炼钢用原材料(炼钢工艺学)

第三章炼钢用原材料和耐火材料主要内容3.1炼钢用原材料3.2炼钢用耐火材料钢的分类按化学成分分类按是否加入合金元素可钢分为把碳素钢和合金钢两大类。碳素钢根据碳含量的高低又可分成低碳钢（[C]≤0.25%）中碳钢(0.25%≤[C]≤0.60%)和高碳钢([C]0.60%)合金钢根据钢中合金元素含量的多少，又可分为低合金钢，中合金钢和高合金钢。一般合金元素总含量小于3%的为普通低合金钢，总含量为3%～5%的为低合金钢，大于10%的叫高合金钢，总含量介于5%～10%之间为中合金钢。按冶炼方法和质量水平分类按炼钢炉设备不同可分为转炉钢、电炉钢、平炉钢。其中电炉钢包括电弧炉钢、感应炉钢、电渣钢、电子束熔炼及有关的真空熔炼钢等。按脱氧程度不同可分为沸腾钢（不经脱氧或微弱脱氧）、镇静钢（脱氧充分）和半镇静钢（脱氧不完全，介于镇静钢和沸腾钢之间）。按质量水平不同可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。按用途分类分为三大类：结构钢，工具钢，特殊性能钢。结构钢是目前生产最多、使用最广的钢种，它包括碳素结构钢和合金结构钢，主要用于制造机器和结构的零件及建筑工程用的金属结构等。合金结构钢根据化学成分（主要指含碳量）热处理工艺和用途的不同，又可分为渗碳钢、调质钢和氮化钢。工具钢包括碳素工具钢和合金工具钢及高速钢。特殊性能钢指的是具有特殊化学性能或力学性能的钢，如轴承钢、不锈钢、弹簧钢、高温合金钢等。3.1炼钢用原材料金属料铁水（或生铁块）废钢铁合金非金属料（辅助材料）造渣材料石灰（活性石灰）萤石白云石合成造渣材料氧化剂氧气铁矿石氧化铁皮冷却剂还原剂和增碳剂石墨电极木炭焦炭电石硅铁、硅钙等废钢铁矿石氧化铁皮石灰石金属料—铁水（生铁）铁水是转炉炼钢的基本原料。铁水的成分和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十分重要。温度＞1200～1300℃,且稳定。硅硅是重要的发热元素。对大中型转炉，用废钢作冷却剂时，铁水含硅量以0.5～0.8%为宜。用矿石冷却时，由于矿石带入SiO2，铁水含硅量应适当降低。铁水含硅量过高、过低对冶炼有什么影响？硫顶吹氧气转炉单渣法操作的去硫率很少超过40%，吹炼低硫钢的铁水，要求含硫0.015％甚至更低。转炉用铁水的含锰量未作规定，铁水含Mn高，对化渣和延长炉龄有作用。金属料—废钢废钢是电弧炉炼钢的基本原料，用量约占钢铁料的70～90%。氧气转炉用铁水炼钢时，由于热量富裕，可以加入多达30%的废钢，作为调整吹炼温度的冷却剂。废钢入炉前应仔细检查，严防混入封闭器皿、爆炸物和毒品，注意防止混入铅、锌、锡、铜等有色金属。尽量减少废钢带入的泥砂、耐火材料和炉渣等。合金钢的废料应按所含的合金元素仔细分组后分别保管。对外形尺寸和单重过大的废钢，应预先进行解体和切割，对轻薄料应打包或压块。铁矿石在较低温度下还原得到的海绵铁代替废钢作为电炉炼钢原料是一个趋势。金属料—铁合金锰铁、硅铁、铬铁、硅锰合金、硅钙合金、硅锰铝合金，以及铝、锰、镍、钴等金属用于炼钢生产的脱氧和合金化。同一合金的不同牌号中，合金元素含量越高，碳、磷等杂质含量越低，价格越高。按所炼钢种选用适当的牌号，可以降低钢的成本。铁合金必须按其成分仔细分类并加工成一定块度后使用，使钢的成分均匀和减少烧损。使用前还必须进行烘烤，以减少带入钢中的气体。熔点较低和易氧化的合金，如钒铁、钛铁、铌铁、硼铁、硅钙、铝和稀土金属等可在低温下(100～1500℃)烘烤。熔点高和不易氧化的合金，如硅铁、铬铁、钨铁、钼铁等在高温下(≥800℃)烘烤。含氢高的金属如电解镍、电解锰等应进行退火。造渣材料—石灰碱性炼钢方法基本的造渣材料。它由石灰石煅烧而成，来源广，价廉，有相当强的脱磷和脱硫能力，不危害炉衬。要求CaO含量高，SiO2和S的含量尽可能低。终渣碱度为3.0时，石灰中SiO2含量增加l%，有效CaO含量将减少约3%。