1、第十章第十章 炼炼 钢钢10.110.1炼钢过程及原料炼钢过程及原料 高炉铁水(铸铁)含9394%的铁和67%的杂质：以碳为主及硅、锰、磷、硫等脆性，不能进行锻造、轧制。炼钢：氧化去除杂质，同时提高温度，在熔融状态下高效率地精炼成目标成分和达到目标温度的钢的过程。炼钢过程：氧化去除杂质，提高钢水温度，在熔融状态下高效率地精炼成目标成分和达到目标温度的钢的过程。过程图：主要原料：铁水、凝固铁块、废钢 造渣剂：石灰石CaCO3、石灰CaO和萤石CaF2等。以转炉为例：1、主原料1）铁水：占转炉装炉量的70%以上。铁水的物理热与化学热是氧气顶吹转炉的基本热源。温度：铁水物理热占转炉热收入的50%，1
2、250入炉保证生产的稳定性。高炉出铁温度13501450运输中散热覆盖剂保温。要求：铁水有稳定的化学成分：GB717-82 C%3.5，Si%0.451.25，Mn%0.300.50,P%0.150.40，S%0.020.07 铁水预处理：脱S、P、Si2）废钢30%：冷却效果稳定的冷却剂。3）生铁块：冷铁，冷却效应低于废钢。2 2、辅助原料：、辅助原料：造渣剂生石灰：主要造渣原料，具有脱硫、脱磷作用。石灰的渣化速度渣化速度是转炉炼钢过程成渣速度的关键适当的块度。要求：CaO%、SiO2%、S%。萤石：CaF2(纯)熔点1418。助熔作用，加速石灰溶解，在短时间内改善炉渣的流动性。生白云石Ca
3、Mg(CO3)2:培烧后熟白云石(CaO+MgO),替代部分石灰，初期酸性渣对炉衬的侵蚀，炉衬寿命，同时是溅炉护炉的调渣剂。菱镁矿MgCO3：溅渣护炉的调渣剂。锰矿石：化渣保护炉衬的作用。石英砂SiO2：调整碱性炉渣的流动性。3、铁合金：吹氧终点脱除钢中多余的氧，调整成分。转炉常用铁合金：锰铁、硅铁、钙硅合金、铁铝合金、钙铝钡合金、铝钡硅合金等。4、氧气：除水高纯度99.6%氧。10.210.2主要炉内反应主要炉内反应氧化反应：炼钢过程是氧化去除杂质的过程，如上所述，用氧气及铁矿石作为氧化剂。其反应如下式所示：O2(g)对铁水的氧化反应是放热的，一般伴随着激烈的搅拌，而Fe203(s)的分解反
4、应是吸热反应，激烈的搅拌使铁大量氧化，应控制搅拌的程度。因此，在炼钢反应中利用氧气，在操作上有利。炼钢过程利用氧化反应去除杂质。由氧化物标准自由能一温度图，从杂质对氧的化学亲和力的大小关系，可知炼钢过程中能够去除的元素的大概情况：位于Fe-FeO线上方的元素不能除去，残留在金属相中；位于Fe-FeO线下方的元素可以容易地除去；位于Fe-FeO线近旁的元素会分配在渣金属两相中。被除去进入渣中的元素 B、Al、Si、Ti、V、Zr 被分配在渣一金属两相的元素 P、S、Mn、Cr 残留在金属相中不能除去的元素 Cu、Ni、Co、Sn、Mo、W、As、Sb 蒸发到气相中的元素 Zn、Cd、Pb、C普通
5、元素的氧化除去反应如下：由使用耐火材料和造渣方法可分为：1）碱性操作 耐火材料：Mg-C砖、Mg-Ca砖。镁碳砖：电熔镁砂+碳素材料（薄鳞片石墨）+粘接剂（酚醛树脂）+添加剂。抗渣性强，导热性，避免了镁砂颗粒产生热裂，碳作为结合剂和粘接剂固化后形成碳网络，与氧化镁颗粒紧密牢固结合。炉衬寿命由数百次提高到1.51.8万次。添加剂：Ca、Si、Al、B4C、BN等，先于碳氧化，形成化合物，堵塞气孔，增加致密度，阻碍氧及反应物的渗入扩散。造渣：石灰、石灰石、萤石、白云石、菱镁矿等形成碱性氧化物：CaO、MgO、MnO、FeO、Na2O等。两性氧化物：Al2O3、Fe2O3等。多数氧化物熔点高。氧化物
