钢铁冶金-炼钢部分课件VIP

第一章、炼钢的基本任务,一、钢与生铁的区别C1.2%的钢很少实用；还含Si、Mn等合金元素及杂质。,钢与生铁的区别,炼钢任务：,（1）脱碳；（2）脱磷；（3）脱硫。,炼钢任务,（4）升温,12001700,伴随脱碳反应，钢的熔点提高。,炼钢任务,伴随脱碳反应，钢液O含量增加。,C(石墨)+1/2O2=COG11620483.62T1C(石墨)=CG2131841.8T21/2O2=OG1170402.88T2,C+O=COG2048238.94T,1ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,19712J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley1963,炼钢任务,（5）脱氧,0.3%0.0003%,炼钢任务,（6）合金化,伴随脱碳反应，钢液中Si和部分Mn被氧化。,钢中合金元素的作用,C：控制钢材强度、硬度的重要元素，每1C可增加抗拉强度约980MPa。Si：也是增大强度、硬度的元素，每1Si可增加抗拉强度约98MPa。Mn：增加淬透性，提高韧性，降低S的危害等。Al：细化钢材组织，控制冷轧钢板退火织构。Nb：细化钢材组织，增加强度、韧性等。V：细化钢材组织，增加强度、韧性等。Cr：增加强度、硬度、耐腐蚀性能。,（7）去除N、H等气体杂质元素,陈家祥，炼钢常用图表数据手册，冶金工业出版社，1984,炼钢任务,（8）去除钢中非金属夹杂物,钢中非金属夹杂物来源,炼钢任务,（9）凝固成型,炼钢的基本任务,脱碳；脱磷；脱硫；脱氧；脱氮、氢等；去除非金属夹杂物；合金化；升温；凝固成型；废钢、炉渣返回利用；回收煤气、蒸汽等。,现代炼钢流程,工序功能演变与分工,铁水预处理,脱硫预处理；脱磷预处理；脱硅预处理。,铁水脱硫预处理,脱硫剂：CaO-CaF2；Mg。S可以脱除至30ppm；铁水脱硫比率：100；问题：脱硫渣残留。,KR法喷粉法,铁水脱磷预处理,Si2/3Fe2O3(SiO2)4/3Fe,2P3(CaO)5/3Fe2O3(3CaOP2O5)5/3Fe,采用氧气转炉进行脱磷预处理,90年代中后期日本企业开发成功；日本钢铁企业大规模采用；宝钢已采用；首钢“曹妃甸”工程和鞍钢营口新厂将采用。,电弧炉炼钢,主原料：废钢、DRI等；辅助原料：石灰、萤石、铁矿石等；吨位：20150t功率：5001500kVA/t；冶炼时间：4070min；供热：电弧加热、化学热、辅助燃料。,主要化学反应,C1/2O2COCO2CO2SiO2(SiO2)Mn1/2O2(MnO)2P5/2O23(CaO)(3CaOP2O5)Fe1/2O2(FeO)S(CaO)(CaS)O,第二节、脱碳反应,Si、P、S降低碳的溶解度；Mn、V、Cr增加碳溶解度；碳增加钢材强度、硬度；碳降低钢材焊接、耐腐蚀、冷加工性能。,铁液中碳的饱和溶解度：,%C1.302.5710-3(T273),脱碳反应的重要性,脱碳反应是贯穿于炼钢过程始终的一个主要反应。反应热升温钢水；影响生产率；影响炉渣氧化性；影响钢中O含量。,脱碳反应产物CO的重要作用,脱碳反应产物CO在炼钢过程中也具有多方面的作用：从熔池排出CO气体产生沸腾现象，使熔池受到激烈地搅动，起到均匀熔池成分和温度的作用；大量的CO气体通过渣层是产生泡沫渣和气一渣一金属三相乳化的重要原因；上浮的CO气体有利于清除钢中气体和夹杂物；在氧气转炉中，排出CO气体的不均匀性和由它造成的熔池上涨往往是产生喷溅的主要原因。,脱碳反应的热力学条件,增大fC有利于脱碳；增加O有利于脱碳；降低气相PCO有利于脱碳；提高温度有利于脱碳。,2、脱碳反应的动力学条件,脱碳反应的环节:反应物C和O向反应区扩散;C和O进行化学反应;反应界面气泡生成；反应产物CO或CO2离开反应区域。,碳的氧化反应是一个复杂的多相反应，包括扩散、化学反应和气泡生成等几个环节。