炼钢理论【整理】要点.pdf
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1、1 转炉炼钢的原材料 1-1 转炉炼钢用原材料有哪些,为什么要用精料? 炼钢用原材料分为主原料、 辅原料和各种铁合金。 氧气顶吹转炉炼钢用 主原料为铁水和废钢 ( 生铁块 )。炼钢用辅原料通常指造渣剂( 石灰、萤石、白云 石、合成造渣剂 )、冷却剂 ( 铁矿石、氧化铁皮、烧结矿、球团矿) 、增碳剂以及 氧气、氮气、氩气等。炼钢常用铁合金有锰铁、硅铁、硅锰合金、硅钙合金、金 属铝等。 原材料是炼钢的物质基础, 原材料质量的好坏对炼钢工艺和钢的质量有 直接影响。 国内外大量生产实践证明, 采用精料以及原料标准化, 是实现冶炼过 程自动化、改善各项技术经济指标、提高经济效益的重要途径。根据所炼钢种、
2、 操作工艺及装备水平合理地选用和搭配原材料可达到低费用投入,高质量产出的 目的。 转炉入炉原料结构是炼钢工艺制度的基础,主要包括三方面内容: 一是 钢铁料结构,即铁水和废钢及废钢种类的合理配比;二是造渣料结构,即石灰、 白云石、萤石、铁矿石等的配比制度; 三是充分发挥各种炼钢原料的功能使用效 果,即钢铁料和造渣料的科学利用。炉料结构的优化调整, 代表了炼钢生产经营 方向,是最大程度稳定工序质量, 降低各种物料消耗, 增加生产能力的基本保证。 1-2 转炉炼钢对铁水成分和温度有什么要求? 铁水是炼钢的主要原材料,一般占装入量的70100。铁水的化学 热与物理热是氧气顶吹转炉炼钢的主要热源。因此,
3、对入炉铁水化学成分和温度 必须有一定的要求。 A铁水的化学成分 氧气顶吹转炉炼钢要求铁水中各元素的含量适当并稳定,这样才能保证转炉冶炼 操作稳定并获得良好的技术经济指标。 (1) 硅(Si) 。硅是转炉炼钢过程中发热元素之一。硅含量高,会增加转炉热源, 能提高废钢比。有关资料表明,铁水中 WSi每增加 0.1 , 废钢比可提高约1.3 。 铁水硅含量高,渣量增加,有利于去除磷、硫。但是硅含量过高将会使渣料和消 耗增加,易引起喷溅,金属的收得率降低。Si 含量高使渣中 SiO2含量过高,也 会加剧对炉衬的冲蚀,并影响石灰渣化速度,延长吹炼时间。 通常铁水 Si=0.30 0.60 为宜。大中型转
4、炉用铁水硅含量可以偏下限,而 对于热量不富余的小型转炉用铁水硅含量可偏上限。转炉吹炼高硅铁水可采用双 渣操作。 (2) 锰(Mn)。铁水锰含量高对冶炼有利,在吹炼初期形成MnO ,能加速石灰的溶 解,促进初期渣及早形成,改善熔渣流动性,利于脱硫和提高炉衬寿命。铁水锰 含量高 . 终点钢中余锰高,可以减少锰铁加入量,利于提高钢水纯净度等。转炉 用铁水对Mn/Si 比值的要求为0.8 1.0 ,目前使用较多的为低锰铁水, Mn=0.200.80o、? (3) 磷(P) 。磷是高发热元素,对大多数钢种是要去除的有害元素。因此,要求铁 水磷含量越低越好,一般要求铁水p0.20哼铁水中磷含量越低,转炉工
5、艺 操作越简化,并有利于提高各项技术经济指标。 铁水磷含量高时,可采用双渣或双渣留渣操作, 现代炼钢采用炉外铁水脱磷处理, 或转炉内预脱磷工艺,以满足低磷纯净钢的生产需要。 (4) 硫(S) 。除了含硫易切削钢以外, 绝大多数钢种硫也是要去除的有害元素。氧 气转炉单渣操作的脱硫效率只有3040。我国炼钢技术规范要求入炉铁水 S0.05 。冶炼优质低硫钢的铁水硫含量则要求更低,纯净钢甚至要求铁水 S0.005 。因此,必须进行铁水预处理降低入炉铁水硫含量。 (5) 碳(C) 。铁水中 C=3.54.5 ,碳是转炉炼钢的主要反热元素。 B铁水的温度 铁水温度的高低是带入转炉物理热多少的标志,铁水物
