89转炉炼钢工艺

转炉炼钢工艺1概述1.1炼钢的基本任务高炉冶炼出来的铁水，因其含碳量高，杂质元素磷、硫高，使得生铁硬度高，耐磨，但无塑性，易脆断，不能加工成型，机械性能不好。磷是使钢产生冷脆的元素，造成钢材在低温下使用易产生脆裂；硫是使钢产生热脆的元素，造成钢在高温下加工时变脆。另外，钢中的磷、硫对钢的表面质量、裂纹、延展性、拉伸强度、抗腐蚀性等都有不利的影响。因此，生铁的应用范围受到限制。通过采用转炉炼钢方法，将铁水中的过多的碳去除，尽最大可能减少磷、硫等有害杂质的含量，使其转变为性能优良、用途广泛的钢材。通常是向铁水中提供氧将碳氧化成一氧化碳，同时加入石灰造碱性渣，去除磷、硫。到冶炼结束，钢液中不可避免地含有一定的氧，为了提高钢的洁净度，需加入脱氧剂将氧去除。同时，为了使钢具有某些特性如提高强度、抗腐蚀性等，在钢液中加入一些合金元素进行合金化。综上所述，炼钢的基本任务有：1.1炼钢的基本任务脱碳：把铁水中的碳氧化脱除到所炼钢种的范围内。脱磷脱硫：通过造出成分合适的炉渣，去除铁水中的磷、硫。脱氧和合金化：加入脱氧剂和铁合金，降低钢液中的氧和使钢液达到钢种要求的合金成分。脱气（氢、氮）和脱夹杂物：把溶解在钢液中的气体和来不及上浮排除的非金属夹杂物，通过一定的方法去除。升温：把冶炼过程的金属液温度升高至出钢温度。浇注：将成分和温度合格的钢水浇注成坯。炼钢方法的历史发展过程钢的时代是英国工程师贝塞麦(Bessemer)开创的，因他对炼钢工业的卓越贡献而被称为“炼钢工艺之父（FatherofSteelmakingIndustry）”。在Bessemer之前，炼钢是在半固态下以手工方式进行的。1952年，在奥地利的林茨（Linz）和多纳维芝（Donwite）两地相继建成了用水冷却的氧枪从30t转炉顶部插入炉内吹入纯氧的炼钢方法，命名为LD法，即氧气顶吹转炉炼钢法，炼钢方法的历史发展过程这种炼钢方法标志着世界炼钢技术的一次巨大变革，它具有反应速度快，冶炼周期短，热效率高，钢中氮、氢含量小等优点，且能用部分废钢作原料。随着氧气顶吹转炉的不断完善和大型化，转炉炼钢逐渐取代平炉炼钢而成为主要的炼钢方法，1967年，世界转炉钢产量超过平炉钢产量。20世纪60年代，顶吹转炉向大型化方向发展，相继出现200t～300t的转炉。转炉的大型化造成仅靠顶枪的氧气射流冲击金属熔池，显得搅拌能力不足，反应的动力学条件不好。而底吹转炉的突出优点是底吹气体具有很大的搅拌能力。因此，使人们产生了将底吹气体引入到大型顶吹转炉中去的想法，这样既能保持顶吹转炉原有的优点，同时还能吸收底吹转炉的优点，以弥补大型顶吹转炉的不足。1978年，由法国钢铁研究院与卢森堡阿尔贝德公司合作，在180t顶吹转炉上底吹惰性气体试验成功，开创了顶底复吹转炉炼钢的新方法。此后，顶底复吹转炉炼钢技术在世界范围内得到迅速发展。炼钢方法的历史发展过程炼钢方法的历史发展过程目前，钢铁生产流程是高炉-转炉流程（所谓长流程）和电炉流程（所谓短流程）并存和共同发展。高炉—转炉流程属于从自然界的铁矿石资源中得到钢的提取流程，而电炉流程则是资源再生利用流程。随着人类社会的继续发展，再生流程的比例将会逐渐提高。2炼钢的基本原理2.1铁液中元素的氧化2.1.1元素的氧化次序溶解在铁液中的元素的氧化次序可以通过它与1molO2的反应的标准吉布斯自由能变化来判断。图2-1为铁液中常规元素与氧反应的标准吉布斯自由能变化与温度的关系。在标准状态下，反应的ΔGº负值越多该元素被氧化的趋势就越大，则该元素优先被氧化。