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1、1 绪论绪论 4 1 1 炼钢历史的发展过程 4 1 我国钢铁冶金的发展 5 1 3 炼钢的基本任务 5 2 炼钢任务 原材料和耐火材料炼钢任务 原材料和耐火材料 7 2 1 去除杂质 7 2 2 调整钢的成分 8 2 3 浇注成内外部质量好的钢锭和钢坯 9 3 炼钢熔池中的基本反应炼钢熔池中的基本反应 10 3 1 脱碳反应 10 3 1 1 脱碳反应的作用 10 3 1 2 碳在熔铁中的溶解 11 3 1 3 脱碳反应的热力学条件 11 3 1 4 脱碳反应的动力学条件 13 3 2 硅锰的氧化和还原 16 3 3 脱磷反应 17 3 3 1 磷在钢铁冶炼过程中氧化 18 3 3 2 脱磷
2、的热力学条件 20 3 3 3 冶炼低磷钢的几个问题 22 3 4 脱硫反应 25 3 4 1 硫在炼钢中表现的热力学性质 25 3 4 2 碱性氧化渣与金属间的脱硫反应 26 3 4 3 熔渣脱硫的计算 29 3 4 4 气相在脱硫中的作用 30 3 5 钢中气体和非金属夹杂物 32 3 5 1 钢中气体 32 3 5 2 钢中的非金属夹杂物 35 3 5 3 非金属夹杂物的种类 35 3 5 4 夹杂物的来源及减少其的措施 37 4 转炉炼钢工艺转炉炼钢工艺 39 4 1 炼钢用原材料 39 4 1 1 金属料 39 4 1 2 造渣材料 40 4 1 3 氧化剂 自学 41 4 1 4
3、冷却剂 自学 42 4 1 5 还原剂和增碳剂 自学 42 4 2 装料 42 4 2 1 三种不同的装入制度 42 4 2 2 确定个阶段装入量应考虑的因素 43 4 3 铁的氧化和熔池传氧方式 43 4 3 1 铁的氧化和还原 43 4 3 2 炉渣的氧化作用 44 4 3 3 杂质的氧化方式 直接氧化和间接氧化 44 4 4 供氧 45 4 4 1 氧流对熔池作用 45 4 4 2 氧化机理 51 4 4 3 LD 的供氧操作 52 4 5 造渣 53 4 5 1 炉渣碱度的控制 53 4 5 2 炉渣粘度的控制 56 4 5 3 炉渣氧化性的控制 56 4 5 4 放渣及留渣操作 58
4、 4 6 温度及终点的控制 58 4 6 1 LD 物料平衡和热平衡 59 4 6 2 出钢温度的确定 59 4 6 3 吹炼过程的温度控制 59 4 6 4 终点控制 60 4 7 脱氧和合金化 60 4 7 1 吹炼终点的含氧量及脱氧的任务 60 4 7 2 脱氧剂的选择及加入量的确定 62 4 7 3 脱氧操作 64 4 7 4 合金化的一般原理 65 5 转炉顶底复合吹炼转炉顶底复合吹炼 67 5 1 转炉顶底复吹的发展及其特点 67 5 1 1 顶吹底吹转炉炼钢的特点及复合吹工艺的产生 67 5 1 2 复合吹炼工艺的分类及目前发展状况 68 5 1 3 复合吹炼的主要冶金特点 69
5、 5 2 复合吹炼的熔池搅拌问题 70 5 2 1 转炉熔池搅拌问题 CO 气泡搅拌及气流搅拌 70 5 2 2 搅拌能与均匀混合时间 混匀时间 72 5 3 复合吹炼的冶金问题 73 5 3 1 对成渣及渣中 FeO 的影响 73 5 3 2 对各元素化学反应的影响 74 5 3 3 对钢中气体含量的影响 75 5 4 底部供气元件 76 5 4 1 底部供气种类及选择 76 5 4 2 底部供气元件的种类及特点 76 5 4 3 底部供气元件的布置对熔池搅拌的影响 78 6 炼钢常用耐火材料炼钢常用耐火材料 79 6 1 炉衬材料 79 6 2 炉衬破损机理 80 6 3 延长炉龄的措施