6、理热约占炉热收入的 50% 。铁水温度高有利于稳定操作和转炉的自动控制。铁水的温度过低,影响元 素氧化过程和熔池的温升速度,不利于成渣和去除杂质,容易发生喷溅。因此, 我国炼钢规定入炉铁水温度应大子1250,并且要相对稳定。 通常,高炉的出铁温度在13501450,由于铁水在运输待装过程中散失热量, 所以最好采用混铁车或混铁炉的方式供应铁水,在运输过程应加覆盖剂保温, 以 减少铁水降温。 1-3 对铁水带渣量有什么要求,为什么? 铁水带来的高炉渣中SiO2、S等含量较高, 若随铁水进入转炉会导致石灰消耗量 增多,渣量增大,容易造成喷溅,增加金属消耗,影响磷、硫的去除,并损坏炉 衬等。因此,要求
7、入炉铁水带渣量比不超过0.50 。铁水带渣量大时,在铁水 兑入转炉之前应尽进行扒渣。 1-8 转炉炼钢对石灰有什么要求? 石灰是炼钢主要造渣材料,具有脱P,脱 S能力,用量也最多。其质量好坏对吹 炼工艺,产品质量和炉衬寿命等有着重要影响。因此,要求石灰CaO含量要高, SiO2 含量和 S 含量要低,石灰的生过烧率要低,活性度要高,并且要有适当的 块度,此外,石灰还应保证清洁、干燥和新鲜。 SiO2 会降低石灰中有效CaO含量,降低 CaO的有效脱硫能力。石灰中杂质越多 越降低它的使用效率,增加渣量,恶化转炉技术经济指标。石灰的生烧率过高, 说明石灰没有烧透,加入熔池后必然继续完成焙烧过程,
8、这样势必吸收熔池热量, 延长成渣时间;若过烧率高,说明石灰死烧,气孔率低,成渣速度也很慢。 石灰的渣化速度是转炉炼钢过程成渣速度的关键,所以对炼钢用石灰的活性度也 要提出要求。 石灰的活性度 (水活性 ) 是石灰反应能力的标志, 也是衡量石灰质量 的重要参数。此外,石灰极易水化潮解,生成Ca(OH)2 ,要尽量使用新焙烧的石 灰。同时对石灰的贮存时间应加以限制,一般不得超过 2 天。块度过大,熔解慢, 影响成渣速度,过小的石灰颗粒易被炉气带走, 造成浪费。一般以块度为 550mm 或 530mm 为宜,大于上限、小于下限的比例各不大于10。贮存和运输时必 须防雨防潮。 1-9 什么是活性石灰,
9、活性石灰有哪些特点,使用活性石灰有什么好处? 通常把在10501150温度下,在回转窑或新型竖窑( 套筒窑 )内焙烧的石灰, 即其有高反应能力的体积密度小、气孔率高、 比表面积大、 晶粒细小的优质石灰 叫活性石灰,也称软烧石灰。 活性石灰的水活性度大于310mL ,体积密度小,约为1.7 2.0g/cm3,气孔率高 达 40以上,比表面积为0.5 1.3 g/cm3 ;晶粒细小,熔解速度快,反应能力 强。使用活性石灰能减少石灰、萤石消耗量和转炉渣量,有利于提高脱硫、脱磷 效果,减少转炉热损失和对炉衬的蚀损,在石灰表面也很难形成致密的硅酸二钙 硬壳有利于加速石灰的渣化。 1-10 转炉用萤石起什
10、么作用,对萤石有什么要求? 萤石是助熔剂,其主要成分是CaF2 。纯 CaF2的熔点为 1418,萤石中还含有 SiO2 和 S 等成分,因此熔点在930左右;加入炉内后使CaO和石灰高熔点的 2CaO?Si02 外壳的熔点降低,生成低熔点化合物3CaO?CaF2?2SiO2( 熔点为 1362),也可以与 MgO 生成低熔点化合物 (1350),从而改善炉渣的流动性。 萤石助熔作用快、时间短。但过多使用萤石会形成严重的泡沫渣,导致喷溅,同 时也加剧对炉衬的侵蚀,并污染环境。因此应严格控制吨钢萤石加入量。 转炉用萤石 CaF2 85,SiO25.0, S0.10, P0.06,块度 在 550
