工艺技术_转炉炼钢工艺课程

1 第三章转炉炼钢工艺 炼钢任务 1 杂质 P S等 元素 有害气体及夹杂物的去除 2 多余元素 C等 的氧化 3 调整成分 调整温度 达到所炼钢种的要求 获得合格钢坯或钢锭 P148 149 四脱 二去 二调整 2 3 第一节氧气顶吹转炉炼钢工艺简介 一 一炉钢的冶炼过程转炉一炉钢的冶炼过程包括 装料吹炼 供氧 造渣 脱氧与合金化出钢溅渣护炉和倒渣几个阶段 一炉钢的吹氧时间通常为12 18min 冶炼周期为25 40min 4 氧气顶吹转炉炼钢工艺简介 二 一炉钢冶炼过程中的金属 炉渣成分和温度的变化Si Mn 吹炼的前1 3 1 4时间 硅 锰迅速氧化到很低的含量 碱性渣操作时 硅氧化较彻底 锰在吹炼后期有回升现象 C 在硅 锰氧化的同时 碳也被氧化 当硅 锰氧化基本结束后 随着熔池温度升高 碳的氧化速度迅速提高 碳含量 0 15 以后 脱碳速度又趋下降 5 6 氧气顶吹转炉炼钢工艺简介 P 在开吹后不久 随着硅的降低 磷被大量氧化 但在吹炼中后期磷的下降速度趋缓慢 甚至有回升现象 S 硫在开吹后下降不明显 吹炼后期去除速度加快 Fe 铁的氧化主要取决于供氧情况 依据 氧势图 元素氧化顺序 T1530 C Si V Mn P Fe 7 氧气顶吹转炉炼钢工艺简介 炉渣变化 熔渣成分与钢中元素氧化 成渣情况有关 渣中CaO含量 碱度随冶炼时间延长逐渐提高 中期提高速度稍慢 渣中氧化铁 FeO 含量前后期较高 中期随脱碳速度提高而降低 渣中SiO2 MnO P2O5含量取决于钢中Si Mn P氧化的数量和熔渣中其它组成含量的变化 8 氧气顶吹转炉炼钢工艺简介 温度变化 吹炼过程中金属升温大致分三阶段 第一阶段升温速度很快 第二阶段升温速度趋于缓慢 第三阶段升温速度又加快 出钢温度约1650 1680 根据熔体成分和温度的变化 吹炼过程可分为三期 硅锰氧化期 吹炼前期 碳氧化期 吹炼中期 碳氧化末期 吹炼末期 9 第二节转炉炼钢装入制度 装入制度是指一个炉役期中装入量的安排 装入制度有三种 定量装入 定深装入和分阶段定量装入法 分阶段定量装入法兼有前两者的优点 是生产中最常见的装入制度 转炉炼钢的装入量指炼一炉钢时铁水和废钢的装入数量 多数厂是先加废钢 它是决定转炉产量 炉龄及其它技术经济指标的重要因素之一 在转炉炉役期的不同时期 有不同的合理装入量 对于公称容量一定的转炉 金属装入变化量在一定范围内 10 11 转炉炼钢装入制度 转炉公称容量有三种表示方法 1 平均炉金属料 铁水和废钢 装入量 2 平均炉产良锭 坯 量 3 平均炉产钢水量 这三种表示方法因出发点不同各有特点 均被采用 其中以炉产钢水量使用较多 平均炉金属料 铁水和废钢 装入量便于作物料平衡和热平衡计算 12 装入量中铁水和废钢配比是根据热平衡计算确定的 通常 铁水配比为70 90 其值取决于铁水温度和成分 炉容量 冶炼钢种 原材料质量和操作水平等 在确定装入量时 必须考虑以下因素 1 要保证合适的炉容比炉容比 指转炉内自由空间的容积 V 与金属装入量 t 之比 V t m3 t 它通常波动在0 83 1 0 它与铁水成分 冷却剂类型 氧枪喷头结构和供氧强度等因素有关 应视具体情况加以确定 13 14 转炉炼钢装入制度 2 