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转炉炼钢的基本任务及原理 1 转炉炼钢 转炉炼钢 convertersteelmaking 是以铁水 废钢 铁合金为主要原料 不借助外加能源 靠铁液本身的物理热和铁液组分间化学反应产生热量而在转炉中完成炼钢过程 转炉按耐火材料分为酸性和碱性 按气体吹入炉内的部位有顶吹 底吹和侧吹 按气体种类为分空气转炉和氧气转炉 碱性氧气顶吹和顶底复吹转炉由于其生产速度快 产量大 单炉产量高 成本低 投资少 为目前使用最普遍的炼钢设备 转炉主要用于生产碳钢 合金钢及铜和镍的冶炼 2 转炉炼钢图示 3 炼钢的基本任务包括 1 脱碳 脱磷 脱硫 脱氧 2 去除有害气体和夹杂 3 提高温度 4 调整成分炼钢过程通过供氧 造渣 加合金 搅拌 升温等手段完成炼钢基本任务 氧气顶吹转炉炼钢过程 主要是降碳 升温 脱磷 脱硫以及脱氧和合金化等高温物理化学反应的过程 其工艺操作则是控制供氧 造渣 温度及加入合金材料等 以获得所要求的钢液 并浇成合格钢钢锭或铸坯 1 1转炉炼钢的基本任务 4 1 2 1转炉里的氧气射流 转炉中的氧气射流具有以下特征 1 喷头出口处氧气流股达超音速转炉所用氧枪采用拉瓦尔喷头 且尺寸按P出 P0 0 5283要求设计 通常M高达1 5 2 2 流股的展开和衰减慢 动能利用率高 对熔池的搅拌力强 2 射流的速度渐慢 截面积渐大射流进入炉膛后 由于受反向气流 向上的炉气 的作用而速度逐渐变慢 同时 由于吸收部分炉气而断面逐渐变大 扩张角120左右 5 1 2 2转炉里的氧气射流 3 射流的温度渐高射流进入炉膛后被1450 的炉气逐渐加热 加之混入射流的炉气 CO 及金属滴被氧化放热 使射流的温度逐渐升高 模拟实验表明 距喷头孔径15 20倍处射流的温度在1300 1600 之间 距喷头孔径35 40倍处射流的温度高达2150 2300 有人称转炉里的氧气射流就象一个高温火炬 6 1 2 3底吹气体对熔池的作用 搅拌熔池气泡对喷孔产生后座喷入熔池的气体形成气泡时 残余气袋在距喷孔直径二倍的地方受到液体的挤压而断裂 气相内回流压向喷孔端面 这一现象称为气泡对喷孔的后座 实际生产中 从底部喷入熔池的气流一般为亚音速 除在喷嘴处可能存在一段连续流股外 喷入的气体将形成大小不一的气泡并自动上浮 气泡群在上浮过程中 因压力减小而膨胀 并驱动 抽引金属液向上运动 而后沿四周炉壁向下 并补向中心 从而对熔池尤其是其底部产生强烈的搅拌 7 1 3转炉炼钢炉渣 1 3 1炼钢炉渣的作用1 3 2炼钢炉渣的来源及其组成1 3 3炼钢炉渣的主要性质 8 1 3 1炼钢炉渣的作用 作用 通过对炉渣成分 性能及数量的调整 可以控制金属中各元素的氧化和还原过程 向钢中输送氧以氧化各种杂质 吸收钢液中的非金属夹杂物 并防止钢液吸气 H N 其它作用 如 保护渣 副作用 侵蚀炉衬 降低金属收得率 9 1 3 2炼钢炉渣的来源及其组成 炼钢炉渣的来源 加入的各种造渣材料及被侵蚀炉衬 炼钢中化学反应的产物 氧化物和硫化物 废钢带入得泥沙和铁锈 氧化物或冷却剂带入的脉石 炉渣的组成以各种金属氧化物为主 并含有少量硫化物和氟化物 炼钢炉渣的基本体系是CaO SiO2 FeO 10 1 3 3炼钢炉渣的主要性质 碱度 basicity R 1 3 1 5 低碱度渣 R 1 8 2 0 中碱度渣 R 2 5 高碱度渣 氧化性 炉渣向金属熔池传氧的能力 一般以渣中氧化铁 FeO 含量来表示 把Fe2O3折合成FeO有两种计算方法 全氧法和全铁法 全铁法较合理 炉渣的氧化能力是个综合的概念 