常见钢种的冶炼.doc

6.常见钢种的冶炼6.1 硅钢的冶炼6.1.1 硅钢分类和硅钢片性能硅钢主要用于制造软磁材料硅钢片，是发展电力、电讯、自动控制和仪表制造等工业的主要金属材料。根据需要，可以按生产方式、化学成分、结晶织构和用途等对硅钢片进行分类。按化学成分有低硅（含Sil1.5左右）、中硅（含Si22.5左右）和高硅（含Si3.0以上）硅钢片；按轧制工艺分有热轧和冷轧硅钢片；按结晶织构分有热轧的非织构硅钢片，冷轧低织构、高斯织构（单取向织构）和立方织构（双取向织构）硅钢片等。表61为按化学成分命名的常用硅钢钢号。 表61 按化学成分命名的常用硅钢钢号钢 号化 学 成 分，%备 注CSiMnPS30吨转炉D21D21P0.080.082.002.802.002.800.200.400.200.400.040.060.120.030.03厂控成分P可达0.15%；厂控成分50吨转炉D11、D12D21D22、 (D23、D24)D24D31D410.100.090.090.080.081.502.002.002.802.102.803.003.903.904.500.300.500.300.500.300.500.250.200.080.080.080.030.030.030.030.0250.0200.020厂控成分厂控成分厂控成分Al0.050.12%；厂控成分Al0.050.12%；厂控成分；厚0.5D42D43D440.074.304.700.150.0250.015Al0.050.12%；厂控成分；厚0.35 通常，硅钢片厚度为0.051.0毫米。为了满足特殊需要，还生产厚度为3.05.0毫米的低硅钢板和0.020.025毫米的高硅极薄钢板。 A 对硅钢片性能的要求 对于电工设备，要求能够长时间连续工作，重量轻，体积小，而且节省电能。因此，硅钢片应该主要在电磁性能，其次在机械性能方面满足下列要求： (1) 磁感强度要大。硅钢片是强烈增强磁场强度的材料，它的磁感强度越大，磁性就越好，越能满足使用要求。 (2) 铁损要低。铁损是指使用过程中消耗在硅钢片上的能量。它包括两部分：磁滞损失（P磁）和涡流损失（P涡）。钢中的C、S含量、气体和夹杂含量越多，磁滞损失越大。涡流损失的大小和电流频率、磁感强度、板厚成正比，和电阻率成反比。为降低铁损，硅钢片杂质含量要少、晶粒度要大。同时，电阻率要大，厚度要薄，并可以采用绝缘涂层，以减少铁损。(3) 要具有一定的塑性和良好的冲剪加工性能，板面平整、厚薄均匀，并保证表面质量。B 影响硅钢片质量的冶炼因素 硅钢成分和纯净性、轧制方法、织构类型及板厚对硅钢片质量都有重要影响： （1）化学成分 硅 硅是硅钢中的主要合金元素，它对提高硅钢片磁性具有决定性影响。能够增大钢的电阻率，使涡流损失下降；能够使铁素体晶粒显著长大，降低矫顽力（去磁力），减少磁滞损失；提高导磁率，减少晶体的各向异性；它还是一种石墨化剂和脱氧剂，能减少碳化物，改善磁性；此外，硅还是缩小区元素，当其含量较高，而碳含量较低时，容易得到单相组织，消除相变应力对磁畴移动的影响。硅钢中含硅量不应过高（4.5），否则会使钢的导热性下降、脆性显著增加，使钢加工性能变坏。 碳 碳对硅钢的组织和性能都有重大不良影响。含碳量提高，会使硅钢片矫顽力提高、铁损增加、磁性能下降。碳还是扩大区元素，易促成相变，使晶粒细化，从而导致磁性能恶化。碳在钢中存在形态不同，对磁性影响也不同。在具有一定含硅量的钢中，它可能以溶解态（间隙固溶体）、游离态和石墨存在，其中以石墨状态存在对磁性影响最小。考虑到硅钢片退火处理过程有一定的脱碳能力， 一般不把顶吹转炉终点碳控制得过低 （0.03），以避免钢中含氧量和气体量增高，恶化钢的质量。 . 磷和铝 磷和铝对提高硅钢磁性、降低铁损方面的作用与硅相似，但对硅钢性能也有不良影响的一面。所以，在部分牌号硅钢中利用它们的有益性，部分取代硅、降低硅的用量。在个别钢种中，利用其不利作用，化害为利。 硫和锰 硫和锰对硅钢磁性具有不良影响，特别是硫的危害更大，所以应严加控制。电工钢硫多控制在0.0150.035，锰多控制在0.050.45，仅个别钢种中，硫和锰可以形成硫化物（MnS）有利夹杂，促进二次再结晶长大，有利于改善电磁性能。 （2） 钢中气体钢中的氮、氢、氧（大部分呈夹杂物状态存在）都对硅钢存在特别不利的影响，增加铁损，降低磁性，恶化硅钢质量，应严格控制含量。仅在个别情况下，氮形成的AlN及某些氮化物夹杂起有益作用。 （3） 非金属夹杂非金属夹杂是非铁磁性物质，不具有磁化能力，又增加了硅钢片磁化阻力，是影响硅钢磁化能力的有害组分，仅个别情况下少数夹杂如MnS、A1N表现出有益的作用。 