1、爐外處理技術,朱苗勇 東北大學 2006年3月,內(nèi) 容 提 要, 概述 純凈鋼概念 鐵水預處理 鋼包精煉的基本方法 熔池中的氣泡行為 典型精煉工藝,1 概 述,爐外處理技術發(fā)展的原因 爐外處理技術的開發(fā)歷程 我國爐外處理技術的發(fā)展與現(xiàn)狀 爐外處理技術的基本方法,爐外處理的含義,指在冶煉爐生產(chǎn)鐵水、鋼水的基礎上，以更加經(jīng)濟、有效的方法，改進鐵水、鋼水的物理與化學性能的冶金技術。包括：鐵水預處理（hot metal pretreatment)、鋼包精煉(ladle metallurgy)、中間包冶金(tundish metallurgy).,1.1爐外處理技術發(fā)展的原因, 科學技術進步要求提高鋼材

2、質(zhì)量 高速火車，汽車的輕型高速化，深層采油 用戶對鋼材質(zhì)量的要求，其主要指標有鋼材純凈度、均勻性能和高的精度。各種爐外處理方式則是獲得高純度、高均勻性和高精度鋼材的重要措施。, 提高鋼材性能和質(zhì)量的重點之一是鋼的超純凈化。即有效降低鋼中的有害雜質(zhì)元素和夾雜物的含量。 鋼水超純化，大大減輕了產(chǎn)生中心偏析、裂紋、大型夾雜、氣孔、白點和斑疤等缺陷的傾向，使鋼組織致密均勻，改善了連鑄坯表面及內(nèi)部質(zhì)量，使鋼材性能大為提高。,精確控制化學成分以保證鋼性能穩(wěn)定 減少鋼中P、S含量以改善沖擊性能、抗層狀拉裂性能、熱脆性，并能減少中心偏析和防止連鑄坯的表面缺陷； 減少鋼中氧、氫、氮含量以減少超聲波探傷缺陷、條狀

3、裂紋等，且能改善鋼材的制管性能； 控制夾雜物的形態(tài)以改善鋼的深沖性能和鋼的加工性能。,穩(wěn)定連鑄生產(chǎn)要求控制鋼水質(zhì)量 實踐表明：沒有符合連鑄要求的鋼水質(zhì)量，就不可能穩(wěn)定連鑄生產(chǎn)工藝和保證鑄坯的質(zhì)量。 采用爐外精煉工藝，雖然投資將增加5-10%，成本將增加10-30元/噸，但可冶煉出具有高質(zhì)量特性的鋼種，能提高總經(jīng)濟效益。,1.2 爐外處理的開發(fā)歷程, 第一階段，爐外精煉主要用于： 提高脫氧控制 由熔池的軟吹攪拌去夾雜 通過合成渣和噴射冶金脫硫 通過使用鈣使夾雜物變性,第二階段，開發(fā)并使用了鋼包爐 加熱鋼水和溫度控制 支撐鋼包用于連續(xù)澆鑄 增加合金的加入量 均勻成份和溫度 用于加氣體攪拌生產(chǎn)超純凈

4、鋼 脫硫 真空脫氣去氫和碳,第三階段是二次精煉真空工藝 的開發(fā) 50年前的真空脫氣主要用于脫氫,目前用于生產(chǎn)超低碳鋼和IF鋼。,1.3 我國爐外處理發(fā)展與現(xiàn)狀, 60s-70s:特鋼企業(yè)和機電、軍工行業(yè)應用鋼水精煉技術。大冶、武鋼的RH，北京重型的ASEA-SKF，撫鋼的VOD-VAD，首鋼的鋼包吹氬。 80年代:我國爐外處理技術發(fā)展奠定基礎的時期。國產(chǎn)的LF爐，合金包芯線及喂線設備，鐵水噴射脫硫，噴射冶金技術，寶鋼引進大型RH裝置、KIP噴粉裝置，齊鋼引進SL，寶鋼、太鋼引進鐵水三脫技術與裝備。, 90年代:我國的爐外處理技術得到迅速發(fā)展，為21世紀爐外處理技術的全面、高水平、快速發(fā)展奠定堅

