转炉炼钢工艺标准经过流程.doc

^` 转炉炼钢工艺流程 这种炼钢法使用的氧化剂是氧气。把空气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅、锰等氧化。在氧化的过程中放出大量的热量 （含1%的硅可使生铁的温度升高200摄氏度），可使炉内达到足够高的温度。因此转炉炼钢不需要另外使用燃料。 转炉炼钢是在转炉里进行。转炉的外形就像个梨，内壁有耐火砖，炉侧有许多小孔（风口），压缩空气从这些小孔里吹炉内，又叫做侧吹转炉。开始时，转炉处于水平，向内注入1300摄氏度的液态生铁，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空气并转动转炉使它直立起来。这时液态生铁表面剧烈的反应，使铁、硅、锰氧化 (FeO,SiO2 , MnO,) 生成炉渣，利用熔化的钢铁和炉渣的对流作用，使反应遍及整个炉内。几分钟后，当钢液中只剩下少量的硅与锰时，碳开始氧化，生成一氧化碳（放热）使钢液剧烈沸腾。炉口由于溢出的一氧化炭的燃烧而出现巨大的火焰。最后，磷也发生氧化并进一步生成磷酸亚铁。磷酸亚铁再跟生石灰反应生成稳定的磷酸钙和硫化钙，一起成为炉渣。 当磷与硫逐渐减少，火焰退落，炉口出现四氧化三铁的褐色蒸汽时，表明钢已炼成。这时应立即停止鼓风，并把转炉转到水平位置，把钢水倾至钢水包里，再加脱氧剂进行脱氧。整个过程只需15分钟左右。如果空气是从炉低吹入，那就是低吹转炉。 随着制氧技术的发展，现在已普遍使用氧气顶吹转炉 （也有侧吹转炉）。这种转炉吹如的是高压工业纯氧，反应更为剧烈，能进一步提高生产效率和钢的质量。 转炉一炉钢的基本冶炼过程。顶吹转炉冶炼一炉钢的操作过程主要由以下六步组成： （1）上炉出钢、倒渣，检查炉衬和倾动设备等并进行必要的修补和修理； （2）倾炉，加废钢、兑铁水，摇正炉体（至垂直位置）； （3）降枪开吹，同时加入第一批渣料（起初炉内噪声较大，从炉口冒出赤色烟雾，随后喷出暗红的火焰；3～5min后硅锰氧接近结束，碳氧反应逐渐激烈，炉口的火焰变大，亮度随之提高；同时渣料熔化，噪声减弱）； （4）3～5min后加入第二批渣料继续吹炼（随吹炼进行钢中碳逐渐降低，约12min后火焰微弱，停吹）； （5）倒炉，测温、取样，并确定补吹时间或出钢； （6）出钢，同时（将计算好的合金加入钢包中）进行脱氧合金化。 上炉钢出完钢后，倒净炉渣，堵出钢口，兑铁水和加废钢，降枪供氧，开始吹炼。在送氧开吹的同时，加入第一批渣料，加入量相当于全炉总渣量的三分之二，开吹3-5分钟后，第一批渣料化好，再加入第二批渣料。如果炉内化渣不好，则许加入第三批萤石渣料。 吹炼过程中的供氧强度： 小型转炉为2.5-4.5m3/(tmin)；120t以上的转炉一般为2.8-3.6m3/(tmin)。 ◆开吹时氧枪枪位采用高枪位，目前是为了早化渣，多去磷，保护炉衬； ◆在吹炼过程中适当降低枪位的保证炉渣不“返干”，不喷溅，快速脱碳与脱硫，熔池均匀升温为原则； ◆在吹炼末期要降枪，主要目的是熔池钢水成分和温度均匀，加强熔池搅拌，稳定火焰，便于判断终点，同时使降低渣中Fe含量，减少铁损，达到溅渣的要求。 ◆当吹炼到所炼钢种要求的终点碳范围时，即停吹，倒炉取样，测定钢水温度，取样快速分析[C]、[S]、[P]的含量，当温度和成分符合要求时，就出钢。 ◆当钢水流出总量的四分之一时，向钢包中的脱氧合金化剂，进行脱氧，合金化，由此一炉钢冶炼完毕。 炼钢学概述 基本要求：理解炼钢的任务；了解对原材料的要求；了解耐火材料的分类和各自用途。 重点与难点：炼钢的任务；原材料主要质量指标；炼钢用耐火材料。 第一节 概 述 一、钢与生铁的区别及发展历程： 首先是碳的含量，理论上一般把碳含量小于2.11%称之钢，它的熔点在1450-1500℃，而生铁的熔点在1100-1200℃。 