冶炼专业基础与实务中级考试大纲.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流冶炼专业基础与实务中级考试大纲.精品文档.冶炼专业基础与实务（中级）考试大纲第一部分 专业基础知识1.1冶金热力学基础1.1.1基本要求掌握活度的概念、活度的标准态掌握氧势图的分析及其应用熟悉脱硫、脱磷的热力学分析掌握标准吉布斯自由能及平衡常数的计算了解冶金熔体相图的若干基本规则1.1.2 考试内容（1）活度的基本概念和活度的标准态（掌握）常用的溶液组成表示方法；溶液的亨利定律和拉乌尔定律的基本内容；活度的标准态选择依据；活度相互作用系数的应用。活度标准态条件：活度为1，浓度亦为1。1）纯物质标准态：摩尔分数，符合拉乌尔定律。此时标准态蒸汽压。2）亨利标准态：摩尔分数，符合亨利定律。此时标准态蒸汽压。3）溶液标准态：活度为1，质量百分浓度亦为1，且符合亨利定律的状态，标准态蒸汽压。（2）氧势图的分析及其应用（掌握）氧势图的原理及其在钢铁冶金过程中的应用分析。（3）脱硫、脱磷的热力学分析（熟悉）钢铁冶金过程中的脱硫、脱磷的化学反应及其影响因素。脱磷反应：脱硫反应：（4）标准吉布斯自由能及平衡常数的计算（掌握）化学反应等温方程式及其应用。标准吉布斯自由能及平衡常数的计算。（5）冶金熔体的二元相图（了解）利用炉渣相图确定渣中氧化物的不同组分，各相的成分和相对量，以及炉渣的熔化温度与组成的关系等。重要的二元熔渣系相图有：CaO-SiO2二元系、Al2O3- SiO2二元系、CaO - Al2O3二元系、CaO-Fe2O3二元系。1.2冶金动力学基础1.2.1 基本要求掌握气/固和液/液反应的动力学模型掌握冶金多相反应动力学熟悉扩散传质理论熟悉对流传质理论了解固/液反应的动力学1.2.2 考试内容（1）扩散传质和对流传质 （熟悉）扩散传质和对流传质的定义。菲克第一定律、菲克第二定律、边界层理论、渗透理论和表面更新理论的基本内容。（2）冶金多相反应动力学（掌握）冶金多相反应的阻力及限制性环节；稳态或准稳态原理。 （3）气/固反应的动力学模型（掌握）气/固反应的未反应核模型是最主要的动力学模型。如：铁矿石的还原、碳酸钙和氧化物的分解。（4）液（气）/液反应的动力学模型（掌握）双膜理论是用于处理液/液相或气/液相系内反应过程的最主要动力学模型。（5）固/液反应的动力学模型（了解）固/液相中的重要反应：钢液和铁合金的凝固、废钢和铁合金的溶解、湿法冶金中的沉积和结晶、炉渣对耐火材料的侵蚀、炼钢转炉中石灰的溶解。1.3冶金传输原理1.3.1 基本要求掌握边界层理论熟悉马赫数的概念及其意义熟悉拉瓦尔喷管的概念和特点了解温度梯度、传热系数和热阻的概念1.3.2 考试内容（1）边界层理论（掌握）边界层概念、边界层的特点、边界层厚度。绕流阻力和颗粒沉降速度。答：普朗特假设在紧邻固定边界很窄流动区域之外，流动属于是理想流体流动，而在紧邻固定边界的很窄的流动区域（称为边界层或附面层）中，粘滞力作用占主导地位。 边界层理论，粘滞力对动量传递影响的一般理论，是粘性流体力学的基础，也与热量传递过程和质量传递过程有着密切的关系。􀂄 Prandtl(1904)提出边界层概念，把统一的流场，划分成两个区域，边界层和外流区；其流体流动（沿流动方向和沿与流动方向垂直的方向）有不同的特点。􀂄 边界层：流体速度分布明显受到固体壁面影响的区域。􀂄 边界层的形成：􀂾壁面处流体的“不滑脱”no-slip􀂾流体的“内摩擦”作用􀂄 边界层厚度 􀂾U00.99 U0（2）可压缩气体的流动（熟悉）马赫数的概念。气体流动的分类：不可压缩流动（M<<1）、亚音速流动（M<1）、音速流动（M1）、超音速流动（M>1）。答： 音速的特点：3、音速与介质性质有关。4、 通常用 M=V/a 作为判断气体压缩性的标准, M 称为马赫数 , 是个 无因次数,也是气体动力学的一个重要参数.可压缩流体流动的分类. 亚音速流动: M<1 跨音速流动: M=1 超音速流动: 1<M<3 高超音速流动: M>3（3）渐缩喷管与拉瓦尔喷管（熟悉）拉瓦尔喷管的概念及其意义。