炼钢理论【整理】综述

1、1 转炉炼钢的原材料1- 1 转炉炼钢用原材料有哪些，为什么要用精料 ? 炼钢用原材料分为主原料、 辅原料和各种铁合金。 氧气顶吹转炉炼钢用 主原料为铁水和废钢 ( 生铁块 ) 。炼钢用辅原料通常指造渣剂 ( 石灰、萤石、白云 石、合成造渣剂 )、冷却剂 (铁矿石、氧化铁皮、烧结矿、球团矿 ) 、增碳剂以及 氧气、氮气、氩气等。炼钢常用铁合金有锰铁、硅铁、硅锰合金、硅钙合金、金 属铝等。原材料是炼钢的物质基础， 原材料质量的好坏对炼钢工艺和钢的质量有 直接影响。 国内外大量生产实践证明， 采用精料以及原料标准化， 是实现冶炼过 程自动化、改善各项技术经济指标、提高经济效益的重要途径。根据所炼钢

2、种、 操作工艺及装备水平合理地选用和搭配原材料可达到低费用投入， 高质量产出的 目的。转炉入炉原料结构是炼钢工艺制度的基础， 主要包括三方面内容： 一是 钢铁料结构，即铁水和废钢及废钢种类的合理配比；二是造渣料结构，即石灰、 白云石、萤石、 铁矿石等的配比制度； 三是充分发挥各种炼钢原料的功能使用效 果，即钢铁料和造渣料的科学利用。 炉料结构的优化调整， 代表了炼钢生产经营 方向，是最大程度稳定工序质量， 降低各种物料消耗， 增加生产能力的基本保证。1- 2 转炉炼钢对铁水成分和温度有什么要求 ?铁水是炼钢的主要原材料，一般占装入量的 70%100%。铁水的化学 热与物理热是氧气顶吹转炉炼钢的

3、主要热源。 因此，对入炉铁水化学成分和温度 必须有一定的要求。A铁水的化学成分氧气顶吹转炉炼钢要求铁水中各元素的含量适当并稳定， 这样才能保证转炉冶炼 操作稳定并获得良好的技术经济指标。(1) 硅 (Si) 。硅是转炉炼钢过程中发热元素之一。硅含量高，会增加转炉热源，能提高废钢比。有关资料表明，铁水中WSi每增加0.1 %，废钢比可提高约1.3 %。 铁水硅含量高，渣量增加，有利于去除磷、硫。但是硅含量过高将会使渣料和消 耗增加，易引起喷溅，金属的收得率降低。Si含量高使渣中SiO2含量过高，也会加剧对炉衬的冲蚀，并影响石灰渣化速度，延长吹炼时间。通常铁水s Si=0.30 %0.60 %为宜

4、。大中型转炉用铁水硅含量可以偏下限，而 对于热量不富余的小型转炉用铁水硅含量可偏上限。 转炉吹炼高硅铁水可采用双 渣操作。(2) 锰(Mn)。铁水锰含量高对冶炼有利，在吹炼初期形成MnO能加速石灰的溶解，促进初期渣及早形成，改善熔渣流动性，利于脱硫和提高炉衬寿命。铁水锰 含量高 . 终点钢中余锰高，可以减少锰铁加入量，利于提高钢水纯净度等。转炉 用铁水对 sMn/sSi 比值的要求为 0.81.0，目前使用较多的为低锰铁水， sMn=0.20%0.80%o、?(3) 磷(P)。磷是高发热元素，对大多数钢种是要去除的有害元素。因此，要求铁 水磷含量越低越好，一般要求铁水 s p 0.20 %哼铁

