一般管理干部班钢与管知识讲座

1钢与管知识讲座（炼钢部分）伍晓波2目录一、炼钢技术发展概况二、炼钢的基本任务三、炼钢基本原理四、转炉炼钢生产工艺技术五、电炉炼钢生产工艺技术六、连续铸钢3炼钢生产工艺技术一、炼钢技术发展概况炼钢过程主要是一个氧化过程。炼钢按冶炼方法分为电炉法、转炉法和平炉法。1、电弧炉炼钢电弧炉炼钢是以电能作为热源，靠电极和炉料之间的放电产生电弧，通过辐射和电弧的直接作用使电能在弧光中转变为热能，加热并熔化金属和炉渣的一种炼钢方法。42、转炉炼钢反应速度快、热效率高、含氮量低、可使用达30%的废钢。因此生产率高、成本低、钢质好、投资比平炉少、易于实现自动化。公司炼钢厂80t转炉即采用顶底复合吹炼技术。3、平炉炼钢公司的平炉于1999年4月9日正式关停。5公司炼钢厂主要由80t转炉生产线、30t转炉生产线和70t超高功率电弧炉生产线组成。总的年生产能力可达200万t左右。转炉生产线配备连铸生产，超高功率电弧炉生产线既配备了连铸生产，又配备了模注生产。6二、炼钢的基本任务（1）脱碳：将铁水中的碳氧化脱除到所炼钢种要求的范围内。（2）脱磷脱硫：通过造成分合适的炉渣，去除铁水中的磷、硫。（3）脱氧和合金化：加入脱氧剂和铁合金，降低钢液中的氧，使钢液达到钢种所要求的合金成分。7（4）脱气(氢、氮)和脱夹杂物：将溶解在钢液中的气体和来不及上浮排除的非金属夹杂物，通过一定的方法去除。（5）升温：将冶炼过程的金属液温度升高至出钢温度。（6）浇注：将成分和温度合格的钢水浇铸成坯。8三、炼钢基本原理钢液中元素的氧化方式A．直接氧化。是指氧气直接与铁液中的应该去除的元素发生氧化反应。B．间接氧化。吹入的氧气首先与铁液中的铁原子反应生成氧化铁FeO，进入炉渣并同时使铁液中溶解氧。(FeO)和[O]再与应去除的元素发生氧化。在渣-金界面上常发生元素的间接氧化反应。9•1、碳的氧化碳的氧化反应式为：在气-金界面上：[C]+½{O2}={CO}在渣-金界面上：[C]+[O]={CO}[C]+(FeO)={CO}+[Fe]可见碳含量越低，则氧含量越高，脱氧剂和合金消耗也越高。因此，炼钢过程中为了提高钢的质量和降低消耗，要求控制炼钢炉中钢液的终点碳含量，使之不能太低。10脱碳反应的作用（1）脱碳产生的CO上浮排出，给炼钢过程带来了独特的作用。（2）促进熔池成分和温度均匀。CO上浮排出时，使熔池产生强烈沸腾和搅拌，强化了热量和质量传递，促进了成分和温度均匀。（3）提高了化学反应速度。熔池的强烈沸腾和搅拌，增加了渣-金反应接触面积，有利于化学反应的进行。11（4）降低了钢中气体含量和夹杂物数量。CO气泡中的H2和N2的分压极低，对这些气体来说，CO气泡是一个小真空室。小颗粒夹杂物会附着在CO气泡的表面上浮排除。（5）造成喷溅和溢出。CO气泡排除不均和造成的熔池上涨，是产生喷溅和溢出的主要原因。当然这与生产操作不稳定关系很大。这将带来金属的损失和造渣材料消耗过大。122、硅与锰的氧化炼钢炉使用的铁水、生铁、废钢中都含有相当数量的硅与锰。不论是在电弧炉还是在转炉炼钢过程中，它们大部分都会被氧化而进入炉渣，使得初炼钢液出钢时只含有少量的硅与锰。硅的氧化同样存在直接氧化和间接氧化两种方式。13[Si]+{O2}=(SiO2)[Si]+2[O]=(SiO2)[Si]+2[FeO]=(SiO2)+2[Fe]硅氧化的热力学条件温度：[Si]的氧化反应为强放热反应，温度升高，反映的平衡常数降低，不利于[Si]的氧化。炉渣碱度：[Si]氧化生成的(SiO2)，在碱性渣中与(CaO)将发生如下反应：14(SiO2)+2(CaO)=(2CaO•SiO2)(SiO2)+3(CaO)=(3CaO•SiO2)炉渣碱度:炉渣碱度提高，有利于[Si]的氧化。炉渣的氧化性：炉渣的氧化性可用炉渣中总氧化铁的活度来表示。炉渣的氧化性强，则炉渣中氧化铁的活度高。炉渣的氧化性高有利于[Si]的氧化。