第七章 氧气转炉炼钢(工艺部分)

第七章氧气转炉炼钢7.1转炉炼钢原辅材料金属料：铁水（生铁）、废钢、铁合金；非金属料：造渣材料、氧化剂、冷却剂和增碳剂。7.1.1金属料⑴铁水铁水一般占装入量的70～100%，是转炉炼钢的主要热源。对铁水要求有：①成分；③温度。硅(Si)：是重要的发热元素，铁水中含Si量高，炉内的化学热增加。锰(Mn)：是发热元素，有利元素。磷(P)：是高发热元素，对一般钢种来说是有害元素，硫(S)：有害元素。对铁水温度的要求：铁水物理热得占转炉热收入的50%。入炉铁水温度应大于1200℃～1300℃，并且要相对稳定。⑵废钢废钢量一般是总装入量的10%-30%。既是金属料又是冷却剂⑶铁合金脱氧剂和合金化元素。7.1.2辅助材料⑴造渣材料①石灰(CaO)作用：脱磷、脱硫、保护炉衬。②萤石主要成分：CaF2，含有SiO2、Al2O3杂质。作用：助熔剂。原理：萤石与CaO作用形成1635K的共晶体，直接促进石灰熔化；能显著降低2CaO·SiO2的熔点(生成低熔点3CaO·CaF2·2SiO2，熔点1362℃)；能降低炉渣粘度，认为氟离子切断了硅酸盐链状结构。③白云石(CaCO3·MgCO3)经焙烧可成为轻烧白云石，其主要成分为CaO·MgO采用生白云石或轻烧白云石代替部分石灰造渣，可减轻炉渣对炉衬的侵蚀。溅渣护炉操作时，通过加入适量的生白云石或轻烧白云石保持渣中的MgO含量达到饱和或过饱和，使终渣能够做黏，出钢后达到溅渣的要求。促进前期化渣(生成共熔点化合物，都比C2S的熔点低的多)⑵氧化剂①氧气转炉炼钢的主要氧源，氧气纯度，超过98%；氧气压力要稳定，0.6～1.5MPa之间。②铁矿石和氧化铁皮氧化铁有利于化渣和冷却作用⑶冷却剂作用：准确命中转炉终点温度。种类：废钢、氧化铁皮、铁矿石、烧结矿、球团矿、石灰石等。⑷增碳剂种类：木炭、电极粉、焦炭粉、生铁等。7.3氧气转炉炼钢工艺特点①完全依靠铁水氧化带来的化学热及物理热；②生产率高(冶炼时间在35分钟左右)；③质量好(气体含量少，CO的反应搅拌，将N、H除去)可以生产超纯净钢,有害成份(S、P、N、H、O)＜80ppm；④冶炼成本低，耐火材料用量比平炉及电炉用量低；⑤原材料适应性强，高P、低P都可以。⑥冶炼品种多达400个。⑴氧气转炉中的顶吹供氧，是使用拉瓦尔喷头的水冷氧枪将纯氧以500m/S左右的超音速射流从上而下吹入熔池，供氧的同时还搅动熔池，加快钢液的传质和传热。7.3.1氧气转炉的供氧特征⑵冲击深度和冲击面积是指氧气射流冲击到熔池面上，当射流压力大于维持液面静平衡状态的炉内压力时，渣层被吹开，并把铁水挤开而形成凹坑。凹坑的上沿面积即称为冲击面积，而凹坑的最底点到熔池表面的距离，称为冲击深度幻灯片10。采用恒压变抢操作：①“硬吹”概念：当枪位较低时，氧流对液面有较高的冲击压力，金属液被冲击成一深坑。此时，氧流作用区(冲击面积)较小，一部分金属液被粉碎成液滴，从深坑中沿切线方向喷溅出来，送入熔池上面空间被大量氧化，然后又被卷入熔池，使熔池受到强烈的搅拌而进行着循环运动。降枪脱碳升温：在“硬吹”情况下，由于金属液的强烈循环运动，加速了金属熔池的氧化，脱碳速度增加。但此时渣中氧化铁含量低，对化渣不利。②“软吹”概念：当枪位较高时，氧气流股对液面的冲击力较低。金属液被冲击或一个浅坑，而冲击面积较大。