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1、1,第四节 转炉炼钢造渣制度,造渣是炼钢的一项重要操作。 由于转炉冶炼时间短，必须快速成渣，才能满足冶炼进程和强化冶炼的要求。 造渣对避免喷溅、减少金属损失和提高炉衬寿命都有直接关系。炼钢就是炼渣。,2,转炉炼钢造渣制度,一.成渣过程 来源： 渣料、金属元素氧化产物和脱磷、硫产物、炉衬等。 1.炼钢对炉渣要求 转炉冶炼各期，都要求炉渣具有一定的： a.碱度R； b.合适的氧化性( FeO) c.流动性 ；d.适度泡沫化。,3,炉渣的作用： 、脱磷、硫； 、保温、防止金属再氧化及吸气； 、吸收上浮的夹杂物及反应产物； 、减少炉衬的蚀损。,主要成分是： CaO、MgO、SiO2、Al2O3、MnO
2、、FeO、P2O5、CaS、FeS、MnS等。,4,液态炉渣主要来自铁水中Si、Mn、Fe的氧化物。 希望炉渣具有较高的氧化性( FeO)，以促进石灰熔化，迅速提高炉渣碱度R。 因前期C-O反应滞后，熔池搅拌较弱，温度偏低，渣中 ( FeO) 积累。,2.转炉成渣过程,吹炼初期:,5,取样表明： 初期渣的主要矿物为钙镁橄榄石m(Fe.Mn.Mg.Ca)SiO4和玻璃体(SiO2)78%，自由氧化物(RO)相很少。 钙镁橄榄石： 是锰橄榄(2MnO.SiO2)、铁橄榄石(FeO. SiO2) 、镁橄榄石(MgO.SiO2)和硅酸二钙(2CaO SiO2)的混合晶体。,6,转炉炼钢造渣制度,吹炼中
3、期: 由于炉温升高石灰进一步熔化，同时因为Vc加快而导致渣中(FeO)逐渐降低，使石灰熔化速度有所减缓。 随着C-O反应进行，炉渣泡沫化程度迅速提高。 由于C-O反应大量消耗渣中(FeO)，以及有时得不到超过渣系液相线的正常过热温度，使化渣条件恶化，引起炉渣异相化，并出现“返干”。,7,“返干”转炉炼钢的吹炼中期 , 由于脱碳速度大 , 大量的 CO 气泡能冲破渣层而排出 , 炉渣碱度高 , ( FeO)较低 ,SiO2 、 P205 表面活性物质的活度降低 , 因此引起泡沫渣的条件不如吹炼初期 , 熔渣出现 固相质点即“ 返干 ” 现象 。 要求： 炉渣氧化性（通常含( FeO) 不低于89
4、%）。 避免： 炉渣“返干”、喷溅，中期渣粘度 要适宜； 泡沫渣过渡喷溅； 氧枪操作不当引起喷溅。,8,转炉炼钢造渣制度,原因: 随着炉渣R的提高，CaO与SiO2的亲和力比其它氧化物大，CaO逐渐取代钙镁橄榄石中的其它氧化物，在石灰表面生成高熔点的坚硬致密的2CaO SiO2壳层，阻碍了新鲜炉渣向石灰内部的渗入，导致石灰溶解速度下降。 石灰与钙镁橄榄石和玻璃体SiO2作用时，生成CaO SiO2，3 CaO 2SiO2，2 CaO SiO2和3 CaO SiO2等产物，其中最可能和最稳定乃是熔点2130为的2 CaO SiO2。 P198199,9,10,吹炼末期: Vc下降，渣中(FeO)
5、再次增高， 石灰继续熔化并加快了熔化速度。 同时，熔池中乳化和泡沫现象趋 于减弱和消失。 要保证去P、S所需的炉渣高碱度R ，同时要控制好终渣氧化性( FeO)=15%20%，末期渣要化透作粘。 在吹炼末期，RO相急剧增加，生成的3 CaO SiO2也分解为CaO SiO2和CaO，并有2CaO.Fe2O3生成。,11,转炉炼钢造渣制度,二.石灰熔化机理 石灰熔化关系到成渣的快慢，成渣又影响脱、脱硫。 从炉渣下层取出未熔石灰块，观察其断面并分析从外到内各层的化学成分可知，炉渣由表及里向石灰块内部渗透，表面有反应产物形成。 石灰熔化 是复杂的多相（固-液）反应。,固态,液态渣,12,其过程可分为