15硅的氧化对炼钢的影响[Si]的氧化产生大量的化学热，是转炉炼钢的主要热源之一，可使吹炼初期熔池温度较快地升高，有利于增加废钢加入量和使初期渣熔化。[Si]的氧化产物是(SiO2)，它影响到石灰的加入量和碱度，对炉衬有侵蚀作用。16锰的氧化与还原铁液中的锰在高温下能生产稳定的(MnO)。其反应式为：在气-金界面上：[Mn]+0.5{O2}=(MnO)在渣-金界面上：[Mn]+[O]=(MnO)[Mn]+[FeO]=(MnO)+[Fe][Mn]氧化还原热力学条件:温度：[Mn]的氧化也是放热反应,低温有利于[Mn]的氧化。17炉渣碱度：(MnO)为碱性氧化物，在酸性渣中，[Mn]的氧化比较彻底，不易发生锰的还原。但在高碱度渣中，炉渣中的锰将发生还原。比如，转炉吹炼中期，由于温度升高，炉渣氧化性弱，碱度提高，(MnO)将被[C]还原，而产生回锰现象。炉渣的氧化性：[Mn]的氧化需要提供氧，故炉渣的氧化性强，有利于[Mn]的氧化。18锰的氧化还原对炼钢的影响[Mn]氧化产生化学热，是转炉炼钢的热源之一。(MnO)为碱性氧化物，在冶炼初期可形成低熔点的多元系炉渣，能降低炉渣的熔化性温度，有利于化渣。在碱性炼钢法中，MnO的还原有利于提高钢水中的残余锰量。钢中的锰可提高钢的品质，降低钢的脆性，对钢有强化作用。193、脱磷（1）磷对钢材性能的影响磷在钢中是有害元素，易使钢发生“冷脆”现象，在室温下使钢的冲击韧性急剧下降。磷的有益影响：在某些钢中磷以合金元素的形式加入。如炮弹钢。耐蚀钢中，除含有Cu外，还可加入小于0.1%的P，以增加钢的抗大气腐蚀的能力。20(2)脱磷用碱性炉渣脱磷的反应为：在渣-金界面：3(CaO)+2[P]+5[O]=(3CaO•P2O5)3(CaO)+2[P]+5[FeO]=(3CaO•P2O5)+5[Fe]在渣-金-气界面：3(CaO)+2[P]+5/2{O2}=(3CaO•P2O5)21炼钢过程中的脱磷反应式为：2[P]+5[O]+4(CaO)=（4CaO•P2O5）+Q2[P]+5[O]+3(CaO)=（3CaO•P2O5）+Q影响炉渣脱磷的主要因素有：温度：脱磷反映是强烈的放热反应，低温有利于脱磷。温度对脱磷的影响应在保证炉渣具有一定碱度和流动性的较低温度下才能有效脱磷。22脱磷反应式：2［Ｐ］＋５(ＦeＯ)＋４(ＣaＯ)＝(４ＣaO•Ｐ２O５)＋５［Ｆe］●脱磷要求具有以下基本条件：①低温②高碱度③高（ＦeO）④大渣量23炉渣的碱度：碱度提高，可以提高炉渣的脱磷能力和增加磷的分配系数。与温度一样，碱度对脱磷的影响也要辩证考虑。碱度过高，炉渣的粘度和熔点升高，脱磷效果变差。炼钢炉渣合适的碱度为2.5-3.5。炉渣的氧化性：提高炉渣的氧化性，即提高炉渣中FeO的活度，可提高磷的分配系数。但FeO对脱磷有双重影响。24金属液的成分：铁液中C、Si、O、N、S的存在，将使增加，从而有利于脱磷。但有些元素的氧化产物对渣的物化性质有影响。如[Si]的增加，其脱氧产物将影响炉渣的碱度。[Mn]影响不大，有助于石灰的溶解，从而促进脱磷。渣量：增加渣量，可降低钢水中的磷含量，从而有利于脱磷。冶炼中、高磷铁水时，常采用大渣量脱磷，但一次造渣量过大会给操作带来困难，此时可采用双渣法造渣脱磷。25(3)回磷磷从渣中回到钢中，使钢中含磷量增加的现象。炉内脱氧回磷：炉内脱氧时，其强氧化剂Fe-Si、Al等将使炉渣与钢水的氧化性下降。且脱氧产物还将降低炉渣的碱度。如果炉渣中存在(P2O5)组元时，将使磷的分配系数下降引起回磷。钢包内脱氧回磷：出钢过程中，如果含(P2O5)的渣进入钢包中，在进行包内脱氧时将可能发生包内回磷的现象。264、脱硫（1）硫对钢材性能的影响钢中的硫主要来自于铁水、废钢、铁合金、造渣剂如石灰、铁矿石等。硫的危害主要表现为钢的“热脆”现象。低温下，钢中硫高，也会使钢的冲击值或冲击韧性显著降低。较高的硫含量，还使钢的抗腐蚀性能降低。硫在钢中的有利之处：改善钢的切削性能，改善工件的表面质量、节省动力。