煉鋼的基本任務(wù)和性能概述

1、煉鋼的基本任務(wù)和性能概述12一、鋼與生鐵的區(qū)別 C 1.2%的鋼很少 實(shí)用； 還含Si、Mn等合金 元素及雜質(zhì)。31) 脫碳；2) 脫磷；3) 脫硫。煉鋼任務(wù)：4伴隨脫碳反應(yīng)， 鋼的熔點(diǎn)提高。煉鋼任務(wù)：4)升溫 1200 17005伴隨脫碳反應(yīng)，鋼液O含量增加。C(石墨)+1/2O2=CO G1162041C(石墨)=C G2131821/2O2=O G1170402 C+O=CO G204821Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemi

2、stry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 19636煉鋼任務(wù)：5)脫氧 0.3% 0.0003%7煉鋼任務(wù)：6) 合金化伴隨脫碳反應(yīng)，鋼液Si和部分Mn被氧化 。8C： 控制鋼材強(qiáng)度、硬度的重要元素，每1C 可增加抗拉強(qiáng)度約980MPa。Si：也是增大強(qiáng)度、硬度的元素，每1Si可增 加抗拉強(qiáng)度約98MPa。Mn：增加淬透性，提高韌性，降低S的危害等。Al：細(xì)化鋼材組織，控制冷軋鋼板退火織構(gòu)。Nb：細(xì)化鋼材組織，增加強(qiáng)度、韌性等。V： 細(xì)化鋼材組織，增加強(qiáng)度、韌性等。Cr：增加強(qiáng)度、硬度、耐腐蝕性能。9煉鋼任務(wù)：7)去除N、H等氣體雜質(zhì)元素陳家祥，煉

3、鋼常用圖表數(shù)據(jù)手冊(cè)，冶金工業(yè)出版社，198410煉鋼任務(wù)：8)去除非金屬夾雜物 11氧化物系非金屬夾雜物脫氧產(chǎn)物二次氧化生成物外來(lái)性?shī)A雜物渣卷入耐火材料融損及卷入爐渣造成的氧化空氣造成的氧化爐襯造成的氧化鋼水包襯中間包襯爐渣中間包覆蓋渣結(jié)晶器保護(hù)渣鋼中非金屬夾雜物來(lái)源 12煉鋼任務(wù)：9)凝固成型 13煉鋼的基本任務(wù)：1、脫碳；2、脫磷；3、脫硫；4、脫氧；5、脫氮、氫等；6、去除非金屬夾雜物； 7、合金化；8、升溫；9、凝固成型 。14主要煉鋼工藝：鐵水預(yù)處理；轉(zhuǎn)爐或電弧爐煉鋼；爐外精煉（二次精煉）；連鑄。1516鐵水預(yù)處理 脫硫預(yù)處理；三脫(脫硅、脫磷、脫硫)預(yù)處理。鐵水脫硫預(yù)處理：SMg(

4、MgS)脫硫劑：CaC2, CaO、 Mg等脫硫率：40-80S可脫除到9030ppm。KR法脫硫 噴粉脫硫S(CaO)C(CaS)CO17三脫(脫硅、脫磷、脫硫)預(yù)處理18脫硅反應(yīng)：Si2/3Fe2O3(SiO2)4/3Fe2P3(CaO)5/3Fe2O3(3CaOP2O5)5/3Fe脫磷反應(yīng)：19氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼 20主原料：鐵水、廢鋼輔助原料：石灰、螢石、 鐵礦石等噸位：25300t頂吹O2：33吹煉時(shí)間：1525min爐齡：200020000次21鐵水溫度：12001300鋼水溫度：16401720主要化學(xué)反應(yīng)：C1/2O2COCO2CO2SiO2(SiO2)Mn1/2O2(MnO)2P5

5、/2O23(CaO)(3CaOP2O5)Fe1/2O2(FeO)S(CaO)(CaS)O不需外供熱源 2223電弧爐煉鋼 24主原料：廢鋼、DRI、 HBI輔助原料：石灰、螢石、 鐵礦石等噸位：25150t功率：5001500kVA/t冶煉時(shí)間：45min供熱：電弧加熱類型：交流、直流25主要化學(xué)反應(yīng)：C1/2O2COCO2CO2SiO2(SiO2)Mn1/2O2(MnO)2P5/2O23(CaO)(3CaOP2O5)Fe1/2O2(FeO)S(CaO)(CaS)O26煉鋼工序功能的演變 1) 脫碳；2) 升溫；3) 脫磷；4) 脫硫；4) 脫氧、氮、氫等；5) 合金化?；救蝿?wù)爐外精煉27爐

6、外精煉 28第二章、煉鋼的基本反應(yīng)第一節(jié)、鐵的氧化和熔池傳氧方式 1、氧流對(duì)金屬熔池的作用 頂吹氧槍O2出口速度通常 可達(dá)300350m/s；氧流與熔池作用，將動(dòng)量 傳遞給金屬液；金屬熔池產(chǎn)生循環(huán)運(yùn)動(dòng)。29作用區(qū)溫度2200 2700；光亮較強(qiáng)的中心 (區(qū)域I)；光亮較弱的外圍 (區(qū)域II)。氧流穿入熔池某一深度并構(gòu)成火焰狀作用區(qū) (火點(diǎn)區(qū)) 30氧氣煉鋼中還存在乳化和泡沫現(xiàn)象 在氧流強(qiáng)沖擊和熔池沸騰 作用下，部分金屬微小液 滴彌散在熔渣中；乳化的程度與熔渣粘度、 表面張力等性質(zhì)有關(guān)；乳化可以極大地增加渣 鐵間接觸面積，因而可以 加快渣鐵間反應(yīng)。乳化造成的渣鐵間接觸面積可達(dá)1.5 m2/kg。

