《钢铁冶金原理》教案2009版8钢液的二次精炼反应8钢液的二次精炼反应8钢液的二次精炼反应8.1二次精炼概述8.1.1二次精炼的概念28.1.2炉外精炼的主要目的和任务28.1.3炉外精炼的手段S8.2钢液的真空处理48.2.1挥发性杂质的去除.468.2.2真空脱气8.2.3真空脱碳（脱氧）68.2.4真空处理时钢液和耐火材料的反应8.2.5真空脱气方法8.3吹氩处理O8.3.1吹氩脱气..108.3.2吹氩脱氧（AOD）118.4合成渣处理128.5喷吹粉料处理...13.138.6钢中夹杂物的变形（变性）处理8.6.1夹杂物的性能及其对钢性能的影响，.148.6.2稀土元素的变性作用..14168.6.3钙的变性作用
《钢铁冶金原理》教案 2009 版 8 钢液的二次精炼反应 1 8 钢液的二次精炼反应 8 钢液的二次精炼反应 . 2 8.1 二次精炼概述 . 2 8.1.1 二次精炼的概念 . 2 8.1.2 炉外精炼的主要目的和任务 . 2 8.1.3 炉外精炼的手段 . 3 8.2 钢液的真空处理 . 4 8.2.1 挥发性杂质的去除 . 4 8.2.2 真空脱气 . 6 8.2.3 真空脱碳（脱氧） . 6 8.2.4 真空处理时钢液和耐火材料的反应 . 7 8.2.5 真空脱气方法 . 7 8.3 吹氩处理 . 9 8.3.1 吹氩脱气 . 10 8.3.2 吹氩脱氧（AOD）. 11 8.4 合成渣处理 . 12 8.5 喷吹粉料处理 . 13 8.6 钢中夹杂物的变形（变性）处理 . 13 8.6.1 夹杂物的性能及其对钢性能的影响 . 14 8.6.2 稀土元素的变性作用 . 14 8.6.3 钙的变性作用 . 16
《钢铁冶金原理》教案2009版8钢液的二次精炼反应8钢液的二次精炼反应目的要求：使学生掌握二次精炼的目的任务和手段，掌握真空处理、吹氩处理、合成渣处理以及夹杂物变性处理的方法和效果。教学内容：（1）二次精炼的概念、目的、任务和手段：（2）钢液真空处理，包括挥发性杂质的去除、真空脱气、真空脱碳（氧）、真空处理对钢液和耐火材料的影响、真空脱气方法（3）吹氩处理：（4）合成渣处理：（5）喷吹粉料处理；（6）夹杂物变性处理。重点难点：二次精炼的目的和手段、真空脱氧的热力学原理、吹氩脱气的热力学原理、夹杂物变性处理原理。8.1二次精炼概述重点难点：二次精炼的目的和手段现代科学技术的进步和工业的发展，对钢的质量（如钢的纯净度）的要求越来越高；用普通炼钢炉(转炉、电炉和平炉)治炼出来的钢液已经难以满足其质量的要求；为了提高生产率，缩短冶炼时间，也希望能把炼钢的一部分任务移到炉外去完成；另外，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。总之，几方面的因素迫使炼钢工作者寻求一种新的炼钢工艺，于是就产生了炉外精炼方法。8.1.1二次精炼的概念所谓炉外精炼，就是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，即将在常规炼钢炉中完成的精炼任务，如去除杂质（包括不需要的元素、气体和夹杂）、调整和均匀成分和温度的任务，部分或全部地移到钢包或其他容器中进行，变一步炼钢法为二步炼钢，即把传统的炼钢过程分为初炼和精炼两步进行。国外也称之为二次精炼(SecondaryRefining)、二次炼钢(Secondarysteelmaking)、二次冶金（SecondaryMetallurgy）和钢包冶金(LadleMetallurgy)。初炼时炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化、脱磷、脱碳、去除杂质和主合金化，获得初炼钢液；精炼则是将初炼的钢液在真空、惰性气体或还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。炉外精炼可提高钢的质量，缩短冶炼时间，优化工艺过程并降低生产成本。8.1.2炉外精炼的主要目的和任务炼钢技术的发展，在提高钢的质量方面，总是向着降低钢中的有害杂质和非金属2
《钢铁冶金原理》教案 2009 版 8 钢液的二次精炼反应 2 8 钢液的二次精炼反应 目的要求：使学生掌握二次精炼的目的任务和手段，掌握真空处理、吹氩处理、 合成渣处理以及夹杂物变性处理的方法和效果。 教学内容：（1）二次精炼的概念、目的、任务和手段；（2）钢液真空处理，包 括挥发性杂质的去除、真空脱气、真空脱碳（氧）、真空处理对钢液和耐火材料的影 响、真空脱气方法（3）吹氩处理；（4）合成渣处理；（5）喷吹粉料处理；（6）夹 杂物变性处理。 重点难点：二次精炼的目的和手段、真空脱氧的热力学原理、吹氩脱气的热力学 原理、夹杂物变性处理原理。 8.1 二次精炼概述 重点难点：二次精炼的目的和手段 现代科学技术的进步和工业的发展，对钢的质量(如钢的纯净度)的要求越来越 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； 为了提高生产率，缩短冶炼时间，也希望能把炼钢的一部分任务移到炉外去完成；另 外，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。总 之，几方面的因素迫使炼钢工作者寻求一种新的炼钢工艺，于是就产生了炉外精炼方 法。 8.1.1 二次精炼的概念 所谓炉外精炼，就是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，即将在常规炼钢炉中完成的精炼任务，如去除杂质(包括不需要的 元素、气体和夹杂)、调整和均匀成分和温度的任务，部分或全部地移到钢包或其他 容器中进行，变一步炼钢法为二步炼钢，即把传统的炼钢过程分为初炼和精炼两步进 行。