转炉炼钢工艺(复吹技术)ppt课件.ppt

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1、氧气转炉炼钢技术氧气转炉炼钢技术龚龚 伟伟东北大学钢铁冶金研究所东北大学钢铁冶金研究所2006年年9月月氧气转炉炼钢氧气转炉炼钢 炼钢的基本任务炼钢的基本任务一、钢与生铁的区别一、钢与生铁的区别 C 2.11%C 1.2%C 1.2%的钢很少的钢很少 实用；实用； 还含还含SiSi、MnMn等合金等合金 元素及杂质。元素及杂质。1) 1) 脱碳；脱碳；2) 2) 脱磷；脱磷；3) 3) 脱硫。脱硫。炼钢任务：炼钢任务：伴随脱碳反应，伴随脱碳反应， 钢的熔点提高。钢的熔点提高。炼钢任务：炼钢任务：4)4)升温升温 1200 1200 1700 1700伴随脱碳反应，钢液伴随脱碳反应，钢液OO含量

2、增加。含量增加。C(石墨石墨)+1/2O2=CO G 11620483.62T1C(石墨石墨)=C G 2131841.8T21/2O2=O G 1170402.88T2 C+O=CO G 2048238.94T1Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 19630 00.10.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60 00.2

3、0.20.40.40.60.60.80.81 1C，w t%C，w t%O，w t%O，w t%16501650炼钢任务：炼钢任务：5)5)脱氧脱氧 0.3% 0.3% 0.0003% 0.0003%炼钢任务：炼钢任务：6) 6) 合金化合金化伴随脱碳反应，钢液伴随脱碳反应，钢液Si和部分和部分Mn被氧化被氧化 。C C： 控制钢材强度、硬度的重要元素，每控制钢材强度、硬度的重要元素，每1 1CC 可增加抗拉强度约可增加抗拉强度约980MPa980MPa。SiSi：也是增大强度、硬度的元素，每：也是增大强度、硬度的元素，每1 1SiSi可增可增 加抗拉强度约加抗拉强度约98MPa98MPa。M

4、nMn：增加淬透性，提高韧性，降低：增加淬透性，提高韧性，降低S S的危害等。的危害等。AlAl：细化钢材组织，控制冷轧钢板退火织构。：细化钢材组织，控制冷轧钢板退火织构。NbNb：细化钢材组织，增加强度、韧性等。：细化钢材组织，增加强度、韧性等。V V： 细化钢材组织，增加强度、韧性等。细化钢材组织，增加强度、韧性等。CrCr：增加强度、硬度、耐腐蚀性能。：增加强度、硬度、耐腐蚀性能。炼钢任务：炼钢任务：7)7)去除去除NN、HH等气体杂质元素等气体杂质元素陈家祥，炼钢常用图表数据手册，冶金工业出版社，1984炼钢任务：炼钢任务：8)8)去除非金属夹杂物去除非金属夹杂物 氧化物系非氧化物系非

5、金属夹杂物金属夹杂物脱氧产物脱氧产物二次氧化二次氧化生成物生成物外来性夹外来性夹杂物杂物渣卷入渣卷入耐火材料融损及耐火材料融损及卷入卷入炉渣造成的氧化炉渣造成的氧化空气造成的氧化空气造成的氧化炉衬造成的氧化炉衬造成的氧化钢水包衬钢水包衬中间包衬中间包衬炉渣炉渣中间包覆盖渣中间包覆盖渣结晶器保护渣结晶器保护渣钢中非金属夹杂物来源钢中非金属夹杂物来源 炼钢任务：炼钢任务：9)9)凝固成型凝固成型 炼钢的基本任务：炼钢的基本任务：1 1、脱碳；、脱碳；2 2、脱磷；、脱磷；3 3、脱硫；、脱硫；4 4、脱氧；、脱氧；5 5、脱氮、氢等；、脱氮、氢等；6 6、去除非金属夹杂物；、去除非金属夹杂物； 7

6、 7、合金化；、合金化；8 8、升温；升温；9 9、凝固成型、凝固成型 。炼钢的基本反应炼钢的基本反应第一节、铁的氧化和熔池传氧方式第一节、铁的氧化和熔池传氧方式 1 1、氧流对金属熔池的作用、氧流对金属熔池的作用 顶吹氧枪顶吹氧枪O O2 2出口速度通常出口速度通常 可达可达300300350m/s350m/s；氧流与熔池作用，将动量氧流与熔池作用，将动量 传递给金属液；传递给金属液；金属熔池产生循环运动。金属熔池产生循环运动。作用区温度作用区温度2200 2700；光亮较强的中心光亮较强的中心 (区域区域I)；光亮较弱的外围光亮较弱的外围 (区域区域II)。氧流穿入熔池某一深度并构成火焰状

