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炼钢原理与工艺


目前主要的炼钢方法有氧气转炉炼钢法、 电弧炉炼钢法以及炉外 精炼技术。 氧气转炉包括氧气顶吹转炉、氧气底吹转炉、氧气侧吹转炉及顶 底复吹转炉等,故常简称为 LD 。它拄要原料是铁水,同时可配加 10%~30%的废钢;生产中不需要外来热源,依告靠吹入的氧气与铁 水中的碳、硅、猛、磷等元素反应放出的热量使熔池获得所需的冶炼 温度。其突出的优点是生产周期短、产量高;不足之处是生产的钢种 有限,主要冶炼低碳钢和部分合金钢。 电炉炼钢法是以电能为主要能源、废钢为主要原料的炼钢方法, 显著的优点是,熔池温度易于控制和炉内气氛可以调整,用来生产优 质钢和高合金钢。设备也比较简单,而投资小,建厂快。 炉外精炼,是指从初炼炉即氧气炉或电弧炉中出来的初炼钢水, 在另一个冶金容器中进行精炼的工艺过程。精炼的目的是进一步去 气、脱硫、脱氧、排除夹杂物、调整及均匀钢液的成分和温度等,提 高钢水质量;缩短初炼炉的冶炼时间,精炼的手段有真空、吹氩、搅 拌、加热、喷粉等。 但目前世界上氧气转炉钢的产量仍占总产量的 60%左右。 氧气顶吹转炉炼钢的基本过程是:装料(即加废钢、兑铁水→摇 正炉体→降枪开始吹炼并加入第一批渣料→(吹炼中期)加入第二批 渣料→(终点前)测温、取样→(碳、磷及温度合格后)倾炉出钢并 进行脱氧合金化。 所谓装料,是指将炼钢所用的钢铁炉料装入炉内的工艺操作。

电炉炼钢所用原料,主要有废钢、生铁和直接还原铁三种。 废钢是电炉炼钢的主原料。 按其来源不同,废钢大致可分为返回废钢和外购废钢两类。 B 对废钢的要求 对废钢的一般要求是清洁少锈,无混杂,成分明确,块度合适。 在电弧炉炼钢中,生铁一般是用来提高炉料的配碳量的。 转炉炼钢的原料主要是铁水,其次还配用部分废钢。 1.2.1.1 铁水 铁水是氧气顶吹转炉的主原料, 一般占装入量的 70%以上。 铁水 的物理热和化学热是氧气顶吹转炉炼钢过程中的唯一热源。 A、对铁水温度的要求 较高的铁水温度,不仅能保证转炉炼顺利进行,同时还能增加放 心钢的配加量,降低转炉的生产成本。希望铁水的温度尽量高些,入 炉时仍在 1250~1300℃。 1、兑入转炉时的铁水温度相对稳定。 2、铁水的成分应该合适而稳定。 3、铁水中的硅,是转炉炼钢的主要发热元素之一。铁水含硅量 以 0.5%~0.8%为宜。 4、对于含硅量过高的铁水应进行预脱硅处理,以改善转炉的脱 磷条件,并减少渣量。 5、铁水的含猛量(1)铁水中的猛是一种有益元素; (2)铁水的 含猛量多低于 0.3%。

6、铁水的含磷量(1)磷会使钢产生“冷脆” ,是钢中的有害元 素之一。铁水的含磷量小于 0.15%~0.20%。 7、铁水的含硫量(1)硫会使钢产生“热脆”现象,也是钢中的 有害元素,铁水含硫量低于 0.04%~0.05%。 铁水含硫高时,对其进行预脱硫处理是经济有效的脱硫方法。 铁水的成分也应相对稳定,以方便冶炼操作和生产调度。 还希望兑入转炉的铁水尽量少带渣。 1.2.1.2 废钢 废钢是转炉的另一种金属炉料,作为冷却剂使用的。 转炉的装入制度,包括装入量、废钢比及装料顺序三个问题。 1.2.2.1 装入量的确定 转炉的装入量是指每炉装入铁水和废钢两种金属炉料的总量。 目 前控制氧气顶吹转炉装入量的方法有以下三种。 (1)定量装入法。所谓定量装入,是指在整个炉役期内,每炉 的装入量保持不变的装料方法。 优点是:生产组织简单,便于实现吹炼过程的计算机自动控制, 定量装入法适合于大型转炉。 (2)定深装入法。所谓定深装入,是指在一个炉役期间,随着 炉衬的侵蚀炉子实际容积不断扩大而逐渐增加装入量以保证溶池深 度不变的装料方法。 优点是:氧枪操作稳定,有利于提高供氧强度并减轻喷溅;又能 充分发挥炉子的生产能力。但是装入量和出钢量生产组织难度大。

(3)分阶段定量装入法。该法是根据炉衬的侵蚀规律和炉膛的 扩大程度,将一个炉役期划分成 3~5 个阶段,每个阶段实行定量装 入,装入量逐段递增。因此中小转炉炼钢厂普遍采用。 1.2.2.2 废钢比 废钢的加入量占金属装入量的百分比称为废钢比。提高废钢比, 可以减少铁水的用量,从而有助于降低转炉的生产成本;同时可减少 石灰的用量和渣量,有利于减轻吹炼中的喷溅,提高冶炼收得率;还 可以缩短吹炼时间、减少氧气消耗和增加产量。废钢比大多波动在 10%~30%之间。 氧气顶吹转炉的装料顺序,一般情况下是先加废钢后兑铁水,以 避免废钢表面有水或炉内渣未倒净装料时引起爆炸。炉役后期,可先 兑铁水后加废钢。 炼钢的主要任务之一,就是要将金属炉料中的杂质元素如碳、磷 等降低到钢种规格所要求的程度。炼钢生产首先要有一个氧化过程。 供入炉内的氧,可以三种不同的形态存在,即生态、溶于钢液和溶解 在渣中。 溶池内的氧主要来源于直接吹氧、加矿分解和炉气传氧三个方 面。 直接吹入氧气是炼钢生产中向熔池供氧的最主要方法。 要求氧气 的含氧量不得低于 98.5%,水分不能超过 3g/m3,而且具有一定的压 力。 转炉炼钢采用高压氧气经水冷氧枪从溶池上方垂直向下吹入的

方式供氧;氧枪的喷头是拉瓦尔型的,工作氧压 0.5~1.1MPa,氧气 流股的出口速度高达 450~500m/s,即属于超音速射流,以使得氧气 流股有足够的动能去冲击、搅拌熔池,改善脱碳反应的动力学条件, 加速反应的进行。 2.1.2 加入铁矿石和氧化铁皮 而在氧气顶吹转炉炼钢中, 铁矿石和氧化铁皮则多是作为冷动剂 或造渣剂使用的。 炼钢对铁矿石的要求是, 含铁要高、 有害杂质要低, 一般成分为: 在氧化精炼过程中,炼钢炉内具备了炉气向熔池传氧的条件,气 相中的氧会不断传入溶渣和钢液。 杂质元素,是指钢液中除铁以外的其他各种元素如硅、猛、碳、 磷等。它们的氧化方式有两种:直接氧化和间接氧化。 所谓直接氧化, 是指吹入熔池的氧气直接与钢液中杂质元素作用 而发生的氧化反应。 杂质元素的直接氧化反应发生在溶池中氧气射流的作用区, 或氧 射流破碎成小气泡被卷入金属内部时。 所谓间接氧化, 是指吹入溶池的氧气先将钢液中的铁元素氧化成 氧化亚铁(FeO) ,并按分配定律部分地扩散进入钢液,然后溶解到 钢液中的氧再与其中的杂质元素作用而发生的氧化反应。 杂质元素的间接氧化反应发生在熔池中氧气射流 用区以外的其 也区域。间接氧化是指钢中的[O]或渣中的(FeO)与钢液中的杂质元 素间发生的氧化反应。

在氧气射流的作用区及其附近区域, 大量进行的是铁元素的氧化 反应,而不是杂质元素的直接氧化反应。 氧气转炉炼钢的供氧方式,主要是直接向溶池吹氧气。所谓供氧 强度,是指单位时间内向每金吨金属供给的标准状态氧气量的多少。 供氧时间,主要与转炉的容量的大小有关,而且随着转炉容量增 大供氧时间增加; 通常情况下, 容量小于 50 吨的转炉取 12~16 分钟; 50 吨转炉取 16~18 分钟;容量大于 120 吨的转炉则取 18~20 分钟。 缩短吹氧时间可以提高供氧强度,从而可强化转炉的吹炼过程, 提高生产率。 枪位,通常定义为氧枪喷头至平静熔池液面的距离。枪位的高低 是转炉吹炼过程中的一个重要参数, 控制好枪位是供氧制度的核心内 容,是转炉炼钢的关键所在。 转炉炼钢中,高压、超音速的氧气射流连续不断地冲击熔池,在 熔池的中央冲出一个“凹坑” ,该坑的深度常被叫做氧气射流的冲击 深度,坑日的面积被称为氧气射流的冲击面积;与此同时,到达抗底 后的氧气射流形成反射流股, 通过与钢液间的摩擦力引起熔池内的钢 液进行环流运动。 钢液的环流运动极大地改善了炉内化学反应的动力 学条件,对加速治炼过程具有重要意义。 吹炼过程中,采用低枪位或高氧压的吹氧操作称为“硬吹” 。硬 吹时,氧气射流与熔池间炼时的枪位较低或氧压较高,氧气射流与熔 池接触时的速度较快、断面积较小,因而熔池的中央被冲出一个面积 较小而深度较大的作用区。作用区内的温度高达 2200~2700℃,而

且钢液被粉碎成细小的液滴,从坑的内壁的切线方向溅出,形成很强 的反射流股,从而带动钢液进行剧烈的循环流动,几乎使整个熔池都 得到了强有力的搅拌。 采用高枪位或低氧压的吹氧操作称为“软吹” 。软吹时,氧气射 流与熔池间的作用吹炼时的枪位较高或氧压较低, 与熔池接触时氧气 射流的速度较慢、 断面积较大, 因而其冲击溶度较小而冲击面积较大; 同时所产生的钢液中因此而形成的环流也就相对较弱, 即氧气射流对 熔池的搅拌效果较差。 转炉的吹氧操作可有以下三种类型。 (1)恒氧压变枪位操作。所谓恒氧压变枪位操作,是指在一炉 钢的吹炼过程中氧气的压力保持不变, 而通过改变枪位来调节氧气射 流对熔池的冲击深度和冲击面积, 以控制冶炼过程顺利进行的吹氧方 法。 恒氧压变枪位的吹氧操作能根据一炉钢冶炼中各阶段的特点灵 活地控制炉内的反应,吹炼平稳、金属损失少,去磷和去硫效果好。 目前国内各厂普遍采用这种吹氧操作。 恒枪位变氧压操作。所谓恒枪位变氧压操作,是指在一炉钢的吹 炼过程,喷枪的高度,即枪位保持不变,仅靠调节氧气的压力来控制 冶炼过程的吹氧方法。 变枪位变氧压操作。 变枪位变氧压操作是在炼钢中同时改变枪位 和氧压的供氧方法。 目前国内普遍采用的是分阶段恒氧压变枪位操作,低枪位吹炼

时,钢液的环流强,几乎整个熔池都能得到良好的搅拌;高枪位吹炼 时,钢液的环流弱,氧气射流对熔池的搅拌效果差。 氧气顶吹转炉内的传氧方式有两种:直接传氧和间接传氧。 直接传氧,是指吹入熔池的氧气被钢液直接吸收的传氧方式。 硬吹时,转炉内的传氧方式主要是直接传氧。其传氧的途径有以 下两个; (1)通过金属液滴直接传氧。 A、硬吹时,氧气射流强烈冲击熔池而溅起来的那些金属液滴被 气相中的氧气氧化, 其表面形成一层富氧的 FeO 渣膜。 这种带有 FeO 渣膜的金属滴很快落入熔池, 并随其中的钢液一起进行环流而成为氧 的主要传递者。 B、通过乳浊液直接传氧 高压氧气射流自上而下吹入熔池,在将熔池出一凹坑的同时,射 流的末端也被碎裂成许多小气泡。 这些小氧气泡与被氧气射流击碎的 金属液和熔渣一起形成了三相乳浊液, 其中的金属液滴可将小气泡中 的氧直接吸收。 由于熔池的乳化,极大地增加了钢液、熔渣、氧气三者之间的接 触面积,据估算低枪位吹氧时,氧气射流大量地直接向熔池传氧,因 而杂质元素的氧化速度较快;但是,渣中的(FeO)低而化渣能力差 些。 所谓间接传氧,是指吹入炉内的氧气经熔液传入钢液的传氧方 式。软吹时,接传氧作用则会明显加强。 转炉炼钢中采用高枪位吹氧时, 氧气射流的间接传氧作用得以加

强,使得渣中的(FeO)含量较高而化渣能力较强; 枪位控制:转炉炼钢中枪位控制的基本原则是,根据吹炼中出现 的具体情况及时进行相应的调整,力争做到毁不出现“喷溅” ,又不 产生“返干” ,使冶炼过程顺利到达终点。 A、一炉钢吹炼过程中枪位的变化:枪位的变化规律通常是:高 →低→高→低。 吹炼前期,最佳的枪位应该是,使炉内的熔渣适当泡沫化即乳浊 液涨至炉口附近而又不喷出。吹炼中期的枪位也不宜过低。合适的枪 位是使渣中的(Σ FeO)保持在 10%~15%的范围内。 吹炼后期: 该阶段应先适当提枪化渣, 而接近终点时再适当降枪, 以加强对熔池的搅拌,均匀钢液的成份和温度。 2.3.4 复吹转炉的底部供气制度 顶底复合吹炼技术是近年来氧气转炉炼钢技术的重要发展。 氧气转炉的顶底复合吹炼法, 可以通过选择不同的底吹气体的种 类和数量及顶枪的供氧制度, 得到冶炼不同原料和钢种的最佳复合吹 炼工艺。按照底吹气体的性质不同,大致可以将它们分为以下两类: (1)底吹惰性气体。吹气的方式多采用透气元件法,底吹惰性 气体的目的是为了加强对熔池的搅拌,以改善成渣过程,减少喷溅, 缩短冶炼时间等。 (2)底吹氧气或氧气和石灰粉:使用双层套管式喷嘴。 生产中, 底吹气体种类的选用应根据所炼钢种的质量要求和气体 的来源和价格而定,而总用量不大于顶吹气体的 5%,供气压力在

0.5MPa 以上。 目前国内多采前期吹氮、 后期吹氩 (无氩气时用博士 氧 化碳代替)的底吹工艺。 2.3.4.3 复合吹炼的冶金效果 复吹转炉增加了底部供气,加强了对熔池的搅拌,降低了熔渣与 钢液之间异相反应的不平衡程度,可以在渣中的(Σ FeO)含量较低 的情况下完成去磷的任务,炉渣中的(Σ FeO)含量较低,吹炼终点 时钢液的残猛量较高;在整个吹炼过程中,熔渣和金属的混合良好, 可以加速杂质元素的氧化。消防了熔池内成分与温度不均匀的现象, 轻吹炼中的喷溅,使冶炼过程迅速而平稳。 复吹转炉钢的品种广泛,可以冶炼高碳钢,也能生产超低碳钢, 还可以直接吹炼不锈钢和高牌号电工钢等合金钢; 造渣,是指通过控制人炉渣料的种类和数量,使炉渣具有某些性 质,以满足溶池内有关炼钢反应需要的工艺操作。 造渣是完成炼钢过程的重要手段,造好渣是炼好钢的前提。 炼钢中,造氧化渣的主要目的是为了去除钢中的磷,并通过氧化 渣向熔池传氧。 炼钢中的去磷过程,主要是在钢-渣两相的界面上进行的。造氧 化渣,就是要设法使熔渣具有适于脱磷反应的理化性质;还要精心控 制造渣过程,炼钢过程对氧化渣的要求是:较高的碱度、较强的氧化 法性、适量的渣量、良好的流动性及适当泡沫化。 碱度的控制。碱度是炉渣酸碱性的衡量指标,是炼钢中有效去磷 的必须条件。渣中的(Σ FeO)含量相同的条件下,碱度为 1.87 时其

活度最大,炉渣的氧化性最强。氧气顶吹转炉炼钢中,通常是将碱度 控制在 2.4~2.8 的范围内。 渣中的(Σ FeO)含量。渣中(Σ FeO)含量的高氏,标志着渣 氧化性的强弱及去磷能力的大小。生产中通常将渣中的(Σ FeO)含 量控制在 10%~20%之间。 渣量的控制。过大的渣量不仅增加造渣材料的消耗和铁的损失, 还会给冶炼操作带来诸多不便,生产中渣量控制的基本原则是,在保 证完成脱磷、胶硫的条件下,采用最小渣量操作。氧气顶吹转炉炼钢 时,一般情况下适宜的渣量约为钢液量的 10%~12%,可采用双渣操 作。 炉渣的流动性。对于去磷、去硫这些双相界反应业说,保证熔渣 具有良好的流动性十分重要。 影响炉渣流动性的主要因素是温度和成 分。 炉渣的泡沫化。泡沫化的炉渣,使钢-渣两相的界面积大为增加, 改善了去磷反应的动力学条件,可加快去磷反应速度。但应避免炉渣 的严重泡沫化,以防喷溅发生。 3.1.2 使用的目的是获得碱性炉渣,以去除钢中的磷或硫。石灰 是由主要成分为 CaCO3 的石灰石煅烧而成。 对炼钢用石灰的基本要求 是:CaO 尽量高、SiO2 及 S 等杂质尽量氏、活性要好、新鲜干燥、块 度合适,具体分析如下: 石灰中的有用成分是 CaO,当然是 CaO 含量越高越好,石灰的 有效碱应不低于 80%~85%,SiO2 不超过 2.5%,S 低于 0.2%。

石灰中可利用的氧化钙的含量 ω (CaO)有效=ω (CaO)石灰=R×ω (SiO2)石灰 所谓“活性” ,是指石灰与熔渣的反应能力,它是衡量石灰在渣 中熔解速度的指标。2、石灰的“活性”与生产石灰时的煅烧温度有 关。石灰石的分解温度为 880~910℃,如果煅烧温度控制在 1050~ 1150℃时,烧成的石灰晶粒细小(仅 1μ m 左右) 、气孔率高(可达 40%以上) ,呈海绵状, “活性”很好,称软烧石灰或轻烧石灰。熔化 快,成渣早,有利于前期去磷,称过烧石灰或硬烧石灰。不利于冶炼 操作。如果煅烧温度低于 900℃,由于烧成温度低,石灰烧不透,核 心部分仍是石灰石,称生烧石灰。生灰石灰入炉后,其中残留的石灰 石要继续分解而吸热,不仅成渣慢而且对熔池升温不利。 评价石灰活性的正确方法,是将石灰加入到一定温度的熔渣中, 经过一定时间间隔后,测定未熔化的石灰质(重)量,然后根据石灰 在炉渣中的溶解速度判断其活性。石灰的水活性的检验方法,主要有 以下三种:第一是 AWWA 法,它是将 100g 石灰加入到盛有 400ml 25℃ 水的烧杯中;第二是 ASTM 法;第三是盐酸法; 石灰的块度 对于石灰的块度,转炉炼钢一般要求为 5~40mm,块度过大时, 熔化慢, 化渣晚。 块度过小, 则易被炉气带走。 混有许多粉末的石灰。 炼钢所用石灰还应新鲜干燥。转炉车间附近建有石灰窑,萤石的主要 成分是 CaF2,它能加速石灰熔化和消除炉渣“返干” ,而且作用迅速。 一般要求其 CaF2 不低于 85%,SiO2 结不超过 4%,CaO 不超过 5%。

翠绿透明的萤石质量最好;白色的次之;带有褐色条纹或黑色斑点的 萤石含有硫化物杂质,其质量最差。一是萤石的稀渣作用持续时间不 长,随着氟的挥发而逐渐消失,而且挥发物对人体及炉衬都有一定的 危害。二是萤石用量大时,炉渣过稀,会严重侵蚀炉衬。三是萤石的 资源短缺,价格昂贵。转炉炼钢中多用铁矾土和氧化铁皮代替萤石。 它们的化渣和稀渣速度不及萤石,消耗的热量也比萤石多,而且氧化 铁皮表面粘有油污,铁矾土含有较多的 SiO2 和 H2O,均含对冶炼产生 不利影响。铁矾土的主要成分是 Al2O3。 合成渣料是转炉炼钢中的新型造渣材料。 它是将石灰和熔剂按一 定比例混合制成的低熔点、高碱度的复合造渣材料,即把炉内的造查 过程部分地,甚至全部移到炉外进行。这是一个提高成渣速度、改善 冶炼效果的有效措施。 国内使用较多的合成渣料是冷固结球团。它是用主要成分为 FeO (67%左右)和 Fe2O3(16%左右)的污泥状的转炉烟尘配加一定的石 灰粉、生白云石粉和氧化铁皮,该合成渣料的成份均匀、碱度高、熔 点低,而且遇高温会自动暴裂,加入转炉后极易熔化,能很快形成高 碱度、强氧化性和良好流动性的熔渣。 白云石是碳酸钙和碳酸镁的复合矿物, 高温下分解后的主要组分 为 CaO 和 MgO。 转炉炼钢中广泛采用加入一定数量的白云石来代替部分石灰的 造渣工艺,白云石造渣工艺的主要目的是延长炉衬寿命,根据氧化镁 在渣中有一定溶解度的特点,向炉内加入一定数量的白云石,从而减

