第三章转炉炼钢工艺1

1炼钢任务：1、杂质(P、S等)元素、有害气体及夹杂物的去除；2、多余元素(C等)的氧化；3、调整成分、调整温度，达到所炼钢种的要求；获得合格钢坯或钢锭。四脱、二去、二调整2第一节氧气顶吹转炉炼钢工艺简介一.一炉钢的冶炼过程转炉一炉钢的冶炼过程包括：装料吹炼（供氧、造渣）脱氧与合金化出钢溅渣护炉和倒渣几个阶段。一炉钢的吹氧时间通常为12~18min，冶炼周期为25~40min。3氧气顶吹转炉炼钢工艺简介二.一炉钢冶炼过程中的金属、炉渣成分和温度的变化Si、Mn:吹炼的前1/3~1/4时间，硅、锰迅速氧化到很低的含量。碱性渣操作时，硅氧化较彻低，锰在吹炼后期有回升现象；C:在硅、锰氧化的同时，碳也被氧化。当硅、锰氧化基本结束后，随着熔池温度升高，碳的氧化速度迅速提高。碳含量0.15%以后，脱碳速度又趋下降；（极限：＞0.02%）。45氧气顶吹转炉炼钢工艺简介P:在开吹后不久，随着硅的降低，磷被大量氧化，但在吹炼中后期磷的下降速度趋缓慢，甚至有回升现象；S:硫在开吹后下降不明显，吹炼后期去除速度加快。Fe:铁的氧化主要取决于供氧情况。依据：氧势图。元素氧化顺序：T1400℃：Si、V、Mn、C、P、FeT1400~1530℃：Si、C、V、Mn、P、FeT1530℃：C、Si、V、Mn、P、Fe67氧气顶吹转炉炼钢工艺简介炉渣变化：熔渣成分与钢中元素氧化、成渣情况有关。渣中CaO含量、碱度随冶炼时间延长逐渐提高，中期提高速度稍慢；渣中氧化铁(FeO)含量前后期较高，中期随脱碳速度提高而降低；渣中SiO2、MnO、P2O5含量取决于钢中Si、Mn、P氧化的数量和熔渣中其它组成含量的变化。89氧气顶吹转炉炼钢工艺简介温度变化：吹炼过程中金属升温大致分三阶段：第一阶段升温速度很快，第二阶段升温速度趋于缓慢，第三阶段升温速度又加快。出钢温度约1650~1680℃。根据熔体成分和温度的变化，吹炼过程可分为三期：硅锰氧化期（吹炼前期）、碳氧化期（吹炼中期）、碳氧化末期（吹炼末期）。10转炉钢中气体成分变化11第二节转炉炼钢装入制度装入制度是指一个炉役期中装入量的安排。装入制度有三种：定量装入、定深装入和分阶段定量装入法。转炉炼钢的装入量指炼一炉钢时铁水和废钢的装入数量(多数厂是先加废钢)，它是决定转炉产量、炉龄及其它技术经济指标的重要因素之一。转炉公称容量有三种表示方法：1.平均炉金属料（铁水和废钢）装入量；2.平均炉产良锭（坯）量；3.平均炉产钢水量。1213铁水和废钢配比是根据热平衡计算确定。通常，铁水配比为70~90%，其值取决于铁水温度和成分、炉容量、冶炼钢种、原材料质量和操作水平等。炉容比：指转炉内自由空间的容积（V）与金属装入量(t)之比(V/t,m3/t)。它通常波动在0.83~1.0，它与铁水成分、冷却剂类型、氧枪喷头结构和供氧强度等因素有关。厂名太钢二炼首钢三炼攀钢本钢二炼鞍钢三炼首钢二炼宝钢一炼吨位/t5080120120150210300炉容比/m3.t-10.970.840.900.910.860.971.0514第三节转炉炼钢供氧制度一.氧射流及其对熔池的相互作用1.氧射流顶部氧射流是转炉炼钢最重要的供氧渠道。顶氧射流是通过水冷氧枪将高压、高纯的氧气从出口马赫数M远大于1(1.9~2.1)的喷头中喷出的超音速射流。1516超音速氧射流特征：与自由射流相比炉膛内的氧射流实质上是一种复杂的扩张流。是具有：化学反应的逆向流中的非等温__超音速湍流射流。二次燃烧率（CO+O2→CO2），室温1600℃17LD正是靠此种表层CO二次燃烧现象,才使炉子的热效率得到提高.