材料工程基础第九章钢铁冶炼

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第九章 钢铁冶炼,炼铁过程实质上是将铁从其自然形态,矿石等含铁化合物中还原出来的过程。,炼铁方法有高炉法、直接还原法、熔融还原法等，其原理是矿石在特定的气氛中（还原物质,CO,、,H2,、,C,；适宜温度等）通过物化反应获取还原后的生铁。,生铁部分用于铸造外,大部分是作为炼钢原料。,钢铁冶炼实际上包括从矿物到生铁的冶炼和由生铁冶炼成钢两个过程，属于火法冶金。,2010,年中国钢产量占全球,44.3%,2011,年,03,月,17,日,16:53,来源：,中国商务部网站,据,汉堡晚报,网站,16,日报道，,2010,年全球共产钢,14.1,亿吨，较,2009,年增长,16.8%,。中国以绝对优势稳居世界第一产钢国地位，产量近,6.3,亿吨，占全球产量的,44.3%,。日本、美国和俄罗斯也是重要的产钢国，产量分别为,1.1,亿吨、,0.8,亿吨和,0.7,亿吨。欧盟,27,国产量总和为,1.7,亿吨，德国最大,钢铁,公司蒂森克虏伯在全球钢企排名中列第,18,位，第一位是总部位于卢森堡的阿塞洛米塔尔公司。,中国今年钢产量或突破,7,亿吨 利润率垫底,2011,年,07,月,11,日,08:42,来源：新京报,从上半年钢铁生产情况来看，今年钢产量可能突破,7,亿吨，这一预计较年初中的预测高出了,4000,万吨左右。虽然，钢铁产量处高位，销售利润率却垫底所有工业行业。,虽然粗钢产量大增，但钢铁行业的销售利润率却垫底所有工业行业，今年,1-5,月份，大中型钢企实现利润,428,亿元，销售利润率只有,2.91%,，而全国工业行业同期平均销售利润率为,6%,。原燃料涨价，侵蚀钢铁行业利润是主因。“,1-5,月份，进口铁矿石的量,28333,万吨，同比增长,7.3%,，但到岸价增长,60%,。”他说，“钢企辛苦生产产生的利益全给了原料行业。”,第一节生铁冶炼,炼铁通常是在一个密闭的竖炉内进行，习惯上称“高炉炼铁”。现代高炉,的内型剖面图示于图,9-1,。,图,9-l,炼铁高炉结构示意图,1-,炉底耐火材料,2-,炉壳,3-,炉内砖衬产生的侵蚀线,4-,炉喉钢砖,5-,炉顶封盖,6-,炉体砖衬,7-,带凸台镶砖冷却壁,8-,镶砖冷却壁,9-,炉底碳砖,10-,光面冷却壁,11-,炉底水冷管,高炉炼铁的特点：,规模大，不论是世界其它国家还是中国，高炉的容积在不断扩大，如我国宝钢高炉是,4063,立方米，日产生铁超过,10000,吨，炉渣,4000,多吨，日耗焦,4000,多吨。,目前国内单一性生铁厂家，高炉容积也以达到,500,左右立方米，但多数仍维持在,100-300,立方米之间，甚至仍存在,100,立方米以下的高耗能高污染的小高炉，其产品质量参差不齐，公布分散，不具有期规模性，更不能与国际上的钢铁厂相比。,我国炼铁技术装备现状,近年来，我国炼铁生产技术处于快速发展阶段，生铁产量高速增长，炼铁装备在向大型化、自动化、高效化、长寿化、节能降耗、高效率方向发展。同时，一些炼铁企业已开始对环保治理方面的投入，向清洁炼铁方向发展。应当指出，我国炼铁工业是产业集中度低，高炉平均炉容偏小,(,约在,500m,3,左右,),，处于多层次共同发展阶段。,现在我国先进的炼铁技术装备与落后的装备并存。,高炉炼铁技术装备,我国现有高炉约,900,多座，而大于,300m,3,;,容积的高炉仅为,362,座；在建设的高炉约,280,座，拟建的高炉约,30,座。,目前我国容积最大的高炉是宝钢,3,号高炉，容积为,4350m,3,，也是国内装备最先进的高炉。该高炉设备总重量约,3.5,万,t,，由重庆钢铁设计院设计，设备制造和成套设备的供应国产化率达,95,现首钢拟将冶炼部分搬迁，计划在河北省曹妃甸建设,5500m,3,级的高炉。,2006-07-28,据了解，此次,关于钢铁工业控制总量淘汰落后加快结构调整的通知,中，,300,立方米高炉的淘汰期限由明年年底宽限到了,2010,年。这部分钢铁产能近,1,亿吨，占,4,亿吨中国钢铁总产量的,1/4,左右。,而之前，,2005,年,7,月，国家发改委公布了,钢铁产业发展政策,并在随后公布的,产业结构调整指导目录,(2005,年本,),明确指出，要在,2007,年前淘汰,300,立方米及以下的高炉。,“目前我们民营小钢厂都比较乐意投资,300,立方米的高炉，因为它投资小、见效快，一般投资在,1.5,亿左右，当年投产建成，第二年就可以收回投资，实际上很多小钢厂现在都纷纷利用原来的供料体系改建,400,立方米的高炉，以避免被淘汰。