其传氧能力还受炉渣粘度 熔池搅拌强度 供氧速度等因素的影响 11 1 3 4炉渣成分的变化规律 冶炼过程中 转炉中熔渣成分的变化规律大致如下 1 FeO 呈下凹弧形变化 吹炼初期 为了化渣枪位较高 渣中的 FeO 含量高达28 复吹为16 中期随脱碳进行 FeO 被大量消耗而逐渐降至12 以下 太低 出现返干 复吹为6 随着 C 的减少 脱碳速度下降 FeO 的浓度又渐升至15 复吹为12 2 CaO 随着所加石灰的溶化 渣中的 CaO 含量渐升至50 中期因炉渣 返干 溶化很慢甚至停止 3 SiO2 和 MnO 吹炼初期 硅 锰的氧化使之浓度很快分别达到20 和14 而后随着所加石灰的熔化逐渐降低至10 和6 12 物料平衡 热平衡 转炉冶炼的基本原理 13 2转炉冶炼的基本反应 主要阐述转炉吹炼过程中的硅锰氧化 脱碳 脱硫和脱磷等基本反应及熔体成分的变化情况 为学习后面的工艺内容作好理论准备 硅锰的氧化 脱碳 脱硫和脱磷是炼钢的基本反应 但在转炉炼钢中又有其特殊性 14 2 1转炉内的基本反应 从装料到出钢 倒渣 转炉一炉钢的冶炼过程包括装料 吹炼 脱氧出钢 溅渣护炉和倒渣几个阶段 如右图所示 一炉钢的吹氧时间通常为12 18min 冶炼周期为40min左右 一炉钢冶炼过程 15 2 1 2炼钢熔池中氧的来源 氧的来源 直接向熔池中吹入工业纯氧 98 向熔池中加入富铁矿 炉气中的氧传入熔池 铁液中元素的氧化方式有两种 直接氧化 directoxidation 和间接氧化 indirectoxidation 16 2 1 3直接氧化方式 直接氧化是指氧气直接与铁液中的元素产生氧化反应 当向铁液中吹入氧气时 如果在铁液与气相界面有被溶解的元素如 Si Mn C 虽有大量的铁原子存在 但根据元素的氧化次序 Si Mn C 将优先于铁而被氧化 反应可写为 C 1 2 O CO Si O2 SiO2 Mn 1 2 O2 MnO 在氧气转炉炼钢时氧气流股冲击铁液形成一个冲击坑 氧气与铁液直接接触 易产生元素的直接氧化 17 吹入的氧气由于动力学的原因首先与铁液中的Fe原子反应形成FeO进入炉渣同时使铁液中溶解氧 O 炉渣中的 FeO 和溶解在铁液中的 O 再与元素发生间接氧化 其反应为 O2 Fe FeO FeO Fe O 如 2 O Si SiO2 或2 FeO Si 2Fe SiO2 在渣 金界面上往往产生元素的间接氧化反应 2 1 3间接氧化方式 18 2 1 4炼钢熔池中元素的氧化次序 溶解在铁液中的元素的氧化次序可以通过与1molO2的氧化反应的标准吉布斯自由能变化来判断 在标准状态下 反应的 Go负值越多 该元素被氧化的趋势就越大 则该元素就优先被大量氧化 铁液中常规元素与氧反应的标准吉布斯自由能变化与温度的关系绘制成图 19 1 Cu Ni Mo W等元素氧化的 Go线都在Fe氧化 Go线之上 从热力学角度来说 在炼钢吹氧过程中这些元素将受到Fe的保护而不氧化 2 Cr Mn V Nb等元素的氧化程度随冶炼温度而定 3 Al Ti Si B等元素氧化的 Go线在图中位于较低的位置 它们最易氧化 在实际生产中 这些元素作为强脱氧剂使用 注意 虽然在炼钢温度下 Fe氧化的 Go线高于其它元素氧化的 Go线 但由于铁液中大多数为Fe原子 氧与Fe原子接触机会多 故在实际上Fe还是会氧化 20 1 转炉炼钢中的脱碳转炉炼钢的主原料 铁水中含有4 左右的碳 远高于钢种的要求 因此脱碳是转炉炼钢的主要任务之一 2 2转炉内熔体成分变化 21 脱碳反应的作用 脱碳反应除了调整钢液碳含量的作用外 其反应产物CO气体的上浮排除使得脱碳反应给炼钢带来独特的作用 