工艺技术-炼钢原理与工艺培训教材(ppt 187页)

炼钢原理与工艺 第一章 炼钢学概述 第一节 概述 第二节 炼钢的任务及钢的分 类 第一节 概述 钢与生铁 的区别 ： 首先是 碳的含量 ，理论上一般把碳含量 2.11%称之 钢 ，它的熔点一般在 1450-1500 ， 而 生铁 的熔点一般在 1150-1250 。 在钢中碳元素和铁元素形成 Fe3C固熔体 ， 随着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑 性和冲击韧性降低 。 钢的应用前景 钢具有很好的物理化学性能与力学性 能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工 ，其用途十分广泛； 用途不同对钢的性能要求也不同，从 而对钢的生产也提出了不同的要求。 石油、化工、航天航空、交通运输 、农业、国防等许多重要的领域均需要 各种类型的大量钢材，我们的日常生活 更离不开钢。 总之，钢材仍将是 21世纪用途 最广的结构材料和最主要功能材料 。 炼 钢 方 法（ 1） 最早出现的炼钢方法是 1740年 出现 的 坩埚法 ，它是将生铁和废铁装入由石 墨和粘土制成的坩埚内，用火焰加热熔 化炉料，之后将熔化的炉料浇成钢锭。 此法几乎无杂质元素的氧化反应 。 炼 钢 方 法（ 2） 1856年 英国人 亨利 贝塞麦 发明了酸 性空气底吹转炉炼钢法，也称为 贝塞麦 法 ，第一次解决了用铁水直接冶炼钢水 的难题，从而使炼钢的质量得到提高， 但此法 要求铁水的硅含量大于 0.8%， 而 且不能脱硫 。目前已淘汰。 炼 钢 方 法（ 3） 1865年 德国人马丁利用蓄热室原理发 明了以铁水、废钢为原料的酸性平炉炼 钢法，即 马丁炉法 。 1880年 出现了第一 座 碱性平炉 。由于其成本低、炉容大， 钢水质量优于转炉，同时原料的适应性 强，平炉炼钢法仍一时成为的主要的炼 钢法。 炼 钢 方 法（ 4） 1878年 英国人 托马斯 发明了碱性炉 衬的底吹转炉炼钢法，即 托马斯法 。他 是在吹炼过程中加石灰造碱性渣，从而 解决了高磷铁水的脱磷问题 。当时，对 西欧的一些国家特别适用，因为西欧的 矿石普遍磷含量高。但 托马斯法的缺点 是炉子寿命底，钢水中氮的含量高 。 炼 钢 方 法（ 5） 1899年 出现了完全依靠废钢为原料 的 电弧炉炼钢法 (EAF)， 解决了充分利 用废钢炼钢的问题，此炼钢法自问世以 来，一直在不断发展，是当前主要的炼 钢法之一，由电炉冶炼的钢目前占世界 总的钢的产量的 30-40%。 炼 钢 方 法（ 6） 瑞典人罗伯特 杜勒首先进行了氧 气顶吹转炉炼钢的试验，并获得了成功 。 1952年 奥地利的林茨城 (Linz)和多纳 维兹城 (Donawitz)先后建成了 30吨的氧 气顶吹转炉车间并投入生产，所以此法 也称为 LD法 。美国称为 BOF法 （ Basic Oxygen Furnace）或 BOP法 。 LD/ BOF/ BOP 炼 钢 方 法（ 7） 1965年加拿大液化气公司研制成 双层管 氧气喷嘴 ， 1967年西德马克西米利安钢铁 公司引进此技术并成功开发了底吹氧转炉 炼钢法，即 OBM法 (Oxygen Bottom Maxhuette) 。 1971年美国钢铁公司引进 OBM 法， 1972年建设了 3座 200吨底吹转炉，命 名为 Q-BOP (Quiet BOP)。 OBM/ Q-BOP 炼 钢 方 法（ 8） 在顶吹氧气转炉炼钢发展的同时， 1978-1979年 成功开发了 转炉顶底复合吹 炼工艺 ，即从转炉上方供给氧气（顶吹 氧），从转炉底部供给惰性气体或氧气 ，它不仅提高钢的质量，降低了消耗和 吨钢成本，更适合供给连铸优质钢水。 LD- Q- BOP 炼 钢 方 法（ 9） 我国首先 在 1972-1973 年在沈阳第一 炼钢厂成功开 发了全氧侧吹 转炉炼钢工艺 。并在唐钢等 企业推广应用 。 总之，炼钢技术经过 200多年的发 展，技术水平、自动化程度得到了 很大的提高， 21世纪炼钢技术会面 临更大的挑战，相信会有不断的新 技术涌现。 我国很早就掌握了炼铁的冶炼技术 ， 东汉 时就出现了冶炼和锻造技术， 南 北朝 时期就掌握了灌钢法，曾在世界范 围内处于领先地位。 但旧中国钢铁工业非常落后，产量 很低，从 1890年建设的汉阳钢铁厂至 1948年的 半个世纪中，钢产量累计到 200 万吨 ， 1949年只有 15.8万吨 。 新中国成立后，特别是改革开放以来，我国 的钢铁事业得到迅速发展， 1980年钢产量达到 3712万吨， 1990年达到 6500万吨， 1996年首次突 破 1亿吨大关，成为世界第一产钢大国， 2005年产 量达到 3.4亿 吨，占世界产量的 1/3。 可以这样讲，我国的钢铁工业对世界产 生了重要影响，我国不仅是产钢大国，而且 已经开始迈入钢铁强国的行列。 第二节 炼钢的任务及钢的分类 炼钢的 基本任务 是脱碳、脱磷、脱硫、脱 氧，去除有害气体和非金属夹杂物，提高温度和 调整成分。 