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1、第十章 炼 钢10.1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%，1250入炉保证生
2、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、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CaMg(CO3)2:培烧后熟
3、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。,10.2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)的分解反应是吸热反应，激烈的搅拌使铁
4、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,普通元素的氧化除去反
5、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
6、物 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（Ca
7、OMgOSiO2）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 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
8、。,1.转炉炼钢法的种类和特征 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.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
10、的限制少；(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
11、使用量是约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
12、温、取样、出钢、排渣等工序，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
13、氧枪中止吹氧，待氧枪完全上升后，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 blo
14、w)。在硬吹时，脱碳反应中的氧气利用率上升，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1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2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
15、，渣中的磷及锰向金属相转移，表现为锰、磷升高。 第3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 铁水中碳和氧的关系 吹炼末期铁水中碳和氧的关系： 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。,
