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冶金概论3转炉炼钢.pptx
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1、12024/8/12 周一/14:57:591主要内容主要内容3.1 炼钢的基本任的基本任务3.2 炼钢炉渣炉渣(slag)3.3 炼钢过程的基本原理程的基本原理3.4 炼钢用原材料用原材料(raw materials)3.5 铁水水预处理工理工艺(hot metal pretreatment process)3.6 转炉炉炼钢22024/8/12 周一/14:58:0123.1 炼钢的基本任务炼钢的基本任务p四脱:四脱:C、S、P、O;p二去:气体、二去:气体、夹杂;p二二调整:温度、成分。整:温度、成分。p浇注。注。32024/8/12 周一/14:58:0233.2 炼钢炉渣炼钢炉渣3.
2、2.1 炼钢炉渣的作用炉渣的作用3.2.2 炼钢炉渣的来源及其炉渣的来源及其组成成3.2.3 炼钢炉渣的主要性炉渣的主要性质42024/8/12 周一/14:58:0243.2.1 炼钢炉渣的作用炼钢炉渣的作用p作用作用:通通过对炉渣成分、性能及数量的炉渣成分、性能及数量的调整,可整,可以控制金属中各元素的氧化和以控制金属中各元素的氧化和还原原过程;程;向向钢中中输送氧以氧化各种送氧以氧化各种杂质;吸收吸收钢液中的非金属液中的非金属夹杂物,并防止物,并防止钢液液吸气(吸气(H、N)。)。其它作用。如:其它作用。如:稳定定电弧,保弧,保护渣。渣。p副作用:侵副作用:侵蚀炉炉衬;降低金属收得率。;
3、降低金属收得率。52024/8/12 周一/14:58:0353.2.2 炼钢炉渣的来源及其组成炼钢炉渣的来源及其组成p炼钢炉渣的来源:炉渣的来源:加入的各种造渣材料及被侵加入的各种造渣材料及被侵蚀炉炉衬;炼钢中化学反中化学反应的的产物:氧化物和硫化物;物:氧化物和硫化物;废钢带入得泥沙和入得泥沙和铁锈;氧化物或冷却;氧化物或冷却剂带入的脉石。入的脉石。p炉渣的炉渣的组成以各种成以各种金属氧化物金属氧化物为主,并含有主,并含有少量少量硫化物硫化物和和氟化物氟化物。p炼钢炉渣的基本体系是炉渣的基本体系是CaO-SiO2-FeO。62024/8/12 周一/14:58:0463.2.3 炼钢炉渣的
4、主要性质炼钢炉渣的主要性质p碱度碱度(basicity):R1.31.5,低碱度渣;,低碱度渣;R1.82.0,中碱度渣;,中碱度渣;R2.5,高碱度渣;高碱度渣;p氧化性氧化性炉渣向金属熔池炉渣向金属熔池传氧的能力氧的能力,一般以,一般以渣中氧化渣中氧化铁(FeO)含量来表示。)含量来表示。p把把Fe2O3折合成折合成FeO有两种有两种计算方法:算方法:全氧法全氧法和和全全铁法法。全。全铁法法较合理。合理。p炉渣的氧化能力是个炉渣的氧化能力是个综合的概念,其合的概念,其传氧能力氧能力还受受炉渣粘度炉渣粘度、熔池熔池搅拌拌强度度、供氧速度供氧速度等因素的等因素的影响。影响。72024/8/12
5、 周一/14:58:0673.3 炼钢过程的基本原理炼钢过程的基本原理3.3.1 炼钢熔池中氧的来源及熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式液中元素的氧化方式3.3.2 炼钢熔池中元素的氧化次序熔池中元素的氧化次序3.3.3 脱碳反脱碳反应(decabonization)3.3.4 硅的氧化硅的氧化3.3.5 锰的氧化与的氧化与还原原3.3.6 脱磷反脱磷反应(dephosphorization)3.3.7 脱硫反脱硫反应(desulphurization)3.3.8 钢的脱氧的脱氧(de-oxidation)3.3.9 脱气脱气(degassing)3.3.10 去除去除钢中中夹杂物物8202