弱熔渣对镁质炉初中 MgO 的溶解;另一方面,冶炼中随着炉渣碱度的 提高,渣中 MgO 达过饱和状态而有少量的固态氧化镁颗粒析出,使后 期炉渣的黏度明显升高。加白云石造渣可以大幅度提高炉龄,而且, 渣中(MgO)含量控制在 6%~8%较为适宜。对于转炉炼钢用白云石, 一般要求其 MgO 含量在 20%以上,CaO 含量不低于 30%,硫、磷杂质 元素含量要低,块度以 5~40mm 为宜。白云石造渣时以采用轻烧白云 石为好。 转炉炼钢中使用部分矿石作冷却剂或电炉炼钢中加矿氧化时, 由 于铁矿石中含有一定数量的 SiO2,为保证炉渣的碱度不变应补加适量 的石灰。每千克矿石需补加石灰的数量按下式计算: 补加石灰量(kg/kg)=
?(SiO2 )矿石 ? R ?(CaO)石灰

转炉炼钢中采用白云石造渣工艺时, 白云石的用量约为石灰用量 的四分之一。 加速石灰熔化、 迅速成渣是炼钢, 尤其是转炉炼钢中的重要任务。 影响石灰在渣中的溶解速度的因素主要是石灰的质量、 熔池温度及熔 渣的组成。熔池温度的允许波动范围并不大,对石灰溶解速度的调控 能力较为有限。 通过控制炉渣的成分来影响石灰的溶解速度是最为直 接、方便和快捷的方法。 渣中(CaO)的含量小于 30%~35%时,石灰的溶解速度随其增加 而增大。 当渣中(SiO2)的浓度低时随着(SiO2)含量增加,石灰的溶解速 度增大。当(SiO2)大于 25%时,进一步增加其含量,不仅会在石灰

表面形成 2CaO·SiO2 硬壳,而且会增加渣中复合阴离子的数量,导致 炉渣黏度上升而减缓石灰的溶解。 随着渣中 FeO 含量的增加,石灰的溶解速度直线增大。少量的 (MgO)含量,有利于石灰的熔化。 渣中的(CaF2)也具有极强的化渣和稀渣作用。 选择的依据是原材料的成分和所炼钢种。 在冶炼过程中只造一次渣,中途不倒渣、不扒渣,直到终点出钢 的造渣方法称为单渣法。单渣法操作的工艺简单,冶炼时间短,生产 率高,劳动强度小,但其他除硫、磷的效率低些。单渣法适合于使用 含磷、硫、硅较低的铁水或冶炼对硫、磷要求不高的一般碳素钢和低 合金钢。 双渣法,是指在吹炼中途倒出部分炉渣,然后补回渣料再次造渣 的操作方法。特点:炉内如终保持较小的渣量,吹炼中可以避免因渣 量过大而引起的喷溅,且渣少易化;同时又能获得较高的去硫、去磷 效率。 适合于铁水含硅、 磷、 硫量较高。 或者生产高碳钢和低磷钢种。 采用双渣法操作时,要注意两个问题:一是倒出炉渣的数量。倒 出 1/2 或 2/3 的炉渣。 二是倒渣时机, 应选在渣中的磷含量最高 (FeO) 含量最低的时候进行倒渣操作,理想效果:吹炼低碳钢时,钢渣操作 应该在钢中含碳量降至 0.6%~0.7%时进行。倒渣前 1 分钟适当提枪 或加些萤石改善炉渣的流动性,便于倒渣操作。 双渣留渣法是指将上一炉的高碱度、高温度和较高(FeO)含量 的终渣部分地留在炉内, 以便加速下一炉钢初渣的形成并在吹炼中途

倒出部分炉渣再造新渣的操作方法。倒渣时机及倒渣量与双渣法相 似,但是由于留渣,初渣早成而前期的去硫及去磷效率高。采用双渣 留渣法时,兑铁水前应先加一批石灰稠化所留炉渣,而且兑铁水时要 缓慢进行,以防发生爆发式碳氧反应而引起严重喷溅。若上一炉钢终 点碳过低,一般不宜留渣。 喷吹石灰粉造渣,是在冶炼的中、后期以氧气为载体,用氧枪将 粒度为 1mm 以下的石灰粉喷入熔池且在中途倒渣一次的操作方法。 倒 渣操作:一般选在钢液含碳量为 0.6%~0.7%时进行。由于喷吹的是 石灰粉末,成渣速度更快,前期去硫、去磷的效率更高,该法需要破 碎设备,而且粉尘量大,劳动条件恶劣;石灰粉又更容易吸收空气中 的水。氧气顶吹转炉虽能将高磷铁水炼成合格的钢,但技术经济指标 较差。 单渣法生产稳定、 操作简单、 便于实行计算机控制。 对于含硅、 磷及硫较高的铁水,入炉前进行预处理使之达到单渣法操作的要求, 即合理又经济。 为了加速石灰的熔化,渣料应分批加入。否则,会造成熔池温度 下降过多,导致渣料结团且石灰块表面形成一层金属凝壳而推迟成 渣,加速炉衬侵蚀并影响去硫和去磷。 单渣操作时,渣料通常分两批加入。第一批渣料在开吹的同时加 入,石灰为全部的 1/2~2/3,铁矿石为总加入量的 1/3,萤石则用全 部的 1/3~1/2。其余的为第二批渣料,一般是在硅及猛的氧化基本 结束、头批渣料已经化好、碳焰初起的时候加入。如果二批渣料加入 过早,炉内温度还低且头批渣料尚未化好又加冷料,势必造成渣料结

团,炉渣更难很快化好。如果加入过晚,正值碳的激烈氧化时期,渣 中的(Σ FeO)较低,二批渣料难化,容易产生金属飞溅。由于渣料 的加入使炉温降低,碳氧反应将被抑制,导致渣中的氧化铁积聚,一 旦温度上升,必会发生爆发式碳氧反应而引起严重喷溅。二批渣料可 视炉内情况一次加入或分小批多次加入。 分小批多次加入无疑对石灰 熔化是有利的。最后一小批料必须在终点前 3~4 分钟加入,否则所 加渣料尚未熔化就要出钢了。 电炉炼钢熔化期的任务主要有两个: 一是用电弧产生的热量把固 体炉料迅速熔化,并尽快将钢液加热到氧化所需的温度 1550℃。二 是尽早造好有一定碱度的氧化渣, 以去除钢液中的一部分磷并减少钢 液吸气和金属挥发。 氧化期的主要任务是进一步去磷至低于成品钢的 要求,并氧化脱碳以升温、去气、去夹杂。熔化期及氧化期需要的都 是碱性氧化渣。为了顺利完成上述任务造渣过程从装料时就开始了。 装料前,先在炉底铺一层约为料重 1.5%的石灰,不仅能保护衬 装料时不被砸坏,而且有利于早成渣。炉内形成熔池后,按料重的 1%补加石灰,同时吹氧助熔并化渣。尔后不时补加石灰,最终使总渣 量达到钢液的 4%~5%;炉料化清后,扒除大部分炉渣或熔化后期自 动流渣,并补加渣料进入氧化期。氧化期造渣的关键是根据脱磷和脱 碳两方面的要求正确地控制炉渣的成分及渣量。 脱碳是氧化期的两个 重要反应。氧化前期,边吹氧边自动流渣,并及时补加石灰,渣量保 持在 3%~4%左右,碱度控制在 2.5~3.0 之间。随着氧化的进行,不 时流渣并补加少量渣料,到氧化后期渣量减至 2%~3%。碱度降至 2.0

左右,以利于脱碳反应的进行。 氧化渣的渣况是否正常,将直接关系到氧化过程能否顺利进行。 而渣况的好坏,取决于炉渣的成分与温度,加之冶炼过程中熔池的温 度及成分在不断的变化着。对于转炉练钢,炉内渣况良好的基本条件 有两个。第一是不出现“返干”现象;第二是不发生喷溅,特别是严 重喷溅。无论是“返干”还是喷测,一旦出现均会严重影响炉内的化 学反应,甚至酿成事故。因此转炉炼钢的渣况判断的重点,应放在对 将会发生的“返干”或喷油的预测上,以便及时处理而避免发生。经 验预测。渣料化好、渣况正常的标志是:炉口的火焰比较柔软,炉内 传出的声音也柔和、均匀。渣已化好、化透时,炉渣被一定程度地泡 沫化了,渣层较厚。氧枪喷头埋没在泡沫渣中吹炼,氧气射流从枪口 喷出及其冲击熔池时产生的噪声大部分被渣层吸收, 而传到炉外的声 音就较柔和;从熔池中逸出的 CO 气体的冲力也大为减弱,在炉口处 燃烧时的火焰也就显得较为柔软。 炉口的火焰由柔软逐渐向硬直的方 向发展,炉内传出的声音也由柔和渐渐变得刺耳起来,表明炉渣将要 出现“返干”现象。这是枪位过低或较低的枪位持续时间过长,激烈 的脱碳反应大量消耗了渣中的氧化铁所致。 迅速调高枪位并酌情加入 适量萤石, 便可避免 “返干” 的出现。 如果炉内传出的声音渐渐变闷, 炉口处的火焰也逐渐转暗且飘忽无力;还不时地从炉口溅 出片装泡 沫渣,说明炉查正在被严重泡沫化,渣面距炉口已经很近,不久就要 发生喷溅。二批料加入过晚易出现此种现象。其原因是,当时炉内的 碳氧反应已较激烈,加入冷料后使炉温突然下降,抑制了碳氧反应,

使渣中的氧化铁越积越多;随着温度渐渐升高,熔池内的碳氧反应又 趋激烈,产生的 CO 气体逐渐增多,炉渣的泡沫化程度也就越来越高。 迅速调低枪位消耗渣中多余的氧化铁即可避免喷溅的发生。 声纳控渣 仪预测。一些大型钢厂使用声纳控渣仪对转炉炼钢中的“返干”和喷 溅进行预测和预报,并取得了不错的效果。 声纳控渣仪的工作原理是: 在炉口附近安装定向取声装置和声纳 仪采集炉口噪声,对其进行信号转换、选频、滤波、放大、整表后输 入计算机, 由计算机在其显示器上的音强化渣图中绘制冶炼过程中的 噪声强度曲线,间接地反映渣层厚度或渣面的高低,同时对吹炼过程 中可能发生的喷溅或“返干”进行预报,并由报警装置发出声、光信 号。有大量微小气泡存在的熔渣呈泡沫状,这样的渣子们们称之为泡 沫渣。泡沫渣中气泡的体积通常要大于熔渣的体积,可见泡沫渣中的 渣子是以气泡的液膜的形式存在的。 泡沫渣中往往还悬浮有大量的金 属液滴。 炉渣被泡沫化后, 钢、 渣、 气三相之间的接触面积大为增加, 可使传氧过程及钢、渣间的物化反应加速进行,冶炼时间大大缩短; 炉渣的泡沫化,使得在不增加渣量的情况下,渣的体积显著增大,渣 层的厚度成倍增加,对炉气的过滤作用得以加强,可减少炉气带出的 金属和烟尘,提高金属收得率。 A、熔渣泡沫化的条件:1、这是熔渣泡沫化的外部条件。向熔渣 吹入气体, 或熔池内有大量气体通过钢渣界同面向渣中转移均可促使 炉渣泡沫化。例如熔池内的碳氧反应,因其反应的产物是 CO 气体, 而且要通过渣层向外排出,因而具有促使熔渣起泡的作用。2、熔渣

本身有一定的发泡性。这是熔渣泡沫化的内部条件。一是泡沫促持时 间,又称之为泡沫寿命。泡沫寿命越长,熔渣的发泡性越好。二是泡 沫渣的高度,此值愈大炉渣的发泡性愈好。熔渣发泡性的本质即渣中 气泡的稳定性。实际生产中,熔渣的泡沫化程度是形成泡沫渣的外部 条件和内部条件共同作用的结果。外部条件主要是进气量和气体种 类,而内部条件即炉渣的发泡性则是由其本身的性质决定的。炉渣的 表面张力愈小,其表面积就愈易增大即小气泡愈易进入而使之发泡。 炉渣的黏度,将增加气泡合并长大及从渣中逸出的阻力,渣中气泡的 稳定性增加。影响炉渣泡沫化程度的因素主要有以下四个:①进气量 和气体的种类;②熔池温度;③熔渣的碱度及(FeO)含量;④熔渣 的其他成分。 在转炉炼钢中,由于脱碳量及脱碳速度均很大,形成泡沫渣的气 体来源充足;加之,为了去除硫和磷,炉渣的碱度及(FeO)含量均 较高,具备了形成泡沫渣的良好条件,因此,转炉吹炼中炉渣的泡沫 化是必然现象。 如果沪渣过分泡沫化则会溢出炉外,甚至产生喷溅,不仅影响炉 衬寿命和正常生产,严重时还会造成人身及设备的安全事故。开吹初 期,由于渣量较小,脱碳速度不大,炉渣的泡沫化程度较低。吹炼进 行到全程的 25%时间后,脱碳速度逐渐增加,加之渣量已较大,炉渣 的泡沫化程度也逐渐增加,并渐渐埋没氧枪喷头。当吹炼进行到全程 的 50%~60%时间时,渣面高度达最大值,并有溢出炉口的趋势,此 时炉内的脱碳速度达峰值,且熔渣的碱度也恰好在 1.8~2.0 左右,

由于熔池温度已高,炉渣的碱度也达 3.0 左右;加之钢液的含碳量已 低,脱碳速度逐渐下降,炉渣的泡沫化程度也随之逐渐降低,并趋于 消失。 转炉吹炼的初期和末期,炉渣的泡沫化程度较低,控制的重点是 防止吹炼中期出现严重的泡沫化现象。吹炼中期炉温偏低时,容易发 生炉渣的严重泡沫化现象。严重时会发生爆发式的碳氧反应,大量的 CO 气体携带泡沫渣从炉口喷出,形成所谓的喷溅。首先,要尽可能 保证吹炼初期炉子热行。吹炼初期炉子热行,初渣易早成,可使炉内 反应正常,元素氧化速度适当,从而避免吹炼中期炉温还上不来的现 象。比如铁水温度偏低时,应先采用较低的枪位提温。铁矿石、氧化 铁皮或其他固态氧化剂等要分批多次加入, 以免使熔池温度下降过多 而抑制炉内的碳氧反应。其次,应尽量改善原料质量。再次,要合理 控制枪位。在枪位控制上,应是在满足化渣的条件下尽量低些,切忌 化渣枪位过高和较高枪位下长时间化渣。 如发现炉渣已经严重泡沫化 了,应先短时提枪,借助氧气射流的机械冲击作用,使泡沫破裂,减 轻喷油;而后立即硬吹一定时间,使渣中(FeO)的含量降低到正常 范围。一是降低钢液含氧量,以减少调整钢液成分时所加合金元素的 烧损。二是更有效地去硫,氧化精练虽也能去除部分硫,但效果远不 及还原精炼。还原渣的标志是渣中(FeO)含量很低,而且(FeO)含 量愈低炉渣的还原性愈强即脱氧、脱硫的能力愈大。还原渣的(FeO) 含量不大于 0.5%。白渣是电弧炉炼钢中常用的一种碱性还原渣。白 渣中(FeO)含量较低,碱度较高,具有良好的脱氧和脱硫能力。好

的白渣,在炉内呈轻微的泡沫状,并能均匀地粘在样勺或耙子上,冷 却后呈白色并能自动粉化,故称白渣。白渣极易与钢液分离而上浮, 较少玷污钢液,所以通常规定必须要白渣下出钢。电石渣:电石渣是 电弧炉炼钢中采用的另一种碱性还原渣。该渣的基本成分与白渣相 似,不同的是渣中含有一定量的碳化钙,其渣样冷却后呈灰色,并有 白色条纹。硅铁粉的粒度应不大于 1mm;使用前必须在 100~200℃的 温度下干燥 4 小时以上,保证水分不超过 0.2%。硅钙粉:硅钙粉由 硅钙合金磨制成,是一种优良的脱氧剂。它的脱氧及脱硫能力极强, 而且不会使钢液增碳,硅钙粉的粒度应不大于 1mm;使用前也必须进 行干燥。铝粉:铝粉的脱氧能力很强,主要用于冶炼低碳不锈钢和某 些低碳合金结构钢的还原精炼。一定温度下,与一定成分的熔渣相平 衡的钢液在含氧量愈低,炉渣的还原性愈强。熔渣的组成中,碱度的 高低和(FeO)的含量对熔渣的还原性起着决定性的作用。保持良好 的流动性是充发发挥炉渣的还能能力和加速还原过程的重要条件。 还 源精炼时,还应保持适当的渣量。首要的问题都是要造好“稀”的含 义是基本渣料中稀渣剂的比例较高,渣料熔化后沪渣的黏度较低,其 目的是保证撒加粉脱氧剂后还原渣具有良好的流动性; “薄”的意思 是炉渣层薄即应采用较小的渣量。扒除氧化渣后迅速加入钢液量 2.5%~3.0%的基本渣料,其配比为石灰:萤石:黏土砖块=4:1:1, 并立即以较大功率供电,使炉料尽快熔化覆盖钢液,以减少其吸气和 降温。维持白渣:采用白渣还原时,钢液将增碳 0.02%~0.05%,因 此,当冶炼含碳量低于 0.2%或含碳范围较窄的钢种时,可用密度较

小的木炭粉代替焦粉进行还原。 准确判断还原渣的渣况并及时进行相 应的调整操作,对提高钢的质量、缩短还原时间等具有十分重要的意 义。 查看炉渣的颜色: 碱性炉渣随其氧化性的变化而呈现不同的颜色, 所以炉渣的颜色是其氧化性强弱的标志。炉渣的氧化性强即渣中 (FeO)高时,炉渣呈黑色,随着氧化性减弱即渣中(FeO)的减小渣 色逐渐变浅:黑色→黄色→淡黄色→白色。炉渣变成白色时,渣中的 (FeO) 含量一般不大于 1%。评定白渣的好坏,不仅要看渣白的程度, 而且要注意白渣保持的时间。随时观察炉渣颜色,准确判断渣况,对 钢渣成分的控制也有很大帮助。就渣色而言,氧化渣与电石渣相似, 均为黑色,应注意识别。观察炉内冒出的烟尘的颜色:炉内的渣况不 同,冒出来的烟尘的颜色也不同,且十分明显。电石渣的烟雾浓厚, 颜色灰黑;白渣或弱电石渣,烟尘呈灰白色;炉渣脱氧不良时,烟尘 则为灰黄色。 硅在铁液中可以无限溶解,在所有的杂质元素中,硅与氧的亲和 力最大。炼钢过程中,硅的氧化产物是只溶于炉渣而不溶于钢液的酸 性氧化物 SiO2。在炼钢过程中,硅的氧化方式主要是间接氧化。当熔 池未被炉渣覆盖以及直接向熔池吹氧时, 炉料中的硅还会被氧气直接 氧化一部分。硅的直接氧化和间接氧化均为强放热反应,所以硅的氧 化反应是在温度相对较低的冶炼初期进行的。转炉炼钢中,铁水中的 硅在开吹的几分钟内便几乎全被氧化;同时,硅元素氧化放出的热量 还是转炉炼钢的主要热源之一。如果铁水含硅较高,即使炉温早已升 到碳氧化所需的温度,脱碳反应也要等到钢液中的硅含量低于 0.15%

时才能激烈进行。电炉炼钢中,如果熔化期采取吹氧助熔措施,到炉 料熔清时其中的硅已被激烈进行。 电炉炼钢中,如果熔化期采取吹氧助熔措施,到炉料熔清时其中 的硅已被氧化掉 90%。冶炼温度一定时,硅的氧化程度取决于基氧化 产物 SiO2 在渣中的存在状态。 冶炼初期, 渣中存在较多的碱性氧化物 是(FeO)因此,SiO2 先与其结合成硅酸铁。在目前的碱性操作中, 随着石灰的熔化, (2FeO·SiO2)中的 FeO 逐渐被碱性更强的 CaO 所 置换,生成硅酸钙;炼钢温度下,2CaO·SiO2 十分稳定,炉料中硅氧 化得很彻底,而且即使到了冶炼后期温度升高后,也不会发生 SiO2 的还原反应。猛与氧的亲和力不如硅与氧的亲和力大,冶炼中它被氧 化成只溶于炉渣的弱碱性氧化物 MnO。猛的氧化方式也是以间接氧化 为主。猛的间接氧化和直接氧化也都是放热反应,因此猛的氧化反应 也是在冶炼的初期进行的。不过因氧化过程中放热较少,猛氧化的激 烈程度不及硅。而在转炉吹炼中,铁水中的猛 80%左右也是在开吹后 几分钟内被氧化掉的。在目前生产上所采用的碱性操作中,由于渣中 存在着大量的强碱性氧化物(CaO) ,显弱碱性的氧化猛大部分以自由 的(MnO)存在,因而冶炼中猛氧化得远不如硅那么彻底,而且转炉 吹炼后期熔池温度升高后还会发生猛的还原反应。熔渣的碱度越高、 (FeO)含量越低以及熔池温度越高,还原出的猛越多,吹炼结束时 钢液中的猛含量即“余猛”就越高。 碳氧反应是贯穿于整个练钢过程的一个主要反应。 炼钢的重要任 务之一,就是通过向金属熔池供氧,把金属中的碳含量降至所炼钢种

