1炼钢的基本原理

1炼钢的基本原理1.1炼钢基本任务1.1.1钢和铁的主要区别钢和生铁都是铁基合金，都含有碳、硅、锰、硫、磷5种元素。其主要区别见表1-1。表1-1钢和铁的主要区别项目钢生铁碳含量（质量分数）≤2％，一般为0.04％～1.7％＞2％，一般为2.5％～4.3％硅锰硫磷含量较少较多熔点1450～1530℃1100～1150℃机械性能强度、塑性、韧性好硬而脆，耐磨性好可锻性好差焊接性好差热处理性能好差铸造性好更好钢和生铁最根本的区别是含碳量不同，生铁中C%＞2%.钢中C%＜2%。含碳量的变化引起铁碳合金质的变化。钢的综合性能，特别是机械性能（抗拉强度、韧性、塑性)比生铁好得多，从而用途也比生铁广泛得多。以此，除约占生铁总量10%的铸造生铁用于生产铁铸件外，约占生铁总量90%的炼钢生铁要进一步冶炼成钢，以满足国民经济各部门的需要。1.1.2炼钢的基本任务所谓炼钢，就是通过炼钢降低生铁中的碳和去除有害杂质，再根据对钢性能的要求加入适量的合金元素，使之成为具有性能优良的钢。炼钢的基本任务可归纳如下：1、脱碳。在高温熔融状态下进行氧化熔炼，把生铁中的碳氧化降低到所炼钢号的规格范围内，是炼钢过程的一项最主要任务。2、去磷和去硫。把生铁中的有害杂质磷和硫降低到所炼钢号的规格范围内。3、去气和去非金属夹杂物。把熔炼过程中进入钢液的有害气体（氢和氮）及非金属夹杂物（氧化物、硫化物和硅酸盐等）排除掉。4、脱氧与合金化。把氧化熔炼过程中生成的对钢质有害的过量的氧（以FeO形式存在）从钢液中排除掉；同时加入合金元素，将钢液中的各种合金元素调整到所炼钢号的规格范围内。5、调温。按照熔炼工艺的需要适时地提高和调整钢液温度到出钢温度。6、浇注。把熔炼好的合格钢液浇注成一定尺寸和形状的钢锭和连铸坯，以便下一步扎成钢材。浇注包括铸锭和连续铸钢。值得强调的是，炼钢过程主要是氧化过程。1.1.3现代炼钢方法及其发展趋势现代炼钢方法主要有氧气转炉炼钢法、电炉炼钢法、平炉炼钢法。平炉炼钢法由于用重油成本高、冶炼周期长、热效率低等致命弱点，已基本上被淘汰。氧气转炉炼钢法以氧气顶吹转炉炼钢法为主，同时还有底吹氧气转炉炼钢法、顶底复合吹炼氧气转炉炼钢法。1996年我国产钢量已达到一亿多吨，其中氧气转炉炼钢法所炼钢约占70%。电炉炼钢法以交流电弧炉炼钢为主，同时也有少部分直流电弧炉炼钢、感应炉炼钢及电渣重熔等。纵观国内外炼钢方法的发展，以上三种主要炼钢方法的总发展趋势是：转炉炼钢方法大力发展，成为主要的炼钢方法；电炉炼钢法稳步发展、长兴不衰；平炉炼钢法则趋于淘汰。1.2炼钢熔渣1.2.1熔渣的来源、组成和作用1、熔渣的来源熔渣又叫炉渣，是炼钢过程中产生的。熔渣的主要来源有：（1）为了完成炼钢任务，有意向炉内加入造渣材料，如石灰、莹石、白云石、氧化铁皮、矿石等，这是炉渣的主要来源。（2）含铁原料中的部分元素如Si、Mn、P、Fe等氧化后生成的氧化物，如SiO2、MnO、FeO、P2O5等。（3）被侵蚀的炉衬以及各种原料带入的泥沙杂质等，如CaO2、MgO、SiO22、熔渣的组成化学分析表明，炼钢炉渣的主要成分是：CaO、SiO2、Fe2O3、FeO、MgO、P2O5、MnO、CaS等，这些物质在炉渣中能以多种形式存在，除了上面所说的简单分子化合物以外，还能形成复杂的复合化合物，如2FeO·SiO2、2CaO·SiO2、4CaO·P2O5等。3、熔渣的作用炼钢过程中熔渣的主要作用可归纳成如下几点：（1）通过调整炉渣成分、性质和数量，来控制钢液中各元素的氧化还原反应过程。如脱碳、脱磷、脱氧、脱硫等；（2）吸收金属液中的非金属夹杂物；（3）覆盖在钢液上面，可减少热损失，防止钢液吸收气体；（4）能吸收铁的蒸发物，能吸收转炉氧硫下的反射铁粒，可稳定电弧炉的电弧；（5）冲刷和侵蚀炉衬，好的炉渣能减轻这种不良影响，延长炉衬寿命。由此可以看出：造好渣是实现炼钢生产优质、高产、低消耗的重要保证。因此实际生产中常讲：炼钢就是炼渣。