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冶金概论-3


铁水预处理工艺
? 铁水预处理是指铁水进入炼钢炉之前对其进行 脱除杂质元素或从铁水中回收有价值元素的一 种工艺。 ? 铁水预处理可分为普通铁水预处理和特殊铁水 预处理,前者有脱硫、脱硅、脱磷或同时脱磷 脱硫;后者有铁水提钒、提铌等。

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Hot Metal Pretreatment

铁水预处理

4.1

易引起热脆,铁水 铁水在进入转炉前,为除去某些有害元素的处理过程。 脱硫条件比钢水脱 硫优越 减少转炉石灰消耗 量,减少渣量和铁 ? 预脱硫:电石、石灰、金属镁等炉外脱硫剂 损;预脱磷的需要

? 预脱硅:铁水沟、盛铁水容器中喷吹氧化剂 使钢产生冷脆性 ? 预脱磷:盛铁水容器中喷吹氧化剂

铁水预处理按需要可在铁水沟、盛铁水容器(铁水包、
鱼雷罐)或转炉中时行。
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简化炼钢过程,提高钢的质量

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炼钢

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? 铁水预处理的化学冶金学意义 化学冶金学意义: 创造最佳的冶金反应环境! 钢铁冶金工艺优化: 高炉→分离脉石、还原铁矿石 铁水预处理→脱硅、脱磷、脱硫 转炉→脱碳、升温 钢水炉外精炼→去夹杂、合金化
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? 铁水预处理(脱硫)的优越性
(1) 满足用户对超低硫、磷钢的需求,发展 高附加值钢种:如:船板钢、油井管钢:[S]、 [P]<0.005 %管线钢、Z向钢、IF钢:[S] ≤0.002~0.004 % (2) 减轻高炉脱硫负担,放宽对硫的限制,提高 产量,降低焦比; (3) 炼钢采用低硫铁水冶炼,可获得巨大的经济 效益。

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铁水预脱硫方法
? 依据采用脱硫剂的种类及其搅拌方法,目前生产 中采用的炉外脱硫方法可分为四类:铁流搅拌法、 机械搅拌法、气体搅拌法和插入法。用得较多的 为机械搅拌法(KR法)和气体搅拌法(顶部喷吹 法) 。 ? KR法:用实心旋转器搅拌铁水,脱硫剂为CaC2和 石灰粉加Na2CO3。 ? 顶部喷吹法:以载气(N2)将脱硫剂经顶部喷嘴喷 入鱼雷型混铁车和铁水包的铁水中,脱硫剂为 CaC2、Na2CO3。
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铁水预脱硫方法

KR法 1-脱硫剂;2-搅拌器; 3-至除尘
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顶部喷吹法 1-喷枪;2-脱硫剂;3-料仓; 4-称量料仓;5-载气(N2)
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铁水预脱硫工艺

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铁水预脱硫扒渣工艺

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? [Si]+2(FeO)=(SiO2)+ 2[Fe] —原理 ? 脱硅剂主剂主要成分 是氧化剂,有氧气、 铁矿石、烧结矿、轧 钢皮等。 ? 还加少量的副剂,主 要有石灰、萤石等。 用于调节炉渣的碱度、 改善炉渣流动性等。
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? 固定剂

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炼钢(steelmaking)

主要内容
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 炼钢的基本任务 炼钢炉渣(slag) 炼钢过程的基本原理 炼钢用原材料(raw materials) 转炉炼钢

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3.1 炼钢的基本任务
? 四脱:C、S、P、O; ? 二去:气体、夹杂; ? 二调整:温度、成分。

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3.2 炼钢炉渣
3.2.1 炼钢炉渣的作用 3.2.2 炼钢炉渣的来源及其组成 3.2.3 炼钢炉渣的主要性质

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3.2.1 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)。 ? 副作用:侵蚀炉衬;降低金属收得率。

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3.2.2 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-SiO2-FeO。

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3.2.3 炼钢炉渣的主要性质
? 碱度(basicity): R=1.3~1.5,低碱度渣; R=1.8~2.0,中碱度渣; R≥2.5, 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。 ? 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。

