材料工程基础讲稿28课件

第十章炼钢§10.1炼钢过程及原料

高炉铁水(铸铁)含93~94%的铁和6~7%的杂质：以碳为主及硅、锰、磷、硫等→脆性↑，不能进行锻造、轧制。炼钢：氧化去除杂质，同时提高温度，在熔融状态下高效率地精炼成目标成分和达到目标温度的钢的过程。炼钢过程：氧化去除杂质，提高钢水温度，在熔融状态下高效率地精炼成目标成分和达到目标温度的钢的过程。过程图：主要原料：铁水、凝固铁块、废钢造渣剂：石灰石CaCO3、石灰CaO和萤石CaF2等。以转炉为例：1、主原料1）铁水：占转炉装炉量的70%以上。铁水的物理热与化学热是氧气顶吹转炉的基本热源。温度：铁水物理热占转炉热收入的50%，＞1250℃入炉—保证生产的稳定性。高炉出铁温度1350~1450℃—运输中散热→覆盖剂保温。要求：铁水有稳定的化学成分：GB717-82C%≥3.5，Si%0.45~1.25，Mn%0.30~0.50,P%≤0.15~0.40，S%0.02~0.07

铁水预处理：脱S、P、Si2）废钢＜30%：冷却效果稳定的冷却剂。3）生铁块：冷铁，冷却效应低于废钢。

2、辅助原料：造渣剂生石灰：主要造渣原料，具有脱硫、脱磷作用。石灰的渣化速度是转炉炼钢过程成渣速度的关键——适当的块度。要求：CaO%↑、SiO2%↓、S%↓。萤石：CaF2(纯)熔点1418℃。助熔作用，加速石灰溶解，在短时间内改善炉渣的流动性。

§10.2主要炉内反应氧化反应：炼钢过程是氧化去除杂质的过程，如上所述，用氧气及铁矿石作为氧化剂。其反应如下式所示：

O2(g)对铁水的氧化反应是放热的，一般伴随着激烈的搅拌，而Fe203(s)的分解反应是吸热反应，激烈的搅拌使铁大量氧化，应控制搅拌的程度。因此，在炼钢反应中利用氧气，在操作上有利。

炼钢过程利用氧化反应去除杂质。由氧化物标准自由能一温度图，从杂质对氧的化学亲和力的大小关系，可知炼钢过程中能够去除的元素的大概情况：位于Fe-FeO线上方的元素不能除去，残留在金属相中；位于Fe-FeO线下方的元素可以容易地除去；位于Fe-FeO线近旁的元素会分配在渣—金属两相中。被除去进入渣中的元素B、Al、Si、Ti、V、Zr被分配在渣一金属两相的元素P、S、Mn、Cr残留在金属相中不能除去的元素Cu、Ni、Co、Sn、Mo、W、As、Sb蒸发到气相中的元素Zn、Cd、Pb、C由使用耐火材料和造渣方法可分为：1）碱性操作耐火材料：Mg-C砖、Mg-Ca砖。镁碳砖：电熔镁砂+碳素材料（薄鳞片石墨）+粘接剂（酚醛树脂）+添加剂。抗渣性强，导热性↑，避免了镁砂颗粒产生热裂，碳作为结合剂和粘接剂固化后形成碳网络，与氧化镁颗粒紧密牢固结合。炉衬寿命由数百次提高到1.5~1.8万次。添加剂：Ca、Si、Al、B4C、BN等，先于碳氧化，形成化合物，堵塞气孔，增加致密度，阻碍氧及反应物的渗入扩散。造渣：石灰、石灰石、萤石、白云石、菱镁矿等形成碱性氧化物：CaO、MgO、MnO、FeO、Na2O等。两性氧化物：Al2O3、Fe2O3等。