研究发现:表层CO二次燃烧量与喷枪的氧流股数和枪位有密切关系.一般有5%-10%的二次燃烧率.原因:流股数增多,必然使流股表面积增加;枪位的提高,会延长流股长度,必然使二次燃烧量增多。为进一步提高CO二次燃烧率,最大限度提高炉子的热效率,上世纪80年代初,双流、多孔氧枪开发成功,各种类型的双流氧枪相继应用.18192.氧射流与熔池的物理作用氧射流与熔池接触时在液面上形成冲击区—凹坑，凹坑实际上是高温反应区。热模拟实验表明，高温反应区呈火焰状，亦称火点。它由光亮较强的中心（一次反应区）和光亮较弱的狭窄外围（二次反应区）所构成。反应区的温度在2000~2700℃之间(高温、高氧浓度)。20穿透深度和冲击面积是凹坑特征的主要标志。枪位：喷嘴在静止液面上的高度。21转炉炼钢供氧制度熔池的搅拌程度与氧射流的冲击强度密切相关：氧射流冲击力大（硬吹），则射流的穿透深度大，冲击面积小，对熔池的搅拌强烈；反之，（软吹），则射流的穿透深度小，冲击面积大，对熔池搅拌弱。在氧射流的作用下，熔池将受到搅拌，产生环流、喷溅、振荡等复杂运动。2223转炉炼钢供氧制度3.氧射流与熔池的化学作用（传氧机理）：在不同的吹炼方式下，熔池的化学反应形式也不同。硬吹:载氧液滴大量进入钢液中，碳的氧化反应激烈，而熔渣氧化性弱；软吹:则进入钢液中氧少，熔渣氧化性提高。定性得到证实的元素氧化机理认为：①（一次反应区）主要是直接氧化反应：24[C]+1/2{O2}={CO}(3-1){CO}+1/2{O2}={CO2}(3-2)[Si]+1/2{O2}={SiO}(3-3){SiO}+1/2{O2}=(SiO2)(3-4)[Mn]+1/2{O2}=(MnO)(3-5){Mn}+1/2{O2}=(MnO)(3-6)[P]+1/2{O2}={PO}(3-7)2{PO}+3/2{O2}=(P2O5)(3-8)[Fe]+1/2{O2}=(FeO)(3-9)反应（3-9）的发展程度取决于C、Si、Mn的浓度。25转炉炼钢供氧制度②在一次反应区以外的二次反应区，主要是间接氧化；[Fe]+1/2{O2}=(FeO)(FeO)=[O]+[Fe]{C}{CO}{CO}{CO2}[Si]+[O]→(SiO2)[Mn](MnO)[P](P2O5)间接氧化是炼钢的主要的氧化反应。(FeO)是氧的传递者。2627转炉炼钢供氧制度③元素的氧化顺序取决于化学反应自由能变化的比值;还与该元素在钢中的浓度及其氧化物在渣中或气相中浓度有关;而与元素的表面活性关系不大。LD的传氧机理:是以间接氧化为主。28转炉炼钢供氧制度C-O反应速度：转炉炼钢C-O反应消耗O270%，贯穿于炼钢过程的始终。有效控制C-O反应是冶炼的关键。29转炉炼钢供氧制度二.乳化和泡沫现象由于氧射流对熔池的强烈冲击和C-O反应产物CO气泡的沸腾作用，使熔池上部金属、熔渣和气体三相剧烈混合，形成了转炉内发达的乳化和泡沫状态。这是氧射流与熔池的物理和化学共同作用的结果。3031氧气顶吹转炉内co气泡可能形成地点示意图1氧射流作用区;2一炉渣-金属界面;3一金属-炉渣-气体乳浊液;4一炉底和炉壁的粗糙表面;5沸腾熔池中的气泡表面co金属液炉渣co325132转炉炼钢供氧制度冶金中准确的乳化概念:金属液滴或气泡弥散在炉渣中。①、若液滴或气泡量较小而且在炉渣中可以自由运动，则该现象叫渣-钢、渣-气乳化或渣-钢-气乳化；渣-钢乳化是冲击坑上沿流动的钢液被射流撕裂成金属滴所造成的。②、若炉渣中仅有气泡，而且数量多或气泡大，使气泡无法自由运动，则该现象叫炉渣泡沫化。