国外也称之为二次精炼(Secondary Refining)、二次炼钢(Secondary steelmaking)、 二次冶金（Secondary Metallurgy）和钢包冶金(Ladle Metallurgy)。 初炼时炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化、脱磷、脱碳、去除杂质和主合金化， 获得初炼钢液； 精炼则是将初炼的钢液在真空、惰性气体或还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。炉外精炼可提高钢的质量，缩短冶炼时间，优化工 艺过程并降低生产成本。 8.1.2 炉外精炼的主要目的和任务 炼钢技术的发展，在提高钢的质量方面，总是向着降低钢中的有害杂质和非金属
《钢铁冶金原理》教案2009版8钢液的二次精炼反应夹杂物的含量、改善夹杂物的形态和分布、使钢的化学成分均匀、精确控制过程温度、使之能适合后步工序生产要求的方向发展；在经济方面是向着提高生产率、降低原材料、能源和劳动力消耗方向发展；在工艺方面，则要求尽量提高生产多钢种的适应能力。炉外精炼在严格控制条件下要完成下列任务：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。完成上述任务就能达到提高质量、扩大品种、降低消耗和成本、缩短冶炼时间、提高生产率、协调好炼钢和连铸生产的配合等目的。但是，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。8.1.3炉外精炼的手段到目前为止所采用的炉外精炼手段有：渣洗、真空、搅拌、喷吹和加热五种。此外还有连铸中间包的过滤。当今，名目繁多的炉外精炼方法都是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，如下图所示。Y上白画书香44国例如VOD法采用了真空、搅拌和喷吹的手段；RH采用具0了真空、搅拌、喷吹的手段；二A线C线真LF采用了真空、搅拌、加热的手段。V真空-4清洗授拌喷吹0加热H一PHASEA-l品云LGRAFEA弯伊N-二国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。3
《钢铁冶金原理》教案 2009 版 8 钢液的二次精炼反应 3 夹杂物的含量、改善夹杂物的形态和分布、使钢的化学成分均匀、精确控制过程温度、 使之能适合后步工序生产要求的方向发展；在经济方面是向着提高生产率、降低原材 料、能源和劳动力消耗方向发展；在工艺方面，则要求尽量提高生产多钢种的适应能 力。 炉外精炼在严格控制条件下要完成下列任务： 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。 完成上述任务就能达到提高质量、扩大品种、降低消耗和成本、缩短冶炼时间、 提高生产率、协调好炼钢和连铸生产的配合等目的。但是，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。 8.1.3 炉外精炼的手段 到目前为止所采用的炉外精炼手段有：渣洗、真空、搅拌、喷吹和加热五种。此 外还有连铸中间包的过滤。当今，名目繁多的炉外精炼方法都是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，如下图所示。 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。 例如 VOD 法采用了真空、 搅拌和喷吹的手段；RH 采用 了真空、搅拌、喷吹的手段； LF 采用了真空、搅拌、加热的 手段
《钢铁冶金原理》教案2009版8钢液的二次精炼反应将事先配好（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）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。通常使用的方法有吹氩搅拌，可以达到脱气（N、H）、去除夹杂和脱氧脱碳的目的。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。5）喷吹：用气体作载体将反应剂加入金属液内的一种手段。喷吹的治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。8.2钢液的真空处理重点难点：钢液真空处理的原理及方法；真空脱氧的热力学原理钢液的真空处理可以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作用，这是提高钢液质量最重要的途径。8.2.1挥发性杂质的去除钢液中的某些元素，特别是有色金属，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。8.2.1.1元素的挥发系数元素在真空下的挥发速率遵从朗格谬尔公式：MBV=CPB2元RT式中：VB——挥发速率，量纲kg·m2.s-；c——朗格谬尔系数；Mg——挥发组分B的摩尔质量；PB一一挥发组分的蒸气压。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：MeeYBPBα=,MB"YFePre式中：α为挥发系数；Mg、MFe分别为合金元素和Fe的摩尔质量；YB、YFe分别为4