转炉氧气喷枪设计的理论依据。（5）拉瓦尔喷管 亚音速气流在收缩通道内膨胀加速,不可能得到超音速流动.要得到超音速流动,必须先收缩气流,到最小截面达到当地音速,然后再扩大截面得到超音速.这种渐缩扩形喷管称为拉瓦尔喷管. 扩压管的工作原理是刚好与喷管相反. 喷管分为两种：一种是能获得亚音速或音速（Va*）气流的收缩喷管，另一种是能获得超音速（V>a*）气流的缩放喷管。使气体加速到超音速要采用缩放喷管。 缩放喷管收缩部分的作用与收缩喷管完全一样，气流膨胀到最小截面，达到临界音速，再在扩张部分中继续膨胀，加速到超音速。转炉炼钢通过向熔池供氧来去除金属液中的杂质元素，同时向熔池吹气以强化搅拌，实现快速炼钢。供氧是通过氧枪喷头向熔池吹入超音速氧气射流来实现的，即氧射流。气体从喷嘴向无限大的空间喷出后，空间内气体的物理性质与喷嘴喷出的气流的物理性质相同，这时喷出气体形成的气体称为自由流股或自由射流。氧气从喷嘴喷出后，形成超音速流股，可见从喷嘴喷出的氧气流股，(1) 氧枪氧枪又称喷枪或吹氧管，由喷嘴、枪身和枪尾三部分组成。按枪身外形可分为直形与“”型氧枪。直形氧枪是目前采用最广泛的一种。大型转炉考虑到刮去氧枪顶部上粘的渣钢，也有部分采用锥型枪体的。氧枪的枪体由三层无缝钢管组成。中心管输送氧气，称为中心氧气管。中层管将外层管和中心氧气管隔开。冷却水由中层管与中心管之间的缝隙进入，在喷枪头部回转180°，再由外层管与中层管之间的缝隙排出。为了防止中层管摆动，确保冷却水畅通，还要在中层管和内层管及中层管与外层管之间设置定位块。喷枪尾部有氧气和冷却水的连接管头和把持喷枪的装置等。三层套管一般都用无缝钢管。（4）热量传输的基本概念（了解）温度场、等温面和温度梯度的概念；传热系数和热阻的概念；传热的基本方式。答：热量传递过程的推动力：温差( 热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给低温热源。有温差就会有传热)热量传递基本方式：热传导、热对流、热辐射1.4绿色冶金与清洁生产1.4.1 基本要求掌握钢铁工业污染物排放及其特点熟悉绿色冶金工业的发展趋势1.4.2 考试内容（1）钢铁工业污染物排放及其特点（掌握）烟排放及其特点、废水排放及其特点、固体废物（即冶金渣或废渣）排放及其特点。（2）绿色冶金工业的发展趋势（熟悉） 绿色冶金工艺技术；冶金工业的绿色化生产；绿色的污染物处理技术。第二部分 专业理论知识及生产工艺实务2.2炼钢专业2.2.1转炉炼钢2.2.1.1基本要求掌握转炉炼钢的原材料掌握氧气顶吹转炉炼钢工艺熟悉主要工艺参数的计算了解转炉的工艺设备2.2.1.2考试内容（1）转炉炼钢的原材料（掌握）转炉炼钢原材料的基本要求一般认为原材料包括：铁水，废钢，生铁块等。辅助材料包括：石灰，萤石（CaF2），生白云石（CaMg(CO3)2），菱镁矿（MgCO3），还有铁合金、冷却剂及增碳剂等等。（1） 铁水（生铁）铁水是转炉炼钢的主要金属料，占金属料装入量的70100%。铁水是转炉炼钢的基本热源，又直接关系着实际炼钢的生产流程。因此，对入炉的铁水温度和化学成分必须有一定的要求。铁水的温度：铁水温度不能过低，否则热量不足，影响熔池的温升速度和元素氧化过程，也影响化渣和去除杂质，还容易导致喷溅。要保证转炉铁水温度大于1250。此外，铁水温度要保持稳定，这样利于操作的稳定和转炉的自动控制。铁水成分：要保证转炉的正常冶炼和获得良好的技术经济指标，铁水成分应该适当并且保证稳定。C含量一般在4%左右，铁水中Si 含量在0.20%0.80%为宜，常铁水锰含量在0.5%左右。磷是大多数钢种中的有害元素，因此铁水中磷越低越好，除了含硫易切钢（要求S 含量在0.08%0.30%）以外，绝大多数钢中硫是有害元素（2） 废钢废钢是转炉主要金属料之一，是冷却效果稳定的冷却剂。适当的增加废钢比，可以降低转炉炼钢成本、能耗、和炼钢辅助材料消耗。