转炉炼钢工艺2

1第四节转炉炼钢造渣制度造渣是炼钢的一项重要操作。由于转炉冶炼时间短，必须快速成渣，才能满足冶炼进程和强化冶炼的要求。造渣对避免喷溅、减少金属损失和提高炉衬寿命都有直接关系。炼钢就是炼渣。2转炉炼钢造渣制度一.成渣过程来源：渣料、金属元素氧化产物和脱磷、硫产物、炉衬等。1.炼钢对炉渣要求转炉冶炼各期，都要求炉渣具有一定的：a.碱度R；b.合适的氧化性∑(FeO)c.流动性；d.适度泡沫化。3炉渣的作用：①、脱磷、硫；②、保温、防止金属再氧化及吸气；③、吸收上浮的夹杂物及反应产物；④、减少炉衬的蚀损。主要成分是：CaO、MgO、SiO2、Al2O3、MnO、FeO、P2O5、CaS、FeS、MnS等。4液态炉渣主要来自铁水中Si、Mn、Fe的氧化物。希望炉渣具有较高的氧化性∑(FeO)，以促进石灰熔化，迅速提高炉渣碱度R。因前期[C]-[O]反应滞后，熔池搅拌较弱，温度偏低，渣中∑(FeO)积累。2.转炉成渣过程吹炼初期:5取样表明：初期渣的主要矿物为钙镁橄榄石m[(Fe.Mn.Mg.Ca)SiO4]和玻璃体(SiO2)7~8%，自由氧化物(RO)相很少。钙镁橄榄石：是锰橄榄(2MnO.SiO2)、铁橄榄石(FeO.SiO2)、镁橄榄石(MgO.SiO2)和硅酸二钙(2CaOSiO2)的混合晶体。6转炉炼钢造渣制度吹炼中期:由于炉温升高石灰进一步熔化，同时因为Vc加快而导致渣中∑(FeO)逐渐降低，使石灰熔化速度有所减缓。随着C-O反应进行，炉渣泡沫化程度迅速提高。由于C-O反应大量消耗渣中∑(FeO)，以及有时得不到超过渣系液相线的正常过热温度，使化渣条件恶化，引起炉渣异相化，并出现“返干”。7“返干”—转炉炼钢的吹炼中期,由于脱碳速度大,大量的CO气泡能冲破渣层而排出,炉渣碱度高,∑(FeO)较低,SiO2、P205表面活性物质的活度降低,因此引起泡沫渣的条件不如吹炼初期,熔渣出现固相质点即“返干”现象。要求：炉渣氧化性（通常含∑(FeO)不低于8~9%）。避免：ⅰ炉渣“返干”、喷溅，中期渣粘度要适宜；ⅱ泡沫渣过渡喷溅；ⅲ氧枪操作不当引起喷溅。8转炉炼钢造渣制度原因:随着炉渣R的提高，CaO与SiO2的亲和力比其它氧化物大，CaO逐渐取代钙镁橄榄石中的其它氧化物，在石灰表面生成高熔点的坚硬致密的2CaOSiO2壳层，阻碍了新鲜炉渣向石灰内部的渗入，导致石灰溶解速度下降。石灰与钙镁橄榄石和玻璃体SiO2作用时，生成CaOSiO2，3CaO2SiO2，2CaOSiO2和3CaOSiO2等产物，其中最可能和最稳定乃是熔点2130℃为的2CaOSiO2。P198~199910吹炼末期:Vc下降，渣中∑(FeO)再次增高，石灰继续熔化并加快了熔化速度。同时，熔池中乳化和泡沫现象趋于减弱和消失。要保证去P、S所需的炉渣高碱度R，同时要控制好终渣氧化性∑(FeO)=15%~20%，末期渣要化透作粘。在吹炼末期，RO相急剧增加，生成的3CaOSiO2也分解为CaOSiO2和CaO，并有2CaO.Fe2O3生成。11转炉炼钢造渣制度二.石灰熔化机理石灰熔化关系到成渣的快慢，成渣又影响脱、脱硫。从炉渣下层取出未熔石灰块，观察其断面并分析从外到内各层的化学成分可知，炉渣由表及里向石灰块内部渗透，表面有反应产物形成。石灰熔化是复杂的多相（固-液）反应。固态液态渣12其过程可分为：第一步，液相炉渣经石灰块外部扩散边界层向反应区扩散，并沿气孔向石灰块内部迁移；第二步，炉渣与石灰在反应区进行化学反应并形成新相，反应不仅在石灰块外表面上进行，而且在内部气孔表面上进行；第三步，反应产物离开反应区向炉渣熔体中转移。13冶炼初期末、刚进入中期14显然，加速石灰熔化的关键是克服石灰熔化的限制环节。首先应极力避免形成高熔点坚硬致密的2CaOSiO2壳层，当其产生后，应该设法迅速破坏掉这一阻碍石灰熔化的壳层，以保成炉渣组分能够迅速不断地向石灰表面和内部渗入。