转炉炼钢原理及工艺介绍.ppt

《转炉炼钢原理及工艺介绍.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《转炉炼钢原理及工艺介绍.ppt（63页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、转炉炼钢原料及工艺介绍,湛江钢铁炼钢厂,2014.10,一、转炉炼钢发展史,1855年亨利贝塞麦发明酸性底吹转炉炼钢法，第一次解决了大规模生产液态钢的问题。贝塞麦炼钢法的出现是现代炼钢法的开始。但由于它是酸性炉衬，不能造碱性渣，因而不能脱磷和脱硫。1878年托马斯发明了间碱性炉衬的转炉炼钢法，解决了高磷生铁炼钢的问题。由于大型空气分离工业的成功，用纯氧炼钢才成为可能，1952年发明的氧气顶吹转炉标志着转炉炼钢新的时代的到来。,二、炼钢基本原理,1、炼钢基本任务,钢和铁都是以铁元素为基本成分的铁碳合金。生铁和钢所以在性能上有较大的差异，主要原因是由于含碳量的不同是铁碳合金的组织结构不同而造成的。

2、生铁含碳高，硬而脆，冷热加工性能差；而钢则具有较好的韧性，强度高，热加工性能和焊接性能比生铁好，才能加工成各种类型的钢材而使用。生铁除含有较高的碳外，还含有一定量的其他杂质。所谓炼钢，就是通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害杂质，在根据对钢性能的要求加入适量的合金元素，使其成为具有高的强度、韧性或其他特殊性能的钢。,因此，炼钢的基本任务可归纳为：（1）脱碳并将其含量调整到一定范围。碳含量的不同不但是引起生铁和钢性能差异的决定性因素，同样也是控制钢性能的最主要元素。钢中含碳量增加，则硬度、强度、脆性都将提高，而延展性能将下降；反之，含碳量减少，则硬度、强度下降而延展性能提高。所以，炼钢过程必须按钢种

3、规格将碳氧化至一定范围。（2）去除杂质，主要包括：1）脱磷、脱硫：对绝大多数钢种来说，P、S均为有害杂质。P可引起钢的冷脆，而S则引起钢的热脆。2）脱氧：由于在氧化精炼过程中，向熔池输入大量氧以氧化杂质，至使钢液中溶入一定量的氧，它将大大影响钢的质量。因此，需降低钢中的含氧量。一般是向钢液中加入比铁有更大亲氧力的元素来完成（如Al、Si、Mn等合金）。3）去除气体和非金属夹杂物：钢中气体主要指溶解在钢中的氢和氮。非金属夹杂物包括氧化物、硫化物、磷化物、氮化物以及它们所形成的复杂化合物。在一般炼钢方法中，主要靠碳-氧反应时产生CO气泡的逸出，所引起的熔池沸腾来降低钢中气体和非金属夹杂物。（3）调

4、整钢液成分和温度。为保证钢的各种物理、化学性能，除控制钢液的碳含量和降低杂质含量外，还应加入适量的合金元素使其含量达到钢种规格范围。,2、炼钢炉渣,（1）炉渣来源 金属炉料中各元素氧化所形成的氧化物；废钢带入的泥沙和铁锈等；氧化剂或冷却剂(铁矿石、烧结矿等)带入的脉石；被侵蚀的炉衬耐火材料以及加入的各种造渣材料(石灰或石灰石、铁矾土、萤石、废火砖块等),（2）炉渣作用 一般说来，熔炼过程中炉渣和钢液直接接触，参与共间的物理化学反应和传热过程。通过对炉渣成分及其性能、数量的调整，可以控制金属中各元素的氧化和还原过程，例如硅、锰、磷的氧化和还原，脱硫和脱氧等。炉渣还能吸收钢液中的非金属夹杂物，并防

5、止钢液吸收气体(氢和氮)。,炉渣按照性质可分为：酸性渣和碱性渣；氧化渣和还原渣。,（3）炉渣的分子理论 炉渣组成 炉渣由自由的氧化物分子和复杂的化合物分子所组成。自由氧化物分子有：CaO、MgO、MnO、FeO、Fe203、A l203、P205、SiO2等；复杂化合物分子主要有五种：2FeO Si02、2MnOSi02、Ca0Si02、4CaOP205、3CaOP2O5。此外，还有硫化物：FeS、MnS等。,炉渣之间动态平衡 氧化物分子和化合物分子之间的反应处于动平衡状态，例如：Ca0Si02=CaO+Si02，随着温度的升高，分解程度增大，自由氧化物分子的浓度增而。,炉渣中参加化学反应的物

6、质 炉渣中只有自由氧化物才能参与化学反应，故凡以复杂化合物状态存在的，其氧化物的反应能力就低。,3、元素的氧化顺序,（1）纯氧化物的分解压 熔池中元素被大量氧化的先后次序，取决于它们与氧的亲和力的大小。一般用该元素氧化物的分解压来表示该元素与氧的亲和力的强弱。纯氧化物的分解反应可用下式表示：2MeO=2Me+O2 在一定温度下，分解反应达到平衡时，其平衡常数等于气相中氧的分压，即：K=PO2，此PO2称为该氧化物的分解压。通过实验测得不同温度下的分解压，即可绘出PO2-t的关系曲线图（见下页）。图中曲线的位置愈低，表明该氧化物的分解压愈小，该氧化物愈稳定，即该元素易被氧化。由图还可以看出：1）

