炼钢基础知识

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炼钢基础知识

------转炉炼钢2主要内容一炼钢的基本任务二炼钢用原材料三转炉炼钢原理与工艺3一、炼钢的基本任务

炼钢的基本任务包括：1.脱碳、脱磷、脱硫、脱氧；2.去除有害气体和非金属夹杂物；3.提高温度；4.调整成分。炼钢过程通过供氧、造渣、加合金、搅拌、升温等手段完成炼钢基本任务。转炉炼钢过程，主要是降碳、升温、脱磷、脱硫以及脱氧和合金化等高温物理化学反应的过程，其工艺操作则是控制供氧、造渣、温度及加入合金材料等，以获得所要求的钢液，并浇成合格钢钢锭或铸坯。4二、炼钢用原材料

原材料：转炉炼钢的金属料主要是铁水、废钢和铁合金。（1）铁水是转炉炼钢的主要金属料，占金属装入量的70%以上。转炉在吹炼过程中不需要外加热源，是依靠铁水本身所具有的物理热和铁水内所含元素的化学反应热来炼钢的。因此，对铁水的化学成分和温度都必须符合一定的标准要求。（2）废钢是炼钢用的另一种金属料，也是转炉炼钢用的冷却剂，一般允许加入金属装入量的30％以下。（3）转炉炼钢吹炼到终点时，为了去除钢液中多余的氧，并使其化学成分和质量符合所炼钢种的要求，必须加入一部分铁合金，以达到脱氧和合金化的目的。51.金属料1)铁水：占金属料的（70~100%）主要要求成分：[Si]、[Mn]、[P]、[S]温度：转炉炼钢重要发热元素，[Si]↑0.1%，废钢比↑1.3~1.5%；[Si]过高，渣量增加，引起喷溅；渣中（SiO2）↑，炉龄↓；锰是弱发热元素，铁水中锰氧化后形成的(MnO)可促进石灰溶解，加快成渣；减少氧枪粘钢，终点钢中余锰高，能够减少合金用量，利于提高金属收得率；锰在降低钢水硫含量和硫的危害方面起到有利作用。Mn/Si的比值为0.8～1.00时对转炉的冶炼操作控制最为有利。当前使用较多的为低锰铁水，一般铁水中[Mn]=0.20％～0.40％。磷是强发热元素，磷会使钢产生“冷脆”现象，通常是冶炼过程要去除的有害元素。磷在高炉中是不可去除的，氧气顶吹转炉的脱磷效率在85％～95％，铁水中磷含量越低，转炉工艺操作越简化，并有利于提高各项技术经济指标。如使用ωP＞1.50％的铁水炼钢时，炉渣可以用作磷肥。除了含硫易切钢(要求ωS=0.08％～0.30％)以外，绝大多数钢中硫是有害元素。转炉中硫主要来自金属料和熔剂材料等，而其中铁水的硫是主要来源。在转炉内氧化性气氛中脱硫是有限的，脱硫率只有35％～40％。由于低硫ωs＜0.01％的优质钢需求量增长，因此用于转炉炼钢的铁水要求ωs＜0.020％。这种铁水很少，为此必须进行预处理，降低入炉铁水硫含量。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％。因此，铁水的温度不能过低，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。入炉铁水温度应大于1250℃，以利于转炉的热平衡，成渣迅速，减少喷溅。小型转炉和化学热量不富裕的铁水，保证铁水的高温入炉极为重要;转炉炼钢时入炉铁水的温度还要相对稳定，如果相邻几炉的铁水入炉温度有大幅的变化，就需要在炉与炉之间对废钢比作较大的调整，这对生产管理和冶炼操作都会带来不利影响。62)废钢