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3.3 炼钢过程的基本原理
3.3.1 炼钢熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式 3.3.2 炼钢熔池中元素的氧化次序 3.3.3 脱碳反应(decabonization) 3.3.4 硅的氧化 3.3.5 锰的氧化与还原 3.3.6 脱磷反应(dephosphorization) 3.3.7 脱硫反应(desulphurization) 3.3.8 钢的脱氧(de-oxidation) 3.3.9 脱气(degassing) 3.3.10 去除钢中夹杂物
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3.3.1 炼钢熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式
? ? ? ? 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)。

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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[Si]﹑[Mn]﹑[C],虽有大量 的铁原子存在,但根据元素的氧化次序 [Si]﹑[Mn]﹑[C]将优先于铁而被氧化。 ? 反应可写为:[C]+1/2{O}={CO} [Si]+{O2}=(SiO2) [Mn]+1/2{O2}=(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。
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间接氧化方式
? 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:{O2}+Fe=(FeO) (FeO)=Fe+[O] 如: 2[O]+[Si]=(SiO2) 或 2(FeO)+[Si]=2Fe+(SiO2) 在渣-金界面上往往产生元素的间接氧化反应。

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3.3.2 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 1molO2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ΔGo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。
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1. Cu﹑Ni﹑Mo﹑W等元素氧化 的ΔGo线都在Fe氧化ΔGo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. Cr﹑Mn﹑V﹑Nb等元素的氧 化程度随冶炼温度而定。 3. Al﹑Ti﹑Si﹑B等元素氧化的 ΔGo线在图中位于较低的位臵,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ΔGo线高于其它元素氧化的 ΔGo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。
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3.3.3 脱碳反应

? 炼钢的一个重要任务是利用氧化方法将铁液中过多 的碳去除,称为脱碳。脱碳反应是贯穿于冶炼过程。 ? 在高温下[C]主要氧化成为CO。

? [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]+1/2{O2}={CO}
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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:

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3.3.4 硅的氧化
? 硅的直接氧化和间接氧化反应式
? 在气-金界面上 [Si]+O2=(SiO2) ? 在渣-金界面上 [Si]+2[O]=(SiO2) [Si]+2(FeO)=(SiO2)+2Fe

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3.3.5 锰的氧化与还原
? 铁液中的锰反应,形成在高温下是稳定的MnO。 ? [Mn]的氧化反应式为:

在气-金界面上 [Mn]+1/2O2=(MnO)
在渣-金界面上 [Mn]+[O]=(MnO) [Mn]+(FeO)=(MnO)+Fe
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3.3.6 脱磷反应
? 氧化脱磷:

? 在炼钢温度下,气化脱磷反应是不能进行 的。由于Fe优先于[P]氧化,通过直接 氧化反应的气化脱磷也是难以进行的。
? 通过加入石灰造碱性渣可以将铁液中的磷 脱出到炉渣中。这是由于P2O5时是酸性 氧化物,遇到碱性氧化物如CaO能生成 稳定的化合物而进入炉渣。
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脱磷反应式
? 用碱性炉渣进行脱磷的反应为: ? 在渣-金界面
3(CaO)+2[P]+5[O]=(3CaO· P2O5)
3(CaO)+2[P]+5(FeO)=(3CaO· P2O5)+5Fe

? 在渣-金-气界面
3(CaO)+2[P]+5/2O2=(3CaO· P2O5)
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? 炉渣脱硫的基本反应式 ? [FeS]= (FeS) ? +) (CaO)+(FeS)=(CaS)+(FeO) ? (CaO)+[FeS]=(CaS)+(FeO) (吸热) ? ? 从反应式中可以看出,脱硫的基本条件是: 高碱度、高温、低氧化性。

