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1、1,4.4 钢包喷粉,钢铁冶金研究所 战东平,2/39,1970年：钢包喷粉冶金开始用于生产1978年以来：我国各主要特殊钢厂都结合自身的特点，作了不同规模的试验研究和生产应用七十年代末和八十年代初：我国引进的喷粉冶金的装备和技术主要是SL法近年来：有些炼钢厂引进了TN法的设备和工艺目前：钢包喷粉的设备与方法较多，但国内外采用比较多的方法主要有法国的IRSID法，德国的TN法，瑞典的SL法。,4.4.1 钢包喷粉技术简介,发展历史,3/39,自1970年钢包喷粉冶金开始用于生产以来，现已得到迅速发展。,反应表面大，反应速度快添加剂的利用率高由于搅拌作用，为新形成的精炼反应产物创造了良好的浮离条
2、件能较准确地调整钢液成分，使钢的质量更稳定设备简单，投资少，见效快，收益大,优点：,4/39,缺点:1)增加了钢液的热量损失 2)在非真空条件下易增氮,5/39,喷粉罐,6/39,(1)IRSID法 1963年，法国钢铁研究院首先报导了他们的喷粉研究成果，并称为IRSID法。该法是将参与冶金反应的粉剂，借助喷粉罐，又称粉料分配器，与载流气体混合形成粉气流，并通过管道和有耐火材料保护的喷枪将粉气流直接导入钢液熔体中。,4.4.2 不同型式喷粉冶金设备的特点,7/39,8/39,设备组成：喷粉罐、流量和压力检测与控制系统、输送载流气体和粉气流管路系统、喷枪系统等。辅助设备：具有把持、升降、旋转等功
3、能的喷枪架。钢包盖，粉尘收集装置，粉料贮存仓，喷枪制作场等。该装置可以连续地称量并记录喷粉罐的质量，从而指出喷粉罐的供料速率。还可以通过垂直于出料管的环缝，改变出料管的直径，以调节粉料的流量。喷粉罐的工作压力一般为0.60.8MPa，最大有高达1.6 2.0MPa。流态化用的气体流量较小，只在粉料出口孔区的内壁上发生流态化。,9/39,TN法是德国Thyssen-Niederrhein公司于1974年研究成功，并投入工业性应用。这是一种利用惰性气体作为载体，通过浸入式的喷枪，向钢液喷射碱土金属或其他化合物精炼钢液的方法。,(2)TN法,10/39,TN法装置的组成：喷粉罐 气力输送系统 喷枪及
4、其升降和回 转系统 操作控制系统,11/39,1)喷粉设备比较简单；2)喷粉罐容积较小，可以安装在喷枪架的悬臂上，随着喷枪一起升降和回转，因而粉料输送管路非常短，同时采用硬管连接，可靠性明显提高。3)在喷粉罐上设有上、下两个出料口可根据粉料特性的不同，采用不同的出料方式。例如对于密度大，流动性好的粉料可用下部出料口出料，由于管道很短，压力损失较小，因此粉气比可以达到较大的数值。对于密度小，流动性差的粉料，如石灰粉和合成渣粉等，可以采用从上部出料口出料。,TN喷粉装置的特点,12/39,用途：TN法主要用于喷粉脱硫要求：1）采用碱性材料(常用白云石)砌筑的钢包 2）备有钢包盖以减少散热损失和防喷
5、溅 3）喷枪用袖砖保护，通过钢包盖上的开孔，插 入钢液中大约距包底45cm处(100t钢包)4）用氩气作载流气体，用量约为10 l/mint 5）喷吹过程中，需用石灰和萤石在钢液面上造 低氧势炉渣覆盖，以保护钢液。,13/39,TN法喷吹的粉料种类：在含碳且上限允许范围内以CaC2为主 在含硅量上限允许范围内以硅钙为主 特殊条件下喷吹镁粉或石灰粉加发热剂,14/39,开发：SL法是由瑞典科克姆兹(Kockums)建筑公司，乌特霍尔姆(Uddeholm)钢厂和瑞典冶金研究所(MEFOS)联合组成的斯堪的那维亚喷枪公司(Scandinavian Lancers AB)研制成功的。应用：1976年投
