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1、第十章 煉 鋼 10.1煉鋼過程及原料 高爐鐵水(鑄鐵)含9394%的鐵和67%的雜質(zhì)： 以碳為主及硅、錳、磷、硫等脆性，不能進行鍛造、軋制。 煉鋼：氧化去除雜質(zhì)，同時提高溫度，在熔融狀態(tài)下高效率地精 煉成目標(biāo)成分和達到目標(biāo)溫度的鋼的過程。 煉鋼過程： 氧化去除雜質(zhì)，提高鋼水溫度，在熔融狀態(tài)下高效率地精煉成目 標(biāo)成分和達到目標(biāo)溫度的鋼的過程。過程圖：,主要原料：鐵水、凝固鐵塊、廢鋼 造渣劑：石灰石CaCO3、石灰CaO和螢石CaF2等。 以轉(zhuǎn)爐為例： 1、主原料 1）鐵水：占轉(zhuǎn)爐裝爐量的70%以上。 鐵水的物理熱與化學(xué)熱是氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的基本熱源。 溫度：鐵水物理熱占轉(zhuǎn)爐熱收入的50%，1250

2、入爐 保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性。 高爐出鐵溫度13501450運輸中散熱覆蓋劑保溫。 要求：鐵水有穩(wěn)定的化學(xué)成分：GB717-82 C%3.5，Si%0.451.25，Mn%0.300.50, P%0.150.40，S%0.020.07,鐵水預(yù)處理：脫S、P、Si 2）廢鋼30%：冷卻效果穩(wěn)定的冷卻劑。 3）生鐵塊：冷鐵，冷卻效應(yīng)低于廢鋼。 2、輔助原料：造渣劑 生石灰：主要造渣原料，具有脫硫、脫磷作用。 石灰的渣化速度是轉(zhuǎn)爐煉鋼過程成渣速度的關(guān)鍵適當(dāng) 的塊度。 要求：CaO%、SiO2%、S%。 螢石：CaF2(純)熔點1418。助熔作用，加速石灰溶 解，在短時間內(nèi)改善爐渣的流動性。,生白云石CaM

3、g(CO3)2:培燒后熟白云石(CaO+MgO),替代 部分石灰，初期酸性渣對爐襯的侵蝕，爐襯壽命，同 時是濺爐護爐的調(diào)渣劑。 菱鎂礦MgCO3：濺渣護爐的調(diào)渣劑。 錳礦石：化渣保護爐襯的作用。 石英砂SiO2：調(diào)整堿性爐渣的流動性。 3、鐵合金：吹氧終點脫除鋼中多余的氧，調(diào)整成分。 轉(zhuǎn)爐常用鐵合金：錳鐵、硅鐵、鈣硅合金、鐵鋁合金、 鈣鋁鋇合金、鋁鋇硅合金等。 4、氧氣：除水高純度99.6%氧。,10.2主要爐內(nèi)反應(yīng) 氧化反應(yīng)： 煉鋼過程是氧化去除雜質(zhì)的過程，如上所述，用氧氣及 鐵礦石作為氧化劑。其反應(yīng)如下式所示： O2(g)對鐵水的氧化反應(yīng)是放熱的，一般伴隨著激烈的 攪拌，而Fe203(s)

4、的分解反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，激烈的攪拌使 鐵大量氧化，應(yīng)控制攪拌的程度。因此，在煉鋼反應(yīng)中利 用氧氣，在操作上有利。,煉鋼過程利用氧化反應(yīng)去除雜質(zhì)。由氧化物標(biāo)準(zhǔn)自由能 一溫度圖，從雜質(zhì)對氧的化學(xué)親和力的大小關(guān)系，可知煉 鋼過程中能夠去除的元素的大概情況： 位于Fe-FeO線上方的元素不能除去，殘留在金屬相中； 位于Fe-FeO線下方的元素可以容易地除去； 位于Fe-FeO線近旁的元素會分配在渣金屬兩相中。 被除去進入渣中的元素 B、Al、Si、Ti、V、Zr 被分配在渣一金屬兩相的元素 P、S、Mn、Cr 殘留在金屬相中不能除去的元素 Cu、Ni、Co、Sn、 Mo、W、As、Sb 蒸發(fā)到氣相中的元