石灰含硫量高，去硫能力低，有可能增硫。炼低硫的钢种，对右灰的含硫量应有严格要求。石灰的灼减大，表明生烧率高，而且不稳定，会使炉子热效率显著降低，使造渣、温度控制和终点控制发生困难。应将灼减控制在适当的范围内(4-7％)。块度对石灰的熔解速度有重要影响，以5～40毫米为宜。块度过大，熔解很慢，不能及时而充分地起作用。过于细小的石灰粒易被废气带走。造渣材料—石灰石灰容易吸水粉化，变成Ca(OH)2。应尽量使用新烧的石灰，采用密闭的容器贮存和运输。这对电炉钢厂尤为重要。石灰的气孔率越大、体积密度越小和晶粒越细，则石灰在吹炼过程中熔解越快。采用“活性”来衡量石灰与炉渣的反应能力，即石灰在炉渣中熔解速度的指标。石灰在水中的溶解速度，即石灰的“水活性”，可以近似地反映石灰在炉渣中的熔解速度。石灰在水中溶解快，则在炉渣中熔解也快；反之亦然。延伸知识石灰石煅烧生烧石灰硬烧石灰软烧石灰煅烧温度过低或煅烧时间过短、含有较多未分解的CaCO3的石灰将煅烧温度过高或煅烧时间过长而获得的晶粒大、气孔率低和体积密度大的石灰将煅烧温度在1100℃左右而获得的晶粒小、气孔率高(约40％)、体积密度小(约1.6g／cm3)反应能力高的石灰石灰石煅烧石灰石在煅烧过程中的分解反应为：CaCO3→CaO+C02CaCO3的分解温度为880～910℃。石灰石煅烧温度高于其分解温度越多，石灰石分解越快，生产率越高。煅烧温度越高，烧成的CaO的晶粒长大也越快，难以获得细晶石灰。同样，分解出的CaO在煅烧的高温区停留的时间越长，晶粒也长得越大。因此，要获得细晶石灰，CaO在高温区停留的时间应该短。相反，煅烧温度过低，石灰块核心部分的CaCO3来不及分解而使生烧率增大。因此，煅烧温度一般控制在1050～1150℃的范围。烧成石灰的晶粒大小也决定着石灰的气孔率和体积密度，随着细小晶粒的合并长大，细小孔隙也随着减少。造渣材料—萤石萤石是普遍应用的熔剂，其主要成分为CaF2。熔点很低(约930℃)。能使CaO和阻碍石灰熔解的2CaO·SiO2外壳的熔点显著降低，而且作用迅速。因而能加速石灰的熔解，迅速改善碱性炉渣的流动性。转炉炼钢要求快速化渣，萤石成为必备的材料。但大量使用萤石会增加喷溅，加剧对炉衬的浸蚀。电炉炼钢用的萤石，使用前应经过烘烤。萤石供应不足和价格贵，寻求其代用品的研究很活跃。我国许多转炉钢厂使用铁矾土和氧化铁皮作为萤石的代用品。但它们的助熔速度比萤石慢，而且消耗的热量比萤石多。也有个别工厂采用锰矿作辅助熔剂，但因来源有限，应用不普遍。造渣材料—白云石白云石的主要成分CaCO3.MgCO3。经焙烧可成为轻烧白云石，其主要成分为CaO.MgO。加入一定量白云石代替部分石灰，增加渣料中MgO含量，可以减少炉衬中的MgO向炉渣中转移，而且还能促进前期化渣，减少萤石用量和稠化终渣，减轻炉渣对炉衬的浸蚀，延长炉衬寿命。溅渣护炉操作时，通过加入适量的生白云石或轻烧白云石保持渣中的MgO含量达到饱和或过饱和，使终渣能够做黏，出钢后达到溅渣的要求。造渣材料—合成渣合成造渣材料的基本原理是将石灰和熔剂预先在炉外制备成低熔点的造渣材料，即把石灰块的造渣过程部分地、甚至全部地移到炉外进行。合成造渣材料加入炉内，能加速成渣过程，提高炼钢的技术经济指标。无论是单一地加入FexOy、CaF2、MnO或是将两种以上熔剂加入石灰制成的合成造渣材料，都能加速成渣、脱磷和脱硫，提高金属收得率、降低渣料消耗和延长炉龄。使用高碱度烧结矿或球团矿，可以显著改善成渣过程。特别是高碱度球团矿，它的块度，强度、化学成分及稳定性都很好，并可由高炉的球团车间供应，是有一定前途的合成造渣材料。其缺点是要吸收大量热量，影响废钢用量。氧化剂1.氧气由氧气厂供应，用管道输送。吹氧炼钢时钢中的含氮量与氧气的纯度有密切关系。一般要求氧气的纯度应98%O2。冶炼含氮量低的钢种时，应99.5%O2。氧气应脱除水分。氧气的使用压力一般为0.6～1.2MPa。由于炼钢是周期性用氧，必须有贮氧装置。考虑到输氧过程中的压力损失，一般将氧气加压到2.5～3.0MPa贮存。