内科大炼钢工艺学讲义

第1课本堂课的主要内容：课程介绍——PPT学时、学分、课程讲授内容、参考书；教学安排及学习素质和方法等。第一章绪论1.1钢铁工业在国民经济中的地位、作用1.2钢铁工业面临的形势及发展趋势1.3炼钢生产发展简史1.4现代钢铁工业工艺流程及特点具体讲授内容和时间分配：1.1钢铁工业在国民经济中的地位、作用（10分钟）1.1.1钢铁工业的地位及作用1）反映国家综合国力和其经济发展程度钢铁产量与人均钢消费量是一个国家经济发展程度的重要指标。钢铁工业是工业基础的基础。2）做为基础产业和支柱产业,在国民经济中具有重要地位现代化国家的重要基础产业和国民经济的支柱产业。钢铁行业必须强调可持续发展。3）钢铁工业处于国民经济产业链中的核心地位工业基础原材料。钢铁工业建设周期长，投资回收慢，物流供应链长，要保持其高速发展，必须有安全可靠的资源作为基础条件。4）钢铁在国防建设中具有特殊的地位国防工业需要大量专用特殊钢材。PPT1——军事上离不开钢铁PPT2——我们的生活中也离不开钢铁1.1.2钢铁工业的特点1）钢铁工业是最典型的联合生产企业，属于技术、资金、资源、能源密集型产业。又是高耗能、高污染行业。2）钢铁工业是能源、水利资源、矿产资源综合消耗的密集型产业（行业），同时又是污染排放的大户。钢铁工业的能耗约占全国工业总能耗的11％；排放的废水和废气约占工业总排放量的14％；固体废弃物约占工业废弃物总量的16％。3）钢铁工业也是最具潜力、最有条件、最迫切需要发展循环经济的产业。4）原料供应是瓶颈。1.2钢铁工业面临的形势及发展趋势（35分）1.2.1中国钢铁工业的发展历程我国钢产量的变化1890年中国第一家钢铁厂在汉阳创建；1949年新中国成立，当年钢铁产量只有15.8万吨，居世界第26位，不到当时世界钢铁年总产量的1.6亿吨0.1%；经过第一个五年计划,1957年钢产量就达到535.5万吨；到1978年，我国钢产量达到3178万吨，居世界第五位，占当年世界钢铁产量的4.42%。1979年以后，我国钢铁工业获得了快速发展，新建了宝钢、天津钢管等大型现代化钢铁企业。通过对老企业挖潜改造，钢产量以每年400-500万吨的速度快速增长。1989年，我国钢产量达到6159万吨，首次突破6000万大关，成为继美国、苏联、日本之后第4个产钢大国。上世纪80年代，我国钢产量平均年增长率5.82%；90年代为6.99%；到1996年,我国钢产量已突破亿吨大关,达到10124万吨,跃居世界第一位；进入21世纪，2000～2004年的四年间，平均增长率就高达20.71%；2003年，我国钢铁产量突破2亿吨，成为世界上唯一年产钢超过2亿吨的国家；2004年，我国粗钢产量已达到2.72亿吨，占全球钢产量10.5亿吨25.8%。中国粗钢产量已从占世界的10%上升到了25%；2005年，我国钢、铁、材的产量突破3亿吨，只用了短短的两年时间；2012年，我国成品钢材产量突破9.52亿吨。突破1亿吨我们用了47年时间；翻一番到2亿吨用了七年时间；从2亿吨到3亿吨用两年时间；钢铁生产基本满足了国民经济快速发展的需要，中国钢铁工业为振兴中华做出了重大贡献，已经成为我国经济综合实力的重要标志，成为我国为数不多的具有国际竞争力的行业。占世界五分之一的人口能生产世界50％的钢是中国人民的骄傲。1.2.2我国钢铁现状分析我国铁矿石的储量居世界第一，但矿石品位普遍较低；由宝钢、上钢、梅山联合重组的现代化“钢铁航母”----上海宝钢集团，标志着中国已开始从钢铁大国迈向钢铁强国。中国钢材产量约占世界总产量的50%以上，而贸易量只占世界的10%以下；我国近几年年平均进口2000万吨以上钢材，其中70％以上是高附加值、国内不能生产或产量少的板材，以及高附加值的长材、管材和特殊钢制品。PPT3——我国钢铁产品产量大幅度增长PPT4——产品结构优化，板带比增加，关键钢材品种自给率提高PPT5——2012年我国进口钢材一览PPT6——2013年产品产量和进口钢材图PPT7——钢铁企业由多变少1.2.3中国需要多少钢——PPTPPT8——不同时期人均钢铁消费走势图PPT9——世界各国的钢产量PPT10——我国钢铁企业分布钢铁行业集中度指标CR4国际上有一个行业集中度指标CR4，是指一个行业前四名最大公司产量占全行业产量的比率。我国是钢铁生产第一大国，国内钢厂的集中度却极低。2003年，在欧洲，阿塞勒一家的钢产量占到全欧洲钢产量的21%；在亚洲，新日铁和JFE两家企业的钢产量占全日本的56%，浦项钢铁公司的钢产量为韩国的64%。而2003年我国最大的两家钢铁企业宝钢集团和鞍山钢铁集团合计钢产量，只占全国产量的13.5%。2004年，主要国家钢铁工业集中度CR4为：巴西99.0%，韩国88.3%，日本73.2%，印度67.7%，美国61.1%，俄罗斯69.2%，而中国钢铁工业集中度CR4仅为15.7%。2005年，我国500万吨以上的企业达到了18家,这18家大型钢铁集团的钢产量仅占我国总产量的46.36%。而在日本前5家钢铁企业的钢产量就占到全日本钢产量的75%；欧盟15国6家钢铁企业钢产量占欧盟整个钢产量的74%；韩国浦项占据了韩国65%份额；而法国的阿赛洛钢铁公司几乎囊括了法国的钢铁生产。即使从单个企业比较看，中国钢铁企业也远远落后。根据英国《金属通报》统计的2004年世界钢铁企业粗钢产量排序，中国众多钢铁企业只有宝钢入围前十名，位列第六。1.2.4中国钢铁工业发展中面临的困难和挑战——原材料、水、能源、运输钢铁生产的主要原燃料是铁矿石、废钢和焦炭、焦煤。由于中国尚在工业化过程中，社会钢铁累计存量不多，废钢回收量相对较少。以废钢作为主要原料的电炉钢占全国钢总量的比重在17%左右，低于世界平均电炉钢比35%的水平。因此，中国的钢铁生产以铁矿石、焦炭作为主要的原燃料。铁矿石是钢铁工业的重要原料，目前世界钢产量的2/3、我国钢产量的绝大部分是以铁矿石为基本原料生产的，铁矿石构成了钢铁产品的主要生产成本。因此，铁矿石价格的变化是影响钢铁产品生产成本的关键因素。PPT11——铁矿石进口情况钢铁行业生产经营过程中耗用的水、电、煤气等能源以及钢铁产品货物的运输也构成了钢铁行业的经营成本及盈利能力。如果水、电、煤气等能源价格变动，将会直接影响钢铁行业的生产成本；钢铁企业距离原材料基地的远近程度，将影响原材料进料的运输费用，也将影响其产品的成本，另外，钢铁企业距离钢材消费者（客户）的远近，将直接影响到运输费用，进而影响到钢铁产品的销售价格。拉阐限电的现象在许多地方出现，已成为当前制约中国钢铁工业发展的一个重要环节。物流运输由于近几年中国钢铁生产的快速增长，物流运输也成为制约钢铁工业发展的重要因素之一。2009年全国铁路运量为33.2亿吨；2010年主要港口吞吐量56.87亿吨；到港铁矿卸港后，由于铁路运力不足，由港口运往工厂困难，2003年有17.7%的铁矿石靠高成本的汽车运至钢铁厂。水资源中国的水资源短缺，而钢铁生产又是耗水大户，北方地区属于严重缺水地区，而该地区的钢产量占全国总量的近50%，水资源不足也限制了中国钢铁工业的发展。随着中国经济的发展，环境保护越来越引起全社会的关注。这些年中国钢铁企业在环保方面加大了投入，取得了新的进步。但总的来说，环保压力仍是越来越大。目前，在国家规定的酸雨、SO2“两控区”内，生产的钢占全国钢产量的75%左右，钢铁企业的环保治理和改造任务很重。PPT12——粗钢产量和水资源情况钢铁工业空间布局不尽合理地区分布与资源分布错位。例如，在水资源严重短缺的北方地区，钢产量占全国总量的近50％。地区分布与市场需求的错位。在我国钢材需求量大、交通运输条件好的华南地区，钢材布局明显偏小。地区分布与国家发展战略的错位。目前，全国75家重点钢铁企业有26家建在直辖市和省会城市；有34家建在百万人口以上的大城市。