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? 影响脱硫反应的基本条件分析 ? (1)炉渣碱度研究结果表明:炉渣碱度在3.0~3.5之间 最好,过高会使黏度增加,不利硫在钢—渣之间的扩散,过低 则不符合脱硫要求。 ? (2)氧化性炉渣氧化性对脱硫的影响较为复杂,从脱硫反应 式中可以看出,渣中的还原性越强,即∑(FeO)越低越有利于 脱硫反应。但实际生产中氧气转炉的氧化渣中也能去除一部分 硫,其主要原因是:∑(FeO)的存在改善了渣的流动性,能促 进石灰的熔化,有利于高碱度渣的形成,从而部分改善了脱硫 条件。 ? 尽管氧化渣中也能脱硫,但在其他条件如搅拌、温度、碱度 等完全相同的条件下,氧化渣的去硫效果还是远远低于还原渣 的。 ? (3)温度 高温有利于吸热反应的进行,即有利于去硫反应 的顺利进行。 ? (4)钢—渣搅拌情况 去硫是钢—渣界面反应,加强钢—渣搅拌 扩大反应界面积有利于去硫。例如电炉(还原期)出钢时,采用 钢—渣混出的方法,使钢液和炉渣强烈混合,钢—渣界面大大 增加,充分发挥了电炉还原渣的脱硫能力,使脱硫反应能够迅 速进行。 ? (5)渣量 增加渣量可以减少(CaS)的相对浓度,可促进去 硫反应。 38 2015-3-26/16:50:50

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炉渣脱硫原理

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气化脱硫
? 气化脱硫主要通过炉渣中硫的气化来实现,即: (S2-)+3/2{O2}={SO2}+(O2-) 或写为: 6(Fe3+)+(S2-)+2(O2-)=6(Fe2+)+{SO2} 6(Fe2+)+3/2O2=6(Fe3+)+3(O2-) ? 两个反应式表明,渣中的铁离子充当气化脱硫所需 氧的媒介。 ? 需要明确的是,气化脱硫是以炉渣脱硫为基础的, 首先硫从金属液被脱除到炉渣中,然后炉渣中的硫 再被气化脱除进入炉气中。在转炉炼钢中,有约三 分之一的硫是以气化脱硫的方式去除的。
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3.3.8 钢的脱氧
? 脱氧是向炼钢熔池或钢水中加入脱氧剂,脱 氧元素与氧反应,生成的脱氧产物或进入渣 中或成为气相排出。 ? 脱氧剂应具有脱氧元素与氧的亲和力大、脱 氧产物易排除、成本低和来源广等的特点。 ? 根据脱氧反应发生的地点不同,脱氧方法分 为沉淀脱氧﹑扩散脱氧和真空脱氧。
钢种 [O]/% 轿车面板 0.003 不锈钢板 0.004 轴承钢 0.0005 管线钢 0.002 轮胎钢丝 0.003
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? 钢中氧的危害性主要表现在以下三个方面。 ? 1. 产生夹杂。钢液凝固时,其中多余的氧与 钢中其他元素结合生成非金属夹杂物,进而破 坏了钢基体的连续性,降低钢的强度极限、冲 击韧性、伸长率等各种力学性能和导磁性能、 焊接性能等。 ? 2. 形成气泡。钢液中的氧含量过高,在浇铸 过程中会再次与钢中碳反应,产生CO气体,从 而会使钢锭(坯)产生气孔、疏松,甚至上涨 等缺陷,严重时会导致钢锭(坯)报废。 ? 3. 晶界上的FeO和FeS还会形成低熔点 (910℃)物质,使钢在热加工时发生热脆。
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沉淀脱氧
? 又叫直接脱氧。把块状脱氧剂加入到钢液 中,脱氧元素在钢液内部与钢中氧直接反 应,生成的脱氧产物上浮进入渣中的脱氧 方法称为沉淀脱氧。 ? 出钢时向钢包中加入硅铁﹑锰铁﹑铝铁或 铝块脱氧就是沉淀脱氧。

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扩散脱氧
? 又叫间接脱氧。它是将粉状的脱氧剂如C粉 ﹑Fe-Si粉﹑CaSi粉﹑Al粉加到炉渣中,降 低炉渣中的氧含量,使钢液中的氧向炉渣中扩 散,从而达到降低钢液中氧含量的一种脱氧方 法。 ? 在电炉炼钢的还原期和炉外精炼过程向渣中加 入粉状脱氧剂进行脱氧操作就是扩散脱氧。

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真空脱氧
? 是利用降低系统的压力来降低钢液中氧含 量的脱氧方法。它只适用于脱氧产物为气 体的脱氧反应如[C]-[O]反应。 ? 这种脱氧方法常用于炉外精炼中,如RH真 空处理﹑VAD﹑VD等精炼方法都可实现 钢液的真空脱氧。