5、水中磷含量越低，转炉工艺 操作越简化，并有利于提高各项技术经济指标。铁水磷含量高时，可采用双渣或双渣留渣操作， 现代炼钢采用炉外铁水脱磷处理， 或转炉内预脱磷工艺，以满足低磷纯净钢的生产需要。(4) 硫(S)。除了含硫易切削钢以外，绝大多数钢种硫也是要去除的有害元素。氧气转炉单渣操作的脱硫效率只有30%40%。我国炼钢技术规范要求入炉铁水3 S 85%,3 SiO2 5.0 %, S 0.10 %, P2% ,3 Ca629%， SiO22.0 %，烧减w 47%, 块度为 5 30mm。由于生白云石在炉内分解吸热， 所以用轻烧白云石效果最为理想。 对轻烧白云石 的要求是 3 MgO 35%,

6、 3 Ca6 50%, 3 SiO2 3.0 %,烧减w 10%，块度为 5 40mm。(2) 菱镁矿也是调渣剂，菱镁矿是天然矿物，主要成分是 MgCO,焙烧后用做耐 火材料。对菱镁矿的要求是 3 MgO45%,3 CaO 70%， SiO2、 S、 P 等其他杂质含量均低于 3.0%。粒度应 不大于10mm使用前烘烤干燥，去除油污。1- 15 转炉炼钢用合成造渣剂的作用是什么 ? 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溶剂， 在低温下预制成型。这种合成渣剂的熔点低，碱度高，成分均匀，粒度小，在高 温下易碎裂，成渣速度快，因而减轻了转炉造渣的负担。2 转炉炼钢的一般原

7、理2- 1 什么是超音速氧射流，什么是马赫数，确定马赫数的原则是什么 ?速度大于音速的氧流为超音速氧射流。 超过音速的程度通常用马赫数量 度，即氧流速度与临界条件下音速的比值，用符号Ma代表。显然，马赫数没有单位。马赫数的大小决定喷头氧气出口速度，也决定氧射流对熔池的冲击能 量。马赫数过大则喷溅大，清渣费时，热损失加大，增大渣料消耗及金属损失， 而且转炉内衬易损坏；马赫数过低，会造成搅拌作用减弱，氧气利用系数降低， 渣中TFe含量增加，也会引起喷溅。当 Ma2.0时，随马赫数的增长氧气的出口 速度增加变慢，要求更高理论设计氧压，这样，无疑在技术上不够合理，经济上 也不划算。目前国内推荐 Ma=

8、1.92.1 02- 2 氧气射流与熔池的相互作用的规律是怎样的 ? 超音速氧流其动能与速度的平方成正比， 具有很高的动能0 当氧流与熔池相互作 用时，产生如下效果：(1) 形成冲击区0 氧流对熔池液面有很高的冲击能量， 在金属液面形成一个凹坑， 即具有一定冲击深度和冲击面积的冲击区0(2) 形成三相乳化液0氧流与冲击炉液面相互破碎并乳化，形成气、渣、金属三 相乳化液0(3) 部分氧流形成反射流股02- 3 氧气顶吹转炉的传氧载体有哪些 ? 氧气顶吹转炉内存在着直接传氧与间接传氧两种途径0 直接传氧是氧气被钢液直 接吸收，其反应过程是：Pe+1/2 ON =FeO，FeO=Fe+0;间接传氧是

9、 氧气通过熔渣传人金属液中，其反应式为(FeO)=FeO、FeO=Pe十0。氧气 顶吹转炉传氧以间接传氧为主。氧气顶吹转炉的传氧载体有以下几种0(1) 金属液滴传氧0氧流与金属熔池相互作用，形成许多金属小液滴0被氧化形 成带有富氧薄膜的金属液滴， 大部分又返回熔池成为氧的主要传递者; 熔池中的 金属几乎都经历液滴形式，有的甚至多次经历液滴形式，金属液滴比表面积大， 反应速度很快0(2) 乳化液传氧0氧流与熔池相互作用，形成气渣金属的三相乳化液，极大 地增加了接触界面，加快了传氧过程0(3) 熔渣传氧0熔池表面的金属液被大量氧化，而形成高氧化铁熔渣，这样的熔 渣是传氧的良好载体0(4) 铁矿石传