在国家规定的酸雨、二氧化硫"两控区"内，钢产量占全国的75％左右，一些大型钢铁企业已成为当地主要的污染源。国家政策：准入条件钢铁行业的设备应以大型化为主，高炉要达到1000立方米以上、转炉要达到120吨以上、电炉达到70吨以上的准入条件。国家将提高市场准入门槛和严格市场准入管理，原则上不再批准新建钢铁联合企业。新建钢铁项目除了每吨钢需消耗标准煤必须在700公斤以下，消耗水在6吨以下，环保标准要满足国家环保标准之外，还必须满足当地的环保标准。2010年前，钢铁冶炼企业数量有较大幅度减少，国内排名前10位的钢铁企业集团钢产量占全国产量的比例要达到50%以上，2020年达到70%以上；培养出两个3000万吨级、若干个千万吨级的具有国际竞争力的特大型企业集团。PPT14——钢铁企业重组产业类别最全的国家，没有被卡脖子的情况；产能和不足同时存在，产品质量不高，竞争力不强；（2015年出国人次近1亿，国外消费1万亿，GDP上升1-2%）拉动经济的三驾马车——消费（不足）、投资（创新、科研与经济结合不紧，无法投资），出口（乏力）两个拐点：产业发展拐点（第三产业增到51%，消费转变）；人口拐点（）60岁人口占16%，按世界定义〉10%就进入老龄化国家，18-60岁人口每年递减300万）5大发展理念——创新、协调、绿色、开发、共享第一位就是创新驱动、实现转型具体措施：理解新常态（春——1980-1995，物质缺乏期、夏——经济总量不断增大，2008年奥运会、2009上海世博会为标志、秋——收获期，产能过剩，世界经济下滑、冬经济期——暖冬）；供给侧改革——去产能、去库存、去杠杆、降低成本、补短板；大众创业、万众创新、互联网+、工业4.01.3炼钢生产发展简史（20分）1.3.1钢与铁的区别PPT15——钢与铁的区别PPT16——生铁和钢的比较PPT17——钢与铁的分类1.3.2冶铁史PPT18——冶铁工艺的变化PPT19——古代冶铁技术PPT20——古代铁制品PPT21——近代铁制品PPT22——钢铁产品的演化1PPT23——钢铁产品的演化21.3.3炼钢发展史PPT24——炼钢方法的发展演变途径最早出现的炼钢方法是1740年出现的坩埚法，它是将生铁和废铁装入由石墨和粘土制成的坩埚内，用火焰加热熔化炉料，之后将熔化的炉料浇成钢锭。此法几乎无杂质元素的氧化反应。1856年英国人亨利·贝塞麦发明了酸性空气底吹转炉炼钢法，也称为贝塞麦法，第一次解决了用铁水直接冶炼钢水的难题，从而使炼钢的质量得到提高，但此法要求铁水的硅含量大于0.8%，而且不能脱硫。目前已淘汰。1865年德国人马丁利用蓄热室原理-酸性平炉炼钢法，即马丁炉法。1880年出现了第一座碱性平炉。由于其成本低、炉容大，钢水质量优于转炉，同时原料的适应性强，平炉炼钢法仍一时成为的主要的炼钢法。1878年英国人托马斯发明了碱性炉衬的底吹转炉炼钢法，即托马斯法。他是在吹炼过程中加石灰造碱性渣，从而解决了高磷铁水的脱磷问题。当时，对西欧的一些国家特别适用，因为西欧的矿石普遍磷含量高。但托马斯法的缺点是炉子寿命底，钢水中氮的含量高。1899年出现了完全依靠废钢为原料的电弧炉炼钢法(EAF)，解决了充分利用废钢炼钢的问题，此炼钢法自问世以来，一直在不断发展，是当前主要的炼钢法之一，由电炉冶炼的钢目前占世界总的钢的产量的30-40%。瑞典人罗伯特·杜勒首先进行了氧气顶吹转炉炼钢的试验，并获得了成功。1952年奥地利的林茨城(Linz)和多纳维兹城(Donawitz)先后建成了30吨的氧气顶吹转炉车间并投入生产，所以此法也称为LD法。美国称为BOF法（BasicOxygenFurnace）或BOP法。——PPT1965年加拿大液化气公司研制成双层管氧气喷嘴，1967年西德马克西米利安钢铁公司引进此技术并成功开发了底吹氧转炉炼钢法，即OBM法(OxygenBottomMaxhuette)。1971年美国钢铁公司引进OBM法，1972年建设了3座200吨底吹转炉，命名为Q-BOP(QuietBOP)。——PPT在顶吹氧气转炉炼钢发展的同时，1978-1979年成功开发了转炉顶底复合吹炼工艺，即从转炉上方供给氧气（顶吹氧），从转炉底部供给惰性气体或氧气，它不仅提高钢的质量，降低了消耗和吨钢成本，更适合供给连铸优质钢水。——PPT我国首先在1972-1973年在沈阳第一炼钢厂成功开发了全氧侧吹转炉炼钢工艺。并在唐钢等企业推广应用。——PPT炼钢技术经过200多年的发展，技术水平、自动化程度得到了很大的提高，21世纪炼钢技术会面临更大的挑战，相信会有不断的新技术涌现。PPT25——不同炼钢方法相对产量变化1.4现代钢铁工业工艺流程及特点（25分）1.4.1现代钢铁工业工艺流程发展特点冷态、间歇式、万能型→热态、连续式、专业化、集约型高污染、高能耗→清洁工厂我国钢铁工业技术进步工艺流程→连续化、清洁化、紧凑化发展技术装备→大型化、高效化、自动化发展由粗放型到集约型发展，钢铁业将转变为集约型工业。PPT26——“绿色”钢铁企业生产流程PPT27——现代钢铁生产流程PPT28——洁净钢生产工艺的变化PPT29——新一代可循环钢铁流程1.4.2钢厂制造流程功能的拓展经过近150年的发展，现代钢铁企业已演变为两类基本流程：1)以铁矿石、煤炭等天然资源为源头的高炉一转炉一热轧一深加工流程和熔融还原一转炉一热轧一深加工流程。包含原料和能源储运／处理、烧结一焦化一炼铁过程(熔融还原)、炼钢一精炼一凝固过程、再加热一热轧过程及冷轧一表面处理的生产流程。2)以废钢这一再生资源和电力为源头的电炉一精炼一连铸一热轧流程。以社会循环废钢、加工制造废钢、钢厂自产废钢和电力为源头的制造流程，即所谓电炉流程。能耗、废弃物排放和环境负荷电炉流程也相对低些。以废钢为源头的电炉流程与以铁矿石为源头的高炉一转炉流程相比，每吨钢可节约铁矿石1.3吨，降低能耗350千克标煤，减排C021.4吨，减排废渣600千克。全球钢铁工业这两类流程之间的比例约为67％和33％。钢铁生产有两种流程：长流程和短流程长流程是一种由高炉—转炉—连铸—轧制构成的工艺；短流程是由超高功率电弧炉—炉外精炼—连铸—轧制构成的工艺。长流程冶炼工艺尽管一直是钢铁生产的主要工艺，但环保问题严重，且投资大，建设周期长，随着炼钢原材料资源紧缺矛盾的日趋凸现，环保指标的日趋提高，长流程面临种种挑战。短流程冶炼工艺，由于电弧炉的技术进步，诸如复合供热、强化吹氧、造泡沫渣等技术的开发，越来越增强其生命力和竞争力。短流程——一座超高功率电炉、一座精炼炉、一台连铸机、一套轧机“四位一体”是现代电炉钢厂的先进流程，从冶炼、精炼、连铸到轧制，整个流程连续紧凑、自动化程度高，生产周期短、效率高、成本低。传统的多台电炉，多台精炼炉，多台连铸机和多台轧机的工艺流程，一般需要一周以上。而“四位一体”的优化工艺，生产周期可缩短至4-5小时，生产效率提高3倍以上，全员劳动生产率提高4倍以上。在冶金行业，采用超高功率电炉—炉外精炼—连铸—连轧的四体短流程工艺，实现废钢铁的循环利用和环境保护。PPT30——电炉和转炉炼钢生产流程比较PPT31——高炉－转炉－热轧生产流程的演变PPT32——90年代推动钢铁行业技术进步的6项重大技术PPT33——沿海建厂是大型钢铁企业的发展趋势PPT34——沿海建厂的布置方式1PPT35——沿海建厂的布置方式2