7、在某一温度下，几种元素同时和氧相遇时，位置低的元素先氧化。如1500时，氧化顺序为Al、Si、C、V、Mn。2）位置低的元素可将位置高的氧化物还原。炼钢过程中脱氧就是利用Al、Si等元素将FeO还原。3）CO的分解压曲线的斜率与其它氧化物的不同，它与Si、Mn、V等的氧化物分解压曲线有一交点，此点所对应的温度称为氧化转化温度。例如，SiO2分解压曲线与CO分解压曲线相交点对应的温度为1530，当t1530时，Si先于C被氧化；当t1530时，则C先于Si被氧化。1530即为Si、C的氧化转化温度。,纯氧化物分解压与温度关系,由图可知：当t1530时，元素的氧化顺序是C、Si、V、Mn、P、Fe

8、；,（2）炼钢实际熔池中元素氧化顺序。上述元素氧化顺序是根据纯氧化物分解压的大小来判断的。纯氧化物分解压仅与温度有关，而在实际熔池中，各元素及其氧化物是处于多组元的溶液中，不是纯物质，因此，溶液中的氧化物的分解压不仅与温度有关，还与元素的浓度和炉渣的成分有关。例如，根据上图曲线，铁液内各元素中铁与氧的亲和力最小，只要有别的元素存在，铁就不会被氧化。但实际上，在氧气顶吹转炉吹炼一开始就可看到铁被大量氧化。再如，P2O5的分解压大于CO的分解压，C、P是不可能同时氧化的，但在氧气顶吹转炉吹炼前期，由于温度不太高，C的氧化受到抑制，同时渣中（FeO）较高，又形成了一定碱度、流动性良好的炉渣，为P的氧

9、化去除创造了条件，因此，在转炉吹炼的前期，P即被大量氧化而去除。由上可知，利用纯氧化物分解压的大小，只能定性地说明各元素与氧结合能力的大小及其随温度变化的趋势，而在炼钢的实际过程中情况要复杂得多。但可利用改变温度、浓度、分压、附加剂等因素来创造条件，促使反应按需要的方向进行，实现选择氧化或还原的目的。,4、元素的氧化和还原,（1）铁的氧化 由于铁元素在铁水中相对浓度最大，根据化学反应的质量作用定律，铁的氧化反应是最多最快的，炼钢初期首先一部分被氧化为氧化亚铁，反应如下：O2 2 Fe 2（FeO）或 O Fe（FeO）前式为铁的直接氧化反应，后式为铁的间接氧化反应。铁元索氧化生成的（FeO）一

10、部分进入炉渣，另一部分扩散到全属液中将其它元素氧化。炼钢过程中杂质元素的氧化，一般讲主要是通过（FeO）进行的间接氧化反应。,（2）硅的氧化与还原 硅是钢中的有益元素，它能增加钢的强度、弹性、耐热性和耐酸性。在炼钢金属料铁水和废钢中，均含有一定数量的硅。硅在铁液中有无限的溶解度，它可在铁液中形成金属化合物FeSi，在炼钢温度下硅可氧化成为SiO2。在任何一种炼钢操作中，硅的氧化反应都进行得很激烈。这是因为在冶炼初期，SiO2的分解压力比碳、锰和磷的氧化物的分解压都低。所以它极易被氧化，氧化时放出大量的热量。在转炉中几分钟内硅即氧化完毕。硅的氧化反应主要是在炉气与金属、炉渣与金属、渣膜与金属液滴

11、以及带渣膜的气泡与金属等界面上进行的。金属炉料未被炉渣覆盖，或氧气直接吹入金属熔池时，炉料中的硅可按下列反应被气 态氧直接氧化：2O+Si(SiO2),（2）硅的氧化与还原 当炉渣形成后或金属液滴和气泡与渣接触时，硅的氧化主要在炉渣与金属界面上进行：Si+2(FeO)(SiO2)+2Fe 由于硅的氧化是强烈的放热反应，所以熔炼初期，炉温不高时反应迸行得很快。硅氧化时产生的酸性氧化物(SiO2)起初与（FeO）结合成硅酸铁，即(SiO2)2（FeO）（2FeOSiO2）在碱性炼钢操作中，随着石灰的逐渐熔化，（FeO）被更强的碱性氧化物（CaO）从硅酸铁中置换出来，形成正硅酸钙：(2FeOSiO2

12、)+2(CaO)(2CaOSiO2)+2(FeO)正硅酸钙很稳定，故在碱性渣中，冶炼前期硅几乎全部被氧化，而不会再被还原。,（3）锰的氧化与还原 锰在钢中以MnO、MnS等形式存在。锰在钢中也是一种有益的元素，它可以防上钢的热脆，提高钢的强度、硬度、可锻性等机械性能。另外锰在炼钢中还起着脱氧剂和脱硫剂的作用。锰和硅相似，在铁液中有无限的溶解度，无论在碱性操作过程或酸性操作过程中都容易被氧化，其氧化产物为（MnO）。锰的氧化反应有三种情况：（1）锰与气相中的氧直接作用 Mn+1/2O2(MnO)（2）锰与溶于金属中的氧作用 Mn+O2(MnO),（3）锰的氧化与还原 3）锰与炉渣中氧化亚铁作用

13、Mn+(FeO)(MnO)+Fe 第三个反应在炉渣金属界面上迸行，是锰氧化的主要反应。锰的氧化还原与硅的氧化还原相比有以下基本特点：1）在冶炼初期锰和硅一样被迅速大量氧化，但锰的氧化程度要低些，这是由于硅与氧的结合能力大于锰与氧的结合能力；2）MnO为弱碱性氧化物，在碱性渣中（MnO）大部分呈自由状态存在。因此，在一定条件下可以被还原。由于锰的氧化反应是放热反应，故温度升高有利于锰的还原。所以在生产实践中冶炼后期熔池中会出现回锰现象，是由于钢中有一定数量的残锰。,（4）碳的氧化与还原 碳的氧化反应又称脱碳反应或碳氧反应，它是炼钢过程中最基本的一个反应，贯穿炼钢过程的始终。在炼钢过程中碳可以被氧

