第三章 常规炼钢法

1第三章常规炼钢法及质量控制炼钢的目的获得一定成分和一定结晶组织的钢锭材料冶炼各种牌号的钢的共同之处先要在炼钢炉内把生铁、废钢等炉料熔化成液体，接着加入氧化剂，并造好炉渣，把高温铁水中多余的碳元素氧化掉，达到规定范围。还要除掉硅、锰、硫、磷等，使它们也达到标准要求。2第三章常规炼钢法及质量控制第一节炼钢的基本任务及原料炼钢，就是利用不同来源的氧（如空气、氧气）来氧化炉料（一般主要是生铁）所含的碳、硅、锰、磷、硫等两步炼钢法1）先在高炉中将铁矿石冶炼成生铁（还原反应）2）然后在炼钢炉内将生铁冶炼成钢（氧化反应）3第一节炼钢的基本任务及原料一、炼钢的基本任务合金元素金属非金属普遍元素合金元素C、Si、Mn、S、P4一、炼钢的基本任务C、Si、Mn、S、P在常用的钢铁中质量分数元素CSiMnPS生铁（%）3.0~4.50.2~2.00.2~2.50.02~0.50.01~0.5普钢（%）0.08~1.20.01~0.30.3~0.80.01~0.050.01~0.055一、炼钢的基本任务炼钢的基本任务1）降低C到规定的范围2）除去杂质（Si、Mn、S、P等）3）添加合金元素进行合金化6一、炼钢的基本任务钢铁冶炼过程是将含铁原料经过物理化学的冶金操作和复杂的反应变化，炼制成用于各种形态钢制品的原材料——粗钢坯的工艺过程。炼钢过程基本环节包括1）C、Si、Mn等杂质的氧化2）造渣去S、P3）脱氧和合金化4）出钢、浇铸7第一节炼钢的基本任务及原料二、炼钢原料及质量要求炼钢原料金属原料非金属原料生铁废钢合金材料氧化剂造渣材料8二、炼钢原料及质量要求(一)金属原料及质量要求1.生铁1）碳的质量分数大于2.6%的铁碳合金，此外还含有少量的Si、Mn、P、S等元素2）炼铁的基本任务采用铁矿石、焦炭、石灰石及大量的热空气，在高炉内从氧化铁中把铁还原出来。9(一)金属原料及质量要求3）原理过程①把固体原料按一定比例组成一批一批的炉料（批料），经上料和装料系统将批料送入高炉。②炉料在高炉内构成料柱，料柱下部的焦炭被高炉下部鼓进的热风燃烧生成煤气（CO）。③上升的煤气把热量传递给炉料，使矿石和熔剂不断熔化而下降。④随温度的上升，先后进行还原作用、造渣作用和渗碳作用；经渗碳并溶解少量的在高炉下部还原出来的硅、锰、硫、磷等杂质后形成生铁。10(一)金属原料及质量要求生铁质量要求成分类型CSiMn（一组）P（一级）S炼钢生铁2.5~5.0无要求≤0.30≤0.15≤0.02（特类）铸造生铁3.3~5.0无要求≤0.50≤0.06≤0.06生铁中碳及其它元素的质量要求（%）11(一)金属原料及质量要求2.废钢废钢来源炼钢厂本厂的废钢外来废钢炼钢车间轧钢车间金属加工的切削边角余斜残次品使用后报废的钢铁制品废钢锭浇道中注管注余包底废品切头切尾切边12(一)金属原料及质量要求废钢按形状分为1）轻废钢应当预先打包或压成块状2）重废钢应设法破碎配料时轻重废钢应合理搭配使用废钢按成分分为1）碳素废钢2）合金废钢13(一)金属原料及质量要求废钢质量要求1）少锈或无锈2）其中不应混入锡、铅、锌、锑、铜等有色金属3）不应粘附有泥沙和油类，防止易爆品混入。14(一)金属原料及质量要求3.合金材料在炼钢过程中，为了使钢液脱氧、脱硫和合金化，需要向熔池中或钢包中加入合金材料。合金材料单金属铁合金复合合金金属铬金属铝电解镍火法镍硅铁锰铁铬铁镍铁锆铁铌铁硼铁铝铁钨铁钛铁硅锰合金钙硅合金硅锰铝合金稀土合金15(一)金属原料及质量要求合金材料质量要求1）合金材料含量高，熔炼低碳钢时希望碳的质量分数低；2）含有害杂质少，不应有夹渣和其他非金属夹杂物；3）具有一定块度。16二、炼钢原料及质量要求(二)非金属原料及质量要求为了造渣，炼钢过程中使用非金属原料，并根据炉内熔池中的情况随时调整炉渣成分，以便有效地去除金属原料中的杂质元素。17(二)非金属原料及质量要求1.