此外，与轧制和热处理工艺有关形成的应力、晶粒度和取向也是影响硅钢片性能的重要因素。6.1.2 硅钢冶炼硅钢冶炼必须注意以下各点：(1) 创造良好的冶炼条件 硅钢应在炉体和炉况正常情况下冶炼，宜选炉役中期进行，新炉初期、老炉末期不适于炼硅钢。 严格保证入炉原材料质量，选用优质原材料。对于铁水，冶炼低硅钢时要求含硫量0.050，高硅钢0.030，铁水中Si、P、S含量较高者，应采取铁水炉外处理措施，以减轻炉内成分控制负担和提高钢水质量。要保证主要造渣材料石灰的级别和质量。 提高氧气纯度，减少水分含量，以减少带入钢中的氢、氮含量。(2) 根据铁水中Si、P、S含量选择好造渣制度 要做到早化渣、化好过程渣、终渣化透做粘。由于硅钢P、S含量控制较严，要抓紧前期操作，尽量提高前期去P、S率，减轻后期操作负担。避免中期炉渣返干。终渣碱度应适当提高，以提高炉渣脱P、S能力和避免回磷。由于终点碳低，炉渣氧化性高，将加剧炉衬侵蚀，还会增加钢中氧和夹杂含量，因此终渣要化透做粘。(3) 控制供氧操作 要用比一般钢种稍高的过程枪位促进化渣并使熔池良好的活跃沸腾，以加强脱气和排除夹杂。(4) 控制吹炼过程温度和终点温度 过程温度不宜过高，终点温度的控制要考虑到加入大量硅铁合金化时放出大量的热量。末期温度过高或过低时都不利于提高钢质量。末期温度过高，增加铁水吸气量，加剧炉衬侵蚀和增加钢中夹杂含量。同时，加大量冷却剂调温也会恶化钢水质量，所以严禁终点向炉内加大量冷却剂强行降温。为了加强钢中气体和夹杂的排除并保证浇注质量，终点钢水温度也不应过低。(5) 控制好终点和出钢操作 终点碳低硫高者，可加少量的碳素锰铁，包内加适量干燥苏打来进一步脱硫；终点钢水过氧化者，可加少量低S、P生铁，它起降温和预脱氧作用，并有利于改善钢水流动性和排除气体、来杂；多次后吹并加大量渣料者应改钢种。出钢前要尽量多倒渣，出钢时要避免大量下渣，以防回磷、回锰使钢水成分出格。 (6) 由于要加大量硅铁合金化，脱氧和出钢操作时要注意保证钢水成分和温度的均匀性。所用脱氧剂和铁合金、钢水包都要严格进行烘烤。6.2 不锈钢的冶炼6.2.1 不锈钢的分类和耐蚀性 根据金相组织，不锈钢可以分为以下三类：铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢。此外，在这几类不锈钢的发展过程中，为了满足生产需要，还出现了其它类型的不锈钢，如强化的马氏体不锈钢、时效硬化的不锈钢、相强化的不锈钢等。表62为常见不锈钢的化学成分。 研究表明，金属有化学腐蚀和电化学腐蚀两类。前者是指金属与周围介质直接产生的，没有电流的化学作用，作用的产物沉积在金属的表面上。后者是指金属形成具有阳极和阴极并伴随有电子流动的微电池作用而引起的腐蚀。二者相比，化学腐蚀由于产物沉积在金属表面，因而能够减缓金属腐蚀，而电化学腐蚀产物不能覆盖被蚀区域，常产生在微电池的阳极和阴极之间，因此，具有更大的危害性。 通常，两种不同金属相接触或者金属内组织结构不同，都可以构成微电池的两极，两极中电极电位较低者成为阴极，失去电子被氧化。可见，金属基体的负电位（与规定的标准氢电极电位为零相比）和多相组织是金属腐蚀的基本原因。因此，要提高钢的耐蚀性，应使钢呈单相组织和提高铁的电极电位。向钢中加入Cr、Ni、Si等合金元素可以促进组织均一化、提高铁的电极电位和产生钝化现象，从而可以提高钢的耐蚀性。所谓钝化，是指腐蚀反应被阻止而促使耐蚀性提高的一种现象。其实质是腐蚀和氧化物覆盖在钢的表面上，形成与周围介质相隔离的致密的保护膜（钝化膜），从而阻止或大大减缓腐蚀速度。表62常见不锈钢的化学成分(%)钢号CSiMnCrNiTiSP0Cr130.080.060.8012.014.00.500.0300.0351Cr130.080.150.600.8012.014.00.600.0300.0352Cr130.160.240.600.8012.014.00.600.0300.0353Cr130.250.340.600.8012.014.00.600.0300.0354Cr130.350.450.600.8012.014.00.600.0300.0351Cr170.120.800.8016.018.00.600.0300.0359Cr180.901.000.800.8017.019.00.600.0300.0351Cr280.151.000.8027.030.00.600.200.0300.0351Cr17Ti0.120.800.8016.018.00.605C0.800.0300.0351Cr17Ni20.110.171.800.8016.018.01.52.50.0300.0350Cr18Ni90.061.002.0017.019.08.0011.00.0300.0351Cr18Ni90.121.002.0017.019.08.0011.00.0300.0352Cr18Ni90.130.221.002.0017.019.08.0011.00.0300.0351Cr18Ni9Ti0.121.002.0017.019.08.0011.05(C0.02)0.800.0300.035决定不锈钢耐蚀性的主要合金元素是铬，钢中含铬量越高，耐蚀性能越好。