7、31熔池在氧流作用下形成的強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)和高度彌散的氣體熔渣金屬乳化相，是吹氧煉鋼的特點(diǎn)。1氧槍2乳化相3CO氣泡4金屬熔池5火點(diǎn)6金屬液滴7作用區(qū)釋放出的 CO氣泡8濺出的金屬液滴9煙塵322、鐵的氧化和還原 向熔池吹氧時(shí) 第二步，吸附的氧溶解于鐵液中：tFeOFetO第一步，氣體氧分子分解并吸附在鐵的表面：1/2O2O吸附由于氧勢(shì)高，F(xiàn)e與O反應(yīng)，生成鐵氧化物。O吸附O33煉鋼條件下鐵氧化物穩(wěn)定性比較 FeOFeO G11244246.56 T 1,22/3Fe+O=1/3Fe2O3 G15298887.94 T 1,23/4Fe+O=Fe3O4 G17723292.96 T 1,21Reed

8、Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 196334Fe3O4可以看作 為FeOFe2O3；FeO最穩(wěn)定；Fe2O3/FeO平均 為。35爐渣的氧化作用 爐渣中FeO與氧 化性氣氛接觸， 被氧化成高價(jià)氧 化物Fe2O3；渣鐵界面，高 價(jià)Fe2O3被還原 成低價(jià)FeO；氣相中的氧因此 被傳遞給金屬熔 池。36當(dāng)傳氧過(guò)程達(dá)到平衡時(shí)，鐵液中O達(dá)到飽和，O飽和含量由爐

9、渣的氧化性所確定。FeOFeO G11244246.56 T 1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963371650下鋼液中最高O含量 aFeO1，溫度 1500 1550 1600 1700%O飽和 0.13% 0.16% 0.20% 0.29%38雜質(zhì)的氧化方式 直接氧化和間接氧化 間接氧化：氣體氧直接同鐵液中的雜質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。直接氧

10、化：氣體氧優(yōu)先同鐵發(fā)生反應(yīng)，待生成FetO以后再同其它雜質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。39直接氧化在氧流金屬表面處進(jìn)行：氧流同熔池作用區(qū)的表面；懸浮于作用區(qū)的金屬液滴的表面；作用區(qū)周圍的氧氣泡的表面上；凡是氧氣能直接同金屬液接觸的表面。O2 2Fe 2(FeO)O2 2Mn 2(MnO)O2 Si (SiO2)5O2 4P 2(P2O5)O2 2C 2COO2 C CO240間接氧化方式 在氧氣泡直接同鐵液接觸的表面上， 氧首先同鐵結(jié)合，然后FeO擴(kuò)散到熔 池內(nèi)部并溶于金屬液中。(FeO)OFeC、Si、Mn、P等同O反應(yīng) O Mn (MnO)2O Si (SiO2)5O 2P (P2O5)O C CO2O C

11、 CO241(FeO) Mn (MnO) (Fe)2 (FeO) Si (SiO2) 2(Fe)5 (FeO) 2P (P2O5) 5(Fe)(FeO) C CO (Fe)2 (FeO) C CO2 2(Fe)也可以表示為：42多數(shù)意見(jiàn)認(rèn)為氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼以間接氧化為主氧流是集中于作用區(qū)附近而不是高度分散在熔 池中；氧流直接作用區(qū)附近溫度高，Si和Mn對(duì)氧的親 和力減弱從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看， C向氧氣泡表面?zhèn)髻|(zhì) 的速度比反應(yīng)速度慢，在氧氣同熔池接觸的表 面上大量存在的是鐵原子，所以首先應(yīng)當(dāng)同F(xiàn)e 結(jié)合成FeO。43第二節(jié)、脫碳反應(yīng) 鐵液中碳的飽和溶解度：%C2.5710-3 (T273)Si、P、

12、S降低碳的溶解度；Mn、V、Cr增加碳溶解度；碳增加鋼材強(qiáng)度、硬度；碳降低鋼材焊接、耐腐蝕、 冷加工性能。44脫碳反應(yīng)是貫穿于煉鋼過(guò)程始終的一個(gè)主要反應(yīng)。反應(yīng)熱升溫鋼水；影響生產(chǎn)率；影響爐渣氧化性；影響鋼中O含量。45脫碳反應(yīng)的產(chǎn)物CO在煉鋼過(guò)程中也具有多方面的作用。從熔池排出CO氣體產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，使熔池受到激烈地 攪動(dòng)，起到均勻熔池成分和溫度的作用；大量的CO氣體通過(guò)渣層是產(chǎn)生泡沫渣和氣一渣一金屬 三相乳化的重要原因；上浮的CO氣體有利于清除鋼中氣體和夾雜物；在氧氣轉(zhuǎn)爐中，排出CO氣體的不均勻性和由它造成的 熔池上漲往往是產(chǎn)生噴濺的主要原因。46一、脫碳反應(yīng)的熱力學(xué)條件 O2 2C 2COO

13、2 C CO2G41632841.8 T1,2直接氧化：G27504483.64 T1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 196347間接氧化：2O 2C 2CO2O C CO2G18224847.56 T1,2G4096477.88 T1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary

14、Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 196348C的氧化產(chǎn)物絕大 多數(shù)是CO而不是CO2。C含量高時(shí)，CO2也是脫碳反應(yīng)的氧化劑:CCO22CO49與Fe-O-C熔體平衡氣相中CO2，PCO+CO21atmC含量愈高，CO愈穩(wěn)定；溫度愈高，CO愈穩(wěn)定。50CO乘積：C+O=COG204821,2取PCO1 atm,1Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT