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3.3.9 脱气
? 钢中气体(H、N)的来源:
? ? ? ? ? 金属料如废钢和铁合金中含有的一定量的氢和氮。 潮湿的造渣剂,加入炉内后分解,也使钢中气体增加。 耐火材料用粘结剂含有8%~9%的氢。 暴露在空气中的钢液,会从空气中吸收氢和氮。 如果炼钢采用的氧气不纯,也能造成钢的增氮。

? 气体的溶解反应为:
? {H2}=[H] ? {N2}=[N]

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? 氢对钢性能的影响 ? 氢在钢中基本上有害无利。氢在钢中的不良影响主要有以下几 方面: ? 1)使钢产生“氢脆”。氢能使钢的塑性和韧性明显降低,即产 生“氢脆”现象。对于高强度钢来讲,“氢脆”的影响更严重。 ? 钢中的“氢脆”属于滞后破坏。表现在应力作用下,经过一段 时间钢突然发生脆断。 ? 2)使钢产生“白点”。所谓“白点”是指在钢材断面上呈银白 色的斑点。其实质是一个有锯齿形边缘的微小气泡,又叫发裂。 它的产生与氢脆不同,它是钢从高温冷却到室温时产生的。“白 点”也使钢的塑性和韧性明显降低。 ? 3)产生石板断口。其主要原因是:氢含量高的地方会出气泡, 在气泡的周围易出现C、P、S和夹杂物的偏析,这些缺陷在钢材 热加工时被拉长,但不能焊合,于是形成石板断口。 ? 4)产生氢腐蚀。在高温高压作用下,钢中的氢即高压氢会使钢 产生网络状裂纹,严重时还可以鼓泡,这种现象称氢腐蚀。
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? 氮对钢的性能有利有弊。氮对钢的不良影响是: ? 1)氮会使钢产生“蓝脆”。淬火钢在250~400℃ 回火后,塑韧性不仅不增大,反而下降,这个温度范 围的钢呈蓝色,故叫“蓝脆”。 ? 2)氮和氢综合作用使钢产生缺陷。氮和氢的综合作 用会使镇静钢锭产生结疤和皮下气泡,使轧钢生产中 出现裂纹和发纹,影响钢的质量。 ? 氮对钢有益的一面是: ? 1)钢中的氮能和Al、Ti等形成AlN、TiN等高熔点 的细小颗粒。均匀弥散分布的AlN、TiN等能细化晶粒, 从而提高钢的强度和塑性,对改善焊接性能也有良好 作用。 ? 2)能提高钢的强度和耐磨性。实际生产中常用渗氮 的方法来改善钢表面的耐磨性,同时也能使钢表面的 抗蚀性和疲劳强度有所改善。
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降低钢中气体的措施
? 提高炼钢原材料质量。如使用含气体量低的废钢 和铁合金;对含水分的原材料进行烘烤干燥,采 用高纯度的氧气等。 ? 尽量降低出钢温度,减小气体在钢中的溶解度。 ? 在冶炼过程,应充分利用脱碳反应产生的溶池沸 腾来降低钢水中的气体含量。 ? 用炉外精炼技术,降低钢水中的气体含量。如采 用钢包吹氩搅拌,真空精炼脱气,微气泡脱气等 方法对钢水进行脱气处理。 ? 采用保护浇注技术,防止钢水从大气中吸收气体。

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3.3.10 去除钢中夹杂物
? 钢中夹杂物的来源 ? 钢中存在着硫﹑磷﹑氧﹑氮等杂质元素,这些 元素与钢中的合金元素如硅﹑锰﹑铝﹑钛﹑钒 等形成非金属化合物,如氧化物﹑硫化物﹑氮 化物等。钢中的这些非金属化合物,统称为非 金属夹杂物,也称为内生夹杂。 ? 在炼钢过程中,钢水与炉渣和炉衬接触,炉渣 炉衬中的化合物被卷入到钢水中,也会造成非 金属夹杂物,也称为外来夹杂。