5、實基礎。 鐵水預處理比由1990年的2%增加到2000年的25.1%，鋼水精煉比由2.68%增至22.5%，鋼水吹Ar喂線比由24.7%增至82%。到1999年8月為止，擁有真空、非真空鋼水精煉設備140多臺，鐵水預處理設備20多臺。,2.1 純凈鋼的概念, 鋼中總氧含量和夾雜物水平很低的鋼； 鋼中氧、硫、磷、氮、氫的含量，甚至包括碳含量很低的鋼。 國外一些先進鋼廠，鋼中氧、硫、磷、氮、氫五大元素的總含量已達到80ppm以下，目前尚有繼續(xù)降低的趨勢。, 純凈鋼應是所含雜質(zhì)很少的鋼。減少鋼中的雜質(zhì)含量，可以顯著地改善鋼材的延展性、韌性、加工、焊接、抗腐蝕等性能。 對于鋼性能要求不同，純凈度所要求

6、的控制因素也不同。如IF鋼，要獲得成品鋼材的高延展性、高r值以及優(yōu)良的表面性能，要求鋼中碳、氮、氧含量盡可能低；管線鋼，為了提高鋼的沖擊韌性及抗HIC的能力則要求鋼中硫、磷含量盡可能低。,2.2 純凈度與鋼的性能,硫：在鋼中主要以硫化物（MnS、FeS）的形式存在，除對鋼材的熱加工性能、焊接性能、抗腐蝕性能有大的影響外，對力學性能的影響主要表現(xiàn)在： 與鋼材軋制方向的性能相比，非軋制方向（橫向、厚度）的強度、延展性、沖擊韌性等顯著降低；,顯著降低鋼材抗氫致裂紋（HIC）能力。 用于高層建筑、重載橋梁、海洋設施等重要用途鋼板目前硫控制在80ppm以下，將來會降到50ppm以下；用于含H2S等酸性介

7、質(zhì)油氣輸送用管線鋼硫含量目前已降低到（5-1）ppm。,磷：對鋼材的延展性、低溫韌性、調(diào)質(zhì)鋼的回火脆性有很大影響，優(yōu)質(zhì)鋼對磷的要求已由（200-400）ppm降到150 ppm以下，對于少數(shù)鋼種，如9Ni的低溫儲罐用鋼，要求磷在30ppm以下。 磷低濃度條件下對絕大多數(shù)鋼材的延展性沒有明顯影響。磷屬于偏析較嚴重的元素，對凝固有較大影響，會造成組織結構脆化，對于大多數(shù)鋼種磷降到100ppm左右即可滿足鋼材延展性要求。,氮：對鋼材性能的危害主要表現(xiàn)為： 加重鋼材的時效； 降低鋼材的冷加工性能； 造成焊接熱影響區(qū)脆化； 對于新一代汽車用超深沖IF鋼冷軋鋼板，氮要求低于25ppm；對于厚板為了保證焊接

8、熱影響區(qū)的韌性，鋼中氮應低于20ppm。,氧：氧主要是以氧化物系非金屬夾雜物的形式存在于鋼中。非金屬夾雜物對鋼材的疲勞特性、加工性能、延性、韌性、焊接性能、抗HIC性能、耐腐蝕等性能均有顯著的影響。 如用于輪胎的鋼簾線要求鋼中總氧含量小于10ppm，夾雜物尺寸小于5m；,軸承鋼中鋼總氧量每低1ppm，其壽命可提高10倍，總氧量為46ppm； 優(yōu)質(zhì)寬厚板和管線鋼連鑄坯總氧量要求小于10ppm，MnS夾雜全部轉化為球形CaS； 用于易拉罐的鍍錫板要求總氧含量小于10ppm，鋼中Al2O3夾雜物小于10m； 生產(chǎn)汽車外板（O5板）要求鋼中總氧含量小于20ppm，且Al2O3雜物尺寸小于20m。,3

