Brief Introduction of Ironmaking and Steelmaking

钢铁是怎样炼成的从铁矿石到连铸钢坯的过程BriefIntroductionofIronmaking&Steelmaking邓锋云2012-4-7Developingthefurture主要内容1.钢铁发展简史2.现代钢铁冶炼流程3.炼铁的过程4.炼钢的过程炼钢的任务、炼钢的工艺过程及相关设备5.钢的铸造Developingthefurture1.钢铁发展简史最早使用陨铁（约商代）木炭还原铁矿石(~1000oC)鼓风机的应用，更高温度还原铁矿石------------------------------------------------------------------------------1855年发明酸性空气底吹转炉炼钢法(BessemerProcess)1878年发明碱性炉衬的底吹转炉炼钢法(ThomasProcess)1880~1960s,平炉炼钢时代(OpenHeartProcess)1950s~，氧气顶吹转炉开始(1952Linz,1953Donawitz)……Developingthefurture2.现代钢铁冶炼流程Developingthefurture3.炼铁—原料煤经过高温干馏转变为焦炭。焦化烧结/球团铁矿石经过破碎、筛分得到的粉矿或精矿，通过烧结、球团法制备高炉炼铁原料。Developingthefurture炼铁Developingthefurture高炉出铁Developingthefurture铁与钢铁水成分(wt%)42CrMo4(EN10083)化学成分(wt%)CSiMnPS~4%~0.4%~0.3%~0.1%0.02-0.06%CSiMnPSCrMoAl0.41-0.450.15-0.350.60-0.90≤0.020≤0.0150.90-1.200.20-0.300.015-0.045Developingthefurture4.1炼钢的任务(1)去除杂质硫：降低塑性（特别是横向塑性），热脆；磷：冷脆，特别明显降低低温冲击性能；氧/夹杂物：形成钢材中薄弱处，对疲劳性能影响极大；氮：加工时效后易脆化，蓝脆；氢：氢致开裂，氢脆。Developingthefurture调整化学成分碳、硅、锰、铬、镍、钼、铝Carbon,Silicon,Manganese,Chromium,Nickel,Molybdenum,Aluminum.炼钢的任务(2)Developingthefurture碳Carbon炼钢的过程要脱除多余的碳。（铁水冶炼，一般碳的脱除量在3%以上）。碳是钢中最重要的元素。碳含量基本决定了钢的类别和使用服役性能。碳增加强度、硬度、淬透性；降低塑性、韧性、焊接性。低碳钢中碳钢高碳钢≤0.25%0.25-0.60%0.60-1.70%Developingthefurture硅Silicon脱氧能力的强弱AlSiMn硅是钢中最基本的脱氧剂。普通钢中硅含量0.15-0.30%。Developingthefurture锰Manganese锰是弱的脱氧剂，主要是协助[Si]、[Al]脱氧。形成MnS,避免FeS的形成。消除[S]的热脆倾向。提高强度和淬透性，不利于焊接性能。钢中锰含量的范围主要有两类A：0.30-0.60%；B：0.60-0.90%Developingthefurture铬Chromium提高强度（特别是高温强度）、淬透性；提高抗腐蚀和抗氧化性能；铬是强的碳化物形成元素，是调质态使用的合金钢中常用元素；铬对于塑性的恶化影响小于锰。Developingthefurture钼Molybdenum钼非常明显地提高淬透性；钼也是高温时提高拉伸和蠕变强度的有效元素；钼-铬配合，可以减轻回火脆性的影响，最佳的含量范围0.15-0.30%。相比于碳钢和其它合金钢，含钼钢在调质过程中需要较高的回火温度才能达到相同程度的软化。Developingthefurture镍Nickel镍不形成任何形式的碳化物；镍是铁素体强化元素。通过固溶在铁素体中，提高其强度和韧性；镍与铬、钼配合，可以极大地提高淬透性。同时具有优异的冲击韧性和疲劳性能。Developingthefurture铝Aluminum1.强脱氧剂，用作终脱氧。2.细化晶粒度Developingthefurture浇铸成内、外部质量好的钢坯或钢锭Solidifiedtheingotsorbilletswithgoodinnerandsurfacequality.避免裂纹、疏松；降低偏析；不出现宏观夹杂。Avoidcracks,porosity;Decreasethesegregation;NoMacro-inclusions.模铸、连铸IngotCasting,ContinueCasting炼钢的任务(3)Developingthefurture1.去有害杂质元素；S,P,O,N,H我们知道了--炼钢的任务2.调整有益合金元素的范围；C,Si,Mn,Cr,Ni,Mo,Al3.浇铸成好的铸锭或铸坯。好的内部、外部质量Developingthefurture4.2炼钢的工艺过程及相关设备150t氧气转炉原料：铁水、少量废钢铁合金：硅铁、锰铁、铬铁等辅料：石灰(CaO)白云石CaMg(CO3)2萤石(CaF2)转炉冶炼DevelopingthefurtureStep1装料Developingthefurture升温，~1200oC~1600oC氧化反应MnOOMnSiOOSiCOOC][][][][][][2渣的碱度][][22SiOCaOaaRSiOCaO脱硫、脱磷FeOCaSCaOFeSOPnCaOCaOOP52][][Step2吹炼Developingthefurture各元素的氧化去除铁水预处理：deSi\deP\deSDevelopingthefurture取样测温定氧Step3分析Developingthefurture出钢注意控制下渣。