基本介紹
- 中文名：二次精煉
- 外文名：secondary refining
- 任務：脫氧、脫硫、脫磷
- 定義：傳統的煉鋼爐外進行的精煉
- 發展：穩步增加
簡介,發展,分類,鋼水脫磷,脫硫,夾雜物的變性,去氮,脫碳,去除氧化物,作用,
簡介
對世界粗鋼產量統計表明，在過去30年裡，世界粗鋼產量在起伏中持續增長。由於連鑄比增加使成材率提高。目前，LD鋼廠生產的粗鋼占世界總鋼產量的60%．電爐鋼廠產鋼接近40%。
在過去15年裡，歐盟15個成員國真空處理能力不斷增加。目前，可對產鋼量的 80%以上進行真空處理。用於二次精煉的鋼包爐首先被引入電爐鋼廠。近年來，BOF鋼廠鋼包爐的使用也在穩定增長。現在，歐盟15個成員國鋼產量的30%以上經鋼包爐二次精煉。
實際上，連鑄技術是70年代初日本和歐洲開發的．後來被引進煉鋼廠，目前，這兩個地區的連鑄比達到95%左右。而美國的發展趨勢也是一樣，僅用了3-4年，使目前連鑄比也達到95%左右。未來幾年，這些國家的連鑄比肯定會不斷增加。據統計，目前世界連鑄產量約占鋼產量的85%左右。在以後的幾年裡，這一數據或許會上升到約90%。
發展
為了均勻成分和溫度，出現了鋼包內氣體攪拌工藝。最引人注目的是二次精煉的採用，大大提高了鋼的產量和質量。然而二次精煉的主要任務和目的是什麼呢? 在出鋼和連鑄時分離鋼水和渣相、鋼水脫氧、根據終點目標進行合金化、調整注溫、改進鋼水的潔淨度、夾雜物變性、去除鋼水中溶解的[H]和[N]、脫碳、脫硫、均勻鋼水成分和溫度。
真空脫碳的引入使大量降低碳含量成為可能。目前可得到碳含量20ppm的鋼水，預計特殊用途的鋼可達到含碳 10ppm。預計未來特殊用途的鋼要求P下降到30ppm。現在，通過鐵水和鋼液脫S,S含量能穩定達到10ppm。目前，還不需要脫s到更低水平。未來專用鋼要求氮含量 20ppm，現在可得到總含氧量15ppm的鋼，將來要求氧含量最低可達10ppm左右，通過真空處理，可將氫含量降低到1ppm左右。
目前的煉鋼工藝方法相當靈活，取決於煉鋼廠的產品範圍。一般從鐵水預脫硫開始，接著轉爐煉鋼．然後真空處理(RH處理或鋼包爐脫氣處理)，如有必要，接下來鋼水還可以加熱。既可在鋼包爐內加熱，也可用鋁熱法加熱。在二次精煉結束時，加入含鈣材料進行夾雜物變性處理．最後，採用連鑄工藝澆鑄鋼水。
分類
鋼水脫磷
目前，單用轉爐工藝可達到磷含量40-100ppm，其高低取決於鐵水中矽和磷含量。根據渣量來確定鐵水矽含量，在脫磷期間形成的一定是P2O5。現在鐵水脫磷後再進行轉爐少渣吹煉比較普及，尤其在日本比較普遍。據論述表明．採用轉爐雙聯法脫磷，鋼水含磷可達40ppm。然而，在這種情況下．必須注意的是，鐵水脫磷必須先脫矽，結果，轉爐在超低矽含量的情況下冶煉操作，因此轉爐具有少渣操作的優越性。另一方面，這一工藝不允許廢鋼裝入比高。二階段轉爐工藝(雙聯法)，第一個轉爐的爐渣扒掉，第二個轉爐出鋼後爐渣返回到轉爐用於下一次吹煉，使轉爐吹煉終點磷含量達30ppm，這裡全部磷含量指的是轉爐吹煉終點的含量。如果出鋼時帶少量渣，渣中P2O5還原可使鋼水回磷。此外，添加含少量磷的合金元素和錳鐵，也能引起磷含量少量上升，最終產品的磷含量比轉爐吹煉終點的磷含量高出 l0ppm左右。
實際上，增加鋼包爐和鋼水採用不同方法二次精煉，可將磷含量降至較低。這一工序使轉爐出鋼溫度降低50℃左右。降低的鋼水溫度必須在接下來的二次精煉工序對鋼水加熱來平衡。曾經對雙聯法轉爐的第二座轉爐的磷平衡值進行過比較．轉爐渣中鐵含量在18%左右，P2O5含量在 0.4%左右，出鋼溫度在1700℃時．我們可得到含磷20ppm的鋼
脫硫
在BOF爐煉鋼生產期間，脫硫分為鐵水脫硫、轉爐內脫硫和鋼水爐外脫硫3個階段。通過噴吹碳化鈣、鎂或氧化鈣與鎂的混合物，可使鐵水中的硫含量降到 20ppm，結果主要取決於脫硫劑的噴吹量。轉爐或電強爐內的脫硫是少量的，最後就剩鋼水脫硫。
