转炉炼钢

第三章转炉炼钢第一节炼钢用原材料第二节氧气转炉炼钢第三节底吹氧气转炉炼钢法第四节顶底复合吹炼转炉炼钢法第一节炼钢用原材料原材料是炼钢的基础，原材料的质量和供应条件对炼钢生产的各项技术经济指标产生重要影响。对炼钢原料的基本要求：既要保证原料具有一定的质量和相对稳定的成分，又要因地制宜充分利用本地区的原料资源，不宜苛求。炼钢原料分为金属料，非金属料和气体。●金属料：铁水、废钢、合金钢●非金属料：造渣剂（石灰、萤石、铁矿石）、冷却剂（废钢、铁矿石、氧化铁、烧结矿、球团矿）、增碳剂和燃料（焦炭、石墨籽、煤块、重油）●氧化剂：氧气、铁矿石、氧化铁皮入炉原料结构是炼钢进程及各项指标结构产生重要影响:◆钢铁料结构，即铁水和废钢及废钢种类的合理分配；◆造渣料结构，即石灰、白云石、萤石、铁矿石等的配比制度；◆充分发挥各种炼钢原料的功能使用效果，即钢铁料和选渣料的合理利用。一、金属料1、铁水铁水是转炉炼钢的主要原材料，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；（2）带渣量；（3）温度。1）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，铁水中Si量增加0.10%，废钢的加入量可提高1.3%-1.5%。铁水含Si量高，渣量增加，有利于脱磷、脱硫。硅含量过高会使渣料和消耗增加，易引起喷溅，金属收得率降低，同时渣中过量的SiO2，也会加剧对炉衬的侵蚀，影响石灰渣化速度，延长吹炼时间。通常铁水中的硅含量为0.30%-0.60%为宜。2）锰（Mn）锰是发热元素，铁水中Mn氧化后形成的MnO能有效促进石灰溶解，加快成渣，减少助熔剂的用量和炉衬侵蚀。同时铁水含Mn高，终点钢中余锰高，从而可以减少合金化时所需的锰铁合金，有利提高钢水纯净度。转炉用铁水对锰与硅比值要求为0.8-1.0，目前使用较多的为低锰铁水，锰的含量为0.20%-0.80%。3）磷（P）磷是高发热元素，对一般钢种来说是有害元素，因此要求铁水磷含量越低越好，一般要求铁水[P]≤0.20%。4）硫（S）除了含硫易切削以外，绝大多数钢种要求去除硫这一有害元素。氧气转炉单渣操作的脱硫效率只有30%-40%。我国炼钢技术规程要求入炉铁水的硫含量不超过0.05%。对铁水带渣量的要求：高炉渣中含硫、SiO2、和Al2O3量较高，过多的高炉渣进入转炉内会导致转炉钢渣量大，石灰消耗增加，造成喷溅，降低炉衬寿命，因此，进入转炉的铁水要求带渣量不得超过0.5%。对铁水温度的要求：铁水温度是铁水含物理量多少的标志，铁水物理热得占转炉热收入的50%。应努力保证入炉铁水的温度，保证炉内热源充足和成渣迅速。我国炼钢规定入炉铁水温度应大于1250℃，并且要相对稳定。2、废钢转炉和电炉炼钢均使用废钢，氧气顶吹转炉用废钢量一般是总装入量的10%-30%。废钢分为一般废钢、轧辊、次废铁、车等。转炉炼钢对废钢的要求：1)废钢的外形尺寸和块度应保证能从炉口顺利加入转炉。废钢的长度应小于转炉口直径的1/2，废钢单重一般不应超过300kg。国标要求废钢的长度不大于1000mm，最大单件重量不大于800kg。2）废钢中不得混有铁合金严禁混入铜、锌、铅、锡等有色金属和橡胶，不得混有封闭器皿、爆炸物和易燃易爆品以及有毒物品。废钢的硫、磷含量均不大于0.050%。3）废钢应清洁干燥不得混有泥沙，水泥，耐火材料，油物等。4）不同性质的废钢分类存放非合金钢、低合金钢废钢可混放在一起，不得混有合金废钢和生铁。合金废钢要单独存放，以免造成冶炼困难，产生熔炼废品或造成贵重合金元素的浪费。3、生铁主要在电炉炼钢中使用，其主要目的在于提高炉料或钢中的碳含量，并解决废钢或重料来源不足的困难。由于生铁中含碳及杂质较高，因此电炉钢炉料中生铁配比通常为10%-25%，最高不超过30%。电炉炼钢对生铁的质量要求较高，一般S、P含量要低，Mn不能高于2.5%，Si不能高于1.2%。