材料工程基礎(chǔ)講稿28課件

第十章煉鋼§10.1煉鋼過程及原料

高爐鐵水(鑄鐵)含93~94%的鐵和6~7%的雜質(zhì)：以碳為主及硅、錳、磷、硫等→脆性↑，不能進(jìn)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(dá)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(dá)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℃入爐—保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性。高爐出鐵溫度1350~1450℃—運(yùn)輸中散熱→覆蓋劑保溫。要求：鐵水有穩(wěn)定的化學(xué)成分：GB717-82C%≥3.5，Si%0.45~1.25，Mn%0.30~0.50,P%≤0.15~0.40，S%0.02~0.07

鐵水預(yù)處理：脫S、P、Si2）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)?shù)膲K度。要求：CaO%↑、SiO2%↓、S%↓。螢石：CaF2(純)熔點(diǎn)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。

§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)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(jìn)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)到氣相中的元素Zn、Cd、Pb、C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?？乖詮?qiáng)，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1.5~1.8萬次。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(kuò)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。兩性氧化物：Al2O3、Fe2O3等。

多數(shù)氧化物熔點(diǎn)高。氧化物CaOMgOSiO2FeOFe2O3MnOAl2O3熔點(diǎn)，K2843307319831643173020582333℃2570280017101370145717852060煉鋼熔池溫度：1573~1973K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(diǎn)化合物，在煉鋼溫度下熔化。形成的化合物：硅酸鈣（假灰硅石，CaO·SiO2）1813K鐵酸鈣（CaO·FeO）1493K硅酸鐵（2FeO·SiO2）1490KCaO與CaF2共晶物1673K硅酸錳（MnO·SiO2）1558K硅灰石（2CaO·SiO2）2403K鈣鎂橄欖石（CaO·MgO·SiO2）1771K硅鈣石(3CaO·2SiO2)1748K爐渣化學(xué)成分：CaO38~45%，F(xiàn)eO15~23%,SiO212~17%,MnO9~12%,MgO5~10%,Al2O32~4%,P2O51~2%。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。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，30~45min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：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)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15~30%.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(BasicOxygenFurnace)或BOP(BasicOxygenProcess),英國、加拿大等地，稱作BOS(BasicOxygenSteelmaking)。繼承了空氣吹煉轉(zhuǎn)爐的優(yōu)點(diǎn)，又克服了其缺點(diǎn)，具有:(1)設(shè)備簡單，設(shè)備費(fèi)用和精煉費(fèi)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(diǎn)。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(jìn)一步開發(fā)出了改良的方法LD-AC法(OLP法)、Q－BOP法、頂?shù)讖?fù)吹純氧轉(zhuǎn)爐法等。3.2LD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30~350t。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、在渣線使用鎂碳磚等筑爐。C排氣處理設(shè)備ＬD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0.5～1μm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?；厥盏臍怏w中含硫低，可以用作燃料和化學(xué)原料。3.3LD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30～4Omin，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。純氧轉(zhuǎn)爐法的特征：在氧氣直接接觸鋼水的火點(diǎn)附近，溫度達(dá)2270K以上，同時和末反應(yīng)部分進(jìn)行激烈的攪拌，顯著地促進(jìn)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)。氧槍高度：氧氣射流進(jìn)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(hardblow)。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(Softblow)，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(jìn)石灰的渣化。

第2階段:從硅、錳的大部分已被氧化時開始，進(jìn)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(jìn)入吹煉末期。渣中的TFe急速升高，石灰的溶解也得到促進(jìn)，錳及磷再次轉(zhuǎn)移到渣相，達(dá)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(jìn)行；(3)由于沒有氮?dú)?，精煉反?yīng)中的熱效率高，廢鋼使用量高；(4)由于強(qiáng)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(diǎn)，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M(fèi)n-Fe等脫氧劑的使用量。ＣLＤ轉(zhuǎn)爐的脫碳速度

鐵水中碳和脫碳速度-d[C]/dt可以認(rèn)為分成３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:-d[C]/dt=kltk1的值與硅、錳的濃度和溫度有關(guān)。第2部分:硅、錳的大部分被氧化后，進(jìn)入脫碳最盛期。這時氧氣的脫碳利用率大致達(dá)100％，脫碳速度受氧氣供給的控制，對于碳是０