从图2-1可得出以下看法：图2-1铁液中常规元素与氧反应的标准吉布斯自由能变化与温度的关系(1)4[Cu]+O2=2Cu2O(s)(2)2[Ni]+O2=2NiO(s)(3)4/5[P]+O2=2/5P2O5(s)(4)2/3[Mo]+O2=2/3MoO3(s)(5)2/3[W]+O2=2/3WO3(s)(6)4/3[V]+O2=2/3V2O3(s)(7)2[Fe]+O2=2FeO(s)(8)2[Mn]+O2=2MnO(s)(9)[Si]+O2=SiO2(s)(10)[Nb]+O2=1/2Nb2O4(s)(11)[Ti]+O2=TiO2(s)(12)4/3[B]+O2=2/3B2O3(s)(13)2[C]+O2=2CO(14)4/3[Al]+O2=2/3Al2O3(s)2.1.1元素的氧化次序Cu、Ni、Mo、W等元素氧化的ΔGº线都在Fe氧化的ΔGº线之上。在炼钢吹氧过程中这些元素将受到Fe的保护而不氧化。Cr、Mn、V、Nb等元素的氧化程度随冶炼温度而定。因为这些元素的氧化ΔGº线与C氧化生成CO的ΔGº线存在着相交点，所以，当温度低于相交点时，元素优先于C氧化;而超过该点温度时C优先氧化。在标准状态下，氧化转化温度可以根据两个元素的氧化反应标准吉布斯自由能变化计算求出。以铁液中[Cr]、[C]为例，已知：2[C]+O2=2CO(g)ΔGºco=-278600-85.02TJ/mol4/3[Cr]+O2=2/3(Cr2O3)ΔGºCr2O3=-779570+233.37TJ/mol由ΔGºCr2O3=ΔGºco得在标准状态时，[Cr]﹑[C]氧化转化温度为:T=(779570-278600)/(233.37+85.02)=1300ºC若体系的温度小于1300ºC，有氧存在时，氧优先与[Cr]反应；当温度超过1300ºC，则C优先氧化。Al、Ti、Si、B等元素氧化的ΔGº线处在图中位于较低位置，它们最易氧化。在实际生产中，这些元素可作为强脱氧剂使用。2.1.1元素的氧化次序元素氧化次序的规律关系到元素在冶炼过程中的行为和对这些元素的冶炼操作。废钢中若含有Cu、Ni，在整个炼钢过程中，他们不能被氧化而始终留在钢水中。在冶炼合金钢时，Ni可以和废钢一起在装料期装入炉内。同样钨铁﹑钼铁也可在装料时加入炉内，钒铁、铬铁可在冶炼后期炉温升高后加入，而硼铁﹑钛铁则必须在脱氧后加入钢水中以减少氧化损失。这里需要强调的是，虽然在炼钢温度下，Fe氧化的ΔGº线高于其它元素氧化的ΔGº线，但由于铁液中大多数为Fe原子，氧与Fe原子接触机会多，故在实际上Fe还是会氧化。这是由于动力学条件造成的。但是，生成的铁的氧化物又会将其它与氧的亲和力更强的元素氧化。2.1.2元素的氧化方式炼钢时铁液中过多的碳和杂质元素磷一般采用氧化方法将它们去除，加入的氧化剂主要是氧气。杂质元素与氧的反应有两种方式：直接氧化和间接氧化。下面以吹入氧气为例说明这两种氧化方式。1直接氧化直接氧化是指氧气直接与铁液中的元素发生氧化反应。当向铁液中吹入氧气时，如果在铁液与气相界面有被溶解的元素如[Si]、[Mn]、[C]，根据元素的氧化次序[Si]、[Mn]、[C]将优先于铁而被氧化。反应可写为：[C]+1/2{O2}={CO}[Si]+{O2}=(SiO2)[Mn]+1/2{O2}=(MnO)在氧气转炉炼钢时氧气流股冲击铁液形成一个冲击坑，氧气与铁液直接接触，易产生元素的直接氧化。2.1.2元素的氧化方式2间接氧化吹入的氧气由于动力学的原因首先与铁液中的Fe原子反应形成FeO进入炉渣同时使铁液中溶解氧[O]。炉渣中的（FeO）和溶解在铁液中的[O]再与元素发生间接氧化。其反应为：{O2}+Fe=（FeO）（FeO）=Fe+[O]2[O]+[Si]=（SiO2）或2（FeO）+[Si]=2Fe+（SiO2）在渣-金界面上往往产生元素的间接氧化反应。2.1.2元素的氧化方式硅氧化[Si]的直接氧化和间接氧化反应式为：在气-金界面上[Si]+{O2}=（SiO2）在渣-金界面上[Si]+2[O]=（SiO2）[Si]+2（FeO）=（SiO2）+2Fe硅氧化[Si]氧化的热力学条件1温度[Si]的氧化反应为强放热反应，温度升高，反应的平衡常数KSi降低，不利于[Si]的氧化。