废钢质量对转炉冶炼技术经济指标有明显影响，从合理使用和冶炼工艺出发，对废钢的要求是：不同性质的废钢应分类存放，以免混杂，造成稀有元素的浪费和出废品钢。废钢入炉前应仔细检查，严禁封闭中空器皿、爆炸物和毒品混入炉内。入炉废钢必须干燥，清洁无油污，力求不混入泥沙、耐火材料和搪瓷等杂物，更不能混入Zn、Pb、Sn 等有色金属。废钢应具有合适的外形尺寸和单重。轻薄料应打包或压块使用，重废钢应加工、切割，以便顺利装料并保证在吹炼期全部熔化。（3） 铁合金吹炼终点要脱除钢中多余的氧，并调整成分达到钢种规格，需加入铁合金以脱氧合金化。它们的形式不一样，有的是以铁合金的形式使用，如锰铁、硅铁、铬铁等；有的以合金形式使用，如硅锰、硅钙、硅铝钡等；有的以纯金属形式使用，如铝、锰、铬、镍等；还有以化合物形式使用的，如稀土化合物。铁合金的品种较多，但是生产成本高，因此要选用适当牌号的铁合金，以降低钢的成本。转炉常用的铁合金有Fe-Mn、Fe-Si、Mn-Si 合金、Ca-Si 合金、铝、Fe-Al、Ca-Al-Ba 合金等。造渣材料包括石灰、萤石、生白云石、菱镁矿、合成造渣剂。（1）石灰的渣化速度是转炉炼钢成渣速度的关键，因此炼钢用石灰除了有效CaO 含量要高，SiO2 和S 含量低，适当的块度要求之外，对其活性度也要提出要求。石灰的活性度是石灰反应能力的标志，也是衡量石灰质量的重要参数。活性度大的石灰反应能力强，成渣速度快。（2） 萤石转炉炼钢用萤石的w CaF2 应大于85%,w SiO25.0，wS0.10，块度在540mn，并要干燥清洁。原材料n 铁水：加70-85%(%C=4,%Si=0.4-1.0,%P=0.02-0.15,%S=0.001-0.050)n 废钢：加15-30%(厚度小于150mm，清洁)n 生铁块：调温及配碳n 烧结矿（改性铁）（2）氧气顶吹转炉炼钢工艺（掌握）氧气顶吹转炉炼钢工艺主要包含：装料制度、供氧制度、造渣制度、温度制度及终点控制、脱氧及合金化。n 转炉冶炼五大制度 装料制度 供氧制度 造渣制度 温度制度 终点控制及合金化制度装料制度n 确定合理的装入量，需考虑的两个参数： 炉容比：(V/T,m3/t),0.8-1.05(30-300t转炉)； 熔池深度：需大于氧气射流的冲击深度 800-2000mm (30-300t转炉)n 装料制度：定量装入、定深装入； 分阶段定量装入。n 分阶段定量装入：150炉，51200炉，200炉以上，枪位每天要校正。交接班看枪位。供氧制度：两种操作方式：软吹：低压、高枪位，吹入的氧在渣层中，渣中FeO升高、有利于脱磷；硬吹：高压低枪位(与软吹相反)，脱P不好，但脱C好，穿透能力强，脱C反应激烈 。造渣制度：n 炼钢就是炼渣。n 造渣的目的：通过造渣，脱P、减少喷溅、保护炉衬。n 造渣制度：确定合适的造渣方式、渣料的加入数量和时间、成渣速度。n 渣的特点：一定碱度、良好的流动性、合适的FeO及MgO、正常泡沫化的熔渣。终点成分和温度控制也就是终点控制，它是转炉吹炼末期的重要操作。所谓“终点”是指所炼钢种成分和温度达到要求的时刻。它的具体标志是：（1）钢中碳含量达到所炼钢种的控制范围；（2）钢中P、S 含量低于规格下限以下的一定范围；（3）出钢温度能保证顺利进行精炼、浇注；（4）对于沸腾钢，钢水应有一定氧化性。由于脱磷比脱碳操作复杂，因此总是尽可能提前让磷去除到终点要求的范围。这样将终点控制简化为脱碳和钢水温度控制。终点成分控制是指终点碳含量的控制。终点碳控制的方法：一次拉碳法、增碳法、高拉补吹法。一次拉碳法：按出钢要求的终点碳和温度进行吹炼，当达到要求时提枪。它要求操作水平较高，也具有很多优点，如下：终点渣FeO 低，钢中有害气体少，不加增碳剂，钢水洁净。氧耗较小，节约增碳剂。增碳法：所有钢种均将碳吹到0.05%左右，按钢种加增碳剂。为避免玷污钢水，所用碳粉要求纯度高，硫和灰分要很低。它的优点：操作简单，生产率高，易实现自动控制，废钢比高。高拉补吹法：当冶炼中，高碳钢种时，终点按钢种规格略高一些进行拉碳，待测温、取样后按分析结果与规格的差值决定补吹时间。