4、海绵铁海绵铁是用氢气或其他还原性气体还原精铁矿而得。一般是将铁矿石装入反应器中，通入氢气或CO气体或使用固体还原剂，在低于铁矿石软化点以下的温度范围内反应，不生成铁水，也没有熔渣，仅把氧化铁中的氧脱掉，从而获得多孔性的金属铁即海绵铁。海绵铁中金属铁含量较高，S、P含量较低，杂质较少。电炉炼钢直接采用海绵铁代替废钢铁料，不仅可以解决钢铁料供应不足的困难，而且可以大大缩短冶炼时间，提高电炉钢的生产率。此外，以海绵铁为炉料还可以减少钢中的非金属夹杂物及氮含量。由于海绵铁具有较强的吸水能力，因此使用前须保持干燥或以红热状态入炉。5、铁合金常用的铁合金种类：◆简单合金：Fe-Mn，Fe-Si，Fe-Cr，Fe-V，Fe-Ti，Fe-Mo，Fe-W等◆复合脱氧剂：Ca-Si合金，Al-Mn-Si合金，Mn-Si合金，Cr-Si合金，Ba-Ca-Si合金，Ba-Al-Si合金等◆纯金属：Mn、Ti（海绵Ti）、Ni、Al。1）对块要求加入钢包中的尺寸为5-50mm，加入炉中的尺寸为30-200mm。往电炉中加Al时常将其化成铝饼，用铁杆穿入插入钢液。2）烘烤温度锰铁、铬铁、硅铁应≥800℃，烘烤时间应＞2小时；钛铁、钒铁、钨铁加热近200℃，时间大于1小时。二、非金属料1、造渣剂（1）石灰碱性炼钢方法的造渣料，主要成分为CaO，由石灰石煅烧而成，是脱P、脱S不可缺少的材料，用量比较大。其质量好坏对吹炼工艺、产品质量和炉衬寿命等产生主要影响。因此，石灰CaO含量高，SiO2和S含量低，生过烧率低，活性高，块度适中，此外，石灰还应保持清洁、干燥和新鲜。对石灰的具体要求：对转炉石灰块度为20-50mm，电炉为20-60mm。%.3.0%,15.0%,3%,523232OHSOAlOFeMgO）电炉%2(%0.3%,852SiOCaO石灰的活度也称水活度是石灰反应能力的标志，也是衡量石灰质量的重要参数。常用盐酸滴定法来测量水活性，当盐酸消耗大于300ml时才属优质活性石灰。通常把在1050-1150℃温度下焙烧的石灰，具有高反应能力的体积密度小，气孔率高，比表面积大，晶粒细小的优质石灰叫活性石灰，也称软性石灰。活性石灰的水活性度大于310ml，体积密度1.7-2.0g/㎝3，气孔率高达40%，比表面积为0.5-1.3cm2/g。活性石灰能减少石灰、萤石消耗量和转炉渣量，有利于提高脱S，脱P效果，减少转炉热损失和对炉衬的侵蚀。（2）萤石萤石的主要成分是CaF2，焙烧约930℃。萤石能使CaO和阻碍石灰溶解的2CaO.SiO2外壳的熔点显著降低，生成低熔点3CaO·CaF2·2SiO2（熔点1362℃），加速石灰溶解，迅速改善炉渣动性。萤石助熔的特点是作用快，时间短。但大量使用萤石会增加喷溅，加剧炉衬侵蚀，污染环境。转炉用萤石要求:块度在5-50mm，且要干燥，清洁。近年来，萤石供应不足，各钢厂从环保角度考虑，使用多种萤石代用品，如铁锰矿石，氧化铁皮，转炉烟尘，铁矾土等。%,06.0%,10.0%,0.5%,8522PSSiOCaF（3）白云石白云石的主要成分CaCO3.MgCO3。经焙烧可成为轻烧白云石，其主要成分为CaO.MgO。转炉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，提高炉衬寿命具有明显效果。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。对生白云石的要求:。，块度为烧结mmSiOCaOMgO40~5%47%,0.2%,29%,202（4）火砖块火砖块是浇铸系统的废弃品，它的作用是改善熔渣的流动性，特别是对含MgO高的熔渣，稀释作用优于萤石。火砖块中含有约30%的Al2O3，易使熔渣起泡并具有良好的透气性。但火砖块中还含有55%—70%的SiO2，能大大降低熔渣的碱度及氧化能力，对脱磷、脱硫极为不利。因此，在电炉炼钢的氧化期应绝对禁用。在还原期要适量少用，只用在冶炼不锈钢或高硫钢时才稍用多一些。