炼钢基本原理.docx

1炼钢基本原理1炼钢的基本任务一般的钢和铁都是以铁元素为基本成分的铁碳合金。生铁和钢所以在性能上有较大的差异主要原因是由于含碳量的不同使铁碳合金的组织结构不同而造成的。生铁含碳高，硬而脆，冷热加工性能差因而90的高炉生铁须经再次冶炼成为具有良好金属特性的钢，才能加工成各种类型的钢材而使用。生铁除含有较高的碳外，还含有一定量的其它杂质。所谓炼钢，就是通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害杂质，再根据对钢性能的要求加入适量的合金元素，使其成为具有高的强度、韧性或其它特殊性能的钢。因此炼钢的基本任务可纳为：(1)脱碳并将其含量调整到一定范围。碳含量的不同不但是引起生铁和钢性能差异的决定性因素，同样也是控制钢性能的最主要元素。钢中含碳量增加，则硬度、强度、脆性都将提高，而延展性能将下降；反之，含碳量减少，则硬度、强度下降而延展性提高。所以，炼钢过程必须按钢种规格将碳氧化至一定范围。(2)去除杂质，主要包括：1)脱磷、脱硫：对绝大多数钢种来说，P、S均为有害杂质。P可引起钢的冷脆，而S则引起钢的热脆，因此，要求在炼钢过程中尽量除之。2)脱氧：由于在氧化精炼过程中，向熔他输入大量氧以氧化杂质，至使钢液中洁入一定量的氧它将大大影响钢的质量。因此，需降低钢中的含氧量。一般是向钢液中加入比铁有更大亲合力的元素来完成(如A1、Si、Mn等合金)。3)去除气体和非金属夹杂物；钢中气体主要指镕解在钢中的氢和氮。非金属夹杂物包括氧化物、硫化物、磷化物、氮化物以及它们所形成的复杂化台物。在一般炼钢方法中，主要靠碳氧反应时产生CO气泡的逸出，所引起的熔池沸腾来降低钢中气体和非金属夹杂物。(3)调整钢液成分和温度。为保证钢的各种物理、化学性能，除控制钢液的碳含量和降低杂质含量外，还应加入适量的合金元素使其含量达到钢种规格范围。为完成上述各项任务并保证钢液能顺利浇注，必须将钢液加热并保持在一定的高温范围内，同时根据冶炼过程的要求不断将钢液温度调整到合适的范围。(4)将钢液浇注成质量好的钢锭或钢坯。通过模铸或连续铸钢方法，将钢液浇注成各种不同形状和不同断面尺寸的、质量良好的钢锭或钢坯。2炼钢炉渣的作用炉渣是炼钢过程中的必然产物，又是实现一系列重要冶金反应的基本条件。它直接参与炼钢过程的物理化学反应和传热、传质过程。其具体作用如下：1)通过对炉渣成分、件能及数量的调整，可以控制金属中各元素的氧化和还原过程，如调整渣的碱度及渣中FeO含量来去除P、S等。2)向钢中输送氧以氧化各种杂质。如平炉、电炉炉气中和矿石中的氧，均通过炉渣传入钢液。3)吸收钢液中的非金属夹杂物并防止钢液吸气(H和N)。4)其它作用：电弧炉炉渣可起稳弧作用；电渣炉炉渣是电阻发热体，可重熔和精炼金属；浇注过程中采用保护渣可改善钢锭质量等。除上述有利作用外，炉渣也有不利的一面，那就是炉渣能侵蚀炉衬，降低炉衬寿命。同时因渣中央带金属小珠及术还原的金属氧化物，因而使金属回收率低。因此，我们要选用适当成分的炉渣并控制适当的温度，使炉渣具有合适的物理化学性质，从而在冶炼过程中发挥其有利的作用而尽量抑制其不利的作用。2.1炼钢炉渣的来源及其主要组成炼钢炉渣的来源有：1) 废钢带入的泥沙和铁锈等：氧化物或冷却剂(矿石、烧结矿等)带入的脉石。2) 2)加入的各种造渣材料(石灰、萤石、粘土砖等)以及被侵蚀的炉衬耐火材料。3) 3)炼钢过程中化学反应的产物，即金属炉料、脱氧剂及合金中的各元素被氧化后所生成的氧化物(SiO2、MnO、P2O5、FeO、Al2O3、Fe2O3)；还有少量硫化物(CaS、MnS)。由上可见，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CaOSiO2FeO，渣中各成分的酸碱性强弱顺序为：CaOMgOMnOFeOCaF2Fe2O3A12O3TiO2SiO2P2O5碱性中性酸性2.2炼钢炉渣的主要性质(1)炉渣的碱度。