由于中高碳钢种的碳含量范围内，脱碳速度较快，终点不易判断，因此使用此种方法。影响终点温度的因素很多，在实际的生产中必须综合考虑。主要因素有铁水成分、铁水温度、铁水装入量、炉龄、终点碳含量、炉与炉的间隔时间、枪位、喷溅、石灰用量、出钢温度等等。温度的控制实际上就是确定冷却剂加入的数量和时间，首先根据终点温度的要求，确定冷却剂加入总量，然后在一定时间内分批加入。废钢在开吹前加入，其他冷却剂可与造渣材料一起加入。终点温度的调节没有硬性规定，如果炉温较高，炉渣化的好，钢水成分合格，可以只加废钢降温。如果炉温高，钢水中磷或硫不合格，可以加入石灰和助熔剂等渣料，并适当补吹。如果炉温低，化渣也不好，可以加入助熔剂，然后低枪提温。一般来说，各个钢铁厂都有根据炉况控制温度的经验数据，有自己的控制方法。（3）主要工艺参数的计算（熟悉）氧气流量、供氧强度、吹损、出钢温度、合金加入量、石灰加入量的计算A 氧气流量氧气流量Q 是指在单位时间t 内向熔池供氧的数量V（常用标准状态下的体积量度）。氧气流量是根据吹炼每吨金属料所需要的氧气量、金属装入量、供氧时间等因素来确定的，即：B 供氧强度供氧强度I 是单位时间内每吨金属氧耗量（Nm3/t.min），可由下式确定：（T 是指一炉钢的金属装入量，t）, 供氧强度也称喷吹强度 20。吹氧强度对于转炉生产率十分重要。传统顶吹转炉的吹氧强度在2.5-3.9 m3 /t.min 之间。2确定出钢温度: 钢水的凝固温度可由下式计算：T1538T×jT钢中某元素含量增加1时使纯铁的熔点降低值。j钢中某元素含量。考虑到钢包运行、镇静吹氩、连铸等要求，出钢温度要适当的比计算出温度高。石灰加入量确定：石灰加入量是根据铁水中Si、P 含量及炉渣碱度R 确定。铁水含磷小于0.30%时：石灰加入量(kg/t)=2.14×WSi×R×1000/A其中，A 为石灰中的有效氧化钙，A=W（CaO）R×W（SiO2），R×W（SiO2）中，W 为石灰自身SiO2 占用的CaO。当Si、P 高时，需计算石灰补加量。n 供氧强度(Nm3/t.min) 决定冶炼时间，但太大，喷溅可能性增大，一般3.0-4.0。n 氧气流量大小(Nm3/h)： 装入量，C、Mn、Si的含量，由物料平衡计算得到，50-65Nm3/h。n 氧压(Mpa) 喷头的喉口及马赫数一定，P大，流量大,有一范围 0.81.2Mpa。n 氧枪枪位，由冲击深度决定，1/3-1/2。 C Si Mn P S铁水成分 .0 . . . .成品成分 . . . . .n 转炉公称容量为100吨时，炉渣量为 ：100×1010吨n 铁损耗氧量10×15×16/(1656)0.33吨n CCO 耗氧量100×(4.30%-0.20%)×90%×16/12=4.92吨 CCO2 耗氧量 100×(4.30%-0.20%)×10%×32/12=1.09吨n SiSiO2耗氧量 100×0.8%×32/28=0.914吨n MnMnO耗氧量100×0.2%×16/55=0.058吨n PP2O5 耗氧量100×0.13%×(16×5)/(31×2)=0.168吨n S 1/3被气化为SO2, 2/3与CaO反应生成CaS进入渣中, 则S不耗氧。n 总耗氧量 0.33+4.92+1.09+0.914+0.058+0.168=7.48吨/1.4295236Nm3n 实际耗氧量5236/0.9/99.5%=5847Nm3n 实际吨钢耗氧量5847/100=58.37Nm3/t（4）转炉的工艺设备（了解）转炉的原材料供应系统、转炉炉体及其倾动系统、供氧系统、烟气净化及煤气回收系统的组成和作用一般认为原材料包括：铁水，废钢，生铁块等。辅助材料包括：石灰，萤石（CaF2），生白云石（CaMg(CO3)2），菱镁矿（MgCO3），还有铁合金、冷却剂及增碳剂等等。按性质来分，转炉原辅材料分为金属料和非金属料两类。按用途来分，可以分为金属材料，造渣材料、耐火材料。