7、作用区氧流穿入熔池某一深度并构成火焰状作用区 ( (火点区火点区) ) 氧气炼钢中还存在乳化和泡沫现象氧气炼钢中还存在乳化和泡沫现象 在氧流强冲击和熔池沸腾在氧流强冲击和熔池沸腾 作用下，部分金属微小液作用下，部分金属微小液 滴弥散在熔渣中；滴弥散在熔渣中；乳化的程度与熔渣粘度、乳化的程度与熔渣粘度、 表面张力等性质有关；表面张力等性质有关；乳化可以极大地增加渣乳化可以极大地增加渣 铁间接触面积，因而可以铁间接触面积，因而可以 加快渣铁间反应。加快渣铁间反应。乳化造成的渣铁间接触面积可乳化造成的渣铁间接触面积可达达0.60.61.5 m1.5 m2 2/kg/kg。熔池在氧流作用下形成的强烈运

8、动和高度弥散的气熔池在氧流作用下形成的强烈运动和高度弥散的气体熔渣金属乳化相，是吹氧炼钢的特点。体熔渣金属乳化相，是吹氧炼钢的特点。1 1氧枪氧枪2 2乳化相乳化相3 3COCO气泡气泡4 4金属熔池金属熔池5 5火点火点6 6金属液滴金属液滴7 7作用区释放出的作用区释放出的 COCO气泡气泡8 8溅出的金属液滴溅出的金属液滴9 9烟尘烟尘2 2、铁的氧化和还原、铁的氧化和还原 向熔池吹氧时向熔池吹氧时 第二步，吸附的氧溶解于铁液中：第二步，吸附的氧溶解于铁液中：tFeOFetO第一步，气体氧分子分解并吸附在铁的表面：第一步，气体氧分子分解并吸附在铁的表面：1/2O2O吸附吸附由于氧势高，由

9、于氧势高，FeFe与与OO反应，生成铁氧化物。反应，生成铁氧化物。O吸附吸附O炼钢条件下铁氧化物稳定性比较炼钢条件下铁氧化物稳定性比较 FeOFeO G 11244246.56 T 1,22/3Fe+O=1/3Fe2O3 G 15298887.94 T 1,23/4Fe+O=Fe3O4 G 17723292.96 T 1,2Fe3O4可以看作可以看作 为为FeO Fe2O3；FeO最稳定；最稳定；Fe2O3/FeO平均平均 为为0.8。炉渣的氧化作用炉渣的氧化作用 炉渣中炉渣中FeOFeO与氧与氧 化性气氛接触，化性气氛接触， 被氧化成高价氧被氧化成高价氧 化物化物FeFe2 2O O3 3；

10、渣铁界面，高渣铁界面，高 价价FeFe2 2O O3 3被还原被还原 成低价成低价FeOFeO；气相中的氧因此气相中的氧因此 被传递给金属熔被传递给金属熔 池。池。当传氧过程达到平衡时，铁液中当传氧过程达到平衡时，铁液中OO达到饱和，达到饱和，OO饱和含量由炉渣的氧化性所确定。饱和含量由炉渣的氧化性所确定。2.431T5870OalogFeOFeOFeO G 11244246.56 T 1,216501650下钢液中最高下钢液中最高OO含量含量 0.62132.431T5870log%O饱和aFeO1，0.239%O饱和温度温度 1500 1550 1600 1700%O饱和饱和 0.13%

11、0.16% 0.20% 0.29%2.431T5870OalogFeO杂质的氧化方式杂质的氧化方式 直接氧化和间接氧化直接氧化和间接氧化 间接氧化：间接氧化：气体氧直接同铁液中的杂质进行反应。气体氧直接同铁液中的杂质进行反应。直接氧化：直接氧化：气体氧优先同铁发生反应，待生成气体氧优先同铁发生反应，待生成FeFet tO O以后以后再同其它杂质进行反应。再同其它杂质进行反应。直接氧化在氧流金属表面处进行：直接氧化在氧流金属表面处进行：氧流同熔池作用区的表面；氧流同熔池作用区的表面；悬浮于作用区的金属液滴的表面；悬浮于作用区的金属液滴的表面；作用区周围的氧气泡的表面上；作用区周围的氧气泡的表面上

12、；凡是氧气能直接同金属液接触的表面。凡是氧气能直接同金属液接触的表面。O2 2Fe 2(FeO)O2 2Mn 2(MnO)O2 Si (SiO2)5O2 4P 2(P2O5)O2 2C 2COO2 C CO2间接氧化方式间接氧化方式 在氧气泡直接同铁液接触的表面上，在氧气泡直接同铁液接触的表面上， 氧首先同铁结合，然后氧首先同铁结合，然后FeOFeO扩散到熔扩散到熔 池内部并溶于金属液中。池内部并溶于金属液中。(FeO)OFeC C、SiSi、MnMn、P P等同等同OO反应反应 O Mn (MnO)2O Si (SiO2)5O 2P (P2O5)O C CO2O C CO2(FeO) Mn