废钢是电弧炉炼钢的基本原料，用量约70~90%；对氧气顶吹转炉炼钢，既是主原料之一，也是冷却效果稳定的冷却剂。通常占装入量的30％以下，适当地增加废钢比，可以降低转炉消耗和成本。7废钢的分类：本厂废钢返回料（废钢锭、轧钢切头）回收料（加工废料，报废设备）外购废钢加工工业的废料（机械、造船、汽车等行业的废钢、车削等）钢铁制品的报废件（船舶、车辆、机械设备、土建材料等）83）铁合金

吹炼终点脱除钢中多余的氧，并调整成分达到钢种规格，需加入铁合金以脱氧合金化。炼钢常用的合金有Fe-Mn、Fe-Si、Mn-Si合金、Ca-Si合金、铝、Fe-Al、复合脱氧剂等。其化学成分及质量均应符合国家标准规定。92.辅助材料1）造渣剂石灰（CaO）萤石（CaF2）白云石（CaMg(CO3)2

）菱镁矿（MgCO3

）合成造渣剂锰矿石石英砂（主要成分是SiO2

）石灰是炼钢主要造渣材料，具有脱P、脱S能力，也是用量最多的造渣材料。其质量好坏对冶炼工艺操作，产品质量和炉衬寿命等有着重要影响。特别是转炉冶炼时间短，要在很短的时间内造渣去除磷、硫，保证各种钢的质量。

对石灰质量的要求：

(1)有效CaO含量高;(2)硫含量低;(3)残余CO2少;(4)活性度高造渣加入萤石可以加速石灰的溶解，萤石的助熔作用是在很短的时间内能够改善炉渣的流动性，但过多的萤石用量，会产生严重的泡沫渣，导致喷溅，同时加剧炉衬的损坏，并污染环境。焙烧后为熟白云石，其主要成分CaO与MgO。保持渣中有一定的MgO含量，以减轻初期酸性渣对炉衬的侵蚀，提高炉衬寿命，白云石也是溅渣护炉的调渣剂。菱镁矿也是天然矿物，主要成分是MgCO3，焙烧后用作耐火材料，也是目前溅渣护炉的调渣剂。合成造渣剂是将石灰和熔剂预先在炉外制成的低熔点造渣材料，然后用于炉内造渣。是改善冶炼效果的有效措施。作为合成造渣剂中熔剂的物质有：氧化铁、氧化锰或其它氧化物、萤石等。加入锰矿石有助于化渣，也有利于保护炉衬，若是半钢冶炼更是必不可少的造渣材料。要求ωMn≥18％，ωP<0.20％，ωS<0.20％，粒度在20～80mm。石英砂也是造渣材料，其主要成分是SiO2，用于调整碱性炉渣流动性。对于半钢冶炼，加入石英砂利于成渣，调整炉渣碱度以去除P、S。要求使用前应烘烤干燥水分应小于3％。102)冷却剂

氧气顶吹转炉炼钢过程热量有富余，因而根据热平衡计算加入一定数量的冷却剂，以准确地命中终点温度。冷却剂包括:废钢、生铁块、铁矿石和氧化铁皮、石灰石等。113）氧化剂氧气氧化铁皮

氧气是氧气转炉炼钢的主要氧化剂，要求含氧量达到99.5％以上，并脱除水分。氧压为6~12×105Pa。工业用氧是通过制氧机把空气中的氧气分离、提纯来实现的。氧化铁皮要求杂质含量少，不含油污和水分。铁矿石铁矿石要求含铁高，P和水分低；124）还原剂和增碳剂

电炉炼钢中需要使用还原剂和增碳剂包括：石墨电极、木炭、焦炭、电石、硅铁、硅钙、铝等；转炉炼钢中冶炼中高碳钢时，一般使用含灰份少的石油焦做增碳剂。13三氧气转炉炼钢原理及工艺1.铁水预处理2.转炉炼钢过程142.铁水的预处理过程

