汽车面板用TiNb超低碳钢的转炉冶炼模拟论文

1、毕业设计（论文） 题 目 汽车面板用TiNb超低碳钢的转炉冶炼模拟和成本控制 院 （系） 专业班级 学生姓名 学号 指导教师 职称 讲 师 评阅教师 职称 2010年 6 月 8 日 学生毕业设计（论文）原创性声明 本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 毕业设计（论文）作者（签字

2、）： 年 月 日目 录1.超低碳钢概念分类12.IF钢22.1IF钢概念22.2国外研究进展22.3国内研究情况32.4IF钢品种及性能42.5Ti、Nb对ULC-IF钢的影响：73.IF钢冶炼现状、分析94.ULC-IF模拟工艺路线114.1铁水预处理114.1.1铁水预脱硫114.1.2铁水预脱硅124.1.3铁水预脱磷124.2转炉冶炼134.2.1转炉冶炼原材料134.2.2氧气顶吹转炉工艺流程154.2.3炼钢过程物料平衡与热平衡计算164.3 ULC-IF冶炼模拟234.3.1 ULC-IF转炉冶炼模拟234.3.2 ULC-IF二次精炼模拟245.ULC-IF钢模拟结果、成本控制

3、355.1转炉冶炼结果355.2精炼结果375.2.1影响碱性炉渣的因素385.3成本控制396.结论40参考文献41致谢431.超低碳钢概念分类超低碳钢一般是指钢种。现已开发出的超低碳钢品种有：超深冲冷轧IF钢板、深冲热镀锌IF钢板、高强IF钢板、高强热镀IF钢板、超低碳BH钢板、超低碳热轧深冲钢板等。2.IF钢2.1IF钢概念IF钢（interstitial-free steel）又称无间隙原子钢，在IF钢中，由于C、N含量低,在加入一定量的Ti、Nb使钢中的C、N原子被固定成为碳化物、氮化物或者碳氮化物，从而使钢中没有间隙原子的存在，故称为无间隙原子钢，即IF钢，有时也称超低碳钢，具有极

4、优异的深冲性能，现在伸长率和r值可达和2.0以上，在汽车工业上得到了广泛应用。IF钢的特点是含碳很低加入Ti和Nb之后。形成Ti和Nb的C、N化合物。由于钢中无间隙原子而使其具有优异的深冲性能：高塑性应变比、高延伸率、高硬化指数以及较低的屈强比并具有优异的非时效性因此被誉为第三代超深重用钢。深冲钢按冲压级别可分为：商用级(CQ)普通冲压级(DQ)深冲压级(DDQ)、特深冲压级(EDDQ)和超深冲压级(SUPEREDDQ)。它们分别同深冲钢发展的几个阶段相对应深冲钢的第一代产品的开发和成用足20世纪5060年代的普通沸腾钢，只能用于普通深冲件；低碳铝镇静钢为第二代产品产生于2O世纪6o8O年代具

5、有较好的深冲性能；20世纪8o年代以后出现了以IF钢为代表的第三代超低碳超深冲钢。传统的IF钢含碳量为。现代IF钢采用底吹转炉冶炼经过改进的RH处理以及在连铸过程中采用防增碳措施可以在经济的条件下使碳含量大大降低，一般；。最新的IF钢产品其含碳量可以低于。按照钢板的性能，IF钢板可分为深冲钢板和高强度钢板两大类。而高强度钢板按强度机理又可分为固溶强化型，烘烤强化型与析出强化型三种类型（高强度IF钢使一种把无间隙原子钢所具有的神冲特点与P、Mn、Si等元素所具有的固溶强化机制相结合，即在IF钢成分的基础上通过增加P、Mn、Si等元素的含量来提高其强度）。按照添加的合金元素分类，目前生产的IF钢有

6、三种，即单一添加Ti的Ti-IF钢、单一添加Nb的Nb-IF钢和复合添加Ti和Nb的Ti+Nb-IF钢。2.2国外研究进展世界许多大钢铁公司都对IF钢进行了研究和开发。例如，日本的川崎、新日铁，美国的Armco、Inland，德国Thyssen、Hoesch等。研究的主要内容有：钢化学成分、轧制工艺、退火制度对深冲性能的影响、织构形成机理、强化机理、析出物形态、加工脆性、相变机理、计算机模拟钢加工过程的性能及织构，这些研究工作对IF钢生产具有重要的指导作用。IF钢生产在日本发展很快，在19992001年，日本每年生产约600700万tIF钢。由于冶炼技术的发展，使C含量减少到10ppm，为IF