13、(MnO) (Fe)2 (FeO) Si (SiO2) 2(Fe)5 (FeO) 2P (P2O5) 5(Fe)(FeO) C CO (Fe)2 (FeO) C CO2 2(Fe)也可以表示为：也可以表示为：多数意见认为氧气转炉炼钢以间接氧化为主多数意见认为氧气转炉炼钢以间接氧化为主氧流是集中于作用区附近而不是高度分散在熔氧流是集中于作用区附近而不是高度分散在熔 池中；池中；氧流直接作用区附近温度高，氧流直接作用区附近温度高，SiSi和和MnMn对氧的亲对氧的亲 和力减弱和力减弱从反应动力学角度来看，从反应动力学角度来看， C C向氧气泡表面传质向氧气泡表面传质 的速度比反应速度慢，在氧气同熔

14、池接触的表的速度比反应速度慢，在氧气同熔池接触的表 面上大量存在的是铁原子，所以首先应当同面上大量存在的是铁原子，所以首先应当同FeFe 结合成结合成FeOFeO。脱碳反应脱碳反应 铁液中碳的饱和溶解度：铁液中碳的饱和溶解度：%C1.302.5710-3 (T273)SiSi、P P、S S降低碳的溶解度；降低碳的溶解度；MnMn、V V、CrCr增加碳溶解度；增加碳溶解度；碳增加钢材强度、硬度；碳增加钢材强度、硬度；碳降低钢材焊接、耐腐蚀、碳降低钢材焊接、耐腐蚀、 冷加工性能。冷加工性能。脱碳反应是贯穿于炼钢脱碳反应是贯穿于炼钢过程始终的一个主要反过程始终的一个主要反应。应。反应热升温钢水；

15、反应热升温钢水；影响生产率；影响生产率；影响炉渣氧化性；影响炉渣氧化性；影响钢中影响钢中OO含量。含量。脱碳反应的产物脱碳反应的产物COCO在炼钢过程中也具有多方在炼钢过程中也具有多方面的作用。面的作用。从熔池排出从熔池排出COCO气体产生沸腾现象，使熔池受到激烈地气体产生沸腾现象，使熔池受到激烈地 搅动，起到均匀熔池成分和温度的作用；搅动，起到均匀熔池成分和温度的作用；大量的大量的COCO气体通过渣层是产生泡沫渣和气一渣一金属气体通过渣层是产生泡沫渣和气一渣一金属 三相乳化的重要原因；三相乳化的重要原因；上浮的上浮的COCO气体有利于清除钢中气体和夹杂物；气体有利于清除钢中气体和夹杂物；在氧

16、气转炉中，排出在氧气转炉中，排出COCO气体的不均匀性和由它造成的气体的不均匀性和由它造成的 熔池上涨往往是产生喷溅的主要原因。熔池上涨往往是产生喷溅的主要原因。一、脱碳反应的热力学条件一、脱碳反应的热力学条件 O2 2C 2COO2 C CO2 G 41632841.8 T1,2直接氧化：直接氧化： G 27504483.64 T1,2间接氧化：间接氧化：2O 2C 2CO2O C CO2 G 18224847.56 T1,2 G 4096477.88 T1,2CC的氧化产物绝大的氧化产物绝大 多数是多数是COCO而不是而不是COCO2 2。CC含量高时，含量高时，COCO2 2也是脱碳反应

17、的氧化也是脱碳反应的氧化剂剂: :CCO22CO与与Fe-O-CFe-O-C熔体平衡气相中熔体平衡气相中COCO2 2，PCO+CO21atm温温 度度 %C 1500 1550 1600 1650 1700 0.01 20.1 16.7 13.8 11.5 9.5 0.05 5.6 4.3 3.3 2.7 2.1 0.10 2.8 2.2 1.7 1.3 1.1 0.5 0.44 0.34 0.26 0.21 0.16 1.00 0.16 0.12 0.034 0.07 0.06 CC含量愈高，含量愈高，COCO愈稳定；愈稳定；温度愈高，温度愈高，COCO愈稳定。愈稳定。C O乘积乘积：C+

18、O=CO G 2048238.94T1,2036. 21070loglogTOCPKCO取取PCO1 atm,036. 2107010TOC1Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963温温度度 C O 1 15 50 00 0K K 0 0. .0 00 01 17 78 81 1 1 16 60 00 0K K 0 0. .0 00 01 1