10、氧。铁矿石的主要成分是 Fe2O3 Fe3O4在炉内分解并吸收热量， 也是熔池氧的传递者0 顶吹转炉的传氧主要靠金属液滴和乳化液进行，所以冶炼速度快，周期短。2- 4 什么是硬吹，什么是软吹 ? 硬吹是指枪位低或氧压高的吹炼模式。 当采用硬吹时， 氧气流股对熔池的冲击力 大，形成的冲击深度较深， 冲击面积相对较小， 因而产生的金属液滴和氧气泡的 数量也多， 气熔渣金属乳化充分， 炉内的化学反应速度快， 特别是脱碳速度 加快，大量的CO气泡排出，熔池搅动强烈，熔渣的 TFe含量较低。软吹是指枪位较高或氧压较低的吹炼模式。 在软吹时， 氧气流股对熔池的冲击力 减小，冲击深度变浅，冲击面积加大，反射

11、流股的数量增多，对于熔池液面搅动 有所增强，脱碳速度缓慢，因而对熔池内部的搅动相应减弱， 熔渣中的TFe含量 有所增加。软吹和硬吹都是相对的。2- 5 转炉内金属液中各元素氧化的顺序是怎样的 ?氧化物分解压越小， 元素越易氧化。 在炼钢温度下， 常见氧化物的分解压排列顺 序如下：P O2 (Fe2O3)P O2 (FeO) P 02 (C02) P 02 (MnO)P 02 (P2O5)PO2 (SiO2)P O2 (Al2O3)P O2 (MgO) P O2 (CaO) 因为转炉内是多相反应， 因此铁水中元素的氧化顺序还与其浓度有关， 所以吹炼 开始元素氧化顺序为Fe、Si、Mn P、C等。

12、2- 6 在碱性操作条件下，为什么吹炼终点钢液中硅含量为痕量 ? 吹炼开始首先是 Fe、 Si 被大量氧化，并放出热量，反应式为：Fe+1/2 O2 =(FeO)( 放热)Si+O2 =(SO2)(放热)Si+2(FeO)=(SiO2)+2Fe( 放热)在以碱性渣操作时，熔渣 R3.0，渣中存在着大量自由状态的(CaO), SiO2是酸 性氧化物，全部与CaO等碱性氧化物形成类似(2CaO?SiO2)的复杂氧化物，渣中 SiO2 呈结合状态。熔渣分子理论认为，只有自由氧化物才有反应能力，因此在 吹炼后期温度升高SiO2也不会被还原，钢中硅含量为“痕量”。 可见在以碱性渣操作条件下，硅的氧化反应

13、非常彻底。2- 7 在碱性操作条件下吹炼终了时，钢液中为什么会有“余锰” (含量)，余 锰(含量)高低受哪些因素影响 ?与硅相似，锰也很容易被氧化，反应式为：Mn+1/2 O2 =(MnO)(放热)Mn十(FeO)=(MnO)+Fe(放热)Mn+O二(MnO)(放热)锰的氧化产物是碱性氧化物，在吹炼前期所形成的 (MnO?SiO2，随着渣中 CaO 含量的增加，会发生(MnO?SiO2)+2(CaO)=(2CaO?SiO2)+(MnO反应，(MnO)呈自由 状态，吹炼后期炉温升高后，(MnO)被还原，即：(MnO)+C=Mn+ CC或(MnO)+Fe=(FeO)十Mn吹炼终了时，钢中的锰含量也

14、称余锰或残锰。余锰高，可以降低钢中硫的危害。但在冶炼工业纯铁时，要求锰含量越低越好， 应采取措施降低终点锰含量。根据化学平衡移动的原理，影响余锰量的因素有：(1) 炉温高利于(MnO)的还原，余锰含量高。 碱度升高，可提高自由(MnO)浓度，余锰量增高。 降低熔渣中(FeO)含量，可提高余锰含量。因此钢中碳含量高、减少补吹、降 低平均枪位、有复吹，余锰含量都会增高。(4) 铁水中锰含量高，单渣操作，钢中余锰也会高些。2- 8 在炼钢过程中碳氧反应的作用是什么 ? 炼钢过程中碳氧反应不仅完成脱碳任务，还有以下作用：(1) 加大钢渣界面，加速物理化学反应的进行。(2) 搅动熔池，均匀成分和温度。(