转炉炼钢工艺主要有以下几个系统构成：原料供应系统，即铁水、废钢、铁合金及各种辅原料的贮备和运输系统；铁水的预处理；氧气转炉的吹炼与钢水的精炼、浇铸系统；供氧系统及底吹系统；烟气净化与煤气回收系统。（1）转炉炉体结构转炉炉体包括炉壳和炉衬。炉壳为钢板焊接而成，炉衬由工作层、永久层和填充层三层所构成。转炉炉壳要承受耐火材料、钢液、渣液的全部重量，并保持转炉的固定形状，倾动时承受扭转力矩作用。变形和裂纹是炉壳损坏的两种形式。为了适应高温频繁作业的特点，炉壳必须有足够的强度和刚度。（2）转炉倾动机械转炉倾动机械作用是倾动炉体，是转炉的关键设备之一。它的特点是：减速比大（由于转炉采用约0.11.5r/min 的倾动速度，通常减速比高达7001000），倾动力矩大，启、制动频繁，承受较大的动载荷，工作条件恶劣。因此，对转炉倾动机械的要求如下：能使炉体正反转动360°，并且要与氧枪、副枪、炉下钢包车、烟罩等设备有连锁装置。安全可靠地转动，即使某一部分发生事故，也要求倾动机械能继续工作，维持到一炉钢冶炼结束。一般小于30t 转炉可以不调速，倾动转速为0.7r/min；50100t 转炉可采用两级转速，低速为0.2r/min，高速为0.8r/min；大于150t 转炉可无级调速，转速在0.151.5r/min。适应高温、动在、扭振的作用，具有较长的寿命。2.2.2 电弧炉炼钢2.2.2.1基本要求掌握现代电炉冶炼工艺 熟悉超高功率电弧炉的能量利用技术2.2.2.2考试内容（1） 现代电炉冶炼工艺（掌握）现代电炉冶炼工艺操作，包含：快速熔化与升温操作、脱磷操作、脱碳操作、温度控制、钢液的合金化。电弧炉炼钢的特点为1：(1)电能为热源，避免燃烧燃料对钢液污染，热效率高，可达65%以上；(2)冶炼熔池温度高且容易控制，满足冶炼不同钢种的要求；(3)电热转换，输入熔池的功率容易调节，因而容易实现熔池加热制度自动化，操作方便；(4) 电弧炉炼钢可以消纳废钢，是一种铁资源回收再利用过程，也是一种处理污染的环保技术 。相当于是钢铁工业和社会废钢的回收工具。(5)炼钢过程的烟气污染和噪声污染容易控制；(6)设备简单，炼钢流程短，占地少，投资省、建厂快，生产灵活。随着炼钢技术的进步，传统转炉和电炉的功能在发生转变：现代转炉的功能逐步演变为快速高效脱碳器、快速升温器、能量转换器和优化脱磷器1；现代电炉的功能演变为1：（1）快速废钢熔化现代电弧炉冶炼的一个重要特征是冶炼周期大大缩短，已达到3545min，与同容量转炉冶炼周期相当，可满足高效连铸多炉连浇的节奏要求，成为了一个废钢快速熔化装置。（2）熔池快速升温电炉原料中的废钢和生铁熔化后，为满足出钢温度要求，熔池快速升温，现代电炉成为了一个快速升温装置。（3）能量转换现代电弧炉的能源结构包括电能、化学能和物理热。为缩短冶炼周期，必须充分利用变压器功率，增加电能输入；增加化学能和物理热，在一定的冶炼周期条件下，三种能量可以互相转换。在电力紧缺，价格高的地区，可以增加化学热和物理热的比例。采用废气预热炉料技术，可以增加物理热，减少电能的输入。原料中高配碳，生铁成为主要原料之一，加铁水是最好的生铁预热方式，可以增加化学热和物理热。现代电炉成为了一个很好的能量转换装置。（4）高效脱碳脱磷为了缩短冶炼周期，以满足高效连铸节奏的要求，强化供氧，脱碳速度快，在废钢融化和升温过程中，电弧炉冶炼具有良好的脱磷条件，现代电弧炉成为了一个高效脱碳脱磷装置。炉料装入电炉后，随着电弧加热和吹氧助熔的进行，炉料逐渐升高温度、开始熔化。伴随着炉料的升温和熔化，炉内会发生一些物理化学反应。熔池脱碳反应速度的大小很大程度上决定于供氧速度。当吹氧速度一定，熔池碳含量小于0.2%时，脱碳速度明显降低，脱碳的耗氧量显著增加。这是因为钢液中的氧含量和渣中（FeO）含量相应增加，单位脱碳量的总耗氧量显著增加的缘故。当钢液碳含量C>0.2%，熔池温度1600时，每吨钢去0.01%的碳需要0.14m3的氧气。碳含量和氧气消耗的关系如图5.6 所示。当C<0.2时熔池脱碳的实际氧消耗量显著增加，如C=0.1%时，去除0.01%的碳每吨钢液需氧0.84m3。