1.2.2熔渣的化学性质和物理性质炼渣的化学性质主要是炉渣的碱度、氧化性和还原性。熔渣的物理性质重要是炉渣的熔点和粘度。为了准确描述反应物和产物所处的环境，规定用“〔〕”表示其中的物质在金属液中，“（）”表示在渣液中，“｛｝”表示在气相中。1、熔渣的化学性质（1）熔渣的碱度。炼渣中常见的氧化物有酸性、碱性之分，其分类如下：CaO、MgO、MnO、FeO、Cr2O3、Fe2O3、Al2O3、P2O5、SiO2碱性氧化物中性氧化物酸性氧化物碱性增强酸性增强碱度是指熔渣中碱性氧化物与酸性氧化物浓度的比值，用“B”来表示。碱度是判断熔渣碱性强弱的指标。去磷、去硫以及防止金属液吸收气体等都和熔渣的碱度有关，因此碱度是影响渣、钢反应的重要元素。由于熔渣中CaO和SiO2的数量最多，约为渣量的60%以上，所以在熔渣含磷不高时，常以CaO与SiO2浓度之比表示熔渣的碱度，即：B=(CaO%)/(SiO2)若熔渣中含磷量较高，也可表示为：B=(CaO%)/(SiO2%＋P2O5%)根据碱度高低，熔渣可分为三类：1)B1酸性渣2)B=1中性渣3)B1碱性渣（低碱度渣B1.5；中碱度渣B1.8~2.2；高碱度渣B2.5）（2）熔渣的氧化性炼渣的氧化性是指熔渣所具备的氧化能力的大小。它对炼钢过程中的成渣速度、去磷、去硫、喷溅、金属收得率和终点钢水含氧量等均有重大影响。根据熔渣的分子理论，FeO能同时存在于渣－钢之中，并在渣－钢之间建立一种平衡（FeO）＝〔FeO〕，所以一般认为渣钢中的氧是通过FeO传递到钢液中的。因而熔渣中的FeO含量便可代表熔渣所具备的氧化能力的大小，即熔渣的氧化性通常用渣中氧化亚铁总量∑（FeO）表示。渣中氧化铁含量即渣的氧化性，它对熔渣的反应能力及物理性能有重要的影响。转炉熔渣FeO过低，造渣困难，炉渣的反应能力底。在转炉冶炼过程中，一般控制在10%～20%为好。（3）熔渣的还原性熔渣的还原性和氧化性是炉渣的同一种化学性质的两种不同说法。在碱性电弧炉操作中，要求炉渣具有高碱度、低氧化性、流动性好的特点，以达到钢液脱氧、去硫和减少合金元素烧损的目的。所以应降低渣中的FeO含量，提高渣的还原性。电弧炉还原期出钢时，一般要求渣中的FeO质量分数应小于0.5%，以满足出钢时对渣还原性的要求。2、熔渣的物理性质(1)熔渣的粘度粘度是表示熔渣内部各部分质点间移动时的内摩擦力的大小。粘度的单位是泊（P），1P＝0.1Pa∙s（帕∙秒）。粘度与流动性正好相反，粘度低则流动性好。冶炼时，若熔渣的粘度过大，则物质在钢液及炉渣之间的传递缓慢，不利于炼钢反应的迅速进行；但若粘度过小，又会加剧炉衬的侵蚀。所以，在炼钢时，希望获得适当粘度的炉渣。影响熔渣粘度的主要因素是熔渣成分和温度。凡是能降低炉渣熔点的成分均可以改善熔渣的流动性，降低渣的粘度；熔池温度越高，渣的粘度越小，流动性越好。实际操作中，粘度的调节主要是靠控制渣中的FeO、碱度和加入萤石等来实现的。（2）熔渣的熔点。炉渣是多元组成物，成分复杂，当它由固相转变成液相时，是逐渐进行的，不存在明显的熔点，其熔化过程有一个温度范围。通常炉渣的熔点是指炉渣完全转化成均匀液体状态时的温度。不同的氧化物和复合氧化物的熔点是不同的，炉渣中各种氧化物的熔点见表10-1。表10-1炉渣中各种氧化物的熔点氧化物CaOMgOSiO2FeOFe2O3MnOAL2O3CaF2熔点℃25702800171013701457178520501418复合化合物CaO·SiO22CaO·SiO22FeO·SiO2MnO·SiO2MgO·SiO2MgO·AL2O3CaO·FeO·SiO23CaO·P2O5熔点℃15402130121712851557213514001800炉渣中最常见的氧化物都有很高的熔点。炼钢温度下，这些氧化物很难熔化。但实际上，它们相互作用生成了各种复杂化合物，这些化合物的熔点低于原氧化物的熔点，从而降低了熔渣的熔点。