炼钢基本原理

钢铁冶金概论计算中心王丽丽6.炼钢基本原理铁合金生铁钢成分含碳量2%～4.3%2%其它元素硅、锰、硫、磷（少量）硅、锰（少量）机械性能硬而脆无韧性坚硬韧性大，塑性好可铸、不可锻可铸、可锻、可压延1、钢与生铁的比较6.1炼钢概述炼钢过程•脱碳•脱硫•脱磷•脱氧炼钢过程•去气体•去夹杂•合金化•调温铁水钢2、炼钢基本任务脱碳基本任务脱磷、脱硫脱氧合金化去气和夹杂提高温度措施炼钢过程使用氧化剂，如吹入氧气，加入铁矿石等措施措施措施措施使用造渣剂造好渣加入脱氧剂、合金剂利用碳氧反应电炉炼钢：氧气转炉炼钢：电能转化为热能铁水的物理热和化学热，不需外来热源3、钢的分类1）按化学成分分类：按是否加入合金元素可把钢分为碳素钢和合金钢两大类。A、碳素钢是指钢中除含有一定量为了脱氧而加入硅（一般≤0.40%）和锰（一般≤0.80%）等合金元素外，不含其他合金元素的钢。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%)。B、合金钢是指钢中除含有硅和锰作为合金元素或脱氧元素外，还含有其他合金元素如铬、镍、钼、钛、钒、铜、钨、铝、钴、铌、锆和稀土元素等，有的还含有某些非金属元素如硼、氮等的钢。2）按用途分类，分为三大类：结构钢，工具钢，特殊性能钢。A、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。碳素结构钢是指用来制造工程结构件和机械零件用的钢，其硫、磷等杂质含量比优质钢高些，一般[S]≤0.055%，[P]≤0.045%，优质碳素钢[S]和[P]均≤0.040%。碳素结构钢的价格最低，工艺性能良好，产量最大，用途最广。合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上，适当地加入一种或数种合金元素，用来提高钢的强度、韧性和淬透性。B、工具钢，包括碳素工具钢和合金工具钢及高速钢。碳素工具钢的硬度主要以含碳量的高低来调整（0.65%≤[C]≤1.30%），为了提高钢的综合性能，有的钢中加入0.35%～0.60%的锰。合金工具钢不仅含有很高碳，有的高达2%，而且含有较高的铬（达13%）、钨（达9%）、钼、钒等合金元素，这类钢主要用于各式模具。高速工具钢除含有较高的碳（1%左右）外，还含有很高的钨（有的高达19%）和铬、钒、钼等合金元素，具有较好的赤热硬性。C、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。轴承钢是指用于制造各种环境中工作的各类轴承圈和滚动体的钢，这类钢含碳1%左右，含铬最高不超过1.65%，要求具有高而均匀的硬度和耐磨性，内部组织和化学成分均匀，夹杂物和碳化物的数量及分布要求高。不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液，或其他腐蚀介质中具有一定化学稳定性的钢的总称。耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的称为不锈钢，耐酸、碱和盐等强介质腐蚀的钢称为耐腐蚀钢。不锈钢具有不锈性，但不一定耐腐蚀，而耐腐蚀钢则一般都具有较好的不锈性。弹簧钢主要含有硅、锰、铬合金元素，具有高的弹性极限、高的疲劳强度以及高的冲击韧性和塑性，专门用于制造螺旋簧及其他形状弹簧，对钢的表面性能及脱碳性能的要求比一般钢更为严格。高温合金指的是在应力及高温同时作用下，具有长时间抗蠕变能力与高的持久强度和高的抗蚀性的金属材料，常用的有铁基合金、镍基合金、钴基合金，还有铬基合金、钼基合金及其他合金等。高温合金主要用于制造燃汽轮机、喷气式发动机等高温下工作零部件。6.2炼钢用原料炼钢原料分为金属料和非金属料两大类。1、金属料炼钢用的金属料主要有铁水、废钢、铁合金。1）铁水铁水是转炉炼钢的主要原材料，一般占装入量的70%-100%，是转炉炼钢的主要热源，铁水物理热占转炉热收入的50%以上。