第2课主要内容本堂课的主要内容：第二章炼钢的任务、原材料及耐火材料2.1炼钢的任务及钢的分类2.2炼钢用原材料2.3炼钢用耐火材料具体讲授内容和时间分配：2.1炼钢的任务及钢的分类（30分）炼钢的任务炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱氧，去除有害气体和非金属夹杂物，提高温度和调整成分。归纳为：“四脱”（碳、氧、磷和硫），“二去”（去气和去夹杂），“二调整”（成分和温度）。采用的主要技术手段为：供氧，造渣，升温，加脱氧剂和合金化操作。钢中的磷：对于绝大多数钢种来说磷是有害元素。钢中磷的含量高会引起钢的“冷脆”，即从高温降到0℃以下，钢的塑性和冲击韧性降低，并使钢的焊接性能与冷弯性能变差。磷是降低钢的表面张力的元素，随着磷含量的增加，钢液的表面张力降低显著，从而降低了钢的抗裂性能。磷是仅次于硫在钢的连铸坯中偏析度高的元素，而且在铁固熔体中扩散速率很小，因而磷的偏析很难消除，从而严重影响钢的性能，所以脱磷是炼钢过程的重要任务之一。磷在钢中是以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在，但通常是以[P]来表达。炼钢过程的脱磷反应是在金属液与熔渣界面进行的。不同用途的钢对磷含量的要求:非合金钢中普通质量级钢[P]≤0.045%；优质级钢[P]≤0.035%；特殊质量级钢[P]≤0.025%；有的甚至要求[P]≤0.010%。有些钢种:炮弹钢，耐腐蚀钢需加P元素。钢中的硫：硫对钢的性能会造成不良影响，钢中硫含量高，会使钢的热加工性能变坏，即造成钢的“热脆”性。硫在钢中以FeS的形式存在，FeS的熔点为1193℃，Fe与FeS组成的共晶体的熔点只有985℃。液态Fe与FeS虽可以无限互溶，但在固熔体中的溶解度很小，仅为0.015%-0.020%。当钢中的[S]＞0.020%时，由于凝固偏析，Fe-FeS共晶体分布于晶界处，在1150-1200℃的热加工过程中，晶界处的共晶体熔化，钢受压时造成晶界破裂，即发生“热脆”现象。如果钢中的氧含量较高，FeS与FeO形成的共晶体熔点更低（940℃），更加剧了钢的“热脆”现象的发生。硫还会明显降低钢的焊接性能，引起高温龟裂，并在焊缝中产生气孔和疏松，从而降低焊缝的强度。硫含量超过0.06%时，会显著恶化钢的耐蚀性。硫还是连铸坯中偏析最为严重的元素。PPT1——如何降低钢中硫的危害？不同钢种对硫含量的要求：普碳钢：普通质量钢[S]≤0.045%优质级钢[S]≤0.035%，特殊钢[S]≤0.025%管线钢[S]≤0.005%,甚至更低。特例：易切削钢硫则作为合金元素加入，要求[S]=0.08%-0.20%。钢中的氧：在吹炼过程中，向熔池供入了大量的氧气，到吹炼终点时，钢水中含有过量的氧，即钢中实际氧含量高于平均值。如不脱氧，在出钢、浇铸中，温度降低，氧溶解度降低，促使碳氧反应，钢液剧烈沸腾，使浇铸困难，得不到正确凝固组织结构的连铸坯。钢中氧含量高，还会产生皮下气泡，疏松等缺陷，并加剧硫的热脆作用。在钢的凝固过程中，氧将会以氧化物的形式大量析出，会降低钢的塑性，冲击韧性等加工性能。一般测定的是钢中的全氧，即氧化物中的氧和溶解的氧之和，在使用浓差法定氧时才是测定钢液中溶解的氧，在铸坯或钢材中取样时是全氧样。脱氧的任务根据具体钢种，将钢中的氧含量降低到所需的水平，以保证钢水凝固时得到合理的凝固组织结构；使成品钢中非金属夹杂物含量最少，分布合适，形态适宜，以保证钢的各项性能指标；得到细晶结构组织。常用脱氧剂有Fe-Mn，Fe-Si，Mn-Si，Ca-Si，Al，Si-Ca-Ba等合金。钢中的气体：H2钢液中的气体（氢与氮）会显著降低钢的性能，而且容易造成钢的许多缺陷。它们可以溶解于液态和固态纯铁和钢中。氢在固态钢中溶解度很小，在钢水凝固和冷却过程中，氢会和CO、N2等气体一起析出，形成皮下气泡中心缩孔、疏松、造成白点和发纹。钢在热加工时，含有氢气的气孔会沿加工方向被拉长形成发裂，进而引起钢材的强度、塑性、冲击韧性的降低，即发生“氢脆”现象。在钢材的纵向断面上，呈现出圆形或椭圆形的银白色斑点称为“白点”，是交错的细小裂纹。主因是钢中的氢在小孔隙中析出的压力和钢相变时产生的组织应力的综合力超过钢的强度，产生了“白点”。一般白点产生的温度低于200℃。N2钢中的氮大多以氮化物形式存在，它对钢质量的影响体现出双重性。氮含量高的钢种长时间放置，将会变脆，这一现象称为“老化”或“时效”。原因是钢中氮化物的析出速度很慢，逐渐改变着钢的性能。低碳钢产生的脆性比磷还严重。钢中氮含量高时，在250-450℃温度范围，其表面发蓝，钢的强度升高，冲击韧性降低，称之为“蓝脆”。氮含量增加，钢的焊接性能变坏。钢中加入适量的铝，可生成稳定的AlN，能够压抑Fe4N生成和析出，不仅改善钢的时效性，还可以阻止奥氏体晶粒的长大。氮可以作为合金元素起到细化晶粒的作用.在冶炼铬钢，镍铬系钢或铬锰系等高合金钢时，加入适量的氮，能够改善塑性和高温加工性能。钢中的夹杂：钢中非金属夹杂按来源分可以分成外来夹杂和内生夹杂。外来夹杂是指冶炼和浇铸过程中，带入钢液中的炉渣和耐火材料以及钢液被大气氧化所形成的氧化物。内生夹杂包括：脱氧产物；钢液温度下降时，硫、氧、氮等杂质元素溶解度下降而以非金属夹杂形式出现的生成物；凝固过程中因溶解度降低、偏析而发生反应的产物；固态钢相变溶解度变化生成的产物。钢中大部分内生夹杂是在脱氧和凝固过程中产生的。钢中的成分—碳炼钢的重要任务之一就是要把熔池中的碳氧化脱除至所炼钢钟的要求。从钢的性质可看出碳也是重要的合金元素，它可以增加钢的强度和硬度，但对韧性产生不利影响。钢中碳决定了冶炼、轧制和热处理的温度制度。碳能显著改变钢的液态和凝固性质，在1600℃，[C]≤0.8%时，每增0.1%的碳◆钢的熔点降低6.5℃◆密度减少4kg/m3◆黏度降低0.7%◆[N]的溶解度降低0.001%◆[H]的溶解度降低0.4cm3/100g◆增大凝固区间17.79℃钢的分类按化学成分分类按是否加入合金元素可钢分为把碳素钢和合金钢两大类。碳素钢根据碳含量的高低又可分成低碳钢（[C]≤0.25%），中碳钢(0.25%≤[C]≤0.60%)和高碳钢([C]>0.60%)。合金钢根据钢中合金元素含量的多少，又可分为低合金钢，中合金钢和高合金钢。一般合金元素总含量小于3%的为普通低合金钢，总含量为3%～5%的为低合金钢，大于10%的叫高合金钢，总含量介于5%～10%之间为中合金钢。按冶炼方法和质量水平分类按炼钢炉设备不同可分为转炉钢、电炉钢、平炉钢。其中电炉钢包括电弧炉钢、感应炉钢、电渣钢、电子束熔炼及有关的真空熔炼钢等。按脱氧程度不同可分为沸腾钢（不经脱氧或微弱脱氧）、镇静钢（脱氧充分）和半镇静钢（脱氧不完全，介于镇静钢和沸腾钢之间）。按质量水平不同可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。按用途分类分为三大类：结构钢，工具钢，特殊性能钢。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。合金结构钢根据化学成分（主要指含碳量）热处理工艺和用途的不同，又可分为渗碳钢、调质钢和氮化钢。工具钢包括碳素工具钢和合金工具钢及高速钢。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。2.2炼钢用原材料（30分）PPT2——炼钢用原材料金属料—铁水（生铁）铁水是转炉炼钢的基本原料。铁水的成分和温度是否适当和稳定，对简化和稳定转炉操作并获得良好的技术经济指标十分重要。温度＞1200～1300℃,且稳定。硅硅是重要的发热元素。对大中型转炉，用废钢作冷却剂时，铁水含硅量以0.5～0.8%为宜。用矿石冷却时，由于矿石带入SiO2，铁水含硅量应适当降低。铁水含硅量过高、过低对冶炼有什么影响？硫顶吹氧气转炉单渣法操作的去硫率很少超过40%，吹炼低硫钢的铁水，要求含硫<0.015％甚至更低。转炉用铁水的含锰量未作规定，铁水含Mn高，对化渣和延长炉龄有作用。金属料—废钢（PPT）废钢是电弧炉炼钢的基本原料，用量约占钢铁料的70～90%。