炼钢基本原理

钢铁冶金概论 计算中心 王丽丽 6 炼钢基本原理 1 钢与生铁的比较 6 1炼钢概述 2 炼钢基本任务 3 钢的分类1 按化学成分分类 按是否加入合金元素可把钢分为碳素钢和合金钢两大类 A 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 C 0 25 中碳钢 0 25 C 0 60 和高碳钢 C 0 60 B 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 2 按用途分类 分为三大类 结构钢 工具钢 特殊性能钢 A 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 S 0 055 P 0 045 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 B 工具钢 包括碳素工具钢和合金工具钢及高速钢 碳素工具钢的硬度主要以含碳量的高低来调整 0 65 C 1 30 为了提高钢的综合性能 有的钢中加入0 35 0 60 的锰 合金工具钢不仅含有很高碳 有的高达2 而且含有较高的铬 达13 钨 达9 钼 钒等合金元素 这类钢主要用于各式模具 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 C 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 夹杂物和碳化物的数量及分布要求高 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 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更为严格 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 6 2炼钢用原料炼钢原料分为金属料和非金属料两大类 1 金属料炼钢用的金属料主要有铁水 废钢 铁合金 1 铁水铁水是转炉炼钢的主要原材料 一般占装入量的70 100 是转炉炼钢的主要热源 铁水物理热占转炉热收入的50 以上 应努力保证入炉铁水的温度 保证炉内热源充足和成渣迅速 我国炼钢规定进入转炉的铁水温度应大于1250 并且要相对稳定 铁水成分 Si 铁水Si含量过高 会因石灰消耗量的增大而使渣量过大 易产生喷溅并加剧对炉衬的侵蚀 影响石灰熔化 从而影响脱磷 脱硫 如果铁水Si含量过低 则不易成渣 对脱磷 脱硫也不利 因此通常铁水中的硅含量为0 30 0 70 为宜 Mn 锰是发热元素 铁水中Mn氧化后形成的MnO能有效促进石灰溶解 加快成渣 减少助熔剂的用量和炉衬侵蚀 同时铁水含Mn高 终点钢中余锰高 从而可以减少合金化时所需的锰铁合金 有利提高钢水纯净度 但冶炼高锰生铁将使高炉焦比升高 为了降低炼铁焦比目前使用较多的为低锰铁水 锰的含量为0 20 0 80 P 磷是高发热元素 对一般钢种来说是有害元素 因此要求铁水磷含量越低越好 一般要求铁水 P 0 20 S 除了含硫易切削以外 绝大多数钢种要求去除硫这一有害元素 氧气转炉单渣操作的脱硫效率只有30 40 我国炼钢技术规程要求入炉铁水的硫含量不超过0 05 带渣量 高炉渣中含硫 SiO2 和Al2O3量较高 过多的高炉渣进入转炉内会导致转炉钢渣量大 石灰消耗增加 造成喷溅 降低炉衬寿命 因此 进入转炉的铁水要求带渣量不得超过0 5 2 废钢转炉和电炉炼钢均使用废钢 废钢是电弧炉炼钢最主要的金属料 其用量占金属料的70 90 氧气顶吹转炉用废钢量一般是总装入量的10 30 作为调整吹炼温度的冷却剂 对废钢的要求 废钢的外形尺寸和块度应保证能从炉口顺利加入转炉或电炉内 废钢的长度应小于炉口直径的1 2 废钢单重一般不应超过300kg 国标要求废钢的长度不大于1000mm 最大单件重量不大于800kg 废钢应清洁干燥不得混有泥沙 