27（2）硫在铁液和熔渣中存在的形式硫在铁液中以FeS形式存在，但通常做热力学和动力学研究时，将[S]看作一个组元溶于铁液中。炼钢中，硫在渣中以(S2-)的形式存在。（3）影响脱硫反应的因素脱硫反应为：[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)影响脱硫的因素有：温度：脱硫反应是吸热反应，温度升高，反映的平衡常数和硫的分配系数增加，有利于脱硫。28碱度：碱度提高有利脱硫，但应注意保持炉渣良好的流动性。氧化性：渣中不同的(FeO)含量，对脱硫有不同的影响。但总的说来，低的(FeO)含量的炉渣中的硫分配比远远大于高(FeO)含量的炉渣中的硫分配比。因此，常常需要降低炉渣的氧化性来进行脱硫。渣量：增大渣量，可使钢水中的硫含量降低。29●脱硫要求具有以下基本条件：①高温②高碱度③低（ＦeO）④大渣量305、脱氧(1)氧对钢材性能的影响在室温下，钢中氧含量的增加将使钢的延伸率和断面收缩率显著降低。在较低温度和氧含量极低时，钢的强度和塑性随氧含量的增加而急剧降低。随氧含量增加，钢的抗冲击性能下降，脆性转变温度很快升高。氧在钢种与其它元素形成氧化物夹杂，对钢的塑性、韧性和疲劳强度均有不利影响。当FeO与其它夹杂形成低熔点的复合化合物聚集在晶界上时，也可能造成热脆。31(2)脱氧方法脱氧是向炼钢熔池或钢水中加入脱氧剂。进行脱氧反应，脱氧产物进入渣中或成为气相排出。根据脱氧发生的地点的不同，其脱氧方法沉淀脱氧、扩散脱氧、真空脱氧。沉淀脱氧：又称为直接脱氧。将块状脱氧剂加入到钢液中，脱氧元素在钢液内部与钢中氧直接反应，生成的脱氧产物上浮进入渣中的脱氧方法称为沉淀脱氧。出钢时向钢包内32加入硅铁、锰铁、铝铁或铝块就是沉淀脱氧。这种脱氧方法脱氧速度快，但脱氧产物有可能难以全部上浮排除而成为钢中的夹杂。扩散脱氧：又称为间接脱氧。它是将粉状脱氧剂如C粉、Fe-Si粉、CaSi粉、Al粉加到炉渣中，降低炉渣中的氧势，使钢液中的氧向炉渣中扩散，从而降低钢液中氧含量的一种脱氧方法。在电炉的还原期和炉外精炼中向渣中加入粉状脱氧剂进行的脱氧就是扩散脱氧。33扩散脱氧的特点是：脱氧反应在渣中进行；钢液中的氧向渣中转移，脱氧速度慢；脱氧时间长；不会在钢中形成非金属夹杂物。真空脱氧：是利用降低系统的压力来降低钢液中氧含量的方法。只适用于脱氧产物为气体的脱氧，如[C]-[O]反应。如RH真空处理、VAD、VD等精炼方法。真空脱氧不会造成非金属夹杂物的污染，但需要专门的设备。346、钢中气体与非金属夹杂物钢中气体：钢中气体是指溶解在钢中的氢和氮。钢中气体来源：一、金属料如废钢和铁合金中的氢和氮；二、潮湿的造渣剂分解水蒸气；三、耐火材料用的焦油、泥青、树脂粘结剂中含有的氢(8-9%)；35四、与空气接触的钢液吸氢；五、炼钢用不纯的氧气中含有的氮气。气体对钢的危害：氢以原子的形式固溶于钢中，与铁形成间隙式固溶体。氢使钢产生白点，又称发裂，造成脆断，在使用过程中将造成极为严重的意外事故。氢在冷凝过程中因溶解度降低而析出，产生点状偏析。具有点状偏析的钢材，质量极差，不能使用而报36废。随氢含量的增加，钢的抗拉强度下降，塑性和断面收缩率急剧降低。氮固溶于铁，形成间隙式固溶体。氮在α铁中溶解度在590℃达到最大值，约为0.1%；在室温时则降至0.001%以下。含氮高的钢从高温快速冷却时，铁素体会被氮饱和，此种钢在高温下防止，氮将以Fe4N的形式逐渐析出，使钢的强度和硬度上升，塑性和韧性下降，此种现象称为时效硬化。37氮是导致钢产生蓝脆现象的主要原因。钢中的氮易形成气泡和疏松，与钢中的Ti、Al等元素形成脆性夹杂物。氮有时也作为合金元素使用。普通低合金钢中，氮和钒形成氮化钒可以起到细化晶粒和沉淀强化的作用。渗氮用钢中，氮与钢表层中的铬、铝等合金元素形成氮化物，增加钢表层的硬度、强化、耐磨性及抗蚀性。氮可代替部分Ni用于不锈耐酸钢中。38降低钢中气体的措施：（1）提高炼钢原材料质量，如使用含气体量低的废钢和铁合金；对含水份的原材料进行烘烤干燥；采用高纯度的氧气。（