14、直接氧化成CO气体，反应式为；2（C）O22CO 熔渣中的（FeO）与氧化性气体接触被氧化成高价氧化铁(FeO)+1/2O2(Fe2O3)(Fe2O3)从炉渣表面扩散到渣与金属液交界面，与金属接触被还原成低价氧化铁(Fe2O3)+Fe 3(FeO)在渣与金属界面上，氧溶解到金属液中（FeO）O Fe 碳与溶于金属的氧发生反应，生成CO气体并排出到炉气中 C O CO,（4）碳的氧化与还原 碳的这种氧化反应在炼钢过程中有着极为重要的作用：1）使铁水中的含碳量降低到所炼钢种的规格范围内o 2）脱碳反应的产物CO气体从熔池中排出时产生佛腾现象，使熔池受到激烈地搅动，从而增大了反应接触界面，加速了传质

15、和传热过程，有刮于冶金物化反应的进行。同时均匀了熔池的成分和温度；（3）上浮的CO气体有利千清除钢中气体和夹杂物，从而提高钢的质量。为了加速碳的氧化，保持熔池内良好的沸腾状态，就必须提高炉温，并改善炉渣的流动性以及向炉内加入氧化剂（铁矿石、氧气等）。,（5）脱磷 磷在钢中通常认为以Fe3P和Fe2P形式存在。对绝大多数钢仲来说，磷是有害元素。随着磷含量的增加，将降低钢的塑性、韧性，即出现钢的脆性现象。由于在低温时更为严重，所以通常称为“冷脆性”。一般随钢中碳、氮、氧含量的增加，磷的这种有害作用增强。另外，磷在钢锭中的偏析度很大，更突出了其有害作用。困此，绝大多数钢种含磷量的要求是越低越好（一般

16、要求把磷去除到0045以下）。只有在个别钢种（如炮弹钢、易切削钢等）中磷才作为合金元素使用。在高炉冶炼中，由于炉内的还原性气氛，矿石中的磷几乎全部进入铁水，因而从金属中脱除磷，乃是炼钢过捏的重要任务，造渣的目的之一就是为了脱磷。炼钢的脱磷反应是在金属和炉渣的界面上进行的，其反应式为：2P+5(FeO)(P2O5)+5Fe 3(FeO)+(P2O5)(3FeOP2O5)在炼钢过程中，由于上述化学反应是一个放热反应，炼钢初期，炉温不高时对脱磷反应是有利的。由于生成的磷酸铁（3FeOP2O5）在高温下是不稳定的化合物，当炉温升高时，它可以重新分解，使磷又进入金属。为了使磷酸铁不发生分解反应，需向炉内

17、加入石灰，使磷酸铁转比为稳定的磷酸钙，其反应为：(3FeOP2O5)+4(CaO)(4CaOP2O5+3(FeO)综上所述，碱性炼钢炉内脱磷的总反应为：2P+5(FeO)+4(CaO)(4CaOP2O5)+5Fe,（5）脱磷 由以上反应式可见，有利脱磷的基本条件是；1）提高沪渣碱度，即提高（CaO）的含量；2）提高炉渣氧化性，即提高（FeO）的含量；3）脱磷反应是放热反应，所以较低的溶池温度有利于脱磷；4）加大渣量，即降低（P2O5）含量，也有刊于脱磷。但在实际生产中还需对以上的脱磷条件作具体的分析。高碱度、高氧化性炉渣有利于脱磷。但（CaO）和（FeO）并非可以任意提高，二者之间应有一定比值

18、，才能取得良好的效果。（FeO）能与（P2O5）生成磷酸铁，而且能促进石灰的熔化。当（CaO）含量一定时，增加（FeO）对脱磷有利，但（FeO）过高时将稀释（CaO）的脱磷作用；（CaO）能与（P2O5）给合生成稳定的化合物，是脱磷的充分条件。但（CaO）过高将使炉渣变粘影响脱磷的动力学条件而不利于脱磷。低温虽然对脱磷有利，但温度过低，则石灰不易熔化，碱性渣不易形成，炉渣粘度高,炉渣中各组分的扩散困难，反而对脱磷不利。渣量增加，由金属转入炉渣的总磷量也增加，从而降低了钢中的磷含量。但过分增大渣量，由于渣层增厚会引起一系列的间题，如熔池不易沸腾、温度不均匀、炉渣流动性不好和容易引起喷溅等。因此，

19、在实际生产中常采用多次倒渣造新渣的措施来提高脱磷的效率。总之，对影响脱磷的因素，在实际生产中应作具体的分析，灵活地利用和控制这些因素，才能达到良好的脱磷玫果。,（6）脱硫 炼钢使用的金属料和造渣料（主要是铁水和石灰）带入金属熔池中的硫量往往高于成品钢的要求，因此脱硫也是炼钢的重要任务之一，这也是冶炼过程中造碱性渣的另一主要目的。硫是活泼的非金属元素之一，在炼钢温度下能够与很多金属和非金属元素给合成气、液相的化合物，为发展各种脱硫方法创造了有利条件。各种脱硫方法的实质都是将溶解在金属液中的硫转变为金属液中不溶解的相，进入熔渣或经熔渣再从气相逸出，在炼钢过程中主要是通过炉渣来脱硫，气化去硫所占比例