归纳为： “四脱 ”（碳、氧、磷和硫）， “二 去 ”（去气和去夹杂）， “二调整 ”（成分和温度 ）。采用的 主要技术手段 为： 供氧 ， 造渣 ， 升温 ， 加脱氧剂 和 合金化操作 。 一、 钢中的磷 w 对于绝大多数钢种来说磷是有害元素。钢中磷 的含量高会引起钢的 “ 冷脆 ” ，即从高温降到 0 以下， 钢的塑性和冲击韧性降低 ，并使钢的 焊接性能与冷弯性能变差。 w 磷是降低钢的表面张力的元素，随着 磷含量的 增加，钢液的表面张力降低显著 ，从而 降低了 钢的抗裂性能 。 w 磷是仅次于硫在钢的连铸坯中 偏析度高的元素 ，而且在铁固熔体中扩散速率很小，因而磷的 偏析很难消除，从而严重影响钢的性能， 所以 脱磷是炼钢过程的重要任务之一 。磷在钢中是 以 Fe3P或 Fe2P形式存在，但通常是以 P 来表达。炼钢过程的脱磷反应是在金属液与熔 渣界面进行的。 不同用途的钢对磷的含量有严格要求： 非合金钢中普通质量级钢 P0.045% ； 优质级钢 P0.035% ； 特殊质量级钢 P0.025% ； 有的甚至要求 P0.010% 。 有些钢种 :炮弹钢，耐腐蚀钢需加 P元素。 二、 钢中的硫 硫 对钢的性能会造成不良影响，钢中硫含量高， 会使钢的热加工性能变坏，即造成钢的 “ 热脆 ” 性 。 硫在钢中以 FeS的形式存在， FeS的熔点为 1193 ， Fe与 FeS组成的共晶体的熔点只有 985 。 液态 Fe与 FeS虽可以无限互溶，但在固熔体中的溶解 度很小，仅为 0.015%-0.020%。 w 当钢中的 S 0.020%时，由于凝固偏析， Fe- FeS共晶体分布于晶界 处，在 1150-1200 的 热 加工 过程中，晶界处的 共晶体熔化 ，钢受压时 造成晶界破裂，即 发生 “ 热脆 ” 现象 。 w 如果钢中的氧含量较高， FeS与 FeO形成的共晶 体熔点更低（ 940 ），更加剧了钢的 “ 热脆 ” 现象的发生。 w 锰可在钢凝固范围内生成 MnS和少量的 FeS ，纯 MnS的熔点为 1610 ， 共晶体 FeS-MnS （ 占 93.5%）的熔点为 1164 ，它们能有 效的防止钢热加工过程的 “ 热脆 ” 。 冶炼一般钢种时要求将 Mn控制在 0.4%- 0.8%。在实际生产中还将 Mn/S比作为一个指 标进行控制， Mn/S对钢的热塑性影响很大。 从低碳钢高温下的拉伸实验发现提高 Mn/S比可以提高钢的热延展性。一般 Mn/S7 时不产生热脆 。 Mn/S比对低碳钢热延展性的影响 硫还会明显 降低钢的焊接性能 ，引起高温龟 裂，并在焊缝中产生气孔和疏松，从而降低焊缝 的强度。 硫含量超过 0.06%时，会显著 恶化钢的 耐蚀性 。硫还是连铸坯中 偏析最为严重的元素 。 w 不同钢种对硫含量有严格的规定： 非合金钢中 普通质量级钢 S0.045% 优质级钢 S0.035% ， 特殊质量级钢 S0.025% 有的钢种要求如 管线钢 S0.005%, 甚至 更低。 有些钢种，如 易切削钢 硫则作为合金元素加 入，要求 S=0.08%-0.20%。 三、 钢中的氧 w 在吹炼过程中，向熔池供入了大量的氧气，到 吹 炼终点 时，钢水中 含有过量的氧 ，即钢中实际氧 含量高于平均值。 w 如 不脱氧 ，在出钢、浇铸中，温度降低，氧溶解 度降低， 促使碳氧反应，钢液剧烈沸腾 ，使 浇铸 困难 ， 得不到正确凝固组织结构的连铸坯 。 w 钢中 氧含量高 ，还会产生 皮下气泡，疏松 等缺陷 ，并 加剧硫的热脆 作用。在钢的凝固过程中，氧 将会以氧化物的形式大量析出，会 降低钢的塑性 ，冲击韧性 等加工性能。 w 一般测定的是 钢中的全氧 ，即 氧化物中的氧和溶 解的氧之和 ，在使用浓差法定氧时才是测定钢液 中溶解的氧，在铸坯或钢材中取样时是全氧样。 脱氧的任务 w 根据具体的钢种， 将钢中的氧含量降低到所需的水平 ，以保证钢水在凝固时得到合理的凝固组织结构； w 使成品 钢中非金属夹杂物含量最少 ，分布合适，形态 适宜，以保证钢的各项性能指标； w 得到 细晶结构组织 。 常用的脱氧剂有 Fe-Mn， Fe-Si， Mn-Si， Ca-Si等合金 。 四、 钢中的气体 w 钢液中的气体会显著降低钢的性能，而且容 易造成钢的许多缺陷。钢中气体主要是指 氢与 氮 ，它们可以溶解于液态和固态纯铁和钢中。 w 氢 在固态钢中溶解度很小，在钢水凝固和冷却 过程中，氢会和 CO、 N2等气体一起析出， 形成 皮下气泡中心缩孔、疏松、造成白点和发纹 。 w 钢热加工过程中，钢中含有氢气的气孔会沿加 工方向被拉长形成发裂，进而引起钢材的强度 、塑性、冲击韧性的降低，即发生 “ 氢脆 ” 现 象。 w 在钢材的纵向断面上，呈现出圆形或椭圆形的 银白色斑点 称之为 “ 白点 ” ，实为 交错的细小 裂纹 。主要原因是钢中的氢在小孔隙中 析出的 压力 和钢相变时产生的 组织应力 的综合力超过 了钢的强度，产生了 “ 白点 ” 。一般 白点产生 的温度低于 2000C。 w 钢中的氮是以 氮化物 的形式存在，它对钢质量的影响 体现出双重性。