材料工程基础章稿课件

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,*,第十章 炼 钢,10.1,炼钢过程及原料,高炉,铁水,(,铸铁,),含,9394%,的铁,和,67%,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,CaCO,3,、石灰,CaO,和萤石,CaF,2,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,13501450,运输中散热,覆盖剂保温。,要求：铁水有稳定的化学成分：,GB717-82,C%3.5,，,Si%0.451.25,，,Mn%0.300.50,P%0.150.40,，,S%0.020.07,铁水预处理：脱,S,、,P,、,Si,2,）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,%,、,SiO,2,%,、,S%,。,萤石：,CaF,2,(,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。,生白云石,CaMg(CO,3,),2,:,培烧后熟白云石,(,CaO+MgO,),替代,部分石灰，初期酸性渣对炉衬的侵蚀，炉衬寿命，同,时是溅炉护炉的调渣剂。,菱镁矿,MgCO,3,：溅渣护炉的调渣剂。,锰矿石：化渣保护炉衬的作用。,石,英砂,SiO,2,：调整碱性炉渣的流动性。,3,、铁合金：吹氧终点脱除钢中多余的氧，调整成分。,转炉常用铁合金：锰铁、硅铁、钙硅合金、铁铝合金、,钙铝钡合金、铝钡硅合金等。,4,、氧气：除水高纯度,99.6%,氧。,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：,O,2,(g),对铁水的氧化反应是放热的，一般伴随着激烈的,搅拌，而,Fe,2,0,3,(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,普通元素的氧化除去反应如下：,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,1.51.8,万次。,添加剂：,Ca,、,Si,、,Al,、,B,4,C,、,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,、,Na,2,O,等。,两性氧化物：,Al,2,O,3,、,Fe,2,O,3,等。,多数氧化物熔点高。,氧化物,CaO,MgO,SiO,2,FeO,Fe,2,O,3,MnO,Al,2,O,3,熔点，,K 2843 3073 1983 1643 1730 2058 2333, 2570 2800 1710 1370 1457 1785 2060,炼钢熔池温度：,15731973K,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,SiO,2,）,1813K,铁酸钙（,CaO,FeO,）,1493K,硅酸铁（,2FeO,SiO,2,）,1490K,CaO,与,CaF,2,共晶物,1673K,硅酸锰（,MnO,SiO,2,）,1558K,硅灰石（,2CaO,SiO,2,）,2403K,钙镁橄榄石（,CaO,MgO,SiO,2,）,1771K,硅钙石,(3CaO,2SiO,2,)1748K,炉渣化学成分：,CaO,3845%,，,FeO,1523%, SiO,2,1217%,MnO,912%,MgO,510%, Al,2,O,3,24%, P,2,O,5,12%,。,2,）酸性操作：耐火材料,SiO,2,，造渣剂锰矿石或二氧化硅，,渣碱度,1,。,炼钢种类和特征,熔融炼钢法的种类和特征,:,炼钢法有转炉、电炉以及,平炉,等,。,LD,法,纯氧吹炼,在转炉上方喷吹纯氧,，,304Omin/,炉的快速精炼法，,与其他方,法比较：,(1),炼钢时间短，生产率显著提高；,(2),氮、磷、氧、硫等有害成分低，钢的性质优良，可,以适应多种钢的冶炼；,(3),操作费用、建设费用低等等。,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，,3045min,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：,2.,热源和原料铁的成分,热源：原料铁水中杂质的氧化热，,lkg,杂质的发热量值,如表所示。由发热量来看，顺序是硅、磷、碳、铁，由,于碳生成,CO(g,),被排出炉外,热源效率低；铁一般要氧,化,2,3,，但是不希望降低铁的收得率，使钢水过氧化。,主要的热源是硅、磷以及锰。,纯氧转炉冶炼,以,si,和,Mn,的氧化热作为主热源，没有废气中,N,2,(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,1530%.,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(Basic,Oxygen Furnace),或,BOP(Basic,Oxygen Process),英国、加拿大等地，称作,BOS(Basic,Oxygen Steelmaking),。,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。,3.2 LD,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,30350t,。炉容比为每,吨装入原料,0.93m,3,。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。,B,供氧设备,供氧使用铜制水冷式,3,重构,造的喷枪，从上方以,(615),1O,7,g/m,2,的高压把,氧气吹入铁水，氧气使用,量是约,50m,3,/t,钢水。,所,用氧的纯度,：,从精炼,角度,没有限制，但氧气中,氮气分压,钢中氮含量,增加。,N0.004%,的低氮,钢,使用纯度为,99.8%,以上,的纯氧。,C,排气处理设备,D,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,0.5,1m,含,Fe,2,O,3,90%,，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,CO,2,(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。,3.3 LD,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。,吹炼中，高亮度的火焰从炉口排出，吹炼中期是脱碳最,激烈期,，氧的脱碳效率接近,100%,。动态控制的场合，在排,气量逐渐减少、预定吹止的几分钟之前，降下副枪测定铁,水中的碳浓度和温度，预测到达目标碳浓度和目标温度的,时间，然后吹炼到终点出钢。在静态控制的场合，到达了,预定,目标碳浓度及钢水温度时，上升氧枪中止吹氧，待氧,枪完全上升后，把炉体倒向装料侧，从炉口进行测温及取,样，确认碳含量及温度后，再把炉体倒向出钢侧出钢。,出钢中向炉内及钢水包中添加脱氧剂,(,Mn,-Fe,，,Si,-Fe,，,Al,等,),。出钢后再把炉体倒向装料侧排出渣，一炉的操作即,告结束。,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，,L,0,:,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,(hard blow),。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,(Soft blow),，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。,3.4,炉内反应,A,整体变化,转炉吹炼过程可以分,为,3,个阶段：,第,1,阶段,：,吹炼初期，硅、锰,优先氧化,铁也被氧,化，,TFe,高，产生溶,解了石灰的铁硅酸渣，,脱磷也在初期发生，,钢水温度逐渐上升。,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。,L,转炉的脱碳速度,铁水中碳和脱碳速度,-,dC/dt,可以认为分成部分，,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,:,-,dC/dt,=,k,l,t,k,1,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，对于碳是级反应,。,dC/dt,=k,2,k,2,的值取决于氧的供给量,。,第,3,部分,:C=0.8-1.0%,时，脱碳速度逐渐减小，而转,变为取决于碳含量。这时的碳含量称为临界碳含量。在临,界碳含量以下的范围，脱碳速度受碳的传质控制，与碳含,量大致成正比,:,dC/dt,=k,3,C,k,3,根据温度、送氧量以及氧枪高度等而变化。,上述关系是对脱碳速度进行的宏观观察结果,也用来作,为转炉计算机控制的模型形式。,