指铁水在兑入炼钢炉之前，为去除或提取某种成分而进行的处理过程。对铁水的炉外脱S、脱P和脱Si，即三脱技术就属于铁水预处理的一种。铁水进行三脱可以改善炼钢主原料的状况，实现少渣或无渣操作，简化炼钢操作工艺，以经济有效地生产低P、S优质钢。151)铁水预处理的类型铁水脱Si铁水脱S铁水同时脱P、脱S铁水提V、提Nb（承钢钒铁）降低铁水硅含量可以减少转炉炼钢的炉渣量，实现少渣或无渣工艺，并为炉外脱磷创造了条件。炉外脱硅技术是将氧化剂加到流动的铁水中，硅的氧化产物形成熔渣。处理后铁水中的ωsi可达0.10％～0.15％以下。铁水予处理脱S,可以减轻高炉炼铁和转炉炼钢的脱S负担,简化操作提高经济指标,降低高炉炉渣碱度及焦比,可避免炼钢过程炉内高氧化性对脱S的影响,提高钢材质量.当铁水含P高及冶炼极低和超低P时,采用脱P或同时脱P,S以降低铁水中的S,P含量.采用氧化法脱P,一般要求先进行脱Si处理,铁水中的Si应小于0.2%.对于含V,Nb的铁水,为回收有益元素,在T＜1400℃条件下,通过氧化法将V,Nb氧化入炉渣,然后从炉渣中提取V,Nb.162)铁水预处理的设备鱼雷罐车喷粉罐喷枪扒渣机铁水罐173)铁水预处理生产工艺①脱S基本反应②脱S工艺③扒渣常用铁水脱S剂:碳化钙、石灰、苏打、金属镁及其组成的复合脱S剂,基本反应:CaC2+[S]=CaS(s)+2[C]CaO(S)+[S]=CaS(s)+2[O]Na2O+[S]=Na2O(l)+[O]Mg(g)+[S]=MgS(s)广泛采用喷粉法,在混铁车中采用喷吹金属镁+石灰粉的复合脱S剂脱S,双孔喷枪插入,深度为1.0~1.5m,处理时间8~10min,脱S率75~82%.扒除予处理渣,避免回P,回S.18扒渣机工作193.转炉炼钢过程2021222)转炉炼钢的发展历史

1856年，英国人贝塞麦发明了底吹酸性空气转炉炼钢法。吹炼过程中不能去除P、S。1879年英国人托马斯又发明了碱性底吹空气转炉炼钢法，改用碱性耐火材料作炉衬，在吹炼过程中加入石灰造碱性渣，此法适合于处理高磷铁水，并可得到优质磷肥。二十世纪40年代初，制氧技术得到了迅速发展。1952年在林茨（Linz）城，1953年在多纳维茨（Donawltz）城先后建成了30t氧气顶吹转炉车间并投入生产，称为LD法。23氧气转炉炼钢技术的发展可化分为三个时期：①转炉大型化时期（1950～1970年）②转炉复合吹炼时期（1970～1990年）③转炉综合优化时期（1990年以后）

以转炉大型化技术为核心，逐步完善了转炉炼钢工艺与设备。先后开发出大型化转炉设计制造技术、OG法除尘与煤气回收技术、计算机静态与副枪动态控制技术、镁碳砖综合砌炉与喷补挂渣等护炉工艺技术。由于连铸技术的迅速发展，出现了全连铸的炼钢车间。对转炉炼钢的稳定性和终点控制的准确性提出了更高的要求。为了改善转炉吹炼后期钢——渣反应远离平衡，实现平稳吹炼的目标，综合顶吹、底吹转炉的优点，研究开发出各种顶底复合吹炼工艺技术，在世界上迅速推广。