15、Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 19635152實(shí)際煉鋼過(guò)程熔池O高于理論O含量 53實(shí)際熔池的O含量與碳氧化學(xué)平衡的O含量之差稱為過(guò)剩氧O:OO實(shí)際 O平衡脫碳速度快，O低；熔池?cái)嚢鑿?qiáng)， O低；底吹、頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼O低。過(guò)剩氧O的大小與脫碳反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有關(guān)54C+O=COG204821,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott,

16、 Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963氣相壓力對(duì)脫碳反應(yīng)的影響 5556通過(guò)減少PCO促進(jìn)脫碳反應(yīng) 57脫碳反應(yīng)的熱力學(xué)條件增大fC有利于脫碳；2)增加O有利于脫碳；3)降低氣相PCO有利于脫碳；4)提高溫度有利于脫碳。58脫碳反應(yīng)的熱效應(yīng) 1/2O2O (1)COCO (2)C+O2CO2 (4)H34830 kJ/kgCC+1/2O2CO (3)H11637 kJ/kgC59例題：氧化1C可使鋼水升溫多少？?。?0碳氧化為CO，10氧化為CO2，渣量為10kg/t，鋼 水比熱為840J/kg/，爐渣比熱為12

17、50J/kg/，爐氣比 熱為1140J/kg/。碳氧化為CO放熱： 10000.010.911637104580 kJ碳氧化為CO2放熱： 10000.010kJ每氧化1C可使鋼水升溫：(10458015824.65 kg氧化1碳生成反應(yīng)氣體量為：鋼水、爐渣、爐氣每升溫1所需要熱量為：100084010125024.651140880.601 kJ60二、脫碳反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件 1脫碳反應(yīng)的環(huán)節(jié)1) 反應(yīng)物C和O向反應(yīng)區(qū)擴(kuò)散;2) C和O進(jìn)行化學(xué)反應(yīng);3) 反應(yīng)界面氣泡生成；4) 反應(yīng)產(chǎn)物CO或CO2離開反應(yīng)區(qū)域。碳的氧化反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的多相反應(yīng)，包括擴(kuò)散 、化學(xué)反應(yīng)和

18、氣泡生成等幾個(gè)環(huán)節(jié)。612、化學(xué)反應(yīng)是否為脫碳反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)？如化學(xué)反應(yīng)表觀活化能 E1050kJ/mol，則化學(xué) 反應(yīng)是控制環(huán)節(jié)；如活化能E420kJ/mol， 則過(guò)程受擴(kuò)散控制；如活化能E在4201050kJ/mol之間時(shí)，過(guò)程 處于擴(kuò)散與化學(xué)動(dòng)力學(xué)混合控制領(lǐng)域。碳氧化反應(yīng)的表觀活化能波動(dòng)在60150kJ/mol之 間，遠(yuǎn)比上述活化能數(shù)值低得多。高溫下碳氧化反應(yīng)非常迅速，不是碳氧化反應(yīng)的控制環(huán)節(jié)。623、反應(yīng)界面氣泡的生成是否為脫碳反應(yīng)限制性環(huán)節(jié)？在鋼液中沒(méi)有現(xiàn)成的氣液相界面時(shí)，產(chǎn)生新的界面需要非常大的能量。新生成的氣泡越小，需要的能量越大。取鋼液表面張力m-g為m-1，新生成的CO氣泡

19、核心半徑為10-6m，則該氣泡核心所受的毛細(xì)管壓力為：63實(shí)際上CO氣泡核心所受到的壓力還包括鋼液、爐渣和爐氣的靜壓力。在鋼液內(nèi)生成一個(gè)很小的CO氣泡核心，需要克服數(shù)十個(gè)大氣壓的壓力，因而實(shí)際上不可能生成。只有在鋼液中有已經(jīng)存在的氣液界面時(shí)，才能減少生成氣泡的壓力，使碳氧反應(yīng)順利進(jìn)行。641)氧氣煉鋼過(guò)程大量氣 泡彌散存在于金屬熔 池內(nèi)，CO氣泡生成很 順利。2)在爐底和爐壁的耐火 材料表面上存在的凹 坑處，能生成CO氣泡 萌芽。65在粗糙的耐火材料表面，總是有不少微小的細(xì)縫和凹坑，當(dāng)縫隙很小時(shí)，由于表面張力的作用，金屬不能進(jìn)入。在一定的金屬液深度下，金屬不能進(jìn)入的最大凹坑半徑為：?。簃-g，

20、m7000kg/m3，潤(rùn)濕角120，hm： r： 0.0071 mm 0.214 mm 2.14 mm66耐火材料表面凹坑或縫隙處氣泡形成過(guò)程示意圖67氣泡上浮過(guò)程中，隨著體積的加大，形狀變?yōu)榍蚬谛巍?84、反應(yīng)物C和O向反應(yīng)區(qū)的擴(kuò)散是否為脫碳反應(yīng) 限制性環(huán)節(jié)？C高O低時(shí)，O的擴(kuò)散為限制性環(huán)節(jié)；C低O高時(shí)，C的擴(kuò)散為限制性環(huán)節(jié)。C和O的擴(kuò)散，哪一個(gè)是反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)？反應(yīng)界面(氣泡表面)處反應(yīng)物濃度很低；熔池內(nèi)部C、O濃度較氣泡表面高得多；由于存在濃度梯度，C和O向反應(yīng)界面擴(kuò)散。69感應(yīng)爐吹氧脫碳試驗(yàn)結(jié)果脫碳速度曲線拐點(diǎn)處C含量為C擴(kuò)散控制的臨界C含量。70當(dāng)熔池C含量低于C臨時(shí)，rc隨C含量

