转炉炼钢教材.docx
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转炉炼钢教材
炼钢高级工（炉外精炼）
培训教案
第一讲：
炉外精炼工艺：
1．什么叫钢水炉外精炼？
钢水炉外精炼就是将炼钢炉中初炼的钢水移到钢包或其他专用容器中进行精炼，也称为二次精炼。
2．炉外精炼的目的和手段是什么？
目的：
在真空、惰性气氛或可控气氛的条件下进行深脱碳、脱硫、脱氧、除气、调整成分（微合金化）和调整温度并使其均匀化，去除夹杂物，改变夹杂物形态和组成等。
基本方法：
CAS、LF、VD、RH-KTB、AOD等40多种。
基本手段：
搅拌、渣洗、加热、真空、喷吹等5种。
实际生产中可根据不同的目的选用一种或几种手段组合的炉外精炼技术来完成所要求的精炼任务。
*相关知识：
搅拌：
吹氩、吹氮、机械搅拌等，去除夹杂物65%以上；
WT[O]=W[O]溶+W[O]夹
渣洗：
造渣脱氧剂加入作用；
CaC2+5（FeO）→（CaO）+5[Fe]+2CO2↑
8A~22A、82B调渣处理
喷吹：
喂线钙化处理
加热：
OB、LF炉升温作用；
真空：
VD脱气功能。
3、钢水精炼设备选择的依据是什么？
钢水精炼设备的选择主要依据如下：
（1）钢种的质量要求；
（2）连铸机生产对钢水的质量要求；
（3）转炉与连铸机生产的作业协调要求。
*相关知识：
（1）、连铸对钢水质量要求：
合适的钢水成份、温度；钢水可浇性；钢水洁净度。
（2）、洁净钢概念：
[P]+[S]+[O]+[N]+[H]≤100ppm。
区别ppm与%、个
4．钢包吹氩搅拌的作用是什么？
钢包吹氩搅拌是最基本也是最普通的炉外处理工艺。
钢包吹氩搅拌的作用是：
（1）均匀钢水温度。
包衬温度较低，中心区域温度较高，钢包上、下部钢水温度较低，中间温度较高。
（2）均匀钢水成分。
全程吹氩搅拌。
（3）促使夹杂物上浮。
渣中的（FeO）↓，吹氩搅拌夹杂物去除↑。
5．钢包吹氩搅拌通常有哪几种形式？
1）底吹氩。
包括全程吹氩自动、手动控制；事故底吹氩；
2）顶吹氩。
事故吹氩，搅拌效果不如底吹氩。
6．在什么情况下采用强搅拌，什么情况下采用弱搅拌？
预吹氩、加废钢调温或调合金时采用强搅拌，以加速废钢、合金熔化，保证钢水成分、温度均匀。
其后采用弱搅拌，抑制卷渣、二次氧化等现象。
脱硫时要强搅拌，加速渣钢界面反应以利于脱硫。
7．为什么吹气搅拌不使用氮气而使用氩气？
在高温下氮能溶解在钢水中，其增氮量是随温度的升高及吹氮时间的延长而增多。
当温度高于1575℃时，可使钢中氮含量增加0.003%，影响钢的质量，因而使用氮气作为搅拌气源受到了限制，仅有少量含氮钢种用吹氮气搅拌，增氮不稳定。
8．什么叫CAS法和CAS-OB法，CAS工艺内容？
CAS是成分调整密封吹氩法（CompositionAdjustmentbySealedArgonBubbling），由日本发明，该工艺采用底吹氩强搅拌将液面渣层吹开，降下耐火材料制作的浸渍罩，浸渍深度为200mm，在封闭的浸渍罩内迅速形成氩气保护气氛，可加入各种合金进行微合金化，合金吸收率高而稳定，钢的质量有明显改善。
OB就是吹氧的意思。
8．1主要功能：
①、对粗合金化的钢水进行成份混匀和微调，使钢水合金成份达到内控成份要求，实现窄成份控制；
②、对钢水温度进行混匀，将钢水温度严格控制在一定范围内；