的终点要求。大量的碳氧反应产物 CO 气体从熔池中逸出,会引起熔 池剧烈的沸腾。 (1)CO 气体逸出引起的沸腾对熔池具有强烈的搅拌 作用,可强化熔池的传质与传热过程,促进钢液、熔渣的成分和温度 的均匀。 (2)碳氧反应时对熔池的搅拌可以加快反应物和生成物的扩 散,并增大炉渣和金属的反应界面,能使熔池内的物理化学反应加速 进行; (3)上浮的 CO 气体可携带和促进钢中的气体和非金属夹杂物 上浮,有利于提高钢的质量; (4)大量 CO 气体通过渣层使炉渣泡沫 化和熔池中的气体、炉渣、金属三相乳化,可大大加速炼钢反应。碳 氧反应的热力学主要研究碳氧反应方程式及其平衡常数、碳氧浓度 积、熔池内的碳氧关系、碳氧反应的热效应、渣况及真空对碳氧反应 的影响等。炼钢过程中熔池内的碳有两种氧化方式,在氧气炼钢条件 下,金属熔池中少部分碳可以在反应区与气态氧接触而发生直接氧 化,其反应式为: [C]+ {O2}={CO}
1 2

△G○=-152570-34T

-

而熔池中的大部分碳是与溶解在金属中的氧相互作用而被间接 氧化的,其反应式为:[C]+[O]={CO} △G○=-22200-38.34T
-

碳的间接氧化反应为弱放热反应, 在炼钢温度下其平衡常数会随 温度的长高而略有下降。平衡常数 m=ω [C]%·ω [O]% 故称 m 为碳氧浓度乘积。即在一定温度和压力下,钢液中碳与氧 的质量百分浓度之积是一个常数,而与反应物和生成物的浓度无关。 温度一定时, 当钢中的碳含量高时, 与之相平衡的氧含量就低; 反之, 当钢中碳含量低时,与之相平衡的氧含量就高。当ω [C]%≤0.4 时,

随着钢中碳含量的降低,氧含量升高得越来越快,尤其是当ω [C]%< 0.1 时,与之相平衡的氧含量急居增高。温度对钢液中的碳氧关系影 响不大。说明当钢中碳含量一定时,与其相平衡的氧含量受温度的影 响很小。据研究证明,m 值随温度及含碳量的变化而变化。含碳量一 定时,随着温度的升高 m 值将增大,这是因为钢液中的碳氧反应为弱 放热反应的缘故。在碳低时,则是由于部分碳按照下列反应。在炼钢 温度下,只有当碳含量低于 0.1%旱,气相中 CO2 才能达到 1%以上,可 见炼钢熔池中碳的氧化产物绝大部分为 CO。C-O 反应产物为气体 CO 和 CO2,氧气转炉及电弧炉氧化期等熔池中的实际氧含量ω [O]%实际高 于与ω [C]%相平衡的含氧量ω [O]%平衡,这二者之差称为过剩氧,用△ ω [O]%表示。△ω [O]%=ω [O]%实际-ω [O]%平衡 过剩氧气△ω [O]%的存在是熔池中发生碳氧反应的必要条件(1) 过剩氧△ω [O]%与脱碳反应动力学因素有关。脱碳速度大时,则碳氧 反应接近平衡,过剩氧少;反之,过剩氧就多。过剩氧△ω [O]%随钢 液的含碳量不同而不同。 钢液的含碳量较低, 则过剩氧△ω [O]%越小, 即ω [O]%实际越接近于与碳平衡的氧含量ω [O]%平衡。正因为熔池中的碳 和氧基本上保持着平衡的关系,即碳高时氧低,因此,在含碳量较高 的冶炼初期,增加向熔池的供氧量,只能提高脱碳速度而不会增加钢 液中的氧含量;冶炼后期,要使含碳量降低到 0.15%~0.20%,则必 须维持钢液中有较高的氧含量。ω [%O]渣也随熔池中碳含量的变化而 变化,并存在下列关系。 ω [O]%渣=a(FeO)·ω [O]%max

实际上ω [O]%渣也随熔池中碳含量的变化而变化,并存在下列关 系: ω [O]%平衡<ω [O]%实际<ω [O]%渣 这个氧浓度差正是熔池中氧不断地从渣向金属传递和脱碳反应 不断进行的动力。要想使熔池含碳量低至 0.05%,必须提高熔池中的 氧含量,同时还要有很高的熔池温度和渣中氧化铁浓度。 1/2{O2}+[C]={CO} △H○=-152.4kJ
-

这是一个放热反应, 因此一般认为碳的氧化热是转炉炼钢的一个 重要热源。 (FeO)+[C]=[Fe]+{CO} △H○=85.31kJ
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钢液与炉渣之间的两相反应是一个吸热反应, 提高温度有利于反 应向生成物方向进行。 转炉炼钢中激烈的碳氧反应要等到炉内温度较 高后方能进行、电炉炼钢中规定加矿氧化温。钢中的氧和碳相互作用 的热效应[C]+[O]={CO} △H○=-35.61Kj,这是一个弱放热反应 ,降
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低温度有利于反应向生成物方向自发进行。 对于炼钢熔池内的碳氧反 应,除反应物的浓度即ω [O]%、ω [C]%和熔池温度外,炉渣的成分、 碱度和渣量对碳氧反应也有着重要的影响。 A、炉渣成分的影响 炉渣成分中对碳氧反应影响较大的是氧化铁的含量ω [O]%。 渣中 的ω [FeO]越高,通过渣钢界面进入熔池向反应区传输的氧也越多, 对碳氧反应越有利。而且随着碳氧反应的进行,必须逐渐增加渣中的 ω [FeO],因为,在一定温度和压力下进行碳氧反应时,由碳氧浓度

积的概念可知,随着钢中碳含量的不断降低 ,与之相平衡的氧含量 则不断提高, 为了使碳氧反应继续进行和保持合适的脱碳速度就必须 增加渣中的ω [FeO],保证钢中的实际含氧量能大于平衡值。碳氧反 应主要是间接反应,即首先都是生成氧化铁,然后再发生碳氧反应。 B、在温度和ω [FeO]一定的情况下,R≈1.8~2.0 时,炉渣的氧 化性最强,在脱碳过程中,应控制炉渣碱度在 2.0 左右,使其具有最 大的氧化能力。炉渣流动性的好坏,会影响到渣钢反应的接触面积和 渣中氧化铁(FeO)向钢液扩散的速度,同时还会影响到反应产物 CO 气泡的逸出,所以必须保持炉渣良好的流动性,使碳氧反应能顺利进 行。 C、在脱碳过程中,采用小渣量、薄渣层的操作是有利的。薄渣 中氧化铁的浓充相对较高,而且又减少了(FeO)向钢中扩散的距离 和 CO 气泡的逸出压力,所以有利于碳氧反应的顺利进行。 在真空条件下,由于外界压力的降低,为碳氧反应创造了良好的 热力学条件。碳氧反应式仍是:[C]+[O]={CO}。在真空条件下使 Pco 降低,平衡向氧气脱碳,并通过包底吹氩促进钢液循环。当向钢液中 吹入氩氧混合气体时,其中的氧参与脱碳反应,生成 CO 气体,随着 脱碳反应的进行,系统中 CO 气体的分压逐渐升高;但由于有氩气泡 的存在,CO 会扩散到其中,从而使碳氧反应产物 CO 的分压降低,促 进钢液中的碳氧反应的继续进行,最后 CO 气体随氩气泡的上升而一 起排出钢液。氩氧精炼为“简化真空” 。 碳氧反应的动力学主要研究碳氧反应的机理和生产中最为关心

的脱碳速度问题。熔池中的碳氧反应是一个多相反应,为了实现这个 反应,必须一方面向反应区及时供氧和供碳,另一方面反应产物 CO 必须及时排出。金属与炉气之间隔有一层炉渣,反应产物 CO 不可能 直接进入气相,而只能在熔池内部以气泡的形式析出,脱碳过程要经 过以下三个步骤: (1)熔池内的[C]和[O]向反应区即金属液-气泡界面扩散; (2)[C]和[O]在气泡表面吸附并进行化学反应,生成 CO 气体。 (3)生成的 CO 进入气泡,气泡长大并上浮排出。 1、碳氧反应产物 CO 在金属中溶解度很小,只有以 CO 气泡形式 析出,才能使碳氧反应顺利进行。2、要在一个均匀的钢液中生成一 个 CO 气泡新相, 一个首要的条件是要求生成新相的物质 CO 在钢液中 有一定的过饱和度,物质在溶液中以过饱和状态存在时,其自由能要 大于它纯态时的自由能。3、在一个均匀的液相中所析出一个新相, 而且这个新相能够长大,还要求早日生成的种核能够达到一定的尺 寸,即要达到“临界半径” 。4、在冶炼过程中,钢液中的 CO 不可能 达到很大的过饱和度,这就要求 CO 在析出时要先形成半径较大的种 核,在溶液中的某些地方,在某一瞬间,在一个很小的体积内聚集大 量的形核质点。在溶液中的某些地方,在某一瞬间,在一个很小的体 积内聚集大量的形核质点。该现象出现的几率是非常小的。在炼钢熔 池中如果要有气泡生成, 则气泡内的气体必须克服作用于气泡的外部 压力才能形成。5、在均匀的钢液内部形成 CO 气泡是不可能的,碳氧 反应只可能在现成的气泡表面进行。6、氧气顶吹转炉的碳氧反应形

式及 CO 气泡的生成地点,大致可分为高速氧射流作用区、金属与炉 渣的相界面、金属-炉渣-气体三相乳浊液中、炉衬耐火材料的孔隙中 及 CO 气泡表面五种情况:第一,在高速氧射流作用区,氧射流末端 被弥散成小气泡,它是生成 CO 的现成表面,所以该区域能发生碳氧 反应。其间接氧化反应式为 {O2}=[O] [C]+[O]={CO}或有少量的碳 直接氧化[C]+
1 {O2}={CO} 吹炼条件下,由于金属熔池的循环运动, 2 1 2

不断更新金属液表面层,形成连续地供氧,而使得碳氧反应连续不断 地进行。在氧流作用区碳的氧化约占 10%~30%。第二,在氧射流冲 击不到的地方,仍直炉渣与金属的界面存在,当矿石、石灰以及其他 渣中未熔弥散质点与金属液接触时, 接触界面上的微孔中存在少量气 体。该处是碳氧反应的现成表面,有部分碳在此被氧化。 [FeO]+[C]=[Fe]+{CO}该区域脱碳时间短暂,脱碳量极少。第三,高 压氧气流股冲击熔池时,从熔池中飞溅出大量的金属液滴,其中很大 一部分从氧射流作用区飞出而直接散落在炉渣中,形成金属 -炉渣气体三相乳浊液。由于金属液滴高度弥散在炉渣中呈乳浊状态,其接 触面相当大,供氧和供碳条件极为有利,乳浊液中金属液滴含量最高 可达 70%,一般平均达到 30%左右,在整个吹炼过程中,几乎全部金 属都要经过乳化,金属液中的碳约有 2/3 是在乳浊液中被氧化的,氧 气顶吹转炉中的碳氧反应主要发生在池浊液中。第四,炉衬耐火材料 的精糙表面也是较好的生成 CO 气泡种核的地方。[C]+[O]={CO}但此 处的供氧条件比氧射流作用区和金属 -炉渣-气体三相乳浊液中的供 氧条件要差。第五,氧流作用区飞溅出的大颗粒金属液滴,能穿过浮

浊液重新落入熔池,参与熔池中钢液的循环运动。这些金属液滴实际 上已转变成为 CO 的空心球体。由于金属液滴的数量很多,这样形成 的 CO 气泡也很多,加上熔池中来自其他区域的 CO 气泡。 真空精炼时的碳氧反应机理,真空精练时,熔池内产生气泡的极 限深度,对于未脱氧的钢液,其氧含量接近碳相平衡,即碳氧反应生 成的 CO 气泡分压,则气泡生成的极限深度为:即处理钢液时,CO 汽 泡生成的区域不可能超过钢液深度 1.18m。对于脱过氧的钢液,气泡 生成的区域应该更浅。在生成气相核心的最适宜条件下,也不可能超 过深池深度 1.18m;当用硅脱氧的钢进行真空处理时,气泡核心生成 的区域仅在 0.82m 深度内包壁处;当超过此深度就不能生成气泡;而 在用铝脱氧的钢液内部,碳氧反应几乎不可能。真空吹氧脱碳对钢中 的硅含量有一定的限制。真空精炼还必须考虑到 100~200mm 厚的渣 层覆盖在钢液面上,它会进一步降低对真空室内压力变化的敏感度, 熔池表面层约 100mm 处钢液的碳氧反应最为激烈,称为活泼层。如果 不能保证底部钢液及时上升,上层碳氧反应将很快趋于平衡。 由于[C]和[O]在气泡和金属界面上的化学反应进行得很迅速, 可 以认为在气泡和金属界面上二者接近于平衡。在远离相界面处的[C] 和[O]的浓度比气泡表面上的浓度大得我,于是形成浓度梯度,使[C] 和[O]不断地向气泡界面扩散。 1、在炼钢的大部分时间内,[O]的扩散为碳氧反应的控制步骤; 而当含碳量过低时,[C]的扩散将成为碳氧反应的控制步骤。2、碳氧 反应速度常用单位时间内从金属液中氧化碳的质量百分数来表示, 符

号 rc。3、碳氧反应过程是由三个阶段组成的。第二阶段即碳氧之间 的化学反应在炼钢的高温下非常迅速,第三阶段即碳氧反应生成的 CO 分子进入气相离开反应区所需时间也比较短,整个碳氧反应速度 主要受第一阶段所控制, 即受[C]和[O]向反应区扩散速度的控制。 (1) 当金属中的含碳量低于ω [C]%临界时,碳氧反应速度 rc 随含碳量的下 降而显著地降低,这时[C]的扩散速度将决定整个碳氧反应的速度。 (2)当金属中的含碳量高于ω [C]%临界时,[O]的扩散速度决定着整个 碳氧反应速度,随着供氧量(或 Po2)的增加,rc 也相应增大。临界 含碳量可理解为:碳氧反应速度 rc 取决于供氧量的碳范围和碳氧反 应速度 rc 取决于碳扩散的低碳范围之间的碳的交界值,临界含碳量 ω [C]%临界越低,脱碳越容易。在真空减压条件下吹氧脱碳时,临界含 量碳量可抵达 0.02%~0.03%。 真空条件对冶炼超低碳钢十分有利。 1、 在吹氧条件下,供氧速度远大于铁矿石供氧,所以吹氧氧化的脱碳速 度比加矿石氧化的脱碳速度要快得多。氧气顶吹转炉的脱碳速度,一 般为 0.1%~0.4%min,最高可达 0.6%/min 以上;而电弧炉的脱碳速 度为 0.02%~0.04%/min,其主要原因是顶吹转炉供氧速度很快,单 位时间内输入氧量多,炉内存在大量的金属-炉渣-气体三相乳浊液, CO 气体的生成和排出条件好,所以吹氧脱碳速度比氧气顶吹转炉小 得多。2、在真空吹氧脱碳时,由于临界含碳量很低,脱碳速度与[C] 的扩散关系不大,在保证供氧量的条件下,冶炼真空是影响碳氧反应 速度的主要因素。如果在钢包炉真空吹氧的同时,进行包底吹氩,即 搅拌钢液又能形成气泡种核,会使得脱碳反应速度非常迅速。3、其

脱碳工艺的核心内容是吹炼中脱碳速度及终点碳的控制。3、在吹炼 初期,虽然铁水中含碳量很高,有利于碳的氧化,但由于熔池平均温 度低于 1500℃,碳处于不活泼状态,且硅、猛含量较高,所以开吹 后以硅、猛的氧化为主,碳氧反应受到抑制而脱碳速度较低,随着吹 炼的进行,硅、猛含量逐渐下降,其氧化速度渐慢,则脱碳速度 rc 近似地以真线上升。由于吹炼初期金属中硅、猛的氧化优先于脱碳反 应,硅量降低或一开始就比较低时,则碳氧反应速度就增加,当 ω [Si]%约为 0.10 时,脱碳反应速度 rc 达到最大值,吹炼初期结束而 进入吹炼中期。4、当炉渣起泡并有小铁粒从炉口喷溅出来时,这是 吹炼初期结束的标志,应适当降低氧枪高度。通常吹氧初期占总的吹 炼时间的 20%左右。提高供氧强度、降低铁水中硅、猛含量,能缩短 吹炼初期的期间。5、吹炼中期,铁水中的硅、锰已氧化结束,熔池 温度也已较高,进入碳的激烈氧化阶段。此时,供给的氧气几乎全部 消耗于脱碳,脱碳速度就主要取决于供氧强度,而且始终保持最高水 平,基本不变。随着供氧强度的增加,脱碳速度会显著增加。 供氧强相度同时,枪位的高低对脱碳速度也有一定的影响。降低 枪位,可增加氧气射流对熔池的穿透深度,提高氧气的利用率,从而 使脱碳速度 rc 增大。吹炼中期碳氧反应激烈,渣中的氧化铁含量不 高,为此枪位不要过低,防止炉渣“返干” 。 5.2.1.3 吹炼后期,钢水中的碳浓度已很低,脱碳速度随着钢中 碳含量的减少而直线下降。 该阶段的脱碳速度之所以与钢液中的含碳量成正比, 是因为此时

的含量量已降低到了ω [C]%临界以下,碳的扩散速度大小减小,碳的扩 散成了脱碳反应的控制环节。 就根据火焰情况、供氧数量及炼时间等因素判断吹炼终点,并适 时提枪停止供氧。 所谓终点碳,是指吹炼到达终点时钢液中的含碳量,亦即出钢时 钢液应有的碳仿含量。 终点量=钢种规格的含碳中限-脱氧时的合金增碳量 终点碳的控制是转炉吹炼后期的重要操作, 目前常用的控制方法 有两种即拉碳法和增碳法。 (1)拉碳法。拉碳法是将熔池中钢液和含碳量-直脱到出钢要求即 终点时停止吹氧的操作方法。 1) 、终渣的( ? FeO)含量较低,金属的收得率高,且利于延长 炉衬寿命; 2) 、终点钢液的含氧低,脱氧剂用量少,而且钢中的非金属夹杂 物少; 3) 、冶炼时间短,氧气消耗少。 (2) 、增碳法。增碳法是在吹炼平均含碳量大于 0.08%的钢种时, 一律将钢液的碳脱至 0.05%-0.06%时停吹,而后出钢时向钢包务加增 碳剂增碳至钢两种规格要求的操作方法。 1) 、终点容易命中,省去了拉碳法终点前倒炉取样及校正成分和 温度的补吹时间,因而生产率较高; 2) 、终渣的( ? FeO)含量高,渣子化得好,去磷率高,而且有利

于减轻喷溅和提高供氧强度; 3) 、热量收入多,可以增加废钢的用量。 采用拉碳法的关键在于,吹炼过程中及时、准确地判断或测定熔 池的的温度和含碳量努力提高一次命中率。而采用增碳法时,则应寻 求含硫低,灰分少和干燥的增碳剂。 钢液的真空吹氧精简称 VOD 法(真空-吹氧-脱碳) ,主要用于冶炼 不锈钢、耐热钢和其他合金钢等。 VOD 炼的实质是真空处理和顶吹氧气相结合的冶炼工艺。

磷,由于它会使钢产生“冷脆”及恶化钢的焊接性能和冷弯性能 等,所以,常被为有害元素而需要在冶炼中脱除。 钢中的磷主要来源于铁水和生铁块等炼钢原料。这是由于高炉生 产的还原过程不能去磷, 炼铁原料即铁矿石和焦炭中的磷几乎全部被 还原剂到铁液之中。 磷在钢中以[Fe2P]形式存在,通常用[P]来表示。 磷对钢的危害主要表现为使钢产生“冷脆”现象。随着钢中磷含 量的增加,钢的塑性和韧性降低,即使钢的脆性增加。由于低温时脆 性更严重,所以称为“冷脆” 。 造成“冷脆”现象的原因是,磷能显著扩大固液相之间的两相区, 使磷在钢液凝固结晶时形成高磷脆性夹层, 使钢的塑性和冲击韧性大 大降低。