氧气转炉用铁水炼钢时，由于热量富裕，可以加入多达30%的废钢，作为调整吹炼温度的冷却剂。废钢入炉前应仔细检查，严防混入封闭器皿、爆炸物和毒品，注意防止混入铅、锌、锡、铜等有色金属。尽量减少废钢带入的泥砂、耐火材料和炉渣等。合金钢的废料应按所含的合金元素仔细分组后分别保管。对外形尺寸和单重过大的废钢，应预先进行解体和切割，对轻薄料应打包或压块。铁矿石在较低温度下还原得到的海绵铁代替废钢作为电炉炼钢原料是一个趋势。金属料—铁合金（PPT）硅铁、锰铁、铬铁、硅锰合金、硅钙合金、硅锰铝合金，以及铝、锰、镍、钴等金属用于炼钢生产的脱氧和合金化。同一合金的不同牌号中，合金元素含量越高，碳、磷等杂质含量越低，价格越高。按所炼钢种选用适当的牌号，可以降低钢的成本。铁合金必须按其成分仔细分类并加工成一定块度后使用，使钢的成分均匀和减少烧损。使用前还必须进行烘烤，以减少带入钢中的气体。熔点较低和易氧化的合金，如钒铁、钛铁、铌铁、硼铁、硅钙、铝和稀土金属等可在低温下(100～1500℃)烘烤。熔点高和不易氧化的合金，如硅铁、铬铁、钨铁、钼铁等在高温下(≥800℃)烘烤。含氢高的金属如电解镍、电解锰等应进行退火。造渣材料—石灰碱性炼钢方法基本的造渣材料。它由石灰石煅烧而成，来源广，价廉，有相当强的脱磷和脱硫能力，不危害炉衬。要求CaO含量高，SiO2和S的含量尽可能低。终渣碱度为3.0时，石灰中SiO2含量增加l%，有效CaO含量将减少约3%。石灰含硫量高，去硫能力低，有可能增硫。炼低硫的钢种，对右灰的含硫量应有严格要求。石灰的灼减大，表明生烧率高，而且不稳定，会使炉子热效率显著降低，使造渣、温度控制和终点控制发生困难。应将灼减控制在适当的范围内(4-7％)。块度对石灰的熔解速度有重要影响，以5～40毫米为宜。块度过大，熔解很慢，不能及时而充分地起作用。过于细小的石灰粒易被废气带走。PPT3——石灰延伸知识造渣材料—萤石（PPT）萤石是普遍应用的熔剂，其主要成分为CaF2。熔点很低(约930℃)。能使CaO和阻碍石灰熔解的2CaO·SiO2外壳的熔点显著降低，而且作用迅速。因而能加速石灰的熔解，迅速改善碱性炉渣的流动性。转炉炼钢要求快速化渣，萤石成为必备的材料。但大量使用萤石会增加喷溅，加剧对炉衬的浸蚀。电炉炼钢用的萤石，使用前应经过烘烤。萤石供应不足和价格贵，寻求其代用品的研究很活跃。我国许多转炉钢厂使用铁矾土和氧化铁皮作为萤石的代用品。但它们的助熔速度比萤石慢，而且消耗的热量比萤石多。也有个别工厂采用锰矿作辅助熔剂，但因来源有限，应用不普遍。造渣材料—白云石白云石的主要成分CaCO3.MgCO3。经焙烧可成为轻烧白云石，其主要成分为CaO.MgO。加入一定量白云石代替部分石灰，增加渣料中MgO含量，可以减少炉衬中的MgO向炉渣中转移，而且还能促进前期化渣，减少萤石用量和稠化终渣，减轻炉渣对炉衬的浸蚀，延长炉衬寿命。溅渣护炉操作时，通过加入适量的生白云石或轻烧白云石保持渣中的MgO含量达到饱和或过饱和，使终渣能够做黏，出钢后达到溅渣的要求。造渣材料—合成渣合成造渣材料的基本原理是将石灰和熔剂预先在炉外制备成低熔点的造渣材料，即把石灰块的造渣过程部分地、甚至全部地移到炉外进行。合成造渣材料加入炉内，能加速成渣过程，提高炼钢的技术经济指标。无论是单一地加入FexOy、CaF2、MnO或是将两种以上熔剂加入石灰制成的合成造渣材料，都能加速成渣、脱磷和脱硫，提高金属收得率、降低渣料消耗和延长炉龄。使用高碱度烧结矿或球团矿，可以显著改善成渣过程。特别是高碱度球团矿，它的块度，强度、化学成分及稳定性都很好，并可由高炉的球团车间供应，是有一定前途的合成造渣材料。其缺点是要吸收大量热量，影响废钢用量。氧化剂1.氧气由氧气厂供应，用管道输送。吹氧炼钢时钢中的含氮量与氧气的纯度有密切关系。一般要求氧气的纯度应>98%O2。冶炼含氮量低的钢种时，应>99.5%O2。氧气应脱除水分。氧气的使用压力一般为0.6～1.2MPa。由于炼钢是周期性用氧，必须有贮氧装置。考虑到输氧过程中的压力损失，一般将氧气加压到2.5～3.0MPa贮存。2.铁矿石、氧化铁皮使用一定量的铁矿石，可改善脱磷条件。作为氧化剂而使用的铁矿石，要求含铁高，Si02、磷和水分要少，使用前要加热。氧化铁皮可代替部分铁矿石，但氧化铁皮潮湿，油污较多，使用前必须烘烤。冷却剂除废钢外，转炉炼钢常用的冷却剂有：1.富铁矿、团矿、烧结矿、球团矿、氧化铁皮利用它们所含的FeXOY氧化金属中的杂质时要吸收大量的热。这部分炼铁原料可以直接炼成钢，并且利用了其中的氧；与废钢比较，加入时可以不用装料机或吊车，不必倒炉停吹；同时又是助熔剂，有利于化渣。缺点是带入的脉石使石灰的消耗量和渣量增大；一次加入矿石过多时会产生严重喷溅。要求含铁量高，Si02和硫的含量少，成分和块度稳定(氧化铁皮不要求块度)，干燥。2.石灰石缺乏废钢和富铁矿等冷却剂的转炉钢厂，可试用石灰石作冷却剂。CaCO2分解时要大量吸热。比加入铁矿石和氧化铁皮时喷溅少，在去除磷硫程度相同的情况下渣中∑(Fe)要低些。其主要缺点是比加废钢冷却时的金属损失多，又没有加铁矿石冷却时的铁的收益，钢铁料消耗较高。还原剂和增碳剂电弧炉炼钢使用的还原剂和增碳剂有石墨电极，木炭、焦炭、电石、硅铁、硅钙、铝等。它们的粒度应<0.5毫米，使用前要烘烤。氧气转炉用增碳法冶炼中、高碳钢种时，一般用含灰分很少的石油焦增碳。2.3炼钢用耐火材料（30分）PPT4——耐火材料分类及性能钢铁生产常用的耐火材料硅酸铝质材料如粘土砖、高铝砖、半硅砖、刚玉砖等。这类材质以氧化铝和氧化硅为基本化学组成，通常根据制品中氧化铝和氧化硅含量进行分类：当氧化铝极低，而氧化硅大于93％时，为硅质制品如硅砖；而氧化铝含量高于90％时则为刚玉材料，常见的热电偶保护管即是此类材料的制品；氧化铝含量为15～30％的是半硅砖，很多天然材料属此类，它虽没有很高的耐火度，但热稳定性和抗渣性好；氧化铝量再高为粘土质；氧化铝含量超过48％的称为高铝质。硅质材料硅砖在600℃以上具有极好的高温性能，但在低温时，由于晶型转化伴随着体积的巨大变化而崩裂，因而在600℃以下抗震性能极差，使用受到限制。使用硅砖代替高铝砖砌筑热风炉拱顶和上部格子砖。硅砖有高的荷重软化温度，还有高的抗蠕变性能。价格低，含SiO2在95％以上，但仍有一定抗CaO和FeO等的渣化能力。镁质材料镁砖含氧化镁85～90％，有极高的耐火度（2000℃），属碱性材料，是炼钢生产不可缺少的耐火材料。抗热震性能差，易剥蚀。加入CaCO3和Al2O3等方法来改善其性能。当今转炉寿命的延长，主要是使用高纯和高碳含量的材料（镁碳砖），以提高其耐侵蚀性能。绝热材料依靠空气不能流动的微孔起绝热作用。体积密度小，导热系数低(小于0.30W/m·K）；用来降低砌体热量损失，减少燃料消耗。这种材料有砖、散状料和毡。高铝纤维毡体积密度为320kg／m3，长期使用温度为1200℃，1000℃以下导热系数为0.09W/m·K左右。碳与碳化硅材料耐高温（特别是碳），有良好的导热性、体积稳定性和抗渣性。碳砖的最大缺点是在氧化性气氛中会产生强烈氧化，所以应在还原性气氛或保护气氛里使用，主要用于砌筑高炉炉底和炉体。碳化硅材料造价昂贵，主要用于某些特殊热设备上，如电阻炉的发热体等。在高炉炉身中下部位使用碳砖，对高炉寿命的延长，获得良好效果。PPT5——耐火材料一般生产工艺流程冶金过程对耐火材料的要求冶金炉窑种类繁多，结构也很复杂，耐火材料的选择和应用有很大差别。冶金炉窑对耐火材料有下列要求：能承受高温作用，而不软化，不熔化；能承受高温荷重作用，不丧失结构强度，不发生变形和坍塌；体积稳定性好，在高温下不发生过大的体积膨胀和收缩，重烧线变化小；能抵抗温度急剧变化；能抵抗高温熔体的化学侵蚀和物理冲刷作用；外形尺寸规整，公差小。