在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体，随着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和冲击韧性降低。 钢的应用前景：钢具有很好的物理、化学性能与力学性能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，其用途十分广泛。 用途不同对钢的性能要求也不同，从而对钢的生产也提出了不同的要求。石油、化工、航天航空、交通运输、农业、国防等许多重要的领域均需要各种类型的大量钢材，我们的日常生活更离不开钢。总之，钢材仍将是21世纪用途最广的结构材料和最主要功能材料。 炼钢方法（1） 最早出现的炼钢方法是1740年出现的坩埚法，它是将生铁和废铁装入由石墨和粘土制成的坩埚内，用火焰加热熔化炉料，之后将熔化的炉料浇成钢锭。此法几乎无杂质元素的氧化反应。 炼钢方法（2） 1856年英国人亨利贝塞麦发明了酸性空气底吹转炉炼钢法，也称为贝塞麦法，第一次解决了用铁水直接冶炼钢水的难题，从而使炼钢的质量得到提高，但此法要求铁水的硅含量大于0.8%，而且不能脱硫。目前已淘汰。 炼钢方法（3） 1865年德国人马丁利用蓄热室原理发明了以铁水、废钢为原料的酸性平炉炼钢法，即马丁炉法。1880年出现了第一座碱性平炉。由于其成本低、炉容大，钢水质量优于转炉，同时原料的适应性强，平炉炼钢法一时成为主要的炼钢法。 炼钢方法（4） 1878年英国人托马斯发明了碱性炉衬的底吹转炉炼钢法，即托马斯法。他是在吹炼过程中加石灰造碱性渣，从而解决了高磷铁水的脱磷问题。当时，对西欧的一些国家特别适用，因为西欧的矿石普遍磷含量高。但托马斯法的缺点是炉子寿命底，钢水中氮的含量高。 炼钢方法（5） 1899年出现了完全依靠废钢为原料的电弧炉炼钢法(EAF)，解决了充分利用废钢炼钢的问题，此炼钢法自问世以来，一直在不断发展，是当前主要的炼钢法之一，由电炉冶炼的钢目前占世界总的钢的产量的30-40%。 炼钢方法（6） 瑞典人罗伯特杜勒首先进行了氧气顶吹转炉炼钢的试验，并获得了成功。1952年奥地利的林茨城(Linz)和多纳维兹城(Donawitz)先后建成了30吨的氧气顶吹转炉车间并投入生产，所以此法也称为LD法。美国称为BOF法（Basic Oxygen Furnace）或BOP法，如图1所示。 图1 BOF法 炼钢方法（7） 1965年加拿大液化气公司研制成双层管氧气喷嘴，1967年西德马克西米利安钢铁公司引进此技术并成功开发了底吹氧转炉炼钢法，即OBM法(Oxygen Bottom Maxhuette) 。1971年美国钢铁公司引进OBM法，1972年建设了3座200吨底吹转炉，命名为Q-BOP (Quiet BOP) ，如图2所示。 图2 Q-BOP法 炼钢方法（8） 在顶吹氧气转炉炼钢发展的同时，1978-1979年成功开发了转炉顶底复合吹炼工艺，即从转炉上方供给氧气（顶吹氧），从转炉底部供给惰性气体或氧气，它不仅提高钢的质量，而且降低了炼钢消耗和吨钢成本，更适合供给连铸优质钢水，如图3所示。 图3 转炉顶底复合吹炼法 炼钢方法（9） 我国首先在1972-1973年在沈阳第一炼钢厂成功开发了全氧侧吹转炉炼钢工艺。并在唐钢等企业推广应用，如图4所示。 图4 全氧侧吹转炉炼钢法 总之，炼钢技术经过200多年的发展，技术水平、自动化程度得到了很大的提高，21世纪炼钢技术会面临更大的挑战，相信会有不断的新技术涌现。 二、我国钢铁工业的状况 我国很早就掌握了炼铁的冶炼技术，东汉时就出现了冶炼和锻造技术，南北朝时期就掌握了灌钢法，曾在世界范围内处于领先地位。但旧中国钢铁工业非常落后，产量很低，从1890年建设的汉阳钢铁厂至1948年的半个世纪中，钢产量累计到200万吨，1949年只有15.8万吨。 