7、钢生产创造了条件。在IF钢生产中，高强钢由1993年的53(占IF钢总产量)增长到2001年的116。镀锌板由1993年的397(占IF钢总产量)增长到2001的601。而IF钢冷轧板所占比例却在下降，由1993的55(占IF钢总产量)下降到2001年的283。可见在日本“以热代冷”正在实现。日本生产的高强IF钢，屈服强度达237MPa、抗拉强度达370MPa、延伸率达38、r值达20。70年代末80年代初，新日铁公司和川崎制铁公司相继研制出强度级别为340MPa和390MPa的高强IF钢，r值16，有的甚至超过20。最近NNK报道利用铌的细晶强化、析出强化相结合，成功开发了一种强度440MP

8、a，r值高达17的含铌高强合金化热镀锌IF钢。2005年，韩国浦项IF钢年产量达300万t，并且生产了340440MPa级的高强度IF钢。为减少冲压成型高强钢的难度，对烘烤硬化IF钢也投人生产。巴西在90年代也引进生产IF钢，2005年巴西IF钢的生产已达年产200万t，主要生产TiIF钢和Ti+NbIF钢。在欧洲，汽车工业由1980年到2001年产量增加了44，IF钢的产量也是逐年增加。由于欧洲对汽车废气的排放标准要求高，因此必须要考虑采用高强板以减少车重。因此，在欧洲大力发展高强IF钢，其中包括抗拉强度在1000MPa的双相钢、TRIP钢等。比利时冶金研究中心(CRM)和国际铅锌协会组织(

9、ILZRO)共同开发的一种在Ti+NbIF钢中添加锰生产高强度IF钢的方法，钢板经热镀和合金化处理后的力学性能显著提高，Re=200400MPa，Rm=500MPa，A=20，r值高达20。2.3国内研究情况我国研制IF钢始于1989年，北科大与宝钢合作，在没有引进外国专利的情况下，用了不到两年的时间基本完成了IF钢的开发，添补了国内空白。多年来，我国各生产企业及科研单位对IF钢的研究主要围绕织构形成机理、析出物的形态、强化机理以及化学成分设计、冶金工艺、轧制工艺和退火制度对深冲性能、机械性能等方面影响而展开。国内对于提高IF钢深冲性能的研究，改善深冲性能做了许多大量的工作。王先进等发明了cw

10、法，增加了织构预处理工艺，经该工艺处理后r值为325，这是目前世界上对深冲钢所报道过的最高r值。河北理工大学刘战英等研究表明，通过两次冷轧两次退火工艺，在总压下率一定，一次冷轧压下率较小，二次冷轧压下率较大时，可提高r值，其r值最高达32。而铁素体区轧制，可以生产出与传统热轧具有相同或更优性能的深冲钢板。东北大学宁宇研究得出，在鞍钢1780mm热轧厂实现了IF钢铁素体区热轧，铁素体区热轧板经过酸洗、冷轧、退火后，其r值可以达到24。关小军等人在传统的高强IF钢板生产工艺中，引入织构预处理和再次连续退火两个工序进行研究，通过进一步发展11I退火织构，得到了一种抗拉强度340MPa，r值高达285

11、的含P高强度IF钢板。文献指出，铁素体区轧制时的润滑条件对低碳加Ti冷轧钢板r值和n值有较显著的影响，通过热轧润滑技术，生产出了r值达到30的超级深冲钢。宝钢是目前国内生产汽车板数量最大、品种最多的企业。能够批量生产从CQ到SEDDQ所有级别的IF钢板。2004年宝钢又开发了BH340烘烤硬化板、ST16高成形板和具有高级精整表面的钢板，具备了开发含Cu的高强IF钢的条件。2005年IF钢产量达195万吨。鞍钢开发的高强度烘烤硬化IF钢(BH340，BH370)具有很高的抗凹陷性，可使钢板减薄1015；开发加磷高强度IF钢时由于在热轧工序中采用了先进的工艺技术，因而成形性也较好。2006年鞍钢

12、的IF钢年产量约在40万吨左右。武钢基本上能生产从CQSEDDQ所有级别的IF钢，只是由于合同量较少，所以IF钢的产量也不高。首钢迁钢公司2007年首次试制热镀锌IF钢，冶炼IF钢中C、N含量均在30ppm以下，其组织性能达到要求，IF钢板冲压合格率100，但表面质量和性能的稳定性与Thyssen等国际先进水平有差距。本钢、攀钢等企业也都具有生产较高级别IF钢的能力。我国的多条薄板坯连铸连轧生产线也具有IF钢的生产能力，只是目前大都停留在CQ、DQ的级别上以作为冷轧的原板为主。2.4IF钢品种及性能目前国外开发的IF钢品种如下：冷轧超深冲IF钢板；超深冲高强IF钢板；超低碳BH钢板；涂镀层钢板