耐火材料的损毁机理渣蚀作用—由于熔渣和金属液或含尘腐蚀性气体的物理化学作用而引起的侵蚀。炼钢转炉和电炉渣线区域主要是由于渣蚀，而成为损毁最严重的部位，并决定着炉衬的寿命。温度剧烈变化作用—温度波动大，产生很大的内应力，造成砖砌体开裂、剥落，严重时变形或坍塌倾倒。如炼钢转炉、电弧炉，熔炼期最高炉温可达1250～1650℃，而放渣和出钢后，炉内温度急剧降至600～800℃，造成耐火材料内应力大，产生崩裂、剥落而损毁。气相的沉积作用—生产过程中会产生CO分解和铅、锌及碱金属氧化挥发，并在耐火材料气孔及砌缝内沉积，造成砖砌体龟裂、变形和化学侵蚀。耐火材料在服役中损毁的机理机械冲击和磨损作用—炉窑内物料的运动，对炉衬产生很大的机械冲击和严重的磨蚀作用，破坏性非常大。单纯熔融作用—耐火材料在高温热负荷作用下，往往发生重烧线变化，造成砌筑体失稳。有时操作温度过高，还会造成局部软化甚至熔融形成熔滴，导致砌体坍塌。转炉炉衬耐火材料的损毁原因机械冲击和磨损；耐材的高温溶解；高温溶液渗透；高温下气体挥发；耐火材料选用的原则选用耐火材料时，一般应遵循下列原则：掌握炉窑特点根据炉窑的构造、各部位工作特性、耐火材料损毁的原因及运行条件，选用耐火材料。如各种熔炼炉渣线及以下部位的炉衬及炉底，以受渣和金属熔体的化学侵蚀为主，其次才是温度骤变所引起的热应力作用，一般选用抗渣性优良的镁质、镍铬质耐火砖砌筑。渣线以上部位可选用镁铝砖或镁铬砖或高铝砖砌筑。熟悉耐火材料的特性充分发挥耐火材料的优良特性，尽量避开其缺点。如硅砖荷重软化温度高，能抵抗酸性炉渣的侵蚀，但在600℃以下发生β晶型向α晶型的快速转变，耐热震性很差，而在600℃以上使用时耐热震性较好，高温下只会膨胀不发生体积收缩。保证炉窑的整体寿命炉子各部位所用各种耐火材料之间合理配合，保证各部位的均衡损耗。采取合理技术措施下达到均衡损耗，保证炉子整体使用寿命实现综合经济效益合理对耐火材料的质量、来源与价格、使用寿命与消耗以及对产品质量的影响，综合分析，力求做到综合经济效益合理。电炉：绝热材料(石棉板、轻质粘土砖)，用于炉底、炉壁；镁质耐火材料（镁砂、镁砖），作炉衬材料；铝镁砖、高铝砖，用于砌筑炉盖。转炉：白云石质或镁质材料，用于砌筑炉衬。

第3课本堂课的主要内容：第三章炼钢生产的理论基础3.1炼钢熔体的结构和性质3.2钢液中元素氧化反应的一般规律3.3硅、锰的氧化反应3.4钢液的脱碳具体讲授内容和时间分配：3.1炼钢熔体的结构和性质（45分）一、钢液的密度单位体积钢液所具有的质量，常用符号ρ表示，单位通常用kg/m3。影响钢液密度的因素主要有温度和钢液的化学成分。总的来讲，温度升高，钢液密度降低，原因在于原子间距增大。固体纯铁密度为7880kg/m3，1550℃时液态的密度为7040kg/m3，钢的变化与纯铁类似。PPT1——钢液密度公式PPT2——密度与温度的关系二、钢的熔点定义：指钢完全转变成均一液体状态时的温度，或是冷凝时开始析出固体的温度。钢的熔点是确定冶炼和浇铸温度的重要参数，纯铁的熔点约为1538℃，当某元素溶入后，纯铁原子之间的作用力减弱，铁的熔点就降低。降低的程度取决于加入元素的浓度、原子量和凝固时该元素在熔体与析出的固体之间的分配。PPT3——元素可使纯铁熔点的降低PPT4——计算钢熔点的经验公式1PPT5——计算钢熔点的经验公式2三、钢液的黏度定义：黏度是指各种不同速度运动的液体各层之间所产生的内摩擦力。通常将内摩擦系数或黏度系数称为黏度。黏度是钢液的一个重要性质，它对冶炼温度参数的制定、元素的扩散、非金属夹杂物的上浮和气体的去除以及钢的凝固结晶都有很大影响。PPT6——黏度表示形式影响钢液粘度因素主要是温度和成分。温度升高，粘度降低。钢液中的碳对粘度的影响非常大，这主要是因为碳含量使钢的密度和熔点发生变化，从而引起粘度的变化。生产实践也表明，同一温度下，高碳钢的流动性比低碳钢钢液的好。因此，一般在冶炼低碳钢中，温度要控制得略高一些。PPT7——碳含量对钢液粘度的影响影响钢液粘度的因素：Si、Mn、Ni使钢的熔点降低，Si、Mn、Ni含量增加，钢液粘度降低，尤其含量很高时，降低更显著。但Ti、W、V、Mo、Cr含量增加则使钢液的粘度增加，这些元素易生成高熔点、体积大的各种碳化物。钢液中非金属夹杂物含量增加，钢液粘度增加，流动性变差。初期脱氧产物生成，夹杂物含量高，粘度增大，夹杂物不断上浮或形成低熔点夹杂物，粘度又下降。脱氧不良，钢液流动性一般也不好。常用流动性来表示钢液的粘稠状况，粘度的倒数即为流体的流动性。四、钢液的表面张力钢液因原子或分子间距非常小，其间的吸引力较强，而且钢液表面层和内部所引起的这种吸引力的变化是不同的。内部每一质点所受到的吸引力的合力等于零，质点保持平衡状态；而表面层质点受内部质点的吸引力大于气体分子对表面层质点的吸引力，这样表面层质点所受的吸引力不等于零，且方向指向钢液内部。定义：这种使钢液表面产生自发缩小倾向的力称为钢液的表面张力，用符号σ表示，单位为N/m。实际上，钢液的表面张力就是指钢液和它的饱和蒸气或空气界面之间的一种力。钢液表面张力的作用：对新相的生成如CO气泡的产生，钢液凝固过程中结晶核心的形成等有影响;对相间反应，如脱氧产物的、夹杂物和气体从钢液中排除，渣钢分离，钢液对耐火材料的侵蚀等也有影响。影响钢液表面张力的因素很多，但主要有温度、钢液成分及钢液的接触物。凡能降低表面张力的元素，便会自发地移到溶液表面，使表面浓度大于内部浓度，这时称为正吸附，该元素称为表面活性物质；反之，为表面非活性物质。钢液的表面张力是随着温度的升高而增大，原因之一是温度升高时表面活性物质如C、O等热运动增强，使钢液表面过剩浓度减少或浓度均匀化，从而引起表面张力增大。1550℃时，纯铁液的表面张力约为1.7～1.9N/m。溶质元素对纯铁液表面张力的影响程度取决于它的性质与铁的差别的大小。PPT8——合金元素对熔铁表面张力的影响PPT9——硫和氧对铁液表面张力的影响PPT10——液相线以上50℃，碳对铁碳熔体表面张力的影响五、钢的导热能力钢的导热能力可用导热系数来表示，即当体系内维持单位温度梯度时，在单位时间内流经单位面积的热量。钢的导热系数用符号λ表示，单位为W/（m·℃）。影响钢导热系数的因素主要有钢液的成分、组织、温度、非金属夹杂物含量以及钢中晶粒的细化程度等。影响钢导热能力的因素：钢中合金元素越多，钢的导热能力就越低。各种合金元素对钢的导热能力影响的次序为：C、Ni、Cr最大，Al、Si、Mn、W次之，Zr最小。合金钢的导热能力一般比碳钢差，高碳钢的导热能力比低碳钢差。具有珠光体、铁素体和马氏体组织的钢，导热能力加热时都降低，但在临界点AC3以上加热将增加。各种钢的导热系数随温度变化规律不一样，800℃以下碳钢随温度的升高而下降，800℃以上则略有升高。PPT11——导热系数与碳含量的关系PPT12——温度对钢导热系数的影响3.2钢液中元素氧化反应的一般规律（25分）PPT13——元素氧化反应类型PPT14——钢液中元素氧化的△G0-T图元素氧化的热力学条件：1）温度：元素氧化是放热的，T↑，K↓，LM↓；C例外2）渣氧化能力：aFeO↑，LM↑3）碱度及氧化物性质：rMO↓，LM↑；但rMO和MO的化学性质有关，形成酸性氧化物的元素，在碱性渣中易氧化；形成碱性氧化物的元素，在酸性渣中易氧化。4）多种元素的选择氧化：△G最小的元素先氧化。PPT15——炉渣传氧示意图PPT16——传氧途径及氧的作用PPT17——转炉冶炼过程中金属、炉渣成分的变化3.3硅、锰的氧化反应（5分）PPT18——硅、锰的氧化反应3.4钢液的脱碳（15分）1、碳氧化反应和碳氧积PCO=1，m=[%C][%O]称为碳氧积。在一定温度下，m=常数[%C][%O]=mPCO，PCO↓，[%C][%O]↓2、碳氧化反应的热效应1）直接氧化[C]+1/2O2→CO△H0=-139.70kJ放热2）间接氧化[C]+[O]→CO△H0=-22.40kJ放热3）矿石氧化碳[C]+1/3Fe2O3(S)→CO+2/3Fe△H0=210.79kJ吸热4）渣中（FeO）氧化碳[C]+（FeO）→CO+[Fe]△H0=98.51kJ吸热3、脱碳过程中钢液的氧含量——PPTPPT1——转炉内碳氧反应速度变化PPT2——顶吹转炉吹炼终点中碳和氧的关系（增碳法钢中氧含量高，拉碳法低）