在生产条件下钢液温度为1550时，吹氧前的碳含量C和脱碳量C与氧的单位消耗（m3O2/t）的关系如图5.7 所示。（2）钢液脱磷反应生产实践表明，在熔化后期往炉内加入适当的矿石和石灰，有良好的去磷效果。在氧化期造较高碱度的强氧化性炉渣，流动性良好，并控制冶炼温度较低，氧化前期采用自动流渣和扒渣反应是钢渣界面反应，其反应式为：（5）废弃塑料、轮胎等回收现代转炉流程的焦炉、高炉工序可以回收部分废弃塑料；现代电炉流程也可能具有废弃塑料、轮胎等的回收功能且成本较低。当钢液满足下述生产条件时即可出钢。（1）符合该钢种的出钢温度。（2）钢液C、P成分控制合格。出钢温度通常用下式描述电弧炉炼钢合金比：电弧炉炼钢的总产钢量与其合金钢产量之比称电弧炉炼钢的合金比。钢中合金元素总量>10%称高合金钢；2.510%称中合金钢，<2.5称低合金钢。（2）超高功率电弧炉的能量利用技术（熟悉）氧-燃助熔、富氧操作、电炉底吹搅拌技术、无渣出钢、留钢操作、长弧泡沫渣技术、废钢预热节能技术等。1、氧、燃烧嘴助熔是电弧炉广泛采用的技术。在提高电弧炉生产率的各种方法中，氧、燃助熔是降低生产成本最有效的方法。一般在电弧炉上安装3 支烧嘴，分别对准三个冷区。炉料熔化时，烧嘴和电极共同加热，使废钢能更均匀、更有效地熔化。熔化速度提高，使电力消耗和电极消耗量降低，缩短了冶炼时间，提高了生产率和过程的经济性。5.4.2.2 富氧操作与氧、燃烧嘴相配合的富氧操作对强化电弧炉炼钢是必不可少的措施。富氧操作的主要目的如下：1）吹入氧气切割大块废钢：随着熔化的进行形成熔池，在熔池中吹入氧气产生氧化反应，释放出反应热，促进废钢的熔化。通过氧气的搅拌作用，提高了炉底废钢的熔化速率，而且减小了钢水温度的不均匀性，抑制了精炼期的大沸腾现象。2）进行快速脱碳，脱碳终了，同时达到氧化期结束的目标温度。通过富氧操作加速钢熔化，缩短氧化期时间，生产率得到提高。5.3.4.2 底吹气体搅拌电弧炉炼钢是通过分布在极心圆上的三支电极对废钢和熔池表面加热，并通过炉渣和金属对整个熔池加热。由于加热的不均匀性，使炉内存在冷区，熔池温度、成分不均匀和炉渣过氧化等问题。底吹气体搅拌为电炉炼钢克服上述问题提供了廉价而有效的解决办法。底吹气体搅拌，把只有电弧电动力作用时的搅拌能13W/t 提高到375400W/t，因而可使电弧炉炼钢获得如下好处；1）改善钢渣反应；2）提高熔池成分和温度的均匀性；3）加速电弧向熔池的传热；4）促进脱磷和碳氧反应，可冶炼C0.04%的钢种；5）能更有效地排渣进行无渣出钢操作，有利于清洁钢的生产。一般认为底吹搅拌可使电耗减少10kW·h/t，冶炼时间缩短5min，金属收得率提高01.2%-0.5%。5.4.6.1 无渣出钢经初炼后温度、成分达到出钢要求的钢水为顺利转入炉外精炼，一般要求无渣（少渣）出钢，最常用的技术是偏心炉底出钢（EBT）。采用偏心炉底出钢的优点是：1）可以做到无渣出钢；实现留钢操作；2）减少倾炉角度，大大缩短大电流电缆长度（减少阻抗）；炉壁水冷面积可进一步扩大；3）圆而粗的出钢口和短的出钢流程减少了出钢时间和降低了出钢温度（可降低出钢温度32），也减少了钢水吸气和二次氧化；钢水垂直注入钢包，减轻了对耐火材料的冲刷侵蚀，提高了包衬寿命。5.4.6.2 留钢操作电弧炉炼钢的无渣出钢操作会使炉内留有一部分（10%15%）钢水和几乎全部炉渣，这为下一炉加速熔化、早期脱磷创造了条件；同时，由于液体熔池的存在，使熔化初期电弧稳定性提高，平均输入功率增加，提高生产率。（1）泡沫渣的作用电弧炉炼钢泡沫渣操作源于连续加料的直接还原铁炼钢。连续不断的激烈碳氧反应和较大的渣量生成厚泡沫渣，有效地屏蔽和吸收了电弧辐射能，并传递给熔池，提高了加热效率，缩短了冶炼时间，减少了辐射到炉壁、炉盖的热损失。利用高温炉气的物理热预热废钢已实践多年。废钢预热技术的种类包括：料篮式、双炉壳式、竖炉型、多级竖炉式、连续加料式等。从原理上看，所有的废钢预热技术都是：在高温炉气排放之前，通过废钢（炉料）产生热交换，把热量传给废钢，提高废钢的温度，从而达到加快废钢（炉料）熔化、降低电耗，提高生产率的目的。