③、隔离钢水与空气，防止钢水二次氧化，提高合金收得率。
④、降低钢中活度氧和全氧量，去除钢中气体夹杂物量，进行炉外精炼。
8．2CAS精炼过程：
钢包全程吹氩进站→底吹排渣降罩→测温、取样、定氧→调温、调氧及成份微调→喂线→提罩软吹→测温、取样→钢包出站。
8．3CAS工艺要求
①、钢包烘烤：
一般要求钢包烘烤应达到1100℃以上。
②、转炉挡渣出钢
钢包内渣层过厚会对CAS处理带来不良影响：
底吹排渣效果差甚至无法裸露出钢液面，从而造成浸罩内残留渣量多甚至无法进行CAS处理；成份调节时，合金元素收得率降低；钢水脱氧效果差甚至出现钢水回鳞现象等。
对于CAS处理最好将钢包钢水顶渣厚度控制在30~50mm，一般不超过100mm。
③、钢包渣改质
钢包渣主要是由转炉出钢过程流入钢包的炉渣和铁合金脱[O]产物所形成的渣层。
所形成渣氧化性高，渣中（FeO）正常含量在3~10%，转炉末期加矿石或严重过氧化的炉次，渣中（FeO）可高达20%以上。
出钢后，会因为硅铁脱氧产物（SiO2）在渣中比例增大，造成钢包渣碱度降低，甚至使渣碱度（CaO/SiO2）<2.0。
钢包渣改质的目的就是为了改变熔渣的碱度、流动性和氧化性。
改质的方法主要是采用在转炉出钢过程中向钢包内加入改质剂或脱硫剂，利用钢水流冲搅，促进钢渣反应和钢包渣快速生成。
使渣碱度达到2.5~3.0，渣中（FeO+MnO）<3—5%。
④、CAS底吹排渣工艺
排渣效果（裸露钢液面积）主要与渣层厚度、渣粘度和底吹氩能力等有关。
在底吹氩排渣过程中，随着底吹氩气流量增大，排渣面积增大，但当底吹氩气流量达到一定值后，进一步增大底吹氩气流量，其排渣效果变化不大。
应选择较佳的底吹氩排渣流量，防止钢水散热过多和减少氩气消耗量。
⑤、浸罩底吹搅拌工艺
钢包中浸罩后底吹搅拌效果与普通钢包底吹氩有较大不同，其主要原因由于浸罩浸入钢水中后使底吹搅拌的钢水钢水循环流态受到影响。
而在有浸罩的条件下，底吹熔池均匀混合的时间，不仅与底吹气体流量有关，而且与浸罩侵入钢水中深度有关，减少浸罩浸入深度与提高底吹氩气流量，均可加快熔池混合速度。
⑥、CAS成份微调工艺
CAS微调成份时可根据调整量设定给料量，实行自动称量，自动给料，实现成份准确要求。
CAS处理，要求浸罩内无渣或少渣，其合金收得率才比较高。
影响合金收得率的因素主要有钢水中溶解氧含量，钢渣氧化性和渣层厚度、浸罩内残留渣量和底吹搅拌强度。
底吹搅拌均匀混合时间应控制在3min以上。
⑦、CAS钢水净化操作
在10min以内，随着CAS处理延长时间，钢水中总氧含量迅速下降。
因此，要求对于CAS精炼处理，在合金化后，应当保持在浸罩条件下底吹氩气搅拌时间和提罩后底吹弱搅拌一定时间，以便确保钢水中夹杂物去除。
9．什么叫LF炉，LF炉工艺的主要优点有哪些？
LF炉（LadleFurnace）称为钢包炉，是20世纪70年代初由日本开发成功的，现已大量推广应用，成为当代最主要的炉外精炼设备。
LF炉通过电弧加热、炉内还原气氛、造白渣精炼、气体搅拌等手段，强化热力学和动力学条件，使钢水在短时间内达到脱氧、脱硫、合金化、升温等综合精炼效果。
确保达到钢水成分精确，温度均匀，夹杂物充分上浮净化钢水的目的，同时很好地协调炼钢和连铸工序，保证多炉连浇的顺利进行。
LF炉工艺的主要优点有：
1）精炼功能强，脱氧、脱硫、净化钢水效果好，钢的质量显著提高；适宜生产超低硫、超低氧钢种。