（5）合成造渣剂合成造渣剂是用石灰加入适量的氧化铁皮、萤石、氧化锰或其他氧化物等熔剂，在低温下预制成型。合成渣剂熔点低、碱度高、成分均匀、粒度小，且在高温下易碎裂，成渣速度快，因而改善了冶金效果，减轻了转炉造渣负荷。高碱度烧结矿或球团矿也可做合成造渣剂使用，其化学成分和物理性能稳定，造渣效果良好。2、增碳剂在冶炼过程中，由于配料或装料不当以及脱碳过量等原因，有时造成钢中碳含量没有达到预期的要求，这时要向钢液中增碳。常用的增碳剂有增碳生铁、电极粉、石油焦粉、木炭粉和焦炭粉。转炉冶炼中，高碳钢种时，使用含杂质很少的石油焦作为增碳剂。对顶吹转炉炼钢用增碳剂的要求是固定碳要高，灰分，挥发分和硫，磷，氮等杂质含量要低，且干燥，干净，粒度适中。其固定碳C≥96%，挥发分≤1.0%，S≤0.5%，水分≤0.5%，粒度在1-5mm。3、氧化剂氧气是转炉炼钢的主要氧化剂，其纯度达到或超过99.5%，氧气压力要稳定，并脱除水分。铁矿石中铁的氧化物存在形式是Fe2O3、Fe3O4和FeO其氧含量分别是30.06%，27.64%和22.28%。在炼钢温度下，Fe2O3不稳定，在转炉中较少使用。铁矿石作为氧化剂使用要求高（全铁56%），杂质量少，块度合适。氧化铁亦称铁磷，是钢坯加热，轧制和连铸过程中产生的氧化壳层，铁量约占70%-75%。氧化铁皮还有助于化渣和冷却作用，使用时应加热烘烤，保持干燥。思考题1、转炉和电炉炼钢用的原材料各有哪些？2、转炉炼钢对铁水成分和温度有何要求？3、什么是活性石灰，它有哪些特点？4、萤石在炼钢中起什么作用？5、什么是合成造渣剂？它有何作用？第二节氧气转炉炼钢◆按炉衬耐火材料性质—碱性转炉和酸性转炉;◆按供入氧化性气体种类—空气和氧气转炉;◆按供气部位—顶吹、底吹、侧吹及复合吹转炉;◆按热量来源—自供热和外加热燃料转炉。自贝塞麦发明酸性空气底吹转炉炼钢法起，开始了转炉大量生产钢水的历史。上世纪50年代用氧气代替空气炼钢是炼钢史上的一次重大变革，70年代出现的氧气底吹转炉和顶吹复合转炉，是氧气转炉在发展和完善通路上取得的丰硕成果。贝塞麦转炉贝塞麦肖像自供热转炉的发展演变过程由传统供热向外加燃料联合供热转炉的发展演变过程转炉炼钢功能的发展和完善一、吹炼过程元素的氧化规律1、冶炼过程概述从装料到出钢，倒渣，转炉一炉钢的冶炼过程包括装料、吹炼、脱氧出钢、溅渣护炉和倒渣几个阶段。一炉钢的吹氧时间通常为12-18min，冶炼周期为30min左右。吹炼一炉钢过程中金属、炉渣成分的变化上炉钢出完钢后，倒净炉渣，堵出钢口，兑铁水和加废钢，降枪供氧，开始吹炼。在送氧开吹的同时，加入第一批渣料，加入量相当于全炉总渣量的三分之二，开吹4-6分钟后，第一批渣料化好，再加入第二批渣料。如果炉内化渣不好，则许加入第三批萤石渣料。吹炼过程中的供氧强度：小型转炉为2.5-4.5m3/(t·min)；120t以上的转炉一般为2.8-3.6m3/(t·min)。◆开吹时氧枪枪位采用高枪位，目前是为了早化渣，多去磷，保护炉衬；◆在吹炼过程中适当降低枪位的保证炉渣不“返干”，不喷溅，快速脱碳与脱硫，熔池均匀升温为原则；◆在吹炼末期要降枪，主要目的是熔池钢水成分和温度均匀，加强熔池搅拌，稳定火焰，便于判断终点，同时使降低渣中Fe含量，减少铁损，达到溅渣的要求。◆当吹炼到所炼钢种要求的终点碳范围时，即停吹，倒炉取样，测定钢水温度，取样快速分析[C]、[S]、[P]的含量，当温度和成分符合要求时，就出钢。◆当钢水流出总量的四分之一时，向钢包中的脱氧合金化剂，进行脱氧，合金化，由此一炉钢冶炼完毕。（1）硅的氧化规律在吹炼初期，铁水中的[Si]和氧的亲和力大，而且[Si]氧化反应为放热反应，低温下有利于此反应的进行，因此，[Si]在吹炼初期就大量氧化。[Si]+O2=(SiO2)(氧气直接氧化)[Si]+2[O]=(SiO2)(熔池内反应)[Si]+(FeO)=(SiO2)+2[Fe](界面反应)2(FeO)+(SiO2)=(2FeO.SiO2)随着吹炼的进行