炼钢炉渣碱度常用的表示方法有：1)当沪料含P较低时(铁水P0.3%)，用渣中碱性最强的CaO和酸性最强的SiO2含量之比表示。即：RCaO/SiO2。2)当炉料中含P量较高时，则要考虑渣中P2O5对碱度的影响，此时的表示方法有多种，其中最简单的人法是将P2O5与SiO2的作用视为等值的表示方法。即：RCaO/SiO2+P2O5。炼钢碱性渣按其碱度大小。一般可分为三类：R1.3-1.5为低碱度；R1.8-2.0为中碱度渣；R2.5为高碱度渣。(2)炉渣的氧化性。炉渣的氧化性是指炉渣向金属熔他传氧的能力，一般以渣中氧化铁含量来表示。炉渣中的氧化铁有两种形式，即FeO和Fe2O3。化学分析时经常确定总铁量(即Fe量)及FeO量，通过计算即可得出Fe2O3量。通常用%FeO表示炉渣氧化性。把Fe2O3折合为FeO有两种计算方法：1)全氧法：%FeOFeo十1.35Fe2O3式中1.35372/160表示各氧化铁中全部的氧为FeO，1摩尔Fe2O3可生成3摩尔的FeO。2)全铁法：%FeOFeO十0.9Fe2O3式中0.9272/160表示各氧化铁中全部的铁为FeO，1摩尔Fe2O3可生成2摩尔的FeO。全铁法比较合理。因为在渣样冷却过程中，有少量低价氧化铁被氧化成高价氧化铁，使全氧法计算结果偏高，而全铁法则可避免这种误差。实际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。3炼钢过程的基本反应在炼钢的氧化精炼过程中，各种炼钢方法去除杂质的基本过程都是一样的。其主要手段是向熔池吹入氧气(或加入矿石)并加入造渣剂形成熔渣来去除原材料中的杂质。因此只有了解炼钢过程中熔池传氧和各种元素的反应规律，才能认识炼钢工艺操作的本质。熔池中氧的来源主要有三种形式：一是直接向熔池中吹入工业纯氧(含O298)；二是向熔池中加入富铁矿；三是炉气中的氧传入熔池。氧在钢液中存在的形式，目前，常看作为氧原子、氧化亚铁分子FeO或氧离子O-2。当书写熔池中化学反应时，钢液中的氧常以O来表示。铁液中元素的氧化方式大致有两种，即直接氧化与间接氧化。其总反应式可写成：O2+2Me2MeO，可看作是元素Me的直接氧化，而O+2Me2MeO，可看作是元素Me的间接氧化。由于熔池中Fe原子数远大于其它元素的原子数，所以在氧流作用区，氧首先与铁结合成FeO，表面生成FeO薄膜的金属液滴随氧气射流急速前进，参与熔池的循环运动，将氧传给金属，并氧化杂质，起到了间接氧化的作用，即：FeOFe+OSi+2OSiO2Mn+OMnO2P+5OP2O5C+OCOC+OCO2从上可知，吹入熔池中的气体氧，一部分溶入金属，一部分与杂质元素反应，一部分则以FeO形式进入炉渣。实际熔池中的传氧过程，很难区分是直接氧化还是间接氧化，两者几乎同时存在，只是随供氧条件不同各自所占比例不同而已。目前，大多数人认为，在氧气顶吹转炉中，是以间接氧化方式为主。理由是：氧气顶吹转炉供氧速度大，氧气射流又集中于作用区附近，而不是高度分散在熔池中，因此当其它元素还未来得及到达氧气泡表面时，氧巳和接触表面上大量存在的铁原子首先结合成FeO了。同时，由于氧气泡表面温度很高(2200以上)，使Si、Mn对O的亲和力减弱。另方面，当金属液不与炉气中的气态氧直接接触或接触很少时，如在平炉、氧气顶吹转炉高枪位操作时的情况。这时气态氧主要通过炉渣以下列方式传入金属：首先气渣界面上的(FeO)被氧化成高价氧化铁；(FeO)+1/2O2(Fe2O3)由于熔池的对流作用，当含Fe2O3高的炉渣与金属液接触时，又被还原(Fe2O3)+Fe3(FeO)3.1炼钢熔池中元素的氧化次序(1)纯氧化物的分解压熔池中元素被大量氧化的先后次序，取决于它们与氧的亲和力的大小。