9、鐵水預處理,鐵水預處理工藝已成為轉爐鋼廠大量生產(chǎn)潔凈鋼的必要手段。國外大型轉爐已100%采用此工藝。日本五大鋼鐵公司鐵水“三脫”預處理的比例已超過90%。,鐵水預處理技術發(fā)展經(jīng)歷三個時期： 石灰系鐵水脫硫處理工藝； 鐵水脫硅，噴吹法鐵水同時脫硫、磷的“三脫” 預處理工藝； 鐵水鎂脫硫工藝和轉爐脫硅、脫磷的“三脫” 預處理工藝。,3.1 鐵水爐外脫硅,在日本和歐洲，高爐鐵水的硅含量平均分別為0.3%和0.6%,北美為1.0%. 硅含量差別將對高爐和轉爐操作產(chǎn)生影響。鐵水最佳含硅量取決于BOF的鐵水比。在日本鐵水比為92-97%（最佳Si含量0.2-0.4%)，北美則為56-80%(最佳含量0.8

10、%)。,低硅鐵水的生產(chǎn)明顯節(jié)省了BOF的操作成本： 1)氧氣消耗和熔劑消耗降低； 2)渣量減少，金屬收得率提高； 3)耐材消耗減少，爐襯壽命增加。,鐵水爐外脫硅的方法,高爐出鐵場主溝內(nèi)噴吹鐵皮與石灰的混合物； 將軋鋼鐵皮和石灰加到擺動流嘴內(nèi)； 鐵水罐內(nèi)吹氧或將石灰噴入鐵水中，軋鋼鐵皮加在鐵水表面。,鐵水爐外脫硅動力學,鐵水脫硅反應可表達為： W為消耗的熔劑量（kg/t)；k為常數(shù)。,硅從鐵水轉移到渣中的反應可表達為： 有利脫硅因素： 1)低溫 2)較低的SiO2活度 3)較高的FeO活度,3.2 鐵水爐外脫磷,80年代初日本，有30-40%的高爐停產(chǎn)，BOF中鐵水廢鋼比也明顯增加，BOF溫度升

11、高不有利于脫磷；鐵水爐外脫磷最大優(yōu)點可使BOF裝載鐵水的時間最小化，可明顯提到底吹噴咀的壽命。,鐵水脫磷預處理目前主要在鐵水包、魚雷罐車中噴粉脫磷和氧氣轉爐對鐵水脫磷處理兩種。 采用鐵水包或魚雷罐車中噴粉脫磷，須將鐵水進行脫硅處理，將硅脫除至0.15%-0.20%，然后再對鐵水進行脫磷。脫磷劑主要采用Fe2O3-CaO-CaF2系，爐渣堿度控制在2.5-5.0，處理終了磷可脫到0.015%-0.050%。,在氧氣轉爐中進行鐵水脫磷處理，利用氧槍、加料和除塵等裝置，無需先行脫硅處理，處理時間短，渣鐵分離完全，處理后的鐵水兌入另一轉爐進行煉鋼。 脫磷實質(zhì)是一個氧化反應： PFe + 5FeOflu

12、x = P2O5 + 5Fe 有效脫磷的條件：高氧勢、低P2O5活度和低溫。,3.3 鐵水爐外脫硫,主要有KR和噴粉脫硫兩種工藝，目前采用較多的是在鐵水包或魚雷罐車中噴粉脫硫工藝。 脫硫早期多采用CaC2，考慮環(huán)境和成本的原因，目前多采用CaO+CaF2粉劑，用量3-8 kg/t，脫硫率在40-80%，處理終了鐵水S可脫至100-80ppm。,為了用較少的熔劑消耗達到更有效的脫硫，在CaO中混入Mg或CaC2，可以將硫降到50ppm以下。 脫硫反應： CaOflux + SFe = CaSslag + OFe 高溫和低氧勢對反應有利。在同一容器中先脫磷，后緊接著脫硫。如在脫磷后期不吹氧而添加蘇