降低炉渣熔点的主要措施是：加入一定的助熔剂，如矿石（Fe2O3）、萤石（CaF2）等，以便形成低熔点的多元系化合物。1.3炼钢过程的基本反应1.3.1炼钢熔池中元素的氧化次序铁和氧的亲和力小于Si、Mn、P,但由于金属液中铁的浓度最大，质量分数为90%以上，所以铁最先被氧化，生成大量的FeO,并通过FeO使其与氧亲和力大的Si、Mn、P等迅速氧化。在转炉中，Si、Mn、P、Fe在冶炼初期的大量氧化，使熔池温度迅速上升，为碳的迅速氧化提供了有利条件；同时也对炉渣的碱度和流动性等产生了较大的影响。1.3.2铁、硅、锰的氧化1、铁的氧化铁的氧化反应是一个及其主要的氧化反应，它是其它元素进行氧化反应的基础。向金属液供氧的方式有两种：一是直接供氧，即吹入氧气；二是间接供氧，即加入矿石。因此，铁的氧化方式也有两种：直接氧化和间接氧化。直接氧化反应是指钢液中的元素直接和氧分子接触，而被氧化的反应，如：〔Fe〕＋1/2｛O2｝＝〔FeO〕放热间接氧化反应是指金属液中的元素直接和氧原子或FeO接触而被氧化的反应，如：〔Fe〕＋｛O｝＝〔FeO〕放热铁被氧化后，其反应产物FeO一部分进入炉渣，一部分继续存留在金属液中，并在金属液－熔渣之间建立动态平衡，它应服从分配定律，即〔FeO〕＝（FeO）（FeO）/〔FeO〕＝L0在一定温度下，为一常数，称为氧在金属液和熔渣中的分配系数。2、硅的氧化在碱性炼钢法中，硅的氧化对成渣过程、炉衬的侵蚀等都有主要的影响。理论上硅的氧化也有直接氧化和间接氧化之分，但实际上，金属液中的硅锰元素很难直接与气态氧反应，所以金属液中硅锰磷元素的氧化均以间接氧化反应为主。硅的间接反应如下：〔Si〕＋2（FeO）＝2〔Fe〕＋（SiO2）〔Si〕＋2[FeO]＝2〔Fe〕＋（SiO2）硅的氧化产物SiO2只熔于炉渣，不熔于钢液。硅氧化反应的主要特点如下：（1）由于硅与氧的亲和力很强，所以在冶炼初期，金属液中的硅便已基本氧化完毕。例如：转炉吹氧3分钟后，硅基本上全部被氧化。同时，由于硅的氧化产物SiO2在炉渣中完全被碱性氧化物如CaO等结合，无法被还原出来，因此硅的氧化是十分完全彻底的，最后只有薇量的硅残留在钢液中。（2）硅的氧化反应是一个强烈的放热反应，低温有利于硅氧化反应的迅速进行。硅是转炉吹炼过程中重要的发热元素。目前在转炉生产中，为了减少渣量，降低热损失，并提高金属收得率，已在广泛推广使用低硅铁水（SiO%0.3%）,由降低铁水含硅量所失去的部分化学热，正在靠其它方法来解决，如提高铁水温度等。3、锰的氧化锰的间接氧化反应如下〔Mn〕＋（FeO）＝（MnO）＋（Fe）放热〔Mn〕＋[FeO]＝（MnO）＋[Fe]放热锰的氧化产物只熔于渣，不熔于钢液。锰氧化的特点是：（1）锰的氧化反应是放热反应，低温有利于锰的氧化，故锰的氧化主要在炼前期进行。（2）由于氧化产物MnO是碱性氧化物，故碱性渣中不利于Mn的氧化。因此锰不能向硅那样完全被氧化。（3）当熔池温度升高后，锰的氧化反应会逆向进行，发生锰的还原，即产生“回锰”现象，使钢液中的“余锰”增加。1.3.3碳的氧化碳的氧化反应是贯穿整个炼钢过程的一个重要的反应，它是完成整个炼钢任务的一个重要手段。1.3.3.1碳的氧化反应1、氧气流股与金属液间的C—O反应〔C〕＋1/2｛O2｝＝｛CO｝+136000J该反应放出大量的热，是转炉炼钢的重要热源。在转炉炼钢的氧流冲击区及电炉、平炉炼钢采用氧管插入钢液吹氧脱碳时，氧气流股直接作用于钢液，均会发生此类反应。脱碳示意图分别如图1-1和图1-2所示。流股中的气体氧｛O2｝与钢液中的碳原子〔C〕直接接触，反应生产气体产物一氧化碳｛CO｝，脱碳速度受供氧强度的直接影响，供氧强度越大，脱碳速度越快。2、金属熔池内部的C—O反应〔C〕＋〔FeO〕＝｛CO｝＋〔Fe〕－7600J该反应为弱放热反应，温度降低有利于反应的进行。在转炉和电炉炼钢吹氧脱碳时，气体氧｛O2｝会使金属熔池内铁原子〔Fe〕大量氧化成〔FeO〕，金属液中的〔C〕与〔FeO〕接触