21、降低而顯著降低。rck%C此時(shí)O的擴(kuò)散速度決定整個(gè)脫碳反應(yīng)的速度。當(dāng)熔池C含量高于C臨時(shí)，rck%O kPO2此時(shí)C的擴(kuò)散速度將決定整個(gè)脫碳反應(yīng)的速度。715、實(shí)際煉鋼過(guò)程的脫碳速度變化 脫碳過(guò)程為三個(gè)階段 1)吹煉初期以硅的氧 化為主，脫碳速度 較??；2)吹煉中期，脫碳速 度幾乎為定值；3)吹煉后期，隨金屬 中含碳量的減少， 脫碳速度降低。72第一階段：第三階段：第二階段：73吹煉初期熔池溫度低，硅和錳首先迅速地氧化，硅的氧化抑制了脫碳反應(yīng)的進(jìn)行。2C2O2CO (2)G4096477.88 T 1,2Si2OSiO2(l) (1)G593560230.2 T 1,21Reed Thomas

22、, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 196374(2)(1)，得到：2CSiO2(l)Si2CO (3)G552596308.07 T(3)式反應(yīng)的G為：?。篊3.0%， eCC， eCSi0.08, fC Si0.1%， eSiC， eSiSi0.11, fSi PCO1， aSiO2752CSiO2(l)Si2CO (3)若(3)式反應(yīng)能夠自發(fā)進(jìn)行，則Temp.

23、1391 吹煉初期硅優(yōu)先氧化，當(dāng)熔池溫度升高到1390以上后，碳才可能激烈氧化。76第二階段是碳激烈氧化的階段,脫碳速度受氧傳遞速度控制。 K2=k2FO2FO2：氧氣流量， Nm3/h77第二階段向第三階段過(guò)渡的碳含量：實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果為 C；實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果為 0.2%或0.3% C，甚至高達(dá) ；受供氧速度、供氧方 式、熔池?cái)嚢枨闆r等 影響。786、脫碳動(dòng)力學(xué)曲線的計(jì)算 例題：100t氧氣轉(zhuǎn)爐，氧氣流量FO212000Nm3/h， C Si Mn鐵水： 鋼水： 廢鋼裝料比：20第一、二階段過(guò)渡碳含量：CA第二、三階段過(guò)渡碳含量：CB79(1)計(jì)算第二階段脫碳速度脫碳速度與氧氣流量成正比由脫碳反應(yīng)

24、物質(zhì)平衡，3氧氣可氧化12kg碳，折合每1Nm3氧氣可氧化碳。取氧氣利用率為95，則80金屬重量為100t，所以第二階段脫碳量為：第二階段必要時(shí)間：13.5 min81(2)計(jì)算第三階段脫碳速度 第二、三階段的分界為: CB0.6%即C時(shí)，第三階段脫碳速度與第二階段相等，所以有82(3)計(jì)算第一階段需要的時(shí)間 每噸鐵水的脫碳量：(4.3%3.3%)100010kg/t每噸鐵水的脫錳量：(0.7%0.1)10006kg/t每噸鐵水的脫硅量：(0.6%0%)10006kg/t鐵的氧化量按初期渣中(FeO)(SiO2)計(jì)算，鐵消耗氧為硅消耗氧量的一半。每噸鐵水中氧化碳消耗O29.3 Nm3/t每噸鐵

25、水中氧化錳消耗O21.2 Nm3/t每噸鐵水中氧化硅消耗O24.8 Nm3/t 每噸鐵水中氧化鐵消耗O24.81/22.4 Nm3/t以上反應(yīng)共消耗氧氣 17.7 Nm3/t 83取氧氣利用率為95，每噸鐵水需要氧氣量為：1488/120000.124 h7.44 min裝入料中80為鐵水，所以100噸金屬料在第一階段需供入氧氣：18.6 Nm3/t第一階段需要的時(shí)間為：18.6801488 Nm384(4)計(jì)算第一階段脫碳速度 對(duì)上式積分，得到%C1t2t0時(shí)，%C4.3%， 所以有 B4.3 %C0.5 k1t2B(1)(1)式變?yōu)椋?2)85在第一、二階段過(guò)渡時(shí)間， t，C3.3%代入(

26、2)式， k10.5 k1227.68 k110第一階段脫碳速度為：86三個(gè)階段碳含量變化曲線為：(1)ln%C6.6 終點(diǎn))(2)%C0.018 t24.3 (07.44 min)(3)%C0.2 t 20.94 min)(1) (2)(3)三個(gè)階段脫碳速度分別為：8788第三節(jié)、硅的氧化 液態(tài)無(wú)限互溶；常溫下固態(tài)鋼中溶 解度很高；增加鋼的強(qiáng)度。碳鋼中每增加0.1%Si,熱軋鋼材s大約增加，b增加。89Si的氧化反應(yīng) SiO2(SiO2) G827640224.4 T1,2Si2O(SiO2) G593560230.2 T 1,2Si2(FeO)( SiO2)2FeG368676137.06

27、 T 1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 196390當(dāng)有過(guò)量(FeO)存在時(shí)，Si的氧化產(chǎn)物與(FeO)結(jié)合：Si2(FeO)2(CaO)(Ca2SiO4)2Fe隨著爐渣中(CaO)含量增加，(2FeOSiO2)逐漸向(2CaO SiO2)轉(zhuǎn)化：(SiO2)(FeO)(2FeOSiO2)Si的氧化反應(yīng)也可表示為：2(CaO)(SiO2)