应努力保证入炉铁水的温度，保证炉内热源充足和成渣迅速。我国炼钢规定进入转炉的铁水温度应大于1250℃，并且要相对稳定。铁水成分：Si：铁水Si含量过高，会因石灰消耗量的增大而使渣量过大，易产生喷溅并加剧对炉衬的侵蚀，影响石灰熔化，从而影响脱磷、脱硫。如果铁水Si含量过低，则不易成渣，对脱磷、脱硫也不利，因此通常铁水中的硅含量为0.30%-0.70%为宜。Mn：锰是发热元素，铁水中Mn氧化后形成的MnO能有效促进石灰溶解，加快成渣，减少助熔剂的用量和炉衬侵蚀。同时铁水含Mn高，终点钢中余锰高，从而可以减少合金化时所需的锰铁合金，有利提高钢水纯净度。但冶炼高锰生铁将使高炉焦比升高，为了降低炼铁焦比目前使用较多的为低锰铁水，锰的含量为0.20%-0.80%。P：磷是高发热元素，对一般钢种来说是有害元素，因此要求铁水磷含量越低越好，一般要求铁水[P]≤0.20%。S：除了含硫易切削以外，绝大多数钢种要求去除硫这一有害元素。氧气转炉单渣操作的脱硫效率只有30%-40%。我国炼钢技术规程要求入炉铁水的硫含量不超过0.05%。带渣量：高炉渣中含硫、SiO2、和Al2O3量较高，过多的高炉渣进入转炉内会导致转炉钢渣量大，石灰消耗增加，造成喷溅，降低炉衬寿命，因此，进入转炉的铁水要求带渣量不得超过0.5%。2）废钢转炉和电炉炼钢均使用废钢，废钢是电弧炉炼钢最主要的金属料，其用量占金属料的70%-90%;氧气顶吹转炉用废钢量一般是总装入量的10%-30%,作为调整吹炼温度的冷却剂。对废钢的要求：废钢的外形尺寸和块度应保证能从炉口顺利加入转炉或电炉内。废钢的长度应小于炉口直径的1/2，废钢单重一般不应超过300kg。国标要求废钢的长度不大于1000mm，最大单件重量不大于800kg。废钢应清洁干燥不得混有泥沙，水泥，耐火材料，爆炸物和易燃易爆品以及有毒物品等。废钢的硫、磷含量均不大于0.050%。不同性质的废钢分类存放。3）铁合金铁合金是脱氧及合金化材料。用于钢夜脱氧的铁合金叫做脱氧剂，常用的有：简单合金：Fe-Mn，Fe-Si，Fe-Cr，Fe-V，Fe-Ti，Fe-Mo，Fe-W等复合脱氧剂：Ca-Si合金，Al-Mn-Si合金，Mn-Si合金，Cr-Si合金，Ba-Ca-Si合金，Ba-Al-Si合金等。对铁合金的要求：块度要合适，加入钢包中的尺寸为5-50mm，加入炉中的尺寸为30-200mm；铁合金使用前应烘烤，锰铁、铬铁、硅铁应≥800℃，烘烤时间应＞2小时；钛铁、钒铁、钨铁加热近200℃，时间大于1小时。2、非金属料炼钢用的非金属料主要有造渣材料和氧化剂。1）造渣材料：主要有石灰、萤石和白云石。石灰：石灰是炼钢主要的造渣材料，由石灰石煅烧而成。主要成分为CaO，是脱P、脱S不可缺少的材料。其质量好坏对吹炼工艺、产品质量和炉衬寿命等产生主要影响。因此，石灰CaO含量高，SiO2和S含量低，活性度高，块度适中（对转炉石灰块度为20-50mm，电炉为20-60mm），过烧率低，此外，石灰还应保持干燥和新鲜。萤石：萤石的主要成分是CaF2，焙烧约930℃。萤石能使CaO和阻碍石灰溶解的2CaO•SiO2外壳的熔点显著降低，生成低熔点3CaO•CaF2•2SiO2（熔点1362℃），加速石灰溶解，迅速改善炉渣流动性。萤石助熔的特点是作用快，时间短。但大量使用萤石会增加喷溅，加剧炉衬侵蚀，污染环境。转炉用萤石要求:块度在5-50mm，且要干燥，清洁。白云石：白云石的主要成分CaCO3•MgCO3。配加部分白云石造渣可减轻炉渣对炉衬的侵蚀，提高炉衬寿命具有明显效果。2）氧化剂：主要有氧气、铁矿石和氧化铁皮氧气：氧气是转炉炼钢的主要氧化剂，其纯度达到或超过99.5%，氧气压力要稳定，并脱除水分。铁矿石：铁矿石中铁的氧化物存在形式是Fe2O3、Fe3O4和FeO其氧含量分别是30.06%，27.64%和22.28%。在炼钢温度下，Fe3O4和FeO是稳定的，Fe2O3不稳定，在转炉中较少使用。铁矿石是电炉炼钢常用的氧化剂。铁矿石作为氧化剂使用要求含铁量高（全铁56%），杂质量少，块度合适。