铬所起的作用是：它能吸附腐蚀介质中的氧并与之形成致密的Cr2O3保护层，阻止腐蚀继续进行，还能够提高铁的电极电位，使其由负值变为正值。随着钢中含铬量增加，电极电位是呈跃变式提高，其变化遵守实验n8定律，即含铬量按原子比每增加到18、28、38n/8（依次原子百分数为12.5、25、37.5）时，电极电位跃变式提高，耐腐蚀性显著提高。因此不锈钢中的含铬量应至少为12.5，原子百分数（重量百分数）为11.7。铬也是缩小（乃至封闭）区扩大区的元素，促进钢的组织均一化，单纯含合金元素铬的不锈钢可以得到单一的马氏体或铁素体组织。镍、硅、铝、钛、铌、铜、钼等元素也都具有不同程度改善耐蚀性的作用，因此也是冶炼不锈钢常用的合金元素。 碳在不锈钢中具有双重作用，它可以提高钢的强度、硬度和耐磨性，但同时也降低钢的耐蚀性。所以，不锈钢的含碳量一般都很低。 影响不锈钢耐蚀性的因素很多，除上述化学成分外，热处理、加工及表面处理等都有重要影响。 6.2.2 碳、铬的选择性氧化和吹炼时脱碳保铬 利用含铬铁水和废钢或用普通铁水在冶炼过程中加铬铁炼不锈钢时，熔池中都含有相当数量的铬，在吹炼初期较低温度下，铬对氧的亲合力比碳对氧的亲合力大，所以铬在硅、锰氧化后即进行氧化。但随着温度升高，碳对氧的亲合力能够超过铬对氧的亲合力，则碳比铬优先得到氧化。在冶炼不锈钢时，为了保铬，避免铬氧化进入炉渣，希望碳比铬优先氧化。 在FeOCr系中，随体系中含铬量不同，铬的氧化产物也不相同。当金属中含铬量小于3时，氧化产物为Cr2O3，呈立方晶形的铬尖晶石存在；当含铬量大于9时，氧化产物为Cr3O4，呈面心四方晶形；当含铬量为39时，氧化物成分介于Cr2O3和Cr3O4之间，晶形呈面心四方体。在不锈钢冶炼中，人们对渣中铬的存在形式有两种意见，一种认为是Cr2O3，另一种认为是Cr3O4。为了保证碳比铬优先氧化，首先需要确定碳、铬选择氧化的转化温度。假定渣中铬以Cr3O4形式存在并为Cr3O4所饱和，a（Cr3O4）=1，则转化温度可按式61确定：Cr+2CO=2C+ （Cr3O4） （61）由式（61）可以得出： （62） 由式62可见，温度和压力对金属中C和Cr的平衡浓度都存在影响。欲降低钢中含碳量，可以通过减小PCO和提高温度两种途径来实现。图61为不同温度和CO分压下的碳与铬的平衡关系。从式61、62和图61可以看出，在不锈钢脱碳过程中， pCO的影响比温度影响更大。对铬在钢一渣间分配的研究表明，炉渣碱度和氧化铁含量、对铬的分配比有重要影响。铬在钢一渣间的分配比随炉渣碱度和炉渣氧化性下降而下降。图61不同温度和Pco下碳与铬的平衡关系6.2.3 不锈钢的冶炼使用转炉冶炼不锈钢的方法包括以下各类：（1）单纯用顶吹转炉的方法。包括硅合金氧化供热法，即向炉内加含硅铁合金，依靠其氧化放热来补充合金熔化和钢水提温需要的热量；铝铁氧化供热法；燃料或氧一燃料供热法。 (2 )用熔化炉配合转炉的方法，如用化铁炉预熔合金铁水或用电炉预熔铁合金的方法。（3） 用中间包配合的转炉氧化还原法。(4)顶吹转炉真空脱氧(VODK法)法。(5)顶吹转炉一真空处理双联法，例如LD-VOD法。(6)顶吹转炉一双液循环真空吹氧（RHOB）法。（7）顶吹转炉一电炉双联法。( 8 )底吹氧气转炉法。(9）顶底复合吹炼转炉法等。 目前，包括转炉法在内，冶炼不锈钢的技术和设备已经发展到了成熟的阶段，但是在各类方法中，以能够降低PCO的真空、半真空法或其它降低PCO的方法，技术经济效果最好，例如氩氧转炉（AOD）法就是被各国广泛采用的冶炼不锈钢的方法。在这类方法中，铬可以一次配足，而且含碳量不受任何限制。单纯用顶吹转炉冶炼不锈钢，冶炼时间长、精炼温度高、钢水降碳困难、铬的收得率低、钢中的气体和夹杂数量多，不是很好的方法。相比之下，利用具有高速降碳机能的转炉，并配合具有升温和真空手段设备的双联操作，可以避免单纯顶吹转炉法的不足。