但是，钢铁新政中规定，新建高炉必须要在,1000,立方米以上，这意味着原来的供料体系都需要重建，也意味我们可能都要倒闭。”,2006,年,06,月,29,日,总投资近,13,亿元的武钢七号高炉，昨正式点火投产。这座目前世界一流水平的现代化高炉，将大大缓解武钢规模扩大而炼铁供应不足的矛盾。,七号高炉总投资,12.98,亿元，占地面积,15,万余平方米，设计年产,257.6,万吨，日炼铁,7360,吨。随着武钢双千万吨（炼铁、炼钢）目标的实现，原有,6,座高炉难以满足铁水的供应。七号高炉的投产，今年炼铁产能将突破,1060,万吨。,近日，鞍山钢铁集团公司,3200,立方米新一号高炉建成投产。新一号高炉投产后，将使炼铁总厂烟尘排放量减少,50,，煤气排放量比原高炉减少,80,，吨铁成本降低,80,元,100,元，并为鞍钢炼钢工序提供大量优质生铁。,高炉采用无料钟炉顶，炉身采用铜冷却板，炉缸采用法国陶瓷杯、日本,NDK,大块致密碳砖，水渣处理采用卢森堡,PW,公司新型环保,INBA,冲渣，热风炉采用霍戈文改造内燃式热风炉。该高炉关键部位的设备和耐火材料均为国外进口，并同时采用瑞士电动鼓风机和卢森堡煤气清洗先进技术，整体装备达到国内一流水平。设计规划新一号高炉年产制钢生铁,224,万吨，日产生铁,7000,吨。高炉利用系数为,2.0t,m3d,、入炉焦比,360kg,tFe,，其使用寿命可达,15,年以上。,一、炼铁原料,高炉炼铁原料包括：铁矿石、熔剂、燃料三大类。,冶炼,1,吨生铁需要,1.5-2.0,吨铁矿石，,0.4-0.6,吨焦炭，,0.2-0.4,吨熔剂，总计需要,2-3,吨原料。,因此，无论是生铁厂家还是钢厂采购原料的工作是尤其重要。,1,铁矿石,在自然界中已发现的有,300,多种含铁矿物，目前世界上常用的铁矿石主要有磁铁矿石、赤铁矿石、褐铁矿石和菱铁矿石等。铁矿石中除含,Fe,的有用矿物外，还有其他化合物，统称为脉石，常见的脉石有,SiO,2,、,Al,2,O,3,、,CaO,及,MgO,等。,含,Fe,量高，可直接送入高炉冶炼铁矿石称为富矿；,含铁品位低，需经筛选才能入炉的为贫矿。,磁铁矿,是一种氧化铁的矿石，主要成份为,Fe,3,O,4,，是,Fe,2,O,3,和,FeO,的复合物，呈黑灰色，比重大约,5.15,左右，含,Fe72.4,，,O 27.6,，具有磁性。,在选矿时可利用磁选法，处理非常方便；但是由于其结构细密，故被还原性较差。经过长期风化作用后即变成赤铁矿。,磁铁矿,赤铁矿,也是一种氧化铁的矿石，主要成份为,Fe,2,O,3,，呈暗红色，比重大约为,5.26,，含,Fe70,，,O30,，是最主要的铁矿石。,褐铁矿,这是含有氢氧化铁的矿石。,它是针铁矿,FeO,2,和鳞铁矿,FeO,（,OH,）两种不同结构矿石的统称，也有人把它主要成份的化学式写成,mFe,2,O,3,nH,2,O,，呈现土黄或棕色，含有,Fe,约,62,，,O27,，,H,2,O 11,，比重约为,3.6,4.0,，多半是附存在其它铁矿石之中。,褐铁矿,菱铁矿,是含有碳酸铁的矿石，主要成份为,FeCO,3,，呈现青灰色，比重在,3.8,左右。,这种矿石多半含有相当多数量的钙盐和镁盐。由于碳酸根在高温约,800,900,时会吸收大量的热而放出二氧化碳，所以我们多半先把这一类矿石加以焙烧之后再加入鼓风炉。,菱铁矿是一种分布比较广泛的矿物，它的成分是碳酸亚铁，当菱铁矿中的杂质不多时可以作为铁矿石来提炼铁。菱铁矿一般呈薄薄一层与页岩、粘土或煤在一起。菱铁矿一般为晶体粒状或不显出晶体的致密块状、球状、凝胶状。颜色一般为灰白或黄白，风化后可变成褐色或褐黑色等。菱铁矿在氧化水解的情况下还可变成褐铁矿。,铁的硅酸盐矿,此类矿石是一种复合盐，没有一定的化学式，成份的变化很大，一般呈现深绿色，比重为,3.8,左右，含铁成份很低，是一种较差的铁矿石。,硫化铁矿,这种矿石含有,FeS,2,，含,Fe,只有,46.6,而,S,的含量达到,53.4,。呈现灰黄色，比重大约为,4.95,5.10,。,由于这种矿石常常含有许多其它较贵重的金属如铜、镍、锌、金、银等，所以常被用做他种金属冶炼工业的原料；,又由于它含有大量的硫，所以常被用来提制硫磺，铁反而变成了副产品，所以事实上已不能称为铁矿石矣。,只要拿它在不带釉的白瓷板上一划，一看划出的条痕（即留在白瓷板上的粉末），就会真假分明了。金矿的条痕是金黄色的，黄铁矿的条痕是绿黑色的。另外，用手掂一下，手感特别重的是黄金，因为自然金的比重是,15.618.3,，而黄铁矿只有,4.95.2,。,黄铁矿是分布最广泛的硫化物矿物，在各类岩石中都可出现。