20、较小。炉渣去硫就是通过渣中的碱性氧化物 CaO、MnO、MgO（主要是CaO）把来自金属的硫结合成稳定的硫化物CaS、MnS、MgS等，由于这些硫化物在金属液中溶解度很小，因此保证了硫不断由金属液转入炉渣，其反应步骤如下：硫由金属液向炉渣扩散 FeS(FeS)在炉渣中硫转变为稳定的化合物（FeS）（CaO）（CaS）（FeO）所以总的脱硫反应式为:FeS（CaO）（CaS）（FeO）,（6）脱硫 1）高碱度 由脱硫反应式可知，提高炉渣碱度，即增加渣中（CaO）含量有利于脱硫反应的进行，但脱硫是在金属液炉渣界面进行反应，在炼钢温度下，若炉渣碱度过高，炉渣粘度增大，从而增加了反应物（FeS）通过金

21、属液炉渣界面的阻力和降低了脱硫产物（CaS）离开反应区的扩散速度。因此，在提高碱度的同时，必须保证炉渣具有良好的流动性。2）高温 由于脱硫反应是吸热反应，所以高温有利于脱硫，同时高温可以促进石灰的熔化和改善炉渣的流动性，在转炉、平炉中，高温还能强化熔池沸腾，有利于扩散过程，从而使脱硫速度加快。3）低（FeO）根据化学中的质量作用定律，减少生成物的浓度，即降低渣中（FeO）的含量，有利于脱硫反应的进行。如在电炉炼钢的还厦期，炉渣的脱硫能力随着渣中（FeO）含量的降低而显著增大。但在氧化性的转炉炼钢中，炉渣中有适量的（FeO），反而有利于去硫。这主要是由干渣中有足够的（FeO）有助于加速右灰的熔解

22、，促进炉渣碱度的提高和使炉渣流动性变好，改善了脱硫的动力学条件。4）大渣量 增大渣量或采用多次倒渣造新渣的措施可以稀释生成物（CaS）的浓度，有利于脱硫反应的进行。但这样作会增加炼钢时间，耗费热量以及降低金属收得率等。,（7）脱氧 1）脱氧的目的 破坏钢锭的合理结构：如果浇注未经脱氧的钢液，随着温度的不断降低，由于碳和 氧严重时使得浇注澡作无法进行，轻者也会使部分CO气泡残留于钢中，成为不规则的气泡造成钢锭报废。降低钢的机械性能：由于氧在液体钢中溶解度校大，而在固体钢中的溶解度很小。氧以氧化物夹杂的形式存在于钢中，使钢的塑性、冲击韧性和其他机械性能降低。加剧钢的热脆倾向：如前所述，残留于钢中的

23、FeO能同FeS形成低熔点的共晶体，从而增加了硫的“热脆”危害。由于钢中溶解过多的氧有这些害处，所以，所有的钢种在冶炼终了时必须进行一定程度的脱氧，并在脱氧的同时，使钢中硅、锰及其他合金元素的含量达到成品钢规格的要求。完成合金化任务。,（7）脱氧 2）脱氧方法 现代炼钢生产中所采用的脱氧方法，根据脱氧剂加入方法和脱氧机理的不同，主要分为三类：沉淀脱氧、扩散脱氧和真空脱氧。沉淀脱氧 沉淀脱氧是炼钢中常用的一种脱氧方法。转炉、平炉炼钢多采用这冲方去。沉淀脱氧就是直接向钢液中加入与氧亲和力比铁与氧亲和力大的元素（脱氧剂），使它夺取溶解于钢中的的氧，生成不溶于钢液的氧比物，上浮进人炉渣，从而降低钢中的

24、氧含量。由于加入的脱氧元素是在钢液中直接与氧反应，所以又叫直接脱氧。沉淀脱氧的特点是：操作简便，脱氧速度快，时间短。但由于脱氧反应主要在钢液内部进行，钢中会有脱氧产物，而形成非金属夹杂，影响钢的质量。沉淀脱氧使用的各种脱氧元素通常以铁合金或纯金属的方式直接加入钢包内的钢液中，或在炼钢炉内预先加入部分合金对钢液进行预脱氧。常用的脱氧剂主要有：硅铁、锰铁、铝以及硅钙、硅锰钙等复合脱氧剂。,（7）脱氧 2）脱氧方法 扩散脱氧 扩散脱氧是以氧在金属液与炉渣间的分配定律作为基础的。根据这个定津，当温度一定时，氧在金属液与炉渣间的分配比为一常数，即：L0（FeO）/O 常数 式中L0 氧的分配系数。因此，

25、只要人为降低渣中（FeO）的含量，必将引起氧自金属液向炉渣的扩散转移，从而达到脱除金属液中氧的目的。扩散脱氧法一般应用于电炉炼钢中。生产中将炭粉、硅铁粉、硅钙粉或铝粉等脱氧剂加入渣中，依靠粉状脱氧剂对炉渣的还原作用，使渣中（FeO）含量降低，从而达到降低钢液中O的目的，其脱氧反应可表示为：O Fe（FeO）y（FeO）x（Me）（MexOy）y Fe 扩散脱氧的特点是脱氧元素不直接加入钢液中，而是通过O 向炉渣中扩散，来减少钢液中O 的含量，因此又叫间接脱氧。扩散脱氧的优点是，由于脱氧反应在炉渣中进行，脱氧产物不易进入钢液中，故钢液较纯净，所以是生产优质钢的一种很好的脱氧方法，其缺点是操作较复