因此，低温下[Si]容易氧化。2炉渣碱度[Si]氧化生成酸性很强的氧化物SiO2，在碱性渣中SiO2可以与炉渣中的CaO形成稳定的硅酸钙：(SiO2)+2(CaO)=(2CaO·SiO2)或(SiO2)+3(CaO)=(3CaO·SiO2)降低了渣中SiO2的活度系数γSiO2，使[Si]进一步氧化而减小。因此，炉渣碱度高，有利于[Si]的氧化。在实际碱性法转炉吹炼过程中，由于加入石灰造高碱度炉渣，铁液中的硅氧化很彻底。即使温度升高，氧化性降低也不会发生[Si]的还原。硅氧化[Si]氧化的热力学条件3炉渣的氧化性炉渣氧化性可利用炉渣中总氧化铁的活度表示。炉渣的氧化性强，则炉渣中氧化铁的活度高，金属液中[Si]量降低。所以，强的氧化性炉渣或体系中的氧化性高有利于硅的氧化。转炉炼钢中炉内的强氧化性使得[Si]很快氧化。4[Si]的活度系数ƒSi铁液中硅的活度系数大时，有利于[Si]的氧化。凡是能提高[Si]的活度系数的因素如铁水中的[C]、[P]、[S]的存在均有利于[Si]的氧化。硅氧化硅氧化对炼钢的影响[Si]氧化产生大量的化学热，是转炉炼钢的主要热量来源之一，它可使吹炼初期熔池温度能够较快升高，有利于转炉废钢加入量增加和初期渣熔化成渣。[Si]氧化反应产物SiO2是酸性很强的氧化物，它影响到炼钢的炉渣碱度和石灰加入量。炉渣中的SiO2易侵蚀碱性炉衬，降低炼钢炉的炉龄。锰氧化与还原铁液中的锰在高温下反应形成稳定的MnO。[Mn]的氧化反应式为：在气-金界面上[Mn]+1/2{O2}=（MnO）在渣-金界面上[Mn]+[O]=（MnO）[Mn]+（FeO）=（MnO）+Fe[Mn]氧化还原热力学条件1温度[Mn]的氧化也是放热反应，但反应热不如[Si]氧化反应的大。低温下有利于[Mn]的氧化，温度高时，[Mn]氧化反应的平衡常数KMn减小，不利于[Mn]的氧化。2炉渣碱度[Mn]氧化形成的产物MnO为碱性氧化物，在低碱度的酸性渣中，MnO与SiO2形成硅酸锰:（MnO）+（SiO2）=（MnO·SiO2）降低了MnO的活度aMnO。因此，在酸性渣中，[Mn]氧化得比较彻底，不易发生锰的还原。但是在碱度高的炉渣中，MnO的活度大。所以[Mn]的氧化不如在酸性渣下彻底，并且当热力学条件变化时，炉渣中的锰将发生还原。如转炉吹炼中期温度升高，炉渣氧化性减弱，炉渣碱度提高，（MnO）将被[C]还原，使金属液中的锰含量上升，称为回锰。[Mn]氧化还原热力学条件3炉渣氧化性[Mn]的氧化需要提供氧，故炉渣氧化性强，有利于[Mn]的氧化。综上所述，在炼钢中，有利于[Mn]氧化反应的热力学条件是低温，低碱度和高氧化性。[Mn]氧化还原对炼钢的影响[Mn]氧化产生化学热，是转炉炼钢的热源之一。[Mn]氧化产物MnO为碱性氧化物，在冶炼初期MnO与CaO﹑SiO2﹑FeO等形成多元系炉渣，MnO具有降低炉渣熔化性温度，帮助化渣的作用。在碱性法炼钢中，MnO的还原有利于提高钢水中的残余锰量，钢中锰可提高钢的品质，降低钢的脆性，对钢有强化作用。脱碳炼钢的一个重要任务是利用氧化方法将铁液中过多的碳去除，称为脱碳。脱碳反应是贯穿于冶炼过程的一个重要反应。在高温下[C]主要氧化成为CO。[C]与氧的反应有：在气-金界面上[C]+1/2{O2}={CO}ΔGº=-139300-42.51TJ/mol(2-22)在渣-金界面上：[C]+(FeO)={CO}+FeΔGº=98600-92.10TJ/mol(2-23)[C]+[O]={CO}ΔGº=-22400-39.70TJ/mol(2-24)从式（2-23）可得铁液中碳的浓度与有关热力学因素的关系式：[wC/%]=(pCO/pº)/γFeOxFeOƒCKC(2-25)式中，p°为标准态压力，p°=100kPa。[C]氧化热力学条件1温度[C]的直接氧化反应（2-22）是放热反应，而[C]的间接氧化反应（2-23）是吸热反应