转炉炼钢工艺(复吹技术)

氧气转炉炼钢技术龚伟东北大学钢铁冶金研究所2006年9月氧气转炉炼钢炼钢的基本任务一、钢与生铁的区别C2.11%的Fe-C合金为钢；C1.2%的钢很少实用；还含Si、Mn等合金元素及杂质。元素生铁或铸铁钢C2.5％～4.5％0.002％～1.2％Si0.3％～4.0％0.01％～3.0％Mn0.4％～2.0％0.3％～2.0％P0.015％～0.5％0.01％～0.05％S0.01％～0.1％0.0005％～0.04％1)脱碳；2)脱磷；3)脱硫。炼钢任务：伴随脱碳反应，钢的熔点提高。炼钢任务：4)升温1200℃1700℃伴随脱碳反应，钢液[O]含量增加。C(石墨)+1/2O2=COG＝－116204－83.62T[1]C(石墨)=[C]G＝21318－41.8T[2]1/2O2=[O]G＝－117040－2.88T[2][C]+[O]=COG＝－20482－38.94T[1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley196300.10.20.30.40.50.600.20.40.60.81[C]，wt%[O]，wt%1650℃炼钢任务：5)脱氧0.3%0.0003%炼钢任务：6)合金化伴随脱碳反应，钢液[Si]和部分[Mn]被氧化。C：控制钢材强度、硬度的重要元素，每1％[C]可增加抗拉强度约980MPa。Si：也是增大强度、硬度的元素，每1％[Si]可增加抗拉强度约98MPa。Mn：增加淬透性，提高韧性，降低S的危害等。Al：细化钢材组织，控制冷轧钢板退火织构。Nb：细化钢材组织，增加强度、韧性等。V：细化钢材组织，增加强度、韧性等。Cr：增加强度、硬度、耐腐蚀性能。炼钢任务：7)去除[N]、[H]等气体杂质元素陈家祥，炼钢常用图表数据手册，冶金工业出版社，1984炼钢任务：8)去除非金属夹杂物氧化物系非金属夹杂物脱氧产物二次氧化生成物外来性夹杂物渣卷入耐火材料融损及卷入炉渣造成的氧化空气造成的氧化炉衬造成的氧化钢水包衬中间包衬炉渣中间包覆盖渣结晶器保护渣钢中非金属夹杂物来源炼钢任务：9)凝固成型炼钢的基本任务：1、脱碳；2、脱磷；3、脱硫；4、脱氧；5、脱氮、氢等；6、去除非金属夹杂物；7、合金化；8、升温；9、凝固成型。炼钢的基本反应第一节、铁的氧化和熔池传氧方式1、氧流对金属熔池的作用顶吹氧枪O2出口速度通常可达300～350m/s；氧流与熔池作用，将动量传递给金属液；金属熔池产生循环运动。作用区温度2200～2700℃；光亮较强的中心(区域I)；光亮较弱的外围(区域II)。氧流穿入熔池某一深度并构成火焰状作用区(火点区)氧气炼钢中还存在乳化和泡沫现象在氧流强冲击和熔池沸腾作用下，部分金属微小液滴弥散在熔渣中；乳化的程度与熔渣粘度、表面张力等性质有关；乳化可以极大地增加渣－铁间接触面积，因而可以加快渣－铁间反应。乳化造成的渣－铁间接触面积可达0.6～1.5m2/kg。熔池在氧流作用下形成的强烈运动和高度弥散的气体－熔渣－金属乳化相，是吹氧炼钢的特点。1－氧枪2－乳化相3－CO气泡4－金属熔池5－火点6－金属液滴7－作用区释放出的CO气泡8－溅出的金属液滴9－烟尘2、铁的氧化和还原向熔池吹氧时第二步，吸附的氧溶解于铁液中：t[Fe]＋[O]＝FetO第一步，气体氧分子分解并吸附在铁的表面：1/2{O2}＝[O]吸附由于氧势高，Fe与[O]反应，生成铁氧化物。[O]吸附＝[O]炼钢条件下铁氧化物稳定性比较Fe＋[O]＝FeOG＝－112442＋46.56T[1,2]2/3Fe+[O]=1/3Fe2O3G＝－152988＋87.94T[1,2]3/4Fe+[O]=Fe3O4G＝－177232＋92.96T[1,2]Fe3O4可以看作为FeOFe2O3；FeO最稳定；Fe2O3/FeO平均为0.8。