一般用该元素氧化物的分解压来表示该元素与氧的亲和力的强弱。纯氧化物的分解反应可用下式表示：KPO2此PO2即称为该氧化物的分解压。通过实验测得不同温度下的分解压，即可绘出PO2-t的关系曲线图1。图1曲线的位置愈低，表明该氧化物的分解压愈小，该氧化物愈稳定，即该元素易被氧化。3.1脱碳反应(1)脱碳反应的作用。碳氧反应是炼钢过程中的一个主要反应。将熔池中的碳氧化脱除至所炼钢种的要求，是炼钢的基本任务之一。而脱C反应的产物CO气体从熔池中排出时，剧烈地搅动金属液与炉渣而产生“沸腾”现象，加速了传质和传热过程，均匀了熔池的成分和温度并有利于冶金物化反应的进行。同时，也有利于熔池中有害气体和非金属夹杂物的排除。因此，脱C反应实质上是完成炼钢任务的重要手段。(2)脱碳反应式。溶解于金属液中的C，通常以C表示。在氧气炼钢中，一部分C可在反应区同气体O2接触而被氧化C+O2COC也同溶于金属中的O发生反应而氧化去除，其反应式为：C+OCOC+2OCO2在通常的熔池中，C大多数按式C+OCO发生反应，即C的氧化产物绝大多数是CO而不是CO2。因为当熔池中C高时，CO2也是C的氧化剂，将发生下列反应：C+CO22CO当反应达平衡时，其平衡常数可写为：K=Pco%C%O(3)炼钢熔池中C+和O浓度的关系。为便于分析，常Pco取为一个大气压，可简化为：Kc=1%C%O%C%O=1Kc由于Kc随温度的变化不大，在炼钢温度范围内Kc为一定值，用m代表则可写出m=%C%Om称为碳氧浓度积，它具有化学反应平衡常数的性质，在定温度和压力下应是一个常数，而且与反应物和生成物的浓度无关。据此可作出在一定温度下的C-O平衡曲线，如图2所示。由图2可看出熔池中平衡时碳和氧的浓度间具有等边双曲线函数的关系。这种关系显示了熔池中碳和氧的浓度是相互制约的，即熔池中含氧量主要决定于含碳量，碳越低氧含量就越高。实验测得在1600时、Pco=1.01325105Pa时，m0.0025，这是炼钢文献上常用的理论上的碳氧浓度积数值。在实际炼钢熔池中，%C与%O的数值与平衡值偏离较大。各种炼钢方法中实际的熔池含氧量都高于相应的理论含量，即O实际O平衡。这说明熔池中存在着若干过剩氧，即OO实际一O平衡。虽然如此，从图3中仍可看出,实际熔池中的碳、氧含量之间仍保持有近似等边双曲线的关系。由此可知，熔池中实际含氧量仍主要决定于含碳量，即C高，则O低，C低，则O高。3.2硅的氧化和还原在炼钢金属料铁水和废钢中，均含有一定数量的Si。Si在铁液中有无限溶解度，它与铁的稳定化合物为FeSi，在炼钢温度下Si可氧化成稳定的化合物SiO2。(1) 硅的氧化。在任何一种炼钢操作中，由于SiO2的分解压低，所以在熔炼初期即被迅速氧化，并放出大量的热。其氧化反应式为：2(FeO)+Si=SiO2+2Fe+341224KJ由于Si的氧化为强烈的放热反应，故温度低有利于Si的氧化。Si氧化时产生的SiO2起初与(FeO)结合成硅酸铁，即：在碱性操作法中，随着石灰的逐渐熔化，(FeO)被强碱性的氧化钙所置换：硅酸钙很稳定，故在碱性渣中，冶炼前期Si几乎全部被氧化而不会再被还原。(2) 硅的还原。在酸性操作中，酸性渣中的(SiO2)经常是过饱和的(SiO2=50)，而且炉底、炉衬均含有SiO2，这些都是Si还原的有利条件。因此、当熔池温度升高到一定程度后，将发生Si的还原反应。一般认为Si的还原按以下反应方程式进行，即：(SiO2)+2C=Si+2CO由反应式可知，当有产生CO气泡核心的条件时，就有可能发生Si的还原反应。因此，在加矿期，熔渣与金属界面上有末熔的矿石颗粒时，其上的孔隙可成为CO气泡的核心，故渣中的(SiO2)可被还原；在酸性炉底有很多小孔隙，也可成为CO气泡的核心，所以炉底的SiO2也可被还原。