转炉条件下石灰熔化速度的近似公式为：=k(CaO+1.35MgO+1.09SiO2+2.75FeO+1.9MnO-39.1)exp{-2550/T}式中：k—系数；VC—脱碳速度；T—温度，K；G—石灰重量。CaOv5.07.0GvC15转炉炼钢造渣制度影响石灰熔化速度的主要因素有：参与熔化反应成分的浓度;流体力学有关的传质;熔池温度;反应面积;石灰质量等。炉渣成分——首先，FeO对石灰的熔化速度具有决定性的有利作用，它是石灰熔化的基本熔剂。16转炉炼钢造渣制度作用：第一，它能显著降低炉渣粘度，从而加速石灰熔化过程中传质；第二，它能改善炉渣对石灰的润湿和炉渣向石灰孔隙中的渗透；最根本的原因是：它的离子半径不大（），而且与CaO同属立方晶系，这些都有利于向CaO晶格中迁移并生成低熔点物质；因此,大大减少石灰块表面的2CaOSiO2生成，降低其熔点，使2CaOSiO2变疏松。pmRpmRpmROFeFe132,67,8323217三.造渣方法1.石灰加入量石灰加入量主要根据铁水中硅、磷和炉渣碱度确定。在铁水含磷量较低，采用单渣操作和用废钢做冷却剂时，石灰加入量X可用下式计算：金属料式中(%CaO)有效—石灰中的CaO有效含量=(%CaO)-R(%SiO2)石灰；2.14—MSiO2/MSi，即SiO2与Si相对分子量之比；R=(%CaO)/(%SiO2)—碱度。tkgCaORSiX/,%1000..%14.2有效18转炉炼钢造渣制度但铁水中含磷较高并假定金属料中含磷量的90%氧化进入炉渣，则石灰加入量X可用下式计算：式中：为P2O5相对分子质量与P相对分子质量之比。有效CaOPSiRX%]}[%31.1][%14.2.{100062142;6214290.0634.031.1;)(%634.0)(%)(%522OPSiOCaOR19转炉炼钢造渣制度2.造渣方法在生产实践中，一般根据铁水成分和所炼钢种来确定造渣方法。常用的造渣方法有单渣法、双渣法和双渣留渣法。通常，转炉渣料采用分批加入法，头批料在开吹时加入，加入量为渣料总量的1/2~1/3，以后分多批少量加入。经铁水三脱处理后，可进行少渣操作。20四.转炉炼钢的脱磷、脱硫1.转炉炼钢的脱磷(氧化脱磷)1）磷在钢中的存在形式及其对钢性能的影响高炉炼铁是还原性气氛，无法去除磷，它必然随铁矿石进入铁水。大量文献证明，磷是以Fe2P（也有报道Fe3P）的形态存在于钢中。在大多数钢中磷是有害元素，希望它的含量越少越好。21转炉炼钢造渣制度磷可溶于钢液中，是有效的硬化剂（仅次于碳）。能使钢的屈服强度提高。如：易切削钢、低碳镀锡薄板。但能使钢的塑性和韧性变坏。特别是在低温下，韧性变坏尤为显著，即：能导致钢的“冷脆”。原因：凝固后磷原子富集于铁素体晶界形成固溶强化所引的。磷对焊接性能、电磁性能都有不利的影响。22磷与氧的亲和力铁与氧的亲和力。但在炼钢温度(T:1400-1600℃)下，钢液中的磷是不能被氧化去除的。因为：2[P]+5[O]=P2O5(g)△G0=-177350+127.32Tcal02）脱磷反应（游离态的磷很活泼，易与氧化合。但自然界没有游离态的磷，它是以矿物形式存在）。23但当有碱性氧化物存在时，磷氧化形成的P2O5(g)就能与之结合为稳定的磷酸盐，可保留于渣中。这些磷酸盐是：3FeO.P2O5、3MnO.P2O5、3MgO.P2O5、3CaO.P2O5或(4CaO.P2O5)。在一般炼钢渣系下，3CaO.P2O5和3Feo.P2O5数量最多，是最主要脱磷产物。24转炉炼钢造渣制度分子理论的脱磷反应式如下：（渣-金界面反应）氧化脱磷5(Feo)=5[Fe]+5[O]2[P]+5[O]=(P2O5)(P2O5)+4(CaO)=(4CaO.P2O5)+————————————————————2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO.P2O5)+5[Fe]25离子理论的脱磷反应式为：[P]+(O2-)+[O]=(PO43-)lgK=40067/T-15.06其中：K=a(4CaO.P5O2)/[%P]2a5(Feo)a4(CaO)脱磷率：LP=(%P2O5)/[%P]2=Ka5(Feo)a4(CaO)磷酸盐容量Cp=(P%)/aPaO2.5表示渣的脱磷能力。