為了實現高效脫硫，必須採取以下措施：必須要添加足夠的鋁，鋼包渣必須是飽和的氧化鈣．為了確保高效脫硫的動力學條件，必須使鋼包內的鋼水劇烈沸騰。現已規定用所謂的“氧化鈣飽和度”來表示鋼包頂渣的特徵。用氧化鈣飽和度來標識與氧化鈣飽和有關的正常鋼包頂渣的成分。氧化鈣飽和度等於1時表示鋼包頂渣是飽和的氧化鈣。氧化鈣飽和度小於1時表示鋼包頂渣是不飽和的氧化鈣均勻液態渣。氧化鈣飽和度大於l時麥示鋼包頂渣是過飽和的氧化鈣不均勻渣。已對鋼水脫硫期間氧化鈣飽和度變化與脫硫率的關係進行了試驗。在鋼包頂渣是飽和氧化鈣的條件下，脫硫率能夠達到95%。在鋼包頂渣是不飽和氧化鈣的條件下，脫硫的效率下降。這是由於鋼包頂渣中CaO的活性降低所造成的。在鋼包頂渣是過飽和氧化鈣的條件下，脫硫的效率也下降。
鋼包爐內鋼水劇烈沸騰期間，除了脫硫之外，還有其它的反應發生。一方面，鋼包頂渣中的SiO2：與[Al]反應，生成Al2O3同時提高了Si的含量。同時AI與空氣中的O2還產生二次氧化。考慮到這些不同的反應時，S和AL含量與時間的函式關係。在單純脫硫的情況下，會有少量的Al燒損，出於渣量的減少，導致在鋼水沸騰過程中鋁的耗量同步增長，另外考慮到鋼水二次氧化時，會再次出現更多的A1被燒損的現象。由於渣量減少，導致鋼包頂渣中的Mn量降低，爐內的Mn含量略有升高。但是．鋼包頂渣中SiO2量的減少會引起Si含量顯著的升高。Si含量升高不利於脫硫，特別是對於低矽鋼的生產，對薄板和帶材來說更是如此。它能降低鋼水沸騰的劇烈程度，必然會嚴重影響脫硫的效率。在最佳操作條件下，脫硫效率確實能夠達到92%。攪拌強度的減弱會導致脫硫效率下降到75%。爐內攪拌強度不夠及氣流速度低、達不到沸騰時，脫硫的效率只能達到35%。
在最佳脫硫條件下，鐵水脫硫後硫含量的最低值僅能達到10或20ppm。對於硫含量較高的情況來說，單獨進行鋼水脫硫完全可以滿足要求。鐵水脫硫的效率一般要求達到75%。鐵水脫硫後硫含量必須低於30ppm。在二次精煉期間脫硫效率相對較低的情況下，如35%，鐵水還必須強化脫硫。在這種情況下，鐵水脫硫後硫含量必須降到30ppm左右，才能使最終的硫含量達到最低值50ppm。一般來說，鐵水脫硫後硫含量必須降到150ppm，才能使最終硫含量的最低值達到100ppm。
夾雜物的變性
通過添加含鈣材料使夾雜物變性，如CaSi．CaSi能用噴槍吹入爐內，或以芯線的形式添加到爐內。夾雜物的變性可用 CaO—Al2O3—CaS三元相圖進行研究。夾雜物開始是殘餘的脫氧產物Al2O3，加入鈣後夾雜物由Al2O3轉變為CaO。如果硫含量高，除了脫氧產物Al2O3轉變為液態鋁酸鈣之外，還生成CaS夾雜物。由於這方面原因，避免隨著硫含量的變化而引起CaS的析出，使脫氧產物轉變成液態鋁酸鈣是很重要的。由於在氧化鋁轉變為液態鋁酸鈣之前，主要生成CaS，特別在硫含量升高的情況下，使脫氧產物轉變成鋁酸鈣是做不到的。 很顯然，脫氧產物從Al2O3到液態鋁酸鈣的轉變過程隨著鈣的加入量而變化。但是，加入一定量的鈣產生的固體硫化鈣取決於硫的含量。在固態硫化鈣析出之前生成液態鋁酸鈣的數量即是液態夾雜物的數量。在二次精煉期間，必須以準確地命中“液態夾雜物”為目標。由於鈣被氧化生成了硫化鈣，因此在硫含量如此高的情況下，氧化物變性是不可能的。
去氮
採用轉爐底吹氣體攪拌，如氮氣或氬氣，在轉爐吹煉終點氮含量可達到20ppm，電爐中的氮含量更高。鋼水從轉爐或電弧爐出鋼進入鋼包的過程中，吸氮量的多少取決於一次脫氧元素添加的準確時間。只有沸騰鋼出鋼不吸氮，接下來在鋼包內進行脫氧。