被击碎的金属液滴从浅坑沿切线喷出的方向较平，熔池内金属液的循环运动较弱，较平稳。提枪化渣：在“软吹”情况下，由于熔池搅拌较弱，因而金属液的氧化减慢，脱碳速度降低。但此时渣中氧化铁含量较高，有利于化渣幻灯片8。FeO化渣原因：①FeO熔点本身就低，1369℃；②FeO熔为液态，就会使难熔的带有致密壳层的2CaO·SiO2(C2S)浸泡在溶液中，有利于熔解；③FeO会破坏C2S，实际是FeO置换CaO，使其游离，而生成的FeO·SiO2。7.3.2转炉炼钢过程及熔池内的变化⑴一炉钢的冶炼过程①上炉出完钢后，加改质剂调整炉渣粘度(白云石或轻烧白云石)，溅渣护炉后倒完残余炉渣，然后堵出钢口。②加入底石灰，减缓废钢对炉衬的冲击。③装入废钢和铁水后，摇正炉体，下降氧枪至规定枪位，开始吹炼。同时加入造渣材料，约占2/3～1/2。④当氧流与熔池面接触时，碳、硅、锰开始氧化，称为“点火，点火后约几分钟，初渣形成并覆盖于熔池面。随着硅、锰、磷、碳的氧化，熔池温度升高，火焰亮度增加，炉渣起泡，并有小铁粒从炉口喷溅出来，此时应适当降低枪位。⑤吹炼中期脱碳反应激烈，渣中(％FeO)降低，致使炉渣熔点增高和粘度加大，并可能出现稠渣(“返干“)现象。此时应适当提高枪位，并可加入第二批料(氧化铁皮或矿石)，可考虑加入萤石，但要防止“喷溅”。⑥吹炼末期，[％C]降低，脱碳反应减弱，火焰变短而透明。确定吹炼终点，并提枪停止供氧，倒炉测温取样，若碳温合适，则出钢，否则补吹后出钢。⑦出钢前挡渣帽，出钢程中加入脱氧剂和铁台金进行脱氧合金化，在出钢末期加挡渣塞。⑵吹炼过程熔池内金属、炉渣成分和温度变化整个吹炼过程分为三期来描述，碳的氧化过程明显的分为三个阶段：吹炼前期：脱碳速度缓慢，其速度随吹炼时间的延长而几乎成直线增加；吹炼中期：脱碳迅速，其速度达最大值，且几乎不变；吹炼后期：脱碳反应衰弱，其速度随吹炼时间而直线下降。整个吹炼过程分为三个时期：第Ⅰ期即吹炼前期：Si、Mn含量高，熔池温度低（1500℃以下)，Si、Mn优先于C剧烈氧化，直至很低含量继续吹炼不再氧化。而碳的氧化则受到抑制，随Si、Mn含量的降低，熔池温度迅速上升，脱碳速度逐渐增大。此时，渣中含有较高的SiO2、MnO和FeO，随着温度的升高，石灰熔化，渣中氧化钙不断上升，SiO2含量相对下降，炉渣碱度增大，P可被大量氧化，含量迅速降低；而S则变化不大。第Ⅱ期即吹炼中期：Si、Mn含量很低，熔池温度上升到1500℃，脱碳反应剧烈进行，同时由于泡沫渣和乳化液的形成，加速了传质过程，使脱碳速度达最大值且几乎为定值。吹入的氧全部消耗于碳的氧化，而且渣中的(FeO)也被消耗于脱碳，因而使渣中(FeO)含量降低，引起回锰和回磷。第Ⅲ期即吹炼后期：金属中的含碳量已降低到0.5%以下，脱碳速度减小，并随吹炼时间的推移而直线下降。钢中的[O]及渣中(FeO)相应增加，使钢液中的Mn和P再次被氧化而含量降低。同时，由于温度高，炉渣碱度高、流动性好，故后期硫含量下降。由于温度升高，(FeO)含量降低，再加上脱碳反应对钢渣的强烈搅拌，均有利于脱硫，因此硫含量明显下降。7.3.3转炉炼钢五大操作制度五大操作制度：装入制度、造渣制度、供氧制度、温度制度、终点控制与出钢合金化。⑴装入制度概念：确定转炉合理的装入量，合适的铁水废钢比。装入量：指炼一炉钢时铁水和废钢的装入数量，它是决定转炉产量、炉龄及其他技术经济指标的主要因素之一。