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钢中夹杂物的分类
? 按夹杂物的化学成分分:氧化物夹杂;硫化物 夹杂;氮化物夹杂。 ? 按加工变形后夹杂物的形态分:塑性夹杂;脆 性夹杂;半塑性夹杂。 ? 按夹杂物的来源分:内生夹杂和外来夹杂。

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降低钢中夹杂物的措施
? 在冶炼中采取各种手段降低钢中杂质元素 [O]﹑[S]﹑[N]﹑[P]等的含量,提高钢的洁净度,从 根本上减少内生夹杂物。 ? 提高耐火材料质量,提高其抗冲击和耐侵蚀的能力,减 少外来夹杂物数量。 ? 采用合理的脱氧制度,使脱氧产物易于聚集上浮,从钢 液中排除。 ? 应用钢包冶金如真空脱氧﹑吹Ar搅拌﹑喷粉处理等和中 间包冶金如采用堰、坝﹑导流板﹑过滤器﹑湍流控制器 等控流装臵,去除钢水中的夹杂物。 ? 采取保护浇注技术,防止钢水从周围大气环境中吸收氧 ﹑氢﹑氮。
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3.4 炼钢用原材料
3.4.1 金属料 ? 铁水; ? 废钢; ? 铁合金; 3.4.2 辅助材料 ? 造渣材料; ? 氧化剂; ? 冷却剂; ? 还原剂和增碳剂。

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3.4.1.1 铁水(或生铁块)
? 铁水是氧气转炉炼钢的基本原料,一般占金属 料的70~100%。 ? 铁水成分和铁水温度是否适当和稳定,对简化 和稳定转炉操作并获 得良好的技术经济指 标非常重要。

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铁水成分
? Si:发热元素,转炉热量来源。根据[P],[Si] 一般在0.4~0.8%范围内 ? Mn:有利元素。[Mn]一般在0.2~0.4%左 右 ? P:有害元素,强发热元素。P是高炉不能去除 的元素,故只能要求[P]稳定,采用铁水预处 理脱磷或相应的炼钢方法来去除。 ? S:有害元素。[S]<0.04%。采用铁水预处 理脱硫, [S]<0.015%。

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铁水温度
? 铁水温度应>1200~1300℃,且保持稳定, 以利于炉子热行,迅 速成渣。 ? 有铁水预处理工艺, 铁水温度应适当提高。

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3.4.1.2 废钢
? 废钢是电炉炼钢的基本原料,用量占钢铁料的 70%~90%。对转炉来说,既是金属料也是 冷却剂。 ? 合金钢废钢应按所含合金分组堆放。 ? 应严防混入有害杂质和危险品,并减少带入的 泥沙、耐火材料和炉渣等。 ? 对外形尺寸和单重过大的 废钢,应预先进行解体和 切割;对轻薄料要打包或 压块,以缩短装料时间。

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3.4.1.3 铁合金
? 炼钢中广泛使用的各种脱氧和合金化元素与铁 的合金。如Fe-Mn、Fe-Si、Fe-Cr;以及复 合脱氧剂,如硅锰合金、硅钙合金、硅锰铝合 金;还有铝、锰、镍等金属。 ? 铁合金应合理选用以降低成本,使用前应烘烤 以减少气体带入。另外要纯净,不得混有其它 夹杂物,块度要适当。

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3.4.2辅助材料
? 石灰(CaO)。碱性炼钢方法的基本造渣材料, 有强的脱磷、脱硫能力,对炉衬危害小。石灰要 求含有效CaO大于80~85%,含S和SiO2低, 块度小而均匀,且无细粉;生烧过烧率要小;不 能潮解,应保持干燥、新鲜。 ? 萤石(CaF2)。熔点低(1418 ℃ ),能使 CaO熔点显著降低,加速化渣,改善渣的流动 性。萤石要求:CaF2>85%。 ? 白云石(MgO)。增加渣中Mg含量,以减少 炉衬中MgO向炉渣中转移,且能促进前期化渣。
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3.4.2.1 造渣材料

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3.4.2.2 氧化剂
? 氧气。炼钢中氧的重要来源。一般要求氧气纯 度应大于98%,冶炼低氮钢种时,应大于 99.5%。还应脱除水分。 ? 铁矿石、氧化铁皮。 ? 铁矿石要求含铁高,SiO2、P和水分少,使用 前要加热。 ? 氧化铁皮要求杂质少,不含油污和水分,使用 前必须烘烤。