温度一定时,钢的冲击值随含磷量增中而减小;含磷量一定时, 钢的冲击值随温度的降低而减小。 由于磷在固体钢中的扩散速度极小, 为此因磷高而造成的 “冷脆” , 即使开采扩散退火也难以消除。 随着钢中[C]、 [N]、 [O]含量的增加, 磷的这种有害作用随之加剧。 钢中磷含量高时,不会使钢的焊接性能变坏,冷弯性能变差。 普通碳素钢:ω [P]≤0.045%; 优质碳素钢:ω [P]≤0.035%; 高级优质钢:ω [P]≤0.030%; 特殊用途的钢种甚至要求ω [P] ≤0.010% ;而纯净钢更是要求 ω [P]=0.0015%-0.0030%。 磷的存在对钢的某些性能具有一定的益处。磷有时可在某些钢中 当作合金元素使用。 为了增加低碳镀锡薄板的强度,常使其含磷量达到 0.08%左右。 因为溶解在钢中的磷可以提高钢的强度和硬度, 而且其强化作用仅次 手碳。该钢的稀土元素含量为 0.2%左右,它的加入是为了抑制磷的 “冷脆”危害。 自动车床与标准件的生产,要求钢材具有良好的切削加工性能, 以便提高加工速度。由于磷具有改善钢的切削性能的作用,易切削钢 的含磷量均较高。即使是磷导致的脆性,也是可以利用的。磷还可以 改善钢液的流动性,炼钢生产中主要是依靠氧化的方式进行,磷在钢 液中能够无限溶解,要去除钢中的磷,可设法使磷氧化生成 P2O5 进

入炉渣,并固定在渣中。 钢中磷被氧气直接氧化的反应式为: 2[P]+ {O2}={P2O5} 钢液中的磷不可能被溶解在钢中的氧和气态的氧氧化。 炼钢过程中的脱磷反应发生在渣钢界面和气氛顶吹转炉的乳浊液 中,是被渣中的(FeO)氧化的。其反应为式为: 2[P]+5(FeO)=(3FeO·P2O5) 上述反应式的总反应式可写为: 2[P]+8(FeO)=( 3FeO·P2O)都不稳定,炼钢过程中会随着迷人 池温度的不断升高而逐渐分解, 使磷又回到钢液之中。 在炼钢温度下, 以氧化铁为主的炉渣,其脱磷能力很低。 为了使脱磷过程进行得比较彻底,防止已被氧化的磷大量反回钢 液,目前的做法是向熔池中加入一定量的石灰,增加渣中强碱性氧化 物 CaO,使五氧化二磷和氧化钙生成较稳定的磷酸钙,从而提高炉渣 的脱磷能力。 磷的分配系数的大小可以表示炉渣的脱膦能力的强弱,该比值愈 大,即炉渣中的磷含量较高,钢液中的磷含量较低,说明炉渣的脱磷 能力就愈强,钢液脱磷愈彻底。 实际生产中,影响脱磷反应的因素很多。炉渣成分温度是影响脱 磷反应的主要因素;此外,炉渣黏度、渣量和炉料含磷量等,也对脱 磷反应有一定程度的影响。 炉渣成分对脱磷反应的影响主要反映在渣中(FeO)含渣碱度上。
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渣中的(FeO)是脱磷的首要条件,如果渣中没有氧化铁或氧化铁 含量很低,就不可以使磷氧化。纯氧化铁炉渣只有很小的去磷作用, 所以(Cao)是脱磷的充分条件。 炉渣中的(FeO)和(Cao)含量不是可以任意提高的,它们之间 有一个恰当的比值。 当渣中的氧化铁含量一定时,磷的分配系数随着炉渣碱度的增加 而增大,但有一定的限度;只有在提高炉渣碱度的同时,增加渣中氧 化铁的含量保证炉渣具有良好流动性,才会取得最佳的去磷效果。碱 度一定的条件下,渣中的(FeO)含量较低时,磷在钢渣之间分配系 数 Lp 随着渣中(FeO)含量的增加而升高, (FeO)是去磷反应的氧化 剂,同时它还能加速石灰溶化成渣和降低炉渣的黏度,增加(FeO) 含量对脱磷有利。若渣中的(FeO)含量过高,会使渣中(Cao)浓度 下降, 反而使炉渣的脱磷能力降低。 一般情况下, R=2.5-3.0、 ω(FeO) =15%-20%时,脱磷效果较好。溶渣中的(MnO) 、 (MgO)也是碱性氧化 物,但共脱磷作用不及(Cao)的浓度相应降低,反而对去磷不利。 渣中的ω (MnO)≤12%、ω (MgO)≤6%时,对去磷有一定帮助。溶 渣中(SiO2)和(Al2O3)含量的增加,将降低炉渣的碱度,所以对脱 磷不利,因此通常要限制炉料含硅量;炼钢操作中,在保证炉渣碱度 的前提下,有时加入一些铝矾土(主要成分是 AL2O3)来加速化渣和 增加炉渣的流动性,对脱磷有一定好处。 脱磷反应是强放热反应,降低温度有利于去磷反应的进行,较高 的温度能使炉渣的黏度下降, 加速石灰的成渣速度和渣中各组元的扩

散速度,强化了磷自金属液向炉渣的转移,当然,温度过高时, Kp 值的下降将起主导作用,会使炉渣的去磷效果率下降,钢中的磷含量 升高。因此将温度维持在一个合适的范围内,保证石灰基本溶化并使 炉渣有较好的流动性,对脱磷过程最为有效。去磷的合适温度范围是 1450-1550℃。 炼钢溶池中的脱磷反应主要是在炉渣与金属液两相的界面上进 行的,所以反应速度与炉渣黏度有关。在脱磷所要求的高度碱度条件 下,应及时加入到稀渣剂改善炉渣的流动性,以促进脱磷反应的顺利 进行。增大渣量必然会使渣中(P2O5)的浓度降低,促进脱磷反应的 继续进行,使钢中的磷含量进一步降低。但渣量过大,会使钢液面上 渣层过厚而减慢去磷速度,同时还压抑了钢液的沸腾,使气体及夹杂 物的排除受到影响。转炉炼钢中,若铁水含磷高则采用双渣操作。即 在保证炉内渣量合适的条件下,增加了炉渣的总量,可以提高炉渣的 去磷率。流渣或双渣操作会降低金属收得率、增加能量消耗。 在磷的分配系数一定时, 钢中的磷含量主要取决于炉料的含磷和 渣量。因此,要减少钢中的含磷量,还应贯彻精料原则,原料中尽量 少带磷, 即采用低磷技术。 炉渣氧化性脱磷是将钢中的磷氧化成 P2O5, 并与碱性氧化物结合成为磷酸盐而固定在炉渣之中,还原性脱磷时, 钢中磷是通过生成磷化物转入炉渣而被去除的, 即磷在炉渣中以负三 价形态存在。还原性脱磷主要用于冶炼含磷高的不锈钢钢液,目前仍 处于试验阶段,主要有以下三种方案:强脱氧剂脱氧之后、炉渣事氧 化铁含量较低之时,以提高钙的利用率,加入的方法是用一下压力的

氩气作为载流气体,将 Ca-Si 粉喷入钢液之中。还原脱磷后直接向钢 水面的炉渣吹氧,必然会氧化部分合金元素和增加钢中的含氧量,可 将其扒出倾倒于普碳钢液面上进行吹氧氧化。 但是这种方法操作很不 方便。 转炉炼钢即冶炼中的脱磷任务较重。 转炉的脱磷工艺主要包括选 择合适的造渣方法和吹炼中控制好枪位。氧化脱磷的关键,是在偏低 的温度下造出流动性良好的碱性氧化渣。 首先是要根据铁水的磷含量 和冶炼钢种对磷的要求选择合适的造渣方法。单渣法操作时,脱磷效 率通常在 90%左右。采用双渣操作,吹炼过程中要倒出或扒出部分炉 渣(约 1/3-2/3) ,然后重新加入渣料造渣。倒渣的时机应该选择在 渣中含磷量最高、含铁量最低的时刻,以达到脱磷效率最好、铁损最 少的效果。 双渣法操作脱磷效率通常可达 92%-95%。 双渣留渣法操作, 可以加速初期渣的形成,提高倒渣前的去磷量。可见转炉终渣留在炉 内对提高下炉钢的前期去磷率有利。双渣留渣法的总脱磷率为 95%左 右,兑铁水时易发生喷溅,一般不用。 单渣法操作简单,稳定,便于实现自动控制,因此对于含磷高的 铁水,最好是进行预处理,使其符合单渣冶炼的要求。转炉炼钢过程 中,钢液中的磷含量总的来说是逐渐降低的。在转炉吹炼过程中,影 响脱磷反应的主要因素是渣中氧化铁的含量, 而渣事氧化铁含量的高 低主要取决于枪位的控制。 流动性良好的碱性氧化渣是炉渣脱磷的基 本条件,因此造成好渣理完成脱磷任务的关键。开吹后不久,在熔池 表面就产生的气体和渣液组成的乳浊液泡沫层, 其中夹带有大量的铁

水滴(可高达炉内铁水的三分之一) ,极大地增加了钢渣两相的界面 积,能使脱磷反应加速进行。这种流动性良好而且具有一定程度泡沫 化的碱性氧化渣的生成,与吹炼中的枪位控制有直接关系。适当提高 枪位,能使渣中的氧化铁含量增加,不仅可以保证脱膦所需的热力学 条件,但枪位较高时,氧气射流对熔池的搅拌作用减小,脱碳速度较 慢, 同时氧气的利用率也较低。 如果枪位控制的较低, 碳氧反应激烈, 脱炭速度很快,易使渣中的氧化铁含量不足而易出现炉渣“返干”现 象,这对脱磷极为不利。吹炼前期的枪位控制合理,化渣良好,所以 去磷渣速度较大。吹炼初期,由于硅、锰与氧的亲和力比磷大,所以 要等到铁液中的硅、锰含量降低到较低时磷才开始氧化,而且氧化速 度不大,约 0.007-0.016%/min。因此决定吹炼初期脱磷效率的主要 因素是成渣情况,保证迅速造成具有较高碱度和高氧化铁的,流动性 良好的,一定数量的炉渣,可以使脱膦过程快速进行。影响初期脱丈 磷效率的另一个因素是铁水中的硅含量。若铁水含硅量过高时,不仅 由于硅的氧化要消耗大量的氧化铁,使渣中(FeO)的浓度较大幅度 地下降。当铁水的含硅量大于 0.3%时,便开始影响脱磷的进行。吹 炼中期,硅、锰的氧化已基本结束,炉内逐渐进入碳和磷的激烈氧化 阶段,阶段的脱磷主要与造渣好坏有关,只要化渣良好,脱磷速度可 大于脱碳速度。随着熔池温度逐渐升高,炭的氧化速度趋于峰值,强 烈地消耗渣中的氧化铁可能使渣中的Σ (FeO)降低到 7%-10%,这不 仅会使碱度上升迟缓,而且炉渣会出现所谓的“返干”现象,影响脱 磷的继续进行,甚至发生回磷。吹炼中期的温度不要过高,一般为

1600-1630℃。吹炼后期,阶段钢液中磷含量已比较低,熔也温度也 升高,只有在炉渣碱度较高、化渣良好的条件下,才有可能再次使钢 中磷下降。该阶段脱碳速度减小,钢中的磷含量会继续降低。所炼钢 种的碳含量越低,钢中的磷含量也越低。 磷从炉渣中重新返回到钢液中的现象都称之为“回磷” 。转炉成 品钢中的含磷量往往比吹炼终点时钢液中的含磷量要高, 这是吹氧结 束后出现(含铁合金脱氧)和浇注过程中的“回磷”所致。另外,在 吹炼过程中,由于熔池温度过高,炉渣、碱度和氧化铁含量过低、炉 渣返干等原因,也会发生“回磷”现象。转炉在炉内或炉包内进行脱 氧和合金化时,以及在出钢过程中,都可能发生磷由炉渣返回到钢液 中的现象,脱氧后的钢水在钢包中镇静及浇注过程中也可以发生回 磷。在钢包中的回磷现场较为严重,钢包上部的钢液中硝磷含量增加 较多,不进行炉外精练时,转炉钢水是在氧化渣下进行脱氧出钢和浇 注的,这必然会将渣中的磷还原到钢液中,回磷现象的发生及因磷程 度与以下因素有关,钢液温度过高,脱氧剂的加入降低了(FeO)活 度,使炉渣氧化能力下降,使用硅铁、硅锰合金脱氧,生成大量的 SiO2,降低了炉渣碱度, 浇注系统耐火材料中的 SiO2 溶于炉渣使炉渣碱 度下降,出钢过程中的下渣量和渣钢混冲时间等。 生产中减少回磷的措施主要有: 1、吹炼中期,要保持渣中的Σ (FeO)含量大于 10%以上,防止 因炉渣“返干”而产生的回磷; 2、控制终点温度不要过高,并调整好炉渣成分,使炉渣碱度保

持在较高的水平; 3、尽量避免在炉内进行脱氧和合金化操作,防上渣事的氧化铁 含量下降,如果改在钢水包内进行脱氧和合金化操作时,希望脱氧剂 和合金料在出钢至三分之二前加完; 4、采取挡渣球挡渣出钢等措施,尽量减少出钢时的下渣不早不 晚 ; 5、采用碱性包衬; 6、出钢时,向包内投入少量小块石灰以提高钢包内渣层的碱度, 一方面抵消包衬黏土砖被侵蚀造成的炉渣碱度下降, 另一方面可以稠 化炉渣,降低炉渣的反应能力,阻止渣钢接触时发生回磷反应。 铁水的预脱磷处理采用氧化法。 为了保证脱磷后的铁水能顺利地 进行炼钢,要求在脱磷的同时尽量减少碳的氧化。在 CaO 饱和的炉渣 下,温度较低时,磷可以优先于碳而氧化。为此,应选择适宜的吹氧 制度,以控制铁水的温度不要很快大幅升高。 铁水氧化性的控制,通常是向铁水深部吹氧,不仅使铁水的局部 区域具有过量的氧,同时又有抑制 CO 气泡生成从而延缓碳的氧化, 为了使溶渣保持较高的氧离子活度, 在脱磷之前必须对铁水进行预脱 硅处理, 因为铁水中硅高时, 脱磷时必然生成较多的 (SiO2) 。 用 Na2CO3 预脱磷时,在温度为 1300-1350℃条件下。 喷粉脱磷工艺简介 向钢液喷吹粉料是应用喷射技术来完成冶金任务的一种有效手 段,它能进行脱磷、脱硫、脱氧、去除夹杂物、调温、控制微量元素

和合金化等多项精练操作。喷粉技术是将粉料(又称粉剂)悬浮于气 体中,通过喷吹管中的输送气体(又称载流气) ,把粉剂喷射到钢水 中去在喷入的粉剂和输送气体动能的作用下, 粉剂与钢水之间产生强 烈的搅拌,成百倍地扩大了反应物的接触面积,完全改变了传统炼钢 炉内钢渣反应的动力学条件,提高了反应速度。同时,由于喷粉时是 越过渣层把粉剂直接喷入钢液而不大与大气接触,所以利用率高,而 且钢液的成分稳定。 硫也是钢中的长存元素之一, 它会使大多数钢种的加工性能和使 用性能变坏,因此除了少数易切割的钢种外,它是需要在冶炼中脱队 除的有害元素。 钢中的硫主要来源于钢炼生产所用的原料如铁水、废钢、铁合金 等。硫的钢中以[FeS]形式存在,常以[S]表示。使钢的热加工性 能变坏, 在液态铁中, Fe 和 FeS 能无限互溶, 当钢中含硫量大于 0.020% 时,钢液冷却凝固过程中,硫在未凝钢液中逐渐浓聚,最后在晶界以 连续哎呀不连续的网状硫化铁和 Fe-FeS 共晶体所出,晶界外的网状 硫化物破坏了钢基本的完整性和连续性,当钢热加工前在 1100-1250℃的温度下加热时,FeS 或 Fe-FeS 共晶体就会熔化,使晶 粒边界性呈现脆性。当进行压力加工时,锭、 坯就会出现开裂。这 种现象称为“热脆” 。热脆的存在,严重地影响了钢的热加工性能, 钢中氧含量高时,钢液凝固过程中以氧化铁析出,会与 FeS 形成熔点 更低(940℃)的 FeS-FeO 共晶体,而加刷硫的有害作用。钢中的硫 含量高时,其硫化物夹杂的总量也相应增加,从而使钢材的横向伸长

率和断面收缩率等生能降低。硫在钢锭最后凝固的区域富集,有带状 偏析组织出现,使钢材的横向塑性明显下降。含硫较高的钢材在焊接 时往往会出现高温,造成焊缝疏松,降低焊接部位的机械强度。钢中 硫含量超过 0.06%时,钢的耐腐蚀性能显著恶化;纯铁或硅钢中随着 含量的提高,磁带损失明显增加。由于含硫量小于 0.005%的低硫钢 的需求量大大增加。在个别钢中,硫则是作为合金元素使用的,目的 是为了改善这些钢所要求的某些特殊性能。改善钢的切削性能,一些 易切削钢的含硫量高达 0.08%~0.30%,不过,目前硫易切削钢已渐 被钙易切削钢所代替。关于硫在炉渣中的存在状态, (CaS) 、 (MnS) 、 (Fes)等化合物存在,在炼钢温度下能够和很多金属元素、非金属元 素结合成气态、液态或固态的化合物。目前炼钢生产中能有效脱除钢 中流的方法有碱性氧化渣脱硫、碱性还源渣脱硫和钢中元素脱硫三 种。[S]+(CaO)=(CaS)+[O]。提高渣中(CaO)或(MnO)的含量、 降低炉渣的氧化性,有利于钢液的脱硫。 (CaS)的分解压力最小,因 而在炉渣中最稳定, (CaS)基本上不溶于钢液中,所以脱硫需要增加 渣中自由(CaO)的含量,即提高炉渣的碱度。炉渣分子理论的观点, [S]+(O2-)=[S2-]+[O],碱性氧化渣和钢液间的脱硫反应,是硫在渣 钢界面上伴有电子转移的置换反应。硫在渣钢间的分配系数为: Ls=
? (S) % ? [S]%

Ks ? r (O 2? ) ? f [s] ? f [O] ?? [O]% ? f (s 2? )

1、熔池的温度。实际生产中发现,温度升高对脱硫十分有利。 这主要是因为温度的升高可以降低熔渣的黏度, 为脱磷反应创造了良 好的动力学条件,可加速反应物和生物的扩散转移,从而可知快脱硫

反应的速度。2、 提高碱度增加炉渣中自由 CaO 的浓度, 有利于式 7-1 的脱硫反应向右进行。3、钢液中的[O]和渣中的(FeO)含量。渣中 氧化铁(FeO)的含量对脱硫的影响比较复杂。4、渣中的(FeO)含 量高时,会使钢液中的氧含量增高,显然对脱硫不利;但同时(FeO) 含量增高,可使渣中氧离子的活度 a(o2-)增大而有利于脱硫反应的 进行。在碱性氧化渣中,即ω (FeO)≥10%时,增加渣中的(FeO)含 量使氧离子活度增加的因素起主要作用,能使 Ls 略有提高。 碱性还原渣脱硫只有在电弧炉还原期或炉外精练时才能实现, 其 主要特点是渣中的氧化铁含量很低,因而对脱硫十分有利。 1、还原渣的碱度。由脱硫的反应式可见,渣中含有(CaO)是脱 硫的首要条件,脱硫要在碱性渣下才能进行。渣中自由的(CaO)含 量增多,炉渣的脱硫能力增大。但碱度过高会引起炉渣的黏度增大。 R=2.5~3.0 时,脱硫效果最好。2、渣中(FeO)的含量。在还原渣 下,随着扩散脱氧的进行,渣中(FeO)的含量逐渐降低,渣中氧化 铁(FeO)含量的降低有利于脱硫反应向右进行。在还原气氛下,只 要保持炉渣具有较高的碱度脱硫效果就极为显著,在冶炼过程中,脱 氧越完全,对脱硫也越有利。3、渣中(CaF2)和(MgO)的浓度。向 炉内加入适量的萤石,增加渣中(CaF2)的浓度,能改善还源渣的流 动性,提高硫的扩散能力而有利于脱硫反应的进行。MgO 是碱性氧化 物,使渣中自由(CaO)的浓度提高,对脱硫有一定的帮助。因此一 般都不希望炉渣中含有较高的(MgO) 。4、渣量。在保证炉渣碱度的 条件下,适当加大渣量可以稀释渣中脱硫产物(CaS)浓度,对去硫