2）电弧加热功能，热效率高，升温幅度大，温度控制精度高。
3）具备搅拌和合金化功能，易于实现窄成分控制，提高产品的稳定性。
4）采用渣钢精炼工艺，精炼成本低。
5）设备简单，投资较少。
10．LF炉主体设备包括哪些部分？
LF炉的主体设备包括：
（1）变压器及二次回路；
（2）电极、电极提升柱及电极臂；
（3）炉盖及抽气罩；
（4）吹氩搅拌系统；
（5）钢包及钢包运输车；
（6）渣料、合金加入及称量系统。
11．LF炉有哪些精炼功能？
LF炉有如下4个独特的精炼功能：
（1）埋弧加热。
LF炉有3根石墨电极，加热时电极插入渣层国进行埋弧加热，因而辐射热小，减少对包衬的损坏，热效率高。
浸入渣中的石墨电极与渣中氧化物反应：
C+（FeO）=[Fe]+｛CO｝
C+（MnO）=[Mn]+｛CO｝
上述反应不仅提高了熔渣的还原性，而且还提高合金吸收率，生成CO使LF炉内气氛更具还原性。
（2）氩气搅拌。
通过钢包底吹氩气搅拌国速钢—渣之间的物质传递，利于脱氧、脱硫反应的进行，并促进夹杂物的上浮去除，特别是对Al2O3类型的夹杂物上浮去除更为有利。
同时加速负水温度和成分的均匀，达到精确地调整钢水的成分。
（3）炉内还原气氛。
钢包与炉盖密封起到隔绝空气的作用，加之石墨电极氧化产生CO气体，炉内形成了还原气氛，钢水在还原条件下进一步脱氧、脱硫及去除非金属夹杂物，并避免增氮。
（4）白渣精炼。
LF炉精炼的白渣是ω[FeO]≤1%的还原渣。
通过高碱度的还原渣，借助氩气搅拌，实现有效的扩散脱氧、脱硫和去除非金属杂物。
12、喂线工艺
（1）、喂线设备
喂线机主要由线盘驱动机、喂线驱动机和电气控制等组成。
（2）、喂线速度的选择
喂线机的速度必须保证喂入的线能在钢水中均匀分布，要求：
一方面包芯线能在钢水中一定深度内熔化，另一方面要具有一定动能冲到钢包底部，并使钢水产生紊流。
考虑钢水温度、环境温度、包芯线带钢在钢水中的熔化时间（0.9～1.2s）及钢种等各因素，可得出包芯线的喂线速度要求在３～５m/s，碳含量高的钢种喂线速度取下限。
（3）、喂线冶金效果
①合金及铝的收得率高
采用喂线工艺在出钢前向钢包内加入了脱氧剂，有利于合金化时硅、锰收得率的提高。
低碳钢出钢终点碳低，钢水氧化活性强，钢水中a[O]大于渣中（FeO）相平衡的a[O]，需要更多的铝脱氧，因此低碳钢喂铝线铝的收得率低。
经验公式：
ηAl=75.9[C]%-2.24（FeO）%+45.7
②钢中氧及氧化物夹杂含量降低
喂入Ca-Si线或Ca-Fe线，可以降低钢中Al2O3夹杂。
喂Ca线时钙的蒸气压较高，反应剧烈，相当一部分钙烧损，降低了钙的利用率。
③钢中夹杂物变性
Al2O3可塑性差，不变形，影响钢材性能。
钙处理目的是改变Al2O3形态，可确保在炼钢温度下的铝酸盐呈液态，改变Al2O3形态（固态块状、锐边型变成液态球型）。
④脱硫作用
喂线钢水由于出钢过程加入脱氧剂或合成渣，脱硫条件好，钢水温度越高，吹氩搅拌强度越大越有利于脱硫。
相关知识：
石灰计算：
合金加入量计算公式：
（Si、Mn、C、Cr、Als等）
铝脱氧计算：
H08A及8A生产脱氧及控制。
700ppm→100ppm，假设钢水量80t，Al-Mn-Fe含铝量20%，其中90%的铝用于脱氧，问须加入多水Al-Mn-Fe？
Al原子量27，O原子量16
第二讲：
钢的质量与品种控制
一、钢中化学成份与气体含量对钢性能影响：
