轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝(復吹技術)課件

氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼技術龔偉東北大學鋼鐵冶金研究所2006年9月氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼技術龔偉1氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼2煉鋼的基本任務一、鋼與生鐵的區(qū)別

C<2.11%的Fe-C合金為鋼；

C>1.2%的鋼很少實用；

還含Si、Mn等合金元素及雜質(zhì)。煉鋼的基本任務一、鋼與生鐵的區(qū)別C<2.11%的Fe31)脫碳；2)脫磷；3)脫硫。煉鋼任務：1)脫碳；煉鋼任務：4伴隨脫碳反應，鋼的熔點提高。煉鋼任務：4)升溫1200℃1700℃伴隨脫碳反應，煉鋼任務：4)升溫1200℃17005伴隨脫碳反應，鋼液[O]含量增加。C(石墨)+1/2O2=COG＝－116204－83.62T[1]C(石墨)=[C]G＝21318－41.8T[2]1/2O2=[O]G＝－117040－2.88T[2]

[C]+[O]=COG＝－20482－38.94T[1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley1963伴隨脫碳反應，鋼液[O]含量增加。C(石墨)+1/2O2=C6煉鋼任務：5)脫氧0.3%0.0003%煉鋼任務：5)脫氧0.3%0.0003%7煉鋼任務：6)合金化伴隨脫碳反應，鋼液[Si]和部分[Mn]被氧化。煉鋼任務：6)合金化伴隨脫碳反應，鋼液[Si]和部分[Mn8C：控制鋼材強度、硬度的重要元素，每1％[C]可增加抗拉強度約980MPa。Si：也是增大強度、硬度的元素，每1％[Si]可增加抗拉強度約98MPa。Mn：增加淬透性，提高韌性，降低S的危害等。Al：細化鋼材組織，控制冷軋鋼板退火織構。Nb：細化鋼材組織，增加強度、韌性等。V：細化鋼材組織，增加強度、韌性等。Cr：增加強度、硬度、耐腐蝕性能。C：控制鋼材強度、硬度的重要元素，每1％[C]9煉鋼任務：7)去除[N]、[H]等氣體雜質(zhì)元素陳家祥，煉鋼常用圖表數(shù)據(jù)手冊，冶金工業(yè)出版社，1984煉鋼任務：7)去除[N]、[H]等氣體雜質(zhì)元素陳家祥，煉鋼常10煉鋼任務：8)去除非金屬夾雜物煉鋼任務：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性夾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晶器保護渣鋼中非金屬夾雜物來源氧化物系非脫氧產(chǎn)物二次氧化外來性夾渣卷入爐渣造成的氧化鋼水包12煉鋼任務：9)凝固成型煉鋼任務：9)凝固成型13煉鋼的基本任務：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。煉鋼的基本任務：1、脫碳；14煉鋼的基本反應第一節(jié)、鐵的氧化和熔池傳氧方式1、氧流對金屬熔池的作用頂吹氧槍O2出口速度通?？蛇_300～350m/s；氧流與熔池作用，將動量傳遞給金屬液；金屬熔池產(chǎn)生循環(huán)運動。煉鋼的基本反應第一節(jié)、鐵的氧化和熔池傳氧方式1、氧流對金屬15作用區(qū)溫度2200～2700℃；光亮較強的中心(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成火焰狀作用區(qū)(火點區(qū))作用區(qū)溫度2200氧流穿入熔池某一深度并構成火焰狀作用區(qū)16氧氣煉鋼中還存在乳化和泡沫現(xiàn)象在氧流強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；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。乳化造成的渣－鐵間接觸面積可達0.6～1.5m2/kg。氧氣煉鋼中還存在乳化和泡沫現(xiàn)象在氧流強沖擊和熔池沸騰乳17熔池在氧流作用下形成的強烈運動和高度彌散的氣體－熔渣－金屬乳化相，是吹氧煉鋼的特點。1－氧槍2－乳化相3－CO氣泡4－金屬熔池5－火點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－煙塵熔池在氧流作用下形成的強烈運動和高度彌散的氣1－氧槍182、鐵的氧化和還原向熔池吹氧時第二步，吸附的氧溶解于鐵液中：t[Fe]＋[O]＝FetO第一步，氣體氧分子分解并吸附在鐵的表面：1/2{O2}＝[O]吸附由于氧勢高，F(xiàn)e與[O]反應，生成鐵氧化物。[O]吸附＝[O]2、鐵的氧化和還原向熔池吹氧時第二步，吸附的氧溶解于鐵19煉鋼條件下鐵氧化物穩(wěn)定性比較Fe＋[O]＝FeO G＝－112442＋46.56T[1,2]2/3Fe+[O]=1/3Fe2O3