13、；超低碳热轧深冲钢板；超低碳热轧拉延板；IF铁素体不锈钢；超深冲搪瓷IF钢；铜基高强IF钢板。高强度IF钢成分设计特点使：必须是超低碳钢，即钢中C、N含量应控制在50ppm以下，S含量应低于；需Ti，Nb处理，由于钢质纯净，无间隙原子存在利于组构优先发展是高强度IF钢具有优异深冲性的原因。因此Ti，Nb加入量以完全使钢中C，N原子被固定而无间隙原子存在为原则。对于级别以下的高强度IF钢单独加P，在不影响成形性能的前提下提高性能。对于更高强度级别的高强度IF钢，可以通过两或三种固溶强化元素的加入量来实现。表2-1固溶强化元素对力学性能的影响化学成分，%力学性能MnSiP,MPa,MPa,%nr1

14、.060.020.014176363460.261.91.400.020.013206412400.261.91.700.450.012226461360.251.90.340.030.06320139341-2.0表2-2 典型超低碳、高强度IF钢的化学成分CNSiMnPSNbTiB0.0030.00280.201.060.0130.0010.0220.010.241.8 表2-4 IF钢典型化学成分 %项目CSiMnPSAlsTiON企标0.0030.030.100.200.0060.0070.020.050.040.080.0030.004内控0.0030.020.100.200.006

15、0.0070.020.0400.040.080.0030.004目标0.0030.020.150.0050.0060.030.060.00250.003表2-5 国内外部分钢厂 IF钢化学成分 % 厂名CSiMnSPAlNTiNb阿姆科0.0020.0050.0070.0250.250.500.0080.0200.0010.0100.0030.0120.0040.0050.0800.3100.0600.250新日铁0.0010.0060.0090.0200.100.200.0020.0130.0030.0150.0200.0500.0010.0060.0040.0060.0040.039神户0

16、.0020.0060.0100.0200.100.200.0020.0130.0050.0150.0200.0700.0010.0040.0100.0600.0050.015浦项0.0020.0050.0100.0200.100.200.0020.0130.0050.0150.0200.0700.0010.0040.0100.0600.0050.015宝钢0.0020.0050.0100.0300.100.200.0070.0100.0030.0150.0200.0700.0010.0040.0200.0400.0040.010表2-6 高强度热镀锌板的化学成分，%CMnSiPSAlNbTi0

17、.00240.170.200.080.0010.0240.0220.01表2-7 高强度热镀锌板的力学性能,MPa,MPa,%Mn含量在以上时，会降低伸长率，应限制在以下；Si含量应低于。对于Ti-Nb复合加入的IF钢，P、Mn、Si的加入会大大提高强度，在固溶提高的同时P、Mn、Si对n，r值影响很小。P是最有效的固溶强化元素，它的加入会显著提高钢的强度。但磷的加入会导致晶界脆化，为了抑制磷的晶界脆化作用需要加入适量的硼，时最佳。间隙原子，如碳和氮对钢的变性行为有显著影响。钢的不连续屈服与间隙原子有着很大关系。实际上，一经发现即使在间隙原子含量抵达时仍有屈服点。溶质碳和氮也可以使钢的成形性变

18、差（特别是冷加工硬化）。此外，不连续屈服可以导致吕德斯带的产生，这对表面质量有害，也可促进成形期间产生过早断裂或变形后产生不均匀回弹。为了消除间隙原子的负作用，已经开发出了许多基本上没有溶质碳和氮的钢种。这些“间隙原子（IF）”钢主要依靠碳化物、氮化物和碳硫化合物的固体析出降低溶质间间隙原子含量。此外，通过现代炼钢技术可使碳氮总含量降到极低水平（典型、）。从开发的最早阶段可以明显看出，这些钢种与传统钢种相比，有着不同的产品属性。最初，这些钢只少量生产，主要运用与实验室研究钢铁变形机理。实验室结果证明，与典型低碳钢相比，均匀屈服性提高了，且可成形性增加了。最早的IF钢主要依靠添加钛或铌稳定间隙原