1．碳
碳主要以碳化物（Fe3C）形成存在于钢中，是决定钢强度的主要元素，当钢中碳含量升高时，其硬度、强度均有提高，而塑性、韧性和冲击韧性降低，冷脆倾向性和时效倾向性也有提高。
随着钢中碳含量的升高，焊接性能显著下降。
因此，用于焊接结构的低合金钢，碳含量不超过0.25%，一般应大于0.22%。
例：
70#时效；合金焊C：
0.06~0.07%
2．硅
硅可提高抗拉强度和屈服或强度，特别能提高弹性极限。
但钢的延伸率、收缩率和冲击韧性有所降低。
硅是硅钢的主要合金元素，它能降低铁损，增加磁感应强度。
硅还能提高抗腐蚀能力和抗高温氧化能力。
例：
60Si2Mn；低碳低硅钢及中碳冷礅钢；
3．锰
锰是强韧性元素，能增加钢的强度，当锰含量在1.0%以下时，不降低钢的塑性，其韧性还有所提高。
当锰含量超过1%时，在提高强度的同时塑性、韧性有所下降，锰能增加钢的淬透性、耐磨性，是耐磨钢的主要合金元素。
Mn≥0.25%；锰钢
4．磷
磷在钢中以Fe3P或Fe2P形态存在，使钢的塑性、韧性降低，尤其低温时的韧性降低最厉害，这种现象称为“冷脆”。
总之，磷对钢材性能的危害表现在：
冷脆、调质钢的回火脆性、热加工性和焊接性能降低等。
磷的有利作用有：
磷能降低硅钢的铁损改善电磁性能，提高钢的抗腐蚀性（大气、海水、弱碱）以及改善钢的切削加工性能。
5．硫
硫在钢中是以FeS和MnS形态存在，硫含量高的钢会产生“热脆”。
当钢水凝固时，FeS和Fe形成低熔点共晶体，熔点为985℃，并呈网状薄膜分布在晶界处。
硫含量高的钢在热轧温度下（800~1200℃），低熔点共晶体熔化，经轧制和锻压时，在横向（与加工方向垂直的方向）产生裂纹。
硫除对钢材的热加工性能、焊接性能、抗腐蚀性能有大的影响外，对力学性能的影响主要表现在：
（1）钢材横向的强度、延性、冲击韧性等显著降低；
（2）显著降低钢材的抗氢致裂纹（HIC）的能力，因而冶炼输送含硫化氢的油、气管线多要求极低的硫含量。
硫会降低连铸坯的高温塑性，增加了连铸坯的内裂倾向。
硫在易切削钢中可改善钢的切削加工性能。
6．氢
氢主要来自原材料、耐火材料及炉气的水分。
氢在钢中会产生“发纹或形成应力区，在钢进行锻轧加工时发纹扩展而形成裂纹，使钢的力学性能特别是塑性恶性，甚至断裂，在钢断口上呈现“白点”。
同时氢还会引起点状偏析、氢脆，以及焊缝热影响区内的裂缝等。
因此，应采用各种措施降低钢中的氢含量。
相关知识：
针孔与气孔区别
7．氮
在一般条件下，氮主要危害表现在：
（1）由于Fe4N析出，导致钢材的时效性；
（2）降低钢的冷加工性能；（3）造成焊接热影响区脆化。
当钢中存在钒、铝、钛、铌等元素时与氮可形成稳定的氮化物，提高钢的强度，对钢性能有利。
8．氧
氧在固态铁中的溶解度很小，主要以氧化物夹杂的形式存在。
所以钢中的夹杂物除部分硫化物以外，绝大多数的氧化物。
非金属夹杂物是钢的主要破坏源，对钢材的疲劳强度、加工性能、延性、韧性、焊接性能、抗HIC性能、耐腐蚀性能等均有显著的不良影响。
氧含量高，连铸坯还会产生皮下气泡等缺陷，恶化连铸坯表面质量。
9．铝
铝作为脱氧剂或合金化元素加入钢中，铝脱氧能力比硅、锰强得多。
铝在钢中的主要作用是细化晶粒、固定钢中的氮，从而显著提高钢的冲击韧性，降低冷脆倾和和时效倾向性。
如D级碳素结构钢要求钢中酸溶铝含量不小于0.015%，深冲压用冷轧薄钢板084L要求钢中酸溶铝含量0.02~0.07%。