铁水配比为75％～90％之间。目前国内采用三种：定量装入、定深装入和分阶段定量装入法。①定量装入指整个炉役期间，保证金属料装入量不变；②定深装入指整个炉役期间，随着炉子容积的增大依次逐渐增大装入量，保证每炉的金属熔池深度不变；③分阶段定量装入法指将整个炉按炉膛的扩大程度划分为若干阶段，每个阶段实行定量装入法。⑵造渣制度概念：是确定合适的造渣方法、渣料的种类、渣料的加入数量和时间以及加速成渣的措施，以达到去除磷硫、减少喷溅、保护炉衬、减少终点氧及金属损失的目的。①碱度(R)：终渣碱度在3.0～4.0之间，是炉渣去除硫、磷能力大小的主要标志。②石灰加入量：根据铁水中Si、P含量及终渣碱度R来确定。③白云石或轻烧白云石造渣：代替部分石灰造渣，提高渣中(MgO)含量，以减少炉衬中MgO向炉渣转移，促进前期化渣。④萤石：助熔剂，化渣快，效果明显。①单渣法：整个吹炼过程中只造一次渣中途不倒渣、不扒渣，直到吹炼终点出钢(低Si、P)。②双渣法：整个吹炼过程个需要倒出或扒出约1/2～1/3炉渣，然后加入料渣重新造渣(高Si、P)。③双渣留渣法：将双渣法操作的高碱度、高氧化铁、高温流动性好的终渣留一部分在炉内，然后在下一炉吹炼第一期结束时倒出，重新造渣。常用的造渣方法：单渣法、双渣法和双渣留渣法⑶供氧制度概念：使氧气流股最合理的供给熔池，创造良好的物理化学反应条件。主要内容：确定合理的喷头结构、供氧强度、氧压和枪位控制。①氧枪喷头：氧气以两倍左右的声速喷出拉瓦尔喷管，射入转炉炉膛内，是具有化学反应的逆向流中非等温超声速湍流射流运动。②供氧强度：是单位时间内每吨金属的耗氧量，一般供氧强度为3.0～5.0m3/t·min。③氧压：为保证射流出口速度达到超声速，并使喷头出口处氧压稍高于炉膛内炉气压力，一般转炉的氧气工作压力为0.8～1.2MPa。④枪位控制：恒压变枪、桓枪变压、变枪变压、在我国，多半采用恒压变枪操作。⑷温度制度任务：将钢水温度升至出钢温度。温度控制包括：吹炼过程熔池温度(目的是使吹炼过程升温均衡，保证操作顺利进行)和终点钢水温度的控制(目的是保证合格的出钢温度)。①温度控制措施熔池升温：降枪脱C、氧化熔池金属铁。熔池降温：加冷却剂(矿石、球团矿、氧化铁皮、废钢)；②终点温度要求：出钢温度过低，浇铸时会造成断浇，甚至使全炉钢回炉处理；出钢温度过高，钢中气体和非金属夹杂物增加，炉衬和氧枪寿命降低，甚至造成浇铸时漏钢。⑸终点控制与出钢合金化终点控制：终点温度和成分的控制。终点控制：自动控制和经验控制①出钢：当钢水成分和温度达到出钢要求后，便可摇炉将钢水通过出钢口倒入钢包中。应注意：红色出钢，保持适宜的出钢时间、挡渣出钢。②脱氧及合金化：吹炼终点时，钢水含氧量一般比较高，为了保证钢的质量和顺利浇铸，必须对钢水进行脱氧。同时，为了使钢达到性能要求，还需向钢水中加入一种或几种合金元素。脱氧剂：Fe-Mn、Fe-Si、Al等③终点碳控制的方法：拉碳法和增碳法“拉碳法”：是在熔池含碳量达到出钢要求时停止吹氧，即吹炼终点时，不但钢液的磷、硫和温度等符合出钢要求，而且钢液中的碳加上铁合金所带入的碳之后，也能符合钢种的规格，不需专门向金属追加增碳剂增碳。“增碳法”：是在吹炼平均含碳量大于或等于0.08％的钢种时，一律采取吹到0.05～0.06％碳时停吹，然后按照所炼钢种的规格，在盛钢桶内增碳。