氮含量高的钢种长时间放置，将会 变 脆 ，这一现象称为 “ 老化 ” 或 “ 时效 ” 。原因是钢中 氮化物的析出速度很慢，逐渐改变着钢的性能。低碳 钢产生的脆性比磷还严重。 w 钢中 氮含量高 时，在 250-4500C温度范围，其 表面发蓝 ，钢的强度升高，冲击韧性降低，称之为 “ 蓝脆 ” 。 氮含量增加，钢的焊接性能变坏 。 w 钢中加入适量的铝，可生成稳定的 AlN， 能够 压抑 Fe4N生成和析出 ，不仅 改善钢的时效性 ， 还可以 阻止奥氏体晶粒的长大 。氮可以作为合 金元素起到 细化晶粒 的作用 .在冶炼铬钢，镍 铬系钢或铬锰系等 高合金钢 时，加入适量的氮 ，能够 改善塑性和高温加工性能 。 五、 钢中的夹杂 w 钢中非金属夹杂按来源分可以分成 外来 夹杂和内生夹杂 。 w 外来夹杂 是指冶炼和浇铸过程中，带入 钢液中的炉渣和耐火材料以及钢液被大 气氧化所形成的氧化物。 内生夹杂 包括： w 脱氧时的 脱氧产物 ； w 钢液温度下降 时，硫、氧、氮等杂质元素溶 解度下降而以非金属夹杂形式出现的 生成物 ； w 凝固过程 中因溶解度降低、偏析而发生反应 的产物； w 固态钢相变 溶解度变化生成的产物。 钢中大部分内生夹杂是在脱氧和凝固过程中 产生的。 根据成分不同，夹杂物可分为 w 氧化物夹杂 ，即 FeO、 MnO、 SiO2、 Al2O3 、 Cr2O3 等简单的氧化物； w FeO-Fe2O3 、 FeO-Al2O3、 MgO-Al2O3等 尖晶石类 和 各种 钙铝的复杂氧化物 ； w 2FeO-SiO2， 、 2MnO-SiO2、 3MnO-Al2O3-2SiO2等 硅酸盐 ； w 硫化物夹杂 ，如 FeS、 MnS、 CaS等； w 氮化物夹杂 ，如 AlN、 TiN、 ZrN、 VN、 BN等。 w 按加工性能，夹杂物可分为： 塑性夹杂 ，它是在 热加工时，沿加工方向延伸成条带状； 脆性夹杂 ，它是完全不具有塑性的夹杂物，如尖晶石类型 夹杂物，熔点高的氮化物； 点状不变性夹杂 ，如 SiO2超过 70%的硅酸盐， CaS、钙 的铝硅酸盐等。 由于非金属夹杂对钢的性能产生严重的影响 ，因此在炼钢、精炼和连铸过程应最大限度地降 低钢液中夹杂物的含量，控制其形状、尺寸 。 六、 钢中的成分 (碳 ) w 炼钢的重要任务之一就是要把熔池中的碳氧化 脱除至所炼钢钟的要求。从钢的性质可看出碳 也是重要的合金元素，它可以 增加钢的强度和 硬度 ，但 对韧性产生不利影响 。 w 钢中的碳决定了冶炼、轧制和热处理的温度制 度。 w 碳能 显著改变钢的液态和凝固性质 ，在 16000C， C0.8% 时， 每增 0.1%的碳 钢的 熔点降低 6.50C 密度减少 4kg/m3 黏度降低 0.7% N的溶解度降低 0.001% H的溶解度降低 0.4 cm3/100g 增大 凝固区间 17.790C 。 锰 (Mn) 锰的作用是 消除钢中硫的热脆倾向 ，改变硫 化物的形态和分布以提高钢质； 锰是 一种非常弱的脱氧剂 ，在碳含量非常低 、氧含量很高时，可以显示出脱氧作用，协助脱 氧，提高他们的脱氧能力； 锰还可以 略微提高钢的强度 ，并可提高钢的 淬透性能，稳定并扩大奥氏体区，常作为合金元 素生成奥氏体不锈钢、耐热钢等。 硅 (Si) 硅是钢中 最基本的脱氧剂 。普通钢中含硅在 0.17%-0.37%， 14500C钢凝固时，能保证钢中与其 平衡的氧小于与碳平衡的量，抑制凝固过程中 CO 气泡的产生。 生产沸腾钢时， Si为 0.03%-0.07%， Mn为 0.25%-0.70%，它只能微弱控制 C-O反应。 硅能 提高钢的机械性能，增加了钢的电阻和导 磁性 。 硅 对钢液的性质影响较大 ， 16000C纯铁中每增 加 1%的硅： 碳的饱和 溶解度 降低了 0.294% 铁的 熔点 降低 80C 密度 降低 80kg/m3 N的饱和溶解度降低 0.003% H降低 1.4cm3/100g 钢的 凝固区间 增加 100C，钢液的收缩率 提 高 2.05%。 铝 (Al) 铝是终脱氧剂 ，生产 镇静钢 时， Al多在 0.005%-0.05% ，通常为 0.01%-0.03%。钢中铝的加入量因氧量而异，对高碳 钢应少加些，而低碳钢则应多加，加入量一般为 :0.3- 1.0kg/t钢 。 铝加到钢中将与氧发生反应生成 Al2O3， 在出钢、镇静和 浇铸时生成的 Al2O3大部分上浮排除，在凝固过程中大量细小 分散的 Al2O3还 能促进形成细晶粒钢 。铝是 调整钢的晶粒度的 有效元素 ，它能使钢的晶粒开始长大并保持到较高的温度。 七、 钢的分类 w按化学成分分类 按是否加入合金元素可钢分为把 碳素钢 和 合金钢 两大类。 碳素钢 是指钢中除含有一定量为了脱氧而加入硅（ 一般 0.40%）和锰（一般 0.80%）等合金元素外，不含 其他合金元素的钢。根据碳含量的高低又可分成 低碳钢 （ C0.25% ）， 中碳钢 (0.25%C0.60%) 和 高碳钢 (C0.60%)。 合金钢 是指钢中除含有硅和锰作为合金元素或脱氧元 素外，还含有其他合金元素如铬、镍、钼、钛、钒、铜、 钨、铝、钴、铌、锆和稀土元素等，有的还含有某些非金 属元素如硼、氮等的钢。 