二、常见的世界钢号标准代号有哪些？
GB中国国家技术监督局
ISO国际标准化组织
IEC国际电工委员会
ASTM美国材料与试验协会
JIS日本工业标准化协会
BS英国标准化协会
DIN德国标准化协会
EN欧洲标准化委员会
三．钢的检验，常用的方法有哪几种？
1、金相检验是指在金相显微镜下，观察、辨认和分析金属材料的微观组织状态和缺陷情况，借以判断和评定金属材料质量的一种检验方法，也称高倍检验或微观检验。
试样须经过研磨、抛光和酸浸蚀。
检验项目主要有脱碳层深度、晶粒度、钢中非金属夹杂物、钢中化学成分的偏析及淬硬性、渗碳层等。
2、宏观检验是指用肉眼或小于10倍放大镜下检查金属表面或断面，以确定其宏观组织或缺陷的一种方法，也称低倍检验。
低倍检验方法有：
（1）酸浸试验。
包括一般疏松、中心疏松、凝固结构偏析、点状偏析、皮下气泡、皮下夹杂、残余缩孔、翻皮、白点、轴心晶间裂缝、内部气泡、肉眼可见的非金属杂物及夹渣、异相金属夹杂、碳化物剥落、内裂等。
如：
20#卷保护渣（黑色）或水口（白色）
（2）断口检验。
在断口试样上刻槽，然后借外力使之折断，检验断面的情况，以判定断口的宏观缺陷。
层状、缩孔残余、白点、气泡、内裂、非金属夹杂物和夹渣、异相金属夹杂物、黑脆、石状、荼状等属于报废缺陷断口。
（3）塔形车削发纹检验。
将试样车削成三个阶梯，用酸蚀法或磁力探伤法显示其发纹。
发纹是钢中夹杂或气孔、疏松等沿锻轧加式方向被延伸所形成的细小纹缕，是钢中宏观缺陷的一种。
发纹的存在，严重地影响钢疲劳强度等。
（4）硫印试验。
是用来直接检验硫。
四．一般用哪些方法检验钢的力学性能？
钢的力学性能检验，就是通过一定外力或能量作用于钢的试样上，以测定钢的力学性能。
（1）屈服强度。
在拉伸机的拉力作用下试样被拉长，开始时试样的伸长和拉力成正比，当拉力解除后试样仍恢复到原来尺寸，这种变形叫做弹性变形。
不断加大拉力试样继续变形伸长，但外力解除后试样却不再恢复到原来长度，成为不可年复原的永久性变形，这种变形叫做塑性变形。
由弹性变形点转变为塑性变形时的应力，叫做屈服强度，也称屈服点，其代表符号是σS单位是N/mm2或MPa。
例：
Q235含义
（2）抗拉强度。
在上述拉伸试验中试样产生塑性变形后，拉力继续增大，试样最后被拉断，这时的应力就是抗拉强度，其代表符号是σb单位是N/mm2或MPa。
（3）伸长率。
金属试样拉伸被拉断后，伸长部分的长度与原标距长度的比值，为伸长率，其代表符号是δ，单位是%。
试棒标距等于5倍直径为短试棒，所求得的伸长率用δ5表示；试棒标距等于10倍直径为长试棒，所求得的伸长率用δ10表示。
（4）断面收缩率。
金属试样拉伸拉断时断口处截面面积减少的百分率。
其代表符号为φ，单位是%。
（5）弯曲试验。
试样处于热或冷的状态下进行弯曲，折弯到90°或120°。
（6）冲击值（冲击韧性值）。
在要求温度条件下，一定尺寸带有刻槽的试样，在试验机上受一次冲击负荷而折断时，试样刻槽处单位面积上所消耗的功。
代表符号为αk，单位（J/cm2）。
（7）硬度。
金属材料抵抗更硬的物体（淬硬钢球，金刚石圆锥体等）压入其表面的能力。
检验方法有：
布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）、肖氏硬度（HS）。
五．怎样进行钢中非金属夹杂物的评级？