新中国成立后，特别是改革开放以来，我国的钢铁事业得到迅速发展，1980年钢产量达到3712万吨，1990年达到6500万吨，1996年首次突破1亿吨大关，成为世界第一产钢大国，2005年产量达到3.4亿吨，占世界产量的1/3。 可以这样讲，我国的钢铁工业对世界产生了重要影响，我国不仅是产钢大国，而且已经开始迈入钢铁强国的行列，如图5所示。 图5 我国粗钢产量的变化情况 第二节 炼钢的任务及钢的分类 一、炼钢的任务 炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱氧，去除有害气体和非金属夹杂物，提高温度和调整成分。归纳为：“四脱”（碳、氧、磷和硫），“二去”（去气和去夹杂），“二调整”（成分和温度）。采用的主要技术手段为：供氧，造渣，升温，加脱氧剂和合金化操作。 （一）钢中的磷 对于绝大多数钢种来说磷是有害元素。钢中磷的含量高会引起钢的 “冷脆”，即从高温降到0℃以下，钢的塑性和冲击韧性降低，并使钢的焊接性能与冷弯性能变差。 磷是降低钢的表面张力的元素，随着磷含量的增加，钢液的表面张力降低显著，从而降低了钢的抗裂性能。 磷是仅次于硫在钢的连铸坯中偏析度高的元素，而且在铁固熔体中扩散速率很小，因而磷的偏析很难消除，从而严重影响钢的性能，所以脱磷是炼钢过程的重要任务之一。磷在钢中是以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在，但通常是以[P]来表达。炼钢过程的脱磷反应是在金属液与熔渣界面进行的。 不同用途的钢对磷的含量有严格要求： 非合金钢中普通质量级钢 [P]≤0.045%； 优质级钢 [P]≤0.035%； 特殊质量级钢 [P]≤0.025%； 有的甚至要求 [P]≤0.010%。 但对于某些钢种，如炮弹钢，耐腐蚀钢则需添加一定的P元素。 （二）钢中的硫 硫对钢的性能会造成不良影响，钢中硫含量高，会使钢的热加工性能变坏，即造成钢的“热脆”性。 硫在钢中以FeS的形式存在，FeS的熔点为1193℃，Fe与FeS组成的共晶体的熔点只有985℃。液态Fe与FeS虽可以无限互溶，但在固熔体中的溶解度很小，仅为0.015%-0.020%。 当钢中的[S]＞0.020%时，由于凝固偏析，Fe-FeS共晶体分布于晶界处，在1150-1200℃的热加工过程中，晶界处的共晶体熔化，钢受压时造成晶界破裂，即发生“热脆”现象。 如果钢中的氧含量较高，FeS与FeO形成的共晶体熔点更低（940℃），更加剧了钢的“热脆”现象的发生。 锰可在钢凝固范围内生成MnS和少量的FeS，纯MnS的熔点为1610℃，共晶体FeS-MnS（占93.5%）的熔点为1164℃，它们能有效地防止钢热加工过程的“热脆”。 冶炼一般钢种时要求将[Mn]控制在0.4%-0.8%。在实际生产中还将[Mn]/[S]比作为一个指标进行控制，[Mn]/[S]对钢的热塑性影响很大。从低碳钢高温下的拉伸实验发现提高[Mn]/[S]比可以提高钢的热延展性。一般[Mn]/[S]≥7时不产生热脆，如图6所示。 图6 [Mn]/[S]比对低碳钢热延展性的影响 硫还会明显降低钢的焊接性能，引起高温龟裂，并在焊缝中产生气孔和疏松，从而降低焊缝的强度。硫含量超过0.06%时，会显著恶化钢的耐蚀性。硫还是连铸坯中偏析最为严重的元素。 不同钢种对硫含量有严格的规定： 非合金钢中普通质量级钢 [S]≤0.045% 优质级钢 [S]≤0.035%， 特殊质量级钢 [S]≤0.025% 有的钢种要求如管线钢 [S]≤0.005%，甚至更低。 对于某些钢种，如易切削钢，硫则作为合金元素加入，要求[S]=0.08%-0.20%。 （三）钢中的氧 在吹炼过程中，向熔池供入了大量的氧气，到吹炼终点时，钢水中含有过量的氧，即钢中实际氧含量高于平均值。 若不脱氧，在出钢、浇铸中，温度降低，氧溶解度降低，促使碳氧反应，钢液剧烈沸腾，使浇铸困难，得不到正确凝固组织结构的连铸坯。 钢中氧含量高，还会产生皮下气泡，疏松等缺陷，并加剧硫的热脆作用。