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1冶金概论------转炉炼钢主讲:孙丽娜教授冶金工程系2主要内容一炼钢的基本任务二炼钢用原材料三转炉炼钢原理与工艺3一、炼钢的基本任务炼钢的基本任务包括：1.脱碳、脱磷、脱硫、脱氧；2.去除有害气体和夹杂；3.提高温度；4.调整成分炼钢过程通过供氧、造渣、加合金、搅拌、升温等手段完成炼钢基本任务。氧气顶吹转炉炼钢过程，主要是降碳、升温、脱磷、脱硫以及脱氧和合金化等高温物理化学反应的过程，其工艺操作则是控制供氧、造渣、温度及加入合金材料等，以获得所要求的钢液，并浇成合格钢钢锭或铸坯。4二、炼钢用原材料原材料是炼钢的基础，原材料的质量对炼钢工艺和钢的质量有直接影响。倘若原材料质量不合技术要求，势必导致消耗增加，产品质量变差，有时还会出现废品，造成产品成本的增加。国内外实践证明，采用精料以及原料标准化，是实现冶炼过程自动化的先决条件，也是改善各项技术经济指标和提高经济效益的基础。炼钢用原材料一般分为主原料、辅原料和各种铁合金。51.金属料•1)铁水：占金属料的（70~100%）主要要求成分：[Si]、[Mn]、[P]、[S]温度：转炉炼钢重要发热元素，[Si]↑0.1%，废钢比↑1.3~1.5%；[Si]过高，渣量增加，引起喷溅；渣中（SiO2）↑，炉龄↓；高炉焦比↑锰是弱发热元素，铁水中锰氧化后形成的(MnO)可促进石灰溶解，加快成渣；减少氧枪粘钢，终点钢中余锰高，能够减少合金用量，利于提高金属收得率；锰在降低钢水硫含量和硫的危害方面起到有利作用。Mn/Si的比值为0.8～1.00时对转炉的冶炼操作控制最为有利。当前使用较多的为低锰铁水，一般铁水中[Mn]=0.20％～0.40％。磷是强发热元素，磷会使钢产生“冷脆”现象，通常是冶炼过程要去除的有害元素。磷在高炉中是不可去除的，氧气顶吹转炉的脱磷效率在85％～95％，铁水中磷含量越低，转炉工艺操作越简化，并有利于提高各项技术经济指标。如使用ωP＞1.50％的铁水炼钢时，炉渣可以用作磷肥。除了含硫易切钢(要求ωS=0.08％～0.30％)以外，绝大多数钢中硫是有害元素。转炉中硫主要来自金属料和熔剂材料等，而其中铁水的硫是主要来源。在转炉内氧化性气氛中脱硫是有限的，脱硫率只有35％～40％。由于低硫ωs＜0.01％的优质钢需求量增长，因此用于转炉炼钢的铁水要求ωs＜0.020％。这种铁水很少，为此必须进行预处理，降低入炉铁水硫含量。铁水温度的高低是带入转炉物理热多少的标志，铁水物理热约占转炉热收入的50％。因此，铁水的温度不能过低，否则热量不足，影响熔池的温升速度和元素氧化过程，也影响化渣和去除杂质，还容易导致喷溅。入炉铁水温度应大于1250℃，以利于转炉的热行，成渣迅速，减少喷溅。小型转炉和化学热量不富裕的铁水，保证铁水的高温入炉极为重要;转炉炼钢时入炉铁水的温度还要相对稳定，如果相邻几炉的铁水入炉温度有大幅的变化，就需要在炉与炉之间对废钢比作较大的调整，这对生产管理和冶炼操作都会带来不利影响。62)废钢废钢是电弧炉炼钢的基本原料，用量约70~90%；对氧气顶吹转炉炼钢，既是主原料之一，也是冷却效果稳定的冷却剂。通常占装入量的30％以下，适当地增加废钢比，可以降低转炉钢消耗和成本。7废钢的分类：本厂废钢返回料（废钢锭、轧钢切头）回收料（加工废料，报废设备）外购废钢加工工业的废料（机械、造船、汽车等行业的废钢、车削等）钢铁制品的报废件（船舶、车辆、机械设备、土建材料等）83）铁合金吹炼终点脱除钢中多余的氧，并调整成分达到钢种规格，需加入铁合金以脱氧合金化。炼钢常用的合金有Fe-Mn、Fe-Si、Mn-Si合金、Ca-Si合金、铝、Fe-Al、复合脱氧剂等。其化学成分及质量均应符合国家标准规定。92.辅助材料1）造渣剂石灰（CaO）萤石（CaF2）生白云石（CaMg(CO3)2）菱镁矿（MgCO3）合成造渣剂锰矿石石英砂（主要成分是SiO2）石灰是炼钢主要造渣材料，具有脱P、脱S能力，也是用量最多的造渣材料。