6、4/8/12 周一/14:58:0783.3.1 炼钢熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式炼钢熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式p氧的来源:氧的来源:直接向熔池中吹入工直接向熔池中吹入工业纯氧(氧(98););向熔池中加入富向熔池中加入富铁矿;炉气中的氧炉气中的氧传入熔池。入熔池。p铁液中元素的氧化方式有两种:液中元素的氧化方式有两种:直接氧化直接氧化(direct oxidation)和和间接氧化接氧化(indirect oxidation)。92024/8/12 周一/14:58:089直接氧化方式直接氧化方式p直接氧化是指氧气直接与直接氧化是指氧气直接与铁液中的元素液中的元素产生氧化反
7、生氧化反应。p当向当向铁液中吹入氧气液中吹入氧气时,如果在,如果在铁液与气相界面有液与气相界面有被溶解的元素如被溶解的元素如SiMnC,虽有大量的有大量的铁原子存在,但根据元素的氧化次序原子存在,但根据元素的氧化次序SiMnC将将优先于先于铁而被氧化。而被氧化。p反反应可写可写为:C+12O=CO Si+O2=(SiO2)Mn+12O2(MnO)在氧气在氧气转炉炉炼钢时氧气流股冲氧气流股冲击铁液形成一个冲液形成一个冲击坑,氧气与坑,氧气与铁液直接接触,易液直接接触,易产生元素的直接生元素的直接氧化。氧化。102024/8/12 周一/14:58:1010p吹入的氧气由于吹入的氧气由于动力学的原
8、因首先与力学的原因首先与铁液中的液中的Fe原子反原子反应形成形成FeO进入炉渣同入炉渣同时使使铁液中溶解氧液中溶解氧O。炉渣中的(。炉渣中的(FeO)和溶解在)和溶解在铁液中的液中的O再与元素再与元素发生生间接氧化接氧化。p其反其反应为:O2+Fe=(FeO)(FeO)=Fe+O 如:如:2O+Si=(SiO2)或或 2(FeO)+Si=2Fe+(SiO2)在渣在渣-金界面上往往金界面上往往产生元素的生元素的间接氧化反接氧化反应。间接氧化方式间接氧化方式112024/8/12 周一/14:58:11113.3.2 炼钢熔池中元素的氧化次序炼钢熔池中元素的氧化次序p溶解在溶解在铁液中的元素的氧化
9、次序可以通液中的元素的氧化次序可以通过与与1molO2的氧化反的氧化反应的的标准吉布斯自由能准吉布斯自由能变化化来判断。来判断。p在在标准状准状态下,反下,反应的的Go负值越多,越多,该元素元素被氧化的被氧化的趋势就越大,就越大,则该元素就元素就优先被大量先被大量氧化。氧化。p铁液中常液中常规元素与氧反元素与氧反应的的标准吉布斯自由能准吉布斯自由能变化与温度的关系化与温度的关系绘制成制成图。122024/8/12 周一/14:58:13121.CuNiMoW等元素氧化等元素氧化的的Go线都在线都在Fe氧化氧化Go线之上。线之上。从热力学角度来说,在炼钢吹氧过从热力学角度来说,在炼钢吹氧过程中这
10、些元素将受到程中这些元素将受到Fe的保护而不的保护而不氧化。氧化。2.CrMnVNb等元素的氧等元素的氧化程度随冶炼温度而定。化程度随冶炼温度而定。3.AlTiSiB等元素氧化的等元素氧化的Go线在图中位于较低的位置,它线在图中位于较低的位置,它们最易氧化。在实际生产中,这些们最易氧化。在实际生产中,这些元素作为强脱氧剂使用。元素作为强脱氧剂使用。注意:虽然在炼钢温度下,注意:虽然在炼钢温度下,Fe氧化的氧化的Go线高于其它元素氧化的线高于其它元素氧化的Go线,但由于铁液中大多数为线,但由于铁液中大多数为Fe原子,氧与原子,氧与Fe原子接触机会多,故原子接触机会多,故在实际上在实际上Fe还是会