6、产后立即得到了迅速的发展和推广，许多国家和地区引进了该项技术，我国共引进了十余套SL喷粉装置。,(3)SL法,15/39,16/39,17/39,SL喷粉装置的特点,1)喷粉系统中设有回收罐，它的主要作用是在进行冷态调试以确定各种喷吹参数时可以回收粉料，其次是在改喷不同粉料时可以回收喷粉罐中的剩余粉料。2)采用微孔尼龙套或其他弥散孔透气材料组成流态化段，流化床的面积较小，主要集中在下段锥体接近出口部位，局部流态化的效果较好。,18/39,3)利用压差PPa-Pd(Pa为喷粉罐压力，Pd为管道内的压力)使喷粉罐内已流态化的粉粒通过罐的下料阀门流入管道，并可用 P来控制喷粉速率。当喷粉罐下料口直径
7、一定时，喷粉速率随 P的增加而变大。当选用恒定罐压操作，或充压气体与流态气体来自于同一气源，即两者工作压力相等，则 P无法主动调节，因此也就无法用 P来调节喷粉速率。4)下料喉口更换方便。,19/39,5)喷吹喷嘴装在水平供粉管路上 6)通向喷粉罐有三条管路，罐顶与密封料仓连接，中间设有密封阀门，喷粉罐装料后阀门关闭。另外两条分别通保持罐压的充压气体和流态化用气体，管道上设有调节阀和切断阀。这些阀门可自动也可手动操作。,20/39,钢包：SL使用的钢包材质有烧成粘土砖或高铝砖。高铝砖中Al2O3的含量为6590，按喷粉工艺的需要选用。SL法可喷吹的粉剂种类：CaSi、CaC2、炭粉、Mg+Ca
8、O、FeB等功能：其功能决定于所喷的粉剂，常用于喷粉脱硫或控制钢中非金属夹杂物的形态。,21/39,22/39,4.4.3 喷粉工艺过程,初炼炉,喷粉站,浇注,T+1020出钢,脱氧合金化,喷CaSi粉粒度：1mm,成分：Si54%CaO30%喷吹压力：0.250.35MPa喷吹时间：210min供粉速率：710kg/min粉气比：830,钢中硫含量可以降到0.01以下，一般为0.005，最低可达0.002%。,23/39,4.4.4 工艺参数,SL法的工艺参数有喷枪插入深度、喷吹压力、喷吹时间、供粉速率、粉气比、载流气体用量等。(1)喷枪插入深度(h)对于钢包喷粉，喷枪插入深度主要取决于被处
9、理钢液的容量，即盛于钢包中形成钢液熔池的深度(H)。从精炼反应的要求，希望喷入的粉剂尽快地均匀分布于钢液中，并与钢液有尽可能长的接触时间。因此，一般来说喷枪应插得深一些。但是，在设备结构及工艺操作中，应注意到喷枪的抖动(它与工作压力和枪的悬臂长度有关)和粉气流对包底的冲刷。,24/39,所以喷枪插入深度应保证粉气流不会冲到包底。一种简便的估算h的办法是，按下式计算粉气流的喷入深度hc，钢包中钢液熔池的深度H是已知的，则式中：h粉气流的穿透深度；d。喷嘴孔口直径；u粉气流在喷嘴出口处的速度；gp粉气流的密度；l金属熔体的密度；g重力加速度。,25/39,hH-hc(34)这样估算的h值应认为是喷
10、枪插入的最大深度。为保证混匀和较长的接触时间，所确定的喷枪插入深度是否最佳，式(34)无法解决。,26/39,可见，随着插枪深度的增加，混匀时间明显缩短。,27/39,(2)喷吹压力,当喷枪插入深度确定后，喷枪出口处介质的反压P0，即钢液和炉渣的静压以及液面上气相的压力三项之和，就可以知道。显然粉气流在喷枪出口的压力P1必须大于P0，否则钢液会倒灌入枪内，引起堵枪。据资料介绍，P1用下式确定 P1P0/0(35)0是一系数，它与粉粒的比热容、载流气体的密度、粉气比等因素有关。,28/39,由于常用的粉料和载流气体的这些特性相差并不很大，所以0的数值变化幅度也不大，其数值列于表35。在表中还列出
11、了相应的喷枪口压力Pl的值。当已知P1后，再加上管道的压降就可以确定所需要的喷吹压力,29/39,(3)喷吹时间,SL法精炼装置都不具备加热手段，所以精炼的时间就由钢液允许的降温量和降温速率决定。精炼时间扣除喷吹前后的工艺辅助时间就是许可的最长喷吹时间。但是，作为工艺参数的喷吹时间，应该根据完成精炼反应所需要的时间来确定。1)对于吹氩搅拌，目的在于成分和温度的均匀，所以喷吹时间只要略大于混匀时间即可。2)对于喷粉脱氧、脱硫，则喷吹时间应长于或等于反应所需的时间和反应产物排出时间的总和。,30/39,当喷吹硅钙粉脱硫时，按理论分析计算，直径大于0.054的粉粒可穿透气液界面而进入钢液中，由此可选