11、 ,并要干燥、清洁。 近年来,由于萤石供应不足,各钢厂从环保的角度考虑,试用多种萤石代用品, 均为以氧化锰或氧化铁为主的助熔剂,如铁锰矿石、氧化铁皮、转炉烟尘、铁矾 土等。 1-11 转炉用白云石或菱镁矿的作用是什么,对白云石和菱镁矿有什么要求? (1) 白云石是调渣剂,有生白云石与轻烧白云石之分。 生白云石的主要成分为CaCO3?MgCO3。经焙烧可成为轻烧白云石,其主要成分为 CaO 、MgO 。根据溅渣护炉技术的需要, 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, 以减轻初期酸性渣对炉衬的蚀损、使终渣能够 做黏,出钢后达到溅渣的要求。 对生白云石的要求是Mg
12、O20 ,CaO 29,SiO22.0,烧减 47, 块度为 530mm 。 由于生白云石在炉内分解吸热, 所以用轻烧白云石效果最为理想。对轻烧白云石 的要求是 MgO 35,CaO 50,SiO23.0,烧减10,块度为 5 40mm 。 (2) 菱镁矿也是调渣剂,菱镁矿是天然矿物,主要成分是MgCO3 ,焙烧后用做耐 火材料。对菱镁矿的要求是MgO 45, CaO 70 ,SiO2、S、P 等其他杂质含量均低于3.0 。粒度应 不大于 10mm ,使用前烘烤干燥,去除油污。 1-15 转炉炼钢用合成造渣剂的作用是什么? 合成造渣剂是用石灰加入适量的氧化铁皮、萤石、氧化锰或其他氧化物等溶剂,
13、 在低温下预制成型。这种合成渣剂的熔点低,碱度高,成分均匀,粒度小,在高 温下易碎裂,成渣速度快,因而减轻了转炉造渣的负担。 2 转炉炼钢的一般原理 2-1 什么是超音速氧射流,什么是马赫数,确定马赫数的原则是什么? 速度大于音速的氧流为超音速氧射流。 超过音速的程度通常用马赫数量 度,即氧流速度与临界条件下音速的比值,用符号Ma代表。显然,马赫数没有 单位。 马赫数的大小决定喷头氧气出口速度,也决定氧射流对熔池的冲击能 量。马赫数过大则喷溅大,清渣费时,热损失加大,增大渣料消耗及金属损失, 而且转炉内衬易损坏;马赫数过低,会造成搅拌作用减弱,氧气利用系数降低, 渣中 TFe含量增加,也会引起
14、喷溅。当Ma2.0时,随马赫数的增长氧气的出口 速度增加变慢,要求更高理论设计氧压,这样,无疑在技术上不够合理,经济上 也不划算。 目前国内推荐 Ma=1.92.1 。 2-2 氧气射流与熔池的相互作用的规律是怎样的? 超音速氧流其动能与速度的平方成正比,具有很高的动能。 当氧流与熔池相互作 用时,产生如下效果: (1) 形成冲击区。 氧流对熔池液面有很高的冲击能量,在金属液面形成一个凹坑, 即具有一定冲击深度和冲击面积的冲击区。 (2) 形成三相乳化液。氧流与冲击炉液面相互破碎并乳化,形成气、渣、金属三 相乳化液。 (3) 部分氧流形成反射流股。 2-3 氧气顶吹转炉的传氧载体有哪些? 氧气