根据钢中合金元素含量的多少，又可分为 低合金钢 ， 中合金钢和高合金钢 。一般合金元素总含量 小于 3%的为 普 通低合金钢 ，总含量为 3% 5%的为 低合金钢 ， 大于 10%的 叫 高合金钢 ，总含量介于 5% 10%之间为 中合金钢 。 按钢中所含有的 主要合金元素不同 可分为 锰钢、硅钢 、硼钢、铬镍钨钢、铬锰硅钢 等。 按冶炼方法和质量水平分类 w 按炼钢炉 设备不同 可分为 转炉钢、电炉钢、平炉钢 。其中 电炉钢包括电弧炉钢、感应炉钢、电渣钢、电子束熔炼及 有关的真空熔炼钢等。 w 按 脱氧程度不同 可分为 沸腾钢 （不经脱氧或微弱脱氧） 、 镇静钢 （脱氧充分）和 半镇静钢 （脱氧不完全，介于镇 静钢和沸腾钢之间）。 w 按 质量水平 不同可分为 普通钢、优质钢和高级优质钢。 按用途分类 分为三大类：结构钢，工具钢，特殊性能钢。 w 结构钢 是目前生产最多、使用最广的钢种，它包括 碳素 结构钢 和 合金结构钢 ，主要用于制造机器和结构的零件 及建筑工程用的金属结构等。 碳素结构钢 是指用来制造 工程结构件和机械零件用的钢，其硫、磷等杂质含量比 优质钢高些，一般 S0.055% ， P0.045% ， 优质碳 素钢 S和 P均 0.040%。碳素结构钢的价格最低，工 艺性能良好，产量最大，用途最广。 合金结构钢 是在优质碳素结构钢的基础上， 适当地加入一种或数种合金元素，用来提高钢的 强度、韧性和淬透性。合金结构钢根据化学成分 （主要指含碳量）热处理工艺和用途的不同，又 可分为 渗碳钢、调质钢和氮化钢 。 渗碳钢 指用 低碳结构钢制成零部件 ，经表面化学处理 ，淬火并低温回火后，使零件 表面硬度高而心部韧性好 ，既 耐磨又能承受高的交变负荷或冲击负荷。 调质钢 的 含碳量大于 0.25%，所制成的零件经淬火和高 温回火调质处理后，可得到适当的高强度与良好的韧性。 氮化钢 一般是指以 中碳合金结构钢制成零件 ，先经过调 质或表面火焰淬火、高频淬火处理，获得所需要的力学性能 ，最后再进行氮化处理，以进一步改善钢的表面耐磨性能。 工具钢 包括 碳素工具钢 和 合金工具钢 及 高速钢 。 w 碳素工具钢 的硬度主要以含碳量的高低来调整（ 0.65%C1.30% ）， 为了提高钢的综合性能，有的钢中 加入 0.35% 0.60%的锰。 w 合金工具钢 不仅含有 很高碳 ，有的高达 2.30%，而且含有 较 高的铬 ，铬的含量可达到 13%、钨（达 9%）、钼、钒等合金 元素，这类钢主要用于各式模具。 w 高速工具钢 除含有 较高的碳（ 1%左右） 外，还含有 很高的钨 （有的高达 19%）和铬、钒、钼等合金元素，具有较好的赤 热硬性。 特殊性能钢 指的是具有特殊化学性能或力学性能 的钢，如 轴承钢、不锈钢、弹簧钢、高温合金钢 等。 轴承钢 是指用于制造各种环境中工作的各类轴承 圈和滚动体的钢，这类钢 含碳 1%左右 ， 含铬最高 不超过 1.65%，要求具有高而均匀的硬度和耐磨 性，内部组织和化学成分均匀，夹杂物和炭化物 的数量及分布要求高。 w 不锈钢 是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液，或其他腐蚀 介质中具有一定化学稳定性的钢的总称。耐大气、蒸汽和 水等弱介质腐蚀的称为不锈钢，耐酸、碱和盐等强介质腐 蚀的钢称为耐腐蚀钢。 不锈钢具有不锈性，但不一定耐腐 蚀，而耐腐蚀钢则一般都具有较好的不锈性 。 根据化学成分不同，可分为 马氏体不锈钢 (13%Cr钢为 代表 )， 铁素体不锈钢 (18%Cr钢为代表 )， 奥氏体不锈钢 (18%Cr-8%Ni钢代表 )和双相不锈钢。 w 弹簧钢 主要含有硅、锰、铬合金元素，具有高的弹性极限 、高的疲劳强度以及高的冲击韧性和塑性，专门用于制造 螺旋簧及其他形状弹簧，对钢的表面性能及脱碳性能的要 求比一般钢较为严格。 w 高温合金 指的是在应力及高温同时作用下，具有 长时间抗 蠕变能力与高的持久强度和高的抗蚀性的金属材料 ，常用 的有铁基合金、镍基合金、钴基合金，还有铬基合金、钼 基合金及其他合金等。高温合金主要用于制造燃汽轮机、 喷气式发动机等高温下工作零部件。 思考题 1、炼钢的基本任务是什么，通过哪些手段实现 ？ 2、磷和硫对钢产生哪些危害？ 3、实际生产中为什么要将 Mn/S比作为一个 指 标进行控制？ 4、氢和氮对钢产生哪些危害？ 5、外来夹杂和内生夹杂的含义是什么？ ？ 第二章 炼钢基础理论 第一节 装料 2.1 .1 转炉炼钢原料 转炉炼钢的主要原料是铁水，其次还配有部分废钢。 2.1.1.1 铁水 铁水是氧气顶吹转炉的主原料，一般占装入量的 70% 以上。铁水的物理热和化学热是氧气顶吹转炉炼钢过程中 的唯一热源。因此，铁水的温度和化学成分应符合一定要 求，以简化和稳定冶炼操作，并获得良好的技术经济指标 。 2.1.1.1 .1对铁水温度的要求 铁水温度的高低，标志这铁水物理热的多少。较高的 铁水温度可以保证转炉吹炼的顺利进行，同时还能增加废 钢的配加量，降低转炉的生产技术。