19、子，随着热浸镀锌涂层应用的增加，IF钢开始显露商业生机，因为这些钢种不需要进行预先退火或焊接退火来防止应变失效。今天，通过连续镀锌线处理的热浸镀锌IF钢主要含有使无间隙原子的钛和铌。此外，一些热浸镀锌薄板以及分批退火薄板（即冷轧或电镀薄板）也含有钛和铌，特别是较高抗拉强度的钢种。当前生产的其他IF钢只能依靠添加钛使间隙原子稳定。IF钢中无间隙原子含量的控制可分为两个主要领域：炼钢与连铸、析出。炼钢和连铸的主要目标是限制碳和氮的总含量，而析出是为确保除去最终产品中的溶质无间隙原子。对于Ti-Nb复合加入的IF钢热镀锌板，在开发、运用过程中也还存在许多新问题需要解决：抗粉化能力差 由于IF钢的晶界

20、极为纯净，在热浸过程中锌原子沿晶界扩散，快速生成Fe-Zn合金层，造成锌层爆裂（out-burst）恶化了锌层抗粉化能力；钢中C，N含量的控制 对于IF钢板如纯净的晶界造成的锌层爆裂可适当提高钢中的C，Nb含量加以改善。C与Nb在钢中形成的NbC在较低温度下()部分溶解，并分布在晶界上NbC存在，阻碍了锌原子沿晶界和铁原子发生剧烈反应，从而提高了锌层的抗粉化能力；加工脆性。2.5Ti、Nb对ULC-IF钢的影响：在低合金高强度钢中加入微量Ti，可提高钢的强度，改善钢的冷成型性能和焊接性能。由于Ti的化学活性很大，易和C、N、O、S等形成化合物。铁和氧的亲和力很强，钢液必须用铝充分脱氧后才能加入

21、钛。钛在钢中主要以TiC或Ti(C,N)的形式存在。钛比铌的固溶温度稍低，在相同的固溶温度下，钛比铌溶解量更多。钛具有阻止形变奥氏体再结晶的作用，可以细化晶粒；此外，钛有促进粒状贝氏体形成的作用，在控轧控冷的低碳贝氏体非调质钢得到应用。钛形成高温下非常稳定的TiN，在热加工前的再加热过程中抑制奥氏体晶粒的长大，钛还可以夺走Nb(C,N)相中的氮，若钛的含量刚好足以固定大多数的氮，钛的加入可使铌形成几乎是纯的NbC，而不是无钛钢中的NbN。钛的固溶度非常低，在钢材钛含量适宜（）时才能同时满足各方面的要求，更低的钛含量将不能得到足够体积分数的TiN来有效阻止晶粒细化。虽然较高的钛含量将导致粗大的液

22、体析出TiN的出现而不能起到阻止晶粒长大的作用，但超出理想化学配比的钛将以固溶态形式或则以细小TiC质点形式而显著阻止再结晶，起到析出强化作用。钛还可以作为钢中的硫化物变性元素使用，以改善钢板的纵横性能差。杨才福等研究了不同钛含量对V、Ti微合金化汽车大梁钢力学性能的影响。实验结果表明，随着钛含量的增加，屈服强度和抗拉强度升高，伸长率降低，加入钛后，屈服比提高，所有纵横向冷弯试验d=a的冷弯性冷良好。Ti与C、N、S均有较强的亲和力，一方面与碳氮结合形成碳氮化合物产生细晶强化作用，另一方面又能与硫作用形成塑性比硫化锰低得多的硫化钛，从而降低硫化锰的有害作用，改善钢的横向性能。钛含量较低时增加钛

23、含量不引起钢的韧性降低，钛含量过高，由于在晶界上形成钛的氮化物和硫化物引起钢的脆化。研究表明，其他成分基本相同的情况下，加钛钢较不加钛钢强度明显提高，韧脆转变温度也有一定程度的提高。在微合金化钢中，铌通过晶粒细化提高了钢的强度，同时又改善钢的韧性，并通过析出强化与相变控制来进一步提高钢的性能。研究表明，随着钢中含碳量降低，铌在奥氏体中的溶度积增大，使奥氏体向铁素体、贝氏体的转变温度降低，增大残余奥氏体体积分数和稳定性，加上相变过程和相变后更多的Nb(C,N)的析出强化，使钢的强度增大，相变强化在微合金化也具有非常重要的作用。铌在钢中的存在形态主要有：微量固溶于铁素体中或形成碳氮化铌第二相。微合