2.2.3 钢液的炉外精炼2.2.3.1基本要求掌握铁水预处理的原理和方法掌握钢水炉外精炼的原理和方法2.2.3.2考试内容（1）铁水预处理的原理和方法（掌握）铁水预脱硅、铁水预脱硫、铁水预脱磷的原理与方法。3.2.3 铁水预脱硅原理铁水预脱硅是用氧化剂将铁水中的硅氧化脱除的过程。氧化剂有固体氧化剂(铁矿石或精矿粉、烧结矿、轧钢铁皮)和气体氧化剂(空气、氧气)两类，其脱硅过程类似于炼钢过程的脱硅。(1) 脱硅反应：当向铁水中加入固体氧化剂时，脱硅反应可表示为：Si + 2/3Fe2O3 (S) = (SiO2) + 4/3FeSi + 2(FeO) = (SiO2) + 2Fe当向铁水中吹入气体O2 时，脱硅反应可表示为：第一步： 2Fe + O2 = 2(FeO)第二步： Si + 2(FeO) = (SiO2) + 2Fe总反应式： Si + O2 = (SiO2)硅的氧化反应均为放热反应。但在实际生产中，由于冷料的加入吸热，因此，只有用气体O2 脱硅是放热的，熔池温度会升高；用固体氧化剂脱硅则是吸热的，相应地使熔池温度有所下降，这可从热平衡计算得到。(2) 影响脱硅反应进行的因素：将直接氧化与间接氧化均用下式表示为：Si + 2O = (SiO2)G4° = RT lnKSi平衡常数：硅分配系数(硅分配比)：影响脱硅反应的因素有：􀁣温度：放热反应，温度上升，KSi 下降，%Si升高，对脱硅不利。但实际生产中，按所到达的铁水温度处理。􀁤碱度：CaO/SiO2 提高，SiO2 降低，%Si下降，对脱硅有利；􀁥aO：铁水中氧化剂含量愈高，即氧势愈高，则Si愈容易脱除；􀁦fSi：铁水C、Si、Mn、P、S高，fSi 大，脱硅容易，一般 fSi = 78；􀁧(%SiO2)：渣量大，(%SiO2)降低，%Si下降，有利于脱硅。(3) 脱硅过程中其它元素的氧化及反应机理：实验和生产表明5：脱硅过程中，除硅的氧化外，亦伴随着少量C、Mn 的氧化，其反应机理为：Si + 2(FeO) = (SiO2) + 2FeMn + (FeO) = (MnO) + FeC + (FeO) = CO + Fe反应步骤为：􀁣 铁水中Si向渣金界面扩散；􀁤 渣中(FeO)向渣金界面扩散；􀁥 渣金界面化学反应；􀁦 (SiO2)从渣金界面向渣中扩散。控制性环节为：􀁣当渣中(FeO)>40%时，铁水中Si的传质是脱硅过程的限制性环节，此时，C、Mn的氧化不影响Si 的氧化；􀁤当渣中(FeO)=1040%时，铁水中Si 的传质和渣中(FeO)的传质共同构成脱硅过程的限制性环节；􀁦当渣中(FeO)<10%时，渣中(FeO)的传质则成为脱硅过程的控制性环节。脱硅处理方法主要有高炉前铁水沟连续脱硅法和混铁车或铁水罐喷吹脱硅法。炉前铁水沟连续脱硅法是利用出铁槽中铁水的自然落差能搅拌渣铁脱硅的，如图3.5 所示。其优点是不另占用处理时间，处理能力大，温度下降较少。缺点是脱硫剂利用率低，炉前工作条件差。工业中采用的铁水脱硫剂种类很多，有钠系、钙系和镁系等。多使用复合型脱硫剂，单纯使用金属质的镁、盐包镁、镁焦等也日趋减少。近十几年来，由于金属镁钝化技术的发展，开始使用钝化颗粒镁或覆膜镁粒作铁水的深度脱硫剂。任何脱硫剂的脱硫能力首先是由它的热力学性质所决定的，其次就是反应的动力学条件。在恒温恒压下，可用化学反应的自由能变化来判断各种脱硫剂的脱硫能力。碳酸钠，又名苏打，是最古老的炉外脱硫剂，它是一种很强的单一脱硫剂。当加入铁水时，碳酸钠首先分解，然后参与脱硫反应：石灰是应用时间较长、价格便宜的一种脱硫剂，一般不单独使用，通常配以一种或几种添加剂。工业应用上使用的添加剂有：石灰石CaCO3、萤石(CaF2)、碳粉(C)、电石(CaC2)、金属Al 或金属Mg 等。其脱硫反应与高炉内类似：它的脱硫原理是固体CaO 极快地吸收铁水中的硫，铁水中的硅和碳是极好的还原剂，吸收了反应生成的氧，脱硫反应的产物是CaS 和SiO2(或CO)。