石灰要求石灰有如下成分（质量分数）：CaO＞80%~85%SiO2＜4.5%MgO＜4.5%，S＜0.20%，其中未烧透的石灰数量应小于10%。块度20~80mm18(二)非金属原料及质量要求石灰缺点1）易于潮解成粉末状2）加在熔池后对渣况及炉衬寿命都有不良影响3）使钢液中含氢量增加19(二)非金属原料及质量要求2.萤石主要成分CaF2熔点935℃要求：1）用量不能过多，尤其是电炉炼钢时炉渣太稀将会降低炉子寿命2）萤石使用前要烘烤，其块度一般为15~60mm。20(二)非金属原料及质量要求3.铁钒土化学成分（质量分数）：Al2O340%~57%SiO210%~17%Fe2O312%~26%H2O、CaO和MgO少量21(二)非金属原料及质量要求铁矾土的作用调节碱性渣中的Al2O3浓度以及降低石灰熔点促使尽快形成高碱度炉渣要求1）加入量一般不超过金属炉料质量的0.5%2）使用前应烘烤去水22(二)非金属原料及质量要求4.粘土块粘土块是钢锭浇注系统中使用过的各种流钢砖，所以也称为火砖块。粘土块的化学成分：SiO258%~72%，Al2O327%~35%，Fe2O31.2%~2.2%。23(二)非金属原料及质量要求粘土块的要求1）使用前应破碎并清除其他物质和氧化铁2）入炉前还应干燥3）要合理使用24(二)非金属原料及质量要求5.氧化剂完成并加速炼钢过程中的氧化精炼任务(1)铁矿石(2)氧化铁皮(3)锰矿(4)氧气25(二)非金属原料及质量要求(1)铁矿石①铁质量分数高的富矿，②其中有害杂质磷、硫含量和水分愈少愈好，③含脉石SiO2也应尽量地少。④使用块度50~200mm⑤入炉前烘烤去水26(二)非金属原料及质量要求(2)氧化铁皮氧化铁皮是钢锭和钢坯在加热以及锻、轧过程中，由于表面被氧化而形成的氧化物脱落后的产物，主要成分是Fe2O3，其Fe的质量分数大于70%~75%。27(二)非金属原料及质量要求氧化铁皮的作用1）稀释炉渣，2）改善炉渣流动性，3）加速石灰溶解质量要求：入炉前应烘烤干燥。28(二)非金属原料及质量要求(3)锰矿Mn的质量分数不小于35%~45%，SiO2的质量分数不大于12%弱氧化剂平炉主要用来增加Mn的含量29(二)非金属原料及质量要求(4)氧气1）工业纯氧的质量分数要求大于99%，2）水分含量应小于0.07g/m3，3）经常使用的工作压力为304~1216kPa。30第二节常规炼钢法的分类及特点炼钢的基本方法1）间接（炼钢）法：是先将铁矿石还原成生铁，然后再把生铁中的某些元素氧化，炼成钢，这样由两步组成的方法2）直接（炼铁或炼钢）法：从铁矿石一步炼钢的方法31第二节常规炼钢法的分类及特点一、炼钢法分类1.间接炼钢法根据操作温度可分为：1）固态精炼法（操作温度约在1250℃以下），2）半熔融精炼法（操作温度约为1250~1450℃）3）熔融精炼法（操作温度为1550℃以上）32一、炼钢法分类2.熔融精炼的间接炼钢法根据炉子类型、炉底材料、炉渣性质及操作内容等来进行分类，如表3-1所示炼钢法炉衬性质主要原料操作内容氧气转炉碱性铁水和废钢氧化精炼、脱氧、合金化平炉碱性或酸性铁水（生铁）和废钢熔化、氧化精炼、脱氧、合金化感应炉碱性或酸性铁合金或废钢熔化、脱氧、合金化表3-1目前使用广泛的几种炼钢法分类内容33一、炼钢法分类各种炼钢炉的炼钢效率如图3-134一、炼钢法分类1）酸性炼钢法：如果炼钢炉采用石英砂等酸性材料作为炉衬材料，也就是采用酸性炉渣操作时的炼钢方法。2）碱性炼钢法：在用镁砂、白云石等碱性材料作为炉衬材料，也就是用碱性渣操作时的炼钢方法。2.熔融精炼的间接炼钢法35一、炼钢法分类1.传统生产模式（已逐渐被淘汰）平炉-铸锭-初轧开坯2.现代生产模式（大力发展）铁水预处理-氧气复吹转炉（或超高功率直流电弧炉）-二次精炼-连铸的三步炼钢-一步成坯的短流程、近终形（产品）36第二节常规炼钢法的分类及特点二、氧气转炉炼钢法的特点(1)氧气顶吹转炉炼钢不需要外加热源和燃料根据物料的热平衡计算、以铁水的物理热和吹炼过程中熔池的化学反应热为氧气转炉的主要热收入，除用于熔化炉渣和提高金属液体温度及各项热损失外，还有剩余热量。