24、金钢中铌的细化晶粒和沉淀强化作用，是通过元素的碳氮化物沉淀析出起作用的。铌在钢中可以以置换溶质原子存在，对再结晶的抑制作用与其和铁原子尺寸及电负性差异有关，及所谓的溶质拖曳机制。铌原子比铁原子尺寸大，易在位错线上偏聚，其偏聚浓度也相对增高，从而对位错攀移产生较强的拖曳作用，使再结晶形核受到限制，从而对再结晶具有强烈的阻止作用，这种作用高于Ti、Mo、V，是与铁原子尺寸相差较小的Mn、Cr、Ni对再结晶阻止作用的几十倍或上百倍。铌的突出特点是提高了奥氏体再结晶温度而使奥氏体晶粒细化，热加工时在非结晶区用大的形变量增加总的晶界面积，同时由于应变诱导沉淀作用使这些界面成为相变时的择优形核地点，为相变

25、晶粒细化奠定基础。铌另一重要作用是取得沉淀强化效果。3.IF钢冶炼现状、分析新日铁的IF钢生产水平世界领先,为了适应安全和轻量化的要求,开发了抗拉强度级别3401 270 MPa的各类冷轧及镀锌高强度汽车板,新日铁君津制铁所用KR法脱硫(S0.002%),LD-ORP法冶炼IF钢。脱磷转炉弱供氧,大渣量,碱度为2.53.0,温度为1 3201 350,纯脱磷时间约为910 min,冶炼周期约20 min,废钢比通常为9%,将脱磷后钢水(P0.020%)兑入脱碳转炉,总收得率92%。脱碳转炉强供氧,少渣量,冶炼周期为2830 min,脱碳转炉不加废钢。日本新日铁公司IF钢的炼钢生产工艺及其控制措

26、施见下表。表3-1日本新日铁公司IF钢的炼钢生产工艺及其控制措施工序预定目标控制措施铁水预处理铁水包减少转炉渣量和降低终点炉渣氧化性采用铁水包内喷粉脱磷转炉冶炼吹炼降低转炉出钢钢水中碳含量转炉冶炼终点钢液中碳含量控制出钢减少转炉下渣量采用挡渣器和挡渣球进行挡渣出钢RH真空精炼RH减少钢液中Al2O3夹杂物生成量促使钢液中Al2O3夹杂物上浮脱氧之前钢液中氧含量的控制钢包内钢液循环时间控制钢包降低钢包渣的氧化性防止耐火材料污染采用顶渣改质采用非氧化性耐火材料连铸钢包减少钢包下渣量防止钢液二次氧化采用钢包下渣检测采用浸入式长水口中间包防止钢液二次氧化防止中间包覆盖剂污染钢液防止中间包覆盖剂的卷入促

27、进钢液中夹杂物的上浮稳定钢液温度采用中间包密封采用低C、低SiO2系列中间包覆盖剂优化中间包结构采用H型中间包采用等离子或感应加热浸入式水口防止夹杂物卷入防止水口堵塞控制水口吹氩流量和压力优化水口形状和结构水口采用Mg-C，内涂Zr质耐火材料结晶器防止结晶器保护渣卷入防止连铸坯标称夹杂物富集防止连铸坯上1/4处夹杂物富集采用高粘度结晶器保护渣控制结晶器内液面波动控制结晶器振动采用电磁搅拌采用立弯式连铸机从表中看出,新日铁对IF钢的每道工序都有预定目标,并采取相应的控制措施。JFE生产超深冲IF钢铁水100%三脱预处理,采用复吹转炉炼钢,增大吹炼后期底吹气体流量,加强熔池搅拌,将终点碳含量控制在

28、0.03%0.04%,提高终点命中率,减少补吹率。出钢后,立即向钢包内加入由CaCO3和金属铝组成的炉渣改性剂,其中金属铝比率为30%50%;将渣中TFe降低到2%4%。安赛乐米塔尔旗下的美国内陆公司采用复吹转炉冶炼IF钢,RH-OB工艺脱碳,先吹氧强制脱碳不到8 min,将碳含量降到0.008%,然后自然脱碳4 min,将碳含量降到0.002%。RH-OB工艺采用了工艺控制模型,炉气在线分析,动态控制。鞍钢IF钢炼钢流程为4:铁水预处理复吹转炉RH-TB板坯连铸。铁水预处理采用复合脱硫剂,降低铁水中硫含量。采用180 t复吹转炉炼IF钢时,全程底吹氩气,吹炼后期加大供氧强度,进一步降碳。冶炼