水泥 耐火材料 爆炸物和易燃易爆品以及有毒物品等 废钢的硫 磷含量均不大于0 050 不同性质的废钢分类存放 3 铁合金铁合金是脱氧及合金化材料 用于钢夜脱氧的铁合金叫做脱氧剂 常用的有 简单合金 Fe Mn Fe Si Fe Cr Fe V Fe Ti Fe Mo Fe W等复合脱氧剂 Ca Si合金 Al Mn Si合金 Mn Si合金 Cr Si合金 Ba Ca Si合金 Ba Al Si合金等 对铁合金的要求 块度要合适 加入钢包中的尺寸为5 50mm 加入炉中的尺寸为30 200mm 铁合金使用前应烘烤 锰铁 铬铁 硅铁应 800 烘烤时间应 2小时 钛铁 钒铁 钨铁加热近200 时间大于1小时 2 非金属料炼钢用的非金属料主要有造渣材料和氧化剂 1 造渣材料 主要有石灰 萤石和白云石 石灰 石灰是炼钢主要的造渣材料 由石灰石煅烧而成 主要成分为CaO 是脱P 脱S不可缺少的材料 其质量好坏对吹炼工艺 产品质量和炉衬寿命等产生主要影响 因此 石灰CaO含量高 SiO2和S含量低 活性度高 块度适中 对转炉石灰块度为20 50mm 电炉为20 60mm 过烧率低 此外 石灰还应保持干燥和新鲜 萤石 萤石的主要成分是CaF2 焙烧约930 萤石能使CaO和阻碍石灰溶解的2CaO SiO2外壳的熔点显著降低 生成低熔点3CaO CaF2 2SiO2 熔点1362 加速石灰溶解 迅速改善炉渣流动性 萤石助熔的特点是作用快 时间短 但大量使用萤石会增加喷溅 加剧炉衬侵蚀 污染环境 转炉用萤石要求 块度在5 50mm 且要干燥 清洁 白云石 白云石的主要成分CaCO3 MgCO3 配加部分白云石造渣可减轻炉渣对炉衬的侵蚀 提高炉衬寿命具有明显效果 2 氧化剂 主要有氧气 铁矿石和氧化铁皮氧气 氧气是转炉炼钢的主要氧化剂 其纯度达到或超过99 5 氧气压力要稳定 并脱除水分 铁矿石 铁矿石中铁的氧化物存在形式是Fe2O3 Fe3O4和FeO其氧含量分别是30 06 27 64 和22 28 在炼钢温度下 Fe3O4和FeO是稳定的 Fe2O3不稳定 在转炉中较少使用 铁矿石是电炉炼钢常用的氧化剂 铁矿石作为氧化剂使用要求含铁量高 全铁 56 杂质量少 块度合适 氧化铁皮 氧化铁皮亦称铁磷 是钢坯加热 轧制和连铸过程中产生的 有助于化渣和冷却作用 使用时应加热烘烤 保持干燥 6 3炼钢基本原理由于各元素与氧的亲和力不同 元素氧化的顺序不同 1 当温度T 1400 时 元素的氧化顺序是 SiMnCPFe2 当1400 T 1530 时元素的氧化顺序是 SiCMnPFe3 当T 1530 时 元素的氧化顺序是 CSiMnPFe 变化规律 铁和氧的亲和力小于Si Mn P与氧的亲和力 但由于金属液中铁的浓度最大 质量分数为90 以上 所以铁最先被氧化 生成大量的Fe0 并通过Fe0使其与氧亲和力大的Si Mn P等被迅速氧化 Fe的氧化图解 Fe 1 2 O2 FeO 直接氧化 Fe O FeO 间接氧化 FeO FeO Fe氧化反应特点 在吹炼初期就大量氧化 在吹炼初期 一般在3 5分钟后Si基本上全部被氧化 一直到吹炼终点 也不发生硅的还原 变化规律 2 CaO 2FeO SiO2 2CaO SiO2 2 FeO 熔渣2 FeO SiO2 2FeO SiO2 产物不稳定 随熔渣碱度提高而转变 界面 Si 2FeO SiO2 2 Fe Si 2 O SiO2 熔池内反应 钢水 Si O2 SiO2 氧气直接氧化 Si的氧化图解 Si氧化反应特点 Mn在吹炼初期迅速氧化 但不如 Si 氧化得快 在开吹时 铁水中 Mn 高 同时 Mn 和氧的亲和力大 Mn被氧化 随着吹炼进行钢中的Mn逐步回升 变化规律 C MnO Mn CO 吹炼后期 炉温升高 MnO 被还原熔渣2 CaO MnO SiO2 MnO 2CaO SiO2 在碱性渣中大部分呈游离MnO SiO2 MnO MnO SiO2 吹炼前期 界面 Mn FeO MnO 2 