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（C0.25%），中碳钢(0.25%C0.60%)和高碳钢(C0.60%)。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S0.055%，P0.045%，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%C1.30%），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P0.20%。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2CaOSiO2外壳的熔点显著降低，生成低熔点3CaOCaF22SiO2（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CaCO3MgCO3。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T1400时，元素的氧化顺序是：SiMnCPFe2、当1400T1530时元素的氧化顺序是：SiCMnPFe3、当T1530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,Fe1/2O2FeO（直接氧化）,FeOFeO（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）2FeSi2O（SiO2）（熔池内反应）钢水SiO2（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）MnCO(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）2FeMn2O（MnO）（熔池内反应）钢水MnO2（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2P5(FeO)（P2O5）+5Fe钢水2P+5O(P2O5)（可能性小）2P+O2(P2O5)（可能性小）,2P+5(FeO)n(CaO)(nCaO.P2O5)5Fe,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)FeCO（乳浊液内反应）界面C(FeO)FeCOCFeOCOFe钢水C2OCO2才反应）C1/2O2CO（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0.0150.045，炼钢生铁0.030.07,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1040。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CaOSiO2，3CaO2SiO2，2CaOSiO2，3CaOSiO2，其中最稳定的是2CaOSiO2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）+（CaOFeOSiO2）熔点1205（Fe2O3）+2CaO（2CaOFe2O3）熔点1420（CaOFeOSiO2）+CaO（2CaOSiO2）+（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2CaOSiO2的生成，并使生成的2CaOSiO2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CaOMgOSiO2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0.61.0）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）SiF42(CaOSiO2)熔点15503（CaO）（SiO2）（CaF2）（3CaOCaF22SiO2）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