有利;但渣量过大时会使渣层变厚,脱硫反应不活泼。5、熔池温度。 在炼钢温度范围内(1500~1650℃) ,也就是说和碱性氧化渣脱硫一 样,温度对脱硫的平衡状态影响不明显。适当提高熔池的温度对脱硫 十分有利。在充分发挥护渣脱硫的基础上,还应该向钢液加入某些金 属元素进一步脱硫或减轻硫的危害。向钢中加入一定的猛,可以成熔 点为 1620℃的 MnS 从而降低钢的热脆倾向,为此通常将钢中的猛含 量控制在 0.4%~0.8%之间。冶炼过程中使用钙和稀士元素,不仅可 以使钢中的硫含量进一步降低, 更重要的是还能改变硫化物夹杂的形 态,从而提高钢的质量。一般应在钢液脱氧良好之后再用元素脱硫, 尤其是对强脱氧元素钙、铈、镧等,否则元素的消耗量大。脱硫能力 由强到弱的次序为:Ca—Ce—Zr—Ti—Mn。强脱硫剂的特点是含量或 加入量很小时, 就可使钢得到低的硫含量, 并且残存元素含量也很低, 不会因此影响钢的物理化学性质。7.3 炼钢所用原材料的含硫量不仅 会影响到生产过程中的具体操作, 而有在生产工艺一定的条件下还决 定着冶炼终点时钢液的含硫量的高低。 在强化冶炼中脱硫的同时还应 重视原材料的含硫量,即贯彻“精料”的原则。当硫在渣钢间的分配 系数 Ls 一定时, 钢液的含硫量取决于炉料含硫量的渣量。 当硫的分配 系数 Ls 一定时,钢液中的硫含量与炉料中的含硫量成正比。因此, 降低炉料的含硫量是控制钢中硫含量的有效手段。 转炉炼钢主要依靠 碱性氧化渣脱硫,最多只能脱除炉料中硫的一半,炉料中含硫量高, 采用单渣法操作是达不到脱硫要求的,而必须采取双渣法操作,这不 仅影响生产率、 增加劳动强度, 而且还会增加原材料消耗、 能源消耗。

为此,在生产中高硫铁水要进行炉外预脱硫,降低炉料的含硫量,以 便在转炉吹炼时采用单渣法操作。7.4 转炉炼钢的脱硫力不是很强, 加强熔池的搅拌, 增加它们的接触面积, 显然能加速脱硫反应的进行。 氧气顶吹转炉炼钢中的脱硫主要依靠吹炼的中期和后期。单法操作 时,吹炼前不仅不能脱硫,反而会有硫升高的现象。吹炼中期:吹炼 中期这一阶段均为脱硫的最好时期。这是因为熔池温度已经升高,石 灰大量熔化,炉渣碱度显著提高;碳氧反应激烈,炉渣泡沫化,大量 钢液呈液滴状与炉渣充分混合,渣钢的接触面积大大增加,并且渣中 氧化铁含量有所降低。此时应控制好渣中氧化铁的含量,如果氧化铁 含量过少会使炉渣返干,脱硫效果下降。当渣中氧化铁总量小于 8% 时,脱硫过程将严重受阻而使脱硫效果大大降低。进入吹炼后期,脱 碳速度逐渐减慢,熔池中搅拌程度减弱;但由于熔池温茺高,石灰基 本渣化,炉渣碱度高,炉渣的流动性良好,仍具有较强的脱硫能力。 这说明有一部分硫在吹炼过程中被“气化”而随炉气排出了炉外。转 炉吹炼中的气化脱硫可占总脱硫量的 1/3 左右。 气化脱硫是通过炉渣 进行的,硫必须首先自金属进入熔渣,才有可能通过气化脱除。所以 渣钢间的脱硫反应的是气化脱硫的基本。 高氧化铁含量对气化脱硫是 有利的, 而高碱度渣对气化脱硫不利。 当渣中氧化铁含量高达 40%时, 气化脱硫可占总脱硫量的 50%。转炉熔炼低碳钢时,气化脱硫占的比 例较大,而炉渣脱流占的比例相对减小。增大气化脱硫势必要增大铁 损,还是应该加强高碱度炉渣的脱硫。由于氧气顶吹转炉所用的金属 料主要是铁水,吹炼过程中需要加入大量铁矿石和石灰;而且没有还

原阶段,硫的分配系数 Ls 只能达到 8~10,为了能更好地降低转炉 钢水的含硫量, 通常可采用铁水预处理脱硫的说方法来控制原料中带 入的硫,也可以对已经吹炼好的钢水进行炉外脱硫。7.4 铁水的预脱 流处理是指高炉铁水在尚未兑入炼钢炉之前, 加入脱硫剂对其进行脱 硫的工艺操作。1、而转炉的脱硫率又十分有限,一般不超过 50%。2、 由于连续钢技术的发展,要求钢中的硫含量进一步降低,否则铸坯容 易产生内裂;3、铁水的预脱硫处理有利于降低消耗和成本,并增加 产生。Ca>CaC2>Na2O>Na2CO3>CaO>Mg>Mn>MgO 而处理低硅铁水时脱 硫能力的强弱顺序则为: Ca>CaC2>Mg>Na2CO3>CaO>Mn>MgO 若铁水中含有铝,CaO 的脱硫 能力便显著提高。炉外脱硫剂电石(CaC2) 、石灰(CaO) 、苏打(Na2CO3) 和镁(Mg)都有极强的脱硫能力,进行铁水预脱硫时,将脱硫剂制成 粉剂、加入后加强搅拌,增加脱硫剂与铁水的接触面积,即改善脱硫 反应的动力学条件是加速脱硫过程的主要措施;a、电石粉脱硫:用 电石粉脱硫时, 脱硫反应是在固体电石粉和液体铁水的交界面上进行 的。脱硫时,在电石粉颗粒的表面形成疏松多孔的 CaS 层,铁水中的 硫能够很容易地穿过此层而与内层的 CaC2 继续进行化学反应。用 CaC2 做脱硫剂时,脱硫的限制性环节是硫在铁水一侧边界层中的扩散,即 硫在液相中的扩散为其限制性环节。b、石灰粉脱硫:用石灰粉脱硫 时,其脱硫过程也是固液两相反应。若铁水中的硫含量较低(ω [S] <0.040%,1300℃) ,脱硫时在石灰粉粒表面生成较薄的反应层,与 用 CaC2 脱硫一样,限制性环节是液相中硫的扩散;若铁水中含硫较

高(ω [S]<0.080%,1300℃) ,脱硫时将在石灰粉粒表面包围着一层 厚而致密的 2CaO·SiO2 和 CaS 反应层,铁水中的硫必须通过这致密的 反应层才能与石灰粒内层的 CaO 起作用。 “固相扩散”便成为脱硫过 程的限制性环节。石灰粉脱硫的特点是速度慢,脱硫剂耗量大。c、 用苏打粉脱硫时, Na2CO3 的熔点仅为 852℃, 在铁水的温度条件下为液 体。Na2CO3 有很强的脱硫能力,比 CaO 的脱硫能力约大 100 倍,接近 CaC2 的脱硫能力。脱硫的同时,还会脱除钢液中的磷、硅、碳、钒、 铌、钛等元素。反应扎生成的 CO2、 CO 等气体可以加强对铁液的搅拌, 促进脱硫效率的提高。温度对预脱硫的效率也有一定的影响。温度高 时化学反应速度快,而且在固相和液相中的扩散速度加快、喷吹气流 的穿透率增加,所以较高的温度有利于提高脱硫效率。使用促进剂 CaCO3 的 MgCO3 对提高预脱硫效率也有一定的作用。 例如用 CaC2 或 CaO 喷射脱硫时, 可掺入适量的促进剂 CaCo3 或 MgCO3。 促进剂在高温下分 解出 CO2 气体,使运载气体形成的气泡破裂,释放出封闭在这些气泡 中的脱硫剂,同时还能强烈地搅拌铁水,从而使脱硫剂的利用率和脱 硫效率都得到提高。7.4.4.2 本操作环节不外乎是加脱硫剂、搅拌、 扒渣取样和测温。A、机械搅拌法:机械搅拌法是旋转浸在铁水中的 搅拌棒或搅拌翼搅拌铁水和脱硫剂,以促进脱硫反应的进行。脱硫率 以决于脱硫剂的添加量、叶轮转动速率和处理时间。脱硫搅拌时间一 般为 10~15 分钟,整个脱硫作业周期为 30~50 分钟。搅拌法预脱硫 的设备基建费用较大,平时维修的费用较高;同时,脱硫前后均需进 行扒渣操作,铁水在处理过程中的温降较大,通常可达 30~50℃。B、

喷身法:干燥空气或氮气将脱硫剂喷入并搅动铁水的脱硫方法。喷射 管可插入普通铁水罐内,亦可插入鱼雷式铁水气将脱硫。作业率高, 处理能力较大。喷吹法基本投资费用较低,脱硫剂可用部分价廉的石 灰粉、石灰石粉,而且处理铁水量大,所以处理成本较低;处理前不 需扒渣,喷枪插入操作也比较方便,而且喷枪本身结构简单,制作、 维修方便;由于鱼雷式铁水罐有较好的保温性能,所以铁水降温仅为 10~20℃。脱硫作业在鱼雷式铁水罐车内进行,以氮气为载流气体, 采用顶喷法将脱硫剂(CaC2、CaO)喷入铁水内。脱硫剂的吹入有单喷 电石粉或石灰粉。GMR 法是应用气泡泵扬水的原理进行铁水预脱硫的 一种方法。 CLDS 该法又称铁水连续脱硫法,它是利用一个中间水罐,吹氩 搅拌加入的脱氧剂,使脱硫剂与铁水充公接触而进行脱硫。 用美脱硫利用镁进行硫主要有两种方法,镁-焦脱硫法和喷吹镁 粉法。镁-焦脱硫法所用镁-焦,是由含量 43%以上的镁渗透浸入焦炭 制成的。操作时,把镁-焦放于铁皮容器内,然后把此容器浸入铁水 中。由于镁在高温下沸腾离开焦炭而与铁水接触,并与其中的硫反应 生面 MgS,上浮到铁水表面而成渣。 用镁进行铁水预脱硫的主要是喷吹镁粉法。 脱硫剂是决定脱硫率 和脱硫成本的主要因素之一。选择脱硫剂时,主要从其脱硫剂时,主 要从其脱硫有力、成本、资源、环境保护、石灰石等、镁粉等。电石 粉是铁水预处理的主要脱硫剂,用电石粉脱硫有如下特点: (1)在高 碳铁水中,CaC2 分解出的钙离子与铁水中的硫的亲和力很大,因而有

很强的脱硫能力, 而且这个反应是放热反应, 有利于减少铁水的降温。 (2)脱硫生成物 CaS 熔点 2450℃,在铁液表面形成疏松的固体渣, 活度较低,有利于防止回硫; (3)脱硫时生成的碳除了饱和溶液解于 铁液外,其余以石墨态析出,会污染环境。 (4)电石粉易吸潮; (5) 生产电石时的能耗很高,因而价格昂贵。 用石灰粉脱硫有如下特点: (1) 当铁水中的硅氧化成 SiO2rg ;(2) 脱硫渣为固体渣; (3)石灰粉的流动性较差。 (4)喷入的石灰粉; (5) 石灰粉价格低廉。用石灰粉硫脱有如下特点: (1)石灰石粉受热分解 出的 CO2 气体加强了对铁水的搅拌作用, 同时喷吹中 CO2 气泡还会使 铁水中悬浮着脱硫剂粉粒的气泡破碎, 增加了脱硫剂和铁水的接触机 会,提高了脱硫能力,因而也把石灰石粉称为“脱硫促进剂”有资料 报道, 用电石粉配加石灰石粉作脱硫剂比用电石粉配加石灰粉时的脱 硫效果提高 5%; (2)石灰石粉吹入铁水,其分解是吸热反应,同时 分解出来的 CO2 气体如过于集中将使铁水产生喷溅, 所以石灰石粉的 使用比例受到限制,通常在 5%-20%的范围内; (3)资源丰富,价格 低廉。 使用镁粉脱硫,由于有镁蒸气产生,使得反应附近搅拌良好,脱 硫效果好,为提高镁的利用率,常与石灰粉混合使用。镁粉的制备、 保存和运输中应防其氧化,甚至燃烧。为了降低成本,减少电石粉的 消耗,脱硫剂中常配加一定数量的石灰粉或石灰石粉。脱硫剂的配比 主要是根据脱硫要求和铁水条件而定, 基本原则是在满足脱硫要求的 前提下,尽量少配电石粉以降低成本。脱硫要求不高时,脱硫剂的组

成以石灰粉为主,脱硫剂的粒度对其脱硫效果的影响很大。常用脱硫 率、 脱硫剂的反应率及脱硫剂效率等指标来评价铁水预处理的脱硫效 果。 钢液的炉外脱硫,是指钢液在出钢到钢包内后进行的脱硫操作, 其目的是进一步降低钢中的硫含量。 目前常用的钢液炉外脱硫方法有 金属脱硫剂包内沉淀脱硫和包内喷粉脱硫两种。金属脱硫剂沉淀脱 硫,金属脱硫剂沉淀脱硫是钢铁炉外脱硫的主要方法之一。金属元素 沉淀脱硫不仅可以降低钢液的含硫量, 而且还能改为残留化物夹杂的 形态,从而有利于提高钢的质量。起初,炉外硫脱的做法比较简单, 即在出钢过程中把块状的脱硫剂加入到钢包之中即可。但效果不理 想,目前则多采用喂丝技术,即将脱硫剂制成丝料,用喂丝设备直接 插入钢包中,对钢水进行沉淀脱硫。 喷粉脱硫,根据吹喷物不同,喷粉脱硫可以分为以下两种工艺。 (1)喷吹金属氧化物脱硫,喷入的金属氧化物主要鲜化镁,氧化锰 和氧化钙等,它们可以和钢液中碳一起共同脱硫,以氧化镁为例。其 脱硫反应式为: MgO(S)+[S]+[C]=MgS(S)+{CO} 金属氧化物与碳的共同脱硫反应为吸热反应, 因此较高的温度有 利于各反应向右进行。 (2)喷吹合成渣粉脱硫,喷吹合成渣粉钢包脱 硫是近年来发展起来的一种炉外钢液脱硫工艺。 钢包精炼炉同时具备真空脱气,精炼和浇注三个功能。对初炼炉 的钢水可以进行真空脱气,真空吹氧脱硫,脱氧、脱硫、调整成分与

温度等精炼操作,并能电弧加热和搅拌钢液,因此冶炼的钢种范围较 广。LF 炉没有真空设备,加热时,电弧是发生在钢包内钢液面上的 炉渣中,即所谓的埋弧精炼,处理时添加合成渣,用氩气搅拌钢液在 非真空还原性气氛下精炼。把真空设备的炉外精炼称为 LFV 法。初炼 钢水进入钢包除渣后,根据脱硫的要求造新渣,如果造中性渣,若需 要脱硫,则造碱性渣。当钢水温度符合要求时,立即进行抽气真空处 理。在真空处理的同时,按钢种规格的下限加入合金,并使钢中的硅 含量保持在 0.10%-0.15%, 以保持适当的沸腾强度。 真空处理约 15-20 分钟。然后取样分析,并根据分析结果按钢种规格的中限加入少量合 金调整成分, 同时, 向溶池加铝进行沉淀脱氧。 如果初炼钢液温度低, 则需先在加热工位进行电弧加热,达到规定温度后才能进入真空工 位,进行真空精炼。 脱氧与非金属夹物 为了去除炉料中的各种杂质元素以及脱碳去气、去夹杂,许多炼 钢方法都选择了向熔池供氧即通过氧化的方式来达到目的。 氧化结束 后,钢液中热必溶有大量的氧,也会对钢的质量产生很大的危害。在 完成氧化任务后,应设法降低钢液中的含氧量,减少含氧量的操作叫 脱氧。 钢中的危害性 (1)产生夹杂。钢液凝固时,其中多余的氧将会与钢中的其他 元素结合以化合物的形式析出,形成钢中的非金属夹杂物。非金属夹 杂物的存在,破坏了钢其体的连续性,会降低钢的强度极限、冲击韧

性、伸长率等力学性能和导磁、焊接性能等。 (2)形成气泡。如果钢液中的氧含量过高,在随后的浇注过程 中,会因温度下降和选择结晶与钢中碳再次发生以应,产生 CO 气体。 这些 CO 气体若不能及时排除,则会使钢锭(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)加剧硫的危害,氧能使硫在钢中的溶解度降低,加剧硫的 有害作用,使钢的热脆倾向更加严重。 氧在钢中是有害元素,脱氧好坏是决定钢质量的关键。脱氧的目 的就是要降低钢中的含量,改善钢的性能,保证钢锭(坯)的质量。 所有钢种在冶炼最后阶段都必须进行脱氧操作,其具体任务为: (1 ) 按钢种要求降低钢液中溶解的氧。 脱氧的第一步是要把钢液中溶解的 氧降低到钢种所要求的水平。 通常采取的方法是向钢液中加入与氧亲 和力大的元素即脱氧剂,使其中的溶解转换成了溶于钢液的氧化物。 (2)排除脱氧产物。脱氧的第二步是要最大限度地排除钢液中的脱 氧产物。实际生产中,常采取复合脱氧,注意合金的加入顺序,加强 搅拌等措施促使脱氧产物上浮。 脱氧是要从钢液中除去以各种形式存 在的氧。 (3)控制残留夹杂的形态和分析,这部分残留的氧在钢液结 晶时还会形成夹杂物。 随着钢材使用条件越来越苛刻和钢材成品越来 越精强。生产中常通过向钢中添加变质剂等方法,使成品钢中的非金 属夹杂物分布合适,形态适宜,以保证钢的各项性能。 (4)调整钢液 成分。生产中尤其是生产碳素钢时,通常是依据合元素回收率,通过 控制合金加入量的方法达到脱氧的同时调整钢液成分的目的。

在温度、压力一定的条件下,与一定浓度的脱氧元素相平衡时, 钢液中的氧含量的高低,称为元素的脱氧能力,和一定浓度的脱氧元 素平衡存在的氧含量越低,该元素的脱氧能力越强。脱氧元素应满足 以下基本条件: (1 ) 与氧的亲和力要大。 脱氧元素与氧的亲和力要大, 这是其进行脱氧的必要条件。 (2) 脱氧产物应不溶于钢液而且密度小、 溶点低。 (3)残留的脱氧元素对钢无害,这些残留元素应能改善钢的 性能, 起码应对钢无害。 (4) 价格便宜。 尽量选用价格低的脱氧元素, 以降低生产成本。 比较元素的脱氧能力必须注意三点,温度相同,元素在钢中的含 量相同,脱氧反应达到平衡。 Re→Zr→Ca→Al→Ti→B→Si→C→P→Nb→V→Mn→Cr→W、Fe、 Mo→Co→Ni→Cu (1)钴、镍、铜等元素的氧的亲和力比铁小,即它们没有脱氧 能力。 (2)铁、钨、钼三元素常作为合金剂使用。 (3)其中锰、硅、 铝、碳是炼钢中常用的脱氧元素。铝脱氧能力最强,而锰最弱。随着 各元素的增加,与之平衡的金属的含氧量下降,但当元素的含量达到 一定数值之后, 再增加脱氧元素的含量时, 与之平衡的含量反而增大, 而且脱氧能力越强的元素,其平衡氧含量增高的临界含量就越低。脱 氧反应都是放热反应,元素的脱氧能力随温度的降低而增强,所以, 从脱氧剂加入开始到完全凝固为止,钢液中一直进行着脱氧过程,使 钢中溶解态的氧不断地降低。 锰的脱氧反应是一个放热反应,其脱氧能力随温度的升高而下

降。在炼钢生产中,锰却是最常用的脱氧元素。 (1)锰能提高硅和铝 的脱氧能力。配加适量的锰进行脱氧,会使硅或铝的脱氧能力得到提 高,同时脱氧产物为液态容易上浮。 (2)锰的沸腾钢无可替代的脱氧 元素。 (3)锰可以减轻硫的危害。脱氧后残留在钢中的锰可与硫生成 高溶点的(1620℃)塑性夹杂物 MnS,降低钢的热脆倾向,减轻硫的 危害作用。硅是镇静钢最常用脱氧元素。硅的脱氧能力较强。在碱性 渣下,硅的脱氧能力可以得到充分的发挥。单独用硅脱氧时,很容易 生成固态并以小颗粒状诚存在的 SiO2,难以从钢液中上浮而排除。 随着温度的降低其脱氧能力明显提高。铝是很强的脱氧剂,铝常被用 作终脱氧剂。铝的脱氧能力很强,不仅可以脱除钢中溶解的氧,而且 还能使渣中的 MnO、Cr2O3 及 SiO2 还原。铝的脱氧能力会随着温度的 降低和炉渣碱度的增加而增加。铝除了作为脱氧剂外,还具有如下作 用: (1)降低钢的时效倾向性,铝可与氧形成稳定的 AlN,防止氮 化铁的生成,从而降低钢的时效倾向。 (2)细化钢的晶粒,用铝脱氧 时,钢液中会生成许多细小而高度弥散的 AlN 和 Al2O3,这些历小的 固态颗粒可以成为钢液结晶时的晶粒核心,使晶粒细化。还可防止在 其后的加热过程中,固态钢中的奥氏体晶粒的长大。碳脱氧的生成物 是 CO 气体,极易从溶体中排除,因此用碳做脱氧剂时,钢液不会被 玷污,这对于冶炼高级优质钢十分有利。温度变化对碳的脱氧能力影 响不大。在常压条件下,碳的脱氧能力有限,单独用碳木不能完成脱 氧任务,常与硅、铝等脱氧能力较强的元素同时使用。钙元素与氧的