6、 CaO MgO SiO2 FeO Fe2O3 MnO Al2O3 熔点，K 2843 3073 1983 1643 1730 2058 2333 2570 2800 1710 1370 1457 1785 2060 炼钢熔池温度：15731973K 大部分氧化物在炼钢温度下难以熔化，但成渣后相互化合，形成低熔点化合物，在炼钢温度下熔化。形成的化合物：硅酸钙（假灰硅石，CaOSiO2）1813K 铁酸钙（CaOFeO）1493K 硅酸铁（2FeOSiO2）1490K CaO与CaF2共晶物1673K 硅酸锰（MnOSiO2）1558K 硅灰石（2CaOSiO2）2403K 钙镁橄榄石（CaOM
7、gOSiO2）1771K 硅钙石(3CaO2SiO2)1748K 炉渣化学成分：CaO 3845%，FeO 1523%,SiO2 1217%,MnO 912%,MgO 510%,Al2O3 24%,P2O5 12%。2）酸性操作：耐火材料SiO2，造渣剂锰矿石或二氧化硅，渣碱度1。炼钢种类和特征炼钢种类和特征 熔融炼钢法的种类和特征:炼钢法有转炉、电炉以及平炉等。LD法纯氧吹炼 在转炉上方喷吹纯氧，304Omin/炉的快速精炼法，与其他方法比较：(1)炼钢时间短，生产率显著提高；(2)氮、磷、氧、硫等有害成分低，钢的性质优良，可以适应多种钢的冶炼；(3)操作费用、建设费用低等等。1.转炉炼钢法
8、的种类和特征 鸭梨型的转炉，以铁水作为原料，以空气或者纯氧作为氧化剂，靠杂质的氧化热提高钢水温度，3045min内完成一次精炼的炼钢法。根据其送风形式、氧化剂及生成的渣，可分为：2.2.热源和原料铁的成分热源和原料铁的成分 热源：原料铁水中杂质的氧化热，lkg杂质的发热量值如表所示。由发热量来看，顺序是硅、磷、碳、铁，由于碳生成CO(g)被排出炉外热源效率低；铁一般要氧化23，但是不希望降低铁的收得率，使钢水过氧化。主要的热源是硅、磷以及锰。纯氧转炉冶炼 以si和Mn的氧化热作为主热源，没有废气中N2(g)带走的那部分显热热量上有富裕。在热量上有充分的余量。因此，对于原料铁的组成没有特别严格的
9、限制，使用生铁，废钢量数量根据铁水组成而改变，是1530%.在电炉和炉外精炼中热量不足时，添加Al氧化升高钢水温度，Al具有高的氧化热。3.LD转炉炼钢过程及操作3.1碱性氧气炼钢法的发展 碱性顶吹纯氧转炉，叫做LD法(Linnz-Donawitz)或者称LD转炉，在美国称作BOF(Basic Oxygen Furnace)或BOP(Basic Oxygen Process),英国、加拿大等地，称作BOS(Basic Oxygen Steelmaking)。继承了空气吹炼转炉的优点，又克服了其缺点，具有:(1)设备简单，设备费用和精炼费用低；(2)快速精炼，生产率高等；(3)对原料铁成分的限制
10、少；(4)废钢使用量高；(5)生产的钢中硫磷氮等杂质低，可以生产多种钢等特点。碱性氧气转炉炼钢法迅速地发展为世界上的主要炼钢方法。另外又进一步开发出了改良的方法LD-AC法(OLP法)、QBOP法、顶底复吹纯氧转炉法等。3.2 LD转炉的设备A 炉体设备 炉体构造：炉底没有送风设备，结构简单。炉子的生产能力用一次的出钢量表示，通常是30350t。炉容比为每吨装入原料0.93m3。在钢铁炉壳的内部，使用氧化镁砖砌成永久层，其内侧使用焦油白云石砖、白云石镁砖、在渣线使用镁碳砖等筑炉。B 供氧设备 供氧使用铜制水冷式3重构造的喷枪，从上方以(615)1O7g/m2的高压把氧气吹入铁水，氧气使用量是约
11、50m3/t钢水。所用氧的纯度：从精炼角度没有限制，但氧气中氮气分压钢中氮含量增加。N0.004%的低氮钢使用纯度为99.8%以上的纯氧。C 排气处理设备 D法吹炼中，发生大量浓厚的烟尘，气体是高温的CO(g),烟尘粒度为0.51m含Fe2O390%，发生量是8.510kg/t。排气的处理方法有在炉上部把CO(g)燃烧成为CO2(g)的燃烧方式和回收CO(g)的非燃烧方式。在转炉炉口和炉上排气固定烟罩之间设置活动烟罩，以防止空气的侵入，测定固定烟罩内的静压，操作活动烟罩，回收排出气体。回收的气体中含硫低，可以用作燃料和化学原料。3.3 LD转炉操作 操作过程：由装料、吹炼、测温、取样、出钢、排