29、过程顶吹氧枪枪位采取高-低-低模式操作,出钢过程采取“留氧”操作,氧含量为0.04%0.06%,出钢钢水的碳含量0.05%。精炼采用RH-TB装置。如果转炉出钢后钢水中碳为0.04%,氧为0.05%时,该工序深脱碳分为3个阶段:第一阶段碳由0.04%降至0.02%;第二阶段碳由0.02%降至0.003%;第三阶段碳由0.003%降至0.001%以下。如果转炉出钢后钢水中碳为0.05%以上,第一阶段则采取“强制脱碳”模式。如果转炉出钢后钢水中碳为0.02%左右,可直接进入第二阶段。连铸IF钢采用立弯式板坯连铸机,采取了一系列防止的废品比例下降了0.05%。新日铁，预处理减少转炉渣量，降低终点炉渣

30、氧化性，利于后期脱硫，可不使用精炼双联法（RH-LF）法仍能冶炼出优质合格钢水。LD-ORP法前期采用转炉供氧，使磷在氧化前期彻底脱除，降低后期冶炼难度，防止大渣量造成熔渣带铁；后期在另一转炉内继续造渣冶炼，可防止渣回磷，同时后期冶炼炉渣可用于前期转炉，能源循环利用，后期冶炼渣量少，破碎易分离渣中带出的钢球，铁水收得率增加，适用于含硫量低的钢水。JFE，适用于较高Si含量的钢水，采用预处理可降低互吹转炉劳动强度，减少复吹转炉出钢渣带铁量，出钢后向钢包内加入CaCO3和金属铝组成的炉渣改性剂，迅速形成初期渣，防止钢液防止吸气减少温降，金属铝与渣中FeO反应，降低渣的氧化性，为后期脱硫提供条件。鞍

31、钢，铁水预处理减少复吹转炉渣量，降低复吹转炉负担，转炉出钢后采用RH-TB完成精炼，脱碳、脱硫、去夹杂任务都在钢包内进行，真空循环任务较重，此法适用于前期铁水脱硫至很低水平，转炉出钢钢水成分较稳定后期合金添加剂量较少。4.ULC-IF模拟工艺路线模拟工艺路线：铁水预处理+复吹转炉冶炼+LF-RH双联法4.1铁水预处理铁水预处理是指铁水兑入炼钢炉之前进行的各种处理。分为普通铁水预处理和特殊铁水预处理两大类。普通铁水预处理包括：铁水脱硫、铁水脱硅和铁水脱P。特殊铁水预处理一般是针对铁水中含有的特殊元素进行提纯精炼或资源综合利用，如铁水提钒、提铌、脱铬等预处理工艺。根据铁水预处理容器的选择，脱硫工艺

32、可分为：混铁车喷吹法、铁水罐法、铁水包法。发展趋势：采用铁水包作为铁水脱硫预处理的容器。铁水预处理对纯净钢生产的意义:铁水含磷、硫可降到低或超低含量水平；提高转炉生产率、降低成本、节约能耗；极低碳钢的清洁度。钢中TO、N、H含量降低；有利于复吹转炉冶炼高碳钢时的“保碳出钢技术；有效地提高铁、钢、材系统的综合经济效益。4.1.1铁水预脱硫铁水预脱硫的优势：满足用户对超低硫、磷钢的需求，发展高附加值钢种：如：船板钢、油井管钢：S、P0.05%时，碳化钙(CaC2，电石)系: CaC2(+CaO+CaCO3+CaF2)、(CaC2+CaCO3)镁(Mg)系：镁焦(Mag-coke)、镁合金(Mg-F

33、e-Si)、覆膜镁粒、覆膜混合镁粒：含Mg3080%，余为CaO。4.1.2铁水预脱硅铁水预脱硅的重要意义:减少转炉石灰用量，减少渣量和铁损；减少脱磷剂用量，提高脱硫脱磷效率；对于含钒和含铌等特殊铁水，预脱硅可以富集和等创造条件。铁水脱Si的工艺方法：铁水沟连续脱硅，分为一段法和两段法；铁水罐脱硅。常见的脱硅剂有轧钢皮和烧结矿粉。4.1.3铁水预脱磷铁水预脱磷预处理的工艺优点：铁水预处理脱磷，反应温度低，热力学条件好，易于脱磷。铁水中C、Si含量高提高了铁水中磷的活度，有利于脱磷。由于铁水预处理脱磷具备良好的化学热力学条件，渣钢间磷的分配系数是炼钢脱磷的510倍，因而渣量小，可以控制较低的渣中