6、： 第一步，液相炉渣经石灰块外部扩散边界层向反应区扩散，并沿气孔向石灰块内部迁移； 第二步，炉渣与石灰在反应区进行化学反应并形成新相，反应不仅在石灰块外表面上进行，而且在内部气孔表面上进行； 第三步，反应产物离开反应区向炉渣熔体中转移。,13,冶炼初期末、刚进入中期,14,显然，加速石灰熔化的关键是克服石灰熔化的限制环节。首先应极力避免形成高熔点坚硬致密的2CaO SiO2壳层，当其产生后，应该设法迅速破坏掉这一阻碍石灰熔化的壳层，以保成炉渣组分能够迅速不断地向石灰表面和内部渗入。 转炉条件下石灰熔化速度的近似公式为： = k(CaO+1.35MgO+1.09SiO2+2.75FeO +1.9
7、MnO-39.1)exp-2550/T 式中： k系数； VC脱碳速度； T温度，K； G石灰重量。,15,转炉炼钢造渣制度,影响石灰熔化速度的主要因素有： 参与熔化反应成分的浓度; 流体力学有关的传质; 熔池温度; 反应面积; 石灰质量等。 炉渣成分 首先，FeO对石灰的熔化速度具有决定性的有利作用，它是石灰熔化的基本熔剂。,16,转炉炼钢造渣制度,作用： 第一，它能显著降低炉渣粘度，从而加速石灰熔化过程中传质； 第二，它能改善炉渣对石灰的润湿和炉渣向石灰孔隙中的渗透； 最根本的原因是：它的离子半径不大 （ ）， 而且与 CaO同属立方晶系，这些都有利于向CaO晶格中迁移并生成低熔点物质；
8、因此,大大减少石灰块表面的2CaO SiO2生成，降低其熔点，使2CaO SiO2变疏松。,17,三.造渣方法 1.石灰加入量 石灰加入量主要根据铁水中硅、磷和炉渣碱度确定。 在铁水含磷量较低，采用单渣操作和用废钢做冷却 剂时，石灰加入量X可用下式计算： 金属料 式中(%CaO)有效石灰中的CaO有效含量=(%CaO)- R(%SiO2)石灰； 2.14M SiO2/MSi，即SiO2与Si相对分子量之比； R=(%CaO)/ (%SiO2)碱度。,18,转炉炼钢造渣制度,但铁水中含磷较高并假定金属料中含磷量的90%氧 化进入炉渣，则石灰加入量X可用下式计算： 式中： 为P2O5相对分子质量与
9、P相对分子质量之比。,19,转炉炼钢造渣制度,2.造渣方法 在生产实践中，一般根据铁水成分和所炼钢种来确定造渣方法。常用的造渣方法有单渣法、双渣法和双渣留渣法。 通常，转炉渣料采用分批加入法，头批料在开吹时加入，加入量为渣料总量的1/21/3，以后分多批少量加入。 经铁水三脱处理后，可进行少渣操作。,20,四.转炉炼钢的脱磷、脱硫 1.转炉炼钢的脱磷(氧化脱磷) 1）磷在钢中的存在形式及其对钢性能的影响 高炉炼铁是还原性气氛，无法去除磷，它必然随铁矿石进入铁水。 大量文献证明，磷是以Fe2P（也有报道Fe3P）的形态存在于钢中。 在大多数钢中磷是有害元素，希望它的含量越少越好。,21,转炉炼钢
10、造渣制度,磷可溶于钢液中，是有效的硬化剂（仅次于碳）。 能使钢的屈服强度提高。如：易切削钢、低碳镀锡薄板。 但能使钢的塑性和韧性变坏。 特别是在低温下，韧性变坏尤为显著，即：能导致钢的“冷脆”。 原因： 凝固后磷原子富集于铁素体晶界形成固溶强化所引的。 磷对焊接性能、电磁性能都有不利的影响。,22,磷与氧的亲和力铁与氧的亲和力。 但 在炼钢温度(T:1400-1600)下，钢液中的磷是不能被氧化去除的。 因为： 2P + 5O = P2O5 (g) G0=-177350+127.32T cal 0,2）脱磷反应 （游离态的磷很活泼，易与氧化合。但自然界没有游 离态的磷，它是以矿物形式存在）。,
11、23,但当有碱性氧化物存在时，磷氧化形成的P2O5(g)就能与之结合为稳定的磷酸盐，可保留于渣中。 这些磷酸盐是： 3FeO. P2O5 、 3MnO. P2O5 、 3MgO. P2O5、 3CaO. P2O5或(4 CaO. P2O5)。 在一般炼钢渣系下，3CaO. P2O5和3Feo. P2O5数量最多，是最主要脱磷产物。,24,转炉炼钢造渣制度,分子理论的脱磷反应式如下：（渣-金界面反应） 氧化脱磷 5(Feo) = 5Fe + 5O 2P + 5O = (P2O5) (P2O5) + 4(CaO) = (4 CaO. P2O5) + 2P + 5(FeO) + 4(CaO) = (