11、氧化。还是会氧化。132024/8/12 周一/14:58:15133.3.3 脱碳反应脱碳反应p炼钢的一个重要任的一个重要任务是是利用氧化方法将利用氧化方法将铁液中液中过多多的碳去除,称的碳去除,称为脱碳脱碳。脱碳反。脱碳反应是是贯穿于冶穿于冶炼过程。程。p在高温下在高温下C主要氧化成主要氧化成为CO。pC与氧的反与氧的反应有:有:在渣在渣-金界面上:金界面上:C+(FeO)=CO+Fe C+O=CO在气在气-金界面上:金界面上:C+12O2=CO142024/8/12 周一/14:58:1614脱碳反应的作用脱碳反应的作用p脱碳反脱碳反应除了除了调整整钢液碳含量液碳含量的作用外,的作用外,
12、其反其反应产物物CO气体的上浮排除气体的上浮排除使得脱碳使得脱碳反反应给炼钢带来独特的作用。来独特的作用。促促进熔池成分熔池成分温度均匀;温度均匀;提高化学反提高化学反应速度;速度;降低降低钢液中的气体含量和液中的气体含量和夹杂物数量:物数量:造成造成喷溅和溢出:和溢出:152024/8/12 周一/14:58:18153.3.4 硅的氧化硅的氧化p硅的直接氧化和硅的直接氧化和间接氧化反接氧化反应式式在气在气-金界面上金界面上Si+O2=(SiO2)在渣在渣-金界面上金界面上Si+2O=(SiO2)Si+2(FeO)=(SiO2)+2Fe162024/8/12 周一/14:58:19163.3
13、.5 锰的氧化与还原锰的氧化与还原p铁液中的液中的锰反反应,形成在高温下是形成在高温下是稳定的定的MnO。pMn的氧化反的氧化反应式式为:在气在气-金界面上金界面上Mn+1/2O2=(MnO)在渣在渣-金界面上金界面上Mn+O=(MnO)Mn+(FeO)=(MnO)+Fe172024/8/12 周一/14:58:20173.3.6 脱磷反应脱磷反应p氧化脱磷:氧化脱磷:在在炼钢温度下,温度下,气化脱磷反气化脱磷反应是不能是不能进行行的的。由于。由于Fe优先于先于P氧化,通氧化,通过直接直接氧化反氧化反应的气化脱磷也是的气化脱磷也是难以以进行的行的。通通过加入石灰加入石灰造碱性渣可以将造碱性渣可
14、以将铁液中的磷液中的磷脱出到炉渣中脱出到炉渣中。这是由于是由于P2O5时是酸性是酸性氧化物,遇到碱性氧化物如氧化物,遇到碱性氧化物如CaO能生成能生成稳定的化合物而定的化合物而进入炉渣。入炉渣。182024/8/12 周一/14:58:2118p用碱性炉渣用碱性炉渣进行脱磷的反行脱磷的反应为:在渣在渣-金界面金界面 3(CaO)+2P+5O=(3CaOP2O5)3(CaO)+2P+5(FeO)=(3CaOP2O5)+5Fe 在渣在渣-金金-气界面气界面 3(CaO)+2P+5/2O2=(3CaOP2O5)脱磷反应式脱磷反应式192024/8/12 周一/14:58:22193.3.7 脱硫反应
15、脱硫反应p反反应热力学力学炉渣分子理炉渣分子理论认为,脱硫反,脱硫反应为:S+(CaO)=(CaS)+O 分子理分子理论解解释不了不了纯FeO渣也能脱硫的渣也能脱硫的现象,故炉渣离子理象,故炉渣离子理论认为,脱硫反,脱硫反应属于属于电化学反化学反应:S+(O2-)=(S2-)+O202024/8/12 周一/14:58:2320炉渣脱硫原理炉渣脱硫原理212024/8/12 周一/14:58:2421气化脱硫气化脱硫p气化脱硫主要通气化脱硫主要通过炉渣中硫的气化来炉渣中硫的气化来实现,即:,即:(S2-)+3/2O2=SO2+(O2-)或写或写为:6(Fe3+)+(S2-)+2(O2-)=6(