19、9 97 74 4 1 17 70 00 0K K 0 0. .0 00 02 21 16 61 1 1 18 80 00 0K K 0 0. .0 00 02 23 34 42 2 1 19 90 00 0K K 0 0. .0 00 02 25 51 17 7 2 20 00 00 0K K 0 0. .0 00 02 26 68 85 5 0 00.10.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60 00.20.20.40.40.60.60.80.81 1C，w t%C，w t%O，w t%O，w t%16501650实际炼钢过程熔池实际炼钢过程熔池OO高于理论高于理

20、论OO含量含量 实际熔池的实际熔池的OO含量与碳氧化学平衡的含量与碳氧化学平衡的OO含量之含量之差称为过剩氧差称为过剩氧 OO: : OO实际实际 O平衡平衡脱碳速度快，脱碳速度快， OO低；低；熔池搅拌强，熔池搅拌强， OO低；低；底吹、顶底复吹转炉炼钢底吹、顶底复吹转炉炼钢 OO低低。过剩氧过剩氧 OO的大小与脱碳反应动力学有关的大小与脱碳反应动力学有关C+O=CO G 2048238.94T1,2036. 21070loglogTOCPKCO036. 2107010TCOPOC气相压力对脱碳反应的影响气相压力对脱碳反应的影响 脱碳反应的热力学条件脱碳反应的热力学条件1)1)增大增大f f

21、C C有利于脱碳；有利于脱碳；2)2)增加增加OO有利于脱碳；有利于脱碳；3)3)降低气相降低气相P PCOCO有利于脱碳；有利于脱碳；4)4)提高温度有利于脱碳。提高温度有利于脱碳。脱碳反应的热效应脱碳反应的热效应 1/2O2O (1)COCO (2)C+O2CO2 (4) H34830 kJ/kgCC+1/2O2CO (3) H11637 kJ/kgC二、脱碳反应的动力学条件二、脱碳反应的动力学条件 1 1脱碳反应的环节脱碳反应的环节1) 1) 反应物反应物CC和和OO向反应区扩散向反应区扩散; ;2) C2) C和和OO进行化学反应进行化学反应; ;3) 3) 反应界面气泡生成；反应界面

22、气泡生成；4) 4) 反应产物反应产物COCO或或COCO2 2离开反应区域。离开反应区域。碳的氧化反应是一个复杂的多相反应，包括扩散碳的氧化反应是一个复杂的多相反应，包括扩散 、化学反应和气泡生成等几个环节。、化学反应和气泡生成等几个环节。BTRElogk2 2、化学反应是否为脱碳反应的限制性环节？、化学反应是否为脱碳反应的限制性环节？如化学反应表观活化能如化学反应表观活化能 E E 1050kJ/mol1050kJ/mol，则化学，则化学 反应是控制环节；反应是控制环节；如如活化能活化能E E 420kJ/420kJ/molmol， 则过程受扩散控制；则过程受扩散控制；如如活化能活化能E

23、E在在4204201050kJ/mol1050kJ/mol之间时，过程之间时，过程 处于扩散与化学动力学混合控制领域。处于扩散与化学动力学混合控制领域。碳氧化反应的表观活化能波动在碳氧化反应的表观活化能波动在6060150kJ/mol150kJ/mol之之 间，远比上述活化能数值低得多。高温下碳氧化间，远比上述活化能数值低得多。高温下碳氧化反应非常迅速，不是碳氧化反应的控制环节。反应非常迅速，不是碳氧化反应的控制环节。nCkr3 3、反应界面气泡的生成是否为脱碳反应限制性环节？、反应界面气泡的生成是否为脱碳反应限制性环节？在钢液中没有现成的气液相界面时，产生新的在钢液中没有现成的气液相界面时，

24、产生新的界面需要非常大的能量。新生成的气泡越小，界面需要非常大的能量。新生成的气泡越小，需要的能量越大。需要的能量越大。取钢液表面张力取钢液表面张力 m-gm-g为为1.5N1.5N m m-1-1，新生成的，新生成的COCO气泡核心半径为气泡核心半径为1010-6-6m m，则该气泡核心所受的毛，则该气泡核心所受的毛细管压力为：细管压力为：MPa.rPggmCO31051229实际上实际上COCO气泡核心所受到的压力还包括钢液、气泡核心所受到的压力还包括钢液、炉渣和炉气的静压力。炉渣和炉气的静压力。ggmSSmmgCOrhhPP2在钢液内生成一个很小的在钢液内生成一个很小的COCO气泡核心，