Fe Mn 2 O MnO 熔池内反应 钢水 Mn O2 MnO 氧气直接氧化反应 Mn的氧化图解 Mn氧化反应特点 4 P P 变化规律 脱磷原理 实际生产中怎样脱磷 回磷 变化规律 P在吹炼前期快速降低 进入吹炼中后期略有回升 冶炼的中 后期若炉温过高 会发生回磷 出钢脱氧合金操作不当也会发生回磷 脱磷的原理 P在金属液中存在形态 磷在钢中以磷化铁 Fe2P 或 Fe3P 的形式存在 一般用 P 表示 脱磷反应 n CaO 3FeO P2O5 nCaO P2O5 3 FeO 吹炼中后期 n为3或4 熔渣3 FeO P2O5 3FeO P2O5 吹炼前期 界面 2 P 5 FeO P2O5 5 Fe 钢水2 P 5 O P2O5 可能性小 2 P O2 P2O5 可能性小 2 P 5 FeO n CaO nCaO P2O5 5 Fe 总的反应式放热反应 利于脱磷的热力学条件 回磷 实际生产中为了去磷 吹炼过程中应根据去磷反应的热力学条件 首先搞好前期化渣 尽可能采用软吹 使用活性石灰 使用合成渣料 尽快形成高氧化性炉渣 以利在吹炼前期低温去磷 若铁水磷含量高 还可在化好渣的情况下倒掉部分高磷炉渣 以提高脱磷效率 而在吹炼中 后期 则要控制好炉渣碱度和渣中 FeO 保证磷稳定在炉渣中 而不发生回磷现象 实际生产中为了脱磷怎样操作 金属液中C的氧化规律表现在碳的氧化速度 脱碳速度 上 脱碳速度的变化在整个吹炼过程分为三个阶段 吹炼前期 以Si Mn氧化为主 脱碳速度由于温度升高而逐步加快 吹炼中期以碳的氧化为主 脱碳速度达到最大 几乎为常数 吹炼后期 随着金属熔池中的碳含量的减少 脱碳速度逐步降低 由此可见 整个冶炼过程中脱碳速度的变化近似于梯形 如图所示 变化规律 脱碳速度和吹炼时间关系的模拟图 C的氧化图解 熔渣 C FeO Fe CO 乳浊液内反应 界面 C FeO Fe CO C FeO CO Fe 钢水 C 2 O CO2 才反应 C 1 2 O2 CO 氧气射流冲击区 直接氧化反应 C氧化反应特点 5 S 影响 使钢产生热脆现象 对钢的力学性能产生不利影响 使钢的焊接性能降低 使钢的耐腐蚀性能降低 能改善易切削钢的切削性能 硫对钢性能的影响 总结 硫对绝大多数钢种而言是有害的 应严格限制钢中的含硫量 所以脱硫是炼钢的主要任务之一 普通碳素钢 0 050 优质碳素钢 0 040 高级优质钢 0 030 一般钢种允许的为0 015 0 045 炼钢生铁 0 03 0 07 不同钢种对硫的要求 变化规律 S在开吹后下降不明显 在吹炼中 后期 高碱度活性渣形成后 温度升高才得以脱除 脱硫途径 硫的存在形式 硫在金属液中存在三种形式 即 FeS S 和S2 FeS既溶于钢液 也溶于熔渣 炉渣脱硫 碱性氧化渣脱硫反应 熔渣 CaO CaS 界面 FeS CaO CaS FeO 钢水 FeS 脱硫反应图解 MnO MgO 也可发生脱硫反应 利于脱硫的热力学条件 实际生产中为了脱硫怎样操作 在吹炼过程中 为了去硫 就要充分应用脱硫的热力学条件 实现高温状况下化好渣 利用吹炼过程的中 后期高温 高碱度 低氧化性的有利条件去硫 去硫量一般占总去硫量的10 40 有文献中指出 在氧气顶吹转炉内 直接气化脱硫是不可能实现的 只有在钢液中没有 Si Mn C 或含 C 很少时 在氧化性气流强烈流动并能顺利排出的条件下 才有可能直接气化脱硫 因此 钢液气化脱硫的最大可能是钢液中 S 进入炉渣后 再被气化去除 即 气化去硫 从反应式可以看出 硫必须首先从钢液中进入熔渣 才有可能气化去除 所以钢 渣间的去硫反应是气化去硫的基础 另外还可以看出 高碱度渣对气化去硫不利 6 熔渣成分的变化规律 FeO CaO MnO MgO SiO2 P2O5 铁水中的Si P Mn Fe的氧化产物加入的石灰溶解而生成 少量的其它渣料 白云石 萤石等 带入转炉内的高炉渣 侵蚀的炉衬 7 成渣过程 开吹后 铁水中Si Mn Fe P等元素氧化生成FeO SiO2 