在钢的凝固过程中，氧将会以氧化物的形式大量析出，会降低钢的塑性，冲击韧性等加工性能。 一般测定的是钢中的全氧，即氧化物中的氧和溶解的氧之和，在使用浓差法定氧时才是测定钢液中溶解的氧，在铸坯或钢材中取样时是全氧样。 脱氧的任务： 根据具体的钢种，将钢中的氧含量降低到所需的水平，以保证钢水在凝固时得到合理的凝固组织结构； 使成品钢中非金属夹杂物含量最少，分布合适，形态适宜，以保证钢的各项性能指标，得到细晶结构组织。 常用的脱氧剂有Fe-Mn，Fe-Si，Mn-Si，Ca-Si等合金。 （四）钢中的气体 钢液中的气体会显著降低钢的性能，而且容易造成钢的许多缺陷。钢中气体主要是指氢与氮，它们可以溶解于液态和固态纯铁和钢中。 氢在固态钢中溶解度很小，在钢水凝固和冷却过程中，氢会和CO、N2等气体一起析出，形成皮下气泡中心缩孔、疏松、造成白点和发纹。 钢热加工过程中，钢中含有氢气的气孔会沿加工方向被拉长形成微裂纹，进而引起钢材的强度、塑性、冲击韧性的降低，即发生“氢脆”现象。 在钢材的纵向断面上，呈现出圆形或椭圆形的银白色斑点称之为“白点”，实为交错的细小裂纹。主要原因是钢中的氢在小孔隙中析出的压力和钢相变时产生的组织应力的综合力超过了钢的强度，产生了“白点”。一般白点产生的温度低于2000℃。 钢中的氮是以氮化物的形式存在，它对钢质量的影响体现出双重性。氮含量高的钢种长时间放置，将会变脆，这一现象称为“老化”或“时效”。原因是钢中氮化物的析出速度很慢，逐渐改变着钢的性能。低碳钢产生的脆性比磷还严重。 钢中氮含量高时，在250-4500℃温度范围，其表面发蓝，钢的强度升高，冲击韧性降低，称之为“蓝脆”。氮含量增加，钢的焊接性能变坏。 钢中加入适量的铝，可生成稳定的AlN，能够压抑Fe4N生成和析出，不仅改善钢的时效性，还可以阻止奥氏体晶粒的长大。氮可以作为合金元素起到细化晶粒的作用。在冶炼铬钢，镍铬系钢或铬锰系等高合金钢时，加入适量的氮，能够改善塑性和高温加工性能。 （五）钢中的夹杂 钢中非金属夹杂按来源分可以分成外来夹杂和内生夹杂。 外来夹杂是指冶炼和浇铸过程中，带入钢液中的炉渣和耐火材料以及钢液被大气氧化所形成的氧化物。内生夹杂包括：脱氧时的脱氧产物；钢液温度下降时，硫、氧、氮等杂质元素溶解度下降而以非金属夹杂形式出现的生成物；凝固过程中因溶解度降低、偏析而发生反应的产物；固态钢相变溶解度变化生成的产物。 钢中大部分内生夹杂是在脱氧和凝固过程中产生的。根据成分不同，夹杂物可分为： 氧化物夹杂，即 FeO、MnO、SiO2、Al2O3、Cr2O3等简单的氧化物； FeO-Fe2O3、FeO-Al2O3、MgO-Al2O3等尖晶石类和各种钙铝的复杂氧化物； 2FeO-SiO2、2MnO-SiO2、3MnO-Al2O3-2SiO2等硅酸盐； 硫化物夹杂，如FeS、MnS、CaS等； 氮化物夹杂，如AlN、TiN、ZrN、VN、BN等。 按加工性能，夹杂物可分为：塑性夹杂，它是在热加工时，沿加工方向延伸成条带状；脆性夹杂，它是完全不具有塑性的夹杂物，如尖晶石类型夹杂物，熔点高的氮化物；点状不变性夹杂，如SiO2超过70%的硅酸盐，CaS、钙的铝硅酸盐等。 由于非金属夹杂对钢的性能产生严重的影响，因此在炼钢、精炼和连铸过程应最大限度地降低钢液中夹杂物的含量，控制其形状、尺寸。 （六）钢中的合金成分 碳（C） 炼钢的重要任务之一就是要把熔池中的碳氧化脱除至所炼钢钟的要求。从钢的性质可看出碳也是重要的合金元素，它可以增加钢的强度和硬度，但对韧性产生不利影响。 钢中的碳决定了冶炼、轧制和热处理的温度制度。 碳能显著改变钢的液态和凝固性质，在1600℃，[C]≤0.8%时，每增0.1%的碳 ◆钢的熔点降低6.50℃ ◆密度减少4kg/m3 ◆黏度降低0.7% ◆[N]的溶解度降低0.001% ◆[H]的溶解度降低0.4 cm3/100g ◆增大凝固区间17.79℃ 。 