15、3) 有利于非金属夹杂的上浮和有害气体的排出。(4) 有利于熔渣的形成。(5) 放热升温。(6) 爆发性的碳氧反应会造成喷溅。2- 9 碳和氧反应达到平衡时碳和氧的关系是怎样的，如何表示，转炉熔池内 实际碳氧含量的关系是怎样的 ?转炉中的碳氧反应产物主要是 CO也有少量的CO2转炉内碳氧反应式如下：C+1/2 02 = CQ(放热)C+ (FeO)= CO +Fe(吸热)C+ O = CO(放热)上述第 3 个碳氧反应式的平衡常数：取pC0=1atm弋入后得：温度一定，Kp是定值，若令，则得出：3 C 3 O=m在 1600C 下，Kp 400, 计 0.0025。当达到平衡时， 钢中碳氧浓度

16、的乘积阴为一个常数。 在坐标系中它表现为双曲线 的一支。由于上述碳氧反应是放热反应，随温度升高，Kp值降低，m值升高，曲线向坐标系右上角移动。钢中实际氧含量比碳氧平衡氧含量高， 这是由于在钢中还存在着 Fe+O=(FeO) 反应，与(FeO)平衡的氧含量为3 O渣，(FeO)，平，钢中实际含氧量为 3 O 渣，(FeO)，平3 O实际3 O钢，CO平2- 10 熔池中脱碳速度的变化是怎样的，它与哪些因素有关 ?炼钢碳氧反应主要以C十O= CO方式进行，其正反应速度表达式是v C=k正3 C 3 O，反应速度受C和O两个浓度的影响，但钢液中O浓度随渣中 TFe升高而增加。转炉内碳氧反应在吹炼初期

17、虽然渣中 TFe高，但由于炉温较低， 影响传氧，碳氧反应速度较慢；在吹炼后期由于金属中 3 C 低，碳氧反应速度 也降低；只有吹炼中期能够保证碳氧反应以较快速度进行，最高脱碳速度在(0.4 0.6) %/min。2- 11 影响脱磷的因素有哪些 ?根据平衡移动的原理，从脱磷反应式可以看出，只有提高(FeO)和(CaO)的浓度，降低(4CaO?P2O5浓度，反应才向正反应方向进行，终点P含量才会降低。 因此，高碱度、高氧化铁含量的熔渣，有利于脱磷，这两者缺一不可。增加渣中FeO含量，可加速石灰的渣化和改善熔渣的流动性，有利于脱磷反应。提高碱度可增加(CaO)的有效浓度，有利于提高脱磷效率；但碱度

18、并非越高越好， 加入过多的石灰，渣化不好，影响熔渣的流动性，对脱磷反而不利。脱磷反应是强放热反应， 因而炉温过高， 反应则向逆反应方向进行， 钢中磷含量 不仅不能降低，反而会产生回磷；炉温过低，不利于石灰的渣化，并影响熔渣流 动性，也阻碍脱磷反应的进行。若原料中磷含量高， 最好是采用炉外脱磷处理； 也可采用双渣操作， 或适当的加 大渣量，这样就相对降低了 4(CaO?P2O5浓度，利于反应继续向正反应方向进行， 对脱磷有利。 脱磷是钢渣界面反应， 因此具有良好流动性的熔渣， 进行充分的 熔池搅动，会加速脱磷反应，提高脱磷效率。当前采用溅渣护炉技术，渣中MgO含量较高，要注意调整好熔渣流动性，否