可见，炉渣泡沫化是渣气乳化体系的一种特例。由于渣滴或气泡也能进入到金属溶体中，因此转炉中还存在金属溶体中的乳化体系。33转炉炼钢供氧制度经估算能得出比表面积的数量级。如吨钢耗氧为：50~56m3/t，则：乳化金属液滴的比表面积为：1850~2072m2/t。（平炉：0.18~0.4m2/t,大3~5个数量级）以100t转炉为例，凹坑体积约为10L，表面积约为0.1m2，而反应区内液滴的总表面积却超过1m2，至少比凹坑表面积大一个数量级。由此可见，氧气顶吹转炉炼钢过程中形成的渣-金-气乳化液和泡沫渣所产生的巨大比表面积是高反应速率的原因所在。34结论：氧射流与熔池的相互作用产生如下结果:1).形成冲击区及凹坑；2).形成三相乳化液；3).部分氧流形成反射流股.转炉的传氧载体有：1)炉渣(以(FeO)为主)；2)金属液滴；3)乳化相；4)铁矿石(少量).氧化反应方式：[元素]-{O2}、[元素]-[O]、[元素]-(FeO)35炼钢过程中，碳-氧反应不仅完成脱碳任务，还有以下作用:1)加大钢-渣界面，加速物理化学反应的进行;2)搅动熔池，均匀成分和温度；3)有利于非金属夹杂的上浮和有害气体的排出；4)有利于熔渣的形成；5)放热升温；6)爆发性的碳氧反应会造成喷溅。36三.供氧参数供氧：是指如何最合理地向熔池供给氧气，创造炉内良好的物理化学条件，完成吹炼任务。供氧制度：是指根据生产条件确定恰当的供氧强度，选择和确定喷头结构、类型和尺寸，制定合理的氧枪操作方法。当氧枪的结构、类型和尺寸确定后，吹炼过程中能调节的供氧参数是枪位和工作氧压。37转炉炼钢供氧制度1.供氧压力供氧压力应保证使射流出口速度达到超音速，并使喷头出口处氧压稍高于炉膛内炉气压力，对于三孔喷头来说，供氧压力p0可按经验公式确定：—氧气温度，K；Q—氧气流量，m3/min；d临—喷头喉口直径，mm。目前，大型转炉的供氧压力通常为0.8~1.2Mpa。501033.8pPadTQo,.2临oT38转炉炼钢供氧制度2.氧气流量和供氧强度氧气流量指单位时间内向熔池的供氧量，供氧强度指单位时间内每吨金属的供氧量。这里，氧气流量=min,min33mttm供氧时间金属装入量单位金属的需氧量39供氧强度=目前，多数转炉的供氧强度控制在2.5~4.5m3/(t.min)。依据：炉子大小、炉容比。min.,min33tmtm金属装入量氧气流量炉容量It558090250300(厂名)(威远钢厂)(太钢二炼钢)(涟钢〉(宝钢二炼钢)(宝钢一炼钢〉Ilm3•(t.min)-l4.34.14.23.333.7840转炉炼钢供氧制度四.供氧操作供氧操作是指调节氧压或者枪位，达到调节氧气流量、喷头出口气流压力及射流与熔池的相互作用程度，以控制化学反应进程的操作。供氧操作分为恒压变枪、恒抢变压和分阶段恒压变枪几种方法。在国内，多采用分阶段恒压变枪操作法。4142对熔池的物理作用对熔池的化学作用调节枪位枪位冲击面积冲击深度脱磷、脱硫、脱碳化渣喷溅过高过大过浅提高脱磷、脱硫速度。脱化渣快，能促进渣中(FeO)多，易降低碳速度低脱磷、脱硫引起喷溅枪位过低过小过深影响脱磷、脱硫速度。搅化渣慢，影响早氧气流股对熔池冲击提高动好，供氧足，脱碳速度高期脱磷、脱硫力过大，易引起喷溅枪位43思考题1.转炉是通过哪些手段完成冶炼一炉钢的冶炼任务?说明在冶炼周期内五大元素和温度的变化规律.2.什么是氧射流(特征)?它对转炉炼钢有哪些重要作用(物、化等)?分析LD冶炼周期短的内在原因.3.重要概念:炉容比、乳化现象、一次反应区、供氧强度.4.什么是硬吹和软吹?枪位与冶炼操作参数有何关系？