转炉炼钢

第三章转炉炼钢22主要内容一炼钢的基本任务二转炉炼钢原理与工艺三炼钢用原材料四氧气转炉炼钢技术经济指标333.1炼钢的基本任务四脱：C、S、P、O；二去：气体、金属夹杂物；二调整：温度、成分。浇注。44早在1856年德国人贝斯麦就发明了底吹酸性转炉炼钢法，这种方法是近代炼钢法的开端，它为人类生产了大量廉价钢，促进了欧洲的工业革命。但由于此法不能去除硫和磷，因而其发展受到了限制。1879年出现了托马斯底吹碱性转炉炼钢法，它使用带有碱性炉衬的转炉来处理高磷生铁。虽然转炉法可以大量生产钢，但它对生铁成分有着较严格的要求，而且一般不能多用废钢。随着工业的进一步发展，废钢越来越多。在酸性转炉炼钢法发明不到十年，法国人马丁利用蓄热原理。3.1.2现代炼钢方法及其发展趋势55在1864年创立了平炉炼钢法.1888年出现了碱性平炉。平炉炼钢法对原料的要求不那么严格，容量大，生产的品种多，所以不到20年它就成为世界上主要的炼钢方法，直到20世纪50年代，在世界钢产量中，约85%是平炉炼出来的。1952年在奥地利出现纯氧顶吹转炉，它解决了钢中氮和其他有害杂质的含量问题，使质量接近平炉钢，同时减少了随废气（当用普通空气吹炼时，空气含79%无用的氮）损失的热量，可以吹炼温度较低的平炉生铁，因而节省了高炉的焦炭耗量，且能使用更多的废钢。由于转炉炼钢速度快（炼一炉钢约10min，而平炉则需7h），负能炼钢，节约能源，故转炉炼钢成为当代炼钢的主流。66随着用户对钢材性能和质量的要求越来越高，钢材的应用范围越来越广，同时钢铁生产企业也对提高产品产量和质量，扩大品种，节约能源和降低成本越来越重视。在这种情况下，转炉生产工艺流程发生了很大变化。铁水预处理、复吹转炉、炉外精炼、连铸技术的发展，打破了传统的转炉炼钢模式。已由单纯用转炉冶炼发展为铁水预处理——复吹转炉吹炼——炉外精炼——连铸这一新的工艺流程。这一流程以设备大型化、现代化和连续化为特点。氧气转炉已由原来的主导地位变为新流程的一个环节，主要承担钢水脱碳和升温的任务了。773.2炼钢过程的基本原理3.2.1炼钢熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式3.2.2炼钢熔池中元素的氧化次序3.2.3脱碳反应3.2.4硅的氧化3.2.5锰的氧化与还原3.2.6脱磷反应3.2.7脱硫反应3.2.8钢的脱氧3.2.9脱气3.2.10去除钢中夹杂物883.2.1炼钢熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式氧的来源：直接向熔池中吹入工业纯氧（98％）；向熔池中加入富铁矿；炉气中的氧传入熔池。铁液中元素的氧化方式有两种：直接氧化和间接氧化。99直接氧化方式直接氧化是指氧气直接与铁液中的元素产生氧化反应。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],虽有大量的铁原子存在，但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｛O｝=｛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。1010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］如：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。间接氧化方式11113.2.2炼钢熔池中元素的氧化次序溶解在铁液中的元素的氧化次序可以通过与1molO2的氧化反应的标准吉布斯自由能变化来判断。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，则该元素就优先被大量氧化。