G＝－152988＋87.94T[1,2]3/4Fe+[O]=Fe3O4

G＝－177232＋92.96T[1,2]煉鋼條件下鐵氧化物穩(wěn)定性比較Fe＋[O]＝FeO 20Fe3O4可以看作為FeOFe2O3；FeO最穩(wěn)定；Fe2O3/FeO平均為0.8。Fe3O4可以看作21爐渣的氧化作用爐渣中FeO與氧化性氣氛接觸，被氧化成高價氧化物Fe2O3；渣－鐵界面，高價Fe2O3被還原成低價FeO；氣相中的氧因此被傳遞給金屬熔池。爐渣的氧化作用爐渣中FeO與氧22當傳氧過程達到平衡時，鐵液中[O]達到飽和，[O]飽和含量由爐渣的氧化性所確定。Fe＋[O]＝FeO G＝－112442＋46.56T[1,2]當傳氧過程達到平衡時，鐵液中[O]達到飽和，F(xiàn)e＋[O]＝F231650℃下鋼液中最高[O]含量aFeO＝1，溫度 1500℃1550℃1600℃1700℃[%O]飽和0.13%0.16%0.20%0.29%1650℃下鋼液中最高[O]含量aFeO＝1，溫度 24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)進行反應。直接氧化：氣體氧優(yōu)先同鐵發(fā)生反應，待生成FetO以后再同其它雜質(zhì)進行反應。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25直接氧化在氧流－金屬表面處進行：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}＋2[Fe]＝2(FeO){O2}＋2[Mn]＝2(MnO){O2}＋[Si]＝(SiO2)5{O2}＋4[P]＝2(P2O5){O2}＋2[C]＝2{CO}{O2}＋[C]＝{CO2}直接氧化在氧流－金屬表面處進行：氧流同熔池作用區(qū)的表面；{26間接氧化方式－在氧氣泡直接同鐵液接觸的表面上，氧首先同鐵結合，然后FeO擴散到熔池內(nèi)部并溶于金屬液中。(FeO)＝[O]＋[Fe]C、Si、Mn、P等同[O]反應[O]＋[Mn]＝(MnO)2[O]＋[Si]＝(SiO2)5[O]＋2[P]＝(P2O5)[O]＋[C]＝{CO}2[O]＋[C]＝{CO2}間接氧化方式－在氧氣泡直接同鐵液接觸的表面上，(FeO)＝27(FeO)＋[Mn]＝(MnO)＋(Fe)2(FeO)＋[Si]＝(SiO2)＋2(Fe)5(FeO)＋2[P]＝(P2O5)＋5(Fe)(FeO)＋[C]＝{CO}＋(Fe)2(FeO)＋[C]＝{CO2}＋2(Fe)也可以表示為：(FeO)＋[Mn]＝(MnO)＋(Fe)也可以28多數(shù)意見認為氧氣轉(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對氧的親和力減弱從反應動力學角度來看，C向氧氣泡表面?zhèn)髻|(zhì)的速度比反應速度慢，在氧氣同熔池接觸的表面上大量存在的是鐵原子，所以首先應當同F(xiàn)e結合成FeO。多數(shù)意見認為氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼以間接氧化為主氧流是集中于作用區(qū)附29脫碳反應鐵液中碳的飽和溶解度：[%C]＝1.30＋2.57×10-3

×(T－273)Si、P、S降低碳的溶解度；Mn、V、Cr增加碳溶解度；碳增加鋼材強度、硬度；碳降低鋼材焊接、耐腐蝕、冷加工性能。脫碳反應鐵液中碳的飽和溶解度：[%C]＝1.30＋2.5730脫碳反應是貫穿于煉鋼過程始終的一個主要反應。反應熱升溫鋼水；影響生產(chǎn)率；影響爐渣氧化性；影響鋼中[O]含量。脫碳反應是貫穿于煉鋼反應熱升溫鋼水；31脫碳反應的產(chǎn)物－CO在煉鋼過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，起到均勻熔池成分和溫度的作用；大量的CO氣體通過渣層是產(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。脫碳反應的產(chǎn)物－CO在煉鋼過程中也具有多方面的作用。從熔池32一、脫碳反應的熱力學條件{O2}＋2[C]＝2{CO}{O2}＋[C]＝{CO2}G＝－416328＋41.8T[1,2]直接氧化：G＝－275044－83.64T[1,2]一、脫碳反應的熱力學條件{O2}＋2[C]＝2{C33間接氧化：2[O]＋2[C]＝2{CO}2[O]＋[C]＝{CO2}G＝－182248＋47.56T[1,2]G＝－40964－77.88T[1,2]間接氧化：2[O]＋2[C]＝2{CO}2[O]＋34[C]的氧化產(chǎn)物絕大多數(shù)是CO而不是CO2。[C]含量高時，CO2也是脫碳反應的氧化劑:[C]＋{CO2}＝2{CO}[C]的氧化產(chǎn)物絕大[C]含量高時，CO2[C]＋{CO235與Fe-O-C熔體平衡氣相中CO2，％PCO+CO2＝1atm[C]含量愈高，CO愈穩(wěn)定；溫度愈高，CO愈穩(wěn)定。與Fe-O-C熔體平衡氣相中CO2，％PCO+CO2＝1at36[C][O]乘積：[C]+[O]={CO}G＝－20482－38.94T[1,2]取PCO＝1atm,[1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley1963[C][O]乘積：[C]+[O]={CO}G＝－20437轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝(復吹技術)ppt課件38實際煉鋼過程熔池[O]高于理論[O]含量實際煉鋼過程熔池[O]高于理論[O]含量39實際熔池的[O]含量與碳－氧化學平衡的[O]含量之差稱為過剩氧[O]:[O]＝[O]實際－[O]平衡