真空處理期間，從原理上講鋼水去氮是可行的。由於氮、硫和氧一樣屬於一種表面活性元素，因此在真空處理期間，超低硫含量和氧含量是大量去氮的先決條件。在真空處理之前，氮含量為50ppm，經真空處理後，氮含量能夠達到30ppm。在其它條件相同的情況下，初始氮含量較高 (90ppm)，真空處理後氮含量可達到40ppm。這意味著在真空處理期間，特別是初始氮含量升高以及硫和氧含量非常低的情況下，脫氮效果明顯。初始氮含量較低時，在真空處理期間脫氮效果不明顯。硫含量的影響是明顯的，即超低硫含量是保證真空處理有效脫氮的一個基本前提。在真空處理期間，如果硫含量升高，那么脫氮的效果較差。
脫碳
目前普遍採用真空脫碳達到超低碳含量。不脫氧鋼的冶煉一般採用RH裝置或鋼包爐進行脫氣。因此溶解的氧與碳發生反應生成CO。碳從真空處理鋼包爐襯溶入到鋼水中造成增碳，或在鋼水澆注期間碳從保護渣溶解到鋼水中。在一台鋼包脫氣爐上，為了獲得低碳含量，在真空脫碳方面進行改進。分析系統的最佳化已使這一願望成為可能，最終樣品中碳含量由原來的平均值38ppm降低到36ppm左右。採用低碳連鑄保護渣可使碳含量進一步下降到平均31ppm左右。通過選擇不同的鋼包爐襯也可以顯著地降低碳含量。第一次試驗用白雲石鋼包襯而渣線部位用鎂砂。白雲石和鎂砂的碳含量為5%-8%。鋼包襯用鐵鋁氧石而渣線部位用鎂砂時，可使碳含量的平均值下降到20ppm。這些結果證實了鋼包襯材料對碳含量的影響。採用不含碳的鋼包爐襯材料，在真空處理和澆注之後，能夠獲得超低碳含量。
去除氧化物
在二次精煉終點，為了獲得高純淨度的鋼水，需要進行所謂的“氣泡上浮純淨化“。這裡“氣泡上浮純淨化”的意思是從靠近鋼包頂渣下部小氣泡穿過鋼水上升引起的鋼水沸騰，氣泡上浮純淨化加速了殘餘氧化物上浮到鋼包頂渣。
想要實現最佳的氣泡上浮純淨化並由此獲得高純淨度的鋼水，必須具備許多基本的先決條件。首先，必須大量減少鋼包頂渣。“大量減少鋼包頂渣”的意思就是必須使FeO、MnO和SiO2的含量儘可能低。另一方面，必須避免鋼水與空氣接觸產生二次氧化。還必須排除因鋼包耐火材料引起鋼水二次氧化。另外，必須提供使鋼中氧化物上浮到鋼包頂渣的最佳條件。
通過弱氣泡上浮對鋼水進行攪拌，加速了氧化物的排除。鋼水中總氧含量隨氣泡上浮純淨化時間延長而降低的情況。當氣泡上浮純淨化時間超過10-15min時，總氧含量很快就能低於20ppm。
在鋼水的連續澆注過程中，最終總氧量會出現下降。殘餘氧化物在中間罐內或者在澆注期間被去除。顯然，在橢圓型連鑄機上氧化物去除最少，在弧型連鑄機或立彎式連鑄機上情況有所改善，在立式連鑄機上氧化物去除效果最好。由於在大多數場合不會採用立式連鑄機或已經安裝了弧型連鑄機，因此所安裝的弧型連鑄機的垂直段長度約為2．5—3m。
把帶有弧形結晶器的弧型連鑄機改造成垂直段長度為2．5m的立彎式鑄機後，巨觀上觀察到產品的純淨度得到了提高，這種改造對提高鑄坯質量效果更加明顯。
就立式鑄機而言，在整個凝固過程中夾雜物能夠上浮到結晶器的保護渣中。與此相反，弧型連鑄機，在某一彎曲半徑處夾雜物被夾帶到凝固坯殼內，而不再上浮到結晶器內。對比的結果是板坯橫斷面氧的分布差別很大。在立式鑄機上，沿板坯橫斷面氧分布均勻。對於弧型鑄機，在所謂的夾雜區氧含量出現了高度的聚集。這是上面提到的夾雜物夾帶到凝固坯殼的結果。
作用
在現代化鋼鐵生產流程中，二次精煉的作用主要是：
(1) 承擔初煉爐原有的部分精煉功能，在最佳的熱力學和動力學條件下完成部分煉鋼反應，提高單體設備的生產能力；
(2) 均勻鋼水，精確控制鋼種成分；
(3) 精確控制鋼水溫度，適應連鑄生產的要求；
(4) 進一步提高鋼水純淨度，滿足成品鋼材性能要求；
(5) 作為煉鋼與連鑄間的緩衝，提高煉鋼車間整體效率。
為完成上述精煉任務，一般要求二次精煉設備具備以下功能：
(1) 熔池攪拌功能，均勻鋼水成分和溫度，促進夾雜物上浮和鋼渣反應；
(2) 鋼水升溫和控溫功能，精確控制鋼水溫度；
(3) 精煉功能，包括渣洗、脫氣、脫碳、脫硫、去除夾雜和夾雜物變性處理等；
(4) 合金化功能，對鋼水實現窄成分控制；
(5) 生產調節功能，均衡煉鋼-連鑄生產。