15、顶吹转炉内存在着直接传氧与间接传氧两种途径。直接传氧是氧气被钢液直 接吸收,其反应过程是: Pe+1/2 O2 =FeO,FeO=Fe+O ;间接传氧是 氧气通过熔渣传人金属液中, 其反应式为 (FeO)=FeO、FeO=Pe 十O 。氧气 顶吹转炉传氧以间接传氧为主。 氧气顶吹转炉的传氧载体有以下几种。 (1) 金属液滴传氧。氧流与金属熔池相互作用,形成许多金属小液滴。被氧化形 成带有富氧薄膜的金属液滴, 大部分又返回熔池成为氧的主要传递者;熔池中的 金属几乎都经历液滴形式,有的甚至多次经历液滴形式,金属液滴比表面积大, 反应速度很快。 (2) 乳化液传氧。氧流与熔池相互作用,形成气渣金属的
16、三相乳化液,极大 地增加了接触界面,加快了传氧过程。 (3) 熔渣传氧。熔池表面的金属液被大量氧化,而形成高氧化铁熔渣,这样的熔 渣是传氧的良好载体。 (4) 铁矿石传氧。铁矿石的主要成分是Fe2O3 、Fe3O4 ,在炉内分解并吸收热量, 也是熔池氧的传递者。 顶吹转炉的传氧主要靠金属液滴和乳化液进行,所以冶炼速度快,周期短。 2-4 什么是硬吹,什么是软吹 ? 硬吹是指枪位低或氧压高的吹炼模式。当采用硬吹时, 氧气流股对熔池的冲击力 大,形成的冲击深度较深, 冲击面积相对较小, 因而产生的金属液滴和氧气泡的 数量也多, 气熔渣金属乳化充分, 炉内的化学反应速度快, 特别是脱碳速度 加快,大
17、量的 CO气泡排出,熔池搅动强烈,熔渣的TFe含量较低。 软吹是指枪位较高或氧压较低的吹炼模式。在软吹时,氧气流股对熔池的冲击力 减小,冲击深度变浅,冲击面积加大,反射流股的数量增多,对于熔池液面搅动 有所增强, 脱碳速度缓慢, 因而对熔池内部的搅动相应减弱,熔渣中的 TFe含量 有所增加。 软吹和硬吹都是相对的。 2-5 转炉内金属液中各元素氧化的顺序是怎样的? 氧化物分解压越小, 元素越易氧化。 在炼钢温度下, 常见氧化物的分解压排列顺 序如下: P O2 (Fe2O3)PO2 (FeO) P O2 (CO2) PO2 (MnO) PO2 (P2O5)P O2 (SiO2)PO2 (Al2
18、O3)PO2 (MgO) PO2 (CaO) 因为转炉内是多相反应, 因此铁水中元素的氧化顺序还与其浓度有关,所以吹炼 开始元素氧化顺序为Fe、Si、Mn 、P、C等。 2-6 在碱性操作条件下,为什么吹炼终点钢液中硅含量为痕量? 吹炼开始首先是 Fe、Si 被大量氧化,并放出热量,反应式为: Fe+1/2 O2 =(FeO) ( 放热) Si+ O2 =(SO2) (放热) Si+2(FeO)=(SiO2)+2Fe ( 放热) 在以碱性渣操作时,熔渣R3.0,渣中存在着大量自由状态的(CaO),SiO2 是酸 性氧化物,全部与CaO等碱性氧化物形成类似 (2CaO?SiO2)的复杂氧化物,渣
19、中 SiO2 呈结合状态。熔渣分子理论认为,只有自由氧化物才有反应能力,因此在 吹炼后期温度升高SiO2 也不会被还原,钢中硅含量为“痕量”。 可见在以碱性渣操作条件下,硅的氧化反应非常彻底。 2-7 在碱性操作条件下吹炼终了时,钢液中为什么会有“余锰”(含量 ) ,余 锰(含量) 高低受哪些因素影响 ? 与硅相似,锰也很容易被氧化,反应式为: Mn+1/2 O2 =(MnO) (放热) Mn 十(FeO)=(MnO)+Fe ( 放热) Mn+O 二(MnO) ( 放热) 锰的氧化产物是碱性氧化物,在吹炼前期所形成的(MnO?SiO2) ,随着渣中CaO 含量的增加, 会发生(MnO?SiO2