黄铁矿是提取硫和制造硫酸的主要原料，它还是一种非常廉价的古宝石。在,英国,维多利亚女王时代（公元,18371901,年），人们都喜欢饰用这种具有特殊形态和观赏价值的宝石。它除了用于磨制宝石外，还可以做珠宝玉器和其它工艺品的底座。,产地,国内,我国铁矿分布主要集中在辽宁、四川、河北、北京、山西、内蒙古、山东、河南、湖北、云南、安徽等、吉林、黑龙江、上海、江苏、浙江、福建、江西、湖南、广东、广西、海南、贵州、西藏、陕西、甘肃、青海、宁夏和新疆等,29,个省、市、自治区。,国外,世界铁矿资源集中在澳大利亚、巴西、俄罗斯、乌克兰、哈萨克斯坦、印度、美国、加拿大、南非等国。,2,燃料,燃料是高炉冶炼不可缺少的基本原料之一，几乎所有高炉都使用焦炭作燃料。,冶炼,1,吨生铁需要,0.4-0.6,吨焦炭,焦炭在高炉内主要起到提供热能、还原剂及料柱骨架的作用。,焦炭在风口前燃烧产生高温及含有,CO,和,H,2,的还原性气体；,在炉内其与铁矿石、熔剂及其他炉料混合，在高温区，铁矿石与熔剂熔融后焦炭是唯一以固态存在的炉料，起着支撑高达数十米料柱的骨架作用，同时又维持炉内煤气自下而上流动的通路。,焦炭质量的好坏直接影响着高炉产量、质量及能耗,(,铁焦比,),，通常高炉冶炼要求采用尽量低的灰分与硫含量的焦炭，以利于提高生铁质量。,3,熔剂,矿石中的脉石与焦炭中的灰分，其主要成分是酸性氧化物。,它们的熔点均较高,(SiO,2,1713,Al,2,O,3,2050),，在高炉冶炼条件下很难熔化。,为使其形成低熔点物质，需加入一定数量的助熔剂,(,简称熔剂,),，以形成许多低熔点的化合物和共熔体，即所谓的炉渣，并能达到完全熔化，且具有良好的流动性，使渣铁容易分离。,常用熔剂按其性质可分为碱性和酸性两种。,由于矿石中脉石和焦炭中灰分大多为酸性氧化物，所以高炉最常用的是碱性熔剂，即石灰石与白云石等。,当脉石中碱性氧化物含量较高时，则用酸性熔剂，常用的有硅石等。,通常高炉冶炼要求熔剂应具有高含量的有效成分，而有害杂质硫、磷元素的含量要低，并且粒度均匀，强度好，粉末少。,二、炼铁原理,高炉生产是连续进行的。,一代高炉（从开炉到大修停炉为一代）能连续生产几年到十几年。,生产时，从炉顶（一般炉顶是由料种与料斗组成，现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶）不断地装入铁矿石、焦炭、熔剂，从高炉下部的风口吹进热风（,1000,1300,摄氏度），喷入油、煤或天然气等燃料。,(,一,),燃烧反应,高炉炼铁的燃料主要是焦炭，焦炭所含的碳素，除少数消耗于直接还原和溶人生铁外，绝大部分下降至风口与热风中的氧进行燃烧反应。,燃烧放出大量的热，并产生高温还原性气体,(CO,、,H,2,),，保证了炉料的加热、分解、还原、熔化、造渣等炉缸内渣铁反应的进行。,由于燃料燃烧使高炉下部形成自由空间，为炉料下降创造了条件，而且燃烧状态还决定着炉内煤气的初始分布、温度和热量的分布以及生铁炉渣的最终状况。,焦炭在风口处发生燃烧反应，一般生成产物为,CO,2,和,CO,两种气体。,生成,CO,2,的燃烧称为完全燃烧，其反应式为,C,固,+O,2,=CO,2,；,而生成,CO,的燃烧称为不完全燃烧，即,2C,固,+O,2,=2CO,气,这两种反应均为强放热反应，在高炉特定的条件下，由于有过量的灼热碳素存在，完全燃烧生成的,CO,2,在高温区还可与固体碳作用生成,CO,，,即,C,固,+CO,2,=2CO,，,又称此反应为碳的气化反应，它是一吸热反应。,当反应达到平衡时，在一定压力下,CO,的浓度,(,气氛中,CO,的体积分数,),，与温度的关系如图,9-2,所示。,由图,9-2,可知，随温度升高，气相中平衡的,CO,浓度增加。,当温度大于,1000,时，总压为,0.1MPa,，平衡气相中几乎,100,是,CO,。这是因为该反应固体碳溶解生成气体，而且是有吸热反应，要损失热量，所以又称该反应为碳的溶损,在高炉上部,(400,600),，碳的气化反应逆向进行，即,CO,分解析出炭黑,(2CO=C+CO,2,),，称为,析碳反应,，也叫碳素沉积反应。,这一温度带虽温度低，反应速度缓慢，但在高炉中由于存在着低温下还原出金属铁及其他氧化物的条件，会对该反应起催化作用，故在高炉内仍有一定数量的析碳反应发生。此反应对高炉冶炼过程有不利影响，主要表现在碳素沉积可能使炉料破碎产生粉末，影响料柱的透气性；,另外，炭黑渗入炉身砖衬因膨胀而破坏炉衬，所以高炉上部不希望发生析碳反应。通常由于其量少，故对冶炼影响不大。,(,二,),还原反应,用还原剂夺取矿石中与金属铁结否的氧，这是冶炼过程要完成的基本任务。