锰(Mn) 锰的作用是消除钢中硫的热脆倾向，改变硫化物的形态和分布以提高钢质； 锰是一种非常弱的脱氧剂，在碳含量非常低、氧含量很高时，可以显示出脱氧作用，协助脱氧，提高他们的脱氧能力； 锰还可以略微提高钢的强度，并可提高钢的淬透性能，稳定并扩大奥氏体区，常作为合金元素生成奥氏体不锈钢、耐热钢等。 硅 (Si) 硅是钢中最基本的脱氧剂。普通钢中含硅在0.17%-0.37%，1450℃钢凝固时，能保证钢中与其平衡的氧小于与碳平衡的量，抑制凝固过程中CO气泡的产生。 生产沸腾钢时，[Si]为0.03%-0.07%，[Mn]为0.25%-0.70%，它只能微弱控制C-O反应。 硅能提高钢的机械性能，增加了钢的电阻和导磁性。 硅对钢液的性质影响较大，1600℃纯铁中每增加1%的硅： ◆碳的饱和溶解度降低0.294% ◆铁的熔点降低8℃ ◆密度降低80kg/m3 ◆[N]的饱和溶解度降低0.003% ◆[H]降低1.4cm3/100g ◆钢的凝固区间增加10℃，钢液的收缩率提高2.05%。 铝(Al) 铝是终脱氧剂，生产镇静钢时，[Al]多在0.005%-0.05%，通常为0.01%-0.03%。钢中铝的加入量因氧量而异，对高碳钢应少加些，而低碳钢则应多加，加入量一般为:0.3-1.0kg/t钢。 铝加到钢中将与氧发生反应生成Al2O3，在出钢、镇静和浇铸时生成的Al2O3大部分上浮排除，在凝固过程中大量细小分散的Al2O3还能促进形成细晶粒钢。铝是调整钢的晶粒度的有效元素，它能使钢的晶粒开始长大并保持到较高的温度。 二、钢的分类 按化学成分分类：按是否加入合金元素可钢分为把碳素钢和合金钢两大类。 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%)。 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乳铬、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。 根据钢中合金元素含量的多少，又可分为低合金钢，中合金钢和高合金钢。一般合金元素总含量小于3%的为普通低合金钢，总含量为3%～5%的为低合金钢，大于10%的叫高合金钢，总含量介于5%～10%之间为中合金钢。 按钢中所含有的主要合金元素不同可分为锰钢、硅钢、硼钢、铬镍钨钢、铬锰硅钢等。 按冶炼方法和质量水平分类： 按炼钢炉设备不同可分为转炉钢、电炉钢、平炉钢。其中电炉钢包括电弧炉钢、感应炉钢、电渣钢、电子束熔炼及有关的真空熔炼钢等。 按脱氧程度不同可分为沸腾钢（不经脱氧或微弱脱氧）、镇静钢（脱氧充分）和半镇静钢（脱氧不完全，介于镇静钢和沸腾钢之间）。 按质量水平不同可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。 按用途分类，分为三大类：结构钢，工具钢，特殊性能钢。 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。合金结构钢根据化学成分（主要指含碳量）热处理工艺和用途的不同，又可分为渗碳钢、调质钢和氮化钢。 渗碳钢指用低碳结构钢制成零部件，经表面化学处理，淬火并低温回火后，使零件表面硬度高而心部韧性好，既耐磨又能承受高的交变负荷或冲击负荷。 调质钢的含碳量大于0.25%，所制成的零件经淬火和高温回火调质处理后，可得到适当的高强度与良好的韧性。 氮化钢一般是指以中碳合金结构钢制成零件，先经过调质或表面火焰淬火、高频淬火处理，获得所需要的力学性能，最后再进行氮化处理，以进一步改善钢的表面耐磨性能。 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2.30%，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。 