材料工程基础讲稿27

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1、4高炉内的煤气分布从风口吹入的氧，燃烧生成CO，生成的气体是CO=212/(212)+79)100%=34.7%,N2=100%-34.7%=65.3% 高温还原性气体炉腹煤气(bosh gas)。实际炉内的炉腹煤气，还含有直接还原(FeO、 SiO2、MnO在炉下部的直接还原)发生的CO气体，所 以CO含量稍高一些。,炉腹煤气和氧化铁反应(FeO+CO=Fe+CO2,间接还原)生成 CO2，在炉内焦炭层中经碳溶解反应(CO2+C=2CO)而直接变 为CO。因此，这个范围的气体，在布德奥德平衡线和 Fe-FeO平衡线中间部分的组成范围内，反复进行着 COCO2CO反应，同时温度逐渐降低。其最理

2、想的情况 是，在1270K附近，气体组成接近Fe-FeO平衡值，还原反 应也变得不活泼。因此，可以认为在热保持带的内侧存在 化学保持带。图9-8表示了炉内气体的大致分布。气体由 此再往上升，出于温度的下降，和布德奥德平衡线交叉， 在这以上的范围里，由于碳沉积(2COC+CO2)反应和间接 还原，CO2的量增加，但是由于低温其速度小，由炉顶排 出时CO/CO21。,这时的煤气利用程度为：煤气利用率受操作法和矿石的还原性等影响，CO2=0.5-0.3左右。图9-9表示了在操作中的实际高炉里插入垂直探 测器，调查高炉内的温度和气体的组成。：在炉身 中部稍稍往下，存在着温度为13001lOOK的温度

3、变化小的热保持带和气体组成CO/CO2与Fe-FeO平衡 线大体一致的化学保持带。,把这一结果移入的Ellinghams diagram图，作 为炉内气体的氧位变化表示如下。送风的全压是0.25MPa、富氧率为3%，富氧空气 的氧位是RTln0.6，它通过图中所示的连接0点 到外框PO2/atm轴上61O-1点的线段的附近而被加 热，在风口的(a)点(约15OOK)入炉;在风口前的焦 炭回旋运动区，由于碳过剩而急速燃烧，温度达 2400K,所有的02(g)都变成CO(g)，到达2C+O2=2CO 线上的(b)点(约2400K);,由于炉缸部几乎都是碳，所以开始时是通过 2C+O2=2CO线的近

4、旁，而进入矿石焦炭层状带 后，反复地进行矿石还原和碳溶解反应，婉蜒 前行。进而在(c)点附近的130011OOK,气相和Fe- FeO平衡(化学保持带)，通过2Fe+O2=FeO线附近， 温度逐渐降低。在10005OOK附近，反应速度也变 慢，成为CO/CO21。即气相通过(c)点到外框轴上 CO/CO2=l/1点的线段的附近，在(d)点由炉顶排 出。,9.5 铁氧化物还原动力学铁氧化物还原是经过内、外扩散过程和界面化学 反应等步骤完成的。1、铁氧化物还原过程铁矿石的易还原程度还原性。气流中CO（或H2）通过矿石周围的边界层向原 料表面扩散气体反应物CO（或H2）及气体生成 物CO2（或H2O

5、）通过固相还原层的裂纹和微孔扩 散导致铁、氧离子在固相还原层晶格结点和空位 上的扩散和矿石内反应界面的结晶化学反应。包 括：CO（H2）的吸附和CO2（H2O）的脱附及晶 格的重建等。,2、铁氧化物还原的两个主要环节1）气体还原剂或反应的气体产物的扩散速度；2）反应界面上的化学反应速度。这两个环节相互关联。当第一个环节慢时，还原速度受 扩散速度的影响；同理，反应界面上的化学反应速度慢 时，界面反应速度的影响；当两个环节都慢时，反应处于 过渡速度范围。反应范围可由S准数判断：K=K单位体积内的孔隙表面积；K化学反应速度常数。D=D矿块中的体积气孔率；D扩散系数。R固体反应半径,S10，反应处于扩

6、散速度范围；0.1，反应处于 化学反应速度范围；S=0.110处于过渡速度范围。在相同冶炼条件下，随温度提高，反应逐渐由化 学反应速度范围转入过渡和扩散速度范围。,3、影响铁矿石还原速度的因素1）CO和H2的浓度 CO和H2的浓度提高对两种反应 速度都是加速的。2）温度 扩大10001300K的中温区，加速还原 过程。因为K=Aexp(-E/RT)，D=D0Tn3)煤气流速 提高煤气流速加速还原速度，但超 过一定值（临界流速）后速度不再增加。煤气流速 达临界值后，反应速度范围过渡到内部扩散速度范 围或化学反应速度范围，因而，再增加流速也无助 于加速还原。,4）煤气压力提高煤气压力，使碳的气化反

7、应CO2+C=CO减缓，CO2的 消失温度由800提高到1100左右，扩大了中温区，有 利于加速扩散；压力增加，提高煤气密度，增加了与矿石表面碰撞的 分子数。 5）矿石粒度 矿石粒度减小，增加接触面积，有利于加 速反应。但力度过小将影响透气率。 6）矿物气孔率（孔隙度）和矿石组成 矿物气孔率增 加，提高还原速度。这也是大量使用团球矿和烧结矿的原 因。矿石的组成与还原的难易程度有关。矿石的性质对还 原的顺序为： 球团矿Fe3O4烧结矿Fe2O3FeO,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、轧制等 加工。

8、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：GB717-82C%3.5，Si%0.451.25，Mn%

9、0.300.50,P%0.150.40，S%0.020.07,铁水预处理：脱S、P、Si 2）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

10、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：由上式可知，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

11、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 （

12、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 CaO MgO SiO2 FeO Fe2O3 MnO Al2O3熔点，K 2843 3073 1983 1643 1730 2058 233

13、3 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（CaOMgOSiO2）1771K 硅钙石(3CaO2SiO2)1748K炉渣化学成分：CaO 3845%，FeO 1523%, SiO2 1217%, MnO

14、 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。,10.3 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。

15、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：是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，没有废气中N2(g)带走的那部分显热 热量上有富裕，虽然同样以si和Mn的氧化热作为主 热源，但在热量上有充分的余量。因此，对于原料铁的组 成没有特别严格的限制，而使用通常的生铁，废钢量根据 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。,