不锈钢的冶炼具有下述特点： （1） 它是一种低碳高铬钢，在冶炼过程中需要去碳保铬，成分中杂质P、S的限制也很严； （2） 它是一种高合金钢，合金元素的含量至少在5以上，需要在冶炼和出钢过程中加入钢水中。 因此，用普通铁水在转炉中冶炼不锈钢时，必须抓好造渣、升温和合金化等几个环节： 吹炼前期要搞好造渣制度，强化脱磷、硫操作，尽快使钢中P、S降到规格要求含量以下。在吹炼前期结束后，要除净炉渣，避免后期回磷。 除净前期渣后，要加强供氧操作，可采用提高供氧强度硬吹强制供氧。同时可以向熔池加硅铁、铝铁发热剂，使熔池迅速降碳升温，完成脱碳任务。 此后，则可以用熔池所达到的高温，分批加入铬铁，同时还可以配加硅铁或铝铁。每加入一批合金后都要吹氧助熔。对于不氧化或难氧化的合金元素，可提前在吹炼初期或装料时加入。当采用含铬铁水或含铬废钢冶炼不锈钢时，则首先需要保证熔池迅速升温，以促进熔池迅速降碳，减少铬的大量烧损。6.3 低合金钢的冶炼6.3.1 低合金钢的分类低合金钢的特点是在普通碳素钢的基础上加入少量合金元素，使钢的强度提高并改善综合性能或者使钢具有某些特殊性能。目前，国内外对于低合金钢的范畴划分不一，关于合金含量的解说有多种。通常认为合金元素总量小于3者称为低合金钢，也有的把界限划分在2.55.0范围内。若以此为标准，则低合金钢包括强度级钢，还包括多种专用钢。 由于低合金钢生产工艺简单、成本低，而具有较高的强度、较好的焊接性能、加工工艺性能以及具有耐磨、耐腐蚀等特殊性能，有广泛的适用性，因此低合金钢在钢种发展中占有重要地位。从实际情况出发，低合金钢可按以下三种方法分类。 A 按特点和用途分类 大致可分为八种类型：（1） 强度钢（亦称结构钢）。这类钢的特点是强度高、塑性和韧性好、加工和焊接性能优良，并具有一定的耐腐蚀能力。强度大致有30107、35107、40107、45107 Pa四个级别（如包括25107和50107Pa则为六个级别）。此类钢使用范围极广，常用作金属构件。（2） 专用钢。上述强度钢若按其使用方面的特点，现已列入专用钢标准的，大致分为锅炉钢、造船钢、桥梁钢、容器钢、多层容器用钢、汽车大梁用钢、矿用钢、化肥用高压无缝钢管钢和钢筋钢等。这些专用钢中强度相同的，其成分也基本相同。前六种对S、P要求较严。按照专业用途对桥梁、造船、锅炉等钢需作冲击值、断口检验，汽车大梁用钢还要做带状组织检验等。 （3） 低温用钢。包括空气分离设备、石油尾气分离设备、气体净化新工艺、制冷机械和各种低温容器等需要的低温（77203K）用钢。它们在低温下具有较高的冲击值。（4） 耐腐蚀钢。包括化工、石油工业的各种耐腐蚀设备用钢和海上设施（如海底电缆、海上采油平台、码头钢板桩、船舶）用钢等。能耐各种弱酸、弱碱、海水、硫化氢、氯离子、有机介质的腐蚀，同时也要求一定的机械性能。（5） 耐磨钢。其耐磨性能良好，可用于矿山机械和农业机械等。 （6） 钢轨钢。包括各种轻重轨，要求耐磨、耐压和耐腐蚀。（7） 钢筋。主要特点是强度高，焊接性好。有35107、40107、45107、50107、55107、70107Pa级的各类钢筋钢。（8） 其它专用钢。如氧气瓶、焊条、地下铁道接触轨、自行车链条用钢等。 B 按合金元素分类 按主体合金元素的不同可分为：锰系、锰一钒系、锰一铌系、锰一钛系、硅一钛系、硅一铌系、硅一钒系、钒系、含铝钢系、含磷钢系、多元钢系等。 C 按金相组织分类 （1） 铁素体十珠光体型。目前大多数普通低合金钢都属于这种类型，其中珠光体的含量随钢中含碳量的增加而增多。这类钢的屈服点为2510760107 Pa。大多数以热轧状态使用，此类钢包括含Mn各系钢种。 （2）贝氏体型。当钢中加入一定含量的Mo、B等合金元素时能得到贝氏体组织，如14MnMoVBRe等。此类钢塑性、韧性、焊接性能和中温性能均较好，一般需经热处理后使用。 （3）马氏体型。此类钢是属于强度最高的普通低合金钢，通过淬火十回火处理（调质）使钢能获得良好的综合性能，屈服点一般为70107145107Pa。塑性、韧性也较好，是普通低合金钢向高强度发展的一个重要途径。 低合金钢中的合金元素，对钢中相变和钢的组织、结构都起重要影响，从而使钢具有各种需要的性能。以铁秦体一珠光体型钢的合金化为例，常见元素的作用主要表现在以下方面：绝大多数合金元素，如P、Si、Mn、Cr、Cu和Ni等，都可固溶于铁素体中，使其晶格产生歪扭，并改变（多为增加）原子间的结合力； 绝大多数合金元素，如Mn、Cr、Mo、W、Ni、Cu和Si等，在一般加热条件下比较容易溶于奥氏体，增加其稳定性和过冷能力，从而使珠光体的弥散度增大，其组织的百分数增加，同时也使铁素体晶粒得到细化； 绝大多数合金元素，使铁碳状态图上共析成分点左移，因而在相同含碳量下增加钢中珠光体组织比例，从而使钢的强度增加； Ti、V、Mo及少量A1能形成稳定的碳化物和氮化物，减少奥氏体晶粒长大倾向，因而能细化晶粒；Ti、V、Al等与氮有很大的亲合力；可形成弥散的化合物；产生弥散硬化作用。