脫碳速度快，[O]低；熔池攪拌強，[O]低；底吹、頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐煉鋼[O]低。過剩氧

[O]的大小與脫碳反應動力學有關實際熔池的[O]含量與碳－氧化學平衡的[O]含量之差稱為過剩40[C]+[O]={CO}G＝－20482－38.94T[1,2]氣相壓力對脫碳反應的影響[C]+[O]={CO}G＝－20482－38.94T[41轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝(復吹技術)ppt課件42脫碳反應的熱力學條件增大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。脫碳反應的熱力學條件增大fC有利于脫碳；43脫碳反應的熱效應1/2{O2}＝[O](1)[C]＋[O]＝{CO}(2)[C]+{O2}＝{CO2}(4)H＝－34830kJ/kg[C][C]+1/2{O2}＝{CO}(3)H＝－11637kJ/kg[C]脫碳反應的熱效應1/2{O2}＝[O]44二、脫碳反應的動力學條件1．脫碳反應的環(huán)節(jié)1)反應物[C]和[O]向反應區(qū)擴散;2)[C]和[O]進行化學反應;3)反應界面氣泡生成；4)反應產(chǎn)物CO或CO2離開反應區(qū)域。碳的氧化反應是一個復雜的多相反應，包括擴散、化學反應和氣泡生成等幾個環(huán)節(jié)。二、脫碳反應的動力學條件1．脫碳反應的環(huán)節(jié)1)反應物[C452、化學反應是否為脫碳反應的限制性環(huán)節(jié)？

如化學反應表觀活化能E

1050kJ/mol，則化學反應是控制環(huán)節(jié)；如活化能E420kJ/mol，則過程受擴散控制；如活化能E在420～1050kJ/mol之間時，過程處于擴散與化學動力學混合控制領域。碳氧化反應的表觀活化能波動在60～150kJ/mol之間，遠比上述活化能數(shù)值低得多。高溫下碳氧化反應非常迅速，不是碳氧化反應的控制環(huán)節(jié)。2、化學反應是否為脫碳反應的限制性環(huán)節(jié)？如化學反應表觀活化463、反應界面氣泡的生成是否為脫碳反應限制性環(huán)節(jié)？在鋼液中沒有現(xiàn)成的氣液相界面時，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1.5N

m-1，新生成的CO氣泡核心半徑為10-6m，則該氣泡核心所受的毛細管壓力為：3、反應界面氣泡的生成是否為脫碳反應限制性環(huán)節(jié)？在鋼液中沒有47實際上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)生成一個很小的CO氣泡核心，需要克服數(shù)十個大氣壓的壓力，因而實際上不可能生成。只有在鋼液中有已經(jīng)存在的氣液界面時，才能減少生成氣泡的壓力，使碳氧反應順利進行。實際上CO氣泡核心所受到的壓力還包括鋼液、在鋼液內(nèi)生成一個很481)氧氣煉鋼過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。1)氧氣煉鋼過程大量氣49在粗糙的耐火材料表面，總是有不少微小的細縫和凹坑，當縫隙很小時，由于表面張力的作用，金屬不能進入。在一定的金屬液深度下，金屬不能進入的最大凹坑半徑為：取：

