转炉炼钢的基本任务及原理ppt课件

转炉炼钢的基本任务和原理，董娟、1、转炉炼钢、转炉炼钢(convertersteelmaking )以铁水、废钢、铁合金为主要原料，不加能量，在铁液本身的物理热与铁液成分之间的化学反应中发热，在转炉中完成炼钢过程。 转炉根据耐火材料分为酸性和碱性，每种气体吹入炉内的部位分为顶吹、底吹和侧吹两种气体类别：空气转炉和氧转炉。 碱性氧顶吹和顶吹转炉由于生产速度快、产量多，单炉产量高、成本低、投资少，使用目前最普遍的炼钢设备。 转炉主要用于碳钢、合金钢及铜和镍的冶炼。 2、转炉炼钢图、3、炼钢的基本任务是：1.脱碳、脱磷、脱硫、脱氧； 2 .除去有害气体和夹杂物3 .提高温度4 .调整成分炼钢工艺，通过供氧、成渣、添加合金、搅拌、升温等手段完成炼钢的基本任务。 氧气吹转炉炼钢工艺主要是降碳、升温、脱磷、脱硫以及与氧合金化等高温物理化学反应的工艺，其工艺操作通过控制供氧、炉渣形成、温度和合金材料的添加等，得到所要求的钢水，浇铸到合格钢锭或铸坯中。 1.1转炉炼钢的基本任务，4，1.2.1转炉中的氧气喷射，转炉中的氧气喷射具有以下特点： 1、喷嘴出口处氧气喷射在超音速转炉中使用的氧枪采用拉瓦尔喷嘴，尺寸按p出/P00.5283的要求设计，通常m达到1.52.2，流量2、喷流的速度缓慢，截面积逐渐变大的喷流进入炉膛后，在逆流气流(向上的炉气)的作用下速度逐渐变慢的同时，通过吸收炉气的一部分，截面变大，角扩大到120左右。 5、5、5,1.2.2转炉的氧气喷射、3、喷射的温度逐渐升高的喷射进入炉膛后，被1450的炉气逐渐加热，混入喷射的炉气(CO )和金属滴被氧化散热，喷射的温度逐渐上升。 根据模拟实验，距离喷嘴孔径1520倍处喷流的温度在13001600之间，距离喷嘴孔径3540倍处喷流的温度高达21502300，据说转炉的氧喷流像高温火炬一样。 6、6、1、2、3底吹气体作用于熔池，搅拌熔池的气泡，在喷孔中从后部座席喷出到熔池的气体形成气泡时，残气袋在直径的两倍处被液体推压而破裂，气相内逆流到喷孔端面而施加压力的现象称为气泡对喷孔的后部座席。 在实际生产中，从底部向熔池喷出的气流一般为亚音速，除了喷嘴有可能存在一系列喷流以外，喷出的气体会形成大小的气泡自动上浮。 气泡组在上浮过程中，压力减小膨胀，驱动金属液提升，然后沿周围炉壁下降，向中心补充，在熔池特别是其底部产生强搅拌，7，1.3转炉炼钢炉渣、1.3.1炼钢炉渣的作用1.3.2炼钢炉渣的起源及其组成1.3.3炼钢炉渣1.3.1炼钢炉渣的作用：通过炉渣成分、性能和量的调整，将氧输送到能够控制金属中各元素的氧化和还原过程的钢中，将各种杂质氧化； 吸收钢水中的非金属夹杂物，防止钢水进气(h，n )。 其他作用。 例如保护渣。 副作用：降低侵蚀衬里的金属收率。 9、9、9,1.3.2炼钢炉渣的来源及其组成、炼钢炉渣的来源：添加的各种炉渣形成材料和侵蚀衬里； 炼钢中化学反应的产物：氧化物和硫化物； 废钢是带入砂土和锈的氧化物和冷却剂带入的脉石。 炉渣的组成以各种金属氧化物为主，含有少量硫化物和氟化物。 炼钢渣的基本体系是CaO-SiO2-FeO。 10、1.3.3炼钢炉渣的主要性质，碱度(basicity):R=1.31.5，低碱度炉渣； R=1.82.0，中碱度炉渣； R2.5，高碱度炉渣； 氧化性炉渣向金属熔池传递氧的能力一般用炉渣中的氧化铁(%FeO )含量来表示。将Fe2O3换算成FeO有全氧法和全铁法两种计算方法。 全铁法是合理的。 熔渣的氧化能力是一个综合概念，其传氧能力受熔渣粘度、熔池搅拌强度、供氧速度等因素的影响。 11、1.3.4渣组分变化规律、冶炼中转炉中渣组分变化规律大致如下： (1)(FeO ) :由于吹炼初期渣枪位置高，渣中(FeO )含量达28%。 中期随着脱碳的发展(FeO )大量消费逐渐下降到12%以下(过低，出现干燥，回吐达到6% )。 随着C的减少，脱碳速度降低，(FeO )的浓度进一步上升到15% (反吹为12% )。 (2)(CaO ) :随着加入的石灰融化，炉渣中的(CaO )含量逐渐上升到50% (中期炉渣因“回复干燥”而融化)。 (3)(SiO2)和(MnO ) :吹炼初期，硅、锰氧化使浓度分别立即达到20%和14%，随后随着加石灰逐渐降低到10%和6%。 阐述了材料平衡、热平衡、转炉冶炼的基本原理、13、2转炉冶炼的基本反应、主要是转炉冶炼中硅锰的氧化、脱碳、脱硫和脱磷等基本反应和熔融成分的变化情况，为学习后续工艺内容做了理论准备。 硅锰的氧化、脱碳、脱硫和脱磷是炼钢的基本反应，但转炉炼钢有其特殊性。 14、2.1转炉内的基本反应，从投入到出钢、倒渣、转炉一炉钢的冶炼过程包括投入、吹炼、脱氧钢、溅射保护炉和倒渣的几个阶段，如右图所示。 一炉钢喷氧时间通常为12-18min，冶炼周期为40min左右。 一炉钢冶炼过程，15，2.1.2炼钢熔池中氧源，氧源：直接向熔池吹入工业纯氧(98% )； 熔池中加入铁矿石炉气中的氧进入熔池。 铁液中元素的氧化方式有直接氧化(directoxidation )和间接氧化(indirectoxidation )两种。 16、2.1.3直接氧化方式，直接氧化是指氧与铁液中的元素直接发生氧化反应。 向铁液中吹入氧时，如果有与铁液在气相界面溶解的元素，例如si、mn、c，则铁原子大量存在，但被元素的氧化顺序si、mn、c比铁优先氧化。 反应是在 c 1/2 o = co si o2=(SiO2) Mn 1/2 o2=(MnO )氧转炉炼钢时氧碰撞铁液而形成碰撞坑，氧与铁液直接接触，容易引起元素的直接氧化。 17、吹入的氧由于动力学原因首先与铁液中的Fe原子反应，FeO进入炉渣的同时产生铁液中的溶解氧O。 熔渣中(FeO )和铁液中溶解的O与元素间接氧化。 其反应多为： O2 Fe=(FeO)(FeO)=Fe O例如2O Si=(SiO2)或2(FeO) Si=2Fe (SiO2)在熔渣-金界面发生元素间接氧化反应. 2.1.3间接氧化方式、18、2.1.3炼钢熔池中元素的氧化顺序、溶解于铁液中的元素的氧化顺序可以通过与1molO2的氧化反应的标准吉布斯自由能变化来判断。 在标准状态下，反应的go的负值越大，该元素被氧化的倾向越大，该元素优先被大量氧化。 绘制了铁液中常规元素和氧反应的标准吉布斯自由能变化与温度的关系。 19、1.Cu、Ni、mo、w等元素氧化后的go线均在Fe氧化后的go线上。 热力学上，在炼钢喷氧过程中，这些元素受到Fe保护，不会被氧化。 2.Cr、Mn、v、nb等元素的氧化程度取决于冶炼温度。 3.al、ti、si、b等元素氧化后的go线在图中处于较低的位置，最容易氧化。 在实际生产中，这些元素被用作强脱氧剂。 注意：在炼钢温度下，Fe氧化的go线比其他元素氧化的go线高，但铁液中多为Fe原子，氧与Fe原子接触的机会多，因此实际上Fe会氧化。20、1、转炉炼钢的脱碳转炉炼钢的主原料铁水含有远远超过钢种要求的碳，所以脱碳是转炉炼钢的主要任务之一。 2.2转炉内熔融成分的变化，21，脱碳反应的作用，脱碳反应除了调节钢水的碳含量的作用外，其反应产物CO气的上浮排除，脱碳反应对炼钢有独特的作用。 提高熔池成分、温度均匀化、化学反应速度，降低钢水中气体含量和夹杂物量：溅射和溢出： 22，2.2.1脱碳反应，转炉中脱碳反应以间接氧化为主： (FeO) C=CO Fe . 因为这是吸热反应，所以熔池的温度上升到1500左右的话，脱碳反应变得激烈。 在氧气喷射的作用区域，还发生碳的直接氧化：1/2O2 C=CO是强烈的发热反应，因此碳是转炉炼钢的主要热源之一。 从转炉底吹回CO2气体，CO2也与碳的氧化有关： c=2co，炉内的脱碳反应被强化。 C与氧反应在炉渣金界面： C (FeO)=CO FeC O=CO气体金界面： C 1/2O2=CO、23、2.2.2脱碳速度和影响因素，在转炉中脱碳速度有三个阶段变化。 1 )第一阶段冶炼初期，熔池温度低，主要是硅锰氧化，脱碳速度慢。 铁水中的硅当量%Si 0.25%Mn1时，脱碳速度为零，随着吹炼的进行，硅锰的含量降低，温度也升高，在1400附近碳开始氧化，速度直线上升。 这个阶段称为硅锰控制阶段。 双吹转炉由于有底吹风搅拌，脱碳反应快，且速度增加平稳。 24，2 )第二阶段冶炼中期是碳的剧烈氧化阶段，脱碳速度主要受供氧强度的影响，即氧的输送是一个限制性的环节。 供氧强度越大，脱碳速度也越大(但过大容易发生飞溅)。 