因此，希望铁水的温 度尽量高些，另外还需要入炉铁水温度相对稳定。 2.1.1.1.2 对铁水成分的要求 转炉炼钢的适应性较强，可将各种成分的铁水吹炼 成钢。但是，为了方便转炉炼钢操作及降低生产成本， 铁水的成分应该合适和稳定。 1、铁水的含硅量 铁水中的硅是转炉炼钢的主要发热元素之一。根据 转炉炼钢的热平衡计算，铁水中的含硅量每增加 0.1%， 废钢比可增加 1.3%-1.5%。 若含硅量低于 0.5%时，铁 水的化学热不足，会导致废钢比下降，小容量转炉甚至 不能正常吹炼。另外，铁水含硅量过低时，石灰溶解困 难，这不仅不利于硫和磷的去除，同时还会因渣量少而 对钢液的覆盖效果差，吹炼时金属飞溅严重，导致冶炼 收得率下降。 反之，如果铁水含硅量高于 0.8%，不仅增加造渣材 料的消耗，而且使炉内的渣量偏大。理论计算表明，铁 水的含硅量每增加 0.1%，吹炼 1t铁水要增加 2kg多的二氧 化硅，同时还需要多加 6kg的石灰，渣量则增加 8kg。过多 的渣量容易引起喷溅，增加金属损失。另外，铁水含硅量 高时，初期渣子的碱度低，对炉衬的侵蚀作用加剧；同时 ，初期渣中的二氧化硅含量高，会使渣中的 FeO、 MnO含 量相对较低，容易在石灰块表面生成一层熔点为 2130 的 2COSO外壳，阻碍石灰熔化，降低成渣速度，不利于早 期的去磷。 2、铁水含的锰量 铁水中的锰是一种有益元素，主要体现在锰氧化后生 成的氧化锰能促进石灰溶解，促进初渣形成而减少萤石的 用量，有利于提高炉龄和减轻氧枪粘钢。有资料表明，如 果铁水中的锰含量从 0.3%提高到 0.9%，萤石的用量可以 减少 82%。但是当锰含量超过 1%时，炉渣太稀，不利于 转炉的吹炼。 3、铁水的含磷量 磷会使钢产生 “冷脆 ”现象，是钢中的有害元素之一。 转炉单渣法吹炼时脱磷效率一般为 85%-90%，考虑到出 钢后回磷及废钢中带入的磷，希望入炉铁水的含磷量小于 0.15%0.20% ，最高不能超过 0.4%。若铁水含磷量过高 ，转炉吹炼需采用双渣法操作，这将会恶化转炉生产的技 术经济指标。 4、铁水的含硫量 硫会使钢产生 “热脆 ”现象，也是钢中的有害原审。 LD 转炉脱硫效果差，单渣法冶炼时的脱硫效率仅为 30% 35%，而通常要求钢液含硫量在 0.03%以下，因此希望铁 水含硫量低于 0.04%0.05% 。 2.1.1.2 废钢 废钢是转炉炼钢的另一种原料，不过在此它是作为冷 却剂使用的。 LD炼钢中，铁水的物理热和化学热足以把 熔池的温度从 12501300 加热到 1600 左右的炼钢 温度，且有富余热量，废钢就是用来消耗这些富余热量 ，以控制熔池温度的 。 2.1.2 转炉的装入制度 转炉的装入制度包括装入量、废钢比及装料顺序三 个问题。 2.1.2.1 装入量的确定 转炉的装入量是指每炉装入铁水和废钢两种金属炉 料的总量。生产时间表明，对于不同容积的转炉以及同 一转炉在不同冶炼条件下，都有其不同而合理的装入量 。装入量过大，会导致吹炼过程中的喷溅加剧而被迫降 低供氧强度，从而使氧射流对熔池的搅拌力下降，成渣 变慢，炉衬寿命缩短；反之，装入量过小，不仅使转炉 生产能力得不到充分发挥，产量低，而且由于熔池过浅 ，使炉底容易被氧气射流冲蚀而过早损坏。目前控制 LD 转 炉装入量的方法有以下三种。 1、定量装入法 所谓定量装入，是指在整个炉役期内，每炉的装入 量保持不变的装料方法。这种方法的优点是，生产组织 简单、便于实现吹炼过程中的计算机自动控制。其问题 是，容易造成炉役前期的装入量偏大而熔池较深，炉役 后期的装入量偏小而熔池较浅。转炉容量越小，炉役前 后期的这种差别越大。因此，定量装入法适用于大转炉 。 2、定深装入法 所谓定深装入，是指在一个炉役期间，随着炉衬的 侵蚀，炉子实际有效容积不断扩大，从而逐渐增加装入 量，以保证熔池深度不变的装料方法。该法优点是，氧 枪操作稳定，有利于提高供氧强度并减轻喷溅。其问题 是，定深装入法的装入量和出钢量变化频繁，生产组织 难度大。 3、分阶段定量装入法。 该法是根据炉衬的侵蚀规律和炉膛的扩大程度，将 一个炉役期划分为 35 个阶段，每个阶段实行定量装入 ，装入量逐段递增。分阶段定量装入法大体上保持了适 当的熔池深度，可以满足吹炼工艺的要求，又保证了装 入量的相对稳定，便于组织生产。中小转炉普遍使用此 法。在确定各阶段的装入量时应考虑下列因素： （ 1）熔池深度要合理。生产实践证明，熔池的深度 H为 氧气射流对熔池的最大冲击深度 h的 1.52.0 倍时较为合 理。既能防止氧气射流冲蚀炉底，同时又能保证氧气射 流对熔池有良好的搅拌。 （ 2）炉容比（ V/T）要合适。转炉的工作容积，也称有 效容积，以 “V”表示，公称吨位用 “T”表示，两者之比值 “V T”称之为炉容比，单位为 (m3 t)。转炉生产率的高 低以及吹炼中的喷溅情况都和炉容比的大小密切相关。 炉容比过大，会增加设备重量、厂房高度和耐火材料消耗 量，因而使整个车间的费用增加，成本提高，对钢的质量 也有不良影响；而炉容比过小，炉内没有足够的反应空间 ，势必引起喷溅，对炉衬的冲刷加剧，操作恶化，导致金 属消耗增高，炉衬寿命降低，不利于提高生产率。