m-g＝1.5N/m，m＝7000kg/m3，潤濕角＝120，hm： 3m1m0.1mr： 0.0071mm0.214mm2.14mm在粗糙的耐火材料表面，總是有不少微小的細縫和凹坑，當縫隙很小50耐火材料表面凹坑或縫隙處氣泡形成過程示意圖耐火材料表面凹坑或縫隙處氣泡形成過程示意圖51氣泡上浮過程中，隨著體積的加大，形狀變?yōu)榍蚬谛?。氣泡上浮過程中，隨524、反應物[C]和[O]向反應區(qū)的擴散是否為脫碳反應限制性環(huán)節(jié)？[C]高[O]低時，[O]的擴散為限制性環(huán)節(jié)；[C]低[O]高時，[C]的擴散為限制性環(huán)節(jié)。[C]和[O]的擴散，哪一個是反應的限制性環(huán)節(jié)？反應界面(氣泡表面)處反應物濃度很低；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]向反應界面擴散。4、反應物[C]和[O]向反應區(qū)的擴散是否為脫碳反應[C53感應爐吹氧脫碳試驗結果脫碳速度曲線拐點處[C]含量為[C]擴散控制的臨界[C]含量。感應爐吹氧脫碳試驗結果脫碳速度曲線拐點處[C]含量為[C]擴54當熔池[C]含量低于[C]臨時，rc隨[C]含量降低而顯著降低。rc＝k[%C]此時[O]的擴散速度決定整個脫碳反應的速度。當熔池[C]含量高于[C]臨時，rc＝k[%O]kPO2此時[C]的擴散速度將決定整個脫碳反應的速度。當熔池[C]含量低于[C]臨rc＝k[%C]此時[O]的擴555、實際煉鋼過程的脫碳速度變化脫碳過程為三個階段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。5、實際煉鋼過程的脫碳速度變化脫碳過程為三個階段1)吹煉56第一階段：第三階段：第二階段：第一階段：第三階段：第二階段：57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的進行。2[C]＋2[O]＝2{CO}(2)G＝－40964－77.88T[1,2][Si]＋2[O]＝SiO2(l)(1)G＝－593560＋230.2T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley1963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58(2)－(1)，得到：2[C]＋SiO2(l)＝[Si]＋2{CO}(3)G＝552596－308.07T(3)式反應的G為：取：[C]＝3.0%，eCC＝0.14，eCSi＝0.08,fC＝2.68[Si]＝0.1%，eSiC＝0.18，eSiSi＝0.11,fSi＝3.56PCO＝1，aSiO2＝0.2(2)－(1)，得到：2[C]＋SiO2(l)＝[Si]＋2592[C]＋SiO2(l)＝[Si]＋2{CO}(3)若(3)式反應能夠自發(fā)進行，則Temp.>1391℃吹煉初期硅優(yōu)先氧化，當熔池溫度升高到1390℃以上后，碳才可能激烈氧化。2[C]＋SiO2(l)＝[Si]＋2{CO}60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=k2·FO2FO2：氧氣流量，Nm3/h第二階段是碳激烈氧化的階段,脫碳速度受氧傳遞速K2=k2·61第二階段向第三階段過渡的碳含量：實驗室研究結果為0.1～0.2％[C]；實際生產(chǎn)結果為0.1～0.2%或0.2～0.3%[C]，甚至高達1.0～1.2％；受供氧速度、供氧方式、熔池攪拌情況等影響。第二階段向第三階段過實驗室研究結果為62轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝(復吹技術)ppt課件63脫磷反應對絕大多數(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)氣體儲罐、奧氏體不銹鋼等，要求盡量降低[P]含量。[P]對9％Ni鋼低溫韌性的影響脫磷反應對絕大多數(shù)鋼種，磷是■冷脆；某些鋼種，例64一、鐵水中[P]的氧化反應2[P]＋5/2{O2}＝(P2O5)G＝－938080＋258.7T[1,2]2[P]＋5[O]＝(P2O5)G＝－352880＋273.1T[1,2]2[P]＋5(FeO)＝(P2O5)＋5[Fe]G＝－209327＋40.3T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley1963一、鐵水中[P]的氧化反應2[P]＋5/2{O2}＝(P2652[P]＋5[O]＝(P2O5)G＝－352880＋273.1T計算：1650℃時脫磷反應所需P2O5活度1650℃時鋼液最高[O]為0.28%，目標[P]含量為0.01%，即：爐渣中P2O5活度必須低于3.62×10-12，脫磷反應才能進行。2[P]＋5[O]＝(P2O5)計算：1650℃時脫磷反應66P2O5的穩(wěn)定性—造渣的必要性2[P]＋5[O]＝(P2O5)G＝－352880＋273.1T1650℃時鋼液最高[O]為0.28%，目標[P]含量為0.01%，取渣中NP2O5＝0.015(相當于3.5%)，P2O5的穩(wěn)定性—造渣的必要性2[P]＋5[O]＝(P2O67通過造堿性爐渣降低P2O5的活度系數(shù)。Turkdogan經(jīng)驗公式[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。[1]JournalofIronandSteelInstitute,1953,Vol.175,p.398通過造堿性爐渣降低P2O5的活度系數(shù)。Turkdogan經(jīng)驗68煉鋼爐渣成分范圍：MnOP2O5FetOCaO/SiO245～55%12～20%4～13％2~4％CaOSiO2MgOAl2O32～6%1~5%12～28%3~4.5煉鋼爐渣成分范圍：MnOP2O569二、脫磷反應的熱力學條件脫磷反應的反應式：2[P]＋5[O]＝(P2O5)(1)2[P]＋5(FeO)＋3(CaO)＝(Ca3P2O8)＋5[Fe](2)2[P]＋5(FeO)＋4(CaO)＝(Ca4P2O9)＋5[Fe](3)按照爐渣離子模型2[P]＋5[O]＋3(O2-)＝2(PO43-)(5)2[P]＋5(Fe2+)＋8(O2-)＝2(PO43-)＋5[Fe](4)二、脫磷反應的熱力學條件脫磷反應的反應式：2[P]＋5[O70脫磷反應平衡的研究Healy等研究2[P]＋5[O]＝(P2O5)松下幸雄等研究脫磷反應平衡的研究Healy等研究2[P]＋5[O]＝(71有利于脫磷的工藝條件降低溫度有利于脫磷反應；提高爐渣堿度有利于脫磷反應；增加爐渣氧化鐵活度有利于脫磷反應；增加渣量有利于脫磷反應；增加[P]活度系數(shù)有利于脫磷反應。有利于脫磷的工藝條件降低溫度有利于脫磷反應；72渣量對脫磷反應的影響例題：對金屬和爐渣做磷的衡算。渣量對脫磷反應的影響例題：對金屬和爐渣做磷的衡算。73回磷：300噸BOF轉(zhuǎn)爐吹煉過程金屬成分變化煉鋼過程回磷；脫氧過程回磷。煉鋼過程回磷原因：吹煉中期爐渣返干，F(xiàn)etO含量減少；溫度偏高?；亓祝?00噸BOF轉(zhuǎn)爐吹煉過程金屬成分變化煉鋼過程回磷；74脫氧過程回磷原因：出鋼帶渣量多；爐渣堿度降低；[O]含量降低。3(P2O5)＋10[Al]＝6[P]＋5(Al2O3)2(P2O5)＋5[Si]＝4[P]＋5(SiO2)2[Al]＋3(FeO)＝(Al2O3)＋3[Fe][Si]＋2(FeO)＝(SiO2)＋2[Fe]脫氧過程回磷原因：出鋼帶渣量多；3(P2O5)＋10[Al75低磷鋼生產(chǎn)1、低磷鋼生產(chǎn)(鐵水預處理、氧氣煉鋼)；2、超低磷鋼(P<20ppm)生產(chǎn)(鐵水預處理＋二次精煉脫磷)鐵水脫磷預處理1、鐵水運送容器中噴粉脫磷；2、利用轉(zhuǎn)爐脫磷預處理(SRP、LD－ORP)。脫磷劑：CaO－CaF2－Fe2O3(O2)低磷鋼生產(chǎn)1、低磷鋼生產(chǎn)(鐵水預處理、氧氣煉鋼)；鐵水脫磷預76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77鐵水罐中噴粉脫磷NKK福山廠鐵水罐噴粉脫磷示意圖鐵水罐中噴粉脫磷NKK福山廠鐵水罐噴粉脫磷示意圖78利用轉(zhuǎn)爐作為容器進行鐵水脫磷處理新日鐵名古屋廠轉(zhuǎn)爐脫磷處理流程圖利用轉(zhuǎn)爐作為容器進行鐵水脫磷處理新日鐵名古屋廠轉(zhuǎn)爐脫磷處理流79各種鐵水脫磷方法的比較各種鐵水脫磷方法的比較80對于[P]<20ppm超低磷鋼，必須采用二次精煉脫磷方法NKK福山廠生產(chǎn)9％Ni超低磷鋼工藝流程圖對于[P]<20ppm超低磷鋼，必須采用二次NKK福山廠生產(chǎn)81脫硫反應硫?qū)︿摬男阅艿挠绊懀?/p>