19、则对 脱磷也有影响。总之，脱磷的条件是：高碱度、高氧化铁含量、良好流动性的熔渣；充分的熔池 搅动；适当的温度和大渣量。3顶吹转炉吹炼工艺3- 1装入制度包括哪些内容？装入制度是确定转炉合理的装入量， 合适的铁水废钢比。转炉的装入量是指主原 料即铁水和废钢的装入数量。3- 2什么是转炉的炉容比，影响转炉炉容比的因素有哪些 ？新转炉砌砖完成后的容积称为转炉的工作容积，也称有效容积，以“V表示，公称吨位用“ T”表示，两者之比值“ /T”称之为炉容比，单位为(m3/1)。一 定公称吨位的转炉，都有一个合适的炉容比，即保证炉内有足够的冶炼空间，从 而能获得较好的技术经济指标和劳动条件。 炉容比过大，会

20、增加设备重量、厂房 高度和耐火材料消耗量，因而使整个车间的费用增加，成本提高，对钢的质量也 有不良影响；而炉容比过小，炉内没有足够的反应空间，势必引起喷溅，对炉衬 的冲刷加剧，操作恶化，导致金属消耗增高，炉衬寿命降低，不利于提高生产率。 因此在生产过程中应保持设计时确定的炉容比。影响炉容比的因素有： 铁水比和铁水成分。随着铁水比和铁水中 Si、P、S含量增加，炉容比应相应 增大。若采用铁水预处理工艺时，可以小些。(2) 供氧强度。供氧强度增大时，脱碳速度较快，为了不引起喷溅就要保证有足 够的反应空间，炉容比应增大些。(3) 冷却剂的种类。若使用以铁矿石或氧化铁皮为主的冷却剂，成渣量大，炉容 比

21、也需相应增大些；若使用以废钢为主的冷却剂，成渣量小，则炉容比可适当小 些。炉容比还与氧枪喷嘴的结构有关。转炉的炉容比一般在0.851.0m3/1，为减少喷溅，炉容比应不低于0.90m3/1。3- 3确定装入量的原则是什么？在确定合理的装入量时，除了考虑转炉要有一个合适的炉容比外， 还应保持合适 的熔池深度。以保证炉底不受氧气射流的冲声，熔池深度必须超过氧流对熔池的 最大穿透深度。对于模铸工艺，装入量还应与锭型相配合。装入量减去吹损及浇注必要损失后的 钢水量，应是各种锭型的整数倍，尽量减少注余。对连铸车间，转炉装入量可根据实际情况在一定范围内波动。 此外，确定装入量时，既要考虑发挥现有设备潜力，

22、又要防止片面不顾实际的盲 目超装，以免造成事故和浪费。3- 4生产中应用的装入制度有哪几种类型，各有什么特点？氧气顶吹转炉的装入制度有：定量装入制度、分阶段定量装入制度和定深装入制 度。其中定深装入制度是每炉装入量均使熔池深度保持不变，由于生产组织的制约，实际上难以实现。(1) 定量装入制度。在整个炉役期间，每炉的装入量保持不变。这种装入制度的 优点是：发挥了设备的最大潜力，生产组织、操作稳定，有利于实现过程自动控 制。但炉役前期熔池深、后期熔池变浅，只适合大、中型转炉。国内外大型转炉 已广泛采用定量装入制度。（2）分阶段定量装入制度。在一个炉役期间，按炉膛扩大的程度划分为几个阶段， 每个阶段

23、为定量装入。这样既大体上保持了整个炉役中具有比较合适的炉容比和 熔池深度，又保持了各个阶段中装入量的相对稳定； 既能增加装入量，又便于组 织生产。这是适应性较强的一种装入制度。 我国各中、小型转炉普遍采用这种装 入制度。3- 5供氧制度包括哪些内容，它有什么重要性 ？供氧制度的主要内容包括确定合理的喷头结构、 供氧强度、氧压和枪位控制。氧 气顶吹转炉炼钢的供氧制度是使氧气射流最合理地供给熔池，创造良好的物理化学反应条件。它是控制整个吹炼过程的中心环节，直接影响吹炼效果和钢的质量。 供氧是保证杂质去除速度、熔池升温速度、造渣速度、控制喷溅和去除钢中气体 与夹杂物的关键操作。此外，它还关系终点碳和