要有合适的熔池深度合适的熔池深度应大于顶枪氧气射流对熔池的最大穿透深度一定尺寸 以保证生产安全 炉底寿命和冶炼效果 P195表10 33 应与钢包容量 浇铸吊车起重能力 转炉倾动力矩大小 铸机拉速及模铸锭重等相适应 15 第三节转炉炼钢供氧制度 一 氧射流及其对熔池的相互作用1 氧射流顶部氧射流是转炉炼钢最重要的供氧渠道 顶氧射流是通过水冷氧枪将高压 高纯的氧气从出口马赫数M远大于1 1 9 2 1 的喷头中喷出的超音速射流 16 因氧气是可压缩流体 当高压 低速氧气流经过拉瓦尔 Laval 管收缩段时 氧速提高 在到达音速时若继续缩小管径 氧速并不再提高 只会造成氧气密度大 此时要继续提高氧速 只能增大管径 使其产生绝热膨胀 氧压降低 密度减小 当氧压降至与外压相等时 可获得超音速氧流 将压力能转变为动力能 17 由氧气的流动方程可知 查可压缩流函数表 当出口氧压与进口氧压之比P出 P0 0 528即M 1 才能形成超音速射流 同理 T T0 A A0 18 它由超音速段 音速段和亚音速段组成 其射程随出口气流马赫数增大而延长 除超音速段外 射流断面不断扩大 19 转炉炼钢供氧制度 超音速氧射流特征 与自由射流相比炉膛内的氧射流实质上是一种复杂的扩张流 是具有化学反应的逆向流中的非等温 超音速湍流射流 在实际炼钢过程中 从氧枪里喷出的超音速氧射流的滞止温度一般为室温 但炉内气温却高达1600 左右 温差很大 20 所谓逆向流是指在顶吹氧气转炉炉膛内 以CO 90 为主的高温炉气向上运动 氧射流逆高温炉气向下运动 由于高温炉气的作用 使氧射流衰减加速 所谓湍流射流运动是由于氧射流流出后 边界上气体微团的速度比周围介质所具有的速度大 在边界上存在速度差而形成漩涡 呈现不规则运动 同时还将从周围抽吸烟尘 金属滴和渣滴等比重很大的质点 使射流的速度降低 扩展角减小 由以上原因而导致射流流股内也存在不规则的湍流 21 转炉炼钢供氧制度 能量转换 搅拌熔池的能量约占射流初始能量的20 克服浮力的能量约占5 10 非弹性碰撞的能量损失约占70 80 多孔喷头的设计是基于分散氧流 增加它与熔池的接触面积 提高二次燃烧率 CO O2 CO2 使吹炼更趋平稳 它对熔池搅拌力减小 但使成渣速度加快 22 LD正是靠此种表层CO二次燃烧现象 才使炉子的热效率得到提高 研究发现 表层CO二次燃烧量与喷枪的氧流股数和枪位有密切关系 一般有5 10 的二次燃烧率 原因 流股数增多 必然使流股表面积增加 枪位的提高 会延长流股长度 必然使二次燃烧量增多 为进一步提高CO二次燃烧率 最大限度提高炉子的热效率 上世纪80年代初 双流 多孔氧枪开发成功 各种类型的双流氧枪相继应用 23 转炉炼钢供氧制度 2 氧射流与熔池的物理作用氧射流与熔池接触时在液面上形成冲击区 凹坑 凹坑实际上是高温反应区 热模拟实验表明 高温反应区呈火焰状 亦称火点 它由光亮较强的中心 一次反应区 和光亮较弱的狭窄外围 二次反应区 所构成 据测定 反应区的温度在2000 2700C 之间 高温 通常 一次反应区直接氧化反应优先得到发展 氧浓度极高 二次反应区间接氧化反应得到发展 24 转炉炼钢供氧制度 穿透深度和冲击面积是凹坑特征的主要标志 前人在理论和实践上都进行了大量研究 式 3 1 是在0 05 90t转炉上得出的确定穿透深度 