响：提高挥 发元素活度系数的其它元素存在，就能促进该元素的挥 发；反之，降低挥发元素活度系数的元素存在，则降低 该元素的挥发。
2）DH法脱气工作原理 根据压力平衡原理，借助于真空室与钢包之间的相对运动， 将钢液经吸嘴分批吸入真空室内进行脱气处理的。处理时将真 空室下部的吸嘴插入钢液内，真空室抽成真空后其内外形成压 力差，钢液沿吸嘴上升到真空室内的压差高度，如果室内压力 为13.3~66Pa，则提升钢液约1.48m。由于真空作用室内的钢液 沸腾形成液滴，大大增加气液相界面积，钢中的气体由于真空 作用而被脱除。当钢包下降或真空室提升时脱气后的钢液重新 返回到钢包内。当钢包提升或真空室下降时又有一批钢液进入 真空室进行脱气。这样钢液一批一批地进入真空室直至处理结 束为止。
d [O] A O ( w[O] w[O]* ) dt V
lg w[O] 1 A O t w[O]0 2.3 V
——微分式
——积分式
例1：真空提升脱气法（DH法）
真空提升脱气法是1956年德国多特蒙特(Dortmund) 和豪特尔(Horder)冶金联合公司首先发明使用的，简 称DH法。DH法的设备如下图所示。
2）RH真空处理工艺的特点 RH真空处理工艺操作简便、处理量大、生产效 率高，在原来脱氢的基础上又开发了脱碳、脱氧、吹氧 升温、喷粉脱硫和成分控制等功能，使改进后的RH法能 进行多种冶金操作，使其发展成为多功能的真空精炼方 法。 在现代化钢铁生产工艺流程中，炉外精炼已成为不可缺 少的重要环节，高炉—铁水炉外预处理—转炉顶底复合 吹炼—RH真空精炼或CAS-OB精炼—连铸连轧或连铸— 铸坯热送—直接轧制，是现代转炉炼钢最佳工艺流程。
例2：真空循环脱气法（RH法）
1）RH法的产生及发展概况
RH法是德国鲁尔钢铁公司（Ruhrstahl A· G）和海拉 斯公司（Heraeus AG）两家公司1957年共同发明的，故简称 RH法。第一台RH设备1959年在德国Thyssn(蒂森)公司的 Hattingen厂建成。RH法近十几年来在我国发展也很快，我国 的一部分钢厂也选用了RH装置，大冶钢厂1968年投产第一台， 宝钢分别于1985年和1999年投产了两台RH装置，武钢分别于 1979年至1990年投产了四台RH装置，最大容量是宝钢1985年 12月投产的一台300吨RH装置。
炉外精炼
将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 一步 炼钢 两步 炼钢
炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化、 初炼 脱磷、脱碳、去除杂质和主合金化， 获得初炼钢液 将初炼的钢液在真空、惰性气体或还 精炼 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
真空脱气
氮、氢在钢液中的溶解遵从西华特（平方根）定律→ 降低体系的压力，使气体的分压降低→减小钢液中溶 解的气体量。 真空中钢液脱气过程的三个环节： 1）钢液中溶解气体原子向钢液－气相界面扩散；
2）这些气体原子在相界面上吸附，结合成气体分 子，再从界面脱附；
3）脱附的气体分子在真空作用下向气相中扩散。
* M Fe B pB * M B Fe pFe

式中：α为挥发系数 MFeMB分别为合金元素和Fe的摩尔质量 γB，γFe分别为合金元素和Fe的活度系数
* p* pB ，Fe
分别为纯合金组分及Fe的蒸气压，Pa
2）挥发元素受熔体中扩散限制时，挥发系数为：

ln(1 w[ B] / 100 ) ln(1 w[ Fe] / 100 )
5.9.1钢液的真空处理 作用：达到去除溶解的挥发性组分、脱气、 脱碳（脱氧）、脱硫和去除夹杂物的目的
5.9.1.1挥发性杂质的去除 钢液中的有色金属，如Pb、Cu、As、Sn、Bi等 在钢液进行真空熔炼或处理时，可通过挥发而 除去一部分。
挥发量取决于该元素的蒸气压和在铁液中的活度
元素的挥发系数
3）DH法的主要优缺点
优点：进入真空室内的钢液由于气相压力的降低产 生激烈的沸腾，脱气表面积增大，脱气效果较好，适用 于大量钢液的脱气处理，可以用比较小的真空室处理大 吨位的钢液；可以对真空室进行烧烤加热，因此处理过 程中钢液温降小。由于激烈地沸腾还具有较大的脱碳能 力，可以生产含碳0.002%的低碳钢。处理过程中可以加 入合金，在真空室内合金元素的收得率高。由于这一系 列的优点，使DH法得到了发展。 缺点：设备比较复杂，投资和操作费用都比较高。
其中，1）为限制性环节
三个环节中，限制真空脱气的环节主要是（1）， 由此得到真空脱气的速率计算：
v
lg
dw[ X ] A X ( w[ X ] w[ X ]) dt V
——微分式
w[ X ] w[ X ]平 1 A X t w[ X ]0 w[ X ]平 2.3 V
挥发元素去除的动力学环节
真空条件下，钢液中元素的挥发由下列环节组成：
* v 1）钢液中溶解元素原子向钢液－气相界面扩散：1 k1 (CB CB )
2）元素原子在钢液表面吸附时，经脱附而挥发：
* * 2 * v2 k2CB ( B pB / ) M Fe /(2RTM B ) cB
3）RH的主体设备 RH法的设备由脱气主体设备、水处理设备、电气 设备、仪表设备所组成。而主体设备又由如下设备构成： 真空室及附属设备、气体冷却器、真空排气装置、合金 称量台车及加料装置、真空室移动台车、真空室固定装 置、真空室下部槽及浸渍管更换台车及专用工器具、浸 渍管修补台车、电极加热装置（煤气加热）、钢包液压 升降装置、钢包台车、测温取样装置、脱气附属设备、 管道设备、RH-OB装置等。
例如：当
' pCO 为100kPa、10kPa、1kPa时， w[C ] w[O]
5 2.5 分别达到2.5 10 3 、 10 3 和 2.5 10 ，即 w[C ] 和 w[O]
都大幅度降低。 利用真空可使钢液深度脱碳，生产超低碳钢并使钢液 中氧含量也降低到很低的水平。 脱碳反应动力学表明：钢液中碳含量降低到临界量以 下 w[C ] <0.1%-0.45%后，即可采用真空脱碳。
式中：w[B]为组分B的相对挥发量，w[Fe]为Fe的相对挥发量。
w[B]， w[Fe]可分别由下式计算：
dw[ B] A w[ B]0 A ln B t （积分式） B w[ B（微分式） ] w[ B] V dt V dw[ Fe] A w[ Fe]0 A ln Fe t Fe w[ Fe（微分式） ] w[ Fe] V （积分式） dt V