28、(Ca2SiO4)91Si的氧化反應(yīng)可以更方便地表示為：Si2OSiO2(l) G593560230.2 T 1,2有利于Si氧化反應(yīng)因素：提高Si的活度；降低渣中(SiO2)的活度；較低溫度。92脫硅反應(yīng)的熱效應(yīng) Si+O2(SiO2) H 29176 kJ/kg例題：氧化Si可使鋼水升溫多少？?。涸繛?0kg/t，鋼水比熱為840J/kg/，爐渣比熱為 1250J/kg/。Si氧化放熱： 10000.0012917629176 kJ鋼水、爐渣每升溫1所需要熱量為：1000840101250852.5 kJ每氧化Si可使鋼水升溫：34.2 93Si的氧化在煉鋼吹煉初期即可完成94國(guó)內(nèi)某鋼廠

29、300噸BOF轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程熔池成分變化 第一爐 第二爐95Si的氧化反應(yīng)對(duì)煉鋼過(guò)程的影響 熱效應(yīng)；影響脫碳、脫磷反應(yīng)；影響渣量?，F(xiàn)代化煉鋼廠采用了鐵水脫硅預(yù)處理工藝96液態(tài)無(wú)限互溶；常溫下鋼中溶 解度很高；提高鋼的強(qiáng)度。碳鋼中每增加0.1%Mn,熱軋鋼材s大約增加，b增加。第四節(jié)、錳的氧化與還原 97Mn的氧化反應(yīng) Mn1/2O2(MnO) G40206583.62 T1,2MnO(MnO) G28502586.5 T 1,2Mn(FeO) (MnO)FeG17258339.94 T 1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Com

30、pounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 196398如以下式代表錳的氧化反應(yīng)：有利于Mn氧化反應(yīng)因素：提高M(jìn)n的活度；提高渣中(FeO)的活度；降低渣中(MnO)的活度；較低溫度。Mn(FeO) (MnO)FeG17258339.94 T 1,299錳氧化反應(yīng)的熱效應(yīng) Mn+1/2O2(MnO) H 6593 kJ/kg例題：氧化Mn可使鋼水升溫多少？?。涸繛?0kg/t，鋼水比熱為840J/kg/，爐渣比熱為 1250J/kg/。Mn氧化放熱：

31、10000.00165936593 kJ鋼水、爐渣每升溫1所需要熱量為：1000840101250852.5 kJ每氧化Mn可使鋼水升溫：7.7 100Mn(FeO) (MnO)FeG17258339.94 T 煉鋼過(guò)程Mn的氧化與還原初期溫度低，渣中MnO 活度低，大量Mn氧化；中后期溫度升高、渣中 FeO含量降低，堿度提 高，爐渣中部分MnO被 還原；末期爐渣FeO含量增高， Mn重新被氧化。101第五節(jié)、脫磷反應(yīng) 對(duì)絕大多數(shù)鋼種，磷是 有害的雜質(zhì)。 冷脆； 調(diào)質(zhì)鋼的回火脆性； 熱加工性； 焊接性能等。 某些鋼種，例如高Ni合金鋼、低溫液態(tài)氣體儲(chǔ)罐、奧氏體不銹鋼等，要求盡量降低P含量。P對(duì)

32、9Ni鋼低溫韌性的影響102一、鐵水中P的氧化反應(yīng) 2P5/2O2(P2O5) G938080258.7 T1,22P5O(P2O5) G352880273.1 T 1,22P5(FeO)(P2O5)5FeG20932740.3 T 1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 19631032P5O(P2O5) G352880273.1 T計(jì)算：

33、1650時(shí)脫磷反應(yīng)所需P2O5活度1650時(shí)鋼液最高O為0.28%，目標(biāo)P含量為0.01%，即：爐渣中P2O5活度必須低于3.6210-12，脫磷 反應(yīng)才能進(jìn)行。104P2O5的穩(wěn)定性造渣的必要性 2P5O(P2O5) G352880273.1 T1650時(shí)鋼液最高O為0.28%，目標(biāo)P含量為0.01%，取渣中NP2O50.015 (相當(dāng)于3.5%)，105通過(guò)造堿性爐渣降低P2O5的活度系數(shù)。Turkdogan經(jīng)驗(yàn)公式1：降低P2O5活度系數(shù)的措施：提高爐渣堿度CaO/SiO2；提高爐渣MgO、MnO、FeO含量；降低溫度。106煉鋼爐渣成分范圍：MnO P2O5 FetO CaO/SiO2

34、4555% 1220% 413 24CaO SiO2 MgO Al2O3 26% 15% 12107二、脫磷反應(yīng)的熱力學(xué)條件 脫磷反應(yīng)的反應(yīng)式：2P5O(P2O5) (1)2P5(FeO)3(CaO)(Ca3P2O8)5Fe (2)2P5(FeO)4(CaO)(Ca4P2O9)5Fe (3) 按照爐渣離子模型2P5O3(O2-)2(PO43-) (5)2P5(Fe2+)8(O2-)2(PO43-)5Fe (4)108脫磷反應(yīng)平衡的研究 Healy等研究2P5O(P2O5)松下幸雄等研究109有利于脫磷的工藝條件降低溫度有利于脫磷反應(yīng)；提高爐渣堿度有利于脫磷反應(yīng)；增加爐渣氧化鐵活度有利于脫磷反應(yīng)