h穿 的著名公式即h穿 3 4 3 1 式中 P0喷嘴压力 Pa d0 喷嘴直径 cm H 喷嘴在静止液面上的高度 cm 25 转炉炼钢供氧制度 无论是多孔喷头还是单孔喷头 枪位对冲击面积的影响规律相同 冲击面积随枪位的变化 对应于不同的冲击速度存在一个最佳位置 即对应于最大冲击面积下的枪位可由式 3 2 确定 该最佳枪位可作为选择氧枪操作枪位的依据之一 3 2 式中 最佳枪位 K 动能传递系数 喷头出口速度 u 射流冲击速度 26 转炉炼钢供氧制度 熔池的搅拌程度与氧射流的冲击强度密切相关 氧射流冲击力大 硬吹 则射流的穿透深度大 冲击面积小 对熔池的搅拌强烈 反之 软吹 则射流的穿透深度小 冲击面积大 对熔池搅拌弱 在氧射流的作用下 熔池将受到搅拌 产生环流 喷溅 振荡等复杂运动 27 转炉炼钢供氧制度 3 氧射流与熔池的化学作用 传氧机理 在不同的吹炼方式下 熔池的化学反应形式也不同 硬吹 载氧液滴大量进入钢液中 碳的氧化反应激烈 而熔渣氧化性弱 软吹 则进入钢液中氧少 熔渣氧化性提高 定性得到证实的元素氧化机理认为 当C Si Mn P等元素含量 0 1 时 它们优先在金属 气体界面上氧化 此时氧由气相内部向金属表面 g M 的传质是反应过程的限制环节 28 在上述条件下 一次反应区 主要是直接氧化反应 C 1 2 O2 CO 3 3 CO 1 2 O2 CO2 3 4 Si 1 2 O2 SiO 3 5 SiO 1 2 O2 SiO2 3 6 Mn 1 2 O2 MnO 3 7 Mn 1 2 O2 MnO 3 8 P 1 2 O2 PO 3 9 2 PO 3 2 O2 P2O5 3 10 Fe 1 2 O2 FeO 3 11 反应 3 4 是在靠近溶体表面的层流区进行 反应 3 11 的发展程度取决于C Si Mn的浓度 29 转炉炼钢供氧制度 在一次反应区以外的二次反应区 主要是间接氧化 Fe 1 2 O2 FeO FeO O Fe C CO CO CO2 Si O SiO2 Mn MnO P P2O5 间接氧化是炼钢的主要的氧化反应 FeO 是氧的传递者 30 转炉炼钢供氧制度 元素的氧化顺序取决于化学反应自由能变化的比值 还与该元素在钢中的浓度及其氧化物在渣中或气相中浓度有关 而与元素的表面活性关系不大 LD的传氧机理 是以间接氧化为主 31 转炉炼钢供氧制度 C O反应速度 转炉炼钢C O反应消耗O2 70 贯穿于炼钢过程的始终 有效控制C O反应是冶炼的关键 32 前期 脱碳速度Vc d C dt K1t 由慢到快 最后达最大值t 吹炼时间 K1 不是常数 决定与 Si 含量 熔池温度和供氧强度等因素 33 转炉炼钢供氧制度 中期 C O激烈反应 Vc d C dt K2 保持最高水平 几乎为定值 Vc最大可达0 3 0 5 C min K2 由氧流量Fo决定的常数 K2 Fok2 末期 Vc d C dt K3 C 随 C 的减少不断下降 K3 由供氧强度和枪位所决定的常数 当碳含量降低到一定程度时 碳的扩散速度减小 成为反应的控制环节 34 降低 35 转炉炼钢供氧制度 二 乳化和泡沫现象由于氧射流对熔池的强烈冲击和C O反应产物CO气泡的沸腾作用 使熔池上部金属 熔渣和气体三相剧烈混合 形成了转炉内发达的乳化和泡沫状态 