MnO P2O5等氧化物进入渣中 吹炼初期渣中主要矿物组成为各类橄榄石 Fe Mn Mg Ca SiO4和玻璃体SiO2随着炉渣中石灰溶解 随碱度增加而形成CaO SiO2 3CaO 2SiO2 2CaO SiO2 3CaO SiO2 其中最稳定的是2CaO SiO2到吹炼后期 C一O反应减弱 FeO 有所提高 石灰进一步溶解 渣中可能产生铁酸钙 炉渣形成过程 炉渣中的化合物及其熔点 8 石灰的溶解 由图可见 在25 的吹炼时间内 渣主要靠元素Si Mn P和Fe的氧化形成 在此以后的时间里 成渣主要是石灰的溶解 特别是吹炼时间的60 以后 由于炉温升高 石灰溶解加快使渣大量形成 图吹炼过程中渣量q1和石灰溶解量q2的变化 矿石冷却 b 废钢冷却 石灰在炉渣中的溶解过程 分为三步 第一步 液态炉渣经过石灰块外部扩散边界层向反应区迁移 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 形成新相 反应不仅在石灰块外表面进行 而且在内部气孔表面上进行 2 FeO SiO2 CaO FeOX CaO FeO SiO2 熔点1205 Fe2O3 2CaO 2CaO Fe2O3 熔点1420 CaO FeO SiO2 CaO 2CaO SiO2 FeO SiO2 MnO CaO CaO MnO SiO2 熔点1355 第三步 反应产物离开反应区向炉渣熔体中转移 影响石灰溶解的主要因素 1 炉渣成分实践证明 炉渣成分对石灰溶解速度有很大影响 有研究表明 石灰溶解与炉渣成分之间的统计关系为 FeO FeO 对石灰溶解速度影响最大 它是石灰溶解的基本熔剂 其原因是 1 它能显著降低炉渣粘度 加速石灰溶解过程的传质 2 它能改善炉渣对石灰的润湿和向石灰孔隙中的渗透 3 它的离子半径不大4 它能减少石灰块表面2CaO SiO2的生成 并使生成的2CaO SiO2变疏松 有利石灰溶解 CaO 对石灰溶解速度的影响具有极值性 石灰的溶解速度随着渣中CaO的增高先是增大 在CaO达到某一值时 石灰的溶解速度达到最大 再继续增加 石灰的溶解速度反而减少 SiO2 对石灰溶解速度的影响具有极值性作用 当 SiO2 20 随着SiO2的增加 熔点降低 粘度值降低 石灰溶解速度增加 当 SiO2 20 生成2CaO SiO2 阻碍渗透 当 SiO2 30 大量的复合硅氧阴离子而使炉渣的粘度数值大大增加 MnO 渣中 MnO 对石灰溶解速度的影响仅次于 FeO 故在生产中可在渣料中配加锰矿 仅在 FeO 足够的情况下 MnO才能有效地帮助石灰熔解 而当MnO超过26 后 如果 FeO 不足 反而会误滞石灰的溶解 MgO MgO 6 对于石灰的溶解是有利的 因为CaO MgO SiO2系化合物的熔点都比2CaO SiO2低 2 温度熔池温度高 使石灰的溶解加速进行 3 熔池的搅拌加快熔池的搅拌 可以显著改善石灰溶解的传质过程 增加反应界面 提高石灰溶解速度 复吹转炉的生产实践也已证明 由于熔池搅拌加强 使石灰溶解和成渣速度都比顶吹转炉提高 4 石灰质量表面疏松 气孔率高 反应能力强的活性石灰 能够有利于炉渣向石灰块内渗透 也扩大了反应界面 加速了石灰溶解过程 5 铁水成分铁水中 Mn 高 为0 6 1 0 时 初期渣形成快 中期渣返干现象减轻 铁水中 Si 过低 不利于石灰溶解 6 助熔剂萤石 CaF2 CaF2与CaO SiO2形成1362 的低熔点共晶体 能加速石灰溶解 其反应式如下 2 CaF2 3 SiO2 SiF4 2 CaO SiO2 熔点1550 3 CaO SiO2 CaF2 3CaO CaF2 2SiO2 熔点1362 铁矿或铁皮 能增加渣中FeO和Fe2O3含量 加速石灰溶解 7 渣料的加入方法应根据炉内温度和化渣情况 正确地确定渣料的批量和加入时间 渣料加得过早或批量过大 都影响炉温 不利于化渣 改进石灰质量 采用活性石灰 适当改变助溶剂成分 增加氧化锰 萤石和少量的氧化镁 以便组成低熔