5、素 Zn、Cd、Pb、C,普通元素的氧化除去反應(yīng)如下：,由使用耐火材料和造渣方法可分為： 1）堿性操作 耐火材料：Mg-C磚、Mg-Ca磚。 鎂碳磚：電熔鎂砂+碳素材料（薄鱗片石墨）+粘接劑 （酚醛樹脂）+添加劑。 抗渣性強，導(dǎo)熱性，避免了鎂砂顆粒產(chǎn)生熱裂，碳作 為結(jié)合劑和粘接劑固化后形成碳網(wǎng)絡(luò)，與氧化鎂顆粒緊密 牢固結(jié)合。 爐襯壽命由數(shù)百次提高到1.51.8萬次。 添加劑：Ca、Si、Al、B4C、BN等，先于碳氧化，形成化 合物，堵塞氣孔，增加致密度，阻礙氧及反應(yīng)物的滲入擴 散。 造渣： 石灰、石灰石、螢石、白云石、菱鎂礦等形成堿性氧化 物：CaO、MgO、MnO、FeO、Na2O等。 兩

6、性氧化物：Al2O3、Fe2O3等。,多數(shù)氧化物熔點高。 氧化物 CaO MgO SiO2 FeO Fe2O3 MnO Al2O3 熔點，K 2843 3073 1983 1643 1730 2058 2333 2570 2800 1710 1370 1457 1785 2060 煉鋼熔池溫度：15731973K 大部分氧化物在煉鋼溫度下難以熔化，但成渣后相互化合，形成 低熔點化合物，在煉鋼溫度下熔化。 形成的化合物： 硅酸鈣（假灰硅石，CaOSiO2）1813K 鐵酸鈣（CaOFeO）1493K 硅酸鐵（2FeOSiO2）1490K CaO與CaF2共晶物1673K 硅酸錳（MnOSiO2）

7、1558K 硅灰石（2CaOSiO2）2403K 鈣鎂橄欖石（CaOMgOSiO2）1771K 硅鈣石(3CaO2SiO2)1748K 爐渣化學(xué)成分：CaO 3845%，F(xiàn)eO 1523%, SiO2 1217%, MnO 912%, MgO 510%, Al2O3 24%, P2O5 12%。 2）酸性操作：耐火材料SiO2，造渣劑錳礦石或二氧化硅， 渣堿度1。,煉鋼種類和特征 熔融煉鋼法的種類和特征: 煉鋼法有轉(zhuǎn)爐、電爐以及 平爐等。 LD法純氧吹煉 在轉(zhuǎn)爐上方噴吹純氧， 304Omin/爐的快速精煉法， 與其他方法比較： (1)煉鋼時間短，生產(chǎn)率顯著提高； (2)氮、磷、氧、硫等有害成分

8、低，鋼的性質(zhì)優(yōu)良，可 以適應(yīng)多種鋼的冶煉； (3)操作費用、建設(shè)費用低等等。,1.轉(zhuǎn)爐煉鋼法的種類和特征 鴨梨型的轉(zhuǎn)爐，以鐵水作為原料，以空氣或者純氧作 為氧化劑，靠雜質(zhì)的氧化熱提高鋼水溫度，3045min內(nèi)完 成一次精煉的煉鋼法。根據(jù)其送風(fēng)形式、氧化劑及生成的 渣，可分為：,2.熱源和原料鐵的成分 熱源：原料鐵水中雜質(zhì)的氧化熱，lkg雜質(zhì)的發(fā)熱量值 如表所示。由發(fā)熱量來看，順序是硅、磷、碳、鐵，由 于碳生成CO(g)被排出爐外熱源效率低；鐵一般要氧 化23，但是不希望降低鐵的收得率，使鋼水過氧化。 主要的熱源是硅、磷以及錳。,純氧轉(zhuǎn)爐冶煉 以si和Mn的氧化熱作為主熱源，沒有廢氣中N2(g)