26、杂，脱氧速度慢，时间长。因此，实际操作中常采用扩散脱氧与沉淀脱氧相结合的综合脱氧方法。,（7）脱氧 2）脱氧方法 真空脱氧 所谓真空脱氧是将已炼成的钢液，置于真空条件下，利用钢液中的碳作为脱氧剂进行脱氧。其反应为：O C CO 在真空下，由于 CO分压下降，破坏了钢液中碳、氧的平衡关系，使碳的脱氧能力大大提高。真空脱氧的最大特点是它的脱氧产物CO不污染钢液，而且在CO上浮的过程中，还会把钢中的气体（氮、氢）和非金属夹杂物带走。,（8）钢的合金化 加入某一种或几种合金元素，使其在钢中的含量达到成品钢规格的操作过程，通称合金化。实际上，脱氧和合金化经常是同时进行的。加入钢中的脱氧剂一部分消耗于钢的

27、脱氧，转化为脱氧产物而排出；另一部分则为钢液所吸收，起合金化的作用。而加入钢中的合金元素，因其与氧的亲和力多半比铁强，也必然起一定的脱氧作用。合金元素的加入方法主要取决于它们的被氧化程度，以及合金元素的熔点，比重和加入量的多少。对于不氧化的元素，如镍、铂、铜等，它们与氧的结合力都比较小，冈此，可在装料时加入，也可在化铁炉内与生铁一起熔化。对于弱氧化元素，如钨、铬等，它们与氧的亲和力不大，按冶炼方法不同，一般以铁合金形式加入钢包内。对于那些易氧化的元泰，如铝、硅、硼、钒、钛等，它们既易被钢液中熔解的氧所氧化，也易被渣中氧化铁所氧比，所以为了减少烧损，应尽量在脱氧良好的情况下加入，特别是对于比较昂

28、贵的合金元素。如钒、铌、钛等，应在最后加入，以提高它们的回收率。,（9）钢中的气体 钢中的气体主要是指氧、氮、氢这三种气体。在炼钢生产中，由于大气和水分直接参与冶金反应过程，这些气体不可避免地会进入到钢液中去，从而对产品的性能和质量带来各种影响。氮和氢仅微熔于钢液中（约110ppm之间），它们在固体钢中的熔解量更小，但它们对钢性能的影响却很大。氮的来源和危害 钢中的氮主要来源于氧气、炉气和所加入的金属炉料。氧气转炉冶炼的钢，其含氮量主要受氧气纯度的影响。钢中的氮能增加钢的时效硬化性，即含氮高的钢在经长时问放置后，性能不断变比，钢的强度和硬度升高，塑性和冲击韧性显著下降。钢材的时效硬化，有时可能

29、造成钢在使用和冷加工过程中的断裂。另外，钢中氮还是导致“蓝脆”的主耍原因。所谓“蓝脆”是指250450这个温度范围内钢的强度升高、冲击韧性下降。由于钢在这种温度下加热时，表面发蓝，因而叫“蓝脆”。但在一定条件下，氮也作为一种重要合金元素来应用。一般采用中间合金和渗氮方法加入钢中。如高铬钢中加入氮，可提高其强度而又不降低塑性。在不锈钢中氮可增强其抗腐蚀的能力；对钢部件进行表面渗氮处理，则可提高其耐磨性、抗蚀性和疲劳性能。,（9）钢中的气体 氢的来源和危害 钢中的氢主要来源于炼钢用原材料，例如，石灰通常含有46的水分，铁合金中也有少量水分，炉衬和浇注设备（如未烘干的炉衬、钢包等）也是氢的来源之一。

30、此外，氢也可来自大气中的水分，尤其在雨季时，空气湿度大，钢中往往有较多的氢。钢中氢危害性极大，随着钢中含氢量的增加，钢的强度，特别是塑性和韧性将显著下降，使钢变脆，称为“氢脆”。氢还是钢中“白点”产生的恨本原因，钢中白点是在轧制和锻造后冷却过程中形成的，在钢材上取断口试片，断口上呈圆形或椭圆形的银白色斑点，故称为“白点”，但在钢的横断屈取酸浸试片，试片上呈极细的裂缝，所以又称“发裂”。这种存在于钢坯内部的小裂缝，将在钢材加工成材厂的使用中继续扩展，有时使钢材突然破坏，因此，有白点的钢材不能使用。措施：使用干躁、清洁的炉料；控制钢水温度不要过高（气体在钢中的溶解度随温度升高而升高），并保持炉内良

31、好的沸腾；尽可能减少钢水与炉气接触的时间和烘烤钢包等。另外，采用富氧或纯氧炼钢、真空熔炼、真空脱气以及真空浇铸等新技术，可以保证钢中气体含量降到最低限度。,（10）钢中的非金属夹杂物 钢中非金属夹杂物是指钢中一些金属元素（Fe、Mn、Al等）及SI与非金属元素（O、S、N、P）结合而成的非金属化合物。通常主要是硫化物（FeS、MnS）和氧比物（FeQ、MnO、SiO2、Al2O3等）。按重量计算，其中硫化物约占50以上。来源：1）在熔炼、凝固和脱氧过程中化学反应的产物；2）耐火材料和炉渣的微粒以及原材料中带入的杂质。危害和益处：1）钢的塑性、韧性和疲劳强度降低，夹杂物多的钢还容易产生分层、裂纹

32、等缺陷，硫化物夹杂易造成钢的热脆等。2）硫化物夹杂物使钢材脆性增加，可改善钢的切削性能，而细小的氧化铝夹杂能细化晶粒等。措施：改善耐火材料的质量；尽可能使加入的炉料和浇注设备洁净；炼钢中在高温下使熔池有足够的沸腾时间，利用CO气泡在上浮过程吸附夹杂，增加夹杂相互碰撞、长大、浮入渣中的机会；采用正确的脱氧制度，出钢后在钢包中进行镇静，使夹杂物充分的时间上浮到渣中而被除去；采用保护浇注、真空浇注等，以减少或杜绝空气对钢液的二次氧化。,三、炼钢工艺,1、炼钢用主原料和副原料 主原料（1)铁水 铁水是转炉的基本原料，一般占金属料装入量的70100。转炉是依靠铁水的化学热和物理热来炼钢的，因此对铁水的化