,第三节、硅的氧化,液态无限互溶；常温下固态钢中溶解度很高；增加钢的强度；降低钢的冷加工性能。,碳钢中每增加0.1%Si,热轧钢材s大约增加3.94.9MPa，b增加7.88.8MPa。,Si的氧化反应,Si的氧化反应对炼钢过程的影响,热效应；影响脱碳、脱磷反应；影响渣量。,现代化炼钢厂采用了铁水脱硅预处理工艺。,第四节、锰的氧化与还原,液态无限互溶；常温下固态钢中溶解度很高；增加钢的强度。,碳钢中每增加0.1%Mn，热轧钢材s大约增加7.89.8MPa，b增加7.812.7MPa。,Mn的氧化反应,炼钢过程Mn的氧化与还原,Mn(FeO)(MnO)FeG17258339.94T,初期温度低，渣中MnO活度低，大量Mn氧化；中后期温度升高、渣中FeO含量降低，碱度提高，炉渣中部分MnO被还原；末期炉渣FeO含量增高，Mn重新被氧化。,第五节、脱磷反应,对绝大多数钢种，磷是有害的杂质：冷脆；调质钢的回火脆性；热加工性；焊接性能等。某些钢种，例如高Ni合金钢、低温液态气体储罐、奥氏体不锈钢等，抗HIC管线钢、厚板等，要求尽量降低P含量。,铁水中P的氧化反应,通过造碱性炉渣降低(P2O5)的活度系数,炼钢炉渣成分范围,脱磷反应的热力学条件,回磷(钢液磷含量回升）,回磷：炼钢过程回磷；脱氧过程回磷。炼钢过程回磷原因：吹炼中期炉渣“返干”；炉渣FetO含量减少。,300吨BOF转炉吹炼过程金属成分变化,脱氧过程回磷原因,出钢带渣量多；炉渣碱度降低；O含量降低。,第六节、脱硫反应,硫对钢材性能的影响热加工性(红脆);降低低温韧性；焊接性能；抗氢致裂纹性能；各向异性。,脱硫反应,碱性氧化渣与钢液间的脱硫反应,第7节、脱氧反应与钢中非金属夹杂物,固体钢中氧的溶解度变化,铁中氧的溶解度仅34ppm，钢液中溶解氧在凝固及随后的冷却过程几乎全部要从Fe中析出。氧属于偏析倾向严重的元素，固体铁中析出的氧绝大多数以铁的氧化物、氧硫化物或其它类型的非金属夹杂物存在于固态铁的晶界处。,氧对钢性能的影响,钢中原溶解的绝大部分氧以铁氧化物、氧硫化物等微细夹杂物形式在奥氏体或铁素体晶界处富集存在;在钢的加工和使用过程容易成为晶界开裂的起点，导致钢材发生脆性破坏;钢中氧含量增加降低钢材的延性、冲击韧性和抗疲劳破坏性能，提高钢材的韧脆转换温度，降低钢材的耐腐蚀性能等。,钢液的脱氧,沉淀脱氧；扩散脱氧；真空脱氧法。,沉淀脱氧：是用与氧亲和力较铁与氧亲和力强的元素作脱氧剂，脱氧剂与钢液中的氧直接作用，发生脱氧反应，反应产物由钢液上浮排除，从而达到脱氧目的。,沉淀脱氧,扩散脱氧,扩散脱氧是向炉渣中加入碳粉、硅铁粉、铝粉等脱氧剂，降低炉渣的FeO含量；当渣中FeO含量不断降低时，钢中的氧即会向炉渣中扩散，以维持氧在渣钢间的分配平衡，从而达到钢液脱氧的目的；扩散脱氧方法目前主要应用于钢水炉外精炼；扩散脱氧的优点是脱氧产物不玷污钢液，缺点是脱氧速度较慢。,扩散脱氧,真空脱氧,真空脱氧是指将钢液置于真空条件下，通过降低CO气体分压，促使钢液内CO反应继续进行，利用CO反应达到脱氧的目的；真空脱氧方法的最大特点是脱氧产物CO几乎全部可由钢液排除，不玷污钢液；钢液温度降低较大，且投资和生产成本较高。,锰的脱氧,脱氧能力很低；局部锰含量高，可局部脱氧；随温度降低，锰脱氧能力增强；与硅、铝同时使用，增强硅、锰的脱氧能力。,Mn+O=MnO(l)G=285025126.84T,硅的脱氧,具有较强的脱氧能力；随温度降低，脱氧能力增强；为绝大多数钢种采用。,Si+2O=SiO2(s)G=585700226.86T,铝的脱氧,具有非常强的脱氧能力；随温度降低，脱氧能力增强；为绝大多数钢种采用。,2Al+3O=Al2O3(s)G=1243660394.7T,（2）复合脱氧,用含有两种或两种以上脱氧元素的铁合金对钢液进行的脱氧称为复合脱氧；复合脱氧的实质是用两种或两种以上的脱氧元素同时同钢液中溶解的氧发生反应，并使它们的脱氧产物彼此结合成互溶体或化合物以降低脱氧产物的活度；由于脱氧产物活度降低，使钢液O含量降低；与单独元素脱氧相比