工艺技术_转炉炼钢造渣制度教材

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 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 7 8 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 2CaOSiO2 的混合晶体 6 转炉炼钢造渣制度 吹炼中期 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8 9 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2CaOSiO2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CaOSiO2 3CaO2SiO2 2CaOSiO2和3CaOSiO2等产物 其中最可能和最稳定乃是熔点2130 为的2CaOSiO2 P198 199 9 10 吹炼末期 Vc下降 渣中 FeO 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3CaOSiO2也分解为CaOSiO2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 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2CaOSiO2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 9MnO 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 因此 大大减少石灰块表面的2CaOSiO2生成 降低其熔点 使2CaOSiO2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 14 MSiO2 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 2 1 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 2 P 5 O P2O5 g G0 177350 127 32Tcal 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 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 4CaO 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 5 Fe 5 O 2 P 5 O P2O5 P2O5 4 CaO 4CaO P2O5 2 P 5 FeO 4 CaO 4CaO P2O5 5 Fe 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 4CaO P5O2 P 2a5 Feo a4 CaO 脱磷率 LP P2O5 P 2 Ka5 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 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R 2 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 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 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 a O a S a CaO 式中a O f0 O a S fs S 离子式为 S O2 S2 O K aS2 a O aO2 aS脱硫率LS S S Kfsa CaO f0 O p175 41 转炉炼钢造渣制度 3 脱硫条件由上式可知 脱硫的热力学条件为 a 增加 CaO 即 提高R 对脱硫反应有利 b 降低 FeO CaS 放渣 对脱硫反应有利 c 提高T 1550 1600 后 对脱硫反应有利 脱硫的动力学条件为 加强搅拌 增大渣 金反应界面 对脱硫反应有利 42 问题 分析转炉炼钢冶炼过程初 中 末期炉渣的变化与脱硫的关系 初 T低 Feo 高 R低 中 T升高 Feo 低 R升高 末 T升高 Feo 高 R升高 结论 顶吹氧气转炉炼钢炉渣所具有的高氧化性 对脱硫是不利的 但它具有的良好动力学条件和高R 使其脱硫的较好时期为 冶炼的中 后期 脱硫率LS可达40 左右 43 4 铁水预脱硫的条件a 铁水中的 C Si Mn 含量较高 这些元素有利提高fs 从而使脱硫率LS提高 同时 可使脱硫剂 Ca系 Na系 纯金属Mg及稀土 的利用率提高 b 铁水中的 O 含量较低 氧势低 对脱硫反应有利 c 设备简单 操作方便 可在出铁沟中或在鱼雷罐车 铁水罐中进行 44 转炉炼钢造渣制度 d 可减轻高炉负担 降低焦比 高炉的还原性气氛对脱硫反应有利 但脱硫还需增加R即 加石灰 石灰或石灰石的吸热 使高炉的焦比增加 代价太大 e 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 避免 回硫 3 铁水同时脱磷 脱硫的原理视体系氧势而定 一般是氧化脱磷 还原脱硫 选择Ca系渣较多 也有同时还原脱磷 脱硫 45 转炉炼钢造渣制度 分析 根据电中性原理 在渣 金界面上发生的电化学反应必然是同时进行阳极反应和阴极反应 在LD氧化精炼的条件下 阳极反应为脱磷 P 阴极反应为脱硫 可见同时脱磷 脱硫是可能的 但要注意的是 在氧化条件下脱硫 必须选择脱硫能力强的碱性渣剂 46 5 深度脱硫金属Mg Ca的脱硫Mg g S MgS s Ca l S CaS s Ca g S CaS s 注意 当用金属脱硫剂时 其脱硫反应为放热过程 因此为强化脱硫宜低温操作 47 五 吹损与喷溅在转炉吹炼过程中 出钢量总是比装入量少 这些吹炼过程中损失的金属量叫做吹损 吹损 装入量 出钢量 装入量 100 吹损由化学损失 烟尘损失 渣中铁珠和氧化铁损失 喷溅损失等几部分组成 1 化学损失将铁水和废钢吹炼成钢水 需去除碳 磷 硫 而硅和锰也会发生氧化 2 烟尘损失 吹炼过程中氧枪中心区的铁被氧化 生成红棕色烟尘随炉气排出而损失 烟尘损