另外，酸性炉衬中的SiO2也可被分解而进入金属。3.3锰的氧化和还原与硅相同。炼钢熔池中总合有一定量的锰。锰也能无限溶于铁液中。锰的氧化产物为MnO，其氧化反应式为：Mn+FeO=MnO+Fe+123511KJ在有过量(FeO)存在时，(MnO)、(SiO2)、(FeO)将结合为(Fe、Mn)2SiO2，随着(CaO)的增加，(Fe、Mn)2SiO2逐渐向Ca2SiO4转变，即：Mn的氧化还原与Si的氧化还原相比，有以下基本特点：1)在冶炼初期Mn和Si一样被迅速大量氧化但Mn的氧化程度要低些，这是由于Si与氧的结合能力大于Mn与氧的结合能力。2)MnO为弱碱性氧化物，在酸性渣中大部分(MnO)将生成较稳定故硅酸盐，因此，酸性渣下Mn的氧化较完全，不易被还原。在碱性渣中的(MnO),则大部分里自由状态存在。因此，在一定条件下可以被还原。由于Mn的氧化反应是放热反应，故温度升高有利于Mn的还原，所以在冶炼后期，将有一定量的“余锰”存在。3.4脱磷反应 (1)磷对钢性能的影响。在液体铁中，磷以元素磷的形式。也能以磷化铁(Fe3P和Fe2P) 的形式存在。 (2)脱磷的基本反应。在碱性炼钢法中，P的氧化是在炉渣金属液界面进行的，其反应式为：生成的磷酸铁在高温下很不稳定，可重新分解出P2O5。而P2O5的分解压较大，是个不稳定的氧化物。因此，仅靠生成P2O5是不能把磷去除的。但P2O5是酸性氧化物，若用碱性氧化物与其结合成稳定化合物则可去除。一般认为，在碱性渣中P2O5与CaO形成稳定的化合物。因此，碱性操作中需加入石灰使P2O5形成稳定的3CaO.P2O5或4CaO.P2O5存在于渣中，才能有效地脱磷，即(3)脱磷基本条件的分析。影响脱磷过程的因素较多，主要是炉渣成分和温度，而炉渣成分又主要体现在炉渣的碱度和氧化性(氧化铁含量)上。此外，钢液其它成分、炉料含磷量、渣量和炉渣粘度等，也对脱磷过程有一定程度的影响。1)炉渣成分的影响：由脱磷的基本反应式可知，高碱度、高氧化铁炉渣有利于去磷。2)温度的影响：脱磷是强放热反应，所以高温不利于去磷。同时，高温促使脱碳反应速度增加，使渣中(FeO)含量显著降低，也不利于去磷。但熔池温度的提高，将加速石灰的熔化，加强钢渣界面的反应。所以从动力学角度来看，过低的温度也不利于磷的去除。3)金属成分的影响：钢液中其它元素和杂质对脱磷反应也有一定影响。一般说来，某元素与氧的亲和力大于磷与氧的亲相力时，则该元素将阻碍磷的氧化。这个影响主要在炼一炉钢的初期有一定作用，而更主要的作用是它们的氧化产物影响炉渣的性质。如铁水中含Si过高，影响炉渣碱度而不利于去磷，Mn高则使渣中(MnO)增高，有利于化渣而促进脱磷等。4)渣量的影响：增加渣量可以促进脱磷。因增加渣量意味着稀释，多次换渣操作是脱磷的有效措施，但金属和热量的损失较大。(4)回磷。在冶炼或出钢过程中，如果炉温过高，碱度、(FeO)过低，往往会使已脱除到渣中的磷又返回到钢液中去，这个现象就叫做“回磷”。冶炼过程中的回磷现象，一般开始于炉内预脱氧期，直至出钢。其后，在盛钢桶中的回磷延续到浇注完毕。在脱磷过程中，如果操作不当，也会出现含磷量回升的现象例如，氧气转炉发生炉渣返干现象，渣中(FeO)低；或熔池温度过高，都将发生回磷。熔炼末期向炉内或出钢过程向钢包内的钢水中加入脱氧剂，将使钢中氧及渣中(FeO)下降，发生下列反应：钢中硅和铝的含量越高则回磷现象越严重。出钢后，钢液在钥包内镇静和浇注延续时间较长，由于炉渣溶解酸性包衬而降低了碱度，使浇注末期金属含磷量升高。为了抑制回磷现象，在生产中常用的办法是：出钢前向炉内加入石灰，使终渣变稠以防出钢时下渣；或用挡渣球等机械方法防止下渣；出钢时向钢包渣而上加入小粒石灰以减弱炉渣的反应能力；尽可能缩短钢液在钢包内的停留时间。3.5脱硫反应硫在铁液中以FeS形式存在，1600下硫在钢中能无限