（离子理论,p172）则：LP=(%P)/[%P]=Cp.aO2.5fp还原脱磷略。26转炉炼钢造渣制度3）脱磷条件由上式可得到脱磷的热力学条件：a.提高a(Feo)和a(CaO)对脱磷反应有利；（a(Feo)可通过加氧化铁皮、铁矿石或提高枪位来实现。a(CaO)可通过加石灰和熔剂，使R2.5）。b.降低(4CaO.P2O5)的活度，对脱磷反应有利；（通过放渣及造新渣来实现）。27c.较低的温度对脱磷反应有利。（1400-1500℃）冶炼初、中前期。因放热反应，温度升高不利于反应进行。脱磷的动力学条件：加强搅拌（增大渣-金反应界面），改善炉渣流动性等都有利脱磷反应的进行。282930转炉炼钢造渣制度问题：分析转炉炼钢冶炼过程初、中、末期炉渣的变化与脱磷的关系。初：T低，(Feo)高，R低；中：T升高，(Feo)低，R升高；末：T升高，(Feo)高，R升高。结论：顶吹氧气转炉炼钢脱磷的最佳时期为：冶炼的初期和脱碳前期。31转炉炼钢造渣制度4）.“回磷”问题在脱氧、合金化及浇注过程中，由于T升高，(Feo)低，R低（脱氧剂Fe-Si的产物SiO2），渣中的磷可被还原，又进入钢液中的现象称为“回磷”。防止“回磷”的办法：应尽可能不在炉内进行脱氧、合金化，设法使炉渣不进入钢包。采取铁水炉外脱磷及保护浇铸等措施。32转炉炼钢造渣制度5）铁水炉外脱磷的条件a.首先要脱[Si]使其低于0.2%（依据：氧势图）;b.T低（1300-1400℃），对脱磷反应有利;c.设备简单，操作方便。（可在出铁沟中或在鱼雷罐车中进行。通过吹O2或加烧结矿、铁精矿粉等）;d.可减轻转炉负担，实现少渣或无渣操作，提高钢的品种和质量。目前，最佳的铁水炉外脱磷器是转炉。脱磷剂多以Ca系为主。33生产流程中材料温度的变化生产流程中材料温度的变化2020℃℃1400℃12001200℃℃16501650℃℃15501550℃℃11001100℃℃3030℃℃900900℃℃2020℃℃2020℃℃550550℃℃生产流程中材料的碳含量变化生产流程中材料的碳含量变化4.54.5%%0.10%0.10%0.20~0.80%0.20~0.80%0%0%1.01.0%%生产流程中材料的氧势变化生产流程中材料的氧势变化0.003%0.003%30%30%0%0%0.07%0.07%20%20%生产流程中材料温度的变化生产流程中材料温度的变化2020℃℃1400℃12001200℃℃16501650℃℃15501550℃℃11001100℃℃3030℃℃900900℃℃2020℃℃2020℃℃550550℃℃生产流程中材料的碳含量变化生产流程中材料的碳含量变化4.54.5%%0.10%0.10%0.20~0.80%0.20~0.80%0%0%1.01.0%%生产流程中材料的氧势变化生产流程中材料的氧势变化0.003%0.003%30%30%0%0%0.07%0.07%20%20%传统钢铁流程34多功能RH[C]3.5%0.04%[P]=0.11%[S]≤0.005%T=1350℃[S]≤0.005%T=1300℃0.004%[P]≤0.005%[P]≤0.01%0.065%0.001%[P]≤0.003%T=1650℃新流程352.转炉炼钢的脱硫1）硫在钢中的存在形式及其对钢性能的影响从Fe-S二元系相图可知，硫能溶解于液态铁中形成无限溶液。钢铁中的含量约为：0.001-0.1%。硫在液态纯铁中，究竟以何种状态存在？到目前为止还不能完全确定。多数观点认为它以[FeS]的形式存在，少数[MnS]。硫在铁中的溶解热较高，扩散系数较小。3637转炉炼钢造渣制度硫的影响很多，是炼钢的杂质元素，希望它的含量越少