12、4 CaO. P2O5) + 5Fe,25,离子理论的脱磷反应式为： P + (O2-) + O= (PO43-) lgK=40067/T-15.06 其中： K=a(4 CaO.P5O2)/%P2a5(Feo) a4(CaO) 脱磷率： LP = (% P2O5)/ %P2 = K a5(Feo) a4(CaO) 磷酸盐容量Cp=(P%)/aPaO2.5 表示渣的脱磷能力。（离子理论,p172） 则： LP = (% P)/ %P= Cp . aO2.5fp 还原脱磷略。,26,转炉炼钢造渣制度,3）脱磷条件 由上式可得到脱磷的热力学条件： a.提高a(Feo)和a(CaO)对脱磷反应有利；
13、 （a(Feo)可通过加氧化铁皮、铁矿石或提高枪位来实现。a(CaO) 可通过加石灰和熔剂，使R2.5）。 b. 降低(4CaO. P2O5)的活度，对脱磷反应有利； （通过放渣及造新渣来实现）。,27,c.较低的温度对脱磷反应有利。 （1400-1500）冶炼初、中前期。因放热反应，温度升高不利于反应进行。 脱磷的动力学条件： 加强搅拌（增大渣-金反应界面），改善炉渣流动性等都有利脱磷反应的进行。,28,29,30,转炉炼钢造渣制度,问题： 分析转炉炼钢冶炼过程初、中、末期炉渣的变化与脱磷的关系。 初：T低，(Feo)高，R低； 中：T升高，(Feo)低，R升高； 末：T升高，(Feo)高，
14、R升高。 结论：顶吹氧气转炉炼钢脱磷的最佳时期为： 冶炼的初期和脱碳前期。,31,转炉炼钢造渣制度,4）.“回磷”问题 在脱氧、合金化及浇注过程中，由于T升高，(Feo)低，R低（脱氧剂Fe-Si的产物 SiO2），渣中的磷可被还原，又进入钢液中的现象称为“回磷”。 防止“回磷”的办法： 应尽可能不在炉内进行脱氧、合金化，设法使炉渣不进入钢包。 采取铁水炉外脱磷及保护浇铸等措施。,32,转炉炼钢造渣制度,5）铁水炉外脱磷的条件 a.首先要脱Si使其低于0.2%（依据：氧势图） ; b. T低（1300-1400），对脱磷反应有利; c.设备简单，操作方便。 （可在出铁沟中或在鱼雷罐车中进行。通
15、过吹O2或加烧结矿、铁精矿粉等）; d.可减轻转炉负担，实现少渣或无渣操作，提高钢的品种和质量。 目前，最佳的铁水炉外脱磷器是转炉。 脱磷剂多以Ca系为主。,33,传统钢铁流程,34,新流程,35,2.转炉炼钢的脱硫 1）硫在钢中的存在形式及其对钢性能的影响 从Fe-S二元系相图可知，硫能溶解于液态铁中形成无限溶液。 钢铁中的含量约为：0.001-0.1%。 硫在液态纯铁中，究竟以何种状态存在？ 到目前为止还不能完全确定。 多数观点认为它以FeS的形式存在，少数MnS。 硫在铁中的溶解热较高，扩散系数较小。,36,37,转炉炼钢造渣制度,硫的影响很多，是炼钢的杂质元素，希望它的含量越少越好。
16、“热脆”是一种断裂现象。 指钢中的FeS- FeO形成低熔点（940）共晶物，轧制时的加热温度是1100，轧制时钢中的FeS- FeO变为液态，该处就是断裂区。 此外，硫对钢的机械、焊接和切削性能都有影响。钢中的硫化夹杂物会引起“坑蚀”、疲劳断裂等现象。,38,39,2）脱硫反应 转炉炼钢的脱硫分为:气态脱硫和炉渣脱硫。 气态脱硫： 是转炉炼钢整个脱硫过程中的一个组成部分，占 10%左右。 其分子理论反应式为：S + O2 = SO2 或FeS + O2 = SO2 +Fe 气态脱硫的条件是： 要具有一定氧势，氧气转炉炼钢的一次反应区具有较高的氧浓度，故具备此条件。（由炉气成分的检测结果可证实）,40,炉渣脱硫：（渣-金界面反应）占转炉炼钢整个脱硫 过程中的90%左右。 其分子理论反应式为： S + （CaO）= （CaS）+ O 或 FeS + （CaO）= （CaS）+ （FeO） 属弱吸热反应， K=a（CaS）aO/ aSa（CaO）