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3.4.2.3 冷却剂
? 废钢。冷却效果稳定、喷溅少,价格低。 ? 富铁矿、团矿、烧结矿和氧化铁皮。利用它们 所含FexOy氧化金属中的杂质时,需要吸收大 量的热而起到冷却的作用。 ? 石灰石。缺少以上冷却剂时,可以使用, CaCO3分解时吸收大量热量。

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3.4.2.4 还原剂和增碳剂
? 电炉炼钢使用的还原剂和增碳剂有石墨电极、 木炭、焦炭、电石、硅铁、硅钙、铝等。 ? 氧气转炉冶炼中、高碳钢时,一般用含灰分很 少的石油焦作增碳剂。

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3.6 转炉炼钢
? 3.6.1 氧气转炉炼钢的发展 ? 3.6.2 顶底复吹转炉炼钢的设备 ? 3.6.3 复吹转炉吹炼工艺

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3.6.1 氧气转炉炼钢的发展
? 现代转炉炼钢的发展大致分四个时期:
? 1)顶吹转炉炼钢技术的创立(1948~1956) 标志性技术:拉瓦尔型超音速顶吹喷枪。 ? 2)顶吹转炉炼钢技术的成熟与完善(1956~1967) 标志性技术:转炉大型化;副枪动态控制技术 ? 3)氧气炼钢技术的繁荣与发展(1967~1993) 标志性技术:氧气底吹转炉炼钢技术; 转炉复合吹炼工艺技术 ? 4)现代转炉炼钢技术(1993~) 标志性技术: 溅渣护炉工艺; 干法除尘与煤气回收技术 ??????
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顶底复吹转炉
? 转炉复合吹炼工艺最初是沿 袭顶吹和底吹两种吹炼工艺逐 步发展完善:即在顶吹转炉底 部喷吹惰性气体和在底吹转炉 上部安装顶吹氧枪。 ? 实践证明,复吹转炉基本保 留了顶吹转炉和底吹转炉的优 点,避免各自的缺点,成为当 代转炉的基本操作工艺。

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3.6.2 顶底复吹转炉炼钢的设备
? 顶底复吹转炉炼钢的设备由4个系统组成,每个 系统又由各自的设备组成。 ? 炼钢容器的炉子系统; ? 提供炼钢所需的氧气和底部搅拌气体的供气 系统; ? 提供炼钢所需的金属料和造渣材料的供料系 统; ? 对高温含尘烟气进行降温除尘处理,并回收 余热和煤气的烟气处理系统。

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3.6.2.1 炉子系统
? 炉子系统由转炉﹑托圈﹑耳轴﹑倾动机构组成, 是装入原料进行吹炼的容器。它由圆台形炉帽﹑ 圆筒形炉身和球缺形或截锥形炉底三部分组成在 炉帽与炉身连接处 有出钢口。

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3.6.2.2 供气系统
? 供氧系统由制氧机﹑储气罐﹑压氧机﹑输气管 道及阀门、氧枪和底部供气元件组成。 ? 氧枪是供氧设备中的关键部件。由枪身和喷头 组成。 ? 枪身是由三种不同直径的无缝钢管套装而成, 通水冷却。 ? 喷头用导热良好的紫铜制成,孔形状一般采用 拉瓦尔管的形状,大型转炉普遍应用了三孔﹑ 四孔﹑五孔喷头。

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氧枪结构示意图

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底部供气元件
? 顶底复吹技术的关键部件是复吹转炉的底部供 气元件。 ? 底部供气元件分为两大类,即喷嘴型和砖型。

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3.6.2.3 供料系统
1)铁水供应 2)废钢供应 3)造渣剂供应

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1)铁水供应
? 混铁车(鱼雷罐车)方式流程为:高炉铁水→鱼 雷罐车→铁水罐→转炉。 ? 这种供应方式投资省﹑铁水温降小和有较好的生 产环境。适合于大型高炉向大型转炉(100t以 上)供应铁水。

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2)废钢供应
? 向转炉供应废钢一般采用废钢槽方式。 ? 流程:磁盘吊车装槽→桥式吊车+废钢槽→转炉。

