炼钢理论【整理】

1转炉炼钢的原材料1-1转炉炼钢用原材料有哪些，为什么要用精料?炼钢用原材料分为主原料、辅原料和各种铁合金。氧气顶吹转炉炼钢用主原料为铁水和废钢(生铁块)。炼钢用辅原料通常指造渣剂(石灰、萤石、白云石、合成造渣剂)、冷却剂(铁矿石、氧化铁皮、烧结矿、球团矿)、增碳剂以及氧气、氮气、氩气等。炼钢常用铁合金有锰铁、硅铁、硅锰合金、硅钙合金、金属铝等。原材料是炼钢的物质基础，原材料质量的好坏对炼钢工艺和钢的质量有直接影响。国内外大量生产实践证明，采用精料以及原料标准化，是实现冶炼过程自动化、改善各项技术经济指标、提高经济效益的重要途径。根据所炼钢种、操作工艺及装备水平合理地选用和搭配原材料可达到低费用投入，高质量产出的目的。转炉入炉原料结构是炼钢工艺制度的基础，主要包括三方面内容：一是钢铁料结构，即铁水和废钢及废钢种类的合理配比；二是造渣料结构，即石灰、白云石、萤石、铁矿石等的配比制度；三是充分发挥各种炼钢原料的功能使用效果，即钢铁料和造渣料的科学利用。炉料结构的优化调整，代表了炼钢生产经营方向，是最大程度稳定工序质量，降低各种物料消耗，增加生产能力的基本保证。1-2转炉炼钢对铁水成分和温度有什么要求?铁水是炼钢的主要原材料，一般占装入量的70％～100％。铁水的化学热与物理热是氧气顶吹转炉炼钢的主要热源。因此，对入炉铁水化学成分和温度必须有一定的要求。A铁水的化学成分氧气顶吹转炉炼钢要求铁水中各元素的含量适当并稳定，这样才能保证转炉冶炼操作稳定并获得良好的技术经济指标。(1)硅(Si)。硅是转炉炼钢过程中发热元素之一。硅含量高，会增加转炉热源，能提高废钢比。有关资料表明，铁水中WSi每增加0.1％，废钢比可提高约1.3％。铁水硅含量高，渣量增加，有利于去除磷、硫。但是硅含量过高将会使渣料和消耗增加，易引起喷溅，金属的收得率降低。Si含量高使渣中SiO2含量过高，也会加剧对炉衬的冲蚀，并影响石灰渣化速度，延长吹炼时间。通常铁水ωSi=0.30％～0.60％为宜。大中型转炉用铁水硅含量可以偏下限，而对于热量不富余的小型转炉用铁水硅含量可偏上限。转炉吹炼高硅铁水可采用双渣操作。(2)锰(Mn)。铁水锰含量高对冶炼有利，在吹炼初期形成MnO，能加速石灰的溶解，促进初期渣及早形成，改善熔渣流动性，利于脱硫和提高炉衬寿命。铁水锰含量高.终点钢中余锰高，可以减少锰铁加入量，利于提高钢水纯净度等。转炉用铁水对ωMn/ωSi比值的要求为0.8～1.0，目前使用较多的为低锰铁水，ωMn=0.20％～0.80％o、•(3)磷(P)。磷是高发热元素，对大多数钢种是要去除的有害元素。因此，要求铁水磷含量越低越好，一般要求铁水ωp≤0.20％哼铁水中磷含量越低，转炉工艺操作越简化，并有利于提高各项技术经济指标。铁水磷含量高时，可采用双渣或双渣留渣操作，现代炼钢采用炉外铁水脱磷处理，或转炉内预脱磷工艺，以满足低磷纯净钢的生产需要。(4)硫(S)。除了含硫易切削钢以外，绝大多数钢种硫也是要去除的有害元素。氧气转炉单渣操作的脱硫效率只有30％～40％。我国炼钢技术规范要求入炉铁水ωS≤0.05％。冶炼优质低硫钢的铁水硫含量则要求更低，纯净钢甚至要求铁水ωS≤0.005％。因此，必须进行铁水预处理降低入炉铁水硫含量。(5)碳(C)。铁水中ωC=3.5％～4.5％，碳是转炉炼钢的主要反热元素。B铁水的温度铁水温度的高低是带入转炉物理热多少的标志，铁水物理热约占炉热收入的50%。铁水温度高有利于稳定操作和转炉的自动控制。铁水的温度过低，影响元素氧化过程和熔池的温升速度，不利于成渣和去除杂质，容易发生喷溅。因此，我国炼钢规定入炉铁水温度应大子1250℃，并且要相对稳定。通常，高炉的出铁温度在1350～1450℃，由于铁水在运输待装过程中散失热量，所以最好采用混铁车或混铁炉的方式供应铁水，在运输过程应加覆盖剂保温，以减少铁水降温。1-3对铁水带渣量有什么要求，为什么?