16、Fe2+)+SO26(Fe2+)+3/2O2=6(Fe3+)+3(O2-)两个反两个反应式表明,渣中的式表明,渣中的铁离子充当气化脱硫所需离子充当气化脱硫所需氧的媒介。氧的媒介。需要明确的是,气化脱硫是以炉渣脱硫需要明确的是,气化脱硫是以炉渣脱硫为基基础的,的,首先硫从金属液被脱除到炉渣中,然后炉渣中的硫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再被气化脱除进入炉气中。在入炉气中。在转炉炉炼钢中,有中,有约三三分之一的硫是以气化脱硫的方式去除的。分之一的硫是以气化脱硫的方式去除的。222024/8/12 周一/14:58:25223.3.8 钢的脱氧钢的脱氧p脱氧是向脱氧是向炼钢
17、熔池或熔池或钢水中加入脱氧水中加入脱氧剂,脱氧,脱氧元素与氧反元素与氧反应,生成的脱氧,生成的脱氧产物或物或进入渣中入渣中或成或成为气相排出。气相排出。p脱氧脱氧剂应具有脱氧元素与氧的具有脱氧元素与氧的亲和力大、脱氧和力大、脱氧产物易排除、成本低和来源广等的特点。物易排除、成本低和来源广等的特点。p根据脱氧反根据脱氧反应发生的地点不同,脱氧方法分生的地点不同,脱氧方法分为沉淀脱氧沉淀脱氧扩散脱氧散脱氧和和真空脱氧真空脱氧。钢种钢种轿车面板轿车面板不锈钢板不锈钢板轴承钢轴承钢管线钢管线钢轮胎钢丝轮胎钢丝O/0.0030.0040.00050.0020.003232024/8/12 周一/14:5
18、8:2723沉淀脱氧沉淀脱氧p又叫又叫直接脱氧直接脱氧。把把块状脱氧状脱氧剂加入到加入到钢液液中,脱氧元素在中,脱氧元素在钢液内部与液内部与钢中氧直接反中氧直接反应,生成的脱氧,生成的脱氧产物上浮物上浮进入渣中的脱氧入渣中的脱氧方法称方法称为沉淀脱氧沉淀脱氧。p出出钢时向向钢包中加入硅包中加入硅铁锰铁铝铁或或铝块脱氧就是沉淀脱氧。脱氧就是沉淀脱氧。242024/8/12 周一/14:58:2924扩散脱氧扩散脱氧p又叫又叫间接脱氧。接脱氧。它是将粉状的脱氧它是将粉状的脱氧剂如如C粉粉Fe-Si粉粉CaSi粉粉Al粉加到炉渣中,降粉加到炉渣中,降低炉渣中的氧含量,使低炉渣中的氧含量,使钢液中的氧
19、向炉渣中液中的氧向炉渣中扩散,从而达到降低散,从而达到降低钢液中氧含量的一种脱氧方液中氧含量的一种脱氧方法。法。p在在电炉炉炼钢的的还原期和炉外精原期和炉外精炼过程向渣中加程向渣中加入粉状脱氧入粉状脱氧剂进行脱氧操作就是行脱氧操作就是扩散脱氧。散脱氧。252024/8/12 周一/14:58:3025p是利用降低系是利用降低系统的的压力来降低力来降低钢液中氧含液中氧含量的脱氧方法量的脱氧方法。它只适用于脱氧。它只适用于脱氧产物物为气气体的脱氧反体的脱氧反应如如C-O反反应。p这种脱氧方法常用于炉外精种脱氧方法常用于炉外精炼中,如中,如RH真真空空处理理VADVD等精等精炼方法都可方法都可实现钢
20、液的真空脱氧。液的真空脱氧。真空脱氧真空脱氧262024/8/12 周一/14:58:31263.3.9 脱气脱气p钢中气体(中气体(H、N)的来源:)的来源:金属料如金属料如废钢和和铁合金中含有的一定量的合金中含有的一定量的氢和氮。和氮。潮湿的造渣潮湿的造渣剂,加入炉内后分解,也使,加入炉内后分解,也使钢中气体增加。中气体增加。耐火材料用粘耐火材料用粘结剂含有含有8%9%的的氢。暴露在空气中的暴露在空气中的钢液,会从空气中吸收液,会从空气中吸收氢和氮。和氮。如果如果炼钢采用的氧气不采用的氧气不纯,也能造成,也能造成钢的增氮。的增氮。p气体的溶解反气体的溶解反应为:H2=H N2=N 2720