氧化铁皮：氧化铁皮亦称铁磷，是钢坯加热，轧制和连铸过程中产生的。有助于化渣和冷却作用，使用时应加热烘烤，保持干燥。6.3炼钢基本原理由于各元素与氧的亲和力不同，元素氧化的顺序不同。1、当温度T＜1400℃时，元素的氧化顺序是：SiMnCPFe2、当1400℃＜T＜1530℃时元素的氧化顺序是：SiCMnPFe3、当T＞1530℃时，元素的氧化顺序是：CSiMnPFe1、Fe变化规律氧化图解氧化特点◆变化规律铁和氧的亲和力小于Si、Mn、P与氧的亲和力，但由于金属液中铁的浓度最大，质量分数为90％以上，所以铁最先被氧化，生成大量的Fe0，并通过Fe0使其与氧亲和力大的Si、Mn、P等被迅速氧化。◆Fe的氧化图解［Fe］＋1/2｛O2｝＝[FeO]（直接氧化）［Fe］＋［O］＝[FeO]（间接氧化）[FeO]=（FeO）Fe氧化特点放热反应金属液—熔渣之间建立动态平衡[FeO]=（FeO）低温有利于Fe的氧化◆Fe氧化反应特点2、Si变化规律氧化图解氧化特点在吹炼初期就大量氧化。在吹炼初期，一般在3-5分钟后Si基本上全部被氧化，一直到吹炼终点，也不发生硅的还原。◆变化规律2(CaO)＋(2FeO.SiO2)＝(2CaO.SiO2)＋2(FeO)熔渣2(FeO)＋（SiO2）＝(2FeO.SiO2)（产物不稳定，随熔渣碱度提高而转变）界面—［Si］＋(2FeO)＝（SiO2）＋2［Fe］［Si］＋2［O］＝（SiO2）（熔池内反应）钢水［Si］＋｛O2｝＝（SiO2）（氧气直接氧化）◆Si的氧化图解Si氧化特点放热反应碱性渣中氧化很彻底Si02主要与CaO结合成稳定的2CaO.SiO2低温有利于Si的氧化◆Si氧化反应特点3、Mn变化规律氧化图解氧化特点Mn在吹炼初期迅速氧化，但不如［Si］氧化得快。在开吹时，铁水中［Mn］高，同时［Mn］和氧的亲和力大，Mn被氧化，随着吹炼进行钢中的Mn逐步回升。◆变化规律［C］＋（MnO）＝［Mn］＋｛CO｝(吹炼后期，炉温升高，（MnO）被还原熔渣2(CaO)＋(MnO.SiO2)＝（MnO）＋(2CaO.SiO2)（在碱性渣中大部分呈游离MnO）（SiO2）＋（MnO）＝(MnO.SiO2)（吹炼前期）界面—［Mn］＋(FeO)＝（MnO）＋2［Fe］［Mn］＋2［O］＝（MnO）（熔池内反应）钢水［Mn］＋｛O2｝＝（MnO）（氧气直接氧化反应）◆Mn的氧化图解Mn氧化特点放热反应碱性渣中不利于Mn的氧化Mn0是碱性氧化物，呈自由状态存在，随着冶炼进行，会发生Mn的还原，产生“回锰”低温有利于Mn的氧化◆Mn氧化反应特点4、PP变化规律脱磷原理实际生产中怎样脱磷回磷◆变化规律P在吹炼前期快速降低，进入吹炼中后期略有回升。冶炼的中、后期若炉温过高，会发生回磷，出钢脱氧合金操作不当也会发生回磷。◆脱磷的原理P在金属液中存在形态:磷在钢中以磷化铁（［Fe2P］或［Fe3P］）的形式存在，一般用[P]表示脱磷反应:n(CaO)＋(3FeO.P2O5)＝(nCaO.P2O5)＋3(FeO)（吹炼中后期，n为3或4）熔渣3(FeO)＋（P2O5）＝(3FeO.P2O5)（吹炼前期）界面－2［P］＋5(FeO)＝（P2O5）+5［Fe］钢水2［P］+5［O］＝(P2O5)（可能性小）2［P］+｛O2｝＝(P2O5)（可能性小）2［P］+5(FeO)＋n(CaO)＝(nCaO.P2O5)＋5［Fe］总的反应式放热反应利于脱磷的热力学条件：条件炉渣的碱度（B）要适当高，B控制在2．5～3适当提高炉渣的氧化性，即渣中的氧化铁要高适当的低温适当的大渣量◆回磷回磷定义原因回磷是指冶炼后期钢液中磷含量有所回升，以及成品钢中的含磷量比冶炼终点钢水含磷量高的现象。★炉温过高★出钢、脱氧合金化操作不当★合金带入一定数量的P实际生产中为了去磷，吹炼过程中应根据去磷反应的热力学条件，首先搞好前期化渣（尽可能采用软吹；使用活性石灰；使用合成渣料），尽快形成高氧化性炉渣，以利在吹炼前期低温去磷。若铁水磷含量高，还可在化好渣的情况下倒掉部分高磷炉渣，以提高脱