可见，合金元秦在低合金钢中的作用主要是对钢的组织起影响，既然组织上发生变化则必然反映到性能上。因此，我们可以根据资源情况和合金化元素的特点，生产不同性能的低合金钢。6.3.2 低合金钢的冶炼低合金钢作为强度级钢，根据治标YB1369和YB66169规定只保证抗拉强度、屈服点、延伸率和冷弯性能四项。低合金钢作为专用钢，应该满足专用钢标准要求，例如桥梁、造船、锅炉、容器、汽车大梁等，按专用钢标准除上述四项要求外，还应保证室温、低温和时效冲击值，桥梁、锅炉和造船钢等还要保证断口，汽车大梁还要保证带状组织合格等要求。这些性能的获得主要靠合适的成分控制、良好的冶炼和浇注操作来保证。A 化学成分控制 化学成分是影响钢的性能的主要因素，为了保证低合金钢性能，在标准规定的基础上，必须对成分进行严格控制和适宜调整。 化学成分与钢的性能不适应问题，有时在纳入标准的钢种中也有体现，例如我国早期投产的低合金高强度钢筋25MnSi，按YB13-59标准中成分下限控制时，有强度达不到（4060）107Pa级要求的现象，因此在79年修订“热轧钢筋”（GB149979）时，已正式把强度级别降为（3858）107Pa级。又如在16Mn钢生产时，各厂常由于钢的成分C、Mn按下限控制而强度出现不合格现象，当C、Mn按上限控制时，特别是Mn1.55时，又容易出现冷弯和延伸率不合格现象。可以看出，化学成分变化对钢的性能特别敏感。为了保证钢的性能，通常采用缩小成分控制范围，适当控制化学成分的作法。例如，在生产16MnL时，某厂成分按C%十1/4Mn为0.480.53控制，把碳控制在0.140.18、Mnl.35l.45范围内，以保证16MnL性能。又如，某厂在生产20MnSi、20MnVK、48SiMnV时，其标准如表63所示。表63某厂部分钢号化学成分情况成分，% 钢号CSiMnPSV20MnSi标准0.170.250.400.801.201.600.0500.050厂控0.180.250.400.701.251.550.0450.04520MnVK标准0.170.240.170.371.201.600.0400.0400.100.20厂控0.190.240.170.371.251.550.0250.0250.100.1545SiMnV标准0.400.521.101.501.001.400.0450.0450.050.12厂控0.400.481.101.401.001.300.0450.0450.050.10严格控制化学成分的结果，既促进了操作水平提高，合金收得率波动范围缩小，炼钢成本下降，也使钢材性能相对稳定。此外，该厂还在标准允许情况下，对45SiMnV的成分进行了调整，把Mn和的上限往下调整0.10和0.02，经试验钢筋的屈服强度峰值由105.7107 Pa降低到67.3107Pa，抗拉强度峰值由120.6公斤毫米2降低到102.7107 Pa，而延伸率的平均值由12.88提高到14.85，使性能稳定在Cs（56.867.3）107Pa，b（88.2102.7）107 Pa，同时节约了FeMnSi、FeV合金。又如某厂矿石中含Cu、As，因此生产25MnSi螺纹钢筋时不存在强度偏低问题，为了避免屈服点不明显和脆性，Mn、Si含量控制在规程规定的中、下限，取得了较好的效果。B 冶炼工艺控制 低合金钢冶炼工艺和普碳钢基本相同，合金元素的加入工艺，第二章中所述完全适用，但最好提供比生产普碳钢良好的原材料和设备条件，同时要严格进行工艺操作，其工艺要点是： （1）创造良好的炉体条件，尽量不在新炉前10炉和补炉后第一炉冶炼； （2）低合金钢质量要求比较严格，因此，冶炼过程中应尽量去除钢中有害气体和夹杂，除含P钢外，尽量降低有害成分P和S含量。要强化供氧和造渣操作，以保证熔池良好沸腾和提高前期脱磷率，搞好吹炼全程脱磷脱硫，力求实现深度脱磷脱硫； （3）采用拉碳法控制终点，避免后吹，以降低钢中含氧量，提高合金和金属收得率，这样有利于提高钢的质量和减少钢的时效倾向，控制好出钢温度，避免出高温钢； （4）加强脱氧操作，以生产16Mn钢为例，终脱氧后应保证钢中有适宜的残铝量，当脱氧用铝量过多时，容易出现钢包水口套眼现象；而减少用铝量（0.10.5千克吨钢，不加硅钙）时，由于钢中残铝量不足会导致钢的冲击值不稳定以及直径18毫米钢筋的反弯脆断，表64为16Mn钢残铝量与晶粒度和金相组织情况。