产和力非常大。 钙虽然是很强的脱氧剂, 但它在铁水中的溶解度很小, 利用率很低。促使钢中的脱氧产物上浮是脱氧全过程中的关键环节。 也是减少钢中夹杂物,提高钢质量的主要工艺手段。脱氧产物从钢中 的去除程度,主要取决于它们在钢液中的上浮速度。脱氧产物的上浮 速度主要受三个因素的影响: (1)钢液的黏度。钢液的黏度越大,脱氧产物上浮时所受的黏 滞力即阻力越大。脱氧产物的上浮速度与钢液的黏度成反比。脱氧产 物的密度较小时,两者的密度即脱氧产物上浮的动力较大,因而上浮 速度较快。 (2)脱氧产物的密度。脱氧产物的密度较小时,两者的密 度差即脱氧产物上浮的动力较大,因而上浮速度较快。 (3)脱产物的 半径。半径越大,脱氧产物在钢液中所浮的浮力也越大,脱氧产物的 上浮速度与其半径的平方成正比。 脱氧产物的半径是影响其上浮的关 键因素。 设法增加脱氧产物的半径即形成大颗粒夹杂物是促使其上浮 的最为直接而有效的措施。 悬浮在钢液里的固相或液相脱氧产物,都有自发聚合长大的趋 势。增大脱氧产物的半径有两大途径,即形成液态的脱氧产物和形成 与钢液界面张力大的脱氧产物。 大颗粒的脱氧产物是由细小颗粒在互相碰撞中合并、聚集、粘附 而长大的,其中以液态产物合并最牢固。希望生成的脱氧产物是低熔 点的液态产物。实现这一目的的主要措施是对钢液进行复合脱氧,即 同时使用两种或两种以上元素对钢液进行脱氧。 形成与钢液间界面张力大的脱氧产物, 炼钢温度下铝的脱氧产物

是细小的固体颗粒。这说明名的脱氧产物的上浮速度很快,在出钢和 浇注过程中,绝大部分都被排除掉。关于 AL2O3 夹杂物上浮速度快的 原因,由于 AL2O3 与钢液间的界面张力较大的缘故。炼钢生产中脱氧 方法主要有沉淀脱氧、扩散脱氧、喂线脱氧和真空脱氧等五种。 报谓沉淀脱氧,是指将块状脱氧剂沉入钢液中,熔化、溶解后直 接与钢中氧反应生成稳定的氧化物,并上浮进入炉渣,以降低钢中氧 含量的脱氧方法。又称直接脱氧。操作简便、成本低而且过程进行迅 速,是炼钢中的应用最广泛的脱氧方法。钢液的脱氧程度取决于脱氧 元素的脱脱能力和脱氧产物从钢液中排出的难易, 所以一般选择脱氧 能力强而且生成的脱氧产物容易排出钢液的元素作为沉淀脱氧剂。 但 采用沉淀脱氧部有一部分脱氧产物残留在钢液中,影响钢的纯洁度, 这是沉淀脱氧的主要缺点。 沉淀脱氧时,通常使用复合脱氧剂,这是因为: (1)复合脱氧剂 可以提高元素的脱氧能力。 (2)复合脱氧可以提高元素在钢水中的溶 解度。 (3)复合脱氧可以生成大颗粒或液态的产物容易上浮。 (4)复 合脱氧可以使夹杂物的形态和组成发生变化有利于改善钢的质量。 沉淀脱氧使用的脱氧剂是块状的,常用的有锰铁、硅、铁、铝、 硅锰合金、硅锰铝合金和硅钙合金等。锰铁(Fe-Mn)高碳猛铁(又 称碳素锰铁,含碳 7.0%-7.5%) ,中碳锰铁(含碳 1.0%-2.0%)和低碳 锰铁(含碳 0.2%-0.7%)三种。一般来讲,含碳量越高,生产成本越 低,锰铁的价格也越低。硅铁(Fe-Si)因此沉淀脱氧常用 FeSi45 或 FeSi75。铝(AL)纯铝的密度小,作为沉淀脱氧剂的金属铝含铝量在

98%以上,根据炉子溶量的大小浇成一定重量的铝饼或铝锭。为了提 高铝的回收率,有的企业制成含铝 20%-55%的铝铁使用,以增加其密 度。硅锰合金(Mn-Si)硅锰合金是一种复合脱氧剂,它是铁、锰、 硅三种元素组成。硅锰合金成分中最关键的是锰和硅的比值。硅钙合 金(Ca-Si)硅钙合金通常含硅 55%-65%,含钙 24%以上。硅钙合金的 的脱氧产物为球状,且能均匀分布在钢中。在冶炼不锈钢,高级优质 强求构和某些特殊合金时,硅钙合金获得广泛的应用。硅锰铝的脱氧 效果优于硅锰合金,广泛用于高级结构钢的冶炼。将粉状脱氧剂撒在 渣面上,还原渣中的(FeO) ,降低其含氧量,促使钢中的氧向渣中扩 散, 从而达到降低钢液氧含量的目的, 这种脱氧操作叫做炉渣脱氧法, 称为扩散脱氧法。只要设法降低渣中 FeO 含量,使其低于与钢液相平 衡的氧量,则钢液中的氧必然要转移到炉渣中去,从而使钢中的含氧 量降低。此时控制钢液中含氧量的主要因素已不是含碳量,而是炉渣 中氧化铁的含量。炉渣脱氧的最大优点是钢液不会被脱氧产物所玷 污。但是,其脱氧过依靠原子的扩散进行,速度极为缓慢,实际生产 条件下扩散脱氧几乎不可能进行。喷粉冶金技术是用氩气做载体,向 钢水喷吹合金粉末或精炼粉剂,以达到脱氧、脱硫、调整钢液成分, 去除夹杂和改变杂物形态等目的的一种快速精炼手泰山。 喷粉脱氧是 利用冶金喷射装置,以惰性气体(氩气)为载体,将特制的脱氧粉剂 输送到钢液中进行直接脱氧的工艺方法。喷粉脱氧还可以使用密度 小、沸点低或在炼钢温度下蒸气压很高的强脱氧剂,喷粉冶金技术具 有传统精炼技术所不具备的反应速度快、效率高、产品质量好、经济

效益显著的特点。 (1)硅钙粉和电石粉类; (2)铝、镁类; (3)石灰 粉。喷粉脱氧可以在炼钢炉内进行,也可以在钢包内进行。炉内喷粉 脱氧时,因熔池浅,喷溅严重,而且脱氧粉剂容易随着载流气体逸出 溶池并在渣面上燃烧而导致其利用率下降。 炉内喷粉脱氧还是要比沉 淀脱氧的效果好。 影响喷粉脱氧效果的因素主要有以下五个: (1)喷枪插入深度。 喷枪的插入深度主要取决于钢液熔池的深度。 喷枪应插得深一些。 (2) 喷吹压力; (3)脱氧为剂喷入量和喷吹时间,脱氧粉剂喷入量越大, 钢液中最终氧含量越低,在喷吹强度一定的条件下,喷吹时间越长, 脱氧效率越高。 喷粉后对钢液的吹氩洗涤时间要合适, 吹氩时间太短, 脱氧产物来不及排除,但喷吹和洗涤时间过长,会使炉衬(包衬)和 喷枪侵蚀严重及包内钢液温度降低太多。 (4)脱氧产物的影响,钢液 喷粉脱氧时,其产物对脱氧效果的影响很大。如果脱氧产物为大型球 状易熔夹杂物,就能很快地上浮排除,反之,若为细小的固态颗粒则 上浮很慢。喂线脱氧技术是把包有炼钢添加剂的合金心线或铝线,用 喂线机以所需的速度加入到待处理的钢液中, 达到使钢液脱氧 (脱硫、 微合金化、控制夹杂物的形态)的目的,以改善钢材机械性能。 喂线脱氧通常和吹氩搅拌法并用,其主要特点是设备简单、操作 方便、合金收率高,因此可以用钙和稀土等易氧化元素来进行脱氧。 加钙处理可以改善钢的质量。 因此直接加钙会引起沸腾喷溅, 烧损大, 在钢中分布也难均匀。而喂线技术的度喂入钙线,可把钙线送到使钢 液静压力超过钙蒸气压的深度,使球状钙的液滴缓慢浮升。喂线技术

喷粉技术之后发展起来的,它不仅具备了喷粉技术的优点,消除或大 大减小了其缺点,而且在添加氧化元素,调整钢的成分,控制气体含 量,设备投资与维护,生产操作与运行费用,产品质量、经济效益和 环境保护等方面的优越性更为显著。 所以炉外精炼的真空手段对钢液 的脱气、脱氧、越低碳钢种的脱碳等反应产生有利的作用。真空条件 下,要使钢液中的氧在精炼时自动析出,外界压力(即真空度)必须 小于 0.78×10-3Pa。即在真空条件下,钢液中溶解的氧不能自动析 出,真空脱氧也必须加大脱氧剂,依靠脱氧反应来完成脱氧任务。脱 氧主要是依靠硅、铝等与氧亲和力比铁大的元素来完成。这些元素与 溶解在钢液中氧作用生成不溶于钢液的脱氧产物, 并上浮排除出钢液 而使钢液中的氧降低。 钢中的非金属夹杂物主要是铁、 锰、 铬、 铝、 钛等金属元素与氧、 硫、氮等形成化合物。其中氧化物主要是脱氧产物包括未能上浮的一 次脱产物和钢液凝固过程中形成的二次脱氧产物。 非金属夹杂物的存 在破坏了钢基体的连续性,造成钢组织的不均匀,对钢的各种性能都 会产生一定的影响。 钢中非金属夹杂物主要来自以下几个方面: (1)原材料带入的杂 物。 (2)冶炼和浇注过程中的反应产物。这是钢中非金属夹杂物的主 要原来。 (3)耐火材料的侵蚀物。 (4)浮化渣滴杂夹物,镇静时间不 够,渣滴来不及分离上浮,就会一句留在钢中,成为所谓的乳化渣滴 夹杂物。另外,出钢和浇注过程中,炉盖、出钢槽、钢包和浇注系统 吹扫不干净,各种灰尘微粒的机械混入,将成为钢中大颗粒夹杂物。

钢中非金属夹杂物的分类: (1)按夹杂物的组成分类,氧化物系 夹杂物, 简单化物, 简单氧化物夹杂 FeO、 Fe2O3、 MnO、 SiO2、 Al2O3、 TiO2 等。 (2)复杂氧化物。 (3)硅酸盐。硅酸盐类夹杂是由金属氧 化物和二氧化硅组成的复杂化合物。 (4)固溶体,氧化物之间还可以 形成固溶体。硫化物系夹杂物,含硫量高时,在铸态钢中以熔点仅 1190℃和 FeS 形式在晶界析出,从而导致钢产生“热脆” 。为了消除 或减轻硫的这一危害,一般的方法是向钢中加入一定量的锰,以形成 熔点较高的 MnS 夹杂 (熔点为 1620℃) 。 钢中的硫化物夹杂主要是 FeS、 MnS 和它们的固溶体(Fe、Mn)S。随着ω (Mn)/ω (S)比的增大, FeS 的含量越来越少,这是由于锰比铁对硫有更大的亲和力。在多数 钢中,硫化物是比氧化物更重要的夹杂物。硫化物在固态钢中有三类 不同的形态。 氮化物系夹杂物,一般情况下,钢液的含氮量不高,因而钢中的 氮化物夹杂也就较少。在出钢和浇注过程中,钢液会吸收空气中的氮 而使钢中氮化物夹杂的数量显著增多。 将不溶于或几乎不溶于奥氏体 并存在于钢中的氮化物才视为夹杂物,其中最常见的是 TiN。按热加 工变形后夹杂物的形态分类, 主要用于研究各类夹杂对钢性能的不同 影响。 (1)塑性夹杂,这类夹杂的塑性好,变形能力强,在热加工过 程中沿加工方向延伸成条带状。 (2)脆性夹杂塑性差,变形能力弱, 热加工时沿加工方向破碎成串。 (3)不变形夹杂。在钢进行热加工的 过程中保持原有的球形(或点状)不变,钢基体围绕其流动,这一类 夹杂叫做球形(或点状)不变形夹杂。

按夹杂物的来源分类。钢中非金属夹杂物一般分类两类: (1)外 来夹杂物,在冶炼及浇注过程中混入钢液并滞留其中的耐火材料,熔 渣或两者的反应产物以及各种灰尘微粒等称外来夹杂。 (2)内生夹杂 物,是在脱氧和钢液凝固时生成的各种反应产物,主要是氧、硫、氮 的化合物, 第一次夹杂: 在冶炼过程中生成并滞留在钢中的脱氧产物, 硫化物和氮化物称为一次夹杂,也称原生夹杂。二次夹杂:出钢和浇 注过程中, 由于钢液温度降低, 导致平衡移动而生成的非金属夹杂物, 称为二次夹杂。三次夹杂,钢液在凝固过程中,因元素的溶解度下降 引起平衡移动而生成的夹杂物为三次夹杂。四次夹杂,固态钢发生变 相时,因溶解度发生变化而生成的夹杂物称为四次夹杂。内生夹杂物 主要是一次夹杂和三次夹杂。内生夹杂物的分布比较均匀,颗粒了比 较细小,而且形成时间越迟,颗粒越细小。按夹杂物的尺寸分类,又 称金相分类法。宏观夹杂,凡尺寸大于 100μ m 的夹杂物称为宏观夹 杂,又称大型夹杂物。这一类夹杂物用肉眼或放大镜即可观察到,主 要是混入钢中的外来夹杂物, 钢液的二次氧化也是大型夹杂物的主要 来源,钢中的大型夹杂物的数量不多,但对钢的质量影响却很大。微 观夹杂,凡尺寸在 1-100μ m 之间的夹杂叫做微观夹杂,因为要用显 微镜才能观察到故又叫显微夹杂。 微观夹杂主要是二交夹杂和三次夹 杂。超显微夹杂,凡尺寸小于 1μ m 的夹杂物叫做超显微夹杂。主要 是三次夹杂和四次夹杂,认为钢中的该类夹杂数量很多,但对钢性能 的危害不大。夹杂物对钢强度的影响,非金属夹杂物对金属材料的强 度指标如抗拉强度,屈服强度影响不大。当夹杂物颗粒较大时,会使

钢的强度略有降低,当夹杂物颗粒较小时,弥散强化有作用会使钢的 强度有所提高。 夹杂物对钢塑性的影响。夹杂物对钢冲击韧性的影响,冲击韧性代表 钢材低抗横向冲击破坏的能力。钢中有非金属夹杂物存在时,由于风 与夹杂物的变形量不同,导致钢在受到冲击时,应力分布不均匀,即 在夹杂物与钢的联合处出现应力集中。 当该处应力超过其强度极限或 塑性允许值时, 会使钢与夹杂物的界面处的联结断裂或使夹杂本身破 碎而产生裂纹。裂纹的进一步扩大将导致钢材断裂。夹杂物对钢疲劳 性能的影响 金属材料在一定的重复或疚变应力作用下, 经多次循环后发生破 的现象称为疲劳。研究发现,材料因疲劳而破坏的过程是疲劳裂纹发 生和扩大的过程, 而疲劳裂纹的发生和发展起因于材料的局部应力集 中,凡是引起局部应力集中的因素如夹杂物、微裂纹等,都将影响材 料的疲劳寿命。 当其他条件相同时,夹杂颗粒越大,不利影响越大;多角形夹杂 物比球状夹杂物的危害性大;钢的强度水平越高。 夹杂物对钢铸造性能的影响: 钢中存在大量的非金属夹杂物时极 易引起偏析,使铸件产生热裂而报废。 夹杂物对加工性能的影响:FeS 夹杂会使钢的热加工性能变坏, 但随着 MnS 数量的增加,钢的热加工性能也会下降。 夹杂物对钢切削性的影响: 钢中的氧化物和硅酸盐夹杂的硬度较 高,会使刀具过早地磨损或损坏,导致钢的切削性能下降。提高夹杂

物的硬度对切削性能是不利的。硫化物能增加钢的脆性,切屑容易断 裂,使切屑和刀具的接触面积减小,因而摩擦阻力和切削阻力变小, 可提高机床效率和刀具寿命。 含钙的氧化物夹杂对切削性能有良好的 影响。通常是钢中夹杂物的数量越多、颗粒越大、性质越脆更、分布 越不均匀,危害性越大。 8.7:钢中的氮化物较少,主要是氧化和硫化物夹杂,减少钢中 夹杂物的关键,是减少钢中的氧化物夹杂和硫化物夹杂。1、最大限 度地减少外来夹杂;2、有效地控制内生夹杂;3、防止或减少钢液的 二次氧化;已脱氧的钢液,在出钢和浇注过程中与大气(或其他氧化 性介质)接触再次被氧化的现象,称为“二次氧化” 。二次氧化阁下 物的颗粒比脱氧产物大得多,防止或减少钢液的二次氧化。1、制好 出钢温度;2、掌握正确的钢操作;3、注意保护浇注。 8.7.2 减少钢中的硫化物夹杂:钢中硫化夹杂含量主要取决于钢 中的硫含量,钢中硫降得越低,硫化物夹杂就越少,冶炼时应加强钢 液的脱氧脱硫操作, 尽量降低钢液的含硫量。 向钢液中添加少量的钛、 钙、锆、稀土等与硫亲和力比锰、铁大的元素,使 FeS、MnS 转变成 在热加工过程中不变形的 TiS、CaS、ZrS、CeS 等球状硫化物,可以 在不降低硫含量的条件下使钢的横向力学性能得以改善。 改变钢中硫 化物夹杂形态的做法称为变质处理,这些添加元素称为变质剂。 9、钢中气体 钢中的氢主要来源于以下三个方面: (1)炉气。炉气中的蒸气才 是钢中氢的来源之一。 (2)原材料。原材料带入的水分是钢中氢的重

要来源。铁合金尤其是硅锰合金中含有较高的氢,在冶炼优质合金钢 时不可忽视,使用前应进行充分的烘烤。 (3)冶炼和浇注系统的耐火 材料。焦油白云石砖中都含有沥青,而沥青中含有 8%-9%的氢,若用 卤水作粘结剂,其氢含量更高,所以炉衬也是钢中氢的来源之一。钢 包和浇注系统使用前应充分烘烤,彻底干燥。 氢气分子被钢液表面吸附并分解成原子。 被吸附的氢原子溶入钢 液
1 {H2}=[H] 2

通常把一定温度下,与 101325Pa 的氢气分压相平衡的溶于金属中氢 的数量,称为氢在金属中的溶解度。 (1)氢在铁液中的溶解是吸热反 应,其溶解度随温度的升高而增加。 (2)在固态铁发生相变时,气体 的溶解度发生突变,这主要是铁原子间距离改变所造成的。 (3)由于 γ -Fe 为面心立方结构(a-Fe 和δ -Fe 为体心立方结构) ,其原子间 距较大,所以能溶解更多的气体。各元素对氢在纯铁中的溶解度的影 响情况,大致可分为三类: (1)碳、硅、硼和铝等元素能降低氢在铁液中溶解度。 (2)锰、镍、 钼、钴和铬等元素对氢在铁液中的溶解度影响不大。 (3)钛、铌、锆 和稀土元素可使氢在铁液中的溶解度激增。9.1.3 氢在钢液中的溶解 度远大于它在固态钢中的溶解度,所以在钢液凝固过程中,氢会 CO、 氮等一起析出,造成皮下气泡,促进中心缩孔和显微孔隙(疏松)的 形成。在固态钢冷却和相变过程中,氢还会继续通过扩散而析出,造 成皮下气泡,促进中心缩孔和显微孔隙(疏松)的形成。在固态钢冷

却和相变过程中,氢还会继续通过扩散而析出。由于固相中扩散速度 很慢,而多数扩散到显微孔微和夹杂附近或晶界上的小孔中去,在其 析出的地方不断地进行着氢分子的聚集, 直至氢的分压与固态钢中氢 达到平衡为止。随着氢分子的聚集,氢气在钢中的分压也越来越大, 并在钢中产生应力。如果这种应力再加上热应力、相变应力而超过了 钢的抗张强度,就会产生裂纹。 (1) “白点” 。所谓“白点”是指钢材 试样纵向断面上圆形或椭圆形的银白色的斑点, “白点”的实质是一 种内裂纹。产生了白点的钢材应判为废品。钢中的氢含量过高是产生 白点的主要原因之一。 (2)氢脆。随着氢含量增加钢的塑性下降的现 象,称为氢脆。氢脆:主要表现在使钢的延伸率和断面收缩率降低。 一般来说, 氢脆随着钢的强度增高而加剧。 表现为在一定应力作用下, 经过一段时间后,钢材突然发生脆断。 (3)呈现细长、壮如发丝一样 的裂纹称为发纹。发纹缺陷的主要危害是降低钢材疲劳强度,导致零 件的使用寿命大大降低。钢中的夹杂物和气体是产生发纹的主要原 因。 (4) “鱼眼” 。是在一些普通低合金建筑用钢的纵向断口处常出现 的一种缺陷。它是一些银亮色的圆斑,中心有一个黑点,外形像鱼眼 而得名。 “鱼眼”缺陷主要是氢聚集在钢或焊缝金属中夹杂的周围, 发生氢脆造成的。 (5)层状断口。层状断口是钢坯或钢材经热加工后 出现的缺陷, 它会使钢的冲击韧性和断面收缩率降低即横向力学性能 变坏。生产中应尽量减少钢中的氢含量。9.2.1 钢中的氮主要来源于 以下三个方面: (1)氧气:炼钢用的氧气是钢中的最主要的来源,其 纯度基本上决定了钢的氮含量。 (2)炉气和大气。钢液会直接从炉气