多数氧化物熔点高。氧化物CaOMgOSiO2FeOFe2O3MnOAl2O3熔点，K2843307319831643173020582333℃2570280017101370145717852060炼钢熔池温度：1573~1973K大部分氧化物在炼钢温度下难以熔化，但成渣后相互化合，形成低熔点化合物，在炼钢温度下熔化。形成的化合物：硅酸钙（假灰硅石，CaO·SiO2）1813K铁酸钙（CaO·FeO）1493K硅酸铁（2FeO·SiO2）1490KCaO与CaF2共晶物1673K硅酸锰（MnO·SiO2）1558K硅灰石（2CaO·SiO2）2403K钙镁橄榄石（CaO·MgO·SiO2）1771K硅钙石(3CaO·2SiO2)1748K炉渣化学成分：CaO38~45%，FeO15~23%,SiO212~17%,MnO9~12%,MgO5~10%,Al2O32~4%,P2O51~2%。2）酸性操作：耐火材料SiO2，造渣剂锰矿石或二氧化硅，渣碱度<1。1.转炉炼钢法的种类和特征鸭梨型的转炉，以铁水作为原料，以空气或者纯氧作为氧化剂，靠杂质的氧化热提高钢水温度，30~45min内完成一次精炼的炼钢法。根据其送风形式、氧化剂及生成的渣，可分为：纯氧转炉冶炼以[si]和[Mn]的氧化热作为主热源，没有废气中N2(g)带走的那部分显热—热量上有富裕。在热量上有充分的余量。因此，对于原料铁的组成没有特别严格的限制，使用生铁，废钢量数量根据铁水组成而改变，是15~30%.在电炉和炉外精炼中热量不足时，添加[Al]氧化升高钢水温度，[Al]具有高的氧化热。3.LD转炉炼钢过程及操作3.1碱性氧气炼钢法的发展碱性顶吹纯氧转炉，叫做LD法(Linnz-Donawitz)或者称LD转炉，在美国称作BOF(BasicOxygenFurnace)或BOP(BasicOxygenProcess),英国、加拿大等地，称作BOS(BasicOxygenSteelmaking)。继承了空气吹炼转炉的优点，又克服了其缺点，具有:(1)设备简单，设备费用和精炼费用低；(2)快速精炼，生产率高等；(3)对原料铁成分的限制少；(4)废钢使用量高；(5)生产的钢中硫磷氮等杂质低，可以生产多种钢等特点。碱性氧气转炉炼钢法迅速地发展为世界上的主要炼钢方法。另外又进一步开发出了改良的方法LD-AC法(OLP法)、Q－BOP法、顶底复吹纯氧转炉法等。3.2LD转炉的设备A炉体设备炉体构造：炉底没有送风设备，结构简单。炉子的生产能力用一次的出钢量表示，通常是30~350t。炉容比为每吨装入原料0.93m3。在钢铁炉壳的内部，使用氧化镁砖砌成永久层，其内侧使用焦油白云石砖、白云石镁砖、在渣线使用镁碳砖等筑炉。C排气处理设备ＬD法吹炼中，发生大量浓厚的烟尘，气体是高温的CO(g),烟尘粒度为0.5～1μm含Fe2O390%，发生量是8.5～10kg/t。排气的处理方法有在炉上部把CO(g)燃烧成为CO2(g)的燃烧方式和回收CO(g)的非燃烧方式。在转炉炉口和炉上排气固定烟罩之间设置活动烟罩，以防止空气的侵入，测定固定烟罩内的静压，操作活动烟罩，回收排出气体。回收的气体中含硫低，可以用作燃料和化学原料。3.3LD转炉操作操作过程：由装料、吹炼、测温、取样、出钢、排渣等工序，所需时间与炉容无关，约30～4Omin，其中吹炼时间是16～2Omin。装料时，炉体向前方倾斜，先装入称量好的废钢，装入铁水后使炉体直立，一边喷吹氧气一边投入轧钢铁皮、石灰等辅助原料。当氧气喷枪降至设定位置(离铁水面1～3m)，用所定压力喷吹氧气时，即有着火现象，从着火开始计算吹炼时间。纯氧转炉法的特征：在氧气直接接触钢水的火点附近，温度达2270K以上，同时和末反应部分进行激烈的搅拌，显著地促进炉内反应。氧枪高度(氧枪—铁水面的间隔)是重要工艺参数。氧枪高度：氧气射流进入钢水的侵人比L/Lo(L:凹坑深度，L0:钢水深度)有关，可以作为表示钢水搅拌状态的参数使用。降低氧枪的高度或者提高氧气喷射压力，L/Lo接近于1——硬吹(hardblow)。在硬吹时，脱碳反应中的氧气利用率上升，钢水中的氧趋近于平衡值，渣中的Fe0量减少，石灰的溶解变慢。反之，在L/Lo较小的状态下的操作——软吹(Softblow)，脱碳反应中的氧气利用率降低，钢中氧含量离开平衡值增高，渣中的(FeO)量也升高，可以促进石灰的渣化。

第2阶段:从硅、锰的大部分已被氧化时开始，进入吹炼中期，这是脱碳最激烈的阶段。这个时期氧的脱碳利用率为100%。随着渣中TFe的降低和温度的上升，渣中的磷及锰向金属相转移，表现为锰、磷升高。

第3阶段:钢水中的碳浓度降l%以下时，脱碳速度开始降低，进入吹炼末期。渣中的TFe急速升高，石灰的溶解也得到促进，锰及磷再次转移到渣相，达到目标碳及温度后，终止吹炼。

LD转炉的炉内反应特征是:(1)氧的反应效率高，脱碳反应极快，精炼时间短；(2)渣－金属的搅拌激烈，从吹炼初期开始，脱磷反应和脱碳反应同时进行；(3)由于没有氮气，精炼反应中的热效率高，废钢使用量高；(4)由于强有力的沸腾现象，铁中的氮、氧等气体成分被除去，其含有量低；(5)炉内最高温度部分位于炉中心的火点，因此耐火材料的损伤少；等等。B铁水中碳和氧的关系

吹炼末期铁水中碳和氧的关系：与搅拌少的平炉法比较，有激烈搅拌的LD转炉更接近于平衡值。因此，可以减少Mn-Fe等脱氧剂的使用量。ＣLＤ转炉的脱碳速度

铁水中碳和脱碳速度-d[C]/dt可以认为分成３部分，呈台形。第1部分:由于铁水温度低，硅和锰被优先氧化，脱碳速度慢，随着时间延长而增大，可用下式表示:-d[C]/dt=kltk1的值与硅、锰的浓度和温度有关。第2部分:硅、锰的大部分被氧化后，进入脱碳最盛期。这时氧气的脱碳利用率大致达100％，脱碳速度受氧气供给的控制，对于碳是０