,1,氧化铁的还原,铁氧化物无论用何种还原剂还原，都是从高级向低级逐级还原的。根据铁的各级氧化物形成和分解的规律。铁的氧化物的还原顺序为：,570 Fe,2,O,3,Fe,3,O,4,FeOFe,570 Fe,2,O,3,Fe,3,O,4,Fe,冶炼用还原剂主要有,CO,、,H,2,和固体碳,三种。,在没有喷吹燃料的高炉上，煤气中含,H,2,很少,(1,3,),，还原剂主要是,CO,和,C,。,在喷吹燃料时，煤气中,H2,含量增加,(4,10,),，其还原作用不可忽视。,通常将铁的各级氧化物以气态,CO,和,H,2,作还原剂进行的还原反应，称为,间接还原,；,而用固体碳,(C),作还原剂的还原反应，称为,直接还原,(1)CO,作还原剂,570,3Fe,2,O,3,+CO2Fe,3,O,4,+CO,2,(9-1) Fe,3,O,4,+CO=3FeO+CO,2,(9-2),FeO+CO=Fe+CO,2,(9-3),570,3Fe,2,O,3,+H,2,=2Fe,3,O,4,+H,2,O (9-6),Fe,3,O,4,+H,2,3FeO+H,2,O (9-7),FeO+H,2,=Fe+H,2,O (9-8),2,以上,),的铁合金液，除碳外还含有锰、硅、磷、硫等元素。,由这种高碳铁合金液得到的铁合金性能极脆，一般不能直接使用，而通常称其为生铁。,(,二,),造渣,高炉炼铁，除在化学上实现,Fe-O,的分离,(,还原,),之外，还需要实现铁与其他氧化物及杂质的分离，这一过程是靠造成性能良好的液态炉渣，并利用渣、铁液之间的密度不同实现分离的。,高炉造渣按其成渣过程分成初渣、中间渣、终渣,(,或称末渣,),三阶段：,(1),初渣形成,矿石中脉石与熔剂之间经固相反应，生成新的化合物，并在进一步加热中开始熔化形成初渣。,高炉中初渣最早出现的区域是在炉身下部，较晚的则在炉腹上部，高炉出现初渣的区域称为成渣带；,由于矿石中被还原的,FeO,和,SiO,2,最容易组成低熔点的硅酸盐，所以初渣中,FeO,与,SiO,2,的含量较高。,(2),中间渣,随温度升高，熔剂中,CaO,和,MgO,不断熔入渣中。,炉渣滴入焦炭燃烧带时，焦炭中大量灰分进入炉渣，使渣中酸性组分增加。,这种成分不断发生变化的炉渣称为中间渣。,(3),终渣形成,由于风口区是氧化性气氛，所以炉渣通过风口时成分又发生一次变化，通过风口水平面聚集在炉缸中的渣称为终渣。,炉渣进入炉缸，在铁液上面逐渐形成增厚的渣层，待积累到一定数量后排出炉外。,(,三,),熔渣脱硫,高炉炼铁过程中所加入的焦炭、矿石、熔剂等匀会带人一定量的硫。,进入高炉的硫随炉料下降，在受热过程中硫化物或有机硫将分解或挥发进入煤气，如在,300,600,时，可发生如下反应：,FeS,2,=FeS+S,在高炉上部有少量的,FeS,会被,Fe,2,O,3,或,H,2,O,所氧化：,FeS+10Fe,2,O,3,=7Fe,3,O,4,+SO,2,3FeS+10H,2,O=Fe,3,O,4,+3H,2,S+H,2,炉料中的,CaSO,4,等可与,SiO2,，进行如下反应：,CaSO,4,+SiO,2,=CaSiO,2,+SO,2,焦炭灰分中的硫，在到达风口前发生燃烧反应时也被氧化成,SO,2,。,这些反应所生成的,S,、,H,2,S,、,SO,2,及,SO,2,等都进入煤气。,这些气态硫化物在随煤气上升过程中与下降炉料和渣铁液滴相遇时大部分可以,被炉渣吸收，并通过渣铁反应转入炉渣排出炉,外；,而部分硫化物则被铁液吸收,。,脱硫反应过程是铁液中的,S,与渣中,CaO,在界面上进行的，即铁液中的,FeS,扩散到炉渣中，在渣中与,CaO,作用：,(FeS)+(CaO)=(CaS)+(FeO),；,渣中,FeO,被,C,还原,(FeO)+C=Fe+CO,。,炉渣脱硫总反应为：,FeS+(CaO)+C=(CaS)+Fe+CO,该反应是强吸热反应，因此要提高炼铁的脱硫率，升高炼铁温度是有利的。,由上述反应还可看出，炉料中的碱性熔剂,(CaO),越多，渣量大且碱度高、流动性好，被吸收的硫量越多，有利于脱硫。,但当碱度超过一定水平时，脱硫能力下降。,这是因为碱度过高使渣的熔化温度增高，产生高熔点的,2CaOSiO,2,，在炉缸内不能完全熔化，因而增加了渣的粘度，使炉渣脱硫能力降低。,因此，为保证炉渣脱硫能力，必须有一个适宜的炉渣碱度。,而降低,FeO,含量，可使铁液中,FeS,易转入渣中，也有利于提高炉渣的脱硫能力。,然而，在炼铁过程中，脱硫并不可能进行彻底，仍会有一定量保留在铁液中进人生铁。,生铁中的化学成分,生铁中除铁外，还含有碳、硅、锰、磷和硫等元素。这些元素对生铁的性能均有一定的影响。