6、自学 81 7 预脱硫预脱硫 83 8 含钒铁水的吹炼含钒铁水的吹炼 87 8 1 提钒 87 8 2 半钢炼钢 89 使用说明使用说明 90 参考文献参考文献 91 1 绪论绪论 钢铁是现代生产和科学技术中应用最广的金属材料 特别是钢 在金属材料的用量中约 占 85 以上 这是由于钢的强度高 韧性好 容易加工和焊接 使优良的结构材料 钢的品种由 上千种 可以跟据不同要求 得到不同性能的钢 作为钢的基体的铁元素在地壳中的蕴藏量 5 10 在金属元素中仅次于铝 8 80 容易从矿石中提取和加工 近三四十年 钢生产迅速发展 世界上岗的年产量已超过七亿吨 近代钢铁生产的主要方法一直是沿用 二步法 第
7、一步先用矿石冶炼出生铁 第二不再以 生铁和废钢为基本原料炼出不同的钢种 近十几年 虽然有人在 一步法 上作了大量的工 作 即直接还原 从矿石直接还原出钢 但目前来看 最起码在近期 其法不会最为生产钢的 主要手段 也很难成为发展方向 原因主要是其技术不成熟 成本太高 1 1 炼钢历史的发展过程 近代主要的炼钢方法首推 1885 年在英国获得专利的贝塞麦法 即酸性空气底吹转炉炼 钢法 他是在底吹转炉中 将空气直接吹入铁水 利用空气中的氧气氧化铁水中铁 硅 锰 镁等元素 并依靠这些元素氧化释放出的热量将 体金属加热到能顺利进行浇铸所需的高 温 它用酸性耐火材料作炉衬 用酸性渣操作 吹炼过程中不能去除
8、磷 硫 因此 此法 只适合于处理低磷 硫的原料 为了保证有足够的热量来源 这种方法要求铁水有较高的 含硫量 1878 年开始生产的托马斯法 即碱性空气底吹转炉炼钢法 改用碱性耐火材料制作 炉衬 在吹炼过程中加入石灰 造具有脱磷能力的碱性渣 通过将 体金属中的磷氧化到 0 25 0 80 Mn 可在钢凝固温度的范围内 生成 MnS 和少量的 FeS 纯 MnS 的融电视 11640C 从而能有效的防止钢在轧制时开裂 但过高的 S 会产生较多的 MnS 夹杂 轧断的硫化物夹杂被拉长 降低钢的强度 使钢的磨损增大 明 显的钢的横向机械性能 降低钢的申冲压性能 为此应将钢中 S 降到很低的水平 并加入
9、 Mn 0 25 0 8 提高钢质量 在部颁标准 YB 和国家标准规定的硫含量依钢质不同而异 见表 2 1 钢种普通钢优质钢高级优质钢 S 0 050 03 0 04 0 02 2 钢中 P 磷是钢中有害元素之一 通常 磷使钢的韧性降低 磷可略微增加钢的强度 且当钢 中 C 含量增加时降低冲击值就越大 磷的突出危害是产生冷脆 在低温下 P 越高 冲击性能降低就越大 磷是降低钢也表面张力的元素 易析集在结晶边界处 随着 P 含量增加 表面张力值 降低越多 从而降低了钢的抗热裂纹性能 为了减少磷的危害 提高钢质量 必须尽量降低磷含量 可采用炉内氧化法 造碱性 渣 脱磷或炉外 还原法脱磷等或采用铁水
10、预处理脱 S P 效果更好 钢中 P 的允许范围 钢类普通钢优质钢高级优质钢 P 0 0450 035 0 04 0 03 3 钢中氧 钢中 O 是影响钢质量的主要元素之一 因为氧和铁的亲和力大 致使一些钢在脱 ru 氧后还有较多的氧 随操作工艺和钢中的不同 钢中 o 的变化波动范围很大 见表 2 6 一般测定的钢中氧含量是全氧 包括溶解氧 O 和氧化物夹杂中的氧 若使用浓差法测 定氧时 才测定的是钢种的溶解氧 在钢锭材中取样时是全氧样 在标准中一般不规定含量值 但有的标准对一些钢种有夹杂物的要求长些 在轧或锻的 钢坯上 100mm 取样 取纵向断面进行金相评级 放大 100 倍 检查分析夹杂
11、物 除氧化 物夹杂外 还检验球状硫化物夹杂 在长度放大 100 倍的情况下 直径为 80mm 的视场 可分辨出 0 1 1 微米的夹杂 是按夹杂物的总量 长度 分布情况评定的 什么钢不能越过什么级别 可见表 2 7 2 8 低温下 钢中的氧基本上和元素反应全部生成夹杂物 钢中非金属夹杂物来源如下 1 脱氧脱硫产物 特别是一些颗粒小 或密度大的夹杂物没有及时排除 2 随着温度降低 S O N 等杂质元素溶解度相应下降 3 带入钢液中炉渣和耐火材料 不规则 大型夹杂 4 钢液被大气氧化 二次氧化 形成的氧化物 占大部分 保护浇注 钢中非金属夹杂物通常是被认为是有害的 所以要通过各种措施使其含量尽可