出钢成分C0.08~0.10%,P≤0.015%出钢温度~1600oC出钢同时，合金化锰铁、硅铁、硅锰、铝块、增碳剂等42CrMo4合金化后成分C0.30-0.38%,Si0.07-0.15%Mn0.55-0.70%,Cr0.85-1.05%Step4出钢Developingthefurture出钢结束后，从另一个方向倒渣可以利用渣制造水泥、或化肥（磷肥）有时留少量渣补炉，以提高转炉炉龄。Step5倒渣Developingthefurture转炉出钢的周期30~60min因铁水、废钢、辅料以及冶炼控制的差异不同Developingthefurture转炉炼钢（小结）主要目标1.脱碳；2.升温；其它作用3.脱磷；4.部分脱硫；5.去除杂质、氮等通过C-O反应产生的大量上浮气泡Developingthefurture底吹转炉OBM/Q-BOP氧气转炉的几种发展Developingthefurture复合吹炼转炉/顶底复吹转炉DevelopingthefurtureBOF&EAF发展趋势Developingthefurture电弧炉炼钢（EAF）与转炉炼钢的主要差异（1）以废钢为主要原料（2）电极加热DevelopingthefurtureDevelopingthefurture钢包精炼–LadleRefining1.深脱氧（还原过程）2.高碱度渣，深度脱硫3.精确控制合金成分4.夹杂物控制5.精确控制温度DevelopingthefurtureLF实物Developingthefurture1.深度脱氧铝锭、铝粒、铝线等对钢液进行深脱氧。（[O]diss.=2~4ppm）电极与渣中%FeO，%MnO反应，形成还原性白渣。由于渣对钢液中氧化物的吸附和溶解，达到钢液脱氧效果。2.深度脱硫转炉中最大脱硫量只有40%；高碱度还原性白渣(%FeO+%MnO1%)可脱硫70~90%，使得深度脱硫成为可能。冶炼超低硫钢，可控制[S]≤20ppmDevelopingthefurture出钢合金化后的成分CSiMnCrP0.30-0.380.07-0.150.55-0.700.85-1.05≤0.020CSiMnPSCrMoAl0.41-0.450.20-0.320.65-0.75≤0.020≤0.0121.00-1.100.23-0.270.020-0.040精炼过程中添加各种合金成分，最终成分：3.精确调整成分精炼之后的化学成分基本与成品成分一致了！Developingthefurture4.夹杂物控制DevelopingthefurtureDevelopingthefurture精炼过程夹杂物的去除氩气搅拌促进夹杂物上浮夹杂物本身存在上浮的动力。尺寸越大，越容易上浮去除。Ar气泡的上浮起到促进夹杂物上浮的作用。气泡尺寸越小、数量多，增加了与夹杂物碰撞的机率，效果更佳。合适的精炼渣吸附夹杂物夹杂物与精炼渣之间的界面能要远小于与钢液之间的界面。夹杂物一般可以溶解与精炼渣中，形成液态复合物。精炼渣的成分CaO-SiO2为主，少量Al2O3、MgO等。Developingthefurture精炼过程夹杂物的改性处理改变夹杂物的类型减低夹杂物的危害程度如“Ca处理”Developingthefurture5.精确控制温度精炼出钢温度的确定T精炼=（TL+ΔT过热度）+ΔT损失（ΔT损失包含Ar搅拌、真空脱气、等待过程中的降温）钢包精炼的终点温度可控制在±5oC。Developingthefurture最早利用真空处理的目的是去氢！随着发展进行，真空处理已是冶炼高品质钢材的必要过程。（去氢、去氮、去氧、冶炼超低碳、夹杂物去除）两类真空处理方式(1)非循环处理系统VD(VAD,VOD)(2)循环处理系统RH（RH-OB，RH-KTB）真空处理–VacuumTreatmentDevelopingthefurture非循环脱气VD(VacuumDegasser)Developingthefurture循环脱气RH(Ruhrstahl-HeraeusProcess)Developingthefurture连续铸造1.大包–Ladle2.中间包–Tundish3.结晶器–Mold4.二冷段–SecondaryCoolingZoneDevelopingthefurture连铸掠影大包回转台中间包、结晶器连铸坯Developingthefurture连铸坯中易出现的缺陷1.裂纹（横裂、纵裂、角裂）2.深的震痕3.皮下气孔4.卷渣Developingthefurture5.偏析（枝晶偏析、中心偏析）后凝固的富溶质钢液在树枝晶间隙形成枝晶偏析。带状组织产生的一个重要原因。铸坯中心最后凝固的高合金含量钢液形成中心偏析。一般也会伴随夹杂物的富集，如形成大尺寸的MnS夹杂。6.疏松、中心缩孔钢液凝固时体积收缩，新的钢液无法补充体积收缩留下的空洞形成疏松或中心缩孔。连铸坯中易出现的缺陷Developingthefurture总结铁矿石还原成铁水升温脱碳脱磷去杂质脱氧合金化深脱硫深脱氧精确控制成分精确控制温度控制夹杂物控制夹杂物避免内部、外部缺陷DevelopingthefurtureRef.&Acknowledgments1.钢铁冶金学（炼钢部分），陈家祥主编；2.TheMaking,ShapingandTreatingofSteel,11thEditionSteelmakingandRefiningVolume；3.TheMaking,ShapingandTreatingofSteel,11thEditionCastingVolume谢谢DevonZhu提供的大量讲义课件！谢谢大家的参与！Developingthefurture硫SulfurDevelopingthefurtureDevelopingthefurture磷PhosphorousDevelopingthefurture氧/夹杂物Oxygen&InclusionsDevelopingthefurture氧/夹杂物Oxygen&