13、打。,4.1 鋼包精煉的基本方法,1、吹氬 通過鋼包底吹氬或浸入式噴槍噴吹，依靠鋼水中上浮的氬氣泡粘附渣滴以及上浮氣泡引起的鋼液流動來實現(xiàn)均勻成分溫度、去夾雜和加速反應的目的。,鋼包吹氬攪拌的作用:,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，使結晶器內(nèi)坯殼生長均勻，避免開澆水口凍鋼斷流。,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

14、微調(diào)，以使鋼的成分控制范圍更窄，以確保鋼材性能均勻。,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，一般可降低20%以上。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，渣中的FeO含量越低，吹氬攪拌夾雜物排除的量越多。,2、真空脫氣 通過在鋼液表面抽真空來減少鋼中的有害氣體。此設想1860年貝塞麥就提出，直至二戰(zhàn)后才得以工業(yè)應用。 VC、SLD（Shift Ladle Degassing） TD（Tap Deg

15、assing）、VD ISLD(Induction Stirring Ladle Degassing) VSR (Vacuum Slag Refining) DH、RH、PM（Pulsating Mixing Process）,在真空條件下對鋼水進行精煉的一種處理工藝。真空脫氣工藝已成為現(xiàn)代高質(zhì)量鋼生產(chǎn)過程不可分割的一部分。 鋼水流脫氣 鋼包脫氣 鋼水循環(huán)脫氣,3、帶有加熱裝置精煉法 LF(Ladle Furnace) GRAF(Gas Refining Arc Furnace) ASEA-SKF VAD(Vacuum Arc Degassing) CAS-OB,鋼包加熱系統(tǒng),LF加熱功能，可

16、為連鑄準備溫度合適的鋼水，精煉后有很好的純凈度，協(xié)調(diào)初煉爐與連鑄機工序，保證多爐澆鑄。 VAD (Vacuum Arc Degassing)精煉爐是美國公司研制的，將加熱和脫硫結合，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，能精確控制溫度和成分。 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。,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)

17、量有明顯改善。為了解決鋼加熱的問題，日本又在CAS法基礎上增設頂吹氧槍和加鋁粒設備，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就是吹氧的意思。,CAS-OB工藝主要包括：,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等元素燒損和控制鋼中酸溶鋁含量的關鍵技術。一般每噸鋼水升溫1，鋁耗量為350-450g，升溫速度快。 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。 合金

18、微調(diào)。在CAS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。,4、低碳鋼液的精煉方法 VOD(Vacuum Oxygen Decarburization) SS-VOD (Strong Stirring VOD) RH-OB (RH-Oxygen Blowing) RH-(K)TB(RH-Top Blowing) AOD (Argon Oxygen Decarburization) CLU ( 法Creusot-Loire和瑞Uddeholm),VD( Vacuum Degassing)法是將轉爐、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?？蛇M行脫碳、脫氣、脫硫

19、、去除雜質(zhì)、合金化和均勻鋼水溫度、成分等處理。其主要設備由真空系統(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)各種合金結構鋼、優(yōu)質(zhì)碳鋼和低合金高強度鋼。 在VD爐上增加頂吹氧系統(tǒng)，構成VOD爐。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，鋼包凈空應不小于900mm；若實現(xiàn)吹氧脫碳工藝，則