石灰脱硫是吸热反应，高温、高碱度、还原性气氛(低氧势)、铁水C、Si、P高则硫的活度系数fS高，对脱硫有利。从脱硫机理说，CaO 粒子和铁水中S接触生成CaS 的渣壳，渣壳阻碍了S和O通过它的扩散，脱硫过程减慢。用石灰做脱硫剂，需要把石灰磨细。磨细的石灰粉易吸水，生成的炉渣夹带走大量铁粒。脱硫铁水必须严格地除去高炉渣，否则脱硫效果差。铁水温度高、石灰细磨、活性高脱硫效果较好。但石灰不能进行深度脱硫。(1) 镁的脱硫机理镁的脱硫反应分两步进行：第一步，金属镁溶于铁水： Mg(固) Mg(液) Mg(气) Mg (溶于铁水)。第二步，高温下，镁和S有很强亲合力，铁水中的Mg和气态的Mg 都能与铁水中的S迅速反应生成固态的硫化镁(MgS)：Mg + S MgS(固)Mg(气) + S MgS(固)反应生成的硫化镁在铁水温度时是固态，进入渣中。混合镁粒中的惰性物质在喷吹过程中避免喷枪堵塞，同时降低镁在熔池中的反应速度，它本身并不参加脱硫反应，最终进入渣中。镁系以外的各种脱硫剂都不溶于铁水。镁则不同，它先溶入铁水，再和铁水中的硫反应，脱硫反应的热力学条件和动力学条件较好。(2) 镁脱硫的热力学镁在铁水中的溶解度取决于铁水温度和镁的蒸气压，可写为：lg Mgsat = 7000 T + lg PMg 5.1式中T 是绝对温度，PMg 是该温度下镁的蒸气压。镁的溶解度随压力的增加而增大，随铁水的温度上升而大幅度下降。在一个大气压下，1200、1300和1400时，镁的溶解度分别为0.45%、0.22%和0.12%。在两个大气压下(相当于铁水液面下两米处的压力)，镁的溶解度增大一倍，分别变为0.9%、0.44%和0.24%。对于钢铁工业铁水脱硫的要求来说，每吨铁水溶入0.050.06%(相当于0.50.6kg)镁就足够用了。可见，铁水溶解镁的能力比脱硫处理所需要的镁的溶解量要大得多。铁水预脱硫的方法很多，各种方法经工业实际应用，有的因处理能力、耐火材料寿命、处理效果及可控性、环境污染等问题逐渐被淘汰。现就国内外较普遍采用的KR 搅拌法和喷吹法作一介绍。类别脱硫方法及特征脱硫效果S0=0.030.04%一级二级三级分批处理法铺撒法在高炉出铁过程中连续地往出铁沟或铁水罐内撒入脱硫剂，也可撒在铁水流中或铁水表面上，利用铁水的冲混将其搅拌均匀。苏打粉810kg/t，S=60%70%摇动法回转炉法在回转炉的铁水面上加入石灰粉和焦碳粉，并进行搅拌，搅拌转速34转/min石灰粉1020kg/t；碳粉12kg/t；S=90%摇包法在偏心回转包的铁水中加入脱硫剂，包的转速为4050转/min石灰粉15kg/t；碳粉15kg/t；CaC25kg/t，S=80%90%DM摇包法摇包能正反双向进行，铁水和脱硫剂混合良好，转速为43转/min，正逆换向周期14s，中间停止3sCaC25kg/t，S=80%90%机械搅拌法DO法用耐火材料制成的T型管状搅拌器搅拌铁水，转速约为30转/minCaC25kg/t，S=80%90%RS法用铁芯加强的耐火材料制成倒T型搅拌器，转速6070转/min，在铁水表面附近旋转CaC25kg/t，S=80%90%KR法将耐火材料制成的十字型搅拌桨插入铁水中进行搅拌。转速70120转/min，搅拌时铁水中央部位形成涡井，脱硫剂卷入其中，以致混合良好CaC223kg/t，S=90%95%苏打粉68 kg/t，S=80%90%90%石灰-5%萤石-5%C，4kg/t，S=90%赫歇法在搅拌桨于铁水中旋转的同时，由转轴中心孔向铁水中喷入丙烷，促进石灰的脱硫石灰粉12.5 kg/t，丙烷9l/t，S=80%NP法用耐火材料制成的门型搅拌器来搅拌铁水，转速77转/min。搅拌同时，从搅拌器双叉端部喷出氮气，强化混合和使铁水面上保持惰性气氛，以提高脱硫剂的利用率和防止回硫CaC223kg/t，S=90%喷喷吹法ATH法在混铁车内斜插入喷枪，用载流气体送入脱硫剂并进行搅拌CaC234kg/t，S=85%90%；60%石灰-3%萤石-12%碳粉，68kg/t，S=85%90%