34、FeO含量，脱磷成本低。和炼钢相比，不会因脱磷造成钢水过氧化，影响钢质量。铁水脱磷剂主要由氧化剂（氧气、氧化铁等）、固定剂（常用的有CaO、Na2O）和助溶剂（CaF2、CaCl2）组成。常用的脱磷方法有机械搅拌法和喷吹法。苏打系固定剂：石灰系固定剂：4.2转炉冶炼4.2.1转炉冶炼原材料按性质分类，炼钢原材料分为金属料、非金属料和气体。金属料包括铁水（生铁）、废钢、铁合金、直接还原铁及碳化铁（电炉使用）；非金属料包括石灰、萤石、白云石、合成造渣剂，此外还有耐火材料等；气体有氧气、氩气、氮气。按用途分类，原材料分为金属料、造渣剂、化渣剂、氧化剂、冷却剂和增碳剂等。4.2.1.1转炉炼钢对铁水成

35、分和温度要求铁水是炼钢的主要原材料，一般占装入量的70100。铁水的化学热与物理热是氧气顶吹转炉炼钢的主要热源。因此，对入炉铁水化学成分和温度必须有一定的要求。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。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Si02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

36、铁水wSi=0.300.60为宜。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。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wMn/wsi比值的要求为0.81.0，目前使用较多的为低锰铁水，wMn=0.200.80。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wP0.20；铁水中磷含量越低，转炉工艺操作越简化，并有利于提

37、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。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3040。我国炼钢技术规范要求人炉铁水wS0.05。冶炼优质低硫钢的铁水硫含量则要求更低，纯净钢甚至要求铁水wS0.005。因此，必须进行铁水预处理降低入炉铁水硫含量。铁水中wC=3.54.5，碳是转炉炼钢的主要发热元素。铁水温度的高低是带入转炉物理热多少的标志，铁水物理热约占转炉热收入的50。铁水温度高有利于稳定操作和转炉的自动控制。铁水的温度过低，影响元素氧化过程和

38、熔池的温升速度，不利于成渣和去除杂质，容易发生喷溅。因此，我国炼钢规范规定入炉铁水温度应大于1250，并且要相对稳定。通常，高炉的出铁温度在13501450，由于铁水在运输和待装过程中散失热量，所以最好采用混铁车或混铁炉的方式供应铁水，在运输过程应加覆盖剂保温，以减少铁水降温。4.2.1.2转炉炼钢废钢转炉炼钢废钢对废钢的要求：废钢的外形尺寸和块度应保证能从炉口顺利加入转炉，废钢单重不能过重，以便减轻对炉衬的冲击，同时在吹炼期必须全部熔化，轻型废钢和重型废钢合理搭配，废钢的长度应小于转炉口直径的1/2，废钢的块度一般不应超过300kg，国标要求废钢的长度不大于1000mm，最大单件重量不大于8

39、00kg； 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、磷含量均不得大于0.050， 废钢中残余元素含量应符合以下要求：wNi0.30、wCr0.30、wCu0.30、wAs0.08。除锰、硅外，其他合金元素残余含量的总和不超过0.60； 废钢应清洁干燥，不得混有泥砂、水泥、耐火材料、油物、珐琅等，不能带水；废钢中不能夹带放射性废物，严禁混有医疗临床废物； 废钢中禁止混有其浸出液中pH值大于等于12.5或小于等于2.0的危险废物，进口废钢容器、管道及其碎片必须向检验机构申报曾经盛装或输送过的化学物质的 主要成分以及

40、放射性检验证明书，经检验合格后方能使用； 不同性质的废钢分类存放，以免混杂，如低硫废钢、超低硫废钢、普通类废钢等，另外，应根据废钢外形尺寸将废钢分为轻料型废钢、统料型废钢、小型废钢、中型废钢、重型废钢等，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。4.2.1.3造渣剂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

41、还应保持清洁、干燥和新鲜。萤石的主要成分是 CaF2，焙烧约930。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。 白云石的主要成分CaCO3.MgCO3。经焙烧可成为轻烧白云石，其主要成分为CaO.MgO。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。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。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

42、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。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。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。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%。4.2.2氧气顶吹转炉工艺流程氧气转炉任务： “四脱”（碳、氧、磷和硫）、“二去”（去气和去

43、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。顶吹转炉冶炼一炉钢的操作过程：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；倾炉，加废钢、兑铁水，摇正炉体（至垂直位置）；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；35min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）35min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）；倒炉，测温、取样，并确定补吹时间或出钢；出钢，同时（将计算好的合金加入钢包中）进行脱氧

44、合金化。4.2.3炼钢过程物料平衡与热平衡计算4.2.3.1物料平衡计算原始数据基本原始数据有：冶炼钢种及其成分、铁水和废钢的成分、终点钢水成分(表:4-1)；造渣用熔剂及炉衬等原材料的成分(表4-2)；其他工艺参数(表4-3)。表4-1 钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值成分（%）类别CSiMnPSULC-IF设定值0.0030.210.750.0650.012铁水设定值4.500.400.500.080.02废钢设定值0.05痕迹0.120.0150.030终点钢水设定值0.010.00460.35200.0020.0199C和Si按实际生产情况选取：Mn、P和S分别按铁水中相应成分含