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绘制成图。12123.2.3脱碳反应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。在高温下[C]主要氧化成为CO。[C]与氧的反应有：在渣-金界面上：［C］+（FeO）=｛CO｝+Fe［C］+［O］=｛CO｝在气-金界面上：［C］+1／2｛O2｝=｛CO｝1313脱碳反应的作用脱碳反应除了调整钢液碳含量的作用外，其反应产物CO气体的上浮排除使得脱碳反应给炼钢带来独特的作用。促进熔池成分﹑温度均匀；提高化学反应速度；降低钢液中的气体含量和夹杂物数量：造成喷溅和溢出：14143.2.4硅的氧化硅的直接氧化和间接氧化反应式在气-金界面上［Si］+O2=（SiO2）在渣-金界面上［Si］+2［O］=（SiO2）［Si］+2（FeO）=（SiO2）+2Fe15153.2.5锰的氧化与还原铁液中的锰反应,形成在高温下是稳定的MnO。[Mn]的氧化反应式为：在气-金界面上［Mn］+1/2O2=（MnO）在渣-金界面上［Mn］+［O］=（MnO）［Mn］+（FeO）=（MnO）+Fe16163.2.6脱磷反应氧化脱磷：在炼钢温度下，气化脱磷反应是不能进行的。由于Fe优先于[P]氧化，通过直接氧化反应的气化脱磷也是难以进行的。通过加入石灰造碱性渣可以将铁液中的磷脱出到炉渣中。这是由于P2O5时是酸性氧化物，遇到碱性氧化物如CaO能生成稳定的化合物而进入炉渣。1717用碱性炉渣进行脱磷的反应为：在渣-金界面3(CaO)+2[P]+5[O]=(3CaO·P2O5)3(CaO)+2[P]+5(FeO)=(3CaO·P2O5)+5Fe在渣-金-气界面3(CaO)+2[P]+5/2O2=(3CaO·P2O5)脱磷反应式18183.2.7脱硫反应反应热力学炉渣分子理论认为，脱硫反应为：［S］+（CaO）=（CaS）+［O］分子理论解释不了纯FeO渣也能脱硫的现象，故炉渣离子理论认为，脱硫反应属于电化学反应：［S］+（O2-）=（S2-）+［O］1919炉渣脱硫原理2020气化脱硫气化脱硫主要通过炉渣中硫的气化来实现，即：(S2-)+3/2{O2}={SO2}+(O2-)或写为：6(Fe3+)+(S2-)+2(O2-)=6(Fe2+)+{SO2}6(Fe2+)+3/2O2=6(Fe3+)+3(O2-)两个反应式表明，渣中的铁离子充当气化脱硫所需氧的媒介。需要明确的是，气化脱硫是以炉渣脱硫为基础的，首先硫从金属液被脱除到炉渣中，然后炉渣中的硫再被气化脱除进入炉气中。在转炉炼钢中，有约三分之一的硫是以气化脱硫的方式去除的。21213.3.8钢的脱氧脱氧是向炼钢熔池或钢水中加入脱氧剂，脱氧元素与氧反应，生成的脱氧产物或进入渣中或成为气相排出。脱氧剂应具有脱氧元素与氧的亲和力大、脱氧产物易排除、成本低和来源广等的特点。根据脱氧反应发生的地点不同，脱氧方法分为沉淀脱氧﹑扩散脱氧和真空脱氧。钢种轿车面板不锈钢板轴承钢管线钢轮胎钢丝[O]/％0.0030.0040.00050.0020.0032222沉淀脱氧又叫直接脱氧。把块状脱氧剂加入到钢液中，脱氧元素在钢液内部与钢中氧直接反应，生成的脱氧产物上浮进入渣中的脱氧方法称为沉淀脱氧。出钢时向钢包中加入硅铁﹑锰铁﹑铝铁或铝块脱氧就是沉淀脱氧。2323扩散脱氧又叫间接脱氧。它是将粉状的脱氧剂如C粉﹑Fe-Si粉﹑CaSi粉﹑Al粉加到炉渣中，降低炉渣中的氧含量，使钢液中的氧向炉渣中扩散，从而达到降低钢液中氧含量的一种脱氧方法。在电炉炼钢的还原期和炉外精炼过程向渣中加入粉状脱氧剂进行脱氧操作就是扩散脱氧。2424是利用降低系统的压力来降低钢液中氧含量的脱氧方法。它只适用于脱氧产物为气体的脱氧反应如[C]-[O]反应。这种脱氧方法常用于炉外精炼中，如RH真空处理﹑VAD﹑VD等精炼方法都可实现钢液的真空脱氧。