转炉炼钢的基本任务

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,*,转炉炼钢基本任务,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,转炉炼钢的基本任务及原理,董娟,1,转炉炼钢,转炉炼钢（converter steelmaking）是以铁水、废钢、铁合金为主要原料，不借助外加能源，靠铁液本身的物理热和铁液组分间化学反应产生热量而在转炉中完成炼钢过程。,转炉按耐火材料分为酸性和碱性，,按气体吹入炉内的部位有顶吹、底吹和侧吹；,按气体种类为分空气转炉和氧气转炉。碱性氧气顶吹和顶底复吹转炉由于其生产速度快、产量大，单炉产量高、成本低、投资少，为目前使用最普遍的炼钢设备。,转炉主要用于生产碳钢、合金钢及铜和镍的冶炼。,2,转炉炼钢图示,3,炼钢的基本任务包括,：,1.脱碳、脱磷、脱硫、脱氧；,2.去除有害气体和夹杂；,3.提高温度；,4.调整成分,炼钢过程通过,供氧、造渣、加合金、搅拌、升温,等手段完成炼钢基本任务。氧气顶吹转炉炼钢过程，主要是,降碳、升温、脱磷、脱硫,以及,脱氧,和,合金化,等高温物理化学反应的过程，其工艺操作则是,控制供氧、造渣、温度,及,加入合金,材料等，以获得所要求的钢液，并浇成合格钢钢锭或铸坯。,1.1转炉炼钢的基本任务,4,转炉里的氧气射流,转炉中的氧气射流具有以下,特征,：,1、,喷头出口处氧气流股达超音速,转炉所用氧枪采用拉瓦尔喷头，且尺寸按P,出,/P,0,0.5283要求设计，通常M高达1.52.2，流股的展开和衰减慢，动能利用率高，对熔池的搅拌力强。,2、,射流的速度渐慢、截面积渐大,射流进入炉膛后，由于受反向气流（向上的炉气）的作用而速度逐渐变慢；同时，由于吸收部分炉气而断面逐渐变大，扩张角12,0,左右。,5,转炉里的氧气射流,3、,射流的温度渐高,射流进入炉膛后被1450的炉气逐渐加热，加之混入射流的炉气（CO）及金属滴被氧化放热，使射流的温度逐渐升高。模拟实验表明，距喷头孔径1520倍处射流的温度在13001600之间；距喷头孔径3540倍处射流的温度高达21502300，有人称转炉里的氧气射流就象一个高温火炬。,6,底吹气体对熔池的作用,搅拌熔池,气泡对喷孔产生后座,喷入熔池的气体形成气泡时，残余气袋在距喷孔直径二倍的地方受到液体的挤压而断裂，气相内回流压向喷孔端面，这一现象称为气泡对喷孔的后座。,实际生产中，从底部喷入熔池的气流一般为亚音速，除在喷嘴处可能存在一段连续流股外，喷入的气体将形成大小不一的气泡并自动上浮。气泡群在上浮过程中，因压力减小而膨胀，并驱动、抽引金属液向上运动，而后沿四周炉壁向下，并补向中心，从而对熔池尤其是其底部产生强烈的搅拌，,7,1.3 转炉炼钢炉渣,1.3.1 炼钢炉渣的作用,1.3.2 炼钢炉渣的来源及其组成,1.3.3 炼钢炉渣的主要性质,8,1.3.1 炼钢炉渣的作用,作用,：,通过对炉渣成分、性能及数量的调整，可以控制金属中各元素的氧化和还原过程；,向钢中输送氧以氧化各种杂质；,吸收钢液中的非金属夹杂物，并防止钢液吸气（H、N）。,其它作用。如：保护渣。,副作用：侵蚀炉衬；降低金属收得率。,9,1.3.2 炼钢炉渣的来源及其组成,炼钢炉渣的来源：,加入的各种造渣材料及被侵蚀炉衬；,炼钢中化学反应的产物：氧化物和硫化物；,废钢带入得泥沙和铁锈；氧化物或冷却剂带入的脉石。,炉渣的组成以各种,金属氧化物,为主，并含有少量,硫化物,和,氟化物,。,炼钢炉渣的基本体系是,CaO-SiO,2,-FeO,。,10,1.3.3 炼钢炉渣的主要性质,碱度(basicity)：,R1.31.5，低碱度渣；,R1.82.0，中碱度渣；,R2.5，高碱度渣；,氧化性炉渣向金属熔池传氧的能力,，一般以渣中氧化铁（FeO）含量来表示。,把Fe,2,O,3,折合成FeO有两种计算方法：,全氧法,和,全铁法,。全铁法较合理。