45、量的70.4%、2.5%和99.5%留在钢水中设定。表4-2 原材料成分/%成分类别CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2OC灰分挥发分石灰94.92.11.81.2白云石59.52.038.5表4-3 其它工艺参数设定值名称参数名称参数终渣碱度终渣w（FeO）含量（按向钢中传氧量w（Fe2O3）=1.35,w（FeO）折算）烟尘量喷溅铁损渣中铁损（铁珠）氧气纯度w(CaO)/w(SiO2)=3.515%，而w（Fe2O3）/w（FeO）=1/3，即w（Fe2O3）=5%，w（FeO）=8.25%为铁水量的1.5%（其中w（FeO）为75%，w（Fe2O3）为20

46、%）为铁水量的1%为渣量的6%99%，余者为N2炉气中自由氧含量气化去硫量金属中C的氧化产物废钢量FeO0.5%（体积比）占总去硫量的1/390%C氧化成CO，1%C氧化成CO2由热平衡计算确定,本计算结果为铁水量的7.2%，即废钢比为6.71%由热平衡计算确定,本计算结果为铁水量的16%，物料平衡基本项目收入项有：铁水、废钢、溶剂（石灰、萤石、轻烧白云石）、氧气、炉衬蚀损、铁合金。支出项有：钢水、炉渣、烟尘、渣中铁珠、炉气、喷溅。计算步骤以100kg铁水为基础进行计算。第一步：计算脱氧和合金化前的总渣量及其成分。总渣量包括铁水中元素氧化，炉衬蚀损和加入溶剂的成渣量，其各项成渣量分别列于表4-

47、4、4-5中。总渣量及其成分如表4-6所示。第二步：计算氧气消耗量。氧气实际耗量系消耗项目与供入项目之差。见表4-7。表4-4 铁水中元素的氧化产物及其成渣量元素反应产物元素氧化量/kg氧耗量/kg产物量/kg备注CSiMnPSFeCCOCCO2Si(SiO2)Mn(MnO)P(P2O5)SSO2S+(CaO)(CaS)+(O)Fe(FeO)Fe(Fe2O3)4.4990%=4.0414.4910%=0.4490.39540.1480.0780.00011/3=0.0000330.00012/3=0.0000670.43856/72=0.3410.265112/160=0.1795.3881.

48、1970.4520.0430.1000.000033-0.0000330.0970.0869.4291.6460.84730.1910.1780.0000670.000151（CaS）0.4380.265入渣入渣入渣入渣入渣7-8入渣7-8合计5.6327.363成渣量1.919入渣组分之和由CaO还原出的氧量；消耗的CaO量=0.00006756/32=0.000117kg。表4-5 加入溶剂的成渣量类别加入量/kg成渣组分/kg气态产物/kgCaOMgOSiO2Al2O3Fe2O3P2O5CaSCaF2H2OCO2O2石灰3.3883.2150.0610.0710.041合计3.2150.

49、0610.0710.041成渣量3.338石灰加入量计算如下:由表4-4可知渣中已含（CaO）=-0.000117kg;渣中已含（SiO2）=0.8473kg。因设定的综渣碱度R=3.5，故石灰加入量为：Rw(SiO2)-w(CaO)/w(CaO石灰)-Rw(SiO2石灰)=2.966/(94.9%-3.52.1%)=3.388kg；(石灰中CaO含量)-(石灰中SCaO自耗的CaO量)； 由CaO还原出来的氧量，计算方法同表4-4的注；表4-6 总渣量及其成分炉渣成分CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3CaF2P2O5CaS合计0元素氧化成渣量/kg0.84730.1910.

50、4380.2650.1780.000151石灰成渣量/kg3.2150.0710.0610.041总渣量/kg3.2150.91830.0610.0410.1910.4380.2650.1780.0001515.307质量分数/%60.5817.301.150.773.608.254.993.350.01100.0 总渣量计算如下：因为表4-6中除(FeO)和(Fe2O3)以外的渣量为：3.215+0.9183+0.061+0.041+0.191+0.178+0.000151=4.604kg，而终渣w(FeO )=15(表5-3)，故总量为：4.60486.75=5.307kg。 w(FeO )= 5.3078.25=0.438kg。 w(Fe2O3)= 5.3075-0.024-0.005-0.008=0.26