《钢铁冶金原理》教案 2009 版 8 钢液的二次精炼反应 4 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）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。通常使用的方法有吹氩搅拌，可以达到脱气（N、 H）、去除夹杂和脱氧脱碳的目的。 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。 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。 8.2 钢液的真空处理 重点难点：钢液真空处理的原理及方法；真空脱氧的热力学原理 钢液的真空处理可以达到去除溶解的挥发性组分、脱气、脱碳（脱氧）、脱硫和 去除夹杂物的作用，这是提高钢液质量最重要的途径。 8.2.1 挥发性杂质的去除 钢液中的某些元素，特别是有色金属，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。 8.2.1.1 元素的挥发系数 元素在真空下的挥发速率遵从朗格谬尔公式： RT M v cp B B B 2 ' = 式中： B v ——挥发速率，量纲 −2 −1 kg m s ；c——朗格谬尔系数； MB ——挥发组分 B 的摩尔质量； ' B p ——挥发组分的蒸气压。 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： * * Fe Fe B B B Fe p p M M = 式中： 为挥发系数； MB、MFe 分别为合金元素和 Fe 的摩尔质量； B 、 Fe 分别为
《钢铁冶金原理》教案2009版8钢液的二次精炼反应合金元素和Fe的活度系数；PB、pr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：In(1-[B)/100)α=In(1-可[Fe]/100)式中：可[B]为组分B的相对挥发量，可[Fe]为Fe的相对挥发量。可[B]、[A]可分别由下式计算：AIn [B]°do[B]A×可[B]（微分式）（积分式）βxBtXdtVVα[B] n [Fe]do[Fe]AAx[Fe]（微分式）xt（积分式）Bee=βEeXLdtV[Fe]式中：β、βr。分别为熔体中B和Fe的传质系数，ms-"，数量级为10-4~10-m·s-铁基二元合金中，某些元素的挥发系数见表8-1所示。由挥发系数α可以推断高真空条件下，合金元素能否通过挥发除去，一般来说α>10的元素可以经挥发除去，由表8-1可见，Mn、Cu、Sn比较容易挥发，而Ni、Co反而在铁液中富集（Fe挥发量更多）。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。表8-1铁基二元合金中元末的挥发系数相对原子质量PH/Ps.1600CYg.1600℃合金元表，BaAl22326.980.0291.5874.92As(4.5×10§)(3)Ct2352: 01!4.03Co58.944.681.070.838.6Cu63.54107,1146.6Fe55.855.891153951.3Mn54.941200Nvi58.713.50·660.38P30.977.8×107Pb207,214.5×1041400(5.5×107)Si23.090.780.00132.4×104Sn1202.813.98118.708.2.1.2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：1）钢液中溶解元素原子向钢液一气相界面扩散：V=k(C-C）；5
《钢铁冶金原理》教案 2009 版 8 钢液的二次精炼反应 5 合金元素和 Fe 的活度系数； * B p 、 * Fe p 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 [ ]/100) ln(1 [ ]/100) Fe B − − = 式中： [B] 为组分 B 的相对挥发量， [Fe] 为 Fe 的相对挥发量。 [B]、[A] 可分别由下式计算： [ ] [ ] B V A dt d B B − = （微分式） t V A B B = B [ ] [ ] ln 0 （积分式） [ ] [ ] Fe V A dt d Fe Fe − = （微分式） t V A Fe Fe = Fe [ ] [ ] ln 0 （积分式） 式中： B 、 Fe 分别为熔体中 B 和 Fe 的传质系数， −1 m s ，数量级为 4 5 1 10 ~ 10 − − − m s 铁基二元合金中，某些元素的挥发系数见表 8-1 所示。 由挥发系数 可以推断高真空条件下，合金元素能否通过挥发除去，一般来说 10 的元素可以经挥发除去，由表 8-1 可见，Mn、Cu、Sn 比较容易挥发，而 Ni、 Co 反而在铁液中富集（Fe 挥发量更多）。 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。 8.2.1.2 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： 1）钢液中溶解元素原子向钢液－气相界面扩散： ( ) * 1 1 CB CB v = k − ；