20、鋼包凈空為1.21.5m。,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爐，是一種常壓下的精煉設備。 AOD法通過爐體下部側面吹入氬氧混合氣體，由于氬氣稀釋降低鋼液中pCO,使高鉻鋼水在減壓下進行脫碳反應。由于AOD法可以在不太高的冶煉溫度和常壓下將高鉻鋼液中的碳降到極低的水平，而鉻又沒有明顯的燒損。該精煉法投資省，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)費用低，產(chǎn)品質(zhì)量高，操作簡便。因此，全世界大部分不銹鋼都是由AOD爐來生產(chǎn)的。,5、固體料添加法 IRSID噴粉法 TN法（德Thyssen-Niederhein） SL法(

21、Scandinavian Lances) ABS法(Aluminum Ball Shoot) WF法（Wire Feeding）,噴粉和加合金,鋼包加合金工藝不斷發(fā)展，以節(jié)省合金料用量，精確控制鋼的成分。工藝進展分三步： 1）從塊狀合金加入發(fā)展到噴粉加入 2）用喂絲工藝代替噴粉工藝 3）鋼包站上裝連通管在惰性氣氛下加 不少噴粉工藝是在70年代中期發(fā)展起來的，如TN、SL。它要求鋼包的鋼水必須無渣，以便進行有效脫硫，此外鋼包上方必須有300mm的自由空間。,鋼包噴粉的冶金效果：,脫硫。一般脫硫、脫氧用硅鈣粉，成分為wSi=54%, wCaO=30%,粒度小于1mm，其中小于0.125mm占50%

22、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%。,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（12CaO7Al2O3或CaO Al2O3 ），在鋼液中成球狀，易于上浮排除。由于夾雜物總量減

23、少，特別是由群族狀Al2O3和長條狀MnS變成細小的圓球狀，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。,提高合金吸收率。噴入的合金粉劑能直接與鋼水接觸，有相當大的接觸界面和相當長的接觸時間。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。 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結合成低熔點鋁酸鈣（12CaO7Al2O3）在鋼水中呈球狀易上浮，避免了水口的堵塞。 目前真空精煉設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

24、。,鋼包喂絲,一種方法是用金屬絲通過喂絲機喂入鋼液；另一種是用芯線將所需加入的粉密封在鋼套中并制成盤卷，在精煉時喂入。 與噴粉相比，喂鈣芯線設備和工藝簡單，同時鋼液的擾動較小，降低鋼液的熱損失并減少從大氣中吸氧和吸氮量。,各種爐外精煉方法的共同特點： 有一個理想精煉氣氛 攪動鋼水 補償溫度損失采用加熱設施,5 熔池中的氣泡行為,氣泡行為是鋼水精煉中最重要的現(xiàn)象之一，在精煉體系中，一方面有著氣泡內(nèi)部以及相互的相對運動（分散、聚合）；另一方面還有氣泡與介質(zhì)之間的相對運動，而且伴隨著傳熱和傳質(zhì)，甚至反應，因此，氣泡的大小、形狀、運動情況無疑對精煉操作有很大的影響。,5.1 氣泡形核生成,氣泡存在于液

25、相時,氣泡內(nèi)壓修正可寫為: 在均相體系內(nèi)，只有處于高度飽和，才能形核成泡。冶金熔體中氣泡的生成屬于非均相形核，原因在于熔體中存在大量的形核物質(zhì)。,當氣泡長大到其浮力超過其表面張力時，氣泡將脫落。氣泡脫落時的直徑可Fritz公式估算，即 氣泡開始長大到脫落所需的時間:,5.2 氣泡孔口的生成,在浸入式噴口上形成氣泡時，可能作用在氣泡上的力有：浮力Fb，殘余壓力Fp，出口動量產(chǎn)生的力Fk。同時氣泡還受到介質(zhì)中力的作用，如慣性力Fi，表面張力Fs和粘性阻力Fd等。 氣體流量很低時，粘性力和慣性力的作用可以忽略，可認為浮力和表面張力接近于平衡，即可導出氣泡直徑的計算公式。,取cos=1 上式只適用于N