9、 帶走的那部分顯熱熱量上有富裕。在熱量上有充分的余 量。因此，對于原料鐵的組成沒有特別嚴(yán)格的限制，使用 生鐵，廢鋼量數(shù)量根據(jù)鐵水組成而改變，是1530%. 在電爐和爐外精煉中熱量不足時，添加Al氧化升高鋼 水溫度，Al具有高的氧化熱。,3.LD轉(zhuǎn)爐煉鋼過程及操作 3.1堿性氧氣煉鋼法的發(fā)展 堿性頂吹純氧轉(zhuǎn)爐，叫做LD法(Linnz-Donawitz)或者稱 LD轉(zhuǎn)爐，在美國稱作BOF(Basic Oxygen Furnace)或 BOP(Basic Oxygen Process),英國、加拿大等地，稱作 BOS(Basic Oxygen Steelmaking)。 繼承了空氣吹煉轉(zhuǎn)爐的優(yōu)點，又

10、克服了其缺點，具 有:(1)設(shè)備簡單，設(shè)備費用和精煉費用低；(2)快速精 煉，生產(chǎn)率高等；(3)對原料鐵成分的限制少；(4)廢鋼使 用量高；(5)生產(chǎn)的鋼中硫磷氮等雜質(zhì)低，可以生產(chǎn)多種 鋼等特點。堿性氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法迅速地發(fā)展為世界上的主 要煉鋼方法。另外又進一步開發(fā)出了改良的方法LD-AC法 (OLP法)、QBOP法、頂?shù)讖?fù)吹純氧轉(zhuǎn)爐法等。,3.2 LD轉(zhuǎn)爐的設(shè)備 A 爐體設(shè)備 爐體構(gòu)造：爐底沒有送風(fēng)設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單。爐子的生產(chǎn) 能力用一次的出鋼量表示，通常是30350t。爐容比為每 噸裝入原料0.93m3。在鋼鐵爐殼的內(nèi)部，使用氧化鎂磚砌 成永久層，其內(nèi)側(cè)使用焦油白云石磚、白云石鎂磚、在渣 線

11、使用鎂碳磚等筑爐。,B 供氧設(shè)備 供氧使用銅制水冷式3重構(gòu) 造的噴槍，從上方以 (615)1O7g/m2的高壓把 氧氣吹入鐵水，氧氣使用 量是約50m3/t鋼水。 所用氧的純度：從精煉 角度沒有限制，但氧氣中 氮氣分壓鋼中氮含量 增加。N0.004%的低氮 鋼使用純度為99.8%以上 的純氧。,C 排氣處理設(shè)備 D法吹煉中，發(fā)生大量濃厚的煙塵，氣體是高溫的 CO(g),煙塵粒度為0.51m含F(xiàn)e2O390%，發(fā)生量是8.5 10kg/t。排氣的處理方法有在爐上部把CO(g)燃燒成為 CO2(g)的燃燒方式和回收CO(g)的非燃燒方式。在轉(zhuǎn)爐爐 口和爐上排氣固定煙罩之間設(shè)置活動煙罩，以防止空氣的

12、 侵入，測定固定煙罩內(nèi)的靜壓，操作活動煙罩，回收排出 氣體。回收的氣體中含硫低，可以用作燃料和化學(xué)原料。,3.3 LD轉(zhuǎn)爐操作 操作過程： 由裝料、吹煉、測溫、取樣、出鋼、排渣等工序，所需 時間與爐容無關(guān)，約304Omin，其中吹煉時間是16 2Omin。 裝料時，爐體向前方傾斜，先裝入稱量好的廢鋼，裝入 鐵水后使?fàn)t體直立，一邊噴吹氧氣一邊投入軋鋼鐵皮、石 灰等輔助原料。當(dāng)氧氣噴槍降至設(shè)定位置(離鐵水面1 3m)，用所定壓力噴吹氧氣時，即有著火現(xiàn)象，從著火開 始計算吹煉時間。,吹煉中，高亮度的火焰從爐口排出，吹煉中期是脫碳最 激烈期，氧的脫碳效率接近100%。動態(tài)控制的場合，在排 氣量逐漸減少