■熱加工性(紅脆);■降低低溫韌性；■焊接性能；■抗氫致裂紋性能；■各向異性脫硫反應硫?qū)︿摬男阅艿挠绊懀?2鋼中[S]含量范圍：0.0002～0.040%；鐵液中S能無限溶解；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)狀硫化物夾雜鋼中[S]含量范圍：0.0002～0.040%；球狀MnS83一、脫硫反應[S]＋(CaO)＝(CaS)＋[O]G＝89036－18.46T[1,2][S]＋(MnO)＝(MnS)＋[O]G＝119222－33.95T[1,2][S]＋(MgO)＝(MgS)＋[O]G＝167524－14.9T[1,2][S]＋(O2+)＝[O]＋(S2+)一、脫硫反應[S]＋(CaO)＝(CaS)＋[O][S]84堿性氧化渣與鋼液間的脫硫反應[S]＋(CaO)＝(CaS)＋[O]G＝89036－18.46T[1,2]離子反應式[S]＋(O2-)＝(S2-)＋[O]logK＝－4650/T＋0.964堿性氧化渣與鋼液間的脫硫反應[S]＋(CaO)＝(CaS)85有利于脫硫的因素：提高溫度；提高[S]的活度系數(shù)；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-)＋[O]有利于脫硫的因素：提高溫度；[S]＋(O2-)＝(S2-)86硫容量(SulfideCapacity)[S]＋(O2-)＝(S2-)＋[O]硫容量代表爐渣脫硫能力，溫度一定時，只與爐渣組成有關。硫容量(SulfideCapacity)[S]＋(O2-87高堿度爐渣有利于脫硫高堿度爐渣有利于脫硫88爐渣高的FeO含量不利于脫硫爐渣高的FeO含量不利于脫硫891550℃1550℃90氣相脫硫(S2-)＋3/2{O2}＝(O2-)＋{SO2}6(Fe3+)＋(S2-)＋2(O2-)＝6(Fe2+)＋{SO2}[S]＋[O]＝{SO}G＝146594－24.40T[1,2][S]＋2[O]＝{SO2}G＝3851＋55.72T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley1963氣相脫硫約占總脫硫量的10％。氣相脫硫(S2-)＋3/2{O2}＝(O2-)＋{SO2}[91[S]＋(O2-)＝(S2-)＋[O]脫硫反應動力學WS： 爐渣重量，gF： 反應界面積，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(1)[S]＋(O2-)＝(S2-)＋[O]脫硫反應動力學WS： 92(1)反應剛開始進行時，渣中(%S)可忽略不計，則(2)Wm：鋼液重量，g(1)反應剛開始進行時，渣中(%S)可忽略不計，則(2)Wm93km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，因此認為爐渣中硫的傳質(zhì)是脫硫反應的限制性環(huán)節(jié)。km隨堿度增加而94(2)(3)因為，(3)式寫為：(4)(2)(3)因為，(3)式寫為：(4)95(4)在反應界面上，脫硫反應達到平衡，有代入(4)式，(5)(4)在反應界面上，脫硫反應達代入(4)式，(5)96(5)加快脫硫反應：增大Ls－提高爐渣堿度，減小FetO含量；增加ks－增強混合；增加反應界面積F。(5)加快脫硫反應：增大Ls－提高爐渣堿度，減小Fe97金屬的脫硫反應[Mn]+[S]=(MnS)G＝－131357＋80.95T[1,2]{Ca}+[S]=(CaS)G＝－572980＋169.4T[1,2]{Mg}+[S]=(MgS)G＝－430028＋181.8T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley1963金屬的脫硫反應[Mn]+[S]=(MnS){Ca}+[S]98轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝(復吹技術)ppt課件99低硫鋼生產(chǎn)技術■低硫鋼(S<100ppm)，采用鐵水預處理■超低硫鋼(S<50ppm)，鐵水預處理＋二次精煉脫硫鐵水脫硫預處理：KR法脫硫噴粉脫硫脫硫劑：CaC2,CaO、CaF2等脫硫率：40-80％[S]可脫除到90－50ppm。低硫鋼生產(chǎn)技術■低硫鋼(S<100ppm)，采用鐵水預處理100經(jīng)脫硫處理過的鐵水(S<90ppm)在氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼過程基本不能夠脫硫，由于廢鋼、殘渣、耐火材料等帶入硫，煉鋼過程回硫可達10～30ppm。僅具有鐵水脫硫預處理很難經(jīng)濟地生產(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。經(jīng)脫硫處理過的鐵水(S<90ppm)在氧氣轉(zhuǎn)101吹煉開始后回硫進行得很快，在開吹后10min里，[S]幾乎呈直線上升第一爐第二爐吹煉開始后回硫進行得很快，在開吹后10min里，[S]幾102爐渣堿度對回硫有重要的影響第一爐第二爐爐渣堿度對回硫有重要的影響第一爐103帶入硫量分析：煉鋼爐料中的硫主要來自廢鋼、鐵水渣和鐵水，石灰等帶入的硫很少。帶入硫量分析：煉鋼爐料中的硫主要來自廢鋼、鐵水渣和鐵水，104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2.3以上，將能夠減輕回硫；3)爐料中的硫主要來自廢鋼和脫硫渣，減少帶渣對抑制回硫十分重要。4)冶煉超低硫鋼時應采用減少廢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。由此可知：1)回硫主要發(fā)生在吹煉的前半期；10580kg級優(yōu)質(zhì)高強度鋼生產(chǎn)工藝流程