这是氧射流与熔池的物理和化学共同作用的结果 36 37 co 金属液 炉渣 co 3 2 5 1 38 转炉炼钢供氧制度 冶金中准确的乳化概念 金属液滴或气泡弥散在炉渣中 若液滴或气泡量较小而且在炉渣中可以自由运动 则该现象叫渣 钢 渣 气乳化或渣 钢 气乳化 渣 钢乳化是冲击坑上沿流动的钢液被射流撕裂成金属滴所造成的 若炉渣中仅有气泡 而且数量多或气泡大 使气泡无法自由运动 则该现象叫炉渣泡沫化 可见 炉渣泡沫化是渣气乳化体系的一种特例 由于渣滴或气泡也能进入到金属溶体中 因此转炉中还存在金属溶体中的乳化体系 39 40 转炉炼钢供氧制度 金属小液滴形成由下述关系所决定 1 如果在相界面上液滴的惯性力大于表面力和浮力的总和时 在金属液层上缘形成液滴 2 形成液滴所需要的力是由流动钢液的动能转化而来 在液滴脱离点力的关系为 有关公式推导略 现代转炉炼钢 Kp Ka Kgcos 液面方向与重力方向的夹角 41 a 一液滴生成示意图 42 转炉炼钢供氧制度 关于弥散液滴数量的研究很多 雾化液滴在50kg t的数值是有可能的 对230tLD转炉乳化液取样分析 其中金属液滴比例很大 可见 吹炼时金属和炉渣紧密相混 仅把冲击坑表面看成氧气 金属接触面是不适宜的 43 44 45 转炉炼钢供氧制度 设淹没条件下球形液滴直径为0 1mm 进入射流的金属量为吹入氧气质量的3倍 则吹入1m3氧气产生气 液接触比表面积可通过金属液滴的平均尺寸和进入流股的液体数量来估算 在认为金属液滴平均值径波动在0 01 1 0mm范围内 设淹没条件 S为 S n 一个液滴的平均表面积 n 为液滴个数 液滴平均直径 1m3氧气中金属液滴总质量 46 转炉炼钢供氧制度 上述估算能得出比表面积的数量级 如吨钢耗氧为 50 56m3 t 则 乳化金属液滴的比表面积为 1850 2072m2 t 以100t转炉为例 凹坑体积约为10L 表面积约为0 1m2 而反应区内液滴的总表面积却超过1m2 至少比凹坑表面积大一个数量级 由此可见 氧气顶吹转炉炼钢过程中形成的渣 金 气乳化液和泡沫渣所产生的巨大比表面积是高反应速率的原因所在 47 48 结论 氧射流与熔池的相互作用产生如下结果 1 形成冲击区及凹坑 2 形成三相乳化液 3 部分氧流形成反射流股 转炉的传氧载体有 1 炉渣 以 FeO 为主 2 金属液滴 3 乳化相 4 铁矿石 少量 氧化反应方式 元素 O2 元素 O 元素 FeO 49 炼钢过程中 碳氧反应不仅完成脱碳任务 还有以下作用 1 加大钢 渣界面 加速物理化学反应的进行 2 搅动熔池 均匀成分和温度 3 有利于非金属夹杂的上浮和有害气体的排出 4 有利于熔渣的形成 5 放热升温 6 爆发性的碳氧反应会造成喷溅 50 三 供氧参数供氧 是指如何最合理地向熔池供给氧气 创造炉内良好的物理化学条件 完成吹炼任务 供氧制度 是指根据生产条件确定恰当的供氧强度 选择和确定喷头结构 类型和尺寸 制定合理的氧枪操作方法 当氧枪的结构 类型和尺寸确定后 吹炼过程中能调节的供氧参数是枪位和工作氧压 51 转炉炼钢供氧制度 1 供氧压力供氧压力应保证使射流出口速度达到超音速 并使喷头出口处氧压稍高于炉膛内炉气压力 对于三孔喷头来说 供氧压力p0可按经验公式确定 氧气温度 K Q 氧气流量