,碳（,C,）：,在生铁中以两种形态存在，一种是游离碳（石墨），主要存在于铸造生铁中，另一种是化合碳（碳化铁），主要存在于炼钢生铁中，碳化铁硬而脆，塑性低，含量适当可提高生铁的强度和硬度，含量过多，则使生铁难于削切加工，这就是炼钢生铁切削性能差的原因。,石墨很软，强度低，它的存在能增加生铁的铸造性能。,磷（,P,）：,属于有害元素，但磷可使铁水的流动性增加，这是因为硫减低了生铁熔点，所以在有的制品内往往含磷量较高。然而磷的存在又使铁增加硬脆性，优良的生铁含磷量应少，有时为了要增加流动性，含磷量可达,1.2%,。,硫（,S,）：,在生铁中是有害元素，它促使铁与碳的结合，使铁硬脆，并与铁化合成低熔点的硫化铁，使生铁产生热脆性和减低铁液的流动性，顾含硫高的生铁不适于铸造细件。铸造生铁中硫的含量规定最多不得超过,0.06%,（车轮生铁除外）。,硅（,Si,）：,能促使生铁中所含的碳分离为石墨状，能去氧，还能减少铸件的气眼，能提高熔化生铁的流动性，降低铸件的收缩量，但含硅过多，也会使生铁变硬变脆。,锰（,Mn,）：,能溶于铁素体和渗碳体。在高炉炼制生铁时，含锰量适当，可提高生铁的铸造性能和削切性能，在高炉里锰还可以和有害杂质硫形成硫化锰，进入炉渣。,铸造用生铁,GB71882,代替,GB71865,本标准适用于铸造用生铁。,1,品种及技术要求,1.1,牌号及化学成分,铁种,铸造用生铁,牌号,铸,34,铸,30,铸,26,铸,22,铸,18,铸,14,铁号,代号,Z34,Z30,Z26,Z22,Z18,Z14,C,3.3,Si,3.20,3.60,2.80,3.20,2.40,2.80,2.00,2.40,1.60,2.00,1.25,1.60,1,组,0.50,Mn,2,组,0.50,0.90,3,组,0.90,1.30,化,1,级,0.06,学,2,级,0.06,0.10,成,分,P,3,级,0.10,0.20,4,级,0.20,0.40,5,级,0.40,0.90,1,类,0.03,0.04,S,2,类,0.04,O,05,3,类,O.05,1.1.1,根据供需双方协议，可供应化学成分范围较窄或含有其它合金元素的特殊铸造生铁。,1.1.2,根据供需双方协议，,Z34,号生铁含硅量允许,3.60,6.00,，但装入一个车箱内的生铁，其含硅量的差别应不大于,0.40,。,1.l.3,根据需方要求，方可供应第一组含锰量的生铁。经供需双方协议，可供应含锰量大于,1.3,的生铁。,1.1.4,用含铜矿石冶炼的生铁应分析含铜量。各号生铁的含碳量与含铜量，均不作报废依据。,1.1.5,生铁订货时，必须在合同中注明铁号和组、级、类等技术条件的具体要求。,1.2 块重 各号生铁均应铸成52公斤小块，而大于7公斤与小于2公斤的铁块之和，每批中应不超过总重量的10，根据需方要求，方可供应重量不大于40公斤的铁块。,1.3 表面要求 铁块表面要洁净，如表面有炉渣和砂粒，应清除掉，但允许附有石灰和石墨。,2,试验方法,铸造用生铁化学成分分析的取样，按,GB71965,生铁的化学分析用试样采取法进行。化学分析方法按,GB 223.1,223.7,81,钢铁及其合金化学分析方法中碳、硫、磷、锰、硅量的测定和,YB35(1,28),一,78,钢铁化学分析方法或能保证标准规定的准确度的其它方法进行。仲裁分析只能按,GB223.1,223.781,和,YB 35(1,28),一,78,所规定的方法进行。,3,检验规则、运输和质量证明书,3.1,生铁质量的检查和验收由供方技术监督部门进行。,3.2,每一车箱只准装载同一炉次的生铁。,3.3,生铁块经水陆联运时，转运港埠必须以车为单位进行装卸，车与车不得相混。但发货人、收货人、铁号、组、级、类均相同者除外。,3.4,每批交货的生铁，必须随运单附有证明生铁符合订货合同和本标准要求的质量证明书。,质量证明书中应注明：,a,订货合同号；,b,铁号、块度；,c,炉次、组、级、类和重量；,d,化学成分分析结果；,e,本标准编号。,附加说明：,本标准由中华人民共和国冶金工业部提出。,本标准由本溪钢铁负责起草。,本标准委托冶金工业部标准化研究所负责解释。,国家标准总局,1982-02-23,1982-10-01,实施,第二节 炼 钢,炼钢是指对生铁的进一步冶炼。,通过冶炼降低生铁中的碳及其他杂质元素的含量，并最大限度地去除有害夹杂元素，得到按规定要求碳含量的铁碳合金，通常称其为碳钢；,或再根据对钢性能的要求而加入适量的有宜的其他化学元素,(,通常称合金元素,),，以获得由铁、碳及合金元素形成的合金，通常称其为合金钢。,一、炼钢原材料,炼钢用原材料主要是生铁、废钢和铁合金。