35、；增加渣量有利于脫磷反應(yīng)；增加P活度系數(shù)有利于脫磷反應(yīng)。110渣量對(duì)脫磷反應(yīng)的影響例題：對(duì)金屬和爐渣做磷的衡算。111回磷： 300噸BOF轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程金屬成分變化煉鋼過(guò)程回磷；脫氧過(guò)程回磷。煉鋼過(guò)程回磷原因：吹煉中期爐渣返干， FetO含量減少；溫度偏高。112脫氧過(guò)程回磷原因：出鋼帶渣量多；爐渣堿度降低；O含量降低。3(P2O5)10Al6P5(Al2O3)2(P2O5)5Si4P5(SiO2)2Al3(FeO)(Al2O3)3FeSi2(FeO)(SiO2)2Fe113低磷鋼生產(chǎn)1、低磷鋼生產(chǎn)(鐵水預(yù)處理、氧氣煉鋼)；2、超低磷鋼(P20ppm)生產(chǎn)(鐵水預(yù)處理 二次精煉脫磷)鐵水脫磷預(yù)

36、處理1、鐵水運(yùn)送容器中噴粉脫磷；2、利用轉(zhuǎn)爐脫磷預(yù)處理(SRP、LDORP)。脫磷劑：CaOCaF2Fe2O3 (O2)114鐵水魚雷罐中噴粉脫磷新日鐵君津廠脫磷工序流程示意圖 115鐵水罐中噴粉脫磷 NKK福山廠鐵水罐噴粉脫磷示意圖116利用轉(zhuǎn)爐作為容器進(jìn)行鐵水脫磷處理新日鐵名古屋廠轉(zhuǎn)爐脫磷處理流程圖117各種鐵水脫磷方法的比較 118對(duì)于P20ppm超低磷鋼，必須采用二次精煉脫磷方法NKK福山廠生產(chǎn)9Ni超低磷鋼工藝流程圖119第六節(jié)、脫硫反應(yīng) 硫?qū)︿摬男阅艿挠绊懀?熱加工性 (紅脆); 降低低溫韌性； 焊接性能； 抗氫致裂紋性能； 各向異性120121122鋼中S含量范圍：0.025%；

37、鐵液中S能無(wú)限溶解；固態(tài)鋼中S的溶解度降低，絕大多數(shù)以硫化 物形式存在于鋼的奧氏體晶界處。球狀MnS夾雜 網(wǎng)狀硫化物夾雜 123一、脫硫反應(yīng) S(CaO)(CaS)O G8903618.46 T1,2S(MnO)(MnS)OG11922233.95 T 1,2S(MgO)(MgS)OG16752414.9 T 1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wes

38、ley 1963S(O2+)O(S2+)124堿性氧化渣與鋼液間的脫硫反應(yīng) S(CaO)(CaS)O G8903618.46 T1,2離子反應(yīng)式S(O2-)(S2-)OlogK4650/T125有利于脫硫的因素：提高溫度；提高S的活度；提高爐渣(O2-)活度；降低爐渣(S2-)活度系數(shù)；降低O活度。S(O2-)(S2-)O126硫容量 (Sulphate Capacity)S(O2-)(S2-)O硫容量代表爐渣脫硫能力，溫度一定時(shí)，只與爐渣組成有關(guān)。127高堿度爐渣有利于脫硫128爐渣高的FeO含量不利于脫硫1291550130氣相脫硫(S2-)3/2O2(O2-)SO26(Fe3+)(S2-

39、)2(O2-)6(Fe2+)SO2SOSO G14659424.40 T1,2S2OSO2 G385155.72 T1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963氣相脫硫約占總脫硫量的10。131S(O2-)(S2-)O脫硫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)WS：爐渣重量，gF：反應(yīng)界面積，cm2km：鋼液中硫的傳質(zhì)系數(shù)，cm/skS：爐渣中硫的傳質(zhì)系數(shù)，cm/s

40、(1)132(1)反應(yīng)剛開始進(jìn)行時(shí)，渣中(%S)可忽略不計(jì)，則(2)Wm：鋼液重量，g133km隨堿度增加而增加，ks隨堿度增加而減少。由于脫硫速度受爐渣組成的影響，因此認(rèn)為爐渣中硫的傳質(zhì)是脫硫反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)。134(2)(3)因?yàn)椋?3)式寫為：(4)135(4)在反應(yīng)界面上，脫硫反應(yīng)達(dá)到平衡，有代入(4)式，(5)136(5)加快脫硫反應(yīng)： 增大Ls提高爐渣堿度，減小FetO含量； 增加ks增強(qiáng)混合； 增加反應(yīng)界面積F。137金屬的脫硫反應(yīng) Mn+S=(MnS)G13135780.95 T1,2Ca+S=(CaS)G572980169.4 T1,2Mg+S=(MgS)G430028181

41、.8 T1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963138139低硫鋼生產(chǎn)技術(shù) 低硫鋼(S100ppm)，采用鐵水預(yù)處理 超低硫鋼(S50ppm)，鐵水預(yù)處理二次精煉脫硫 鐵水脫硫預(yù)處理：KR法脫硫 噴粉脫硫脫硫劑：CaC2, CaO、 CaF2等脫硫率：40-80S可脫除到9050ppm。140經(jīng)脫硫處理過(guò)的鐵水(S90ppm)在氧氣轉(zhuǎn)

42、爐煉鋼過(guò)程基本不能夠脫硫，由于廢鋼、殘?jiān)?、耐火材料等帶入硫，煉鋼過(guò)程回硫 可達(dá)1030ppm。僅具有鐵水脫硫預(yù)處理很難經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)超 低硫鋼，煉鋼后的二次精煉脫硫?qū)τ谏a(chǎn)超低硫鋼是不可缺少的工序。141國(guó)內(nèi)某轉(zhuǎn)爐鋼廠低硫鐵水煉鋼過(guò)程回硫分析 鐵水：S：0.005% 廢鋼：S：0.04%生鐵塊：S：0.03%石灰：S：0.011%輕燒白云石：S：0.025%生白云石：S：0.015%鐵水渣：S：2.2%鐵水帶渣量：0.51.0噸 142吹煉開始后回硫進(jìn)行得很快，在開吹后10min里，S幾乎呈直線上升 第一爐 第二爐143爐渣堿度對(duì)回硫有重要的影響 第一爐 第二爐144帶入硫量分析 ：煉鋼爐料中的硫