26、Re0200 ，如將密度g為1.2kg/m3的空氣通過一直徑為1.3mm的孔口鼓泡進入水中時，可得氣泡直徑為db=4.06mm。,當氣體流量較大時，200NRe02100時，氣泡的長大和最終體積主要決定于慣性力。 氣泡浮力： Fb=Vb(l-g)g 慣性力: 氣泡完全形成并脫落孔口時，氣泡半徑rb=s 。,取=11/16 Ar-Al體系，8001000，Vb=2.75Qg6/5g-3/5 Ar-Fe體系，13501400，Vb=2.86Qg6/5g-3/5 相對應的氣泡頻率分別為12-16s-1(Ar-Al)和8-12s-1(Ar-Fe)，均小于空氣水體系中測得的頻率。,佐野正道和森一美提出了

27、從小到中等氣體流量下氣泡尺寸的計算式，此式是在水銀和鐵液中通過實驗獲得的。,5.3 液體中氣泡的形狀,很小的氣泡可以認為是球形，而大的氣泡則會變形，成橢球，也可以是球帽形，即前部為球形的一部分，而后部則平坦或者凹曲。 氣泡的形狀取決于作用在氣泡表面上的力。表征氣泡形狀的主要參數(shù)是雷諾數(shù)(NRe)、韋伯數(shù)(NWe)、奧脫斯數(shù)(NEo)、和莫頓數(shù)(NMo).,NRe1000，NEo50時，氣泡呈球冠形，相當于在低粘度或中等粘度液體中上升的大氣泡； NRe處中間、 NEo較大時，氣泡呈裙形或微凹形，這相當于高粘度液體中上浮的大氣泡； 在中間雷諾數(shù)和奧脫斯數(shù)下，氣泡呈橢球形和盤狀，不斷擺動并盤旋上升。

28、,5.4 液體中單個氣泡的運動,不同流動條件下氣泡上浮速度與直徑存在著不同關系，可分為以下四種情況： （1）小氣泡，NRe2，小氣泡在液體中運動時相當于剛體球，用斯托克斯公式計算上浮速度:,（2）中等尺寸球形，25000，氣泡呈球冠形，上浮時對液體有強烈的攪拌作用，在其下方形成尾流。這時氣泡上浮，速度與液體的性質(zhì)無關，與當量直徑的平方根成正比。,5.5 兩相區(qū)中氣泡群的行為,在精煉反應器中，在有氣泡存在的情況下，氣泡往往以氣泡群的形式出現(xiàn)，這種分散氣泡群對增大體系內(nèi)的反應面積起著很重要的作用。描述氣泡群特性的主要參數(shù)有空塔速度ub,s、氣流滯留比g和氣泡平均直徑等。,佐野正道和森一美測定了水銀

29、中分散氣泡的平均直徑db與空塔速度的關系: 列維奇建議用下式計算湍流體系中最大氣泡直徑db,max 可計算鋼水中（1600、1.5atm、=1.5m1）氮氣泡最大尺寸為60mm，水中最大尺寸為10.4mm。,大量的研究結果表明: 兩相區(qū)的氣泡頻率和含氣率在徑向呈高斯分布，可用高斯函數(shù)來描述；在軸向線上氣液兩相區(qū)呈錐形擴展，含氣率沿軸線迅速下降，兩相區(qū)的幾何結構取決于液體的特性和修正的Froude數(shù)。描述兩相區(qū)氣泡分布比較有代表性的結果:,5.6噴吹氣體對熔池的攪拌作用,鋼水精煉過程中噴吹氣體，其冶金效果是加快熔池中的化學反應速度，促使熔池中溫度和成分的均勻，加速非金屬夾雜的排除。其最基本的功能