33、学成分和温度必须有一定要求。铁水的碳含量主要取决于铁水温度及硅含量，含量最多时为饱和溶解度。在转炉吹炼过程中，碳很容易同氧反应产生CO或CO2气体而被去除。因此，在实际操作中，铁水中碳含量的波动并不太重要。硅是转炉炼钢中重要的发热元素之一。铁水含硅量高，转炉的热量来源增加，这样可以多加废钢和矿石，提高钢水的收得率。铁水中的硅，在冶炼初期即全部氧化生成SiO2而形成炉渣。如果铁水含硅量过高，则导致石灰消耗量增加，从而使渣量过大，容易产生喷溅，使金属收得率下降，同时加剧对炉衬的侵蚀，使炉龄下降。反之，铁水含硅量低时，致使热量不足，石灰熔解缓慢，不易成渣，渣量过少。对脱磷、脱硫不利。因此，在转炉操作

34、中，要求铁水中的含硅量稳定在合适范围内。,锰在铁水中是一种有益元素，它能加速石灰的熔化，促进化渣，提高炉衬寿命，并有利于去硫。铁水中的锰和冶炼终了时钢水中的锰有正比关系。除了个别钢种外，磷和硫通常是炼钢过程中要去除的有害元素，所以铁水中的磷和硫应该越低越好。当使用磷、硫含量高的铁水冶炼低磷、低硫钢种时，必须对铁水进行预处理，或采用双渣法等工艺。此外，有的铁水中还含有钒、钛等元素。这种铁水都是先吹炼钒渣，回收钒，然后用半成品炼钢。铁水温度的高低也就是通常所指铁水物理热的多少。转炉炼钢所用铁水的温度不应过低，并尽可能稳定。一般要求兑入转炉的铁水温度12001300。同时应尽量不带渣或少带渣。目前国

35、内外转炉已普遍采用铁水扒渣工艺。总之，转炉炼钢时铁水总的技术要求是：硅、锰合适，磷、硫低，成分稳定，温度高。,1、炼钢用主原料和副原料 主原料（2)废钢 废钢是炼钢的金属料，也是理想的冷却剂，氧气转炉炼钢因热量有富裕，一般可加入30以下的废钢。废钢的质量对炼钢的技术经济指标影响很大，而废钢的来源往往很复杂，因此，废钢的管理和加工非常重要。废钢入炉前应仔细检查，严防混入封闭器皿、爆炸物和毒品，注意防止混入铅、锌、锡、铜等有色金属，此外，应尽量减少废钢带入的泥沙、耐火材料和炉渣等。合金废钢应按其所含合金元素的不同分类存放，避免混杂，以避免贵重合金元素损失或造成熔炼废品。对外形尺寸和单重过大的废钢，

36、应预先进行解体和切割，使能顺利装炉，不撞伤炉衬和加速熔化。对轻薄料应打包或压块，以缩短装料时间。,1、炼钢用主原料和副原料 副原料（1)造渣材料 石灰 石灰是碱性转炉炼钢基本的造渣材料，它由石灰石锻烧（CaCO3CaOCO2）而成。炼钢是利用石灰中的主要成分CaO来脱除磷、硫的。轻烧白云石 白云石的主要成分是（CaCO3MgCO3）,用白云石代替都分石灰造渣，使炉渣中保持一定的氧化镁含量，可以减少炉衬中的MgO向炉渣中转移，而且还能促进前期化渣，减少萤石用量和稠化终渣，减轻炉渣对炉衬的浸蚀，延长炉衬寿命。宝钢使用由白云石锻烧而成的轻烧白云石（CaOMgO）。萤石 萤石的主要成分是 CaF2，加

37、入炉内能帮助化渣，是造渣的助熔剂。萤石的熔点很低（约920），还能使CaO的熔点显著降低，因而能加速石灰的熔解，迅速改善碱性炉渣的流动性，萤石化渣的优点是作用快，且不降低炉渣的碱度，但萤石用量过多会引起喷溅，并降低炉衬的寿命。对萤石的主要要求是高的CaF2。含量和低的酸性氧化物SiO2的含量。宝钢基本不使用萤石。,1、炼钢用主原料和副原料 副原料（2)氧化剂 氧气 由于吹氧炼钢时钢中的含氮量与氧气的纯度有密切关系，因此一般要求氧气的纯度99.5，（宝钢要求996），氧气应脱除水分，还要求氧压稳定，安全可靠。氧气的使用压力一般为0.81.2MPa。铁矿石和氧化铁皮 铁矿石和氧化铁皮的主要成分是氧

38、化铁（Fe2O3和Fe3O4），铁矿石和氧化铁皮加入炉内后，可以增加渣中的FeO，有加速石灰熔化，改善炉渣流动性的作用。因此有时也用作辅助造渣材料。炼钢用的铁矿石要求含铁高，SiO2 和水分要少。对氧化铁皮，则要求杂质含量少，不得含油污和水分，使用前必须干躁。,1、炼钢用主原料和副原料 副原料（3)冷却剂 转炉炼钢过程中，熔池的热量是有富余的，因此必须加一些冷却剂，以调整熔池温度达到所炼钢种的出钢温度范围。常用的冷却剂除废钢外，还有铁矿石、烧结矿、氧化铁皮等。它们在熔化和还原时要吸收大量的热，所以能够起到调节熔池温度的作用。这些冷却剂可以直接炼成钢，而且利用了其中的氧，同时又是助熔剂，有利于化