促进熔池成分 温度均匀 提高化学反应速度 降低钢液中的气体含量和夹杂物数量 造成喷溅和溢出 22 2 2 1脱碳反应 转炉中的脱碳反应以间接氧化为主 FeO C CO Fe 这是一个吸热反应 因此 熔池温度升高至1500 左右后脱碳反应方能激烈进行 在氧气射流的作用区 还会发生碳的直接氧化 1 2 O2 C CO 它是强放热反应 故而 碳是转炉炼钢的主要热源之一 复吹转炉底吹CO2气体时 CO2也会参与碳的氧化 CO2 C 2 CO 因此会强化炉内的脱碳反应 C 与氧的反应有 在渣 金界面上 C FeO CO Fe C O CO 在气 金界面上 C 1 2 O2 CO 23 2 2 2脱碳速度及影响因素 转炉中脱碳速度呈三段台阶式变化 1 第一阶段冶炼初期 熔池温度低 主要是硅锰的氧化 脱碳速度很慢 研究发现 当铁水中的硅当量即 Si 0 25 Mn 1时 脱碳速度趋于零 随吹炼进行 硅锰含量下降 温度也渐高 近1400 时碳开始氧化 速度直线上升 故称该阶段为硅锰控制阶段 复吹转炉由于有底吹搅拌 脱碳反应开始较早 而且速度增加平稳 24 2 第二阶段冶炼中期 是碳激烈氧化阶段 脱碳速度主要受供氧强度的影响 即氧的传输是限制性环节 供氧强度越大 脱碳速度也越大 但过大易产生喷溅 复吹转炉由于FeO控制得较低 最大速度不及顶吹转炉 吹炼中不易喷溅但全程的平均速度较之还要大些 3 第三阶段当钢液含碳量降低到一定程度时 碳的扩散成为限制性环节 脱碳速度取决于熔池搅拌情况 2 2 3脱碳速度及影响因素 25 2 2 4临界含碳量 转炉炼钢中 脱碳反应速度由氧的扩散控制转成由碳的扩散控制时的钢液含碳量称为临界含碳量 顶吹转炉的临界含碳量为0 10 左右 而复吹转炉由于有底吹搅拌其临界含碳量则为0 07 而且 同为临界含碳量以下时 复吹的脱碳速度也大些 26 熔池中氧与碳生成 CO 气泡上浮 C O m 常数0 002 0 0025 C 与 O 成反比 冶炼初期 碳的氧化速度较慢 温低及Si Mn的氧化 进入中期后脱碳速度迅速增大 硅 锰氧化结束 熔池温度也已升至1400 以上 终点前20 时间脱碳速度又逐渐慢 因 C 已较低 碳的扩散成了限制性环节 2 2 5碳的变化规律小结 27 2 3转炉冶炼脱磷反应 P对钢材性能的影响恶化钢的焊接性能 降低钢材的塑性和韧性 使钢产生冷脆性 即在低温条件下钢材的冲击韧性明显降低 提高易切削钢的切削性能 改善钢液的流动性 提高铸造性能 提高合金钢耐大气和海水腐蚀性能 能提高电工用硅钢的导磁率 28 2 3 1脱磷反应放热 脱P反应2 P 5 FeO P2O5 5Fe P2O5 FeO 3 FeO P2O5 不稳定3 FeO P2O5 3 CaO 3 CaO P2O5 3 FeO 能稳定存在于渣中 反应地点 渣钢界面 总反应式 2 P 5 FeO 4 CaO 4 CaO P2O5 5 Fe 29 2 3 2脱P反应影响因素 炉渣碱度 R高 有利温度 T低 有利 1450 1500 渣量 渣量高 有利渣中 FeO 量 FeO 高 有利 30 钢液回P现象 在冶炼或出钢过程中 如果炉内热力学条件或动力学条件发生变化 而导致炉温太高 R FeO过低 会导致已脱除到渣中的P重新返回到钢液中 这个过程成为回P 1 炉温过高 2 冶炼结束向炉内或钢包中加入铁合金等脱氧 使渣中FeO降低 脱P产物使碱度降低3 铁合金本身带入一定量的P防止回P措施 防止下渣 即防止炉渣进入钢包 采用的方法是 出渣前加石灰稠化渣 并挡渣出钢 出钢时向钢包中投入石灰 保持碱度 2 3 3钢液回磷 31 低温 适宜的高碱度 高氧化性利于脱 P 