真空脱氧252020/3/20/13:52:37253.2.9脱气钢中气体（H、N）的来源：金属料如废钢和铁合金中含有的一定量的氢和氮。潮湿的造渣剂，加入炉内后分解，也使钢中气体增加。耐火材料用粘结剂含有8%～9%的氢。暴露在空气中的钢液，会从空气中吸收氢和氮。如果炼钢采用的氧气不纯，也能造成钢的增氮。气体的溶解反应为：½{H2}=[H]½{N2}=[N]2626降低钢中气体的措施提高炼钢原材料质量。如使用含气体量低的废钢和铁合金；对含水分的原材料进行烘烤干燥，采用高纯度的氧气等。尽量降低出钢温度，减小气体在钢中的溶解度。在冶炼过程，应充分利用脱碳反应产生的溶池沸腾来降低钢水中的气体含量。用炉外精炼技术，降低钢水中的气体含量。如采用钢包吹氩搅拌，真空精炼脱气，微气泡脱气等方法对钢水进行脱气处理。采用保护浇注技术，防止钢水从大气中吸收气体。27273.2.10去除钢中夹杂物钢中夹杂物的来源钢中存在着硫﹑磷﹑氧﹑氮等杂质元素，这些元素与钢中的合金元素如硅﹑锰﹑铝﹑钛﹑钒等形成非金属化合物，如氧化物﹑硫化物﹑氮化物等。钢中的这些非金属化合物，统称为非金属夹杂物，也称为内生夹杂。在炼钢过程中，钢水与炉渣和炉衬接触，炉渣炉衬中的化合物被卷入到钢水中，也会造成非金属夹杂物，也称为外来夹杂。2828钢中夹杂物的分类按夹杂物的化学成分分：氧化物夹杂；硫化物夹杂；氮化物夹杂。按加工变形后夹杂物的形态分：塑性夹杂；脆性夹杂；半塑性夹杂。按夹杂物的来源分：内生夹杂和外来夹杂。2929降低钢中夹杂物的措施在冶炼中采取各种手段降低钢中杂质元素[O]﹑[S]﹑[N]﹑[P]等的含量，提高钢的洁净度，从根本上减少内生夹杂物。提高耐火材料质量，提高其抗冲击和耐侵蚀的能力，减少外来夹杂物数量。采用合理的脱氧制度，使脱氧产物易于聚集上浮，从钢液中排除。应用钢包冶金如真空脱氧﹑吹Ar搅拌﹑喷粉处理等和中间包冶金如采用堰、坝﹑导流板﹑过滤器﹑湍流控制器等控流装置，去除钢水中的夹杂物。采取保护浇注技术，防止钢水从周围大气环境中吸收氧﹑氢﹑氮。30303.2.11炼钢炉渣的来源及其组成炼钢炉渣的来源：加入的各种造渣材料及被侵蚀炉衬；炼钢中化学反应的产物：氧化物和硫化物；废钢带入得泥沙和铁锈；氧化物或冷却剂带入的脉石。炉渣的组成以各种金属氧化物为主，并含有少量硫化物和氟化物。炼钢炉渣的基本体系是CaO-SiO2-FeO。31313.2.12炼钢炉渣的主要性质碱度(basicity)：R＝1.3～1.5，低碱度渣；R＝1.8～2.0，中碱度渣；R≥2.5，高碱度渣；氧化性——炉渣向金属熔池传氧的能力，一般以渣中氧化铁（％∑FeO）含量来表示。把Fe2O3折合成FeO有两种计算方法：全氧法和全铁法。全铁法较合理。炉渣的氧化能力是个综合的概念，其传氧能力还受炉渣粘度、熔池搅拌强度、供氧速度等因素的影响。32323.2.1炼钢炉渣的作用作用：通过对炉渣成分、性能及数量的调整，可以控制金属中各元素的氧化和还原过程；向钢中输送氧以氧化各种杂质；吸收钢液中的非金属夹杂物，并防止钢液吸气（H、N）。其它作用。如：稳定电弧，保护渣。副作用：侵蚀炉衬；降低金属收得率。33333.3炼钢用原材料3.3.1金属料铁水；废钢；铁合金；3.3.2辅助材料造渣材料；氧化剂；冷却剂；还原剂和增碳剂。34343.3.1.1铁水（或生铁块）铁水是氧气转炉炼钢的基本原料，一般占金属料的70～100％；电炉只用生铁块作配碳用。铁水成分和铁水温度是否适当和稳定，对简化和稳定转炉操作并获得良好的技术经济指标非常重要。3535铁水成分Si：发热元素，转炉热量来源。根据[P]，[Si]一般在0.4～0.8％范围内Mn：有利元素。[Mn]一般在0.2～0.4％左右P：有害元素，强发热元素。P是高炉不能去除的元素，故只能要求[P]稳定，采用铁水预处理脱磷或相应的炼钢方法来去除。S：有害元素。[S]0.04％。采用铁水预处理脱硫，[S]0.015％。3636铁水温度