2.铁矿石、氧化铁皮使用一定量的铁矿石，可改善脱磷条件。作为氧化剂而使用的铁矿石，要求含铁高，Si02、磷和水分要少，使用前要加热。氧化铁皮可代替部分铁矿石，但氧化铁皮潮湿，油污较多，使用前必须烘烤。冷却剂除废钢外，转炉炼钢常用的冷却剂有：1.富铁矿、团矿、烧结矿、球团矿、氧化铁皮利用它们所含的FeXOY氧化金属中的杂质时要吸收大量的热。这部分炼铁原料可以直接炼成钢，并且利用了其中的氧；与废钢比较，加入时可以不用装料机或吊车，不必倒炉停吹；同时又是助熔剂，有利于化渣。缺点是带入的脉石使石灰的消耗量和渣量增大；一次加入矿石过多时会产生严重喷溅。要求含铁量高，Si02和硫的含量少，成分和块度稳定(氧化铁皮不要求块度)，干燥。冷却剂2.石灰石缺乏废钢和富铁矿等冷却剂的转炉钢厂，可试用石灰石作冷却剂。CaCO2分解时要大量吸热。比加入铁矿石和氧化铁皮时喷溅少，在去除磷硫程度相同的情况下渣中∑(Fe)要低些。其主要缺点是比加废钢冷却时的金属损失多，又没有加铁矿石冷却时的铁的收益，钢铁料消耗较高。还原剂和增碳剂电弧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。它们的粒度应0.5毫米，使用前要烘烤。氧气转炉用增碳法冶炼中、高碳钢种时，一般用含灰分很少的石油焦增碳。3.2炼钢用耐火材料•耐火材料的分类•耐火材料的使用性能（理化指标）•钢铁生产常用的耐火材料•耐火材料一般生产工艺流程•耐火材料的要求、损毁机理及选用原则喷射混合料：喷补用制造工艺及形态烧成砖：成型砖坯经烧制而成定形耐火材料耐火泥浆：砌砖时用料，成分同砌砖不定形耐火材料不烧成砖：高压成形熔铸砖：配料在电炉中熔化后注入铸模制成绝热耐火砖：有耐火和绝热性能耐火纤维：可作绝热材料可塑料：作喷浆、捣结用固体散装料：捣结用耐火涂层材料：涂于耐火材料表面耐火度普通耐火材料：1580～1770℃高级耐火材料：1770～2000℃特殊耐火材料：＞2000℃按耐火制品性质分类化学特性酸性耐火材料：以SiO2质为主中性耐火材料：以Al2O3、Cr2O3和碳质为主碱性耐火材料：以CaO、MgO质为主按化学性质分类耐火材料使用性能（理化指标）凡是耐火度高于1580℃，能在一定程度上抵抗温度骤变、炉渣侵蚀和承受高温荷重作用的无机非金属材料，称为耐火材料。耐火度荷重软化点耐急冷急热性（抗热震性）常温耐压强度抗蠕变性能导热性钢铁生产常用的耐火材料硅酸铝质材料如粘土砖、高铝砖、半硅砖、刚玉砖等。这类材质以氧化铝和氧化硅为基本化学组成，通常根据制品中氧化铝和氧化硅含量进行分类：当氧化铝极低，而氧化硅大于93％时，为硅质制品如硅砖；而氧化铝含量高于90％时则为刚玉材料，常见的热电偶保护管即是此类材料的制品；氧化铝含量为15～30％的是半硅砖，很多天然材料属此类，它虽没有很高的耐火度，但热稳定性和抗渣性好；氧化铝量再高为粘土质；氧化铝含量超过48％的称为高铝质。钢铁生产常用的耐火材料硅质材料硅砖在600℃以上具有极好的高温性能，但在低温时，由于晶型转化伴随着体积的巨大变化而崩裂，因而在600℃以下抗震性能极差，使用受到限制。使用硅砖代替高铝砖砌筑热风炉拱顶和上部格子砖。硅砖有高的荷重软化温度，还有高的抗蠕变性能。价格低，它含SiO2在95％以上，但仍有一定抗CaO和FeO等的渣化能力。钢铁生产常用的耐火材料镁质材料镁砖含氧化镁85～90％，有极高的耐火度（2000℃），属碱性材料，是炼钢生产不可缺少的耐火材料。抗热震性能差，易剥蚀。加入CaCO3和Al2O3等方法来改善其性能。当今转炉寿命的延长，主要是使用高纯和高碳含量的材料（镁碳砖），以提高其耐侵蚀性能。钢铁生产常用的耐火材料绝热材料依靠空气不能流动的微孔起绝热作用。体积密度小，导热系数低(小于0.30W/m·K）；用来降低砌体热量损失，减少燃料消耗。这种材料有砖、散状料和毡。高铝纤维毡体积密度为320kg／m3，长期使用温度为1200℃，1000℃以下导热系数为0