围绕纯净钢生产，研究开发出铁水“三脱”预处理、高效转炉生产、全自动吹炼控制与溅渣护炉等重大新工艺技术。降低了生产成本、大幅度提高了生产效率。现代转炉炼钢采用的重大技术有：转炉大型化技术、转炉复合吹炼技术、煤气回收与负能炼钢技术、全自动转炉吹炼控制技术、溅渣护炉与转炉长寿技术。243）一炉钢冶炼工艺过程上炉钢、渣出完后将转炉向加料侧倾动30－45°，把废钢和铁水装入炉内，摇正炉体开始降氧枪吹氧，同时从炉口上方加入第一批造渣材料(石灰、白云石、氧化铁皮等)，约全部料的1/2~2/3。吹炼的前3~4分钟为吹炼前期，此时熔池内温度低于1400°C，主要是Si、Mn氧化，C只是少量氧化，也叫硅锰氧化期，此时期烟气中CO含量低，故烟气放散不回收。随着吹炼的进行，硅锰氧化掉大部分，温度升至1470度以上，碳开始激烈氧化，进入吹炼中期，也叫碳氧化期。碳氧化速度很快（0.6％/min·t），此时降低枪位加强熔池搅拌，加速脱碳，并降下烟罩回收煤气；此时第一批料已全部熔化，加入剩余的第二批料，熔池温度较低，磷被大量脱除。25随着脱碳反应的进行，钢液中的碳含量减少，脱碳速度减小，进入吹炼末期，烟气量减少，烟气中CO含量减少，升起烟罩烟气放散。此时造渣料已全部熔化，碱度较高，硫被大量脱除。当碳和温度达到出钢要求时，提升氧枪，摇下炉体，测温取样化验，成分和温度合格后，向后摇炉出钢，同时向钢包内加入铁合金进行脱氧合金化操作。整个吹氧时间十几分钟。26

4)转炉设备供料系统转炉系统供气系统净化系统辅助设备27供料系统

包括铁水供应、废钢供应、散状料和铁合金供应.高炉铁水运至炼钢车间.废钢用废钢槽运到炉前.散状料供应系统包括散状料场、地下料仓、运料设施、转炉上方高位料仓、称量和加料设备.铁合金料仓及称量和输送设备、向钢包加料设备组成。28转炉系统转炉本体炉底:分截锥型和球冠型;炉帽:为截椎型,减少喷溅及热损失;炉身:采用圆柱形;转炉炉型指转炉内部自由空间的几何形状,分为筒球型、锥球型、截锥型。29转炉系统托圈用以支撑转炉和传递倾动力矩的金属构件。耳轴转炉左右耳轴是阶梯形圆柱体，由长侧耳轴低速转动将大扭矩从倾动机构传递给托圈。耳轴与托圈的连接为法兰盘螺栓连接。30供气系统（1）氧枪枪身由三层无缝钢管套装而成；内层与中层管之间的环缝是冷却水进水通道，中层与外层间的环缝为出水通道。氧气流速为45~50m/s，水速为6~7m/s。枪头喷孔为拉瓦尔管，可获得Ma=2.0左右的超音速气流。31供气系统（2）升降机构吹炼中用于调整枪位,由卷扬机、平衡锤、滑轮、钢绳卷筒组成，当卷扬机提升平衡锤时，氧枪及升降小车因自重下降；当卷扬机防下平衡锤时，因氧枪和升降小车的质量小于平衡锤而被提升。32供气系统（3）底部供气元件影响搅拌、炉子寿命、钢种质量及经济效益；分三大类：钢管型、砖型、细钢管多孔型（如图），不锈钢管内径为0.4~4mm，每块砖埋设10~150根。耐火砖为高纯度镁砂+石墨并配加一定量的防氧化剂制成。33净化系统-活动烟罩炉口上方的烟罩用于烟气收集，需通水冷却。由固定段与活动段组成，吹炼时活动段下降，缝隙用N2幕密封或采用微压差法以防止烟气外溢。转炉倾动时活动烟罩升起。34净化系统-汽化冷却烟道其作用是将1400~1500℃的烟气冷却至800~1000℃.结构为密排式无缝钢管排列围成筒状,冷却水从烟道下部通入,流经无缝钢管时,由于吸收高温烟气的热量而汽化,从而将高温烟气冷却.35辅助设备—副枪副枪用于了解吹炼过程某一时刻成分与温度，实现动态控制。由枪身及探头组成，钢液由探头侧面小孔流入样杯。可测温、取样、定碳、测定熔池高度。36辅助设备—挡渣机构由于合金化过程将降低钢液的氧化性，因此，要防止炉内含有（P2O5）的高氧化性渣进入钢包造成回P，必须进行挡渣操作，采用挡渣机构在即将完成出钢前将挡渣球送入炉内，防止炉渣进入钢包。375）炼钢熔池中元素的氧化顺序理论上（纯物质或纯元素）的氧化先后顺序