第4课本堂课的主要内容：第三章炼钢生产的理论基础3.5钢液的脱磷3.6钢液的脱硫3.7其它元素的氧化3.8钢液的脱氧和合金化3.9钢中的气体和非金属夹杂物3.10钢液搅拌具体讲授内容和时间分配：3.5钢液的脱磷（30分）P2O5不稳定，与碱性氧化物形成磷酸盐，固定于渣中。2[P]+8（FeO）→3FeO·P2O5+5[Fe]1、分子理论脱磷反应2[P]+5（FeO）+4（CaO）→（4CaO·P2O5）+5[Fe]*注：在低温下（1400-1500℃才能稳定存在；>1500℃；以3CaO·P2O5存在脱磷热力学条件：1）温度：脱磷反应是放热反应，低温有利于脱磷。2）高碱度：R↑，aCaO↑3）高氧化性4）大渣量PPT1——终点熔渣碱度与[P]的关系2、P和C的氧化关系低温下，P先氧化，随温度的升高，C氧化，（FeO）↓，会使炉渣变粘，发生“回磷”现象。3、熔渣中磷的还原熔渣碱度降低，其中的P会发生还原，进入钢液，称为“回磷”。加入硅铁，氧化形成的SiO2进入炉渣，熔渣侵蚀包衬，均可使炉渣碱度降低。RR↑FeO%→↑LP4、还原脱磷在还原条件下，磷可还原，生成P3-：1/2P2(g)+3/2(O2-)=(P3-)+3/4O2实现还原脱磷，需要很低的氧势或很高真空度，生产中很难实现。目前采用Ca-CaF2，CaC2-CaF2渣系进行还原脱磷。3CaC2+2[P]=Ca3P2+6[C]还原脱磷存在的问题:1）CaP2渣的处理很复杂，与水汽作用，产生PH3剧毒气体；2）[C]=0.5-1.8%，脱P率↑；[C]<0.5%，CaC2分解速度快，Ca损增加；3）[C]>1.8%，CaC2分解困难，钢液有“增C”的可能。P5+P5+P3-lgPO2lgP3-,lgP5+,%3.6钢液的脱硫（15分）1、炉渣脱硫反应[FeS]+（CaO）=（CaS）+[FeO][S]+（O2-）=（S2-）+[O]影响因素：1）R↑，LS↑，且Ca2+集中在S2-周围，rs2-↓2）（FeO）↓，LS↑3）[Si]、[C]↑，fS↑，LS↑；[S]+[Mn]+(CaO)=(CaS)+(MnO)发生共轭反应，进行沉淀脱硫。4）温度升高，LS↑2、气化脱硫转炉炼钢，气化脱硫占总脱硫量的10-20%。气化脱硫的主要反应：[S]+O2=SO2↑但由于硫和氧的亲和力比碳、硅与氧的亲和力小的多，所以钢中有C、Si存在时，上面的气化反应很难发生。主要通过炉渣气化脱硫，即：（CaS）+3（Fe2O3）=SO2↑+（CaO）+6（FeO）（CaS）+3/2O2=SO2↑+（CaO）反应取决rs2-和PO2或aFeO,碱度升高，rs2-↓，高碱度对气化脱硫不利；但对渣脱硫有利。3.7其它元素的氧化（10分）——PPT3.8钢液的脱氧和合金化（20分）1、脱氧反应热力学1）脱氧常数及脱氧能力PPT1——脱氧反应式在一定温度下，K↓，与[M]平衡的[O]↓,M的脱氧能力增强，K衡量元素的脱氧能力。与氧结合的顺序：Ce>Zr>Al>Ti>B>Si>C>V>Mn>CrPPT2——元素的脱氧能力2）脱氧产物的组成及形态脱氧产物的组成及形态是变化的，决定于元素的脱氧能力及用量。如Si脱氧：2FeO∙SiO2→SiO2SiO2的加入量增加，产物的熔点提高。生成复杂化合物，aMxOy↓,[O]平↓，脱氧能力↑3）脱氧产物的排出和钢中夹杂物靠自身浮力排出，上浮速度由Stokes公式计算：r↑，V↑，有利于夹杂物排出增大r的方法：固体质点彼此凝聚、两液相质点的聚结、固体质点为液体质点所粘附或润湿2、Mn、Si、Al的脱氧1）Mn[Mn]+（FeO）=（MnO）+[Fe]FeO+MnO形成液溶体或固溶体，MnO/FeO↑，T熔↑，易形成固溶体。Mn的脱氧能力，随温度降低而增强（后期沸腾）。2）Si[Si]+2[O]=SiO2(S)KSi=[%Si][%O]2温度↑，KSi↑，[O]平↑，也会后期沸腾3）Al2[Al]+3[O]=Al2O3(S)KAl=[%Al]2∙[%O]3Al2O3细小质点不易被钢液润湿，Al是强脱氧剂，可使钢液镇静，而Si、Mn不能使钢液镇静。3、复合脱氧—用两种或以上元素脱氧的过程。复合脱氧提高各自的脱氧能力，易获得低熔点、易聚合的液相脱氧产物。[Si]+2(MnO)=(SiO2)+2[Mn][%Mn]/[%Si]>4，可获得液态产物。4、熔渣脱氧（扩散脱氧）Σ(FeO)↓，[O]向渣中扩散脱除。渣中加入Si-Fe粉、C粉、CaC2粉、Al粉、Si-Ca粉等，使Σ(FeO)↓=0.5-1.0%。5、脱氧剂用量的计算脱氧剂加入量=6、合金化脱氧和合金化操作不能截然分开，而是紧密相联，合金化操作的关键问题是合金化元素的加入次序，一般的原则：脱氧元素先加，合金化元素后加；脱氧能力比较强，而且比较贵重的合金，应在钢水脱氧良好的情况下加入；熔点高，不易氧化的元素，可加在炉内。冶炼一般合金钢和低合金钢时，合金加入量的计算方法和脱氧剂基本相同，即合金加入量=冶炼高合金钢时，合金加入量大，必须考虑加入的合金量对钢水重量和钢水终点成分的影响。3.9钢中的气体和非金属夹杂物（10分）1.钢液的真空处理反应——PPT2、影响氢和氮在钢中溶解度的因素温度、相变、金属成分以及与金属相平衡的气相中该气体的分压1)氢和氮在液态纯铁中溶解度随温度升高而增加；2)固态纯铁中气体的溶解度低于液态；3)氮在固态纯铁中的溶解度随温度的升高降低，原因是有氮化物析出。4)在910℃发生α-Fe向γ-Fe转变，1400℃时发生γ-Fe向δ-Fe转变，溶解度也发生突变。在奥氏体中因晶格常数大能溶解更多的气体。PPT1——氢和氮分压为100kPa时在纯铁中的溶解度3、钢中非金属夹杂物的种类及其形态PPT2——钢中非金属夹杂物的种类及其形态PPT3——变形前后钢种夹杂物形态示意图4、夹杂物对钢的性能的影响1）夹杂物与裂纹的形成及应力集中的关系作为显微裂纹的发源地。材料中有夹杂物的地方，则出现应力集中现象2）夹杂物对钢的塑性和韧性的影响夹杂物对塑性的影响在断面收缩率上比在延伸率上表现得更显著。通常夹杂物对钢材的纵向塑性影响不大，而对横向塑性的影响却较显著。如果材料中有非金属夹杂物，则钢的韧性下降3）夹杂物对钢的疲劳性能的影响线膨胀系数小于钢的夹杂，会促进疲劳裂纹的发生和发展夹杂物颗粒越大，则不利的影响越大，多角形夹杂物的影响大于球状夹杂物的影响；在表面或靠近表面存在的夹杂物，尺寸虽小但也有害。而在深部存在的夹杂物，超过一定临界尺寸才带来不利的影响。氧化物夹杂的总量与钢中氧含量成正比4）夹杂物对钢的加工性能的影响使钢的热加工性能变坏钢中长条状夹杂物往往使钢的弯曲性能出现各向异性，且横向性能变坏对焊接结构件会产生层状撕裂现象硫化物增加钢材的脆性，使钢容易切屑加工5）夹杂物对钢的物理化学性能的影响夹杂物的存在减少了铁磁性基体的体积，破坏了金属基体的连续性；其次，使基体变形产生内应力，因而基体磁化不均匀、磁性下降。点蚀起源于硫化物夹杂和与硫化物复合的某些氧化物夹杂（主要是铝酸钙和氧化铝）上，而单独氧化物则没有这种作用。5、夹杂物形态控制1）硫化物形态控制脱氧元素与硫的反应和氧结合的能力：Ca＞A1＞Si＞Mn；和硫结合的能力：Ca＞Mn＞Al，和钙结合的能力：O＞S；和锰结合的能力：S＞O加稀土控制硫化物形态以生成球状小颗粒夹杂方式改善第Ⅱ类MnS夹杂。2）氧化物形态控制铝酸钙的类型及物性——铝酸钙随CaO含量的增加，其熔点趋于下降，当CaO含量达到48%时熔点最低。12CaO·7A12O3呈球状，在钢液中易于凝聚排除。加钙处理方式——使用喂丝和钢包喷粉工艺3.10钢液搅拌（5分）搅拌可促进钢、渣、气及耐火材料之间的反应。电磁搅拌气体搅拌脱碳反应—电炉吹氧+脱碳—转炉吹氩搅拌利用真空搅拌出钢过程—渣洗——PPT