,此外，还需使用一些辅助材料，主要包括,造渣材料,(,石灰、白云石等,),熔剂,(,氟石,),氧化剂,(,氧气、铁矿石、氧化铁等,),还原剂,增碳剂,(,硅铁、硅钙、铝及电石、木炭、焦炭、石墨电极等,),冷却剂,(,废钢、富铁矿、石灰石,),等。,二、炼钢基本方法,炼钢有三种方法：,平炉炼钢、电弧炉炼钢和转炉炼钢。,目前，常采用的方法是转炉法与电弧炉法，平炉炼钢已近淘汰。,1,转炉炼钢,转炉炼钢是利用生铁炼钢的主要方法。,转炉炼钢有氧气顶吹转炉、氧气底吹转炉和顶底复吹转炉三种。其基本工艺原理是通过向生铁液中吹氧实现炼钢过程，如图,9-3,所示。,图,9-3,转炉炼钢过程示意图,a),装料,b),精炼,c),出钢与合金化,2,电弧炉炼钢,电弧炉炼钢，是利用石墨电极和钢料之间形成的电弧高温,(,通常可达,1500,1600),加热，并吹氧实现炼钢过程的。,炉内通过炉料的选择添加，即可造成氧化性气氛，又可造成还原性气氛。同时可方便地调控炉温。,目前世界上,95,以上的电炉钢是电弧炉生产的，还有少量电炉钢是由感应炉、电渣炉等生产的。,图,9-4,电弧炉炼钢示意图,l-,出钢槽,2-,炉墙,3-,电极夹持器,4-,电极,5-,炉顶,6-,炉门,7-,炉底,8-,熔池,9-,出钢口,10-,渣层,三、炼钢原理,(,一,),氧化,此过程的主要目的是降低生铁中的碳及其他杂质元素，并最大限度地去除有害杂质，其基本反应如下：,1,氧化脱碳,在炼钢的氧化阶段，一部分碳可在反应区同气体,02,接触而被氧化，反应式为：,2C+O22CO (9-11),碳也同溶于金属中的氧发生反应而氧化，反应式为：,C +O=CO (9-12),C+2O=CO,2,(9-13),式,(9-11),式,(9-13),均为强放热反应，一般可以完全满足维持炼钢温度的要求，甚至有时还会有过量的热需采取吸热措施来消耗，以降低炉温。,在高温下，将继续发生如下反应：,C+CO,2,=2CO (9-14),该反应为吸热反应。,2,氧化排除杂质元素,各种炼钢方法中去除杂质元素的基本过程都是一样的，其主要手段是向熔池吹人氧气,(,或加入富矿石,),并加入造渣剂形成熔渣来去除材料中的杂质铁液中元素的氧化方式大致有两种，直接氧化与间接氧化。,当直接向熔池吹入气体氧时，氧气与金属直接接触发生直接氧化；,另外，由于熔池中铁原子数目远大于其他元素的原子数，所以在氧流作用区，氧首先与铁合成,FeO,，表面生成,FeO,薄膜的金属液滴随氧气射流急速前进，参与熔池的循环运动，将氧传给金属，并氧化杂质，起到的是间接氧化的作用，,即,(FeO)=O+Fe 2O+Si=SiO,2,O+Mn=MnO 5O+2P=P,2,O,5,O+C = CO 2O+C = CO,2,这些间接氧化均为吸热反应，显然升高温度有利于反应的进行。,在这些反应中，形成的,CO,气体被释放，形成的杂质元素的氧化物及少量,FeO,进入炉渣。,(,二,),造渣脱磷、硫,1,脱磷,在碱性炼钢法中，磷的氧化是在炉渣一金属液界面进行的，其反应式为：,2P,十,5(FeO)= (P,2,O,5,),十,5Fe,(P,2,O,5,)+3(FeO) = (3FeOP,2,O,5,),然而，所生成的磷酸铁在高温下很不稳定，可重新分解出,P,2,O,5,。,为稳定,P,2,O,5,并及时将其排除，通常是采用向炉渣中添加石灰或石灰石的方法。,因为，,P,2,O,5,是酸性氧化物，若用碱性氧化物与其结合成稳定化合物，则可去除。,在碱性渣中,P,2,O,5,可与,CaO,形成稳定的,(CaO)xP,2,O,5,型化合物，其中,x,为,3,或,4,。其反应式如下：,(3FeOP,2,O,5,)+3(CaO)= (3CaOP,2,O,5,)+3(FeO),或,(3FeOP,2,O,5,)+4(CaO) = (4CaOP,2,O,5,)+3(FeO),应注意的是，上述反应均为放热反应，因此在温度较低的炼钢初期就可以发生脱磷反应。,相反，升高炉温将不利于脱磷进行；,虽然渣中的,CaO,有利于脱磷反应进行，可是过高的,CaO,含量会增加渣液的粘度，亦会给脱磷重新带来不利,的作用。,另外，金属液中的易氧化的杂质,Si,、,Mn,、,C,的含量也会影响脱磷过程，其含量较高时，脱磷过程将受到抑制。,这是因为它们能与,FeO,相互作用使渣液中的,O,含量减少。其中影响最大的是,Si,，其氧化物,SiO,2,还将影响炉渣的碱度而不利于脱磷。,在炼钢后期，如果炉温较高，且又加入硅铁、锰铁等还原剂，这时甚至可能发生“回磷”现象，即已被氧化进入炉渣的磷会重新被还原,(,有如炼铁过程中磷的还原,),，并返回到钢液中。