平炉钢残铝量高，奥氏体晶粒度级别高，金相组织良好，故平炉生产的16Mn钢筋反弯脆断率低。为了减少转炉16Mn钢筋反弯脆断，脱氧后应保证钢中残铝量为0.020.05，以细化钢的晶粒。脱氧时，可加硅钙12千克吨钢，以减少铝的用量并改善钢水流动性。为保证钢中残铝量，可向钢包中加铝0.40.6千克吨钢，出钢后再向钢包中插铝0.40.6千克吨钢。16Mn钢中残铝量还对抑制钢的时效、减轻钢的缺口敏感性有好处。脱氧对在时效、冲击性能方面有要求的桥梁、锅炉、造船等重要用途钢种也很关键。由于对不同用途专用钢的性能要求不一，脱氧制度应有针对性，以保证钢的质量和适应性能良好。表64 16Mn钢残铝量与晶粒度和金相组织情况厂 别残铝量，%奥氏体晶粒度金相组织鞍钢平炉0.0170.03678级等轴细晶(脆断例外)上海转炉0.0040.01045级晶粒粗大夹有针状铁素体,有过热倾向唐钢转炉0.0050.01245级同上 （5）维护好出钢口，加强出钢操作，出钢时尽量少下渣并防止渣钢混出，必须防止回磷，出钢后应向钢包中加石灰稠化炉渣。 近年来，随着各种新技术的出现，传统的低合金钢生产方式正在起变化。其主要表现是：对铁水进行预处理，提高入炉铁水质量；采用顶底复合吹炼，提高转炉冶炼低合金钢的机能和适应性；采用钢水炉外处理措施，如真空处理、吹气搅拌等，降低钢中气体和夹杂含量，提高钢水纯洁性。6.4 低碳钢低碳钢（C0.25）的品种很多，氧气转炉经常冶炼的低碳钢种除普碳钢外，还有焊条钢，硅钢、工业纯铁、子弹钢等低碳优质钢。含碳量要控制0.09以下，而对磷硫要求含量严格，有的钢种要求S0.01。因此必须在冶炼上采取相应的措施。一般要注意以下几个方面：(1) 铁水的含硫量不能大于0.05%。(2) 可一次拉碳控制吹炼终点，但为了有效的去除磷硫和控制熔池温度，在吹炼低碳优质钢时，多采用高控补吹工艺。第一次拉碳，碳控制在0.160.20为好，取样测温后，加入适量调温剂和渣料，进行补吹至终点。(3) 注意炉渣控制，早化渣、化好渣、全程化透渣。(4) 终点温度应根据冶炼钢种，合金种类和用量，浇注方法及是否进行炉外处理等来确定，在第一次拉碳后，及时调正。(5) 为了加强熔池搅拌，可适当降低顶吹枪位或增加氧压。复吹时可适当增加底部供气压力。(6) 脱氧一般在盛钢桶内进行，合金应经过烘烤。出钢到13时开始加入合金，出钢到34时加完，严禁先加合金后出钢。(7) 为了均匀钢液成份和温度，排除气体和非金属夹杂物，纯净钢液，增加钢液的流动性，出钢后最好采用吹Ar处理。6.5 中、高碳钢 习惯上把含碳量为0.250.60的钢称为中碳钢，把含碳量大于0.6的钢称为高碳钢。中、高碳钢都是优质钢和合金钢。磷、硫含量都要求在0.04以下。由于终点含碳量高，磷、硫及温度控制困难。因此在吹炼中、高碳钢时，多采用高拉补吹法和增碳法。(1)高拉碳法。根据炉口火焰和喷出火花的外观形状，参考供氧时间及氧气消耗量，对熔池含碳量作出判断，按高出所炼钢种的含碳量规格中限一定范围用副枪取样测温或停吹取样测温，根据钢中的含碳量和这一含碳量范围的脱碳速度确定继续吹炼时间或补吹时间。(2)增碳法。高拉碳法冶炼中、高碳钢，终点控制虽比较理想，但很难炉炉命中，这样就延长了冶炼时间，影响炉衬寿命，由于熔池含碳量高，对脱磷不利。因此很多厂用炉后增碳法代替高拉碳法冶炼中、高碳钢。增碳法是不管什么钢种，都将熔池含碳量吹到一个固定的、低的终点，然后在出钢过程中根据所炼钢种的规格中限成分，用增碳法增碳，使钢中含碳量达到要求。增碳法的优点是操作控制简单，与吹炼低碳钢无多大差别，易于实现过程的自动控制。但使用的增碳剂要有一定的粒度，其中有害杂质（磷、硫、灰分等）要尽量低。7 含钒铁水的吹炼7.1 简述 7.1.1 钒的性质 在常温下钒的化学性质较为稳定，在高温下可与C、Si、Cl、O、S、N、Br等大部分非金属元素生成化合物。钒具有很好的耐腐蚀性，耐淡水与海水的侵蚀，亦耐非氧化性酸和碱溶液的侵蚀。它可被氧化性酸所溶解，在空气中钒也可被熔融的碱、碱金属碳酸盐所溶解生成钒酸盐。钒在自然界中的分布极为分散，约占地壳质量的0.02，并常与其他金属矿物共生，所以在开采与加工这些矿石时，钒作为共生产品或副产品予以回收。钒矿资源分布情况如表71。