第5课本堂课的主要内容：第四章铁水预处理工艺4.1铁水预处理的作用和效果4.2铁水预脱硅工艺4.3铁水预脱磷工艺4.4铁水预脱硫工艺4.5铁水“三脱”工艺具体讲授内容和时间分配：第四章铁水预处理工艺4.1铁水预处理的作用和效果（10分）铁水预处理——铁水在兑入炼钢炉之前，为除去某种有害成分(如S、P、Si等)或提取/回收某种有益成分(如V、Nb等)的处理过程。分类：普通铁水预处理——单一脱S；脱Si，同时脱P、S特殊铁水预处理——脱Cr、提V/Nb/W作用和效果：有效提高铁水质量减轻炼钢负担为优化炼钢工艺，提高钢材质量创造良好条件对特殊铁水预处理而言，可有效回收利用有益元素，实现综合利用4.2铁水预脱硫工艺（35分）1、基本原理使用与硫的亲合力比铁与硫的亲合力大的元素或化合物，将硫化铁转变为更稳定的、极少溶解或完全不溶于铁液的硫化物；创造良好的动力学条件，加速铁水中硫向反应地区的扩散和扩大脱硫剂与铁水之间的反应面积。典型脱硫剂有：苏打(Na2CO3)、石灰(CaO)、食盐(NaCl)、氰氨化钙(CaCN2)、镁(Mg)、碳化钙(CaC2)等。常用的脱硫剂是碳化钙、石灰和镁。PPT1——常用脱硫剂的热力学反应常数PPT2——脱硫计算比较表格CaC2是强的脱硫剂。其脱硫能力随温度升高而减弱。石灰的脱硫能力较差，但随温度升高而增强。镁的脱硫能力强，但价格昂贵。镁脱硫时，反应激烈。一般将镁粉渗入焦炭孔隙中制成镁焦，或与石灰制成混合物使用。2铁水预脱硫方法铁水炉外脱硫的效果，反应的动力学条件非常重要。适当高的铁水温度以加速扩散；适当细小的脱硫剂粒度以扩大反应面积；利用脱硫剂(如Na2CO3、CaCO3)本身放出气体加强搅拌或采用催化剂(如铝粉、萤石粉等)；采用强制搅拌的方法。PPT1——铁水预脱硫方法3、铁水预脱硫的优点铁水中[C]、[Si]较高，fs↑，硫反应能力提高；铁水中[O]较低，Ls↑，脱硫效率高；搅拌充分，脱硫剂利用率高，脱硫速度快；铁水脱硫费用低；铁水脱硫可提高炼铁炼钢的生产能力、节约工序能源、降低成本。PPT1——各种脱硫方法比较4、提高铁水脱硫效果的措施热力学条件fs↑（[C]↑、[Si]↑）；降低氧位，即[O]↓、（O2－）↓（加入铝）脱硫剂用量↑（同时生产费用↑）；控制好温度动力学条件根据铁水条件及钢种要求，选择合适的主脱硫剂。满足脱硫要求，降低脱硫成本且操作方便。脱硫要求一般时（轻脱硫），脱硫剂组成以石灰粉为主；生产低硫生铁时，以电石粉为主（深脱硫）。4.3铁水预脱硅工艺（10分）铁水预脱硅技术是基于铁水预脱磷技术而发展起来的。铁水中硅的氧势比磷的氧势低得多，脱磷过程加入氧化剂硅比磷优先氧化。1、铁水预脱硅基本原理铁水中的硅与氧有很强的亲和力，因此硅很容易与氧反应而被氧化去除。常用的铁水脱硅剂◆固体氧化剂，如高碱度烧结矿、氧化铁皮、铁矿石、铁锰矿、烧结粉尘；◆气体氧化剂，如氧气或空气。PPT1——脱硅原理2、铁水预脱硅方法及其选择铁水预脱硅主要有三种方法；◆高炉出铁沟脱硅；◆鱼雷罐车或铁水罐中喷射脱硅剂脱硅；◆“两段式”脱硅，即为前两种方法的结合，先在铁水沟内加脱硅剂脱硅，然后在鱼雷罐车或铁水罐中喷吹脱硅。PPT2——高炉出铁沟脱硅PPT3——铁水罐中喷射脱硅剂脱硅4.4铁水预脱磷工艺（20分）高强度、高韧性、高抗应力腐蚀性能钢种需求量的不断增加；为降低氧气转炉钢的生产成本和实行少渣炼钢，要求铁水磷小于0.015%。1、铁水预脱磷的基本原理铁水中的磷首先氧化成P2O5，然后与强碱性氧化物结合成稳定的磷酸盐而去除。在铁水预脱磷过程中，首先要有适当的氧化剂将溶解于铁水中的磷氧化，然后采用强有力的固定剂，使被氧化的磷牢固地结合在炉渣中。2、铁水预脱磷方法在高炉出铁沟或出铁槽内进行脱磷在铁水包或鱼雷罐车中进行预脱磷在专用转炉内进行铁水预脱磷转炉的容积大、反应速度快、效率高、可节省造渣剂的用量，吹氧量较大时也不易发生严重的溢渣现象，有利于生产超低磷钢，尤其是中高碳的超低磷钢。PPT1——铁水同时脱硫脱磷分析4.5铁水“三脱”工艺（15分）铁水三脱工艺特点优点：可实现转炉少渣冶炼（渣量＜30kg／t）。铁水脱硫有利于冶炼高碳钢、高锰钢、低磷钢、特殊钢（如轴承钢、不锈钢）等。可提高脱碳速度，有利于转炉高速冶炼。转炉吹炼终点时钢水锰含量高，可用锰矿直接完成钢水合金化。缺点：铁水中发热元素减少，转炉的废钢加入量减少。转炉少渣炼钢工艺——铁水预处理将S、P（脱P需先脱Si）脱到转炉冶炼钢种的终点要求含量，转炉就无需为脱S、P进行造渣，而只承担脱C和升温任务的工艺。PPT1——铁水“三脱”工艺

第6课本堂课的主要内容：第五章转炉炼钢工艺5.1现代转炉炼钢发展趋势5.2氧气转炉炼钢及设备特点5.3转炉炼钢工艺制度5.3.1原料装入制度5.3.2供氧制度具体讲授内容和时间分配：5.1现代转炉炼钢发展趋势（5分）——PPT1）自供热转炉的发展演变过程2）传统供热向外加燃料联合供热转炉的发展演变过程3）转炉炼钢功能的发展和完善5.2氧气转炉炼钢及设备特点（20分）——PPT1）氧气转炉炼钢的特点生产率高、钢中气体含量少，钢质量好；可炼品种多、原料适应性强；成本低、投资少、建厂快；生产较均衡，利于与连铸配合，利于实现生产的自动控制；2）氧气顶吹转炉炼钢设备转炉炉体结构及倾动机构；散装料供应系统主要设备组成及作用；废气处理系统；废气处理系统转炉烟气净化及回收处理的意义——防止环境污染、回收能源。烟气的处理方式有燃烧法与未燃法两种烟尘的净化方式也有两种，即湿式净化与干式净化。绝大多数顶吹转炉的烟气是采用未燃法（氮幕法）、湿法净化回收系统，称OG系统；采用未燃、干式净化回收系统，又称LT系统。烟气除尘设备——洗涤除尘器（文氏管）、静电除尘器、布袋除尘器等。静电除尘器的主要特点:除尘效率高（净化效率高），可达99.9％，而且稳定，不受烟气量波动的影响，最适宜捕集小于1μm的烟尘；处理烟气量大，阻力损失小（一般在30毫米水柱以下），可用于高温烟气；维护费用较低，使用寿命长。但一次性投资高（设备投资费用大），设备庞大，占地面积大。需考虑设置增湿塔，降低烟尘电阻率后再进入静电除尘器，才能发挥其特性（电除尘器适宜烟尘电阻率为108～1011Ω·m）。5.3转炉炼钢工艺制度（20分）——PPT1）冶炼过程概述上炉钢出完钢后，倒净炉渣，堵出钢口，兑铁水和加废钢，降枪供氧，开始吹炼。在送氧开吹的同时，加入第一批渣料，加入量相当于全炉总渣量的三分之二，开吹4-6分钟后，第一批渣料化好，再加入第二批渣料。如果炉内化渣不好，需加入第三批萤石渣料。吹炼过程中的供氧强度：小型转炉为2.5-4.5m3/(t·min)；120t以上的转炉一般为2.8-3.6m3/(t·min)。开吹时氧枪枪位采用高枪位，目前是为了早化渣，多去磷，保护炉衬；在吹炼过程中适当降低枪位的保证炉渣不“返干”，不喷溅，快速脱碳与脱硫，熔池均匀升温为原则；在吹炼末期要降枪，主要目的是熔池钢水成分和温度均匀，加强熔池搅拌，稳定火焰，便于判断终点，同时使降低渣中Fe含量，减少铁损，达到溅渣的要求。当吹炼到所炼钢种要求的终点碳范围时，即停吹，倒炉取样，测定钢水温度，取样快速分析[C]、[S]、[P]的含量，当温度和成分符合要求时，就出钢。当钢水流出总量的四分之一时，向钢包中的脱氧合金化剂，进行脱氧，合金化，由此一炉钢冶炼完毕。