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。 根据化学成分不同，可分为马氏体不锈钢(13%Cr钢为代表)，铁素体不锈钢(18%Cr钢为代表)，奥氏体不锈钢(18%Cr-8%Ni钢代表)和双相不锈钢。 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。 思考题： 1、炼钢的基本任务是什么，通过哪些手段实现？ 2、磷和硫对钢产生哪些危害？ 3、实际生产中为什么要将[Mn]/[S]比作为一个指标进行控制？ 4、氢和氮对钢产生哪些危害？ 5、外来夹杂和内生夹杂的含义是什么？ 基本要求：了解转炉的吹炼过程；掌握氧气射流对熔池的物理化学作用；掌握顶吹转炉的各项操作制度；掌握复吹转炉的冶金特点；了解转炉自动控制。 重点与难点：顶吹转炉的各项操作制度；复吹转炉的冶金特点。 第一节 炼钢用原材料 原材料是炼钢的基础，原材料的质量和供应条件对炼钢生产的各项技术经济指标产生重要影响。 对炼钢原料的基本要求：既要保证原料具有一定的质量和相对稳定的成分，又要因地制宜充分利用本地区的原料资源，不宜苛求。炼钢原料分为金属料，非金属料和气体。 ● 金属料：铁水、废钢、合金钢 ● 非金属料：造渣剂（石灰、萤石、铁矿石）、冷却剂（废钢、铁矿石、氧化铁、烧结矿、球团矿）、增碳剂和燃料（焦炭、石墨籽、煤块、重油） ● 氧化剂：氧气、铁矿石、氧化铁皮 入炉原料结构是炼钢进程及各项指标结构产生重要影响： ◆钢铁料结构，即铁水和废钢及废钢种类的合理分配； ◆造渣料结构，即石灰、白云石、萤石、铁矿石等的配比制度； ◆充分发挥各种炼钢原料的功能使用效果，即钢铁料和选渣料的合理利用。 一、金属料 （一）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，如图1所示。 对铁水要求有： （1）成分；（2）带渣量；（3）温度。 1）硅（Si） 是重要的发热元素，铁水中含Si量高，炉内的化学热增加，铁水中Si量增加0.10%，废钢的加入量可提高1.3%-1.5%。 铁水含Si量高，渣量增加，有利于脱磷、脱硫。 硅含量过高会使渣料和消耗增加，易引起喷溅，金属收得率降低，同时渣中过量的SiO2，也会加剧对炉衬的侵蚀，影响石灰渣化速度，延长吹炼时间。通常铁水中的硅含量为0.30%-0.60%为宜。 2）锰（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。 转炉用铁水对锰与硅比值要求为0.8-1.0，目前使用较多的为低锰铁水，锰的含量为0.20%-0.80%。 3）磷（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%。 4）硫（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%。 对铁水带渣量的要求： 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%。 对铁水温度的要求： 铁水温度是铁水含物理量多少的标志，铁水物理热得占转炉热收入的50%。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。我国炼钢规定入炉铁水温度应大于1250℃，并且要相对稳定。 转炉和电炉炼钢均使用废钢，如图2所示。氧气顶吹转炉用废钢量一般是总装入量的10%-30%。废钢分为一般废钢、轧辊、次废铁、车等。 （二）转炉炼钢对废钢的要求： 1)废钢的外形尺寸和块度应保证能从炉口顺利加入转炉。废钢的长度应小于转炉口直径的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。 2）废钢中不得混有铁合金，严禁混入铜、锌、铅、锡等有色金属和橡胶，不得混有封闭器皿、爆炸物和易燃易爆品以及有毒物品。