12、定，硅钙粉的粒径范围是01mm，平均粒径为0.1mm，按上述条件脱硫的速率方程式为:,因此，可计算出脱硫60%、70%、80%所需的时间分别是3.3、4.35、5.82min。,31/39,(4)供料速率,供料速率:单位时间内喷粉罐输出的粉料量称为供料速率 作为精炼剂粉料的用量是由精炼工艺所确定的，而喷粉时间则根据反应时间和净化时间来确定，并不能超过由钢液降温所确定的最长喷吹时间。因此，供料速率是一重要的工艺参数。供料速率取决于粉剂种类、罐内外的压差和喉口直径。,32/39,33/39,(5)载流气体用量及粉气比,如前所述，在载流气体不参加冶金反应的条件下，都必须把载流气体的用量限制在最小值，
13、供气量的大小只需保证金属熔体的搅拌，和粉料的均匀稳定输送。按经验在自由空间不大的钢包中喷粉时，供气强度取0.010.02m3/tmin。由此可推算出载流气体的用量。粉料的用量由工艺决定，载流气体的用量由经验数据推算，这样也就决定了粉气比。,34/39,4.4.5 冶金效果,(1)脱硫 在常规的炼钢炉中，甚至在一般其他的精炼中，要将钢中的硫含量降到0.01以下是比较困难的。若将脱硫剂(如钙、镁、铈等)直接喷吹到钢液熔体内，则脱硫效果明显。日本有一家公司用50t电弧炉、钢包炉、喷粉脱硫等方法组合，生产超低硫钢。通过提高碱度的办法强化电炉内脱硫，出钢时S0.026，钢包炉精炼后S0.015%，再通过
14、喷粉使硫降到12ppm，总脱硫率高达95。在生产条件下，常用硅钙、镁、石灰加萤石等脱硫剂。在钢包衬的材质为碱性，炉渣和脱氧情况正常时，喷吹钙、镁的脱硫率可达7587；喷吹石灰和萤石时，可达4080。,35/39,(2)净化钢液和控制夹杂物形态,钙、镁具有较强的脱硫能力，也具有较强的脱氧能力。因此，喷吹这类粉料时，能对钢液进行良好的脱氧和脱硫。钢包喷吹条件下，钢液的搅动为去除钢液中的夹杂创造了良好的动力学条件。喷吹钙和钙的合金或含钙的化合物时，不仅可降低夹杂的含量，更有意义的是可改变夹杂的形态从而提高钢材质量。因此喷钙处理以控制夹杂物的形态就成为喷射冶金的重要功能之一。,36/39,喷钙后，出于
15、其脱氧、脱硫能力强，它能取代MnS中的锰，并还原MnO、FeO、SiO2、Al2O3等以夹杂形式存在的氧化物。若钙用量控制恰当，CaO与Al2O3能形成低熔点的铝酸盐(CaOAl2O3或12CaO 7 Al2O3)，在钢液中呈球状，易于上浮排出。由于夹杂物总量减少，特别是夹杂形态得到控制，由群簇状(Al2O3)和长条状(MnS)变成颗粒细小的圆球状，因而在不降低强度的条件下，可以显著地提高钢的塑性，冲击韧性，并使钢材的各向异性也得到显著的改善。,37/39,(3)提高合金收得率,由于喷粉合金化的特殊动力学条件，保证了合金粉剂直接与钢液接触，并有相当大的接触界面和相当长的接触时间，从而决定了这种
16、合金加入方法有较高和较稳定的收得率。特别是对于一些易氧化的合金元素，如铝、硼、钛、钒、钙、稀土等，将其粉剂用氩气载流吹入熔池，可在一定程度上避免它们在炉气、炉渣中的熔损，以稳定成分，提高回收率。如有工厂利用过去作为废弃物的自然粉化的钛铁屑，喷入炉内冶炼18CrMnTi合金结构钢，钛的回收率可达5060。向钢包内喷粉合金化时，钛的回收率可达70。而过去加钛铁块时，回收率只有4050。又如加硼于调质钢中可以提高其韧性和淬透深度，但硼对氧和氮有很强的亲合力，所以首先应向钢液加铝或钛以脱氧和固定氮。,38/39,(4)改善钢液的浇注性能,显著改进钢液浇注性能是喷粉冶金得到推广应用的原因之一。钙处理的钢液，流动性显著提高。有资料介绍，含碳0.4，残铝0.0350.045的铝脱氧钢，用钙处理后，钢液流动性提高了六倍。喷吹处理后，允许降低浇注温度。据报导钢液可以在液相线以上510的条件下顺利浇注，所得的连铸坯基本上消除了柱状晶，凝固质量相当于连铸结晶器内电磁搅拌的钢坯。,39/39,谢谢大家！,