双吹转炉由于FeO控制得较低，最大速度不及顶吹转炉，吹炼中不易飞溅，但整体平均速度更大。 3 )第三阶段钢水含碳量一旦下降，碳扩散就成为限制性环节，脱碳速度取决于熔池的搅拌情况。 2.2.3脱碳速度和影响因素，25，2.2.3临界碳含量，转炉炼钢中脱碳反应速度由氧扩散控制转变为碳扩散控制时钢水的碳含量称为临界碳含量。 顶吹转炉临界碳含量为0.10%左右，顶吹转炉由于有底吹送搅拌，因此临界碳含量为0.07%； 另外，在相同的临界碳量以下，反吹的脱碳速度也很大。 26、熔池中的氧和碳生成CO气泡上浮，%C%O=m (常数0.0020.0025 )、% c 与O成反比，进入中期后脱碳速度急速增大(硅、锰的氧化结束，熔池的温度也上升到1400以上)。 在进球前20%的时间内脱碳速度逐渐减慢(因c低，碳扩散成为限制性环节)。 2.2.5碳的变化规律总结，27，2.3转炉冶炼脱磷反应，p对钢材性能的影响使钢的焊接性能恶化，使钢的塑性和韧性降低，使钢产生冷脆性，在低温条件下使钢的冲击韧性显着降低，提高易切钢的切削性能，改善钢的流动性，提高铸造性能，提高合金钢的耐大气和海水腐蚀性能28、2.3.1脱磷反应发热，脱p反应为2 p 5(FeO )=(p2o5) 5fe (p2o5) (FeO )=3(FeO.p2o5)- -不稳定3 (FeO.p2o5)3(Cao )=3(Cao.p2o5)3(FeO )，可稳定存在于炉渣中，反应地点：炉渣5(FeO) 4(cao)=4(cao.p2o5)5fe、29、2.3.2脱p反应的影响因素、炉渣碱度： r高、有利温度： t低、有利(1450-1500 )炉渣量：炉渣量高、有利炉渣中(FeO )量： (FeO )高、有利、30、 钢水回p现象：冶炼中或出钢中炉内的热力学条件和动力学条件发生变化，炉的温度过高，r、FeO过低，炉渣中除去的p再次返回钢水中，该过程返回p。1、炉子温度过高2、在冶炼结束后的炉内或浇包中加入铁合金等脱氧，使炉渣中的FeO降低，脱p生成物降低碱度3、防止铁合金自身带入一定量的p的措施：防止炉渣侵入浇包的方法是在出炉前加入石灰增粘炉渣，使炉渣脱氧2.3.3钢水回磷，31、低温、适度高碱度、高氧化性有利于脱P，吹炼前期将石灰快速炉渣化，将(3FeO.P2O5)置换为(3CaO.P2O5)和(4CaO.P2O5)稳定化合物，除去P，冶炼初期脱磷速度快(低温) . 冶炼中期脱磷速度显着降低，“脱磷”(温度升高，脱碳速度加快，大量消耗炉渣中的(FeO )，引起炉渣“脱磷”)。 冶炼后期，适当控制脱磷反应可缓慢进行(熔池温度高，但脱碳速度小，炉渣中(FeO )高，炉渣碱度也高)。 2.3.4碳变化规律汇总2.3.4磷的变化规律，改善32、2.4转炉冶炼脱硫反应的吸热、s对钢材性能的影响热脆现象，即在高温条件(例如1100度)下轧制钢锭或钢坯时，产生破坏现象，对钢的力学性能带来不良影响，使钢的焊接性能降低的易切削钢的切削性能33、硫在钢中作为FeS存在，FeS的熔点为1193，由Fe和FeS构成的共晶的熔点只有985。 液态Fe和FeS可无限相互溶解，但在固溶体中溶解度小至0.015%-0.020% . 钢中S0.020%时，凝固偏析使Fe-FeS共晶分布于晶界，1150-1200的热加工使晶界共晶熔融，钢受压时晶界破裂，产生所谓的“热脆”现象。 钢中氧含量高时，FeS和FeO形成的共晶熔点更低(940)，钢“热脆”现象的发生进一步加剧。 2.4.1转炉冶炼脱硫反应吸热、34、2.4.1脱硫反应(吸热)、炉渣脱硫的反应式中，FeS (CaO)=(CaS) (FeO )吸热的基本条件为高碱度、高温和低氧化铁. 钢渣碱度： r高，有利温度： t高，有利炉渣量：炉渣多，有利炉渣中(FeO )量： (FeO )低，有利钢-炉渣搅拌情况，35，高温为脱S，炉渣中(CaO )活性度大，有利于脱S，但转炉炉渣的脱S效率低。 大致呈直线缓慢下降，在吹炼中期，碳的剧烈氧化使炉渣中的(FeO )急剧下降而“干燥”，脱硫停止(初期，温度低，但铁水含碳量高，含硫)。 后期FeO高，但b高，t高，脱硫也是可能的”。 2.4.3硫的变化规律总结，36，2.5转炉其他元素的变化，1、硅