和大气中吸收大量的氮, 而且低碳钢比高碳钢吸得多。 ( 3) 金属材料。 铁水、废钢及铁合金等金属炉料中均溶解有一定量的氮。9.2.2 氮气 分子与钢液表面接触时被吸附并分解成原子。 氮在铁液中的溶解量与 气相中氮气的分压及铁液的温度有关。 (1)碳、硅等元素能显著地降 低氮在铁液中的溶解度。 (2)猛、镍、钼、钴等元素对氮在铁液中的 溶解度影响不去。 (3)钒、铌、铬、钛、锆和稀土元素使氮在铁液中 的溶解度显著增加。9.2.3 氮在钢液中的溶解度远高于其在室温下的 溶解度, 由于氮化物在低温时很稳定, 而是呈弥散的固态氮化物析出, 结果引起金属晶格的扭曲并产生巨大的内应力,引起钢的硬度、脆性 增加,塑性、韧性降低。氮化物的析出过程很慢,因而随时间推移钢 的硬度、脆性逐渐增加,塑性、韧性逐渐增加,塑性、韧性逐渐降低, 这种现象称为老化或时效。钢中含氮量愈高,老化现象愈严重。在脱 氧良好的钢中加入铝、硼、钛、钒等元素,与氮能结合成稳定的氮化 物,使固溶在 a-ALN、TiN 等颗粒,还能阻止钢材加热时奥氏体的长 大,进而得到晶粒奥氏体钢。特定条件下,氮能改善钢的某些性能, 而以合金的形式加入。氮的固溶强化作用能使钢的强度提高,塑性几 乎没有什么降低。脱气是炼钢的重要任务之一。炼钢过程中,由于钢 液表面始终被一层炉渣覆盖, 所以任何气体直接自动排出的可能性很 小,只能通过产生气泡后上浮逸出,然而在钢液中,氢和氮的析出压 力很小,无法独立形成气泡核心,必须依赖钢中现成的气泡或其他能 生成气泡反应的帮助, 如溶池中的碳氧反应或向钢包中吹入氩气等才 能从钢液中脱除。由于初生的 CO 气泡或氩气泡对于氩和氮都相当于

一个真空室,即汽泡中的氩气分压和氮气分压均为零。这样钢液中的 氩和氮就会向这些气泡内扩散。 由于气泡在快速上浮过程中体积不断 增大,使气泡在快速上浮过程中体积不断增大,使气泡内氢、氮的实 际分压不断降低,因此在整个碳脱过程或氩气气泡上浮过程中,钢中 氢和氮会不断地扩散进入这些气泡,并最终被带出钢液。由此可见, 钢液的沸腾是十分有效的脱气手段。在冶炼过程中,碳氧反应能使钢 液脱气,同时高温溶池亦会从炉气中吸收气体,所以钢液在脱气的同 时还存在着吸气的过程。只有当去气速度大于吸气速度时,才能使钢 液中的气体减少。冶炼中的沸腾去气的速度取决于脱碳速度。脱碳速 度愈大,钢液的去气速度就愈快。因此,脱碳速度大于一定值时,才 能使钢中气体减少。钢液中的氮含量能够降低到 0.001%-0.0015%。 吹炼初期铁水中的含氮量迅速降低。 由于阶段的大部分时间是在非淹 没状态下进行吹炼,加上沸腾的作用,钢液的吸氮速度很低。 (2)吹 炼中期脱氮出现停滞现象。吹炼中期,碳氧反应激烈,因为此时脱碳 反应是在氧流冲击区附近进行的, 该处气泡的液膜表面形成一层氧化 膜, 使钢液中的氮向其中扩散的速度减慢。 由于脱碳反应的激烈进行, 渣中氧化铁贫化,炉渣出现“返干”现象,对具有氮分压的氧气流股 金属溶液失去了保护,使溶池的吸氮速度大大增加,所以氮含量基本 保持不变,甚至略有回升。 (3)吹炼末期根据各炉含碳量和含氧量的 高低,以及是否补吹等情况,钢中的氮含量会有不同的变化,可能降 低,可能升高,也可能保持不变。通常情况是氮含量有所降低,但停 吹前 2-3 分钟起氮又略有回升。 钢中的氧含量大幅度增加使钢中氮的

活度增大,以及熔池中所产生的 CO 气泡的脱氮作用等原因,会使钢 中含氮量进一步降低。 (4)在出钢和浇注过程中,钢液与大气接触, 钢液与大气接触,使钢中含量增加。钢液含氢量的变化情况,转炉吹 炼使用的是脱了水的工业纯氧,炉气中几乎没有水蒸气( H2O)和氢 气(H2) ,同时,转炉炼钢中的碳氧反应激烈,脱气速度很快,能较 好地去除钢液中的氢。吹炼前期,钢中的氢含量能降低到。但在吹炼 末期,由于温度升高,冷料带入水分和脱碳速度的减小,氢含量有所 回升。尽管在冶炼和浇注过程中采取了一系列措施,以降低钢中的气 体含量,然而毕竟是在常压下操作,效果并不理想。将钢液置于真空 室,开启真空泵,降低该气体的分压,溶解在钢中的气体就会随之减 少。这就是钢液真空脱气的基本原理。钢液真空脱气并不需要很高的 真空度。实际生产中钢液的脱气程度过错达不到上述的计算值。实际 生产中发现,脱气的速度和 CO 气泡的析出速度相吻合。真空下的脱 氢和脱氮与真空下的碳脱氧有直接关系。在各种真空处理的方法中, 氢的去除比较容易,去氢速度也较快,而去氮则较为困难。钢液真空 循环脱气法(RH 法) ,RH 脱气法是将真空精炼与钢水循环流动结合起 来,以提高脱气效果,最初的 RH 装置主要是对钢水进行脱氢,后来 增加了真空脱碳,真空脱氧、改善钢水纯净度及合金化等功能。 RH 法具有处理周期短,生产能力大,精炼效果好的优点。RH 的脱气原 理,RH 是在真空脱气室的下部设置两个管道,即上升管和下降管, 当两管插入钢液内时,由于室内抽真空,钢液便通过两个管道进入真 空脱气室,并上升到与压差相应的高度,同时,在一个管道即上升管

道中通过多孔砖吹入驱动气体氩气,形成大量所泡。使上升管道内钢 液的密度下降,而且气泡在高温及低压的作用下体积迅速长大,带动 钢液以雨滴状向真空室上空喷去,使脱气表面积大大增加,从而加速 脱气进程。目前的 RH 具有以下精炼功能: (1)脱碳(2)脱气(3) 脱磷、脱硫(4)升温(5)均匀钢水温度(6)均匀钢水成分和去除 夹杂物。 钢液在处理过程中的温降主要是钢包内温降和脱气室内温降 两部分。 为了减少钢液在包内的温降, 可以适当提高钢包的烘烤温度, 减少包衬的吸热,并在钢液面上保留一层炉渣以减少辐射热损失。钢 液真空提升脱气法简称 DH 法,它是借助减压到 13-66Pa 的真空室与 钢包的相对运动,将钢液经过吸嘴分批地吸入真空室内进行脱气处 理。 钢液真空提升法是根据虹吸原理工作的。 氩气是一种惰性在气体, 通常是通过钢包底部的多孔透气塞将氩气吹入钢液中进行脱气。 吹入 钢水中的氩气,形成许多小气泡。对于钢液中的有害气体(H、N)来 说,相当于一个个小真空室,钢液中的[H] 、 [N]将自动向其中扩散 并被带出钢液;同时,小氩气泡的表面也是碳氧反应的理想特点:因 此吹氩还具有脱氧作用。可见,钢包氩法脱气原理与真空脱气相似。 氩气泡在钢水中上浮及其引起的搅拌作用, 提供了气相成核和夹杂颗 粒碰撞的机会,有利于气体和夹杂物的排除,并使温度和成分均匀。 氩气从钢水中逸出后覆盖在熔池面上, 能使钢水避免二次氧化和吸收 气体。吹氩的精炼具有气法、搅拌和保护三方面的作用。钢包吹氩, 简单的钢包吹氩, 是在普通的钢包底上直径的 1/4 处安装一个耐火材 料的多孔穿气塞,氩气通过透气塞吹入钢液。钢包吹氩的精炼效果与

耗氩量,吹氩压力、氩气流量、处理时间和气泡大小等因素有关。当 吹氩偏低时,吹入的氩气只能起到搅拌作用,在钢包容量一定的条件 下,氩气压力大,搅动力也大。但压力大时,气泡上升速度快、氩气 流涉及的范围窄,氩气泡与钢液的接触面积小。压力过大时会使液面 裸露而发生二次氧化和吸气,精炼效果反而不好。理想的状况是,氩 气流遍全钢包,以钢液不露出渣面为限。为了提高氩气的精炼效果, 与其通过加大氩气压力,还不如保持相对的“低压” ,而尽量加大氩 气流量更为有效。氩气流量表示单位时间内进入钢包中的氩气量。吹 氩时间不宜太长,以免钢液温度下降过多,并且由于耐火材料受冲刷 而使非属夹杂物增加, 但吹氩时间不足, 气体及夹杂物不能很好去除, 影响吹氩效果。在氩气流量和氩气压力一定时,氩气泡尺寸越细小, 在钢水中分布越均匀,气泡与钢水接触面积就越大,氩气精炼效果就 越好。这种简单的钢包吹氩的精炼效果并不是很理想。SAB 法是在钢 包液面上加一沉入罩,CAB 法使用钢包盖代替沉入罩。这两种方法区 域不大,都是上加合成渣料,包底吹氩精炼,罩内或包内充有从钢液 中 排 出 的 或 专 门 导 入 的 氩 气 。 合 成 渣 的 成 分 为 : CaO:SiO2:AL2O3=40:40:20,其特点是熔点低,流动性好,吹收夹杂 物能力大。改进后的钢包吹氩法有以下优点: (1)吹氩时钢液不与空气接触,可避免二次氧化和吸气; (2)浮出的夹杂物会被合成渣吸附并溶解,不会返回钢中; (3)CAB 法钢水在包盖的保护下,降温大大减少; (4)设备简单,操作方便。

(5)这种方法的吹氩量不能太大。CAS 法是将第一个带盖的耐火材 料管插入钢液内吹氩搅拌,成分与温度均匀,而且在密闭条件下受氩 气保护,所以合金收得率很高。在非真空条件下,去气所需要的吹氩 量是相当大的,而且这些氩气全部从透气塞吹入。 9.3.4 配有吹氩(或电磁)搅拌的真空脱气 9.4.1 加强原材料的干燥及烘烤:原材料的干燥和烘烤对钢中的氢含 量影响很大,炉气中的水蒸气分压主要来自原材料的水分,特别是由 于使用烘烤不良的石灰和多锈的炉料所造成的。 为了减少钢中氢含量 首先必须注意原材料的干燥和烘烤。 石灰中水分对钢中含氢量影响很 大,而且石灰的吸水性很强,如果在还原期加入大量石灰时,就必须 使用新培烧的石灰或烘烤的石灰,烘烤温度越高越好。由于钢液真空 脱气时原始氢含量高,脱气后氢含量也高。 9.4.2 采用合理的生产工艺:原材料的干燥与烘烤,可减少钢中气体 的来源。控制好脱碳速度和脱碳量。对于氧气顶吹转炉,钢中气体含 量相对低些,尤其是氢含量较低。但也要保证氧所纯度和注意控制好 枪位,造成好泡沫渣,防止严格喷溅和后吹。因为大喷后的液面下降 及后吸时的废气量减少,都会有大量空气涌入炉内,使炉气中氮分压 增中,从而使钢液吸氮。9.4.2.2 控制好钢液温度:钢中气体含量与 钢液温度有直接的关系,熔池温度越高,钢中气体的溶解度越大,越 易吸收气体,故尽量避免高温钢液。氧气顶吹转炉,吹炼过程中要通 过调整冷却剂的加入量来控制吹炼温度。如果出钢前发现炉温过高, 必须加入炉料冷却熔池,测温合格后才能出钢,避免出钢过程中大量

吸气。 9.4.2.3 正确的出钢操作: 出钢时钢液要经受空气的二次氧化, 其氧含量和气体含量均明显增加。 由于出钢过程中钢液的增氧量和增 氮量,与钢液的成分、钢、气接触界面和时间有关。9.4.2.4 采用真 空、吹氩脱气:氮的降低还可以通过促进氮化物上浮排除而实现。 9.4.2.5 采用保护浇注:固体保护渣是模铸下注镇静钢锭及链铸坯生 产中广泛使用的浇铸保护剂,它的作用是隔热保温,防止钢液二次氧 化及吸气,溶解及吸附钢液中夹杂物。 10.1 温度控制的重要性:温度控制包括氧化终点温度控制和冶炼过 程温度控制两方的内容。终点温度控制的好坏,会直接影响到冶炼过 程中的能量消耗、合金元素的收得率、炉衬的使用寿命及成品钢的质 量等技术经济指标;而科学合理地控制熔池温度,又是调控冶金反应 进行的方向和限度的重要工艺手段, 熔池温度对炼钢生产的影响主要 表现在冶炼操作、成分控制及浇注过程和锭坯质量等方面。合适的温 度是熔池中所有炼钢反应的首要条件, 所以温度的高低会对冶炼操作 产生直接的影响。转炉的开新炉操作,要求快速升温,以烧结炉衬, 转炉吹炼过程中,由于元素氧化放热,会导致护内升温过快而影响脱 磷操作,如果加入大量的冷却剂降温,又易造成喷溅。在真空精炼过 程中,如果钢水温度过高,在低压条件下耐火材料中的氧化物的稳定 性减弱,炉衬极易受钢液和炉渣的侵蚀,从而影响精炼操作。10.1.2 造成成分不合格的原因很多,但温度条件是主要因素之一。 (1)影响 合金元素的收得率。温度不同,合金元素的收得率也不同。 (2)影响 有害元素磷、硫的去除。 (3)影响熔池内元素氧化的次序。 10.1.3

对浇铸操作和锭坯质量产生影响的主要氧化终点温度, 亦即转炉炼钢 法的出钢温度。出钢温度过高,不仅增加冶炼中的能量消耗,二次氧 化严重,增加外来夹杂物;若出钢温度过低,将被迫缩短镇静时间, 钢中夹杂物不能充分上浮,导致浇注温度过低,造成钢坯质量问题。 10.2 其温度控制的任务之一是保证冶炼结束时钢液的温度达到钢种 要求的出钢温度。而出钢温度的高低,取决于钢的熔点、浇注所需的 过热度及出钢和浇注过程中钢液的温度降低值,即 t 出=t 熔+△t △t
降 过热

+

。降低铁熔点能力强而通常含量又较大的元素是碳,钢中气体

能使纯铁的熔点降低约 7℃。钢熔点的近似值可由下式确定: T 熔=1538-∑△t·ω [i]%-7 10.2.2 钢液温度应高于其熔点一定的数值,即应具有一定的过热度, 以保证浇注操作能够顺利进行,同时获得良好的铸坯质量。过热度△ t 过热,主要根据浇柱的钢种和铸坯的断面来决定。高碳钢、高硅钢、 轴承钢等钢种钢液的流动性好,应控制较低的过热度。对于低碳钢, 过热度应相应高些。铸坯断面大时,散热慢,过热度可取低些。相同 的浇注条件,操作水平高者,可在较小的过热度下浇出合格的钢坯, 这对降低生产中的热能消耗、提高炉衬寿命、提高铸机拉速而降低生 产成本大有益处。 (1)出钢及浇注过程中的钢液的温度降低值△t 降, 随生产流程的辐射散热、对流散热和钢包内衬吸热综合影响的结果。 它取决于出钢温度的高低、出钢时间的长短、钢包容量的大小、包衬 的材质和温度状况。大容量钢包出钢过程中的温降约为 20~40℃, 中等钢包温降则约为 30~60。 (2)转运过程中的温降。该过程中的

温降主要是钢包内衬的继续吸热和通过渣层散热。 出钢后钢液面加覆 盖剂或钢包加盖,可以减少钢液面通过渣层的热损失。 (3)精炼过程 中的温降。 (4)精炼结束至开浇前的温降。过程中的温降主要是由于 钢包向环境散热。 (5)浇注过程中的温降。液面散热是主要因素。测 量熔池温度的方法很多,大致可分成仪表测温和目测估温两大类。 10.3.1 目前生产现场使用的测温仪表主要是热电偶测温计和光学测 计。热电偶测温是目前应用广泛的一种测温方法。即使在使用计算机 实施动态控制的转炉上, 其副枪进行测温定碳时, 使用的也是热电偶。 操作方法是: 先将测温棒一端套上纸质保护套管, 装上热电偶测温头, 再接好另一端的补偿导线与电位差计, 检查电位差计与测温头是否接 通,并校正零位。测温时,将测温头插入钢水中,在显示屏上即显示 出所测部位的温度值。 优点的测温速度快, 测得的温度相对比较准确。 但测温头及纸质套管均只能使用一次,需每次更换,并要进行一整套 的仪表导线连接,因此比较麻烦且成本较高;所以测温前必须对钢液 进行充分搅拌。 它是利用物体的单色辐射强度随温度升高而增强的原 理,通过高度均衡法进行测温的。首先使被测物体(如钢液表面)成 像于高温灯泡的灯丝平面上,通过光学系统在一定波段(0.05υ m) 范围内,将灯丝与被测物体表面亮度相比较,并通过调节灯丝电流, 使其亮度与被测物体亮度相均衡,此时灯丝轮廓便隐于被测物体内, 经过修正,便可求出被测物体的真实温度。光学测温计测温方便,但 误差较大。凭经验进行目测估温的方法有样勺结膜估温、钢水颜色估 温以及各种炼钢方法中的特殊估温方法等。10.3.2.1 结膜估温是根

据钢水在样勺中开始结膜时间越迟其温度越高的原理, 通过观测钢水 在勺内结膜的时间来测量钢水温度的。简便的经验测温方法。 (1)测 温前,充分搅拌钢液; (2)将样勺先蘸好炉渣,而后在取样部位舀出 覆盖炉渣的钢液; (3)刮掉或拨去渣层,用秒表计算钢样表面的开始 结膜时间; (4)测温样勺不得使用新鲜勺和钢使用过的热样勺,要用 使用过的冷样勺。但只能在渣况正常的条件下,大体上反映钢液温度 的高低。 样勺结膜估温受到许多外界因素的影响,主要有以下三个: (1)钢中 合金元素的影响。对于这类钢的温度判断,应以“二次结膜”的时间 为冷。 (2)炉渣黏度的影响。 (3)外界条件影响。如果取样时,样勺 内钢水面上覆盖的炉渣不易刮开,而且钢液呈红色或暗红色,说明温 度很低,约在 1530℃以下;样勺内钢水面上炉渣容易刮开,而且钢 水流动性较好,钢水呈青白色并冒烟,表面温度较高,约在 1600℃ △ t 左右;如果钢水呈亮白色并冒浓烟,温度约在 1630 ℃以上。 10.3.2.3 转炉炼钢中常用的温度判断方法有以下两种: (1)根据火 焰特征判断钢水温度。熔池温度高时,炉口火焰白亮而浓厚有力 , 火焰周围有白烟;温度低时,火焰透明淡薄,略带蓝色,白焰少,火 焰飘无力, 炉内喷出的渣子发红, 常伴有未化的石灰粒; 温度再低时, 火焰发暗呈灰色。 (2)利用喷枪冷却水的温度差判断钢水温度。 当 相邻炉次的枪位相近、冷却水流量一定时,喷枪冷却水的进口与出口 的温度差和熔池温度之间有一定的对应关系。冷却水的温差大,表明 熔池温度较高;反之,冷却水的温差小,则反映出熔池温度低。炼钢