80kg級優(yōu)質(zhì)高強度鋼生產(chǎn)工藝流程106NKK福山廠250噸LF爐生產(chǎn)極低硫鋼([S]<5ppm)工藝3(CaO)+2[Al]+3[S]=3(CaS)+(Al2O3)（1）NKK福山廠250噸LF爐生產(chǎn)極低硫鋼([S]<5ppm)工107因為，（2）代入（2）式，得到（3）定義：因為，（2）代入（2）式，得到（3）定義：108要獲得高的(S)/[S]由（3）式得到：[Al]含量要高；溫度要高；爐渣(S.P.)值要低。要獲得高的(S)/[S]由（3）式得到：[Al]含量要高；109在60％CaO－10％SiO2－30％Al2O3處，爐渣的(S.P.)值最低(0.1左右)。在60％CaO－10％SiO2－30％Al2O3處，爐渣的110轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝(復吹技術)ppt課件111脫氧與鋼中非金屬夾雜物脫氧的必要性在氧氣煉鋼過程均采用向金屬熔池供氧以氧化去除鐵液中碳、硅、磷等雜質(zhì)；

為獲得高的反應效率，必須供入充足的氧；

在冶煉臨近結束時，鋼液實際上處于“過度氧化”狀態(tài)。1650C時，[O]飽和＝0.238％脫氧與鋼中非金屬夾雜物脫氧的必要性在氧氣煉鋼過程均采用112實際煉鋼生產(chǎn)中鋼液的溶解氧含量[O]低于[O]飽和；

鋼液[O]含量除與溫度有關外，還與鋼液其它組元含量、爐渣氧化性、氧氣煉鋼供氧參數(shù)等有關；冶煉結束時[O]含量存在一波動范圍；以氧氣底吹轉(zhuǎn)爐為例，當終點[C]含量在0.02％～0.10％之間時，[O]含量在0.08％～0.01％之間。。實際煉鋼生產(chǎn)中鋼液的溶113固體鋼中氧的溶解度變化鐵凝固后氧在固體鐵中的溶解度顯著降低；