常用加入一定量废钢和铁矿石冷料来一起熔炼。37第二节常规炼钢法的分类及特点(2)精炼时间短在氧气顶吹转炉冶炼过程中，以超音速吹入熔池的高压氧气流与铁水界面处发生氧气-金属反应，而炉渣与铁水界面处发生渣-金属反应。由于气流冲击和脱碳反应加快，熔化搅动剧烈，反应面积增大，使得各种冶金反应迅速进行，因此精炼时间短。38第二节常规炼钢法的分类及特点(3)氧气转炉炼钢法最大优点之一是生产效率高按相同容量比较，不用氧气的平炉生产率只是转炉的1/10。(4)吹炼时烟尘大由于氧气顶吹转炉吹炼时供氧量大，压力高，熔池反应激烈，使大量含有铁尘埃的烟气生成，烟尘量约为装炉原料质量的0.8%~1.3%39第二节常规炼钢法的分类及特点三、平炉炼钢法的特点(1)对金属原料的配比无限制也就是说平炉炼钢炉料可采用任何配比的废钢、铁水或生铁来冶炼。可见，平炉装料适用性强，具有能适应获得原料难易和价格高低的灵活性。40三、平炉炼钢法的特点(2)冶炼过程中炉气始终具有氧化特性为了使燃料在熔池上面完全燃烧，必须同时供给超过理论计算所需的空气量，所以炉气中含有过剩的氧。另外废气中的CO2和H2O也是强氧化性气体。因此平炉炉膛始终保持氧化性炉气。熔炼过程中不断从氧化性气氛中传递氧到钢水中去，并且在炉渣的共同作用下除去钢水中的杂质元素比较容易。41三、平炉炼钢法的特点(3)热效率低平炉因炉体庞大，散热面积大，热效率低。平炉冶炼时间长，生产效率不高。(4)炉膛容量大，一次可产钢数百t由于工艺成熟，冶炼速度慢，温度和成分易于调节，所以质量较稳定，可以熔炼的钢种范围亦较宽。42四、电炉炼钢法的特点(一)电弧炉炼钢法的特点1）利用电能为热源，其本身清洁、无污染，而且能量易于调节，便于控制熔池温度。2）同平炉、氧气转炉相比，电炉炉体密封性好，所以热效率高，约为65%以上。而且电弧区温度大于3000℃，能熔化高熔点合金元素，可冶炼各种特殊用途的钢种。43四、电炉炼钢法的特点3）有还原期，其炉内气氛可以根据冶炼需要来控制，不仅能形成氧化性气氛，也能形成还原性气氛，这是平炉和氧气转炉不能比拟的。电炉具有去除磷、硫等杂质的有利条件。在冶炼合金钢时，其成分较易控制，合金元素烧损少，脱氧完全，纯净度高。4）电炉可以采用合金废钢返回冶炼，这对节约贵重元素，提高经济效益十分有利。5）与平炉比较，电炉设备简单，基建费用低，投产快，生产率高。还可以间歇生产。44四、电炉炼钢法的特点(二)感应炉炼钢法的特点1）由于电磁搅拌钢液，改善了反应的动力学条件，促使钢液化学成分和温度均匀化。2）感应炉冶炼没有其他设备中所存在的污染源，可获得较纯净的钢及合金。45四、电炉炼钢法的特点3）冶炼过程中对功率和温度的调节简单方便，即可快速升温，又能准确控温。4）冶炼过程钢液增碳少，合金化过程易于控制，使合金元素回收率高且稳定。5）感应炉电、热效率和生产率较高，设备占地面积小，劳动条件较好等。46第二节常规炼钢法的分类及特点转炉和平炉主要用来大量生产普碳钢，如果配上炉外精炼，它们也可以生产优质合金钢。电弧炉是用来生产优质钢和特殊钢的。感应炉主要用于生产特殊用途的合金钢及合金。47第二节常规炼钢法的分类及特点目前生产中电炉存在的问题1）生产成本较高，即电能、电极等消耗大和生产率比转炉低。2）由于电弧使空气和水蒸气离解出大量的氢和氮，使钢中气体含量常比转炉钢和平炉钢为高。感应炉炼钢存在问题1）炉衬较薄，使用寿命不长；2）由于炉渣导电性不良，致使反应能力也较低48第三章常规炼钢法及质量控制第三节常规炼钢设备及工艺过程一、氧气转炉炼钢法根据吹氧方式转炉可分为顶吹底吹侧吹复吹。49一、氧气转炉炼钢法(一)氧气转炉炼钢法的主要设备1.炉体和倾动设备50(一)氧气转炉炼钢法的主要设备2.吹氧设备氧气转炉炼钢就是靠喷枪向熔池吹喷高纯度高压氧气进行的。氧枪的主体结构如图3-3所示。氧枪的端部有一个用铜制成的三孔喷