目前， 国内外转炉的炉容比通常为 0.81.0 。一般说来，转炉容 量小、铁水含硅或含磷高、供氧强度大及用氧化铁皮做冷 却剂时，炉容比取上限；反之，则取下限。 2.1.2.2 废钢比 废钢的加入量占金属料装入量的百分比称为废钢比。 提高废钢比，可以减少铁水的用量，从而有助于降低转炉 的生产成本；同时可减少石灰的用量和渣量，有利于减轻 吹炼中的喷溅，提高了金属收得率；还可以缩短吹炼时间 、减少氧气消耗和增加产量。 2.1.2.3 装料顺序 LD转炉的装料顺序，一般情况下是先加废钢后兑铁水 ，以避免废钢表面有水或炉内渣未倒净装料时引起爆炸。 炉役后期，为使其免受废钢的直接冲击，在确认废钢干燥 及渣已倒净或已加石灰稠化的条件下，可先兑铁水后加废 钢。 第二节 供氧 炼钢的基本任务是靠向熔池供氧，造碱性渣，去除 原料中的杂质，得到成分和温度合格的钢水。因此可以 说供氧是炼钢过程进行的中心环节。 2.2.1 熔池中氧的来源 熔池内氧的主要来源于直接吹氧、加矿分解和炉气 供氧三个方面。 2.2.1.1 直接吹氧 直接吹入氧气是炼钢生产中向熔池供氧的最主要方法 。目前炼钢所用的氧都是由工业制氧机分离空气所得。 通常要求氧气的含氧量不低于 98.5%，水分不能超过 3g/m3，而且具有一定的压力。 LD转炉为了获得较高的脱碳速度，缩短冶炼时间，采 用高压氧气经水冷氧枪从熔池上方垂直向下吹入的方式供 氧，而且氧枪的喷头是拉瓦尔型的，工作氧压 0.5 1.1Mpa，氧气流股的出口速度高达 450500m/s ，即属 于超音速射流。超音速氧流有足够的动能去冲击、搅拌熔 池，改善脱碳反应的动力学条件，加速反应的进行。在转 炉内超音速射流向前流动，与周围介质进行物质和能量交 换，其流速逐渐变慢，断面积逐渐增大，温度逐渐升高。 2.2.1.2 加入铁矿石和氧化铁皮 铁矿石和氧化铁皮是作为冷却剂加入的，因为它们主 要都是以铁的氧化物形式存在的，加入熔池后， 随着升 温、熔化并溶解，可提高渣中（ FeO）的含量，从而会向 熔池中供氧。 2.2.1.3 炉气传氧 如果炼钢炉内炉气中氧的分压大于渣中氧化亚铁的分 解压，同时又大于钢液中氧化亚铁的分解压时，气相中的 氧就会不断地传入熔池。有研究表明，在炼钢温度下， 氧化性熔渣中（ FeO）的分解压约为 10-2Pa，钢液中 FeO 分解压约为 10-410-5Pa ，而 LD转炉炉气中氧 的分压接近于 1atm。可见，在氧化精炼过程中，炼钢炉 内具备了炉气向熔池传氧的条件，气相中的氧会不断地 传入熔渣和钢液。 2.2.2 转炉的供氧制度 如何合理的向熔池供氧以便得到最佳的冶炼条件， 在生产上也称供氧制度。包括两个方面：根据原料，炉 子吨位，设计好的氧枪；制定合理的氧枪操作制度。 因此，选定氧枪后，要确定供氧制度，只需要制定合理 的氧枪操作制度，它包括：确定恰当的供氧强度，确定 供氧压力，确定合理的枪位及在吹炼过程中如何调节枪 位。 2.2.2.1 供氧强度 所谓供氧强度，是指单位时间内向每吨金属供给的标 准状态氧气量的多少，即：供氧强度（ m/（ tmin） =每 吨金属需氧量（ m/t） /供养时间（ min）。 生产实践表明，容量为 3050 吨的转炉，供氧强度为 2.84.0 m/ （ tmin） ,120150 吨的转炉，供氧强度为 2.53.5 m/ （ tmin）。国外大型转炉的供氧强度一般为 2.54.0 m/ （ tmin）。 2.2.2.2 供氧压力 氧气的压力是转炉炼钢中供氧操作的一个重要参数。 对于同一氧枪来说，提高氧气压力可以增加供氧强度而缩 短冶炼时间。但是枪位一定时，过分增大氧压会引起严重 喷溅，同时氧气射流对熔池的冲击深度也会增加，从而有 冲蚀炉底的危险。合适的供氧压力，一般是先经验选定， 然后在使用中修正。转炉中涉及的氧气压力主要是喷头前 的绝对压力 p0和使用压力 p用 （表压）。 喷头前的氧压 p0是设计喷头和确定吹炼制度时的原始 参数。根据经验，小型转炉的 p0一般为 0.40.7Mpa ，大 型转炉的 p0则为 0.81.1Mpa 。 通常所说的供氧压力，是指转炉车间内氧气压力测定点的 表压值，又称使用压力，常以 p用 表示。使用压力 p用 与喷 头前压力 p0间的关系为： p用 = p0-0.1+（ 0.150.25 ） MPa 实际供氧压力允许有约 45%的正偏差，特别是在采用 分阶段定量装入法时，随着装入量的递增，要相应提高供 氧压力，以增大供氧量。 2.2.2.3 枪位及其控制 转炉炼钢中的枪位，通常定义为氧枪喷头至平静熔池 液面的距离。这一距离较大时，称高枪位，反之称低枪位 。枪位高低是转炉吹炼过程中的一个重要参数，它不仅与 熔池内钢液环流运动的强弱有直接关系，而且对转炉内的 传氧情况有重大影响。 一、 枪位与熔池内钢液环流的关系 转炉炼钢中，氧气流股不断冲击熔池，在熔池中央 冲出一个 “凹 ”坑，该坑的深度常被叫做氧气射流的冲击 深度，坑口的面积被称为氧气射流的冲击面积；与此同 时，到达坑底后的氧气射流形成反射流股，通过与钢液 的摩擦力引起熔池内的钢液进行环流运动，改善了炉内 化学反应的动力学条件，对加速冶炼有重要意义。 