吹炼前期应使石灰快速成渣 将 3FeO P2O5 置换为 3CaO P2O5 和 4CaO P2O5 稳定化合物 使 P 去除 冶炼初期 脱磷速度较快 温低 冶炼中期脱磷速度明显下降 甚至停止或发生 回磷 温度渐高 且脱碳速度加快 大量消耗渣中的 FeO 甚至引起炉渣 返干 冶炼后期 若控制得当脱磷反应仍能缓慢进行 熔池温度虽较高 但脱碳速度较小 渣中的 FeO 高 炉渣碱度也较高 2 3 4碳的变化规律小结 2 3 4磷的变化规律小结 32 2 4转炉冶炼脱硫反应吸热 S对钢材性能的影响热脆现象 即钢锭或钢坯在高温条件 如1100度 下进行轧制时 会产生断裂现象 对钢的力学性能产生不利影响 使钢的焊接性能降低 改善易切削钢的切削性能 33 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 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 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 2 4 1转炉冶炼脱硫反应吸热 34 2 4 2脱硫反应 吸热 炉渣脱硫的反应式为 FeS CaO CaS FeO 吸热它的基本条件是高碱度 高温度和低氧化铁 炉渣碱度 R高 有利温度 T高 有利渣量 渣多 有利渣中 FeO 量 FeO 低 有利钢 渣搅拌情况 35 高温利于脱 S 渣中 CaO 活度大 利于脱 S 但转炉渣的氧化性高 因此转炉的脱 S 效率低 几乎成直线缓慢下降 吹炼中期 碳的激烈氧化使渣中的 FeO 急剧下降而出现 返干 脱硫停止 初期 虽温低 但铁水含碳高 硫的活度系数大而具有一定的脱硫能力 后期FeO高 但B高 T高 因而也能脱硫 2 4 3硫的变化规律小结 36 2 5转炉其他元素变化 1 硅 锰的氧化 炼钢中硅 锰的氧化以间接氧化方式为主 其反应式为 Si 2 FeO SiO2 2Fe放热 Mn FeO MnO Fe放热二者均是放热反应 因此它们都是在熔池温度相对较低的吹炼初期被大量氧化 由于硅的氧化产物是酸性的SiO2 而锰的氧化产物是碱性的MnO 因此在目前的碱性操作中硅氧化得很彻底 即使后期温度升高后也不会被还原 而锰则氧化得不彻底 而且冶炼后期熔池温度升高后还会发生还原反应 即吹炼结束时钢液中还有一定数量的锰存在 称 余锰 37 硅的氧化对熔池温度 熔渣碱度和其他元素的氧化产生影响 Si 氧化可使熔池温度升高 Si 氧化后生成 SiO2 降低熔渣碱度 熔渣碱度影响脱磷 脱硫 熔池中 C 的氧化反应只有到 Si 0 15时 才能激烈进行 影响硅氧化规律的主要因素 Si 与 O 的亲和力 熔池温度 熔渣碱度和FeO活度 2 5 1硅 锰的变化 38 2 5 2余锰或残锰 锰的氧化产物是碱性氧化物 在吹炼前期形成 MnO SiO2 但随着吹炼的进行和渣中CaO含量的增加 会发生 MnO SiO2 2 CaO 2CaO SiO2 MnO MnO 呈自由状态 吹炼后期炉温升高后 MnO 被还原 即 MnO C Mn CO 或 MnO Fe FeO Mn 吹炼终了时 钢中的锰含量也称余锰或残锰 残锰高 可以降低钢中硫的危害 但冶炼工业纯铁 则要求残锰越低越好 39 2 5 2余锰或残锰 影响残锰的因素 炉温高有利于 MnO 的还原 残锰量高 碱度升高 可提高自由 MnO 浓度 残锰量增加 降低熔渣中 FeO 含量 可提高残锰含量 铁水中锰含量高 单渣操作 钢水残锰也会高些 40 开吹时 Si 大量氧化 并结合为 2FeO SiO2 随石灰溶解转变为稳定化合物 2CaO S