2）冶炼工艺制度（1）冶炼前得准备操作用具的准备；补炉操作；转炉溅渣护炉（2）冶炼操作摇炉进料操作；转炉冶炼特征演示；转炉倒渣出钢；转炉操作全程演示。5.3.1原料装入制度（20分）原则一对使用废钢的转炉，如先装废钢后兑铁水，为了保护炉衬不被废钢击伤，应先加洁净的轻废钢，再加中型和重型废钢。过重的废钢，最好在兑铁水后加入。为了防止炉衬过分急冷，装完废钢后应立即兑入铁水。炉役末期，以及废钢装入量很大的转炉，均应先兑铁水后加废钢。原则二不同的转炉，以及同一转炉在不同的生产条件下，都有其不同的合理的金属装入量。装入量过大，喷溅增加，熔池搅拌不好，造渣困难，炉衬特别是炉帽寿命缩短，供氧强度也因喷溅大而被迫降低。装入量过小，炉产量减少。因熔池过浅，炉底容易受来自氧气射流区的高温和高氧化铁的循环流冲击，甚至损坏炉底。转炉控制装入量的三种方法定量装入在整个炉役期间，保持每炉的金属装入量不变。优点是生产组织简便，对大型企业尤为突出。缺点是容易造成炉役前期装入量偏大而熔池偏深，炉役后期装入量又偏小而熔池偏浅。大型转炉可以采用。定深装入在整个炉役期间，保持每炉的金属熔池深度不变。优点是氧枪操作稳定，有利于提高供氧强度和减少喷溅，不必担心氧气射流冲击炉底，可以充分发挥转炉的生产能力。缺点是装入量及出钢量变化极为频繁，采用模铸时铸锭很难配合。但对采用连铸的车间是有其优越性的。分阶段定量装入整个炉役按炉膛扩大的程度划分为若干阶段，各阶段实行定量装入。保持了比较适当的熔池深度及装入量的相对稳定性，既能满足吹炼工艺要求，也便于组织生产，为各厂普遍采用。影响金属装入量的因素1)炉容比炉容比是指转炉内部自由空间的容积(V)与金属装入量(T)之比，V/T。转炉喷溅和生产率均与其炉容比密切相关。国内外绝大多数转炉的V/T=0.8～1.0。一般在转炉容量小、铁水硅磷含量高、供氧强度大、喷头孔数少，用铁矿石和氧化铁皮冷却时，炉容比靠上限；反之，则靠下限。各阶段的金属装入量应能保证一定的炉容比。PPT1——国内一些企业顶吹转炉的炉容比2)金属熔池深度为保证生产安全和炉底寿命，熔池深度(H熔)应大于氧气射流对熔池的最大穿透深度(hmax)。H熔=K1hmaxKl取2.0～2.3PPT2——氧气射流对熔池的穿透深度的近似计算公式3)浇注钢锭的重量模铸时，为了保证钢锭的适当浇高，减轻缩孔、疏松缺陷和尽量减少浇余，装入量应与浇注钢锭的重量相配合。按炉容比、熔池深度和浇注钢锭的重量算出的装入量不相同时，首先应保证浇注一定支数的钢锭，熔池深度则可以略为加深而不应减浅，炉容比可以略大或略小。PPT3——模铸装入量计算公式4)炉子附属设备应与钢包容量、浇注吊车起重能力、转炉倾动力矩大小、连铸机的操作等相适应。5.3.2供氧制度（25分）氧气转炉炼钢以氧气作为基本的氧化剂。转炉的供氧方法不同，炼钢过程的特点也不同。喷头的孔数、枪位或其它供氧参数不同，会带来不同的吹炼特点。供氧决定氧气射流与熔池的接触面积、一次反应区的位置和尺寸、熔池的搅拌状况、元素的氧化速度、渣中氧化铁的含量，对化渣、喷溅、杂质的去除速度、终点碳和温度的控制以及各项技术经济指标都有重大影响。供氧是根据原材料、所炼钢种、炉子容量及氧源压力等条件确定氧枪的类型、结构和尺寸、枪位和工作氧压。1、氧气从氧枪中的流出顶吹氧气转炉都采用超音速氧枪。拉瓦尔型的氧枪喷头能够最大限度地把氧气的压力能转变为动能，可以得到稳定的和最大流速的超音速射流。2、氧气射流对转炉熔池的作用——PPT氧气射流对熔池的物理作用氧气射流对熔池的化学作用金属滴表面氧化成Fe2O3，载氧液滴参与熔池的循环运动，并在熔池中进行二次氧化，将氧传给金属。在高枪位或低氧压“软吹”的情况下，射流穿透深度小，熔池搅拌微弱，使炉渣的氧化性提高；在低枪位或高氧压“硬吹”的情况下，则载氧液滴将载有较少的氧进入炉渣，而使炉渣的氧化性降低。3、顶吹氧气转炉的氧枪操作变动枪位是目前控制吹炼过程的重要手段。影响枪位变化的因素：吹炼的不同时期吹炼前期—硅迅速氧化，渣中SiO2的浓度大和熔池温度不高。要求快速熔化石灰，尽快形成碱度≮1.5～1.7的活跃的炉渣，以免酸性渣严重浸蚀炉衬和尽量增加前期的去磷率。温度正常时，除适当加入萤石或FeO皮等助熔剂外，一般采用较高的枪位，使渣中的∑(FeO)稳定在25～30%的水平。吹炼中期—强烈脱碳。渣中∑(FeO)降低将使渣的熔点升高。渣中∑(FeO)降低过多时会使炉渣显著变粘，影响磷、硫的继续去除，甚至发生回磷。这种炉渣变粘的现象称为炉渣“返干”。为防止中期炉渣“返干”而又不产生喷溅，枪位应控制在使渣中∑(FeO)含量保持在10～15%的范围内。吹炼后期—进一步调整好炉渣的氧化性和流动性，继续去除磷和硫，准确控制终点。在过程化渣不太好或中期炉渣“返干”较严重时，后期应首先适当提枪化渣，而在接近终点时，再适当降枪，以加强熔池搅拌，均匀熔池温度和成分，降低镇静钢和低碳软钢的终渣∑(FeO)含量，提高金属和合金收得率并减轻对炉衬的浸蚀。影响枪位变动的因素：熔池深度熔池越深，相应渣层越厚，吹炼过程中熔池面上涨越高，枪位也应在不致引起喷溅的条件下相应提高，以免化渣困难和枪龄缩短。在其它条件不变时，装入量增多，枪位应相应增高；随着炉龄的增长，熔池变浅，枪位应相应降低；随着炉容量增大，熔池深度增加，枪位应相应增高。造渣材料加入量及其质量铁水中磷、硫含量高，或吹炼低硫钢，或石灰质量低劣、加入量很大时，由于渣量增大使熔池面显著上升，化渣困难，枪位应相应提高。铁水中硫、磷含量很低，加入的渣料很少，采用“软烧”石灰或合成造渣材料等情况下，化渣时枪位可降低，甚至可采用不变枪位的恒枪操作。铁水温度和成分在铁水温度低或开新炉时，开吹后应先低枪提温，再提枪化渣，以免使渣中积聚过多的∑(FeO)而导致强烈脱碳时发生喷溅。为避免严重喷溅，铁水含硅量很高(>1.2%)时，前期枪位不宜过高。喷头结构在一定的氧气流量下，增多喷孔数目，穿透深度减小，冲击面积增大，枪位应相应降低。三孔氧枪的枪位约为单孔氧枪的55～75%。直筒型喷头的穿透深度比拉瓦尔型小，因而枪位应低些。PPT——顶吹氧气转炉多采用恒氧压变枪位操作。变氧压又变枪位的操作。

第7课本堂课的主要内容：第五章转炉炼钢工艺5.3.3造渣工艺5.3.4温度制度5.3.5终点控制及出钢具体讲授内容和时间分配：5.3.3造渣工艺（35分）吹炼过程中随着熔池温度的变化相应控制炉渣成分，使炉渣的物理化学性质符合炼钢的要求，是造渣工艺的基本内容。1.炉渣碱度的控制PPT1——炉渣碱度的控制PPT2——渣料的用量PPT3——计算实例PPT4——炉渣碱度变化石灰在炉渣中的熔解机理和影响石灰熔解速度的因素在吹炼过程的任一时刻，熔融炉渣的实际碱度与石灰的熔解速度紧密相关。顶吹氧气转炉中石灰的熔解过程大致如下：开吹时，液态炉渣主要来自铁水中的硅、锰、铁的氧化，渣量很少，渣中SiO2的浓度很高。加入的大量石灰块使最初的液态炉渣冷却，在石灰块表面生成一层渣壳，渣壳的熔化约需数十秒钟(＜50秒)。渣壳熔化后，石灰块的表面层开始与液态炉渣反应。钙镁橄榄石中的FeO和MnO与Si02的亲合力比CaO小，会生成硅酸二钙2CaO·Si02和RO相。2CaO·Si02熔点很高（2130℃），结构致密，是石灰熔解缓慢的重要原因。炉渣成分对石灰溶解速度有很大影响。对于实际转炉炉渣，石灰的熔解速度与炉渣成分之间有一定的统计关系。（见PPT）FeO是石灰的基本溶剂。在不引起喷溅的条件下，尽量提高渣中FeO的浓度是加速石灰熔解的主要措施。MnO对加速化渣的影响仅次于FeO。炉渣中加入约少于6％的MgO有利于石灰的熔解。FeO对石灰熔解作用机理：它能显著降低炉渣的粘度，加速石灰块外部的传质；它能改善炉渣对石灰的润湿和炉渣向石灰孔隙中的渗透；它离解生成的离子（Fe2+、Fe3+、O2-）半径不大，