,炉渣的氧化能力是个综合的概念，其传氧能力还受,炉渣粘度,、,熔池搅拌强度,、,供氧速度,等因素的影响。,11,炉渣成分的变化规律,冶炼过程中，转炉中熔渣成分的变化规律大致如下,：,（1）（FeO）：呈下凹弧形变化：吹炼初期，为了化渣枪位较高，渣中的（FeO）含量高达28%（复吹为16%）；中期随脱碳进行（FeO）被大量消耗而逐渐降至12%以下（太低，出现返干，复吹为6%）；随着C的减少，脱碳速度下降，（FeO）的浓度又渐升至15%（复吹为12%）。,（2）（CaO）：随着所加石灰的溶化，渣中的（CaO）含量渐升至50%（中期因炉渣“返干”溶化很慢甚至停止）。,（3）（SiO2）和(MnO)：吹炼初期，硅、锰的氧化使之浓度很快分别达到20%和14%，而后随着所加石灰的熔化逐渐降低至10%和6%。,12,物料平衡,热平衡,转炉冶炼的基本原理,13,2 转炉冶炼的基本反应,主要阐述转炉吹炼过程中的硅锰氧化、脱碳、脱硫和脱磷等基本反应及熔体成分的变化情况，为学习后面的工艺内容作好理论准备。,硅锰的氧化、脱碳、脱硫和脱磷是炼钢的基本反应，但在转炉炼钢中又有其特殊性。,14,2.1转炉内的基本反应,从装料到出钢，倒渣，转炉一炉钢的冶炼过程包括装料、吹炼、脱氧出钢、溅渣护炉和倒渣几个阶段，如右图所示。一炉钢的吹氧时间通常为12-18min，冶炼周期为40min左右。,一炉钢冶炼过程,15,炼钢熔池中氧的来源,氧的来源：,直接向熔池中吹入工业纯氧（98）；,向熔池中加入富铁矿；,炉气中的氧传入熔池。,铁液中元素的氧化方式有两种：,直接氧化(direct oxidation),和,间接氧化(indirect oxidation),。,16,直接氧化方式,直接氧化是指氧气直接与铁液中的元素产生氧化反应,。,当向铁液中吹入氧气时，如果在铁液与气相界面有被溶解的元素如SiMnC,虽有大量的铁原子存在，但根据元素的氧化次序SiMnC将优先于铁而被氧化。,反应可写为：C+12O=CO Si+O,2,=（SiO,2,）,Mn+12O,2,（MnO）在氧气转炉炼钢时氧气流股冲击铁液形成一个冲击坑，氧气与铁液直接接触，易产生元素的直接氧化。,17,吹入的氧气由于动力学的原因首先与铁液中的Fe原子反应形成FeO进入炉渣同时使铁液中溶解氧O。炉渣中的（FeO）和溶解在铁液中的O再与元素发生,间接氧化,。,其反应为：O,2,+Fe=(FeO),(FeO)=Fe+O,如：2O+Si=(SiO,2,)或 2(FeO)+Si=2Fe+(SiO,2,)在渣-金界面上往往产生元素的间接氧化反应。,间接氧化方式,18,炼钢熔池中元素的氧化次序,溶解在铁液中的元素的氧化次序可以通过与1molO,2,的氧化反应的,标准吉布斯自由能变化,来判断。,在标准状态下，反应的G,o,负值越多，该元素被氧化的趋势就越大，则该元素就优先被大量氧化。,铁液中常规元素与氧反应的标准吉布斯自由能变化与温度的关系绘制成图。,19,1.CuNiMoW等元素氧化的,G,o,线都在Fe氧化,G,o,线之上。从热力学角度来说，在炼钢吹氧过程中这些元素将受到Fe的保护而不氧化。2.CrMnVNb等元素的氧化程度随冶炼温度而定。,3.AlTiSiB等元素氧化的G,o,线在图中位于较低的位置，它们最易氧化。在实际生产中，这些元素作为强脱氧剂使用。注意：虽然在炼钢温度下，Fe氧化的,G,o,线高于其它元素氧化的,G,o,线，但由于铁液中大多数为Fe原子，氧与Fe原子接触机会多，故在实际上Fe还是会氧化。,20,1、转炉炼钢中的脱碳,转炉炼钢的主原料铁水中含有4.%左右的碳，远高于钢种的要求，因此脱碳是转炉炼钢的主要任务之一。,2.2转炉内熔体成分变化,21,脱碳反应的作用,脱碳反应除了,调整钢液碳含量,的作用外，其反应产物,CO气体的上浮排除,使得脱碳反应给炼钢带来独特的作用。,促进熔池成分温度均匀；,提高化学反应速度；,降低钢液中的气体含量和夹杂物数量：,造成喷溅和溢出：,22,2.2.1 脱碳反应,转炉中的脱碳反应以间接氧化为主：(FeO)+C=CO+Fe。