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3) 造渣剂供应
? 转炉的造渣剂采用以下的供应方式:地下储料 仓→胶带运输机→高位料仓→称量漏斗→汇总 漏斗→溜槽 →转炉。 ? 下图还给出了 向钢包中加入 铁合金的主要 设备。

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3.6.2.4 烟气处理系统
? 转炉炉内的气体称为炉气,炉气离开炉口进入烟 罩后称为烟气。 ? 氧气转炉在吹炼期间产生大量含尘炉气,其温度 高达1400~1600℃,炉气中含有大量CO和含 铁60%左右的粉尘。 ? 转炉炉气的处理方法主要有燃烧法和未燃烧法。 ? 未燃法是在炉口上方采用可以升降的活动烟罩, 使炉气在收集过程中尽量不与空气接触,经降 温除尘净化后,通过风机抽入煤气回收系统中。

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转炉全湿法(OG法)烟气净化系统 氧气转炉煤气回收法(Oxygen Converter Gas Recovery)

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3.6.3 复吹转炉吹炼工艺
3.6.3.1 吹炼工艺流程 3.6.3.2 吹炼过程元素的变化 3.6.3.3 吹炼工艺制度

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3.6.3.1 吹炼工艺流程
? 一炉钢的冶炼过程是指从装料到倒尽渣为 止。顶底复吹转炉炼钢的冶炼周期一般是 30~40min。其中的纯吹氧时间约 15~20min。

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转炉操作进程

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3.6.3.2 吹炼过程元素的变化
? 根据[C]的氧化速度不同,炼钢过程可分为三 个时期。 ? 氧化初期,脱碳速度由小变大。 ? 由于氧化初期熔池温度低,Si﹑Mn氧化量 多,消耗了大部分的氧,[C]的氧化受到限 制。 ? 脱碳速度d[C]/dt=-k1t,与吹炼时间成正 比。 ? 这一时期称吹炼初期,又叫硅﹑锰氧化期, 时间从开吹到约4~5min。
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? 氧化中期 ? Si、Mn氧化结束,熔池温度升高,供给的氧几 乎全部用于脱碳。 ? 脱碳速度达到最大且几乎不变。 ? 这一时期称为吹炼中期,又叫碳氧化期, w[c]=3.0%-3.5%时进入吹炼中期。 ? 氧化后期 ? 随着碳含量下降,在钢液与气相的边界层中,碳 的浓度梯度逐渐下降,使得脱碳速度越来越小。 ? 脱碳速度由大变小。这一时期称吹炼末期,又叫 碳氧化后期。 ? 除碳外其他元素变化不大,主要进行终点操作。 当w[c]﹤0.3%-0.7%时,进入吹炼末期。

3.6.3.3 吹炼工艺制度
? 顶底复吹转炉炼钢,根据底吹气体种类的 不同,可分为底部吹入非氧化性气体的复 吹工艺和底部吹入氧化性气体的复吹工艺。 ? 我国采用的是前一种工艺进行复吹转炉炼 钢,即底部吹入氮气、氩气来搅拌熔池。 ? 氧气顶底复吹转炉炼钢工艺包括装料﹑供 氧﹑底部供气、造渣﹑温度及终点控制﹑ 脱氧及合金化等内容。

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1 装料制度
1)装料次序 ? 一般来说是先装废钢后兑铁水,防止加入铁水 时造成喷溅。 ? 到了炉役后期,或者废钢装入量比较多的转炉, 可以先兑铁水,后加废钢。 2)装入量 ? 不同吨位的转炉以及一座转炉在不同的生产条 件下,都有其不同的合理金属装入量。 ? 装入量过小,产量低,熔池浅,氧流易直接冲 击炉底,造成炉底破坏。装入量过大,熔池搅 拌不充分,吹炼时间增加,易造成喷溅。
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2 供氧制度
? 当氧气射流作用在金属熔池上时,一部分氧气 被金属液吸收,参与炼钢反应,来不及反应的 氧气沿冲击坑表面产生反射流动,另外由[C][O]反应产生的CO气体上升排除,使冲击坑 壁面附近的金属液向上运动,造成冲击坑四周 的金属液不断向冲击 坑底部补充,从而产 生了循环流动。