,2,脱硫,硫是活泼的非金属元素之一。,在炼钢温度下，能够同很多金属与非金属元素结合成气、液相化合物，为各种脱硫方法创造了有利条件。,各种脱硫方法的实质，都是将溶解于金属液中的硫转变为不溶于金属的物质，使其进入炉渣或经炉渣再成气相逸出。,在炼钢过程中，主要是通过炉渣来脱硫，气化去硫占的比例很小。,炉渣脱硫：,硫在渣中存在的三种形态以,CaS,最为稳定，因此，若将钢中的,FeS,转变为既能在渣中稳定存在又不溶于钢的,CaS,，就能达到炉渣去硫的目的。 炉渣脱硫反应按下列步骤进行：,首先在钢液炉渣界面上钢液中的,FeS,按分配定律进入炉渣，然后,FeS,再和渣中的自由,Ca(),反应：,(FeS),十,(CaO)=(FeO)+(CaS),所形成的,CaS,溶于渣中，而不溶于钢液，这样硫就被排除到渣中,但是，应注意的是在造渣进行的过程中，会伴有硅与锰的还原反应发生。,一般渣呈酸性状态时，其中,SiO,2,经常是过饱和的，溶于铁液中的,C,可对它起还原作用，反应式如下：,(SiO,2,),十,2C=Si+2(CO),(,气,),并由此反应式认为，当存在形成,CO,气泡核心的条件时，会促进硅的还原反应发生。,一般在加矿期，熔渣与金属界面上有未熔的矿石颗粒，其上的孔隙可成为,CO,气泡的核心，故此阶段渣中的,SiO,2,易被还原。,在此条件下，因,MnO,为弱碱性氧化物，,MnO,将与,SiO,2,反应生成较稳定的硅酸盐，因此，在酸性渣中锰的氧化较完全，不易被还原。,但在碱性渣中,MnO,则大部分呈自由状态存在，在一定条件下也可以被还原。,(,三,),脱氧方法及钢的分类,在冶炼过程中，在氧化精炼末期会使金属中溶人了一定量的氧，用人为的方法降低钢液中含氧量的过程，称为脱氧。,炼钢生产中常采用的脱氧方法有三种：,(1),沉淀脱氧,即向钢液中加入块状的硅铁、锰铁、铝等脱氧剂，直接与溶解于钢中的,O,反应，生成不溶于钢液的脱氧产物。由于脱氧产物比钢液轻，大部分可上浮至炉渣而达到脱氧的目的。,因脱氧剂是在钢液内部沉降过程中与氧反应，故名为,沉淀脱氧,。,其优点是脱氧元素直接与钢中氧进行反应，速度快，操作简单。,缺点是部分脱氧产物将残留在钢液中，成为钢中的非金属夹杂。,(2),钢渣界面脱氧,残存于钢液中或以脱氧剂形式加人的,C,、,Si,、,Mn,等脱氧元素，与存在于渣中的不稳定氧化物,(FeO,、,MnO,、,FeO3,等,),及溶解于钢液内的,O,在钢渣界面上进行反应，使钢、渣中的氧降低，其脱氧产物则直接溶渣中。此方法称为钢渣界面脱氧法。,(3),渣中脱氧法,用脱氧剂,(,碳粉、硅粉、硅钙粉等,),直接脱除渣中不稳定氧化物里的氧，其脱氧产物溶解在渣中。此法的目的在于提高炉渣的还原能力，充分发挥炉渣的界面脱氧作用，该方法具有提高合金元素收得率的特点。,脱氧是炼钢过程的最后工艺环节，按脱氧方法及脱氧程度，钢又分为三种类型：,(1),镇静钢与脱氧,经过充分脱氧处理的钢通常称为镇静钢。,这种钢的含氧量一般,O,为,0.002,0.003,，在钢液注入锭模后不再发生碳、氧反应和析出反应气体,(O,2,、,CO,、,CO,2,等,),，钢液可以较平静地凝固成锭，故称镇静钢。,镇静钢的钢锭成分比较均匀，组织较致密，成材具有较高的力学性能。,(2),沸腾钢,未经完全脱氧处理的钢通常称为沸腾钢。,一般只用弱的脱氧剂,(,锰铁,),脱氧。,因此，钢液中仍保留一定的含氧量，在后期的浇注与凝固过程中会有大量反应气体,CO,生成，并不断释放，引起锭模内钢液沸腾，故称沸腾钢。,沸腾钢中气体的形成直至凝固开始，因此结晶后钢锭内部残留一定量的气泡，对补偿因钢液凝固引起的钢锭收缩有利，且由于钢液沸腾有利于排除钢液表面的夹杂物，提高钢锭的表面质量。,(3),半镇静钢,对于脱氧程度介于镇静钢与沸腾钢之间的钢通常称为半镇静钢。,四,),气体和非金属夹杂物的去除,l.,除气,脱碳过程产生的,CO,或,(CO+CO,2,),气体，以及来不及参加反应的氧气和有意向熔池中直接吹入的情性气体，聚集而形成气泡在钢液中上升与逸出使熔池产生沸腾，为氢和氮的去除提供了条件。因这些气泡在钢液中开始出现时，气泡内部对钢中氢和氮的分压力等于零，对氢和氮来说如同一个真空气体泵，于是氢和氮便向这些气泡中扩散或转移，并随着气泡的上浮与逸出而被带出。,不难看出，炼钢制造的良好沸腾过程就是良好的除气过程。,氧化期的脱碳反应经常在炉底发生，,CO,气泡上浮穿过钢液的路程较长，脱气效果显著。,如果碳氧反应只在渣钢界面上进行，这时的沸腾只能减少气体向钢液中的溶解速度，而钢液内部的气体却难以去除。,依此类推，吹氧炼钢深吹得越理想，脱气效果也越显著。