铁水带来的高炉渣中SiO2、S等含量较高，若随铁水进入转炉会导致石灰消耗量增多，渣量增大，容易造成喷溅，增加金属消耗，影响磷、硫的去除，并损坏炉衬等。因此，要求入炉铁水带渣量比不超过0.50％。铁水带渣量大时，在铁水兑入转炉之前应尽进行扒渣。1-8转炉炼钢对石灰有什么要求？石灰是炼钢主要造渣材料，具有脱P，脱S能力，用量也最多。其质量好坏对吹炼工艺，产品质量和炉衬寿命等有着重要影响。因此，要求石灰CaO含量要高，SiO2含量和S含量要低，石灰的生过烧率要低，活性度要高，并且要有适当的块度，此外，石灰还应保证清洁、干燥和新鲜。SiO2会降低石灰中有效CaO含量，降低CaO的有效脱硫能力。石灰中杂质越多越降低它的使用效率，增加渣量，恶化转炉技术经济指标。石灰的生烧率过高，说明石灰没有烧透，加入熔池后必然继续完成焙烧过程，这样势必吸收熔池热量，延长成渣时间；若过烧率高，说明石灰死烧，气孔率低，成渣速度也很慢。石灰的渣化速度是转炉炼钢过程成渣速度的关键，所以对炼钢用石灰的活性度也要提出要求。石灰的活性度(水活性)是石灰反应能力的标志，也是衡量石灰质量的重要参数。此外，石灰极易水化潮解，生成Ca(OH)2，要尽量使用新焙烧的石灰。同时对石灰的贮存时间应加以限制，一般不得超过2天。块度过大，熔解慢，影响成渣速度，过小的石灰颗粒易被炉气带走，造成浪费。一般以块度为5～50mm或5～30mm为宜，大于上限、小于下限的比例各不大于10％。贮存和运输时必须防雨防潮。1-9什么是活性石灰，活性石灰有哪些特点，使用活性石灰有什么好处?通常把在1050～1150℃温度下，在回转窑或新型竖窑(套筒窑)内焙烧的石灰，即其有高反应能力的体积密度小、气孔率高、比表面积大、晶粒细小的优质石灰叫活性石灰，也称软烧石灰。活性石灰的水活性度大于310mL，体积密度小，约为1.7～2.0g/cm3，气孔率高达40％以上，比表面积为0.5～1.3g/cm3；晶粒细小，熔解速度快，反应能力强。使用活性石灰能减少石灰、萤石消耗量和转炉渣量，有利于提高脱硫、脱磷效果，减少转炉热损失和对炉衬的蚀损，在石灰表面也很难形成致密的硅酸二钙硬壳有利于加速石灰的渣化。1-10转炉用萤石起什么作用，对萤石有什么要求?萤石是助熔剂，其主要成分是CaF2。纯CaF2的熔点为1418℃，萤石中还含有SiO2和S等成分，因此熔点在930℃左右；加入炉内后使CaO和石灰高熔点的2CaO•Si02外壳的熔点降低，生成低熔点化合物3CaO•CaF2•2SiO2(熔点为1362℃)，也可以与MgO生成低熔点化合物(1350℃)，从而改善炉渣的流动性。萤石助熔作用快、时间短。但过多使用萤石会形成严重的泡沫渣，导致喷溅，同时也加剧对炉衬的侵蚀，并污染环境。因此应严格控制吨钢萤石加入量。转炉用萤石ωCaF2≥85％，ωSiO2≤5.0％，ωS≤0.10％，ωP≤0.06％，块度在5～50㎜，并要干燥、清洁。近年来，由于萤石供应不足，各钢厂从环保的角度考虑，试用多种萤石代用品，均为以氧化锰或氧化铁为主的助熔剂，如铁锰矿石、氧化铁皮、转炉烟尘、铁矾土等。1-11转炉用白云石或菱镁矿的作用是什么，对白云石和菱镁矿有什么要求?(1)白云石是调渣剂，有生白云石与轻烧白云石之分。生白云石的主要成分为CaCO3•MgCO3。经焙烧可成为轻烧白云石，其主要成分为CaO、MgO。根据溅渣护炉技术的需要，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，以减轻初期酸性渣对炉衬的蚀损、使终渣能够做黏，出钢后达到溅渣的要求。对生白云石的要求是ωMgO20％，ωCaO≥29％，ωSiO2≤2.0％，烧减≤47％，块度为5～30mm。由于生白云石在炉内分解吸热，所以用轻烧白云石效果最为理想。对轻烧白云石的要求是ωMgO≥35％，ωCaO≥50％，ωSiO2≤3.0％，烧减≤10％，块度为5～40mm。(2)菱镁矿也是调渣剂，菱镁矿是天然矿物，主要成分是MgCO3，焙烧后用做耐火材料。