其质量好坏对冶炼工艺操作，产品质量和炉衬寿命等有着重要影响。特别是转炉冶炼时间短，要在很短的时间内造渣去除磷、硫，保证各种钢的质量。对石灰质量的要求：(1)有效CaO含量高;(2)硫含量低;(3)残余CO2少;(4)活性度高造渣加入萤石可以加速石灰的溶解，萤石的助熔作用是在很短的时间内能够改善炉渣的流动性，但过多的萤石用量，会产生严重的泡沫渣，导致喷溅，同时加剧炉衬的损坏，并污染环境。焙烧后为熟白云石，其主要成分CaO与MgO。保持渣中有一定的MgO含量，以减轻初期酸性渣对炉衬的侵蚀，提高炉衬寿命，生白云石也是溅渣护炉的调渣剂。菱镁矿也是天然矿物，主要成分是MgCO3，焙烧后用作耐火材料，也是目前溅渣护炉的调渣剂。合成造渣剂是将石灰和熔剂预先在炉外制成的低熔点造渣材料，然后用于炉内造渣。是改善冶炼效果的有效措施。作为合成造渣剂中熔剂的物质有：氧化铁、氧化锰或其它氧化物、萤石等。加入锰矿石有助于化渣，也有利于保护炉衬，若是半钢冶炼更是必不可少的造渣材料。要求ωMn≥18％，ωP0.20％，ωS0.20％，粒度在20～80mm。石英砂也是造渣材料，其主要成分是SiO2，用于调整碱性炉渣流动性。对于半钢冶炼，加入石英砂利于成渣，调整炉渣碱度以去除P、S。要求使用前应烘烤干燥水分应小于3％。102)冷却剂氧气顶吹转炉炼钢过程热量有富余，因而根据热平衡计算加入一定数量的冷却剂，以准确地命中终点温度。冷却剂包括:废钢、生铁块、铁矿石和氧化铁皮、石灰石等。113）氧化剂氧气氧化铁皮氧气是氧气转炉炼钢的主要氧化剂，要求含氧量达到99.5％以上，并脱除水分。氧压为6~12×105Pa。工业用氧是通过制氧机把空气中的氧气分离、提纯来实现的。氧化铁皮要求杂质含量少，不含油污和水分。铁矿石铁矿石要求含铁高，P和水分低；124）还原剂和增碳剂电炉炼钢中需要使用还原剂和增碳剂包括：石墨电极、木炭、焦炭、电石、硅铁、硅钙、铝等；转炉炼钢中冶炼中高碳钢时，一般使用含灰份少的石油焦做增碳剂。13三氧气转炉炼钢原理及工艺1.转炉炼钢车间巡视与生产模拟2.铁水予处理3.转炉炼钢过程141.转炉炼钢车间——巡视15转炉炼钢车间——生产模拟162.铁水的予处理过程指铁水在兑入炼钢炉之前，为去除或提取某种成分而进行的处理过程。对铁水的炉外脱S、脱P和脱Si，即三脱技术就属于铁水预处理的一种。铁水进行三脱可以改善炼钢主原料的状况，实现少渣或无渣操作，简化炼钢操作工艺，以经济有效地生产低P、S优质钢。171)铁水予处理的类型•铁水脱Si•铁水脱S•铁水同时脱P、脱S•铁水提V、提Nb降低铁水硅含量可以减少转炉炼钢的炉渣量，实现少渣或无渣工艺，并为炉外脱磷创造了条件。炉外脱硅技术是将氧化剂加到流动的铁水中，硅的氧化产物形成熔渣。处理后铁水中的ωsi可达0.10％～0.15％以下。铁水予处理脱S,可以减轻高炉炼铁和转炉炼钢的脱S负担,简化操作提高经济指标,降低高炉炉渣碱度及焦比,可避免炼钢过程炉内高氧化性对脱S的影响,提高钢材质量.当铁水含P高及冶炼极低和超低P时,采用脱P或同时脱P,S以降低铁水中的S,P含量.采用氧化法脱P,一般要求先进行脱Si处理,铁水中的Si应小于0.2%.对于含V,Nb的铁水,为回收有益元素,在T＜1400℃条件下,通过氧化法将V,Nb氧化入炉渣,然后从炉渣中提取V,Nb.182)铁水予处理的设备•鱼雷罐车•喷粉罐•喷枪•扒渣机•铁水罐193)铁水予处理生产模拟204)铁水予处理生产工艺①脱S基本反应②脱S工艺③扒渣常用铁水脱S剂:碳化钙、石灰、苏打、金属镁及其组成的复合脱S剂,基本反应:CaC2+[S]=CaS(s)+2[C]CaO(S)+[S]=CaS(s)+2[O]Na2O+[S]=Na2O(l)+[O]Mg(g)+[S]=MgS(s)广泛采用喷粉法,在混铁车中采用喷吹金属镁+石灰粉的复合脱S剂脱S,双孔喷枪插入,深度为1.0~1.5m,处理时间8~10min,脱S率75~82%.