,2,非金属夹杂物的去除,非金属夹杂物的密度比钢液小，因此它可以慢慢地上浮到渣中。,当夹杂物互相碰撞或聚结生成较大的颗粒时，就更容易上浮。,但是，炼钢过程中，杂质及气体元素的排除是有一定限度的，对于未完全排除的杂质、气体元素等内在夹杂，还需借助于出钢后的炉外精炼等工艺技术进一步去除。,四、钢的浇注,钢的浇注，就是把在炼钢炉中熔炼和炉外精炼所得到的合格钢液，经过盛钢桶及中间浇包等浇注设备注入到一定形状和尺寸的钢锭模或结晶器中，使之凝固成为钢锭或钢坯的过程。,浇注是个复杂而又要求准确、迅速进行的操作过程，要顺利地完成浇注过程，其难度是相当大的。,目前采用的浇注方法，有模铸法和连铸法两种。,(1),模铸法,是传统的铸锭方法，产品为钢锭，已有一百多年历史，已趋于淘汰。,(2),连铸法,是,20,世纪,50,年代发展起来的浇注方法，它能直接得到一定断面形状的铸坯，大大简化了由钢液到钢坯的生产工艺和设备，并为炼钢生产的连续化、自动化创造了条件。,五、特殊炼钢技术,为了进一步提高钢的冶炼质量，针对不同类型的钢，人们不断研究出了多种类型的精炼钢的新技术，通常将他们称之为特殊炼钢技术。,以下重点介绍几种常用的特殊炼钢技术。,(,一,),电渣重熔炼钢,电渣重熔炼钢是以熔渣的电阻热作为发热源，以熔渣和钢液的物化反应来清洗钢中夹杂物进行精炼，并利用水冷铜模快速凝固得到高质量钢锭的方法。,炼钢是在电渣重熔炼钢炉中进行，其炉的基本结构形式如图,9-5,所示。,电极金属的熔化过程如图,9-6,所示。,1,电渣重熔炼钢的主要特点,1),高温活泼熔渣是电渣熔炼的显著特点。,电渣重熔时，电流通过渣池，由于熔渣具有较高电阻,(,比总线路,),，且占有绝大部分电阻值，因此在熔渣处放出绝大部分热量，从熔渣放出的热可使熔渣温度超过,2000,。,2),电极在高温熔渣下熔化，熔化于电极末端的金属薄层下滑熔聚于电极的最低位置，聚集长大成熔滴，当熔滴重力和磁收缩效应力之和超过金属与熔渣间界面张力时，则熔滴脱离电极，以液滴形式通过熔渣落入金属熔池。,在熔炼过程中，熔滴的形成下落至熔池完全凝固过程是强烈的渣、钢界面反应的过程。,3),渣洗过程是电渣重熔的最大特点之一。由于熔渣的温差及电磁力的作用引起熔渣搅动，这是动力学的良好条件。,4),电渣冶炼的结晶过程基本上是由下到上逐渐进行，因此有良好的钢液补充凝固的条件，所以钢锭非常致密，无缩孔、中心疏松及晶间裂纹等倾向；,5),由下向上的结晶有利于排出钢中的气体和钢液中的夹杂物。,目前，电渣重熔炼钢已广泛应用于滚珠钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、结构钢、高速钢、精密合金、高锰钢、工业纯铁的生产，质量有显著提高。可以预期，不久将会应用于有色金属铝、铜和铁合金以及铸铁等。,2,电渣重熔的钢锭质量特点,1),钢锭表面光洁,不需精整并无缩孔疏松，锭子致密度增加,钢材中无疏松、白点、裂纹等缺陷。,2),钢中硫减少,30,60,。,3),钢中氧降低,33,50,，氮含量降低,66.6,(,对不含,Ti,、,Nb,的钢种,),。,4),夹杂降低,30,50,夹杂物尺寸和数量显著减小。,5),提高了钢的塑性、焊接性、变形性和软磁合金的磁性。,(,二,),真空熔炼炼钢,指将感应炉置于真空中进行熔化精炼的方法，称为真空感应炉熔炼法，简称,VIM,。,真空感应炉熔炼的优点是：,1),排除了氧对元素的氧化，合金元素的收得率高，可缩小合金成分范围，如,Ni,基合金的,Ti,、含量，在真空下的范围是,0.12,，而在空气中为,O.25,。加人微量元素亦稳定存在。,2),钢中气体元素,(H,、,N,、,O),及夹杂物含量少，偏析倾向小，钢锭致密度高。,3),提高了钢的力学及物理化学性能，如蠕变、弹性极限及韧性明显提高。,4),由于晶界无气体、夹杂析出，故不易产生裂纹，有利于改善冷加工性。,(,三,),真空自耗炉熔炼,真空自耗炉熔炼是将熔炼材料加工制成电极，在真空中利用电弧方式将电能变为热能并将电极加热至高温，使电极熔化成液滴，滴入水冷结晶器中形成熔池，进行精炼后迅速冷却，并按定向凝固方式顺序结晶的冶金过程。,真空白耗炉熔炼反应区示意图如图,9-7,所示。,真空自耗炉熔炼的冶金特点是：,1),在真空中，电能变为热能加热熔化电极，呈液滴落入水冷铜结晶器中形成熔池进行精炼。使反应向存在气相的方向发展，液滴形成使处于参与反应及过渡过程中的钢，其表面面积增大，可以加强钢的精炼过程。,2),免除浇注工艺,在结晶器中进行定向顺序结晶。,3),钢液不能保持较长液态时间，没有熔渣参与冶金反应，因此不利于脱硫和脱氧；,另外，需先制作金属材料电极，精炼时不能调整成分。,