废钢的硫、磷含量均不大于0.050%。 3）废钢应清洁干燥不得混有泥沙，水泥，耐火材料，油物等。 4）不同性质的废钢分类存放。 非合金钢、低合金钢废钢可混放在一起，不得混有合金废钢和生铁。合金废钢要单独存放，以免造成冶炼困难，产生熔炼废品或造成贵重合金元素的浪费。 （三）转炉炼钢对铁合金的要求： 1）生铁 主要在电炉炼钢中使用，其主要目的在于提高炉料或钢中的碳含量，并解决废钢或重料来源不足的困难。由于生铁中含碳及杂质较高，因此电炉钢炉料中生铁配比通常为10%-25%，最高不超过30%。 电炉炼钢对生铁的质量要求较高，一般S、P含量要低，Mn不能高于2.5%，Si不能高于1.2%。 2）海绵铁 海绵铁是用氢气或其他还原性气体还原精铁矿而得。一般是将铁矿石装入反应器中，通入氢气或CO气体或使用固体还原剂，在低于铁矿石软化点以下的温度范围内反应，不生成铁水，也没有熔渣，仅把氧化铁中的氧脱掉，从而获得多孔性的金属铁即海绵铁。 海绵铁中金属铁含量较高，S、P含量较低，杂质较少。电炉炼钢直接采用海绵铁代替废钢铁料，不仅可以解决钢铁料供应不足的困难，而且可以大大缩短冶炼时间，提高电炉钢的生产率。此外，以海绵铁为炉料还可以减少钢中的非金属夹杂物及氮含量。由于海绵铁具有较强的吸水能力，因此使用前须保持干燥或以红热状态入炉。 3）铁合金 常用的铁合金种类： ◆ 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 ◆纯金属：Mn、Ti（海绵Ti）、Ni、Al。 1）对块要求 加入钢包中的尺寸为5-50mm，加入炉中的尺寸为30-200mm。往电炉中加Al时常将其化成铝饼，用铁杆穿入插入钢液。 2）烘烤温度 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。 二、非金属料 （一）造渣剂 1）石灰 碱性炼钢方法的造渣料，主要成分为CaO，由石灰石煅烧而成，是脱P、脱S不可缺少的材料，用量比较大。 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，生过烧率低，活性高，块度适中，此外，石灰还应保持清洁、干燥和新鲜。 对石灰的具体要求： 对转炉石灰块度为20-50mm，电炉为20-60mm 石灰的活度也称水活度是石灰反应能力的标志，也是衡量石灰质量的重要参数。常用盐酸滴定法来测量水活性，当盐酸消耗大于300ml时才属优质活性石灰。通常把在1050-1150℃温度下焙烧的石灰，具有高反应能力的体积密度小，气孔率高，比表面积大，晶粒细小的优质石灰叫活性石灰，也称软性石灰。 活性石灰的水活性度大于310ml，体积密度1.7-2.0g/㎝3，气孔率高达40%，比表面积为0.5-1.3cm2/g。活性石灰能减少石灰、萤石消耗量和转炉渣量，有利于提高脱S，脱P效果，减少转炉热损失和对炉衬的侵蚀。 2）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2CaOSiO2外壳的熔点显著降低，生成低熔点3CaOCaF22SiO2（熔点1362℃），加速石灰溶解，迅速改善炉渣动性。 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。近年来，萤石供应不足，各钢厂从环保角度考虑，使用多种萤石代用品，如铁锰矿石，氧化铁皮，转炉烟尘，铁矾土等。 3）白云石 白云石的主要成分CaCO3MgCO3。经焙烧可成为轻烧白云石，其主要成分为CaOMgO。转炉采用生白云石或轻烧白云石代替部分石灰造渣。可减轻炉渣对炉衬的侵蚀，提高炉衬寿命具有明显效果。 溅渣护炉操作时，通过加入适量的生白云石或轻烧白云石保持渣中的MgO含量达到饱和或过饱和，使终渣能够做黏，出钢后达到溅渣的要求。对生白云石的要求: 4）火砖块 火砖块是浇铸系统的废弃品，它的作用是改善熔渣的流动性，特别是对含MgO高的熔渣，稀释作用优于萤石。