43、主要來(lái)自廢鋼、鐵水渣 和鐵水，石灰等帶入的硫很少。145由此可知：1)回硫主要發(fā)生在吹煉的前半期；2)吹煉前半期爐渣堿度低是促使回硫的重要原因，如 能在吹煉前期快速將堿度提高到以上，將能夠減 輕回硫；3)爐料中的硫主要來(lái)自廢鋼和脫硫渣，減少帶渣對(duì)抑 制回硫十分重要。4)冶煉超低硫鋼時(shí)應(yīng)采用減少?gòu)U鋼用量或使用低硫優(yōu) 質(zhì)廢鋼、盡可能減少鐵水帶渣方法。146二次精煉鋼液脫硫技術(shù)1、鋼包噴粉脫硫(TN、KIP等)TN法脫硫示意圖噴吹CaO-CaF2-Al2O3、CaSi等進(jìn)行脫硫,脫硫效率6090，處理后鋼液S可脫除至10ppm以下。優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)速度快、效率高；缺點(diǎn)：鋼水翻騰大，氧化和吸 氮較嚴(yán)重。14

44、7鋼包爐(LF)鋼水脫硫技術(shù) LF爐精煉非常適合于低硫、超低硫鋼生產(chǎn)：高堿度還原渣，渣量可達(dá)25kg/t；電弧加熱，爐渣溫度高；可以較強(qiáng)烈攪拌鋼水；過(guò)程穩(wěn)定，易于控制。148新日鐵八幡廠60tLF爐生產(chǎn)低硫鋼工藝14980kg級(jí)優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度鋼生產(chǎn)工藝流程 150NKK福山廠250噸LF爐生產(chǎn)極低硫鋼(S Al Ti C Si V Cr Mn 161脫氧產(chǎn)物與脫氧元素含量的關(guān)系 在脫氧元素含量低，O含量高時(shí)，發(fā)生以下反應(yīng)：脫氧產(chǎn)物有：FeOMnO、FeO Al2O3、FeO SiO2、FeO V2O3、FeO Cr2O3等。162脫氧元素不同含量下的脫氧產(chǎn)物組成163三次脫氧產(chǎn)物：鋼液凝固時(shí)，在固

45、液兩相區(qū)仍可以繼續(xù)進(jìn)行脫氧反應(yīng)，由此生成的脫氧產(chǎn)物。一次脫氧產(chǎn)物：加入脫氧元素，立即發(fā)生脫氧反應(yīng)生成的脫氧產(chǎn)物。二次脫氧產(chǎn)物：隨著溫度下降，平衡發(fā)生移動(dòng)，脫氧反應(yīng)得以繼續(xù)進(jìn)行，由此生成的脫氧產(chǎn)物。164錳的脫氧 Mn+O=MnO(l)G=285025126.84 T 脫氧能力很低；局部錳含量高，可局 部脫氧；隨溫度降低，錳脫氧 能力增強(qiáng)；與硅、鋁同時(shí)使用， 增強(qiáng)硅、錳的脫氧能 力。165硅的脫氧 Si+2O=SiO2(s)G=585700226.86 T具有較強(qiáng)的脫氧能力；隨溫度降低，脫氧 能力增強(qiáng)；為絕大多數(shù)鋼種采用。166鋁的脫氧 2Al+3O=Al2O3(s)G=1243660394.7

46、 T非常非常強(qiáng)的脫氧 能力；隨溫度降低，脫氧 能力增強(qiáng)；為大多數(shù)鋼種采用。167第四節(jié)、復(fù)合脫氧劑的脫氧 1、硅錳復(fù)合脫氧 硅比錳的脫氧能力強(qiáng)，但是用硅錳同時(shí)脫氧，可以降低SiO2的活度，得到更低的殘余氧含量。168169170錳同樣能提高鋁的脫氧能力，錳硅同時(shí)存在時(shí)可進(jìn)一步提高鋁的脫氧能力。1712、鈣硅復(fù)合脫氧 Ca+O=CaO(s)G=628696227.25 T非常強(qiáng)的脫氧能力；煉鋼溫度下Ca的蒸汽壓 很高大氣壓);Ca在鋼液中溶解度很低 0.16%)；僅用Ca脫氧損耗很大。172為了提高Ca的脫氧效率，需要同時(shí)加入第三元素，提高Ca在鋼液中的溶解度。碳、硅、鋁能夠顯著提高Ca的溶解度

47、；每加入1的C、Si、Al，Ca的溶解度 分別增加90、25、20；硅鈣合金、鋁鈣合金被廣泛采用。173第五節(jié)、擴(kuò)散脫氧 鋼液中O向爐渣擴(kuò)散傳遞，與加入到爐渣中脫氧元素進(jìn)行的脫氧反應(yīng)稱為擴(kuò)散脫氧。第二步：在渣鋼界面發(fā)生脫氧反應(yīng)。第一步：鋼液中O向渣鋼界面?zhèn)鬟f，擴(kuò)散脫氧產(chǎn)物不會(huì)污染鋼液，但擴(kuò)散脫氧的反應(yīng)速度較低。174C+O=COG204821,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol

48、.2, Addison-Wesley 1963第六節(jié)、真空碳脫氧 175176真空精煉工藝 177第七節(jié)、沉淀脫氧 的動(dòng)力學(xué) 沉淀脫氧包括以下環(huán)節(jié)：脫氧元素的溶解和均勻化；脫氧化學(xué)反應(yīng)；脫氧產(chǎn)物的形核；脫氧產(chǎn)物的長(zhǎng)大；脫氧產(chǎn)物的去除。1781、脫氧產(chǎn)物的形核 根據(jù)均質(zhì)形核理論，從鋼液中生成脫氧產(chǎn)物新相核心，其濃度必須達(dá)到飽和。球形脫氧產(chǎn)物析出形核自由能變化為：鋼液微觀體積內(nèi)存在能量起伏，能夠滿足形成新相核心所需要的能量。(1)179核心愈小，形核所需要的能量愈小，形核愈容易。但是，只有新相核心達(dá)到一定尺寸后，核心才是穩(wěn)定的。核心穩(wěn)定存在的臨界半徑可由下式求出：(1)(2)180(3)(4)(5

49、)(6)因?yàn)?，?3)式得到，因?yàn)椋?81取(6)S被定義為過(guò)飽和度，代入(5)式得到(7)表面張力愈小，脫氧產(chǎn)物臨界半徑r*愈?。幻撗踉貪舛确e過(guò)飽和度愈大，臨界半徑r*愈小。182脫氧產(chǎn)物形核所需的過(guò)飽和度在脫氧元素加入地點(diǎn)附近有可能達(dá)到SiO2、Al2O3 均質(zhì)形核所需過(guò)飽和度。實(shí)際鋼液中存在大量非均質(zhì)形核的核心，脫氧產(chǎn)物 形核主要為非均質(zhì)形核。1832、脫氧產(chǎn)物的長(zhǎng)大 理論和模型：擴(kuò)散長(zhǎng)大；顆粒間相互擴(kuò)散而凝聚長(zhǎng)大；由于上浮速度差而碰撞凝集長(zhǎng)大；由于鋼液運(yùn)動(dòng)而碰撞凝集長(zhǎng)大。1841)擴(kuò)散長(zhǎng)大 加入脫氧劑后，脫 氧產(chǎn)物晶核均勻地 分布在鋼液中；每個(gè)晶核以自己為 中心形成一球形擴(kuò) 散區(qū)；每

50、個(gè)脫氧產(chǎn)物核心在自己的擴(kuò)散區(qū)長(zhǎng)大；核心長(zhǎng)大的速度與初始半徑r0、顆粒數(shù)Z以及氧的 濃度有關(guān)；在脫氧初期，氧的濃度差大，脫氧產(chǎn)物核心多， 擴(kuò)散長(zhǎng)大有一定的重要性。185單位體積內(nèi)脫氧產(chǎn)物核心愈多，氧含量下降愈快。186單位體積內(nèi)脫氧產(chǎn)物核心愈多，最終的夾雜物尺寸愈小。1872)由于顆粒間相互擴(kuò)散而凝聚長(zhǎng)大 由上式可知，脫氧產(chǎn)物臨界半徑愈小，其周圍鋼液的過(guò)飽和度愈大。因此，小顆粒脫氧產(chǎn)物周圍氧的濃度比大顆粒脫氧產(chǎn)物周圍的濃度高。當(dāng)顆粒大小不同的脫氧產(chǎn)物距離接近時(shí)，由于濃度差形成的擴(kuò)散可使小顆粒消失而大顆粒長(zhǎng)大。1883)由于上浮速度差而碰撞凝集長(zhǎng)大 鋼液與脫氧產(chǎn)物之間存在著密度差，因而產(chǎn)生 上浮力

51、。脫氧產(chǎn)物顆粒愈大，上浮速度愈快。在上浮過(guò)程大顆粒和小顆粒脫氧產(chǎn)物碰撞的機(jī) 會(huì)很多，可以凝集長(zhǎng)大。脫氧產(chǎn)物的上浮服從斯托克斯(Stokes)定律：189v:：夾雜物上浮速度，m/sg：重力加速度，9.8 m/s2 m：鋼水密度，7103 kg/m3；s：夾雜物密度，4103 kg/m3r：夾雜物當(dāng)量直徑，mm：鋼水粘度，190在t時(shí)間內(nèi)，單個(gè)脫氧產(chǎn)物上浮通過(guò)的鋼液體積為(1)如單位體積鋼液中脫氧產(chǎn)物的體積為，則t時(shí)間內(nèi)單個(gè)脫氧產(chǎn)物上浮通過(guò)的鋼液體積內(nèi)脫氧產(chǎn)物總的體積為(2)t時(shí)間內(nèi)，脫氧產(chǎn)物碰撞凝集組成夾雜物體積增加為(3)191(3)省略(r)2以上的高次項(xiàng)，由(3)式可得到(4)取極限(5)因?yàn)関Kr2, 所以(6)192(6)取積分，得到，(7)193(7)影響脫氧顆粒長(zhǎng)大的因素 脫氧產(chǎn)物顆粒初始尺寸r0；單位體積鋼液中脫氧產(chǎn)物總的體積；脫氧產(chǎn)物的密度；在鋼液內(nèi)停留的時(shí)間t。194較大顆粒在上浮過(guò)程吸收其它小顆粒而急劇長(zhǎng)大 1954)由于鋼液運(yùn)動(dòng)而碰撞凝集長(zhǎng)大 鋼液激烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋼液內(nèi)部速度分布是非常 不均勻的；懸浮在鋼液中脫氧產(chǎn)物顆粒之間產(chǎn)生很大的 速度差；由于速度差造成顆粒碰撞凝集；運(yùn)動(dòng)熔池中顆粒長(zhǎng)大速度