表71 重要的钒矿资源矿物名称分子式主要产地钒钛磁铁矿Fe(Fe,V)2O4或 FeOTiO2FeO（Fe,V）2O3南非、俄罗斯、中国、美国、芬兰等钒钾铀矿K2O2U2O3V2O5H2O美国钒云母2K2O2Al2O3(Mg,Fe)O3V2O510SiO24H2O美国绿硫钒矿S2Vn(n=45)秘鲁硫钒铜矿2Cu2SV2S6澳大利亚、美国磷酸盐钒矿Ca5(PO4)3(Fe,Cl,OH)；VO43取代PO43-美国钒铅矿Pb5(VO4)3Cl墨西哥、美国、纳米比亚钒铅锌矿(Pb,Zn)(HO)VO4纳米比亚、墨西哥、美国铜钒铅锌矿4(Cu,Pb,Zn)O5V2O5H2O纳米比亚、墨西哥、美国从表71可知，我国的钒矿资源主要是钒钛磁铁矿，分布于华北、华东、西南等地区。世界主要钛磁铁矿的情况如表72所示。7.1.2 钒的用途钒的用途非常广泛，是极具价值的战略物资，大部分制成钒铁合金，用于钢铁工业生产含钒钢种，如美国有85的钒用于钢铁工业。表73是世界范围内钒用于钢中的比例。钢中加入少量的钒，可与钢中的碳或氮生成细小而质硬的金属碳化物或氮化物，起到细化晶粒和沉淀强化作用，提高钢的强度、韧性、耐磨性、耐热性、抗腐蚀性和延展性等。含钒结构钢可以制造飞机、轮船、钢轨以及低温条件下工作部件等。碳素工具钢加入钒量为0.250.30，不仅能提高强度和韧性，还可以提高切削性能；钢中加入钒还能改善焊接性、淬透性、回火稳定性。钢轨钢中v0.10.2时，与氮或铬配合可改善钢的抗脆断性。此外，大约有710的钒用于制作金属合金，例如钒与钛可以组成重要合金Ti6Al4V，在室温下具有很高的抗疲劳性能，可作铸造合金和锻造合金，用于飞机的骨架结构中的支架和紧固件。再如铌钽合金加入钒后，可以提高合金的抗氧化性，用于航天飞机、人造卫星和导弹等。 钒的氧化物可以代替铂作催化剂，应用于玻璃工业、医药工业、纺织工业、照相和电影材料工业。钒还可以作为快速中子反应堆的结构材料，也是电子工业中超导体、表72 世界主要钒钛磁铁矿成分和精矿成分国家矿山原矿成分/%精矿成分/%TFeTiO2V2O5TFeTiO2V2O5南非马波奇555712151.41.9555712151.41.9新西兰北岛21.14.30.17578.00.42俄罗斯卡奇卡纳尔16.61.240.14633.60.60古谢夫16.61.230.1361.52.50.59彼此沃乌拉尔16.32.30.1940.04.00.50澳大利亚科茨25.45.40.5464.74.92.0巴拉姆比46150.746261.25芬兰奥坦梅基40130.4768.43.201.12木斯塔瓦拉173.10.3663.06.51.64中国攀枝花31.2510.630.2751.8812.650.53承德42.8411.040.3962.27.480.81表73 世界范围内钒用于各类钢的比例钢种高强度钢碳钢合金钢工具钢其他比例%333022132电子管中X射线滤波器的材料等，也是生物工程不可缺少的重要物资。7.2 提取钒的方法提钒就是使钒逐步富集的过程。提钒方法大致可分为两类,即湿法提钒和火法提钒。7.2.1 湿法提钒从含钒磁铁矿石中直接提取钒也称水法提钒或湿法提钒。钒磁铁矿中V2O5为12，是含钒较高的矿石，经破碎精选的精矿粉，与芒硝混合制球后装入窑中，在1200的高温下焙烧，精矿粉中钒与芒硝作用，钒转化为可溶性钒酸钠；再将焙烧好的球团矿浸入水中，使钒酸钠充分溶解；加入硫酸，钒酸钠再转化为不溶于水的V2O5，经沉淀、过滤后，即作为制作钒铁合金的工业原料。其生产流程如图71所示。图71 湿法提钒工艺流程示意图除了从含钒铁矿中提取钒以外，还可以从其他含钒资源中提取钒。如从钾钒铀矿中提取钒，这种矿石主要是生产金属铀，而副产品为V2O3；再有从含钒的磷酸盐矿、含钒的粘土矿中均可以提取钒，像我国从石煤中提取钒等。我国的石煤资源极为丰富，20世纪50年代末发现了石煤中含有钒，据估计，石煤中钒的总储量，超过世界各国钒的储量。但是石煤中钒的品位悬殊较大，一般为0.131.00，如表74中所列。低于0.5的占60；石煤中在0.800.85才具有工业开采价值。从石煤中提取钒，传统方法是通过加盐焙烧水浸方法提取V2O5；也有采用加石灰焙烧一酸浸的方法提取V2O5。表74我国石煤含钒的平均品位 /%1.0占石煤总量的比例/%3.123.736.82.82.8图72火法提钒工艺流程示意图7.2.2火法提钒(氧化法提钒) 钒渣提取钒也称火法提钒。将含钒磁铁矿通过火法冶金得到含钒铁水，再经氧化得到含钒炉渣，富集后成为制造钒铁合金的原料。提取钒渣后的铁水称为半钢，还可进一步冶炼成钢。 火法提钒是用含钒的磁铁烧结矿，经过高炉冶炼出含钒铁水，再进行提钒处理。中国、俄罗斯等国家采用这种方法提取钒。此外，还可以通过电炉，将含钒铁矿预还原成金属球团矿后，再经电炉冶炼出含钒铁水，提取钒渣。南非和新西兰等国家采用这种方式提取钒。火法提钒的工艺流程如图72所示。 