12、能降低 采用的方法有 保护浇铸 减少二次氧化 大大减少夹杂物 吹氧搅拌 使 1 大量上浮 采用复合脱氧剂使 2 成液态脱氧产物上浮 真空吹氧 RH DH 等尽可除去夹杂 以及其他措施 钢包喷粉等改变夹杂物类别形态如 MnS 该为 CaS 等及液态脱氧 采用连铸减少 采用中间包挡渣墙防止大型夹杂物的出现 4 钢中氮 虽然钢中 N 能使强度略微增加 但在低碳钢中 N 回降低钢的冲击值 aK 产生老化 现象 碳越低 影响就越大 N 是表面活性物质 因此降低了钢液的表面张力 使 N 容易折集在晶界 降低了钢 的抗热裂纹的性能 所以一般情况下 N 有害 应尽量去除 一般 N 钢中活度低 不如 H 好去除
13、 吹 Ar 搅拌应相应 一般应不少于 15 分钟 钢中残留的 N 可用 Ti Nb V Al 结合生成氮化物 以消除 N 的不利影响 且细小的 氮化物有调整晶粒 改善钢质的作用 在耐热钢中 N 有一个用途 可用 N 代替 Ni Ti 生产耐热钢 所以耐热钢中含量较高 5 钢中氢 氢是钢中隐存的杂质 含量很低 在大气下冶炼的钢中含氢量一般为 2 7cm3 100g 0 000179 0 000626 每百分之一为 1ppm 在真空下 处理冶炼钢中 含氢量一般 2cm3 100g 在钢的各类标准中一般不作数量上规定 钢中氢可使钢产生白点和气泡 使钢变脆 因此 冶炼易生产白点等缺陷的钢种时 要特别注
14、意原料 尤其是石灰 的干燥清洁 冶炼时间要短 炉内充分脱碳 去气 炉外吹 Ar 或真空处理 使 H 降低到很低水平 0 5cm3 100g 白点 是钢的致命缺陷 标准中规定有白点的钢材不准交货 在 100mm 的坯上取样打 断口样 在纵断口上呈白色亮点 1 10mm 不等 称白点 实为交错的细小裂纹 它产 生的主要原因是钢中 H 在少空隙中析出的压力和钢相变时产生的但组织应力综合力超过了 钢的强度 产生了白点 内壁不氧化 一般白点产生的温度3 用电炉氧化法脱碳量较小 0 20 这些碳主要被氧化成 CO 其穿出钢液时有较好的脱气作用 所以在大气下炼钢时脱碳 也是作为一种脱气的手段 从钢的性质看
15、碳也是重要的合金元素之一 它可增加钢的强度 硬度 见表 2 11 在不同的热处理条件下 C 改变了钢中个组织的比例 使强度增加的同时略微降低韧 性指标 各组织的机械性能和物理性能见表 2 12 钢中 C 决定了冶炼 轧制和热处理的温度制度 C 和各温度的关系用 Fe C 状态图表 明 图 2 20 各种钢种所要求的 C 含量及某些工艺参数的关系见 2 13 碳能显著的改变钢的液态和凝固性质 因此 冶炼时要注意其影响 例如在 1600 C 0 8 的情况下 每增加 1 的 C 使熔点降低 6 5 钢液密度减少 4 粘度降低 0 7 可使 N 的溶解度降低 0 001 H 的溶解度降低 0 4cm
16、3 100g 增大凝固区间 17 79 2 钢中锰 锰的冶金作用主要是消除 S 的热脱影响 改变硫化物的形态和分布以提高钢质 钢中 Mn 是一种非常弱的脱氧剂 只有在碳含量低 O 较高时才有脱氧作用 如沸腾 钢只能用其脱氧 一般其主要是协助 Si Al 脱氧 增大它们的脱氧能力 形成复合脱 氧剂 锰可略微提高钢的强度可提高 1 强度提高 b 78 5Mpa 锰可增加钢的淬透性 价格便宜 且可稳定并扩大奥氏体区 可利用其在这方面的特 性 冶炼一些这方面有要求的钢中 3 钢中硅 硅是钢中最基本的脱氧剂 普通镇静钢的含硅量不少于 0 12 不大于 0 35 沸腾钢 Si 含量不大于 0 07 半镇静钢 Si 含量不大于 0 17 该脱氧剂便宜 且 Si 还能较强的 提高钢的机械性 每增加 1 的 Si 约使 b提高 9Mpa 0 92 f mm2 通常冶炼钢种的硅含量范围见表 2 15 硅对钢液性质的影响较大 如在 1600 纯净钢每增加 1 的 Si 降低 C 的饱和溶解度 0 294 降低的熔点 8 降低密度 60 降低 H 的饱和溶解度 1 4cm3 100g N 0 003 增加钢的