t＜1400℃：SiVMnCPFet=1400℃～1500℃：SiCVMnPFet＞1530℃：CSiVMnPFe实际（溶解态物质或溶解态元素）的氧化顺序溶解态元素的氧化顺序[Fe][Si][Mn][V][P][C]因为生铁水中含[Fe]93%～94%，[Fe]被氧化的机会远大于其他元素，所以[Fe]优先氧化。386）炼钢熔池中元素反应脱碳反应1）通过氧化反应脱除生铁中多余的[C]，使[C]含量达到合格钢要求的范围；

2）促进“三传”，均匀成分和温度，加速渣钢两相反应。脱碳反应进行时，产生大量CO气泡，剧烈搅动熔池，使钢水和炉渣产生沸腾，促进传质、传热和传动量，均匀成分和温度，使渣钢两相反应加速。

3）排出气体和非金属夹杂物，净化钢水。钢水剧烈沸腾，有利于钢水中的气体和夹杂物的上浮排出，使钢水得到快速净化。396）炼钢熔池中元素反应[Si]的氧化反应生铁中的[Si]含量一般高于合格钢中的[Si]含量，所以要把生铁中的[Si]氧化掉一部分。[Mn]的氧化反应炼钢生铁中含有一定量的[Mn]，在炼钢熔池中，有一部分[Mn]会被氧化掉。脱磷反应造成钢材冷脆有利于脱磷的条件——“三高一低”：高碱度、大渣量、高（FeO）、低温406）炼钢熔池中元素反应脱硫反应造成钢材热脆

有利于脱硫的条件——“三高一低”高碱度、大渣量、高温、低（FeO）钢水的脱氧钢中的[O]和[S]一样，会引起钢材的“热脆”。脱氧分为沉淀脱氧、扩散脱氧和真空脱氧三种方式。417）转炉炼钢方式氧气顶吹转炉炼钢主流炼钢方式氧气底吹转炉炼钢与氧气顶吹转炉相比，在炉底耐火材料的寿命、喷嘴维护以及因吹入碳氢化合物而使钢水中的[H]含量增高等方面，尚存在一些问题。顶底复合吹炼转炉近年来氧气转炉炼钢的发展方向。428）氧气转炉新技术铁水预处理新技术多段炼钢和少渣吹炼新技术提高转炉煤气的回收和有效利用率，实现“零能”或“负能”炼钢。----绿色炼钢43------炉外精炼

1炉外精炼的概念及目的

2炉外精炼的方法

3任务

4炉外精炼方法的共同特点441）炉外精炼的概念及目的概念：

炉外精炼就是将转炉（或电炉）中初炼的钢水移到另一反应器中进行精炼的过程，也称二次精炼。目的：把传统的炼钢方法分为两步，即初炼+精炼。初炼—在氧化性气氛下进行炉料的熔化、脱P、脱C和合金化。精炼—在真空、惰性气体或可控气氛的条件下进行深脱C、去气、脱氧、去夹杂物和夹杂物变性处理，调整成分，控制钢水温度等，从而优化工艺和产品结构、开发高附加值产品、节能降耗、降低成本增加经济效益。452）几种典型炉外精炼的方法DH法——真空提升脱气法。1956年发明；RH法——真空循环脱气法。1956年发明；VOD法——真空吹氧脱碳法。1965年发明；AOD法——氩氧精炼法。1968年发明；LF法——钢包精炼法。1970年发明。