24、温度的控制以及炉衬寿命； 对转 炉强化冶炼、扩大钢的品种和提高质量也有重要影响。3- 6什么是拉瓦尔型喷头，它有什么特点？拉瓦尔喷头是收缩一扩张型喷孔， 当出口氧压与进口氧压之比p出巾02.0时随马赫数的增长氧气的出口速度增加变慢，要求更 高理论设计氧压，这样在技术上不够合理，经济上也不合算。目前国内推荐 Ma=1.92.1 。大于 120t 转炉， Ma=2.02.1 。(4) 喷孔夹角和喷孔间距。喷头孔数和夹角之间的关系可参考有关数据选用。 喷孔之间间距过小， 氧气射流之间相互吸引， 射流向中心偏移， 从而影响每股射 流中心速度的衰减。 因此在喷头端面， 喷孔中心同喷头中心轴线之间的距离保

25、持 在（0.81.0）d出（d出为喷孔出口直径）较为合理。3-22 造渣制度包括哪些内容 ?造渣制度是确定合适的造渣方法、 渣料的种类、 渣料的加入数量和时间以及加速 成渣的措施。3-23 什么是单渣操作，它有什么特点？ 单渣操作就是在吹炼过程中只造一次渣， 中途不倒渣、 不扒渣，直到吹炼终点出 钢。入炉铁水 Si 、P、S 含量较低，或者钢种对 P、S 要求不太严格，以及冶炼低碳钢 时，均可以采用单渣操作。采用单渣操作，工艺比较简单，吹炼时间短，劳动条件好，易于实现自动控制。 单渣操作一般脱磷效率在 90左右，脱硫效率约为 30 40。3-24 什么是双渣操作，它有什么特点？ 在吹炼中途倒出

26、或扒除约 1 /2 2/3 炉渣，然后加入渣料重新造渣为双渣操作。 根据铁水成分和所炼钢种的要求，也可以多次倒渣造新渣。 在铁水磷含量高且吹炼高碳钢、 铁水硅含量高， 为防止喷溅， 或者在吹炼低锰钢 种时，为防止回锰等均可采用双渣操作。 但当前有的转炉终点不能次拉碳， 多 次倒炉并添加渣料补吹， 这也是一种变相的双渣操作； 这对钢的质量、 材料捎耗 以及炉衬都十分不利。双渣操作脱磷效率可达 95以上，脱硫效率约 60左右。双渣操作会延长吹炼 时间，增加热量损失，降低金属收得率， 也不利于过程自动控制， 恶化劳动条件。 对炼钢用铁水最好采用预处理进行三脱。3-25 什么是留渣操作，它有什么特点

27、? 留渣操作就是将上炉终渣的一部分留给下炉使用。终点熔渣的碱度高，温度高， 并且有一定（TFe）含量，留到下一炉，有利于初期渣尽早形成，并且能提高前期 去除 P、S 的效率，有利于保护炉衬，节省石灰用量。采用留渣操作时， 在兑铁水前首先要加石灰或者先加废钢稠化冷凝熔渣， 当炉内 无液体渣时方可兑入铁水，以避免引发喷溅。溅渣护炉技术在某种程度上可以看作是留渣操作的特例。3-26 石灰的加入量如何确定 ? 石灰的加入量是根据铁水、废钢、生铁块中 Si、P 含量及炉渣碱度来确定的。3-27 渣料的加入批量和时间应怎样考虑，为什么 ? 渣料的加入批量和时间对成渣速度有直接的影响。 若在开吹时将渣料全部一次加 入炉内，必然导致熔池温度偏低，熔渣不易形成，并且还会抑制碳的氧化。所以 单渣操作时，渣料一般都是分两批加入。第一批渣料是总量的一半或一半以上， 其余的第二批加入。如果需要调整熔渣或炉温，才有所谓第三批渣料。 在正常情况下，第一批渣料是在开吹的同时加入。第二批渣料的加入时间是在Si、Mn氧化基本结束，第一批渣料基本化好，碳焰初起时加入。3-28 转炉炼钢造渣为什么要少加、不加萤石或使用萤石代用品 ? 萤石