标准评级图谱分为JK标准评级图和ASTM评级图两种。
JK标准。
根据夹杂物的形态及其分布分为4个基本类型。
A类：
硫化物、B类：
氧化铝、C类：
硅酸盐、
D类：
球状氧化物类型。
每类夹杂物按其厚度或直径的不同，又分为粗系和细系两个系列，每个系列由表示夹杂物含量递增的5级（1级至5级）图片组成。
评定夹杂物级别时，允许评半级，0.5级、1.5级等。
ASTM标准。
该图中夹杂物的分类、系列的划分均与JK标准评级图相同，但评级图由0.5级到2.5级5个级别组成。
六、洁净钢生产技术：
冶炼洁净钢应根据品种和用途要求，铁水预处理—炼钢—连铸的操作都应牌严格的控制之下，主要控制技术对策如下：
（1）铁水预处理。
对铁水脱硫或三脱工艺（脱Si、脱P、脱S），入炉铁水硫含量应小于0.005甚至小于0.002%。
（2）转炉复合吹炼和炼钢终点控制。
改善脱磷条件，提高终点成分和温度一次命中率，降低钢中溶解氧含量，减少钢中非金属夹杂物数量。
（3）挡渣出钢。
采用挡渣锥或气动挡渣器，钢包内渣层厚度控制在50mm以下，转炉内流出的氧化性炉渣会增加氧化物夹杂。
防止出钢下渣可避免回磷和提高使合金吸收率。
为保证钢包渣百分之百合格，在钢水接收跨设置钢渣扒渣机是有利的。
（4）钢包渣改质。
出钢过程向钢流加入炉渣改质剂，还原FeO并调整钢包渣成分。
（5）炉外精炼。
根据钢种质量要求选择一种或多种精炼组合方式完成钢水精炼任务，达到脱氢、极低C化、极低S化、脱氮、减少夹杂物并进行夹杂物形态控制等。
1）LF炉。
包盖密封，造还原渣，可扩散脱氧、脱硫、防止渣中FeO和MnO对钢水再氧化。
调整和精确控制钢水成分、温度，排夹杂物质并进行夹杂物形态控制等。
2）真空处理。
冶炼超低碳钢的脱碳和脱氧、脱氢、脱氮，排除脱氧产物
（6）保护浇注。
①钢包——中间包注流用长水口+吹氩保护，控制吸氮。
②中间包——结晶器用浸入式水口+保护渣的保护浇注。
③浇注小方坯时，中间包——结晶器采用氩气保护浇注。
④在第一炉开浇前中间包内充满空气，为防止钢水中生成大量的Al2O3和吸氮，在中间包内充入氩气，并用耐火纤维密封中间包体与包盖间的缝隙。
（7）中间包冶金。
在中间包内组织钢水的合理流动，延长钢水停留时间。
促进夹杂物上浮。
①采用碱性包衬的大容量深熔池中间包；
②中间包加砌挡墙+坝、多孔挡墙、过滤器，采用吹氩搅拌、阻流器；
③中间包覆盖剂可保温、隔绝空气，吸附夹杂物；生产洁净钢中间包采用碱性覆盖剂为宜；
④滑动水口高的自开率，自开率应大于95%；
⑤开浇、换包、浇注即将结束时防止卷渣；
⑥应用中间包热态循环使用技术；
⑦应用中间包真空浇注技术。
（8）结晶器操作要点如下：
①选择性能合适的保护渣（熔化温度、熔化速度、黏度）及合适的加入量；
②浸入式水口要对中并选择合适的插入深度，控制钢水流动；
③结晶器钢水液面稳定；
④拉速稳定；
⑤应用结晶器电磁制动技术，可控制钢水的流动，利于气体与夹杂物的上浮排出，从而改善了连铸坯质量。
（9）铸坯内部质量控制措施如下：
①结晶器采用电磁搅拌以促进夹杂物上浮、增加连铸坯等轴晶、减少中心偏析和缩孔，同时可改善表在质量。
②应用凝固末端电磁搅拌和轻压下技术以减少高碳钢中心偏析、V形偏析、缩孔。
③采用立弯式连铸机，利于夹杂物上浮。
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