39、渣。在缺乏废钢和富铁矿等原料的地方，也用石灰石作冷却剂。石灰石加人转炉后会很快分解成CaO。因此，同石灰一样，又可作为造渣剂。但它在分解时要吸收大量的热量，因而又可作为冷却剂使用。,2、铁合金 铁合金又是炼钢不可缺少的材料，因此，铁合金的质量和成本直接影响到钢材的质量和成本，特别是对于铁合金加入量较多的钢种更是如此。转炉炼钢对铁合金的要求：杂质含量（P、S）合金元素/铁比 复合铁合金各元素比例 铁合金有害元素含量 氧化物含量 铁合金颗粒控制,2、铁合金 主要品名 锰系合金：高碳锰铁、中碳锰铁、低碳锰铁、高纯锰铁、金属锰、硅锰 硅系合金：硅铁、高纯硅铁、铝硅铁、硅锰 铝系合金：纯铝、铝铁、铝硅铁

40、 氮系合金：氮化锰铁、氮化铬铁 特殊合金：电解铜、电解镍、镍铁、铜镍铁、高碳铬铁、中碳铬铁、微碳铬铁、铌铁、钒铁、硼铁、钼铁、钨铁、钛铁,3、氧气顶吹转炉工艺特点（1）氧气顶吹转炉的优越性 生产率高 氧气顶吹转炉由于采用含量在99以上的氧气进行吹炼，反应激烈，脱碳、升温速度很快，冶炼周期很短，一般只需要半小时左右，如宝钢300吨转炉平均冶炼周期为36分钟炉，而平炉则要56小时（吹氧）才能炼一炉钢。氧气顶吹转炉炼钢的生产率为平炉的68倍，是一种效率极高的炼钢炉。原料适应性好 冶炼的钢质量好、品种多 基建投资少、建设速度快 原料消耗少，热效率高、成本低 利于自动化生产和开展综合利用 缺点 它所能冶

41、炼钢的品种不及电炉；炼钢过程中金属的烧损较大；脱磷、脱硫的能力不强；另外由于氧气由炉口吹入，不是直接穿过熔池，与金属的接触面不够大，因而氧气的利用率和热效率不够高。,3、氧气顶吹转炉工艺特点（2）氧气顶吹转炉炼钢的操作过程,装料 上一炉出钢后，首先清除炉渣，如果炉衬有损坏，还需用耐火材料进行补炉。然后把转炉转至装料位置，将预先称量好的铁水和废钢用吊车装入炉内。为了防止附着在废钢上的水分引起爆炸，通常先将废钢装入炉内（在炉役未朋，由于炉衬很薄，为了避兔炉衬被废钢冲击和剧烈冷却，以及对废钢加入量很大的转炉，为了避兔废钢强烈冷却炉衬，要先兑铁水后加废钢）,吹炼 装入废钢和兑铁水后，将转炉转至吹炼位置

42、，下降氧枪并同时加入第一批渣料（石灰、萤石、白云石、铁皮、矿石等），其量约为总渣料量的2312，当氧枪降至预定位置（液面上方13米）时，即以规定的氧压（0.81.2MPa）开始吹炼。当氧气流股与熔池面接触时，立即发生铁、碳、锰、硅的氧化点火，并放出大量热量以使熔池温度升高，炉料中的造渣剂与氧化反应生成物（SiO2、MnO、FeO等）相互作用，很块就形成炉渣覆盖在熔池面上。,吹炼 吹炼初期，由于铁水温度不高，硅、锰的氧化速度比碳快，开吹23分钟时，硅、锰已基本上被氧化（所以又称硅、锰氧化期），同时铁也被氧化形成FeO进入炉渣和熔于铁水，石灰逐渐熔化，磷也被氧化进入炉渣。吹炼初期炉口出现黄褐色的烟

43、尘，继后为红色火焰，这是由于炉口带出许多微小铁水珠在空气中燃烧而形成的。随着硅、锰的减少，熔池温度升高，碳的氧化速度加快，此时从炉口喷出的火焰变大，亮度也提高，炉渣起泡，并有小粒铁从炉口喷溅出来，反应进入吹炼中期。吹炼中期是脱碳最激烈的时期（又称碳氧化期），这时吹入的氧气几乎100与熔池中的碳反应生成CO，炉渣中的氧化铁含量也下降，随着熔池温度的升高，使锰和磷在炉渣金属间的分配发生变化，要从炉渣返回到钢液中，产生锰和磷的回升现象。这个时期，由于渣料的逐渐加入，炉渣碱度逐渐增高，脱硫反应开始进行，硫以CaS的形式进入炉渣。此外，废钢由于渗碳和熔池温度的升高而不断熔化。,吹炼 吹炼后期，由于含碳量

44、降低，碳的氧化速度变慢，从炉口排出的火焰逐渐收缩，透明度逐渐增加。这时吹入熔池的氧气，使铁逐渐地取代碳而开始氧化，渣中氧化铁量及钢液申氧浓度急剧升高。由于铁的氧化放热，使熔池的升温速度略微增大。由于渣中氧化铁量增加和熔池温度升高，促进了石灰熔化，并使 锰、磷再次转入炉渣中。废钢在吹炼末期因熔池温度升高而熔化完毕，硫在吹炼中随着石灰的渣化而转入渣中。最后根据炉口喷出的火焰状态以及累计用氧量和吹炼时间等，可以精确地推算出钢液的含碳量和温度。当根据判断确定已经达到规定的终点碳及终点温度时，就提升氧枪，停止供氧。当氧枪完全提出炉体后，利用副枪进行测温取样作业，判断炉内冶炼情况。如果终点温度低于规定的出