对菱镁矿的要求是ωMgO≥45％，ωCaO1.5％，ωSiO2≤1.5％，烧减≤50％，块度为5～30㎜。(3)MgO-C压块是吹炼终点碳低或冶炼低碳钢溅渣时的调渣剂，由轻烧菱镁矿和碳粉制成压块，一般ωMgO=50％～60％，ωC=15％～20％，块度为10～30mm。1-12转炉炼钢常用哪些冷却剂?氧气顶吹转炉炼钢过程的热量有富余，因而根据热平衡计算需加入适量的冷却剂，以准确地命中终点温度。氧气顶吹转炉用冷却剂有废钢、生铁块、铁矿石、氧化铁皮、球团矿、烧结矿、石灰石和生白云石等，其中主要为废钢、铁矿石。上述冷却剂的冷却效应从大到小排列顺序为：铁矿石、氧化铁皮、球团矿、烧结矿、石灰石和生白云石、废钢、生铁块。1-13转炉炼钢对铁矿石有什么要求?铁矿石主要成分为Fe2O3或Fe3O4，铁矿石的熔化和铁被还原都吸收热量，因而能起到调节熔池温度的作用。但铁矿石带入脉石，增加渣量和石灰消耗量，同时一次加入量过多会引起喷溅和冒烟。铁矿石还能起到氧化作用。氧气顶吹转炉用铁矿石化学成分以ωTFe≥56%，ωSiO2≤10％，ωS≤0.20％，块度为10～50㎜为宜，并要求干燥、清洁。1-14转炉炼钢对氧化铁皮有什么要求?转炉炼钢用氧化铁皮来自轧钢和连铸过程中产生的氧化壳层，其主要成分是氧化铁。因此，氧化铁皮可改善熔渣流动性，也有利于脱磷，并且可以降温。对氧化铁皮的要求是ωTFe70％，SiO2、S、P等其他杂质含量均低于3.0％。粒度应不大于10mm，使用前烘烤干燥，去除油污。1-15转炉炼钢用合成造渣剂的作用是什么?合成造渣剂是用石灰加入适量的氧化铁皮、萤石、氧化锰或其他氧化物等溶剂，在低温下预制成型。这种合成渣剂的熔点低，碱度高，成分均匀，粒度小，在高温下易碎裂，成渣速度快，因而减轻了转炉造渣的负担。2转炉炼钢的一般原理2-1什么是超音速氧射流，什么是马赫数，确定马赫数的原则是什么?速度大于音速的氧流为超音速氧射流。超过音速的程度通常用马赫数量度，即氧流速度与临界条件下音速的比值，用符号Ma代表。显然，马赫数没有单位。马赫数的大小决定喷头氧气出口速度，也决定氧射流对熔池的冲击能量。马赫数过大则喷溅大，清渣费时，热损失加大，增大渣料消耗及金属损失，而且转炉内衬易损坏；马赫数过低，会造成搅拌作用减弱，氧气利用系数降低，渣中TFe含量增加，也会引起喷溅。当Ma2.0时，随马赫数的增长氧气的出口速度增加变慢，要求更高理论设计氧压，这样，无疑在技术上不够合理，经济上也不划算。目前国内推荐Ma=1.9～2.1。2-2氧气射流与熔池的相互作用的规律是怎样的?超音速氧流其动能与速度的平方成正比，具有很高的动能。当氧流与熔池相互作用时，产生如下效果：(1)形成冲击区。氧流对熔池液面有很高的冲击能量，在金属液面形成一个凹坑，即具有一定冲击深度和冲击面积的冲击区。(2)形成三相乳化液。氧流与冲击炉液面相互破碎并乳化，形成气、渣、金属三相乳化液。(3)部分氧流形成反射流股。2-3氧气顶吹转炉的传氧载体有哪些?氧气顶吹转炉内存在着直接传氧与间接传氧两种途径。直接传氧是氧气被钢液直接吸收，其反应过程是：[Pe]+1/2｛O2｝=[FeO]，[FeO]=[Fe]+[O]；间接传氧是氧气通过熔渣传人金属液中，其反应式为(FeO)=[FeO]、[FeO]=[Pe]十[O]。氧气顶吹转炉传氧以间接传氧为主。氧气顶吹转炉的传氧载体有以下几种。(1)金属液滴传氧。氧流与金属熔池相互作用，形成许多金属小液滴。被氧化形成带有富氧薄膜的金属液滴，大部分又返回熔池成为氧的主要传递者；熔池中的金属几乎都经历液滴形式，有的甚至多次经历液滴形式，金属液滴比表面积大，反应速度很快。(2)乳化液传氧。氧流与熔池相互作用，形成气—渣—金属的三相乳化液，极大地增加了接触界面，加快了传氧过程。(3)熔渣传氧。熔池表面的金属液被大量氧化，而形成高氧化铁熔渣，这样的熔渣是传氧的良好载体。(4)铁矿石传氧。铁矿石的主要成分是Fe2O3、Fe3O4，在炉内分解并吸收热量，也是熔池氧的