25、需要克气泡核心，需要克服数十个大气压的压力，因而实际上不可能生服数十个大气压的压力，因而实际上不可能生成。成。只有在钢液中有已经存在的气液界面时，才能只有在钢液中有已经存在的气液界面时，才能减少生成气泡的压力，使碳氧反应顺利进行。减少生成气泡的压力，使碳氧反应顺利进行。1)1)氧气炼钢过程大量气氧气炼钢过程大量气 泡弥散存在于金属熔泡弥散存在于金属熔 池内，池内，COCO气泡生成很气泡生成很 顺利。顺利。2)2)在炉底和炉壁的耐火在炉底和炉壁的耐火 材料表面上存在的凹材料表面上存在的凹 坑处，能生成坑处，能生成COCO气泡气泡 萌芽。萌芽。在粗糙的耐火材料表面，总是有不少微小的细缝在粗糙的耐火

26、材料表面，总是有不少微小的细缝和凹坑，当缝隙很小时，由于表面张力的作用，和凹坑，当缝隙很小时，由于表面张力的作用，金属不能进入。金属不能进入。在一定的金属液深度下，金属不能在一定的金属液深度下，金属不能进入的最大凹坑半径为：进入的最大凹坑半径为：mmgmhcosr2取：取： m-g1.5N/m， m7000kg/m3，润湿角，润湿角 120 ，hm： 3m 1m 0.1mr： 0.0071 mm 0.214 mm 2.14 mm耐火材料表面凹坑或缝隙处气泡形成过程示意图耐火材料表面凹坑或缝隙处气泡形成过程示意图气泡上浮过程中，随气泡上浮过程中，随着体积的加大，形状着体积的加大，形状变为球冠形。

27、变为球冠形。4 4、反应物、反应物CC和和OO向反应区的扩散是否为脱碳反应向反应区的扩散是否为脱碳反应 限制性环节？限制性环节？CC高高OO低时，低时，OO的扩散为限制性环节；的扩散为限制性环节；CC低低OO高时，高时，CC的扩散为限制性环节。的扩散为限制性环节。CC和和OO的扩散，哪一个是反应的限制性环节？的扩散，哪一个是反应的限制性环节？反应界面反应界面( (气泡表面气泡表面) )处反应物浓度很低；处反应物浓度很低；熔池内部熔池内部CC、OO浓度较气泡表面高得多；浓度较气泡表面高得多；由于存在浓度梯度，由于存在浓度梯度，CC和和OO向反应界面扩散。向反应界面扩散。感应炉吹氧脱碳试验结果感应

28、炉吹氧脱碳试验结果脱碳速度曲线拐点处脱碳速度曲线拐点处CC含量为含量为CC扩散控制的临扩散控制的临界界CC含量。含量。当熔池当熔池CC含量低于含量低于CC临临时，时，r rc c随随CC含量降低而含量降低而显著降低。显著降低。rck %C此时此时OO的扩散速度决定整个脱碳反应的速度。的扩散速度决定整个脱碳反应的速度。当熔池当熔池CC含量高于含量高于CC临临时，时，rck %O k PO2此时此时CC的扩散速度将决的扩散速度将决定整个脱碳反应的速度。定整个脱碳反应的速度。5 5、实际炼钢过程的脱碳速度变化、实际炼钢过程的脱碳速度变化 脱碳过程为三个阶段脱碳过程为三个阶段 1)1)吹炼初期以硅的氧

29、吹炼初期以硅的氧 化为主，脱碳速度化为主，脱碳速度 较小；较小；2)2)吹炼中期，脱碳速吹炼中期，脱碳速 度几乎为定值；度几乎为定值；3)3)吹炼后期，随金属吹炼后期，随金属 中含碳量的减少，中含碳量的减少， 脱碳速度降低。脱碳速度降低。第一阶段：第一阶段：2KdtC%d第三阶段：第三阶段：%3CkdtCd第二阶段：第二阶段：tkdtCd1%吹炼初期熔池温度低，硅和锰首先迅速地氧化，硅吹炼初期熔池温度低，硅和锰首先迅速地氧化，硅的氧化抑制了脱碳反应的进行。的氧化抑制了脱碳反应的进行。2C2O2CO (2) G 4096477.88 T 1,2Si2OSiO2(l) (1) G 59356023

30、0.2 T 1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963(2)(1)，得到：，得到：2CSiO2(l)Si2CO (3) G 552596308.07 T(3)式反应的式反应的 G为：为：2222%log15.1907.308552596SiOCCOSiaCfPSifTTG 取：取：C3.0%， eCC0.14， eCSi0.08, fC