12、渣等工序，所需时间与炉容无关，约304Omin，其中吹炼时间是16 2Omin。装料时，炉体向前方倾斜，先装入称量好的废钢，装入铁水后使炉体直立，一边喷吹氧气一边投入轧钢铁皮、石灰等辅助原料。当氧气喷枪降至设定位置(离铁水面13m)，用所定压力喷吹氧气时，即有着火现象，从着火开始计算吹炼时间。吹炼中，高亮度的火焰从炉口排出，吹炼中期是脱碳最激烈期，氧的脱碳效率接近100%。动态控制的场合，在排气量逐渐减少、预定吹止的几分钟之前，降下副枪测定铁水中的碳浓度和温度，预测到达目标碳浓度和目标温度的时间，然后吹炼到终点出钢。在静态控制的场合，到达了预定目标碳浓度及钢水温度时，上升氧枪中止吹氧，待氧枪完
13、全上升后，把炉体倒向装料侧，从炉口进行测温及取样，确认碳含量及温度后，再把炉体倒向出钢侧出钢。出钢中向炉内及钢水包中添加脱氧剂(Mn-Fe，Si-Fe，Al等)。出钢后再把炉体倒向装料侧排出渣，一炉的操作即告结束。纯氧转炉法的特征：在氧气直接接触钢水的火点附近，温度达2270K以上，同时和末反应部分进行激烈的搅拌，显著地促进炉内反应。氧枪高度(氧枪铁水面的间隔)是重要工艺参数。氧枪高度：氧气射流进入钢水的侵人比L/Lo(L:凹坑深度，L0:钢水深度)有关，可以作为表示钢水搅拌状态的参数使用。降低氧枪的高度或者提高氧气喷射压力，L/Lo接近于1硬吹(hard blow)。在硬吹时，脱碳反应中的氧
14、气利用率上升，钢水中的氧趋近于平衡值，渣中的Fe0量减少，石灰的溶解变慢。反之，在L/Lo较小的状态下的操作软吹(Soft blow)，脱碳反应中的氧气利用率降低，钢中氧含量离开平衡值增高，渣中的(FeO)量也升高，可以促进石灰的渣化。3.4 炉内反应A 整体变化 转炉吹炼过程可以分为3个阶段：第第1 1阶段：阶段：吹炼初期，硅、锰优先氧化,铁也被氧化，TFe高，产生溶解了石灰的铁硅酸渣，脱磷也在初期发生，钢水温度逐渐上升。第第2 2阶段阶段:从硅、锰的大部分已被氧化时开始，进入吹炼中期，这是脱碳最激烈的阶段。这个时期氧的脱碳利用率为100%。随着渣中TFe的降低和温度的上升，渣中的磷及锰向金
15、属相转移，表现为锰、磷升高。第第3 3阶段阶段:钢水中的碳浓度降l%以下时，脱碳速度开始降低，进入吹炼末期。渣中的TFe急速升高，石灰的溶解也得到促进，锰及磷再次转移到渣相，达到目标碳及温度后，终止吹炼。LD转炉的炉内反应特征是:(1)氧的反应效率高，脱碳反应极快，精炼时间短；(2)渣金属的搅拌激烈，从吹炼初期开始，脱磷反应和脱碳反应同时进行；(3)由于没有氮气，精炼反应中的热效率高，废钢使用量高；(4)由于强有力的沸腾现象，铁中的氮、氧等气体成分被除去，其含有量低；(5)炉内最高温度部分位于炉中心的火点，因此耐火材料的损伤少；等等。B B 铁水中碳和氧的关系铁水中碳和氧的关系 吹炼末期铁水中
16、碳和氧的关系：与搅拌少的平炉法比较，有激烈搅拌的LD转炉更接近于平衡值。因此，可以减少Mn-Fe等脱氧剂的使用量。L L转炉的脱碳速度转炉的脱碳速度 铁水中碳和脱碳速度-dC/dt可以认为分成部分，呈台形。第1部分:由于铁水温度低，硅和锰被优先氧化，脱碳速度慢，随着时间延长而增大，可用下式表示:-dC/dt=kltk1的值与硅、锰的浓度和温度有关。第第2 2部分部分:硅、锰的大部分被氧化后，进入脱碳最盛期。这时氧气的脱碳利用率大致达100，脱碳速度受氧气供给的控制，对于碳是级反应。dC/dt=k2 k2的值取决于氧的供给量。第第3 3部分部分:C=0.8-1.0%时，脱碳速度逐渐减小，而转变为取决于碳含量。这时的碳含量称为临界碳含量。在临界碳含量以下的范围，脱碳速度受碳的传质控制，与碳含量大致成正比:dC/dt=k3Ck3根据温度、送氧量以及氧枪高度等而变化。上述关系是对脱碳速度进行的宏观观察结果,也用来作为转炉计算机控制的模型形式。