鐵中氧的溶解度最大約為80ppm；

鐵中氧的溶解度最多為25ppm；

鐵中氧的溶解度僅約為3～4ppm。這意味著在凝固以及隨后的冷卻過程，鐵液中的溶解氧幾乎全部均要由Fe中析出。固體鋼中氧的溶解度變化鐵凝固后氧在固體這意味著在凝固以及隨后114氧對鋼性能的影響氧是在鋼的凝固過程偏析傾向最嚴重的元素之一，氧的偏析系數(shù)（1－[O]固體鋼/[O]鋼液）為0.98。在鋼凝固和隨后的冷卻過程，由于溶解度急劇降低，鋼中原溶解的絕大部分氧以鐵氧化物、氧硫化物等微細夾雜物形式在奧氏體或鐵素體晶界處富集存在；氧化物、氧硫化物等微細夾雜物會造成晶界脆化，在鋼的加工和使用過程容易成為晶界開裂的起點，導致鋼材發(fā)生脆性破壞；鋼中氧含量增加會降低鋼材的延性、沖擊韌性和抗疲勞破壞性能，提高鋼材的韌－脆轉(zhuǎn)換溫度，降低鋼材的耐腐蝕性能等。氧對鋼性能的影響氧是在鋼的凝固過程偏析傾向最嚴重的元素之一，115鋼液的脫氧在氧化冶煉完成后，必須對鋼液進行脫氧，將鋼液的氧含量降低到較低的水平。對鋼液進行脫氧目前主要有三種方法：（1）直接（沉淀）脫氧法；（2）擴散脫氧法；（3）真空脫氧法。鋼液的脫氧在氧化冶煉完成后，必須對鋼液進行脫氧，將鋼對鋼液進116直接（沉淀）脫氧是用與氧親和力較鐵與氧親和力強的元素作脫氧劑，脫氧劑與鋼液中的氧直接作用，發(fā)生脫氧反應，反應產(chǎn)物由鋼液上浮排除，從而達到脫氧目的。其中，[M]：脫氧元素；[O]：鋼液氧含量。沉淀脫氧是目前廣為采用的脫氧方法。脫氧時將脫氧劑以鐵合金形式直接加入到鋼液中，某些比重較輕或較易氣化的脫氧劑（例如鋁、鈣、鎂等）則多采用向鋼液喂絲或喂包芯線方法加入至鋼液中。沉淀脫氧反應速度快，操作簡便，成本較低，但由于部分脫氧產(chǎn)物會滯留在鋼中。直接（沉淀）脫氧是用與氧親和力較鐵與氧親和力強的元素作脫氧劑117擴散脫氧是向爐渣中加入碳粉、硅鐵粉、鋁粉等脫氧劑，降低爐渣的FeO含量。由氧在渣－鋼之間的分配平衡關系式可知，當渣中FeO含量不斷降低時，鋼中的氧即會向爐渣中擴散，以維持氧在渣－鋼間的分配平衡，從而達到鋼液脫氧的目的。擴散脫氧方法目前主要應用于鋼水爐外精煉。擴散脫氧的優(yōu)點是脫氧產(chǎn)物不玷污鋼液，缺點是脫氧速度較慢。擴散脫氧是向爐渣中加入碳粉、硅鐵粉、鋁粉等脫氧劑，降低爐渣的118真空脫氧是指將鋼液至于真空條件下，通過降低CO氣體分壓，促使鋼液內(nèi)[C]－[O]反應繼續(xù)進行，利用[C]－[O]反應達到脫氧的目的。真空脫氧方法的最大特點是脫氧產(chǎn)物CO幾乎全部可有鋼液排除，不玷污鋼液。缺點是鋼液溫度損失較大，且投資和生產(chǎn)成本較高。[C]＋[O]＝CO真空脫氧是指將鋼液至于真空條件下，通過降低CO氣體分壓，促使119轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝(復吹技術)ppt課件120元素的脫氧能力脫氧反應式：平衡常數(shù)式：當脫氧產(chǎn)物為純氧化物或呈飽和態(tài)時，aMxOy＝1，鋼液中[M]、[O]活度系數(shù)取為1，元素的脫氧能力脫氧反應式：平衡常數(shù)式：當脫氧產(chǎn)物為純氧化物121取Km的倒數(shù)，K稱為脫氧常數(shù)，用以判斷元素的脫氧能力。元素的脫氧能力：一定溫度下與一定濃度的脫氧元素相平衡的氧含量的高低。取Km的倒數(shù)，K稱為脫氧常數(shù)，用以判斷元素的脫氧能力。元素的122