31、2.68 Si0.1%， eSiC0.18， eSiSi0.11, fSi3.56 PCO1， aSiO20.2TG98.3315525962222%log15.1907.308552596SiOCCOSiaCfPSifTTG 2CSiO2(l)Si2CO (3)若若(3)(3)式反应能够自发进行，则式反应能够自发进行，则Temp. 1391 吹炼初期硅优先氧化，当熔池温度升高到吹炼初期硅优先氧化，当熔池温度升高到13901390以以上后，碳才可能激烈氧化。上后，碳才可能激烈氧化。第二阶段是碳激烈氧化的阶段第二阶段是碳激烈氧化的阶段, ,脱碳速度受氧传递速脱碳速度受氧传递速度控制。度控制。 K

32、2=k2FO2F FO2O2：氧气流量，：氧气流量， NmNm3 3/h/h第二阶段向第三阶段过第二阶段向第三阶段过渡的碳含量：渡的碳含量：实验室研究结果为实验室研究结果为 0.10.10.20.2CC；实际生产结果为实际生产结果为0.10.1 0.2%0.2%或或0.20.20.3%0.3% C C，甚至高达，甚至高达1.01.0 1.21.2；受供氧速度、供氧方受供氧速度、供氧方 式、熔池搅拌情况等式、熔池搅拌情况等 影响。影响。0 01 12 23 34 45 50 05 510101515202025253030Time， minTime， minC， C， 第一阶段第一阶段第二阶段第

33、二阶段第三阶段第三阶段%C0.018 t24.3 %C4.790.2 t ln%C0.34 t6.6脱磷反应脱磷反应 对绝大多数钢种，磷是对绝大多数钢种，磷是 有害的杂质。有害的杂质。 冷脆；冷脆； 调质钢的回火脆性；调质钢的回火脆性； 热加工性；热加工性； 焊接性能等。焊接性能等。 某些钢种，例如高某些钢种，例如高NiNi合合金钢、低温液态气体储金钢、低温液态气体储罐、奥氏体不锈钢等，罐、奥氏体不锈钢等，要求尽量降低要求尽量降低PP含量。含量。P对对9Ni钢低温韧性的影响钢低温韧性的影响一、铁水中一、铁水中P的氧化反应的氧化反应 2P5/2O2(P2O5) G 938080258.7 T1,

34、22P5O(P2O5) G 352880273.1 T 1,22P5(FeO)(P2O5)5Fe G 20932740.3 T 1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 19632P5O(P2O5) G 352880273.1 T计算：计算：1650时脱磷反应所需时脱磷反应所需P2O5活度活度1650时钢液最高时钢液最高O为为0.28%，目标，

35、目标P含量为含量为0.01%，255201. 028. 0ln192332. 819231 .273352880OPaG12P2O5103.62a即：炉渣中即：炉渣中P2O5活度必须低于活度必须低于3.6210-12，脱磷，脱磷 反应才能进行。反应才能进行。P P2 2O O5 5的稳定性的稳定性造渣的必要性造渣的必要性 2P5O(P2O5) G 352880273.1 T12P2O5103.62a1650时钢液最高时钢液最高O为为0.28%，目标，目标P含量为含量为0.01%，10P2O5102.43取渣中取渣中NP2O50.015 (相当于相当于3.5%)，12P2O5P2O5103.62

36、N通过造碱性炉渣降低通过造碱性炉渣降低P P2 2O O5 5的活度系数。的活度系数。Turkdogan经验公式经验公式1：SiO2FeOMnOMgOCaOP2O52N12N13N15N22N1.12log23.58T42000降低降低P2O5活度系数的措施：活度系数的措施：提高炉渣碱度提高炉渣碱度CaO/SiO2；提高炉渣提高炉渣MgO、MnO、FeO含量；含量；降低温度。降低温度。1 Journal of Iron and Steel Institute, 1953, Vol.175, p.398炼钢炉渣成分范围：炼钢炉渣成分范围：MnO P2O5 FetO CaO/SiO24555% 1

37、220% 413 24CaO SiO2 MgO Al2O3 26% 15% 1228% 34.5二、脱磷反应的热力学条件二、脱磷反应的热力学条件 脱磷反应的反应式：脱磷反应的反应式：2P5O(P2O5) (1)2P5(FeO)3(CaO)(Ca3P2O8)5Fe (2)2P5(FeO)4(CaO)(Ca4P2O9)5Fe (3) 按照炉渣离子模型按照炉渣离子模型2P5O3(O2-)2(PO43-) (5)2P5(Fe2+)8(O2-)2(PO43-)5Fe (4)脱磷反应平衡的研究脱磷反应平衡的研究 Healy等研究等研究2P5O(P2O5)42.9T96600%O%Palogaaalog52