火法提钒的优点是，钒渣作为提取V2O5原料，钒含量高；处理量少；可回收铁；焙烧温度低，只有800左右，动力和辅助材料消耗量也少；钒的回收率较低，从精矿粉到V2O5回收 率在6070。7.3 氧化提钒的工艺 当前在世界上火法提钒系主要手段，提钒工艺有三大体系，五种方法，即摇包吹氧提钒，雾化提钒，转炉提钒(包括空气侧吹转炉、顶吹转炉)7.3.1 氧化提钒原理钒能与氧形成一系列化合物：V2O2、V2O3、V2O4和V2O5。在炼钢的温度范围内，最稳定的钒的氧化物是V2O3和V2O5。钒与氧的亲合力介于硅和锰与氧的亲合力之间，是比较容易被氧化的元素。钒的氧化反应一般写成：2V+3(FeO)=( V2O3)+3Fe2V+5(FeO)=( V2O5)+5Fe在固态的钒渣中，钒主要以钒尖晶石FeOV2O3形式存在。钒的氧化反应也可写成：2V+4(FeO)=(FeO V2O3)+3Fe2V+4O+Fe=FeV2O4钒的氧化反应是放热反应。影响铁水中的钒氧化的因素首先是熔池温度。钒氧化反应的平衡常数随着温度升高而减小。比较硅、锰、钒、碳氧化反应的自由能变化G0与温度的关系，得出在熔池温度约为1300时，FSi0FV0FMn0FC0，这些元素按SiMnC的顺序氧化。熔池温度1400时，FC0FV0，碳开始优先氧化，碳的激烈氧化使钒的继续氧化受到抑制。所以，吹炼含钒铁水时，熔池温度过高，碳的激烈氧化开始过早，钒的氧化率就低，结果使半钢的余钒含量提高，含碳量降低，钒渣的品位（V2O5的含量）也降低。转炉提钒试验和生产的结果表明，半钢中余钒含量与提钒终点温度之间的关系如图73所示。 图73 半钢中余钒含量V余与 图74 提钒过程中脱碳量C与提钒终点温度t终的关系 提钒终点温度t终的关系由图73可见，提钒终点温度由1320提高到1400时，半钢中余钒含量相应由0.029增加到0.043；温度继续提高到1440，余钒含量将剧增到0.091同时，提钒过程中铁水的脱碳量与温度的关系如图74所示。随着提钒终点温度升高，提钒过程中脱碳量直线增加。因此，为了实现提钒保碳，使半钢中余钒含量0.05，并获得较高的半钢含碳量和温度，提钒过程应在约1400时结束。图75 钒渣中V2O5含量与氧化铁含量（TFe）的关系 提钒是氧化过程，为了使铁水中的钒尽量氧化进入炉渣，提钒过程中炉渣必须有足够的氧化铁含量，这是提高钒的氧化率的必要条件。但是，炉渣中氧化铁含量高又会冲淡渣中V2O5的浓度，降低钒渣的品位。顶吹氧气转炉吹炼高钒铁水（1.37V）和雾化炉吹炼一般含钒铁水（0.4V）的试验结果表明，钒渣中V2O5含量与氧化铁含量（TFe）的关系如图75所示。钒渣中V2O5的含量随渣中氧化铁含量升高而急剧下降。试验数据的计算结果表明，钒渣中V2O5的含量与氧化铁含量之和接近于一个常数。(V2O5)+(TFe)60% （71）为了提高钒渣的品位，应该控制钒渣中氧化铁含量，不使其过高。为了提高钒的回收率，改善技术经济指标，还要求尽量降低钒渣中有害成分CaO、SiO2和P2O5的含量，以及金属铁的含量。具体要求如钒渣标准（表75）所示。表75钒渣标准(YB32065)品 级化 学 成 分, %V2O5SiO2CaOP115.0270.80.080.8214.0281.00.100.8312.0291.00.100.8410.0311.00.100.8图76 雾化法提钒工艺流程示意图1-铁水包；2-中间包；3-雾化器4-烟道；5-雾化室；6-副烟道；7- 出钢槽；8-半钢包；9-烟罩 用钒渣制取工业V2O5。要经过破碎，加芒硝(Na2SO4)制球，经回转窑焙烧，使含钒的矿物转化为水溶性钒酸钠，再用水及硫酸浸出，经沉淀，过滤等得到工业V2O5。渣中CaO在钒渣焙烧时形成不溶于水的钒酸钙，使钒的浸出和回收率大大降低。因此，要尽量减少钒渣中CaO的含量。渣中SiO2在焙烧时形成玻璃质的硅酸钠，容易使回转窑内的物料结团并包在钒酸钠外面，影响钒的焙烧和浸出。为了使钒渣中SiO2的含量达到标准，铁水的含硅量应限制在0.3左右。渣中P2O5在冶炼钒铁时，将被还原进入钒铁，直接影响钒铁质量。为了使钒渣的含磷量达到标准，铁水的含磷量应0.10。钒渣中的金属铁不但使半钢的收得率降低，还使钒渣不易破碎。磁选时金属铁带走钒渣末，又使钒的回收率降低。未被选分的细小而被钒渣包裹的金属铁则在焙烧时造成过烧，降低钒的回收率。钒渣中金属铁的含量主要随渣中V2O5的含量增加、钒渣熔点和粘度升高而显著增多。为了减少钒渣中金属铁的含量和使钒渣易于与半钢分离，应控制铁水含硅量与含钒量之比在0.751之间，使钒渣呈糊稠状。渣中V2O5的含量高而SiO2的含量太低时，钒渣呈干散状。