21、24/8/12 周一/14:58:3227降低钢中气体的措施降低钢中气体的措施p提高提高炼钢原材料原材料质量。如使用含气体量低的量。如使用含气体量低的废钢和和铁合金;合金;对含水分的原材料含水分的原材料进行烘烤干燥,采行烘烤干燥,采用高用高纯度的氧气等。度的氧气等。p尽量降低出尽量降低出钢温度,减小气体在温度,减小气体在钢中的溶解度。中的溶解度。p在冶在冶炼过程,程,应充分利用脱碳反充分利用脱碳反应产生的溶池沸生的溶池沸腾来降低来降低钢水中的气体含量。水中的气体含量。p用炉外精用炉外精炼技技术,降低,降低钢水中的气体含量。如采水中的气体含量。如采用用钢包吹包吹氩搅拌,真空精拌,真空精炼脱气,微
22、气泡脱气等脱气,微气泡脱气等方法方法对钢水水进行脱气行脱气处理。理。p采用保采用保护浇注技注技术,防止,防止钢水从大气中吸收气体。水从大气中吸收气体。282024/8/12 周一/14:58:33283.3.10 去除钢中夹杂物去除钢中夹杂物p钢中中夹杂物的来源物的来源钢中存在着硫中存在着硫磷磷氧氧氮等氮等杂质元素,元素,这些些元素与元素与钢中的合金元素如硅中的合金元素如硅锰铝钛钒等形成非金属化合物,如氧化物等形成非金属化合物,如氧化物硫化物硫化物氮氮化物等。化物等。钢中的中的这些非金属化合物,些非金属化合物,统称称为非非金属金属夹杂物,也称物,也称为内生内生夹杂。在在炼钢过程中,程中,钢水与
23、炉渣和炉水与炉渣和炉衬接触,炉渣接触,炉渣炉炉衬中的化合物被卷入到中的化合物被卷入到钢水中,也会造成非水中,也会造成非金属金属夹杂物,也称物,也称为外来外来夹杂。292024/8/12 周一/14:58:3529钢中夹杂物的分类钢中夹杂物的分类p按按夹杂物的化学成分分:氧化物物的化学成分分:氧化物夹杂;硫化物;硫化物夹杂;氮化物;氮化物夹杂。p按加工按加工变形后形后夹杂物的形物的形态分:塑性分:塑性夹杂;脆;脆性性夹杂;半塑性;半塑性夹杂。p按按夹杂物的来源分:内生物的来源分:内生夹杂和外来和外来夹杂。302024/8/12 周一/14:58:3630降低钢中夹杂物的措施降低钢中夹杂物的措施p
24、在冶在冶炼中采取各种手段降低中采取各种手段降低钢中中杂质元素元素OSNP等的含量,提高等的含量,提高钢的的洁净度,从度,从根本上减少内生根本上减少内生夹杂物。物。p提高耐火材料提高耐火材料质量,提高其抗冲量,提高其抗冲击和耐侵和耐侵蚀的能力,减的能力,减少外来少外来夹杂物数量。物数量。p采用合理的脱氧制度,使脱氧采用合理的脱氧制度,使脱氧产物易于聚集上浮,从物易于聚集上浮,从钢液中排除。液中排除。p应用用钢包冶金如真空脱氧包冶金如真空脱氧吹吹Ar搅拌拌喷粉粉处理等和中理等和中间包冶金如采用堰、包冶金如采用堰、坝导流板流板过滤器器湍流控制器湍流控制器等控流装置,去除等控流装置,去除钢水中的水中的
25、夹杂物。物。p采取保采取保护浇注技注技术,防止,防止钢水从周水从周围大气大气环境中吸收氧境中吸收氧氢氮。氮。312024/8/12 周一/14:58:38313.4 炼钢用原材料炼钢用原材料3.4.1 金属料金属料p铁水;水;p废钢;p铁合金;合金;3.4.2 辅助材料助材料p造渣材料;造渣材料;p氧化氧化剂;p冷却冷却剂;p还原原剂和增碳和增碳剂。322024/8/12 周一/14:58:40323.4.1.1 铁水(或生铁块)铁水(或生铁块)p铁水是氧气水是氧气转炉炉炼钢的基本原料,一般占金属的基本原料,一般占金属料的料的70100;电炉只用生炉只用生铁块作配碳用。作配碳用。p铁水成分水成
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