这是一个吸热反应，因此，熔池温度升高至1500左右后脱碳反应方能激烈进行。,在氧气射流的作用区，还会发生碳的直接氧化：1/2O,2,+C=CO，它是强放热反应，故而，碳是转炉炼钢的主要热源之一。,复吹转炉底吹CO,2,气体时，CO,2,也会参与碳的氧化：CO,2,+C=2CO，因此会强化炉内的脱碳反应。,C与氧的反应有：,在渣-金界面上：,C+（FeO）=CO+Fe,C+O=CO,在气-金界面上：,C+12O,2,=CO,23,2.2.2 脱碳速度及影响因素,转炉中脱碳速度,呈三段台阶式变化。,1）第一阶段,冶炼初期，熔池温度低，主要是硅锰的氧化，脱碳速度很慢。研究发现，当铁水中的硅当量即%Si+0.25%Mn1时，脱碳速度趋于零，随吹炼进行，硅锰含量下降，温度也渐高，近1400时碳开始氧化，速度直线上升。故称该阶段为硅锰控制阶段。,复吹转炉由于有底吹搅拌，脱碳反应开始较早，而且速度增加平稳。,24,2）第二阶段,冶炼中期，是碳激烈氧化阶段，脱碳速度主要受供氧强度的影响，即氧的传输是限制性环节。供氧强度越大，脱碳速度也越大（但过大易产生喷溅）。,复吹转炉由于FeO控制得较低，最大速度不及顶吹转炉，吹炼中不易喷溅但全程的平均速度较之还要大些。,3）第三阶段,当钢液含碳量降低到一定程度时，碳的扩散成为限制性环节，脱碳速度取决于熔池搅拌情况。,脱碳速度及影响因素,25,2.2.4 临界含碳量,转炉炼钢中，脱碳反应速度由氧的扩散控制转成由碳的扩散控制时的钢液含碳量称为临界含碳量,。顶吹转炉的临界含碳量为0.10%左右，而复吹转炉由于有底吹搅拌其临界含碳量则为0.07%；而且，同为临界含碳量以下时，复吹的脱碳速度也大些。,26,熔池中氧与碳生成CO气泡上浮,%C%O=m(常数0.0020.0025),C与O成反比.,冶炼初期，碳的氧化速度较慢（温低及Si、Mn的氧化）；进入中期后脱碳速度迅速增大（硅、锰氧化结束，熔池温度也已升至1400以上）；终点前20%时间脱碳速度又逐渐慢（因C已较低，碳的扩散成了限制性环节）。,2.2.5 碳的变化规律小结,27,2.3 转炉冶炼脱磷反应,P对钢材性能的影响,恶化钢的焊接性能；,降低钢材的塑性和韧性，使钢产生冷脆性，即在低温条件下钢材的冲击韧性明显降低；,提高易切削钢的切削性能；,改善钢液的流动性，提高铸造性能；,提高合金钢耐大气和海水腐蚀性能；,能提高电工用硅钢的导磁率。,28,2.3.1 脱磷反应 放热,脱P反应,2P+5(FeO)=(P2O5)+5Fe,(P2O5)+(FeO)=3(FeO.P2O5)-不稳定,3(FeO.P2O5)+3(CaO)=3(CaO.P2O5)+3(FeO),能稳定存在于渣中,反应地点：渣钢界面,总反应式：,2P+5(FeO)4(CaO)=4(CaO.P2O5)+5Fe,29,2.3.2 脱P反应影响因素,炉渣碱度：R高，有利,温度：T低，有利 （14501500）,渣量：渣量高，有利,渣中（FeO）量：（FeO）高，有利,30,钢液回,P,现象：在冶炼或出钢过程中，如果炉内热力学条件或动力学条件发生变化，而导致炉温太高，,R,，,FeO,过低，会导致已脱除到渣中的,P,重新返回到钢液中，这个过程成为回,P,。,1,、炉温过高；,2,、冶炼结束向炉内或钢包中加入铁合金等脱氧，使渣中,FeO,降低，脱,P,产物使碱度降低,3,、铁合金本身带入一定量的,P,防止回,P,措施：防止下渣，即防止炉渣进入钢包，采用的方法是：出渣前加石灰稠化渣，并挡渣出钢；出钢时向钢包中投入石灰，保持碱度。,2.3.3 钢液回磷,31,低温、适宜的高碱度、高氧化性利于脱P,吹炼前期应使石灰快速成渣,将(3FeO.P,2,O,5,)置换为(3CaO.P,2,O,5,)和(4CaO.P,2,O,5,)稳定化合物,使P去除.冶炼初期，脱磷速度较快（温低）；冶炼中期脱,磷速度明显下降，甚至停止或发生“回磷”（温度渐高，