在吹炼过程中，采用低枪位或高氧压的吹氧操作称 为 “硬吹 ”。（如图 2-1）硬吹时，氧气射流与熔池接触时 的速度较快，断面积较小，因而熔池中央呗冲出一个面 积较小而深度较大的作用区。该区内温度高达 2200 2700 ，而且钢液被粉碎成细小的液滴，从坑的内壁的 切线方向溅出，形成很强的反射流股，从而带动钢液进 行剧烈的循环流动，几乎使整个熔池都得到了强有力的 搅拌。 采用高枪位或低氧压的吹氧操作称为 “软吹 ”。（如图 2 -1）软吹时，与熔池接触的氧气射流速度较慢、断面积较 大，因而其冲击深度较小而冲击面积较大，同时产生的反 射流股也较弱，钢液因此而形成的环流也就相对较弱，氧 气对熔池的搅拌效果较差。 转炉的吹氧操作有三种类型，即恒氧压变枪位操作、 恒枪位变氧压操作和变枪位变氧压操作。所谓恒氧压变枪 位操作，是指在一炉钢的吹炼过程中的氧气的压力保持不 变，而通过变枪位来调节氧气射流对熔池的冲击深度和冲 击面积，以控制冶炼过程顺利进行的吹氧方法。生产实践 证明，这种方法能根据一炉钢冶炼过程中各阶段的特点灵 活地控制炉内的反应，吹炼平稳、金属损失少，去磷硫效 果好，国内外各厂普遍采用这种方法。恒枪位变氧压的操 作比较简单，但是吹炼效果不太理想，而且要求铁水成分 和温度波动范围较小。变枪位变氧压操作，不但可以化渣 迅速，而且可以提高吹炼前期和后期的供氧强度，缩短冶 炼时间。但是这种方法要求技术水平高，不容易掌握。如 今，国内外炼钢厂普遍采用的是分阶段恒氧压变枪位操作 。 二、 枪位对炉内传氧的影响 LD转炉的传氧方式有两种：直接传氧和间接传氧。它 们分别发生在不同的冶炼条件即枪位下。 1、直接传氧 所谓直接传氧，是指吹入熔池的氧气被钢液直接吸收 的传氧方式。 硬吹时，转炉内的传氧方式主要是直接传氧 。其传氧途径主要有一下两个： （ 1）通过金属液滴直接传氧 硬吹时，氧气射流强烈冲击熔池而溅起来的那些金属 液滴被气相中的氧气氧化，其表面形成一层富氧的 FeO渣 膜。这种带有 FeO渣膜的金属液滴很快落入熔池，并随其 中的钢液一起进行环流而成为氧的主要传递者。其传氧过 程如下： a、吹入的氧与溅起的金属液滴接触，气态的氧呗金 属液滴表面吸附并分解成原子态的氧。 b、被吸附的原子态的氧使金属液滴表面氧化，产生 FeO渣膜；同时，有一部分原子态的氧进入金属液滴中。 c、进行环流运动过程中，金属液滴表面的 FeO渣膜 大量消耗于沿途的杂质元素的间接氧化，余者则进入渣中 ；与此同时，溶于金属液滴内的氧也将周围的杂质元素氧 化。 （ 2）通过乳浊液直接传氧 高压氧气射流自上而下吹入熔池，将熔池冲出一个凹 坑的同时，射流末端也被碎裂成许多小气泡。这些小氧气 泡与氧气射流击碎的金属液和熔渣一起形成了三相乳浊液 ，其中的金属液滴可将小气泡中的氧直接吸收。熔池的乳 化极大地增加了钢液、熔渣、氧气三者之间的接触面积， 一般情况可达 0.6 1.5 / ，从而大大加快炉内的传氧速 度。这也是氧气转炉比电弧炉的冶炼速度快许多的主要原 因。 (2)间接传氧 所谓间接传氧，是指吹入炉内的氧气经熔渣传入钢液 的传氧方式。 软吹时，因为氧气射流对金属熔池的冲击相 对较弱而冲击深度较小，因而生成的金属液滴和小气泡数 量较少，熔池的乳化程度也较低，直接传氧作用大为减弱 。但是，此时氧气射流与熔池的作用面积相对较大，因此 ， “熔渣先被氧气射流氧化，继而再将氧传给钢液 ” 的间接 传氧作用则会明显加强。具体传氧过程如下： a、炉渣中的低价氧化铁被氧气射流氧化成高价氧化铁。 b、含有高价氧化铁的熔渣被吹离作用区，在与别处的钢 液接触时被还原成低价氧化物。 c、当渣中的（ FeO）含量较高时，按分配定律部分地转 入钢液。 软吹时间接传氧作用强，渣中（ FeO）含量较高，化 渣能力较强；但由于直接传氧作用很弱，杂质元素的氧化 速度较慢。 三、 枪位控制 转炉炼钢中枪位控制的基本原则是，根据吹炼中出现 的具体情况及时进行相应的调整，力争做到既不出现 “喷 溅 ” ，又不产生 “返干 ”，使冶炼过程顺利到达终点。 1 一炉钢吹炼过程中枪位的变化 一炉钢吹炼的不同阶段，转炉内的熔渣组成、钢液成 分、熔池温度及所进行的化学反应等均不相同，因此向炉 内供氧的条件也不同。在目前的供氧压力 0.5 1.1MPa情 况下，三孔拉瓦尔喷头氧枪的枪位（ H， mm）在吹炼中 的变化范围与喷头喉口直径（ d， mm）的经验关系式为： H=（ 35 55） d 而枪位的变化规律通常是： 高 低 高 低 。 吹炼前期，炉内反应的主要特点是，铁水的硅迅速氧 化，渣中的酸性氧化物（ SiO2）快速增加，同时熔池温度 尚低。此时要加入大量石灰尽快形成碱度不低于 1.5 1.7 的熔渣，缩短酸性渣的过度时间，以减轻炉衬损失和增加 前期的去磷量。所以，吹炼前期应采用较高的枪位，使渣 中的氧化铁稳定在 25%左右，迅速在所加入的石灰表面形 成熔点仅为 1205 的 CaOFeOSiO2，加速石灰的溶解。 