炉渣的氧化作用炉渣中FeO与氧化性气氛接触，被氧化成高价氧化物Fe2O3；渣－铁界面，高价Fe2O3被还原成低价FeO；气相中的氧因此被传递给金属熔池。当传氧过程达到平衡时，铁液中[O]达到饱和，[O]饱和含量由炉渣的氧化性所确定。2.431T5870[O]alogFeOFe＋[O]＝FeOG＝－112442＋46.56T[1,2]1650℃下钢液中最高[O]含量0.62132.431T5870log[%O]饱和aFeO＝1，＝0.239%[%O]饱和温度1500℃1550℃1600℃1700℃[%O]饱和0.13%0.16%0.20%0.29%2.431T5870[O]alogFeO杂质的氧化方式－直接氧化和间接氧化间接氧化：气体氧直接同铁液中的杂质进行反应。直接氧化：气体氧优先同铁发生反应，待生成FetO以后再同其它杂质进行反应。直接氧化在氧流－金属表面处进行：氧流同熔池作用区的表面；悬浮于作用区的金属液滴的表面；作用区周围的氧气泡的表面上；凡是氧气能直接同金属液接触的表面。{O2}＋2[Fe]＝2(FeO){O2}＋2[Mn]＝2(MnO){O2}＋[Si]＝(SiO2)5{O2}＋4[P]＝2(P2O5){O2}＋2[C]＝2{CO}{O2}＋[C]＝{CO2}间接氧化方式－在氧气泡直接同铁液接触的表面上，氧首先同铁结合，然后FeO扩散到熔池内部并溶于金属液中。(FeO)＝[O]＋[Fe]C、Si、Mn、P等同[O]反应[O]＋[Mn]＝(MnO)2[O]＋[Si]＝(SiO2)5[O]＋2[P]＝(P2O5)[O]＋[C]＝{CO}2[O]＋[C]＝{CO2}(FeO)＋[Mn]＝(MnO)＋(Fe)2(FeO)＋[Si]＝(SiO2)＋2(Fe)5(FeO)＋2[P]＝(P2O5)＋5(Fe)(FeO)＋[C]＝{CO}＋(Fe)2(FeO)＋[C]＝{CO2}＋2(Fe)也可以表示为：多数意见认为氧气转炉炼钢以间接氧化为主氧流是集中于作用区附近而不是高度分散在熔池中；氧流直接作用区附近温度高，Si和Mn对氧的亲和力减弱从反应动力学角度来看，C向氧气泡表面传质的速度比反应速度慢，在氧气同熔池接触的表面上大量存在的是铁原子，所以首先应当同Fe结合成FeO。脱碳反应铁液中碳的饱和溶解度：[%C]＝1.30＋2.57×10-3×(T－273)Si、P、S降低碳的溶解度；Mn、V、Cr增加碳溶解度；碳增加钢材强度、硬度；碳降低钢材焊接、耐腐蚀、冷加工性能。脱碳反应是贯穿于炼钢过程始终的一个主要反应。反应热升温钢水；影响生产率；影响炉渣氧化性；影响钢中[O]含量。脱碳反应的产物－CO在炼钢过程中也具有多方面的作用。从熔池排出CO气体产生沸腾现象，使熔池受到激烈地搅动，起到均匀熔池成分和温度的作用；大量的CO气体通过渣层是产生泡沫渣和气一渣一金属三相乳化的重要原因；上浮的CO气体有利于清除钢中气体和夹杂物；在氧气转炉中，排出CO气体的不均匀性和由它造成的熔池上涨往往是产生喷溅的主要原因。一、脱碳反应的热力学条件{O2}＋2[C]＝2{CO}{O2}＋[C]＝{CO2}G＝－416328＋41.8T[1,2]直接氧化：G＝－275044－83.64T[1,2]间接氧化：2[O]＋2[C]＝2{CO}2[O]＋[C]＝{CO2}G＝－182248＋47.56T[1,2]G＝－40964－77.88T[1,2][C]的氧化产物绝大多数是CO而不是CO2。