45、钢温度，或终点碳高于钢种规定值时，要再次进行补吹，以提高钢液温度或脱碳；若硫、磷含量还高于钢种规定，则要补加适量的造渣材料进行补吹；若温度过高，可加入冷却剂进行冷却。,出钢 当把钢液成分和温度调整到规定值后，将转炉摇向出钢侧进行出钢。有时也在出钢前向炉内添加某些脱氧剂，进行所谓的预脱氧。由于炉内存在大量的氧化性炉渣，在炉内进行完全脱氧是困难的，所以脱氧主要是在钢包内进行。出钢就是将炉内的钢水倒入放在转炉下面的钢包内。在出钢过程中，根据钢种的要求，向钢包内加入铁合金，进行脱氧和合金化。出钢结束后，将炉渣从炉口倒入渣罐，从而结束了一炉钢的冶炼过程。整个冶炼周期，从装料至倒渣完毕的时间大约为3040

46、分钟。,4、氧气底吹转炉工艺特点 吹炼过程乎稳，喷溅少，金属收得率高 冶炼时间短，生产率高 脱磷、脱硫效果好 冶炼钢种广泛 基建投资少 氧气底吹转炉炼钢虽然有上述一系列的优点，但也存在着一些弱点：炉底寿命较低，耐火材料消耗大；因要从炉底喷入多种物质（氧气、冷却介质、氮气、石灰粉等），故炉底结构复杂，管路多，输送装置复杂。用碳氢化合物作冷却介质，不但要额外消耗氧气重量35的燃料油或丙烷、天然气和相应数量的氧气，而且它们的裂解使钢中含氧量增加，为了降低钢中含氢量，一般在吹炼末期吹入惰性气体（N2，Ar）进行搅拌。但用氮气时钢中氮含量又将有所增加，而且使钢水温度下降。,5、复合吹炼的工艺特点 顶底复

47、合吹炼操作，主要是除顶吹供氧外，还从炉底吹入惰性气体、炉底吹氧以及炉底同时喷吹熔剂。是在充分利用顶吹转炉炼钢技术的同时从炉底吹入一部分氧或惰性气体等，以此强化熔池的搅拌能力，改善熔池的动力学条件，并通过惰性气体进行脱碳。（1）由于熔池搅拌加强，扩大了钢液与沪渣的接触面积，成渣快，吹炼平稳，反应易达到平衡，喷溅少。不仅减少了金属损失，而且为提高供氧强度，缩短供氧时间提供了前提（2）吹炼过程中熔池CO分压低，尤其是以惰性气体为底部搅拌气体时，更有利于熔池CO分压的降低，从而能经济、方便地冶炼低碳钢及超低碳钢（C0.01）,5、复合吹炼的工艺特点（3）熔池搅拌力增强，抑制了熔池铁的过氧比，减少了渣中

48、的氧化铁含量，从而提高了金属收得率（约1）。同时降低了钢中的氧含量，从而减少钢中非金属夹杂物，提高钢的质量（4）由于终渣氧化铁含量低，因此钢水中残（Mn）量增加，而且锰铁脱氧效率也相应提高，从而可降低铁合金的消耗量（5）熔池均匀有力的搅拌，使炉渣的精炼能力得以充分的发挥，易于获得低硫、低磷和温度、成分均匀的高质量钢水；（6）通过喷吹固体含碳物质（如煤粉）作为二次燃料并强化一氧化碳的二次燃烧，能量利用率高，废钢比大大提高。（7）良好的搅拌使熔池温度、成分均匀、炉子的可控性明显改善，冶炼过程中的可预测性、再现性提高，有利于采用副枪进行动态控制，从而终点命中率提高。,6、过程控制模型 静态控制是以物

49、料平衡和热平衡为基础建立一定的数学模型，按照已知的原材料条件和吹炼终点温度和成分的要求，计算铁水、废钢和造渣材料的加入量和供应量，按计算结果装料和吹炼，吹炼过程中不再进行修正的控制方法。动态控制是在静态控制的基础上，除进行装料计算外，再根据吹炼过程中获得的信息（金属成分、温度及炉渣状况等）修正吹炼条件或迅速确定终点以达到预定目标的控制方法。与静态控制相比，动态控制具有更大的适应性和准确性，可实现最佳控制。动态拄制的关键是吹炼过程中要快速、正确并连续地获得熔池内的各个工艺参数。目前，普遍应用副枪在吹炼过程中测温和定碳来实现终点控制。,6、过程控制模型 第一、采用静态模型计算装料量、供氧量及枪位；

50、第二、供氧量达到约90时，用副枪测温、定碳，确定由于吹炼条件引起的温度和碳的偏差；第三、根据脱碳和升温模型及冷却剂的冷却效果，计算达到终点碳需要的氧量和由此产生的升温量，得出达到终点的钢水温度。如计算温度高于出钢的目标温度，再计算出冷却剂的用量；如低于出钢的目标温度，则增加供氧。第四、在吹炼终点，测出钢水温度和含碳量，根据终点预定值与实际值之间的差别，自动修正控制模型，供下炉使用。采用副枪进行动态拄制可使吹炼终点的命中率达到90以上，它是目前氧气转炉自动控制的主要发展方向。,四、渣处理工艺,1、热泼法 热泼法是将转炉渣由渣罐运往渣场，热泼在平地或泼渣坑内，然后喷水冷却，待熔渣凝固、龟裂后，再泼