30、是攪拌。吹入的氣體是通過對液體作功來實現(xiàn)攪拌的目的。,吹入氣體對液體作功，包括四個方面： 膨脹功：氣體在噴咀附近由于溫度升高引起 體積膨脹而做功 浮力功：氣泡上浮過程中因浮力和膨脹做功 動力功：噴吹時氣體流股的動能做功 靜壓力功：氣體噴出時殘余靜壓力使氣體膨 脹做功。,從理論上計算氣體攪拌熔池的總功率,眾多研究者的結果表明，氣泡在上升過程中所作的功（浮力功膨脹功）是引起熔池攪拌混合的最主要部分，氣體動能很大一部分在噴口消耗。,氣體對熔池所作的功率用攪拌能密度來表示 精煉鋼包內(nèi)的攪拌混合特性通常用均勻混合時間來體現(xiàn)。所謂均勻混合時間中指熔池從某一狀態(tài)到達所需均勻度的時間。 均勻混合時間常用加入示

31、蹤劑的方法來測定，也可以通過數(shù)值計算來獲得。實際上通常定義95%的混合度。,很顯然，熔池中的均混時間與熔池中的攪拌功率有直接關系，通常是用下式來表示它們之間的關系，即 體系不同，系數(shù)a、b值也各不相同。除此之外，均混時間還受液體性質(zhì)和操作條件如噴吹位置和數(shù)目、熔池直徑和高度等的影響。,6 RH真空精煉技術, 概況 RH真空處理的冶金功能 RH真空脫碳機理 RH真空精煉過程研究,6.1 概 況,RH精煉法最早是由德國Ruhrstahl和Heraeus公司共同設計的真空精煉設備。最初是用于脫氫。目前已經(jīng)發(fā)展成為能夠脫除碳、硫、磷、氧和夾雜以及升溫、調(diào)整成分等的多功能精煉設備。由于RH功能不斷被擴展

32、，引伸而誕生了RH-OB、RH-KTB、RH-PB等多功能的二次精煉設備。RH真空精煉技術得到迅速發(fā)展，目前世界上有150多座RH裝置投入使用。,6.2 RH真空處理的冶金功能, 脫氫：RH真空脫氣裝置的脫氣效率很高，對于完全脫氧的鋼水，其脫氫率可不小于60%，而未完全脫氧鋼水，脫氫率可不小于70%。脫氫效率在一定真空度下取決于鋼水的循環(huán)次數(shù)。一般情況下，脫氣15-20min，可將鋼水中原始含量降到2ppm以下。, 脫氮：由于鋼中的氮的溶解度是氫的15倍，且硫和氧影響脫氮速率，因此，RH真空脫氣的脫氮效果不明顯，通常效率為0-10%。 脫氧：在真空條件下，由于碳、氧反應非常激烈，產(chǎn)生的CO氣體

33、很快被抽走，因此，RH真空脫氣的脫氧效果比較好，一般經(jīng)過RH真空處理的鋼水，全氧含量可保持在20-50ppm，特別好的爐次還能低于這個含量。, 脫碳：RH最主要的功能是脫碳，金屬中的氧和渣中的(FeO)用于脫碳，經(jīng)過RH處理可將鋼中的碳降到20ppm以下。 脫硫：RH體系本身脫硫效果并不好，但如與其他設備連接如RH-PB，RH頂槍噴粉，情況就會改變。脫硫率可達到50%-75%。, 去夾雜：采用RH處理，有可能使氧總量低于15ppm，此外，合金收得率比較高，被氧化的合金元素少。 成分控制精確：合金加料系統(tǒng)能快速、準確、均勻將所需合金加入到真空室內(nèi)，使鋼中成分可控制在非常小范圍。,在普通RH真空室

34、的頂部安裝水冷氧槍，構成RH-KTB工藝。RH-KTB法是由日本川崎鋼鐵公司開發(fā)的工藝（Kawasaki Top Blowing）。在真空脫氣的同時，吹氧進行脫碳，以生產(chǎn)碳含量極低（wC0.0020）的超深沖用薄板鋼。吹氧二次燃燒所產(chǎn)生的化學熱還可用于鋼水升溫。 RH-KTB可配備噴粉系統(tǒng)，通過頂槍向真空室鋼水內(nèi)噴吹脫硫粉劑，構成RH-KTB/PB工藝，可實現(xiàn)真空噴粉脫硫。,RH法處理效果：,一般脫氫率5080，脫氮率1525，降低夾雜物65以上。處理后可達到以下水平： RH法適用于對含氫量嚴格要求的鋼種，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。,RH-KTB處理效果：