13、、預(yù)定吹止的幾分鐘之前，降下副槍測定鐵 水中的碳濃度和溫度，預(yù)測到達目標(biāo)碳濃度和目標(biāo)溫度的 時間，然后吹煉到終點出鋼。在靜態(tài)控制的場合，到達了 預(yù)定目標(biāo)碳濃度及鋼水溫度時，上升氧槍中止吹氧，待氧 槍完全上升后，把爐體倒向裝料側(cè)，從爐口進行測溫及取 樣，確認(rèn)碳含量及溫度后，再把爐體倒向出鋼側(cè)出鋼。 出鋼中向爐內(nèi)及鋼水包中添加脫氧劑(Mn-Fe，Si-Fe，Al 等)。出鋼后再把爐體倒向裝料側(cè)排出渣，一爐的操作即 告結(jié)束。,純氧轉(zhuǎn)爐法的特征：在氧氣直接接觸鋼水的火點附近， 溫度達2270K以上，同時和末反應(yīng)部分進行激烈的攪拌， 顯著地促進爐內(nèi)反應(yīng)。氧槍高度(氧槍鐵水面的間隔) 是重要工藝參數(shù)。 氧

14、槍高度：氧氣射流進入鋼水的侵人比L/Lo(L:凹坑 深度，L0:鋼水深度)有關(guān)，可以作為表示鋼水?dāng)嚢锠顟B(tài)的 參數(shù)使用。 降低氧槍的高度或者提高氧氣噴射壓力，L/Lo接近于 1硬吹(hard blow)。在硬吹時，脫碳反應(yīng)中的氧氣利 用率上升，鋼水中的氧趨近于平衡值，渣中的Fe0量減 少，石灰的溶解變慢。反之，在L/Lo較小的狀態(tài)下的操 作軟吹(Soft blow)，脫碳反應(yīng)中的氧氣利用率降 低，鋼中氧含量離開平衡值增高，渣中的(FeO)量也升 高，可以促進石灰的渣化。,3.4 爐內(nèi)反應(yīng) A 整體變化 轉(zhuǎn)爐吹煉過程可以分 為3個階段： 第1階段： 吹煉初期，硅、錳 優(yōu)先氧化,鐵也被氧 化，TFe

15、高，產(chǎn)生溶 解了石灰的鐵硅酸渣， 脫磷也在初期發(fā)生， 鋼水溫度逐漸上升。,第2階段: 從硅、錳的大部分已被氧化時開始，進入吹煉中期，這 是脫碳最激烈的階段。這個時期氧的脫碳利用率為100%。 隨著渣中TFe的降低和溫度的上升，渣中的磷及錳向金屬 相轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)為錳、磷升高。 第3階段: 鋼水中的碳濃度降l%以下時，脫碳速度開始降低，進入 吹煉末期。渣中的TFe急速升高，石灰的溶解也得到促 進，錳及磷再次轉(zhuǎn)移到渣相，達到目標(biāo)碳及溫度后，終止 吹煉。,LD轉(zhuǎn)爐的爐內(nèi)反應(yīng)特征是: (1)氧的反應(yīng)效率高，脫碳反應(yīng)極快，精煉時間短； (2)渣金屬的攪拌激烈，從吹煉初期開始，脫磷反應(yīng) 和脫碳反應(yīng)同時進行； (3)由于沒有氮氣，精煉反應(yīng)中的熱效率高，廢鋼使用 量高； (4)由于強有力的沸騰現(xiàn)象，鐵中的氮、氧等氣體成分 被除去，其含有量低； (5)爐內(nèi)最高溫度部分位于爐中心的火點，因此耐火材 料的損傷少；等等。,B 鐵水中碳和氧的關(guān)系 吹煉末期鐵水中碳和氧的關(guān)系： 與攪拌少的平爐法比較，有激烈攪拌的LD轉(zhuǎn)爐更接近于 平衡值。因此，可以減少Mn-Fe等脫氧劑的使用量。, L轉(zhuǎn)爐的脫碳速度 鐵水中碳和脫碳速度 -dC/dt可以認(rèn)為分成部分， 呈臺形。 第1部分:由于鐵水溫度低， 硅和錳被優(yōu)先氧化，脫碳 速度慢，隨著時間延長而增大， 可用下式表示: -dC/dt=klt k1的值與硅、錳的濃度和溫度有關(guān)