过程中判断熔池温度的两类方法即仪表测温和经验目测估温各项特 点,有经验的炼钢工常常是以仪表测温为主,辅以经验目测估温,比 较正确的判断熔池的实际温度,这对于炼好钢是十分必要的。 10.4 转炉炼钢过程中的温度控制,可分为终点温度控制和过程温度控制。 控制终点温度的办法,是加入一定数量的冷却剂,消耗吹炼中产生的 富余的热量,使得吹炼过程到达终点时,钢液的温度正好达到出钢要 求的温度范围。转炉炼钢中无外来热源,其热量收入为铁水各元素的 氧化放热。转炉炼钢的冷却剂主要是废钢和铁矿石或氧化铁皮。用废 钢做冷却剂冷却效果稳定,便于准确控制熔池温度;而且杂质元素含 量少,渣量小,可放宽对铁水含硅量的限制。铁矿石可以在不停吹的 条件下加入炉内,冶炼中调控温度方便,同时还具有化渣和氧化杂质 元素的能力。以铁矿石冷却为辅。冶炼终点前钢液温度偏高时,通常 加适量石灰或生白云石降温。 因此此时加铁矿石冷却会增加渣中的氧 化铁含量,影响金属的收得率;而使用废钢冷却时,则需停止吹炼, 会延长冶炼时间。B、每 1kg 冷却剂加入炉后所消耗的热量称为冷却 剂的冷却效应。10.4.2 吹炼过程中还应仔细观察炉况,准确判断炉 内温度的高低,并采取相应的措施如增减冷却剂的用量、调整枪位等 进行调整,以满足炉内各个时期冶金反应的需要,同时准确控制终点 时的温度。 吹炼初期,碳上焰上来得早(之前是硅、锰氧化的火焰,颜色发红) 表明炉内温度已较高。 头批渣料也已化好, 可适当提前加入二批渣料, 反之,若碳火焰迟迟上不来,说明开吹以来温度一直偏低,则应适当

压枪,加强各元素的氧化,提高熔池温度,而后再加二批渣料。吹炼 中期,根据炉口火焰的亮度及冷却水(氧枪的进、退水)的温差来判 断炉内温度的高低,若熔池温度偏高,可再加少量矿石,反之,压枪 提温,一般可挽回 10-20℃。吹炼过程中发生喷溅,会损失大量的热 量。吹炼末期接近终点(根据耗氧量及吹氧时间判断)时,停吹测温 进行相应的操作,使钢液温度进入钢种要求的出钢温度范围。若温度 偏高,可加适量石灰或生白云进行降温。若温度偏低,加入适量的提 温剂并点歇一下进行提温。常用的提温剂是含硅 75%的 Fe-Si 合金。 加入 Fe-Si 合金进行提温的同时,就加入适量的石灰,以防因炉渣的 碱度下降而发生的现象。在吹炼过程中,根据经验及倒炉时所测定的 温度,通过调整冷却剂用量的方法来控制炉内的温度,通过调整冷却 剂用量的方法来控制炉内的温度。这种传统操作方法的命中率很低, 需反复进行调整,即费时、费力,又增加原材料消耗。利用计算机进 行装料计算,控制终点温度和终点碳。随着电子计算机技术和检测技 术的迅速发展。目前已能利用计算机对炼钢过程进行动态控制。转炉 炼钢采用计算机控制后,其技术经济指标得到了显著的改善; (1)冶 炼时间短。 (2)原材料消耗少。 (3)节省劳动力。 (4)生产成本低。 1)主机系统;2)键盘输入装置;3)操作室指示盘;4)炉前显示盘; 5)炉后显示盘;6)副枪及各种测量仪表。转炉炼钢的计算机控制, 按其控制积蓄不同可分为静态控制和动态控制两类。 下面对计算机静 态控制及其装料模型和动态控制及其方法等问题做一简单介绍。 以物 料平衡和热平衡计算或统计数据为基础建立装料的数学模型 (即各料

用量及吹氧量与其变量之间的数学关系式)存入计算机。冶炼前将本 炉的实际参数输入计算机进行装料计算,并按计算结果装料和吹炼, 吹炼中及终点前操作者凭经验判断炉况并进行相应的修整操作。 使冶 炼过程到达终点的控制方法,称为计算机静态控制。计算机控制的实 质是人-机结合控制。一次命中率不是很高。吹炼前与静态控制一样 先利用计算机作装料计算, 吹炼过程中计算机借助与其联结的检测仪 器测出钢液温度、含碳量和造渣情况等信息 ,进行判断并对冷却剂 的加入量、枪位等有关吹炼参数作相应的调整,使冶炼过程顺利到达 终点的控制方法叫动态控制。动态控制具有更大的适应性和准确性, 可实现最佳控制,命中率大为提高,不仅缩短冶炼时间,使生产率提 高、炉龄延长,而且材料耗少、省人力,生产成本大为降低。 11、调整成分:为了冶炼出具有所需性能的成品钢,在冶炼过程中加 入各种合金, 使钢液的化学成分符合钢种规格要求的工艺操作叫作钢 液合金化,出钢前及出钢过程中的合金化操作,常称为调整成分。钢 液的合金化是炼钢生产的主要任务之一。钢液合金化的任务是,依据 钢种的要求精确计算合金的加入量, 根据合金元素的性质选择适当的 加入时机和合适的加入方法, 使加入的合金尽量少烧损并均匀地溶入 钢液之中,以获得较高且稳定的收得率,节省合金,降低成本,并准 确控制钢的成分。钢的合金化过程是一个十分复杂的物理化学过程, 包括升温与熔化、氧化与溶解等环节。而合金元素的收得率的高低又 与钢液的脱氧程度、温度的高低、合金的加入方法以及合金元素本身 的性质等因素有关。因此,钢液合金化的基本原则:

(1)在不影响钢材性能的前提下,按中、下限控制钢的成分以减少 合金的用量; (2)合金的收得率要高; (3)溶在钢中的合金元素要均 匀分布; (4)不能因为合金的加入使熔池温度产生大的波动。钢的合 金化过程又称为成分控制。 在国家标准中所规定的钢的化学成分称为 钢的规格。 钢的成分控制首先是要保证成品钢中各元素的含量全部符 合标准要求。在保证符合国家标准的前提下,由各厂自行制定或与用 户协商制定的更精准的成分范围,称之为控制成分。 (1)碳,它是决 定钢的各种力学性能如强度,塑性等的最主要元素,同时对钢的工艺 性能如焊接性能和热处理也在很大影响。 (2)硅,通常是作为脱氧元素以硅铁合金的形式加入钢中,在一些 合金钢的生产中则是作为合金剂使用的。 硅能溶于铁素体或奥氏体中 好在钢中以固溶体的形态存在,从而可提高钢的强度。硅能在一定程 度上提高的淬透性,硅钢具有良好的磁导率,硅也常用于不锈耐热钢 的合金化。 (3)锰。但几乎所有的钢都用锰脱氧,同时它能消除和减弱钢因硫 而引起的热脆性,从而改善钢的热加工性能。 (4)铬,在钢中的铬显著改善钢的抗氧化,抗腐蚀能力。加入钢中 的铬也可以形成碳化物,从而显著提高钢的强度和硬度。 (5)镍和其它元素配合使用时能提高钢的综合性能,它是奥氏体不 锈钢的主要合金元素之一。 (6)钨和钼溶点高、密度大,而且是极强的碳化物形成元素,能提 高钢的淬透性,回火稳定性、红硬性、热强性和耐磨性。

(7)钒在钢中主要是以碳化物的形态存在,在低合金钢中的作用主 要是细化晶粒、增加钢的强度和抑制时效,在合金结构中的作用是细 化晶粒,增加钢的强度和韧性。 (8)铝是良好的脱氧固氮剂,合金元素能提高钢的抗氧化能力,提 高渗氮钢的耐磨性和疲劳强度等。 (9)钛它是一种良好的脱氧、脱氮、脱硫剂。 另外,钛是强碳化物形成元素,TiC 极为稳定,可细化钢的晶粒,可 以消除或减轻不锈钢的晶间腐蚀倾向,提高钢的抗腐蚀性能。 (10)硼在钢中的突出作用是微量的硼(0.00%)就可以使中、低碳 钢的淬透性成倍地增加,但钢中硼含量超过 0.007%将产生热脆现象, 影响钢的热加工性能,钢中的硼含量一般都规定在 0.001%-0.005%范 围内。在高速工具钢中加入适量的硼,可以提高红硬性,改善刀具的 切削能力。 (1)稀土元素。稀士素在钢中的作用有两个,一是净化钢液,一是 合金化。稀土元素极活泼,它即能脱氧、脱硫、脱氢,同时也能和砷、 铅、 锑、 、 锡等元素形成化合物, 因此它是纯洁钢液的良好净化剂。 适量的稀土可提高钢的塑性和冲击韧性,改善钢在高温下的抗氧化、 抗腐蚀能力、抗蠕变能力。稀土元素还能提高钢液的流动性,改善钢 锭的表面质量,减少钢的热裂倾向;能有效地细化钢锭的结晶组织, 并使碳化物均匀分布。钢的合金化贯穿于整炉钢冶炼的各个阶段,入 炉的合金材料应满足以下要求: (1) 合金元素含量高有害元素含量低。 (2)成分明确稳定。 (3)块度适当。 (4)充分烘烤。大致可分为退

火处理、高温烘烤和低温烘烤三种情况。11.2 常用合金剂简介:炼钢 生产中调整成分用的材料, 按成分不同可分为纯金属和由两种以上元 素组成的合金,而合金材料中主要是铁合金如硅铁、猛铁、铬铁、钨 铁等,还有硅钙、硅铬等其他合金;可分为块状和合金包芯线两种。 铁合金是一种或一种以上的金属或非金属与铁组成的合金。 合金有硅 铁、 猛铁、 铬铁、 钨铁、 钼铁、 钒铁、 硼铁、 铌铁等。 (1) 硅铁 (Fe-Si) 。 硅铁合金即可作为合金剂,也能用手脱氧。硅铁中的有害元素是磷。 硅铁很容易吸收水分, 所以使用前必须在 500~800℃的高温下烘烤 2 小时以上,使用块度应在 50~100mm。 (2)猛铁(Fe-Mn) 。锰铁是 炼钢生产中使用最多一种铁合金,即是脱氧剂又可作为合金化材料。 猛铁中的有害元素是磷, 含碳量越高, 含磷量越高, 价格也就越便宜, 冶炼低碳高猛钢时,可使用中、低碳猛铁;冶炼中较早使用时,可用 高碳猛铁。 (3)铬铁(Fe-Cr) 。铬铁中的碳含量越低,生产成本越高, 成品的价格也就越贵。铬铁的块度以 50~150mm为宜,使用前要在 500~800℃的高温下烘烤 2 小时以上,充分脱氧。 (4)钨铁主要用于 冶炼铁基高温合金、粗密合金及含量钨的钢种如高速工具钢、模具钢 等的合金化。 (5)钼铁(Fe-Mo) 。钼铁合金极易生锈,保管时应注 意干燥。钼铁不适于高温烘烤。 ( 6)钛铁(Fe-Ti)用于含钛钢的合 金化, 也可用做脱氧固氮和细化晶粒。 钛铁应在出钢前或出钢时加入。 钛铁一般需要在 100~150℃的低温下烘烤 4 小时以上,充分干燥后 再使用。 (7)钒铁(Fe-V) ,用于含钒钢的合金化。钒铁的密度较小, 使用时必须以 30~150mm 的块状加入。 (8)硼铁(Fe-B)用于冶炼

含硼钢种的合金化。 铁合金一般在出钢过程中加入, 以提高其收得率。 合金化时使用的其他合金有硅猛合金、硅钙合金、硅铬合金和合包芯 线等。要作为复合脱氧剂使用,也可用于钢的合金化。硅铬合金:主 要用于不锈钢的合金化。喂丝所使用的丝料称为合金包芯线。合金包 芯线是用厚度为 0.2~0.4mm 的薄带钢卷成不同直径的细管状,中间 包以各种粉粒状合金, 需要的时修用喂丝机将线料送入钢包内进行合 金化。这种方法即可提高合金元素的收得率,又可充分利用粉末状的 合金,用于易氧化元素合金化时的优势更为明显。为了避免铁合金中 带入过多的杂质元素, 需要使用一些纯度高的金属作为合金元素进行 合金化。颜色为浅灰色。 (2)金属格。纯铬为银白色金属,用于冶炼 高温合金、精密合金和电阻合金。主要用于冶炼精密合金、电阻合金 和其他特种合金。11.3.1 加入钢中的各种合金或多或少要氧化掉一部 分,这将会影响到合金元素的收得率。钢液中一些元素与氧的亲和力 由强到弱。 (1)在炼钢温度范围内,铜、镍、钴、钼与氧的亲和力小 于铁和氧的亲和力,所以这些元素在炼钢过程中基本不被氧化,称为 不氧化元素。 (2)钨和氧的亲和力与铁和氧的力差不多,所以当钢中 含钨高或渣中氧化铁含量高时,可能发生钨的氧化反应; (3)铬和猛 与氧的亲和力略大于铁,在炼钢熔池中是弱氧化元素,钒、铌、硅是 强氧化元素,而硼、钛、铝、钙、稀土等与氧亲和力极大,是易氧化 元素。 (4)氧化反应都是放热反应,钢液温度降低,有利于氧化反应 进行。决定合金的加入时间,首先要考虑合金元素的化学稳定性,即 元素的亲和力的大小,其次,还要考虑合金的熔点、密度,加入大量

等因素。而且铁熔点高、密度大,所以一般随炉料一同装入炉内。冶 炼一般钢种时猛铁用量较少,均是在出钢时加入包中,而氧气吹转炉 则应在铁水脱碳、脱磷后,出钢除渣,然后倒回炉内,同时加入高碳 铬铁。 (1)把钒铁加入钢包内。 (2)硅铁:在氧气顶吹转炉中,某些 镇静钢需用硅铁作用脱氧剂时, 通常是和猛铁一起加入钢包内对钢液 脱氧,也可在出钢前加入炉内脱氧。在出钢过程中,边用铝芯线进行 喟丝脱氧边加硅铁,一般在钢水倒出四分之一时开始加入。钛铁的价 格较贵,加之钛极易氧化且和氮的结合力也较强,通常是在钢液脱氧 良好的情况下。 (1)稀土金属及稀土氧化物。稀土金属应在插铝终脱 氧后加入炉内,加完后立即出钢,稀土氧化物一般与硅钙混合后加入 包中。在炼钢过程中,合金化和脱氧经常是同时进行的,有些合金同 时起脱氧剂和合金化的作用, 有些合金虽然是作为合金元素加入钢液 内,但由于钢水中氧的作用,或多或少会被氧化而损失部分。一般把 元素被钢水吸收的量与加入总量之比,称为合金元素的收得率,又称 回收率。A、脱氧前钢水的含氧量:脱氧前钢水的含氧量越高,合金 元素的烧损量越大,收得率越低。例如,用“拉碳法”合金元素烧损 少,收得率高,如果钢水温度偏高,收得率就更高;反之,吹炼低碳 钢时,终点钢水的氧化性强,合金的收得率低。B、终渣的氧化性越 强,合金元素的收得率越低。由于氧气转炉的合金化操作,多是在钢 中进行的,下渣量越大,则合金元素的收得率降低越明显。C、钢水 的成分不同,合金元素的收得率也不同。成口钢规格中元素含量高, 合金加入量多,烧损量所占比例就小,收得率就提高。同时使用几种

合金脱氧和合金化时,强脱氧剂用量增多,则和氧和力小的合金元素 的收得率就提高。D、钢种:沸腾钢只有含碳量和含猛量的要求,含 硅量越低越好, 所以只用猛铁进行合金化操作, 而且全部加在钢包内。 镇静钢中碳、猛、硅是长存元素,所以需要加入猛铁、硅铁、硅猛合 金等进行合金化操作。镍、钴、铜等不氧化元素,在加料或吹炼前期 加入,钼铁一般在初期渣形成后加入,这些元素的收得率在 95%~ 100%之间。弱氧化元素钨、铬等铁合金一般在出钢前加入炉内,同 时加入一定量的硅铁或铝,以提高其收得率,钨和铬的收得率波动在 80%~90%之间;硅铁和猛铁以及易氧化元素的合金,收得率波动范 围很大,在加入易氧化元素合金前,应尽量降低渣中(∑EeO)含量, 倒出大部分炉渣,出钢时尽量下渣、晚下渣,对钢水用强脱氧剂彻底 地脱氧加入,以利于稳定和提高合金收得率。 11.4 合金加入量的计算 合金加入量的计算是钢液合金化操作的主要任务之一, 只有正确 地计算出合金的加入量,才能准备地控制钢的化学成分。 成品钢中某元素的含量高出或低于钢种规格要求的现象, 称成分 出格或脱格。 11.5.1 严格按照工艺要求进行冶炼, 钢的化学成分一般不会出格。 一旦出现成分出格现象, 轻则改钢号, 严重时判废, 因而应尽量避免。 造成出格的共同原因: (1) 、氧化终点控制不当。氧化终点的碳、磷控制过高或终点碳 过低,对氧气转炉直接造成钢的判废或改号;

(2) 、炉内的钢水量估计有误。炉内的钢估多或估少,相应的铁 合金就会多加或少加,势必造成钢液成分大幅变化,甚至出格。 转炉炼钢确定炉内的钢水量时,要充分考虑如铁水的加入量、铁 水的收得率铁矿石的加入量、 废钢的块度和质量、 吹炼中的喷溅程度、 渣量的大小等因素; (3) 、 合金元素收得率估得不准。合金元素收得率选得是否正 确,将直接影响到铁合金加入量的多少,从而影响钢中元素含量的高 低,甚至是否出格。 (4) 、 取样没有代表怀或化学分析出错。 取样前熔池应充分搅拌; 取样时样勺内钢液面上应覆盖熔渣,防止钢液中元素被氧化。对于某 些元素,如高速工具钢中钨、钼、碳等,必须取两个试样分析。 (5) 、合金化操作失误。

出钢和他分渣技术 出钢是炼钢过程中最后一个环节, 由于转炕和现代电炉之后均实 行钢液在线二次精炼,不希望氧化渣进入钢包,因此出钢时注意与炉 渣风离。 装入转炉的铁水和废钢,经过吹氧、造渣等操作,发生了硅及锰 的氧化、脱碳、脱磷、脱硫等一系列的物理化学反应,熔池内金属液 体的成分和温度渐渐接近所炼钢的终点要求。 (1)钢液的含碳这到了所炼钢中的终点碳的要求; (2)钢液的磷、硫含量已符合所炼钢种对终点磷、硫的要求;

(3)钢液的温度已进入所炼钢要求的出钢温度范围。 出钢要求 由于转炉炼钢多是在出钢的过程中向钢包内加铁合金进行钢液 的脱氧的合金化,而转炉内的高氧化性炉渣流入钢包,会使合金元素 的收得率降低,产生回磷和夹杂物增多,特别是在钢水进行一次精炼 时,除了要确保安全、合理地添加合金外,应严格控制“下渣量” 。 “下渣”是指出钢过程中炉内溶查流入钢包的情况。 A、前期下渣 转炉渣的密度一般为 3.5/m3 左右,钢液的密度则达 7.0t/ m3,炉 渣因密度较小而覆盖在钢液之上,倾炉出钢时,炉渣要比钢液先期到 达出钢口的位置,这样总会有一部分渣流入钢包。生产上称之为前期 下渣。 B、后期下渣 出钢过程中,在出钢孔的周围会形成漩涡,钢液层过浅,钢液流 股会将炉渣卷裹而下,造成钢、渣混出。当出钢接近结束时,炉内钢 液减少,出钢孔处的钢液深度渐浅,此时钢液卷渣不可避免。尽管操 作规程规定,钢流见渣立即停止出钢。生产上称之为后期下渣。 炉口下渣,出钢过程中,操作不填将炉出钢的要求是:出钢的开 始及结束时,快速摇炉通过前期下渣区和后期下渣区,同时采用“挡 渣出钢”技术,尽量减少下渣量。过程中,在保证炉口不下渣的前提 下,随着出钢的进行逐渐压低炉口,以避免钢流卷渣。 挡渣出钢是日本新日铁公司于 1970 年发明的一项新技术,其目

的为了减少甚至避免转炉出钢过程中的后期下渣, 以满足钢液进行炉 外精炼的要求。有挡渣球法、挡渣料法、挡渣帽法、挡渣塞法、挡渣 罐法、挡渣杆法、挡渣盖法等十几种,国内使用较多的是挡渣球法。 挡渣球的挡渣原理, 其密度应介于熔渣的密度 3.5g/cm3 与钢液的 密度 7.0g/ cm3 之间,以便它能悬浮在渣、钢之中。球体的移动受钢 液的控制,钢液流尽时能及时封堵出钢孔,挡渣的效果最佳。 挡渣球的直径要与出钢孔的直径相适应, 挡渣球的直径为出钢孔 直径的 1.2 倍左右时挡渣效果最好。 C、投球地点 投球地点一般选在出钢孔的周围,投球地点距出钢孔的最佳距 离,与出钢孔的直径、终渣的黏度及投球时间等因素有关。 D、出钢孔的形状 出钢孔已经变形或被侵蚀成不规划形状, 即使投入的挡渣球及时 到位下落在出钢孔上,也会因两者接触不严而下渣。


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