[C]含量高时，CO2也是脱碳反应的氧化剂:[C]＋{CO2}＝2{CO}与Fe-O-C熔体平衡气相中CO2，％PCO+CO2＝1atm温度[%C]1500℃1550℃1600℃1650℃1700℃0.0120.116.713.811.59.50.055.64.33.32.72.10.102.82.21.71.31.10.50.440.340.260.210.161.000.160.120.0340.070.06[C]含量愈高，CO愈稳定；温度愈高，CO愈稳定。[C][O]乘积：[C]+[O]={CO}G＝－20482－38.94T[1,2]036.21070][][loglogTOCPKCO取PCO＝1atm,036.2107010][][TOC[1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley1963温度[C][O]1500K0.0017811600K0.0019741700K0.0021611800K0.0023421900K0.0025172000K0.00268500.10.20.30.40.50.600.20.40.60.81[C]，wt%[O]，wt%1650℃实际炼钢过程熔池[O]高于理论[O]含量实际熔池的[O]含量与碳－氧化学平衡的[O]含量之差称为过剩氧[O]:[O]＝[O]实际－[O]平衡脱碳速度快，[O]低；熔池搅拌强，[O]低；底吹、顶底复吹转炉炼钢[O]低。过剩氧[O]的大小与脱碳反应动力学有关[C]+[O]={CO}G＝－20482－38.94T[1,2]036.21070][][loglogTOCPKCO036.2107010][][TCOPOC气相压力对脱碳反应的影响脱碳反应的热力学条件1)增大fC有利于脱碳；2)增加[O]有利于脱碳；3)降低气相PCO有利于脱碳；4)提高温度有利于脱碳。脱碳反应的热效应1/2{O2}＝[O](1)[C]＋[O]＝{CO}(2)[C]+{O2}＝{CO2}(4)H＝－34830kJ/kg[C][C]+1/2{O2}＝{CO}(3)H＝－11637kJ/kg[C]二、脱碳反应的动力学条件1．脱碳反应的环节1)反应物[C]和[O]向反应区扩散;2)[C]和[O]进行化学反应;3)反应界面气泡生成；4)反应产物CO或CO2离开反应区域。碳的氧化反应是一个复杂的多相反应，包括扩散、化学反应和气泡生成等几个环节。BTRElogk2、化学反应是否为脱碳反应的限制性环节？如化学反应表观活化能E1050kJ/mol，则化学反应是控制环节；如活化能E420kJ/mol，则过程受扩散控制；如活化能E在420～1050kJ/mol之间时，过程处于扩散与化学动力学混合控制领域。碳氧化反应的表观活化能波动在60～150kJ/mol之间，远比上述活化能数值低得多。高温下碳氧化反应非常迅速，不是碳氧化反应的控制环节。nCkr3、反应界面气泡的生成是否为脱碳反应限制性环节？在钢液中没有现成的气液相界面时，产生新的界面需要非常大的能量。新生成的气泡越小，需要的能量越大。取钢液表面张力m-g为1.5Nm-1，新生成的CO气泡核心半径为10-6m，则该气泡核心所受的毛细管压力为：MPa.rPggmCO31051229实际上CO气泡核心所受到的压力还包括钢液、炉渣和炉气的静压力。ggmSSmmgCOrhhPP2在钢液内生成一个很小的CO气泡核心，需要克服数十个大气压的压力，因而实际上不可能生成。只有在钢液中有已经存在的气液界面时，才能减少生成气泡的压力，使碳氧反应顺利进行。1)氧气炼钢过程大量气泡弥散存在于金属熔池内，CO气泡生成很顺利。2)在炉底和炉壁的耐火材料表面上存在的凹坑处，能生成CO气泡萌芽。在粗糙的耐火材料表面，总是有不少微小的细缝和凹坑，当缝隙很小时，由于表面张力的作用，金属不能进入。在一定的金属液深度下，金属不能进入的最大凹坑半