38、(P2O5)5O2P(P2O5)松下幸雄等研究松下幸雄等研究Fe)2.5log(%(%CaO)0.0816.0T23350P(P)log有利于脱磷的工艺条件有利于脱磷的工艺条件降低温度有利于脱磷反应；降低温度有利于脱磷反应；提高炉渣碱度有利于脱磷反应；提高炉渣碱度有利于脱磷反应；增加炉渣氧化铁活度有利于脱磷反应；增加炉渣氧化铁活度有利于脱磷反应；增加渣量有利于脱磷反应；增加渣量有利于脱磷反应；增加增加P活度系数有利于脱磷反应。活度系数有利于脱磷反应。42.9T96600%O%Palogaaalog52(P2O5)5O2P(P2O5)Fe)2.5log(%(%CaO)0.0816.0T23350

39、P(P)log渣量对脱磷反应的影响渣量对脱磷反应的影响%P%PLP例题：对金属和炉渣做磷的衡算。例题：对金属和炉渣做磷的衡算。%P/100WLWPPT渣铁渣铁WLWP100%PPT回磷：回磷： 00.0050.010.0150.020.02505101520吹炼时间，minSi、P、S，00.511.522.533.5SiPSCMnC、Mn，300吨吨BOF转炉吹炼过程金属成分变化转炉吹炼过程金属成分变化1) 炼钢过程回磷；炼钢过程回磷；2) 脱氧过程回磷。脱氧过程回磷。炼钢过程回磷原因：炼钢过程回磷原因：吹炼中期炉渣返干，吹炼中期炉渣返干， FetO含量减少；含量减少；温度偏高。温度偏高。脱

40、氧过程回磷原因：脱氧过程回磷原因：出钢带渣量多；出钢带渣量多；炉渣碱度降低；炉渣碱度降低；O含量降低。含量降低。3(P2O5)10Al6P5(Al2O3)2(P2O5)5Si4P5(SiO2)2Al3(FeO)(Al2O3)3FeSi2(FeO)(SiO2)2Fe低磷钢生产低磷钢生产1 1、低磷钢生产、低磷钢生产( (铁水预处理、氧气炼钢铁水预处理、氧气炼钢) )；2 2、超低磷钢、超低磷钢(P20ppm)(P20ppm)生产生产( (铁水预处理铁水预处理 二次精炼脱磷二次精炼脱磷) )铁水脱磷预处理铁水脱磷预处理1 1、铁水运送容器中喷粉脱磷；、铁水运送容器中喷粉脱磷；2 2、利用转炉脱磷预

41、处理、利用转炉脱磷预处理(SRP(SRP、LDLDORP)ORP)。脱磷剂：脱磷剂：CaOCaF2Fe2O3 (O2)铁水鱼雷罐中喷粉脱磷铁水鱼雷罐中喷粉脱磷新日铁君津厂脱磷工序流程示意图新日铁君津厂脱磷工序流程示意图 铁水罐中喷粉脱磷铁水罐中喷粉脱磷 NKKNKK福山厂铁水罐喷粉脱磷示意图福山厂铁水罐喷粉脱磷示意图利用转炉作为容器进行铁水脱磷处理利用转炉作为容器进行铁水脱磷处理新日铁名古屋厂转炉脱磷处理流程图新日铁名古屋厂转炉脱磷处理流程图方法鱼雷罐脱磷铁水罐脱磷转炉脱磷处理前Si 最大： 通常：0.25%0.10.2%0.3%0.10.2%0.8%0.3%碱度2.55341.52处理温度1

42、30013201340终了P0.0150.05%0.010.02%0.010.02% 特点由 于 容 器 结 构 限制，反应效率不高反应性好可以利用转炉设备快速处理、可用废钢、Si灵活各种铁水脱磷方法的比较各种铁水脱磷方法的比较 对于对于P20ppmP20ppm超低磷钢，必须采用二次超低磷钢，必须采用二次精炼脱磷方法精炼脱磷方法NKKNKK福山厂生产福山厂生产9 9NiNi超低磷钢工艺流程图超低磷钢工艺流程图脱硫反应脱硫反应 硫对钢材性能的影响：硫对钢材性能的影响： 热加工性热加工性 ( (红脆红脆);); 降低降低低温韧性；低温韧性； 焊接性能；焊接性能； 抗氢致裂纹性能；抗氢致裂纹性能；

43、各向异性各向异性钢中钢中S含量范围：含量范围：0.00020.040%；铁液中铁液中S能无限溶解；能无限溶解；固态钢中固态钢中S的溶解度降低，绝大多数以硫化的溶解度降低，绝大多数以硫化 物形式存在于钢的奥氏体晶界处。物形式存在于钢的奥氏体晶界处。球状球状MnS夹杂夹杂 网状硫化物夹杂网状硫化物夹杂 一、脱硫反应一、脱硫反应 S(CaO)(CaS)O G 8903618.46 T1,2S(MnO)(MnS)O G 11922233.95 T 1,2S(MgO)(MgS)O G 16752414.9 T 1,2S(O2+)O(S2+)碱性氧化渣与钢液间的脱硫反应碱性氧化渣与钢液间的脱硫反应 S(C