35、,RH法加頂吹氧可提高脫碳速度，縮短真空脫碳時間，提高RH真空脫碳前鋼水碳含量0.02以上，初始碳含量可為0.06，增加了升溫功能。處理后可達到以下水平： RH-KTB法適用鋼種同RH法，多用于超低碳鋼、IF鋼及硅鋼的處理。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。,6.3 RH真空脫碳機理,RH爐中脫碳反應的區(qū)域： 鋼液和噴射進入上升管Ar氣泡的界面 真空室中鋼液的自由表面 脫碳反應形成的CO氣泡,RH中的脫碳五個步驟： 1）鋼液從大包到真空室的供應 2）鋼液中C到氣液界面的質(zhì)量傳輸 3）鋼液中O到氣液界面的質(zhì)量傳輸 4）氣液界面上的化學反應（C+O=CO) 5）CO在

36、氣相中的質(zhì)量傳輸 2），4）和5）認為可能是速度控制環(huán)節(jié)。,真空室中自由表面的脫碳 脫碳由液相控制，速率方程可表示為：,6.4 RH循環(huán)流量模型,前人提出的循環(huán)流量計算模型：,根據(jù)RH真空精煉的特點，建立描述RH裝置內(nèi)循環(huán)流量理論模型。循環(huán)流量模型從兩個角度出發(fā)： （1）以上升管中Ar氣泡為核心而發(fā)生的去N、H作用和C-O反應，因而沿上升管軸線方向，氣液兩相流的含氣率逐步增加，使氣液兩相各自的絕對速度與兩相流的相對速度逐步變化； （2）上升管中氣液兩相流的動量平衡。, 基本方程 （1）液相中各元素的濃度平衡方程 （2）氣相中各元素的濃度平衡方程 （3）氣液兩相流的連續(xù)方程 （4）液相的動量平衡

37、方程和 （5）氣相的理想氣體狀態(tài)方程,循環(huán)流量模型研究結論： 氣體流量的增大并不一定帶來鋼液循環(huán)流量的提高。 對于一定直徑的浸漬管，當循環(huán)流量達到極大值后，可以通過擴大浸漬管的直徑，使循環(huán)流量達到一個較大的值。 隨著提升氣體吹入位置的降低，循環(huán)流量隨之增大，但并不很明顯。 碳含量對循環(huán)流量的影響與提升氣體的流量有關。在真?zhèn)€精煉過程中，即使提升氣體流量保持不變，循環(huán)流量也會因碳含量的降低而發(fā)生改變。,6.5 RH流動與脫碳模型,控制方程：,源項 在描述真空室內(nèi)碳的行為時，可表達成 ， 為脫碳的速度常數(shù)，在RH裝置的其他區(qū)域為零。,RH流動與脫碳模型研究結論： RH處理過程中，脫碳前期，真空槽內(nèi)的碳濃度較大包中的低得多，大包內(nèi)的大回流區(qū)碳濃度最高，但經(jīng)過真空槽循環(huán)后，濃度明顯下降，此時脫碳的速率較大；隨著脫碳的進行，真空槽與大包和大包內(nèi)部碳濃度的差別越來越小，脫碳速率也明顯降低。, 增大提升氣量有利于RH脫碳速率的增加，但效果不是特別明顯，尤其是處理初期。 上升管直徑增加明顯加快了RH處理過程中的脫碳速率，與增加吹氣量相比，增加上升管直徑的效果更明顯。, 有無KTB吹氧操作對RH精煉脫碳影響很大。頂吹氧能顯著加速初期的脫碳，在初始氧含量較低時，