若枪位过低，将会导致渣中的（ FeO）不足而在石灰块的 表面生成熔点高达 2130 的 2 CaOSiO2，阻碍石灰的熔 化 .但枪位也不可过高，否则渣中（ FeO）过多引起炉渣严 重泡沫化而产生喷溅。最佳的枪位应控制在使炉内熔渣适 当泡沫化又不产生喷溅。 吹炼中期，炉内渣子已化好，硅、锰的氧化已近结束 ，熔池温度也较高，碳氧反应开始加速。此时应适当降低 枪位，以防喷溅，同时配合脱碳反应所需的供氧条件。激 烈的碳氧反应也会消耗大量渣中（ FeO）。如果 渣中（ FeO）降低过多，会使炉渣熔点升高甚至出现高熔点的 硅酸钙固态颗粒使炉渣黏度增大，这种现象称为 炉渣 “返 干 ”；同时也会因钢液表面裸露出现金属飞溅的情况。为 此，中期的枪位也不宜过低，应使渣中（ FeO）保持在 10% 15%的范围内。 吹炼后期，炉内的碳氧反应已较弱，因炉渣严重泡沫 化而产生喷溅的可能性较小，此时主要任务是调整好炉渣 的氧化性和流动性，继续去磷；同时，通过高温、高碱度 的炉渣去除钢液中的硫；准确控制终点。所以此阶段应先 提枪化渣，接近终点时再适当降枪，以加强对熔池的搅拌 ，均匀钢液成分和温度，同时降低终渣中（ FeO）含量 ，提高金属和合金的收得率，并减轻熔渣对炉衬的侵蚀。 2 生产条件改变时调节氧枪的基本原则 影响枪位的因素主要是熔池深度、铁水温度和成分、 石灰的质量及用量和供氧压力等。 渣量一定时，熔池越深，渣层就越厚，也越难化渣， 同时吹炼中熔池液面上涨也越多。因此在不引起喷溅前提 下枪位应高些，以免化渣困难。生产中，凡是影响熔池深 度的因素发生变化时，均需相应调整枪位。例如，铁水配 比高时，冶炼中渣量大，熔池深度增加，枪位应相应提高 ；炉役后期，熔池变浅，枪位应相应低些。 铁水温度低时，开吹后应先低枪提温，再提枪化渣； 铁水含硅量高时，渣量大，吹炼前期枪位不宜过高，以免 发生严重喷溅。 石灰的质量低劣或因铁水含磷高而加入量较大时，冶 炼中化渣较困难，枪位应相应提高；反之，化渣的枪位可 降低些。 就氧气射流对熔池的作用而言，提高氧压与降低枪位 的效果相同。因此在供氧压力不足时，枪位应相应低些， 反之高些。 另外，氧枪喷头的结构有单孔和多孔之分。单孔喷头 的化渣能力差，枪位应控制的高些；而采用多孔喷头时， 枪位应相对低些。生产中喷头已确定，不必考虑。 2.2.2.4 复吹转炉原理及工艺 一、 简介 二、 原理及工艺 三、 冶金效果 思考题 1、炼钢熔池内氧的来源？ 2、何谓供氧强度？熔渣 “返干 ”？ 3、转炉吹氧操作有哪几种？各有何特点？ 4、何谓直接传氧？间接传氧？ 5、简述转炉吹炼前、中、后期炉内的冶炼环境及枪位的 控制？ 6、转炉生产中影响氧枪枪位的因素有哪些？ 第三节 造渣 2.3.1 造氧化渣的目的及要求 目前的炼钢渣主要有氧化渣和还原渣两种，为了强化 去磷和去硫过程，两者均为碱性渣，不同的是，它们对渣 中（ FeO）的含量要求不同。 LD转炉的炉渣均为氧化渣。造氧化渣的主要目的是为 了去除钢中的磷，并通过氧化渣向熔池传氧。造氧化渣就 是要使熔渣具有适于脱磷反应的理化性质，同时精心控制 造渣过程，以充分去除钢中的磷，并减少对炉衬的侵蚀。 炼钢过程对氧化渣的要求是： 较高的碱度、较强的氧化性 、适量的渣量、良好的流动性及适当的泡沫化 。 1、碱度的控制。碱度是炉渣酸碱性的衡量指标，是有效 去磷的必须条件，常用二元碱度表示，即 R=（ CaO） / （ SiO2）。理 论 研究表明，渣中 （ FeO）含量相同的 条件下， R=1.87时其活度最大，炉渣氧化性最强。 LD转 炉炼钢中，通常碱度控制在 2.4 2.8的范围内；对于含磷 较高或冶炼低硫钢种的情况，碱度则控制在 3.0以上。 2、渣中的（ FeO）含量。渣中（ FeO）含量的高低， 标志着炉渣氧化性的强弱及去磷能力的大小。碱度一定时 ，炉渣的氧化性随着渣中（ FeO）含量的增加而增强。 但过高的（ FeO）含量使得炉渣过稀易产生喷溅，同时 会加速炉衬的侵蚀及铁的损耗。生产中通常将渣中（ FeO）含量控制在 10% 20%之间，有时高达 30%，但 要求终渣中的（ FeO）在满足石灰完全溶解的条件下尽 量低。 3、渣量的控制。其他条件不变的情况下，增大渣量可增 加冶炼过程中的去磷量。但增大渣量会增加造渣材料的消 耗和铁损，还会给冶炼带来诸多不便，如喷溅、粘枪等。 因此，生产中控制渣量的原则是，在保证完成脱磷、脱硫 条件下，采用最小渣量操作。 LD转炉一般情况下适宜的 渣量约为钢液量的 10% 12%。 4、炉渣的流动性。对于去磷、去硫这些双相界面反应来 说，物质的扩散是限制性 环节，保证熔渣具有良好的流 动性十分重要。影响炉渣流动性的主要因素是 温度 和 成分 。 但去磷反应是放热反应，不希望温度太高，因此生产中应 适当增加渣中（ FeO）和（ CaF2）等稀渣成分的含量，使 碱性氧化渣在温度不高的情况下也具有良好的流动性。 5、炉渣的泡沫化。泡沫化的炉渣，使钢 -渣两相界面积大 为增加，改善了去磷、去硫等两相反应的动力学的条件。 但应避免炉渣严重的泡沫化，以防喷溅。 2