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? 在实际吹炼中,喷头结构﹑氧气工作压力和流量 通常保持一定,所以可以通过控制枪位来控制吹 炼过程向熔池中的供氧和熔池的搅拌。 ? 枪位指喷头到静止金属熔 池液面的距离。高枪位指 该距离大,低枪位指该距 离小。 ? 硬吹是氧枪枪位低或氧压 高时的供氧方式。 ? 软吹为枪位高或氧压低时 的供氧方式。
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3 造渣制度
? 造渣的要求
? 氧气转炉的冶炼周期短,必须做到快速成渣, 使炉渣尽快具有适当的碱度、氧化性和流动性, 以便迅速把金属中的杂质去除。 ? 避免炉渣溢出和喷溅,减少原材料的损失。 ? 在生产中,一般根据铁水成分和所炼钢种来确 定造渣方法,包括单渣法、双渣法和双渣留渣 法。

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4 温度控制
? 在吹炼过程中,升温应均衡,在前期和中期, 为了脱磷,温度可控制低些,但应保证炉渣中 石灰的溶解,以形成具有一定碱度的炉渣。 ? 前期结束时温度可控制在1450~1550℃ ? 中期控制在1500~1600℃ ? 到吹炼后期应均匀升温,达到钢种要求的 出钢温度。

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5 终点控制和出钢
? 终点控制内容包括钢水成分[C]﹑[P]﹑[S] 含量应满足出钢要求,钢水温度应达到出钢温 度。 ? 在终点都要测温取样,如果两者之一不满足出 钢要求,就要进行补吹。 ? 补吹会产生一些不良影响如铁损增加,气体含 量增高,炉衬侵蚀严重。补吹应尽量避免。

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出钢操作
? 钢水成分和温度达到出钢要求后,便可摇炉将钢 水通过出钢口倒入钢包中。 ? 为了减少转炉内的炉渣进入钢包,影响钢水成 分,应采用挡渣技术和在钢包中加入小粒石灰 基粉剂提高钢包顶渣碱度和降低渣中FeO含量。 ? 常用的挡渣方法是用挡渣球挡渣和气动挡渣。 ? 为了减少钢水进入钢包时的热量损失,降低出 钢温度,应对钢包进行烘烤,达到红包出钢。

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挡渣出钢

脱氧和合金化
? 在转炉炼钢中,到达吹炼终点时,钢水含氧量 一般比较高(w[O]为0.02%~0.08%), 为了保证钢的质量和顺利浇注,必须对钢水进 行脱氧。 ? 为了使钢达到性能要求,还需向钢水中加入合 金元素,即所谓合金化操作。

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6 溅渣护炉操作
? 在出完钢后,利用高压N2将转炉内的炉渣溅到 炉壁上,形成一定厚度的溅渣层,作为下一炉 炼钢的炉衬,这一工艺称溅渣护炉。 ? 采用这一工艺,减少了炉衬的侵蚀速度,大幅 度提高转炉炉龄。 ? 溅渣护炉工艺主要涉及到吹N2、炉渣和炉衬。 ? 对溅渣护炉效果有重要影响的工艺参数有供N2 参数、炉渣性质及渣量和镁碳砖中的含碳量。

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复吹转炉枪位对溅渣影响模型图

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第三章 小结
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 重点掌握内容: 炼钢的基本任务 炉渣在炼钢中的作用,其来源及主要成分。 脱碳反应的作用。 脱硫、脱磷的反应式。 脱氧的方法。 钢中气体来源及降低气体的措施。 非金属夹杂物的来源、组成及降低其措施。 炼钢用原材料:铁水的要求;废钢、铁合金的作用;造渣材料的种 类; 铁水预处理工艺:概念;铁水预处理功能;铁水预处理脱硫的两种 常用方法;脱硫反应; 顶底复吹转炉炼钢的设备:4个组成系统;炉衬组成;氧枪结构; 复吹转炉吹炼工艺:吹炼工艺流程;吹炼过程元素的变化(三期); 装料顺序;枪位、硬吹、软吹;底吹气体种类;终点控制;溅渣护 炉。
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