44、aO)(CaS)O G 8903618.46 T1,2离子反应式离子反应式S(O2-)(S2-)OlogK4650/T0.964)(OSO(S(OSO(SS2222a%Sfa(%S)faaaaK)有利于脱硫的因素：有利于脱硫的因素：提高温度；提高温度；提高提高S的活度系数；的活度系数；提高炉渣提高炉渣(O2-)活度；活度；降低炉渣降低炉渣(S2-)活度系数；活度系数；降低降低O活度。活度。S(O2-)(S2-)O)(OSO(S(OSO(SS2222a%Sfa(%S)faaaaK)O)(S)(OSSSafafK%S(%S)L22硫容量硫容量 (Sulfide Capacity)(Sulfide

45、Capacity)S(O2-)(S2-)OO)(S)(OSSSafafK%S(%S)L22)(S)(OSOS22faK%Sa(%S)C硫容量代表炉渣脱硫能力，温度一定时，只与炉渣硫容量代表炉渣脱硫能力，温度一定时，只与炉渣组成有关。组成有关。)(OSO(S(OSO(SS2222a%Sfa(%S)faaaaK)高碱度炉渣有利于脱硫高碱度炉渣有利于脱硫炉渣高的炉渣高的FeO含量不利于脱硫含量不利于脱硫1550气相脱硫气相脱硫(S2-)3/2O2(O2-)SO26(Fe3+)(S2-)2(O2-)6(Fe2+)SO2SOSO G 14659424.40 T1,2S2OSO2 G 385155.72

46、T1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963气相脱硫约占总脱硫量的气相脱硫约占总脱硫量的1010。S(O2-)(S2-)O脱硫反应动力学脱硫反应动力学(%S)k%Skdtd(%S)100FWSmSWS： 炉渣重量，炉渣重量，gF：反应界面积，反应界面积，cm2km： 钢液中硫的传质系数，钢液中硫的传质系数，cm/skS： 炉渣中硫的传质

47、系数，炉渣中硫的传质系数，cm/s(1)dtd%S(100FW%Skdtd(%S)100FWmmS(1)反应刚开始进行时，渣中反应刚开始进行时，渣中(%S)可忽略不计，则可忽略不计，则(%S)k%Skdtd(%S)100FWSmS(2)Wm：钢液重量，：钢液重量，gkm随碱度增加而随碱度增加而增加，增加，ks随碱度增随碱度增加而减少。加而减少。由于脱硫速度受炉由于脱硫速度受炉渣组成的影响，因渣组成的影响，因此认为炉渣中硫的此认为炉渣中硫的传质是脱硫反应的传质是脱硫反应的限制性环节。限制性环节。*(%S)kWF(%S)*(%S)kVFdtd(%S)SSSS(2)dtd%S(100FW%Skdtd

48、(%S)100FWmmS(3)因为，因为，*(%S)kFdtd%SWSSm(3)式写为：式写为：dtd(%S)WWdtd%SmS(4)%SLkFdtd%SWSSSm(4)在反应界面上，脱硫反应达在反应界面上，脱硫反应达到平衡，有到平衡，有*%SL(%S)*S代入代入(4)式，式，*(%S)kFdtd%SWSSm(5)%SLs%SLkFdtd%SWSSSm(5)加快脱硫反应：加快脱硫反应： 增大增大Ls 提高炉渣碱度，减小提高炉渣碱度，减小FetO含量；含量； 增加增加ks 增强混合；增强混合； 增加反应界面积增加反应界面积F。金属的脱硫反应金属的脱硫反应 Mn+S=(MnS) G 131357

49、80.95 T1,2Ca+S=(CaS) G 572980169.4 T1,2Mg+S=(MgS) G 430028181.8 T1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963-500-300-1001003005001200140016001800Tem p.Free Energy Change, K J/ m ol(CaO) + S =

50、( CaS) + OCa + S =( CaS)M g + S =( M gS) M n + S =M nS( l )低硫钢生产技术低硫钢生产技术 低硫钢低硫钢(S100ppm)(S100ppm)，采用铁水预处理，采用铁水预处理 超低硫钢超低硫钢(S50ppm)(S50ppm)，铁水预处理二次精炼脱硫，铁水预处理二次精炼脱硫 铁水脱硫预处理：铁水脱硫预处理：KR法脱硫 喷粉脱硫脱硫剂：脱硫剂：CaCCaC2 2, , CaO CaO、 CaFCaF2 2等等脱硫率：脱硫率：40-8040-80SS可脱除到可脱除到90905050ppmppm。经脱硫处理过的铁水经脱硫处理过的铁水(S90ppm)