火砖块中含有约30%的Al2O3，易使熔渣起泡并具有良好的透气性。但火砖块中还含有55%—70%的SiO2，能大大降低熔渣的碱度及氧化能力，对脱磷、脱硫极为不利。 因此，在电炉炼钢的氧化期应绝对禁用。在还原期要适量少用，只用在冶炼不锈钢或高硫钢时才稍用多一些。 5）合成造渣剂 合成造渣剂是用石灰加入适量的氧化铁皮、萤石、氧化锰或其他氧化物等熔剂，在低温下预制成型。合成渣剂熔点低、碱度高、成分均匀、粒度小，且在高温下易碎裂，成渣速度快，因而改善了冶金效果，减轻了转炉造渣负荷。 高碱度烧结矿或球团矿也可做合成造渣剂使用，其化学成分和物理性能稳定，造渣效果良好。 三、增碳剂 在冶炼过程中，由于配料或装料不当以及脱碳过量等原因，有时造成钢中碳含量没有达到预期的要求，这时要向钢液中增碳。常用的增碳剂有增碳生铁、电极粉、石油焦粉、木炭粉和焦炭粉。 转炉冶炼中，高碳钢种时，使用含杂质很少的石油焦作为增碳剂。对顶吹转炉炼钢用增碳剂的要求是固定碳要高，灰分，挥发分和硫，磷，氮等杂质含量要低，且干燥，干净，粒度适中。其固定碳C≥96%，挥发分≤1.0%，S≤0.5%，水分≤0.5%，粒度在1-5mm。 四、氧化剂 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，Fe2O3不稳定，在转炉中较少使用。铁矿石作为氧化剂使用要求高（全铁>56%），杂质量少，块度合适。 氧化铁亦称铁磷，是钢坯加热，轧制和连铸过程中产生的氧化壳层，铁量约占70%-75%。氧化铁皮还有助于化渣和冷却作用，使用时应加热烘烤，保持干燥。 思 考 题 1、转炉和电炉炼钢用的原材料各有哪些？ 2、转炉炼钢对铁水成分和温度有何要求？ 3、什么是活性石灰，它有哪些特点？ 4、萤石在炼钢中起什么作用？ 5、什么是合成造渣剂？它有何作用？ 第二节 氧气转炉炼钢 ◆按炉衬耐火材料性质—碱性转炉和酸性转炉; ◆按供入氧化性气体种类—空气和氧气转炉; ◆按供气部位—顶吹、底吹、侧吹及复合吹转炉; ◆按热量来源—自供热和外加热燃料转炉。 自贝塞麦发明酸性空气底吹转炉炼钢法起，开始了转炉大量生产钢水的历史，如图3所示。上世纪50年代用氧气代替空气炼钢是炼钢史上的一次重大变革，70年代出现的氧气底吹转炉和顶吹复合转炉，是氧气转炉在发展和完善通路上取得的丰硕成果，如图4所示。 图3 自供热转炉的发展演变过程 图4 由传统供热向外加燃料联合供热转炉的发展演变过程 一、吹炼过程元素氧化规律 （一）炉钢吹炼过程和元素的氧化规律 1）冶炼过程概述 从装料到出钢，倒渣，转炉一炉钢的冶炼过程包括装料、吹炼、脱氧出钢、溅渣护炉和倒渣几个阶段，如图5所示。一炉钢的吹氧时间通常为12-18min，冶炼周期为30min左右。 图5 吹炼一炉钢过程中金属、炉渣成分的变化 上炉钢出完钢后，倒净炉渣，堵出钢口，兑铁水和加废钢，降枪供氧，开始吹炼。在送氧开吹的同时，加入第一批渣料，加入量相当于全炉总渣量的三分之二，开吹4-6分钟后，第一批渣料化好，再加入第二批渣料。如果炉内化渣不好，则许加入第三批萤石渣料。吹炼过程中的供氧强度： 小型转炉为2.5-4.5m3/(tmin)；120t以上的转炉一般为2.8-3.6m3/(tmin)。 ◆开吹时氧枪枪位采用高枪位，目前是为了早化渣，多去磷，保护炉衬； ◆在吹炼过程中适当降低枪位的保证炉渣不“返干”，不喷溅，快速脱碳与脱硫，熔池均匀升温为原则； ◆在吹炼末期要降枪，主要目的是熔池钢水成分和温度均匀，加强熔池搅拌，稳定火焰，便于判断终点，同时使降低渣中Fe含量，减少铁损，达到溅渣的要求。 ◆当吹炼到所炼钢种要求的终点碳范围时，即停吹，倒炉取样，测定钢水温度，取样快速分析[C]、[S]、[P]的含量，当温度和成分符合要求时，就出钢。 ◆当钢水流出总量的四分之一时，向钢包中的脱氧合金化剂，进行脱氧，合金化，由此一炉钢冶炼完毕。 （1）硅