20、)+2(CaO)=(2CaO?SiO2)+(MnO)反应,(MnO)呈自由 状态,吹炼后期炉温升高后,(MnO)被还原,即:(MnO)+C=Mn+ CO 或 (MnO)+Fe=(FeO) 十Mn 吹炼终了时,钢中的锰含量也称余锰或残锰。 余锰高,可以降低钢中硫的危害。但在冶炼工业纯铁时,要求锰含量越低越好, 应采取措施降低终点锰含量。 根据化学平衡移动的原理,影响余锰量的因素有: (1) 炉温高利于 (MnO)的还原,余锰含量高。 (2) 碱度升高,可提高自由 (MnO)浓度,余锰量增高。 (3) 降低熔渣中 (FeO)含量,可提高余锰含量。因此钢中碳含量高、减少补吹、降 低平均枪位、有复吹,
21、余锰含量都会增高。 (4) 铁水中锰含量高,单渣操作,钢中余锰也会高些。 2-8 在炼钢过程中碳氧反应的作用是什么? 炼钢过程中碳氧反应不仅完成脱碳任务,还有以下作用: (1) 加大钢渣界面,加速物理化学反应的进行。 (2) 搅动熔池,均匀成分和温度。 (3) 有利于非金属夹杂的上浮和有害气体的排出。 (4) 有利于熔渣的形成。 (5) 放热升温。 (6) 爆发性的碳氧反应会造成喷溅。 2-9 碳和氧反应达到平衡时碳和氧的关系是怎样的,如何表示,转炉熔池内 实际碳氧含量的关系是怎样的? 转炉中的碳氧反应产物主要是CO ,也有少量的 CO2 。转炉内碳氧反应式如下: C+1/2 O2 =CO (
22、 放热) C+ (FeO)= CO +Fe ( 吸热) C+ O =CO ( 放热) 上述第 3 个碳氧反应式的平衡常数: 取 pCO=1atm 代入后得: 温度一定, Kp是定值,若令 , 则得出: C O=m 在 1600下,Kp400,m 0.0025。 当达到平衡时, 钢中碳氧浓度的乘积阴为一个常数。在坐标系中它表现为双曲线 的一支。 由于上述碳氧反应是放热反应,随温度升高,Kp值降低,m值升高,曲线向坐标 系右上角移动。 钢中实际氧含量比碳氧平衡氧含量高,这是由于在钢中还存在着Fe+O=(FeO) 反应,与 (FeO)平衡的氧含量为 O 渣,(FeO),平,钢中实际含氧量为O 渣,(
23、FeO),平 O 实际 O 钢,CO平 2-10 熔池中脱碳速度的变化是怎样的,它与哪些因素有关? 炼钢碳氧反应主要以 C 十O= CO 方式进行,其正反应速度表达式是C=k 正 C O ,反应速度受 C 和O 两个浓度的影响,但钢液中 O 浓度随渣中 TFe升高而增加。转炉内碳氧反应在吹炼初期虽然渣中TFe高,但由于炉温较低, 影响传氧,碳氧反应速度较慢;在吹炼后期由于金属中C 低,碳氧反应速度 也降低;只有吹炼中期能够保证碳氧反应以较快速度进行,最高脱碳速度在 (0.4 0.6) min。 2-11 影响脱磷的因素有哪些 ? 根据平衡移动的原理,从脱磷反应式可以看出,只有提高(FeO)和(
24、CaO)的浓度, 降低(4CaO?P2O5) 浓度,反应才向正反应方向进行,终点P 含量才会降低。 因此,高碱度、高氧化铁含量的熔渣,有利于脱磷,这两者缺一不可。 增加渣中 FeO含量,可加速石灰的渣化和改善熔渣的流动性,有利于脱磷反应。 提高碱度可增加 (CaO)的有效浓度,有利于提高脱磷效率; 但碱度并非越高越好, 加入过多的石灰,渣化不好,影响熔渣的流动性,对脱磷反而不利。 脱磷反应是强放热反应, 因而炉温过高, 反应则向逆反应方向进行, 钢中磷含量 不仅不能降低,反而会产生回磷;炉温过低,不利于石灰的渣化,并影响熔渣流 动性,也阻碍脱磷反应的进行。 若原料中磷含量高, 最好是采用炉外脱
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