扒除予处理渣,避免回P,回S.213.转炉炼钢过程1)吹炼全程模拟222)转炉炼钢的发展历史1856年，英国人贝塞麦发明了底吹酸性空气转炉炼钢法。吹炼过程中不能去除P、S。1879年英国人托马斯又发明了碱性底吹空气转炉炼钢法，改用碱性耐火材料作炉衬，在吹炼过程中加入石灰造碱性渣，此法适合于处理高磷铁水，并可得到优质磷肥。二十世纪40年代初，制氧技术得到了迅速发展。1952年在林茨（Linz）城，1953年在多纳维茨（Donawltz）城先后建成了30t氧气顶吹转炉车间并投入生产，称为LD法。23氧气转炉炼钢技术的发展可化分为三个时期：①转炉大型化时期（1950～1970年）②转炉复合吹炼时期（1970～1990年）③转炉综合优化时期（1990年以后）以转炉大型化技术为核心，逐步完善了转炉炼钢工艺与设备。先后开发出大型化转炉设计制造技术、OG法除尘与煤气回收技术、计算机静态与副枪动态控制技术、镁碳砖综合砌炉与喷补挂渣等护炉工艺技术。由于连铸技术的迅速发展，出现了全连铸的炼钢车间。对转炉炼钢的稳定性和终点控制的准确性提出了更高的要求。为了改善转炉吹炼后期钢——渣反应远离平衡，实现平稳吹炼的目标，综合顶吹、底吹转炉的优点，研究开发出各种顶底复合吹炼工艺技术，在世界上迅速推广。围绕纯净钢生产，研究开发出铁水“三脱”预处理、高效转炉生产、全自动吹炼控制与溅渣护炉等重大新工艺技术。降低了生产成本、大幅度提高了生产效率。现代转炉炼钢采用的重大技术有：转炉大型化技术、转炉复合吹炼技术、煤气回收与负能炼钢技术、全自动转炉吹炼控制技术、溅渣护炉与转炉长寿技术。243)转炉炼钢生产工艺•装料制度•造渣制度•供气制度•温度制度•出钢•脱氧及合金化25装料制度装入量是指每炉装入的铁水和废钢的总量,一般废钢占15~30%,装入量分为三种形式:1.定量装入:整个炉役期保持每炉的金属装入量不变;2.定深装入:随容积的扩大而增加装入量,保持熔池的深度不变;3.分阶段定量装入:将整个炉役分为若干阶段,每阶段定量装入.26造渣制度造渣制度包括以下内容:1.炉渣碱度和石灰加入量:碱度指渣中碱性氧化物/酸性氧化物，一般为2.5~4.0，高[S]、[P]铁水控制在3.5~4.0,吨钢石灰消耗70~80kg2:炉渣氧化性:用∑(%FeO)表示,高利于成渣,脱P,但降低金属回收率.一般初期高,终点15%左右,[C]、[P]要求高时，控制在20~25%。3.渣中(MgO):为防止炉渣侵蚀炉衬,造渣时加入含镁材料,一般终渣(MgO)为6~8%,采用溅渣护炉则8~10%.4.造渣方法:单渣法、双渣法、双渣留渣法.渣料分批加入,开吹时加入1/2~1/3,其余分批加入.27供气制度•顶部供气•底部供气28供气制度(顶部供气)供氧操作控制以下参数:氧气流量:单位时间向熔池吹入氧气体积;供氧强度:单位时间向熔池吨钢提供氧气的体积;氧气工作压力:设定压力测定点的氧气压力(0.8~1.2MPa);枪位:喷头至静止金属熔池液面的距离(化渣枪位、基本吹炼枪位、拉碳枪位)29供气制度(底部供气)底吹类型非氧化性气体:Ar、N2氧化性气体:O2、CO2、空气底吹过程吹炼前期N2搅拌,后期N2、Ar切换;底部供气强度≯0.3Nm3/t.min30温度制度随铁水中元素氧化,金属液相线温度升高,浇注也要求过热度,升温是炼钢重要任务之一.出钢温度T的确定:T=浇注钢种液相线温度+浇注过热度+钢水镇静及炉外精炼温度降+出钢温度降31出钢出钢过程先测定[C]、[P]、[S]及T,判断是否满足出钢要求,否则补吹;采用挡渣技术与红包出钢.32脱氧及合金化脱氧吹炼终点钢水[O]=0.02~0.08%,向钢中加入一种(或几种)与氧亲和力比Fe大的元素,常用脱氧剂Fe-Si、Fe-Mn、Al、Si-Al-Ca、Si-Al-Ba等；合金化向钢水中加入合金元素使其达到成品钢成分要求334)转炉冶炼的基本原理----熔池元素氧化规律Si的变化规律Mn的变化规律C的变化规律P的变化规律S的变化规律34Si