脫氧常數(shù)K值愈大，與一定濃度脫氧元素[M]相平衡的鋼液[O]含量愈高，元素的脫氧能力愈弱。

反之，脫氧常數(shù)K值愈低，則元素的脫氧能力愈強。脫氧常數(shù)K值愈大，與一定濃度脫氧元素[M]相123轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝(復吹技術)ppt課件124G＝A＋B×T(KJ/mol)G＝A＋B×T(KJ/mol)125轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝(復吹技術)ppt課件126單獨元素的脫氧脫氧產(chǎn)物活度為1的條件下，元素脫氧能力：Ca>Al>Ti>C>Si>V>Cr>Mn單獨元素的脫氧脫氧產(chǎn)物活度為1Ca>Al>Ti>127脫氧產(chǎn)物與脫氧元素含量的關系在脫氧元素含量低，[O]含量高時，發(fā)生以下反應：脫氧產(chǎn)物有：FeOMnO、FeOAl2O3、FeOSiO2、FeOV2O3、FeOCr2O3等。脫氧產(chǎn)物與脫氧元素含量的關系在脫氧元素含量低，[O]含量高128脫氧元素不同含量下的脫氧產(chǎn)物組成脫氧元素不同含量下的脫氧產(chǎn)物組成129三次脫氧產(chǎn)物：鋼液凝固時，在固－液兩相區(qū)仍可以繼續(xù)進行脫氧反應，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，脫氧反應得以繼續(xù)進行，由此生成的脫氧產(chǎn)物。三次脫氧產(chǎn)物：鋼液凝固時，在固－液兩相區(qū)仍一次脫氧產(chǎn)物：加入130錳的脫氧[Mn]+[O]=MnO(l)G=－285025＋126.84T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；與硅、鋁同時使用，增強硅、錳的脫氧能力。錳的脫氧[Mn]+[O]=MnO(l)脫氧能力很低；131硅的脫氧[Si]+2[O]=SiO2(s)G=－585700＋226.86T具有較強的脫氧能力；隨溫度降低，脫氧能力增強；為絕大多數(shù)鋼種采用。硅的脫氧[Si]+2[O]=SiO2(s)具有較強的脫氧132鋁的脫氧2[Al]+3[O]=Al2O3(s)G=－1243660＋394.7T非常非常強的脫氧能力；隨溫度降低，脫氧能力增強；為大多數(shù)鋼種采用。鋁的脫氧2[Al]+3[O]=Al2O3(s)非常非常強133復合脫氧劑的脫氧1、硅－錳復合脫氧硅比錳的脫氧能力強，但是用硅－錳同時脫氧，可以降低SiO2的活度，得到更低的殘余氧含量。復合脫氧劑的脫氧1、硅－錳復合脫氧硅比錳的脫氧能力強，但1343、脫氧產(chǎn)物的去除由鋼液中夾雜物的排除速度，傳統(tǒng)認為服從Stokes定律。上浮速度與夾雜物和鋼液之間的密度差成正比，與夾雜物尺寸的平方成正比，與鋼液的粘度成反比。(1)上浮去除3、脫氧產(chǎn)物的去除由鋼液中夾雜物的排除速度，傳統(tǒng)認為服從上135由于鋼液的粘度、鋼液和夾雜物的密度差不會有很大的變化，所以長時期來認為主要靠增加夾雜物的顆粒半徑才能有效去除夾雜物。液態(tài)的夾雜物容易凝集長大，采用復合脫氧劑的目的之一就是得到液態(tài)的脫氧產(chǎn)物。由于鋼液的粘度、鋼液和夾雜物的密度差不會有很136Stokes定律不是在一切范圍都適用的規(guī)律，它的應用范圍要求符合以下條件：1)顆粒為球形；2)顆粒和流體的相對速度較低，即雷諾數(shù)(Re)在2以下；3)顆粒與流體分子之間沒有滑移。

m：鋼液密度，kg/m3；v:：夾雜物上浮速度，m/sd：夾雜物當量直徑，m

m：鋼液粘度，Pa.sStokes定律不是在一切范圍都適用的規(guī)律，它的1)顆粒為球137?。?/p>

m為7100kg/m3，s為3000kg/m3，m為0.005Pa.s。由聯(lián)立方程：得到：即夾雜物大小不超過147

m，其上浮速度服從Stokes定律。取：m為7100kg/m3，s為3000kg/m3，138(2)夾雜物上浮與界面張力的關系實踐中發(fā)現(xiàn)高熔點的Al2O3夾雜物由鋼液中排除的速度非?？?。(2)夾雜物上浮與界面張力的關系實踐中發(fā)現(xiàn)高熔139Al2O3夾雜物上浮快的原因：與鋼液之間界面張力大；生成簇群狀夾雜物。Al2O3夾雜物上浮快的原因：與鋼液之間界面張力大；140轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝(復吹技術)ppt課件141(3)熔渣吸收非金屬夾雜物熔渣與鋼液作用，有的熔渣能夠吸收夾雜物，有的熔渣反而增加鋼中的夾雜物。鋼液中夾雜物顆粒進入熔渣被吸收，自由能變化為：式中，n為鋼液膜破裂前夾雜物與其接觸的表面所占比例，G溶解與渣的自由能變化，為鋼液膜厚度。(1)(3)熔渣吸收非金屬夾雜物熔渣與鋼液作用，有的熔渣能夠吸收142(1)夾雜物進入熔渣的過程中，n值從零變到1。當夾雜物排入熔渣之前，將鋼液面彎曲(曲率半徑為r＋)，進入熔渣后鋼液面又變平。夾雜物進入熔渣為自發(fā)過程時，Gs<0，即(3)(2)(1)夾雜物進入熔渣的過程中，n夾雜物進入熔渣為自發(fā)過程時，143影響熔渣吸收夾雜物的因素：夾雜物溶解于爐渣的自由能變化夾雜物尺寸r；鋼液－夾雜物間界面張力

m-i；鋼液－爐渣間界面張力

m-s；夾雜物－熔渣間界面張力

i-s。影響熔渣吸收夾雜物的因素：夾雜物溶解于爐渣的自由能變化144(4)攪拌的影響增強攪拌，鋼液運動會促使夾雜物的聚集和上浮。實際生產(chǎn)中廣泛采用吹氬、真空等方法攪拌鋼液。(4)攪拌的影響增強攪拌，鋼液實際生產(chǎn)中廣泛