1、1,轉(zhuǎn)爐煉鋼的基本任務(wù)及原理,董娟,2,轉(zhuǎn)爐煉鋼,轉(zhuǎn)爐煉鋼（converter steelmaking）是以鐵水、廢鋼、鐵合金為主要原料，不借助外加能源，靠鐵液本身的物理熱和鐵液組分間化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量而在轉(zhuǎn)爐中完成煉鋼過程。 轉(zhuǎn)爐按耐火材料分為酸性和堿性， 按氣體吹入爐內(nèi)的部位有頂吹、底吹和側(cè)吹； 按氣體種類為分空氣轉(zhuǎn)爐和氧氣轉(zhuǎn)爐。堿性氧氣頂吹和頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐由于其生產(chǎn)速度快、產(chǎn)量大，單爐產(chǎn)量高、成本低、投資少，為目前使用最普遍的煉鋼設(shè)備。 轉(zhuǎn)爐主要用于生產(chǎn)碳鋼、合金鋼及銅和鎳的冶煉。,3,轉(zhuǎn)爐煉鋼圖示,4,煉鋼的基本任務(wù)包括： 1.脫碳、脫磷、脫硫、脫氧； 2.去除有害氣體和夾雜； 3.提高溫

2、度； 4.調(diào)整成分 煉鋼過程通過供氧、造渣、加合金、攪拌、升溫等手段完成煉鋼基本任務(wù)。 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼過程，主要是降碳、升溫、脫磷、脫硫以及脫氧和合金化等高溫物理化學(xué)反應(yīng)的過程，其工藝操作則是控制供氧、造渣、溫度及加入合金材料等，以獲得所要求的鋼液，并澆成合格鋼鋼錠或鑄坯。,1.1轉(zhuǎn)爐煉鋼的基本任務(wù),5,1.2.1轉(zhuǎn)爐里的氧氣射流,轉(zhuǎn)爐中的氧氣射流具有以下特征： 1 、噴頭出口處氧氣流股達(dá)超音速 轉(zhuǎn)爐所用氧槍采用拉瓦爾噴頭，且尺寸按P出/P00.5283要求設(shè)計，通常M高達(dá)1.52.2，流股的展開和衰減慢，動能利用率高，對熔池的攪拌力強。 2、射流的速度漸慢、截面積漸大 射流進(jìn)入爐膛后，由于

3、受反向氣流（向上的爐氣）的作用而速度逐漸變慢；同時，由于吸收部分爐氣而斷面逐漸變大，擴(kuò)張角120左右。,6,1.2.2轉(zhuǎn)爐里的氧氣射流,3、射流的溫度漸高 射流進(jìn)入爐膛后被1450的爐氣逐漸加熱，加之混入射流的爐氣（CO）及金屬滴被氧化放熱，使射流的溫度逐漸升高。模擬實驗表明，距噴頭孔徑1520倍處射流的溫度在13001600之間；距噴頭孔徑3540倍處射流的溫度高達(dá)21502300，有人稱轉(zhuǎn)爐里的氧氣射流就象一個高溫火炬。,7,1.2.3底吹氣體對熔池的作用,攪拌熔池 氣泡對噴孔產(chǎn)生后座 噴入熔池的氣體形成氣泡時，殘余氣袋在距噴孔直徑二倍的地方受到液體的擠壓而斷裂，氣相內(nèi)回流壓向噴孔端面，這

4、一現(xiàn)象稱為氣泡對噴孔的后座。,實際生產(chǎn)中，從底部噴入熔池的氣流一般為亞音速，除在噴嘴處可能存在一段連續(xù)流股外，噴入的氣體將形成大小不一的氣泡并自動上浮。氣泡群在上浮過程中，因壓力減小而膨脹，并驅(qū)動、抽引金屬液向上運動，而后沿四周爐壁向下，并補向中心，從而對熔池尤其是其底部產(chǎn)生強烈的攪拌，,8,1.3 轉(zhuǎn)爐煉鋼爐渣,1.3.1 煉鋼爐渣的作用 1.3.2 煉鋼爐渣的來源及其組成 1.3.3 煉鋼爐渣的主要性質(zhì),9,1.3.1 煉鋼爐渣的作用,作用： 通過對爐渣成分、性能及數(shù)量的調(diào)整，可以控制金屬中各元素的氧化和還原過程； 向鋼中輸送氧以氧化各種雜質(zhì)； 吸收鋼液中的非金屬夾雜物，并防止鋼液吸氣（H

5、、N）。 其它作用。如：保護(hù)渣。 副作用：侵蝕爐襯；降低金屬收得率。,10,1.3.2 煉鋼爐渣的來源及其組成,煉鋼爐渣的來源： 加入的各種造渣材料及被侵蝕爐襯； 煉鋼中化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物：氧化物和硫化物； 廢鋼帶入得泥沙和鐵銹；氧化物或冷卻劑帶入的脈石。 爐渣的組成以各種金屬氧化物為主，并含有少量硫化物和氟化物。 煉鋼爐渣的基本體系是CaO-SiO2-FeO。,11,1.3.3 煉鋼爐渣的主要性質(zhì),堿度(basicity)： R1.31.5，低堿度渣； R1.82.0，中堿度渣； R2.5， 高堿度渣； 氧化性爐渣向金屬熔池傳氧的能力，一般以渣中氧化鐵（ FeO）含量來表示。 把Fe2O3折合成

6、FeO有兩種計算方法：全氧法和全鐵法。全鐵法較合理。 爐渣的氧化能力是個綜合的概念，其傳氧能力還受爐渣粘度、熔池攪拌強度、供氧速度等因素的影響。,12,1.3.4爐渣成分的變化規(guī)律,冶煉過程中，轉(zhuǎn)爐中熔渣成分的變化規(guī)律大致如下： （1）（FeO）：呈下凹弧形變化：吹煉初期，為了化渣槍位較高，渣中的（FeO）含量高達(dá)28%（復(fù)吹為16%）；中期隨脫碳進(jìn)行（FeO）被大量消耗而逐漸降至12%以下（太低，出現(xiàn)返干，復(fù)吹為6%）；隨著C的減少，脫碳速度下降，（FeO）的濃度又漸升至15%（復(fù)吹為12%）。 （2）（CaO）：隨著所加石灰的溶化，渣中的（CaO）含量漸升至50% （中期因爐渣“返干”溶化

7、很慢甚至停止）。 （3）（SiO2）和(MnO)：吹煉初期，硅、錳的氧化使之濃度很快分別達(dá)到20%和14%，而后隨著所加石灰的熔化逐漸降低至10%和6%。,13,物料平衡,熱平衡,轉(zhuǎn)爐冶煉的基本原理,14,2 轉(zhuǎn)爐冶煉的基本反應(yīng),主要闡述轉(zhuǎn)爐吹煉過程中的硅錳氧化、脫碳、脫硫和脫磷等基本反應(yīng)及熔體成分的變化情況，為學(xué)習(xí)后面的工藝內(nèi)容作好理論準(zhǔn)備。 硅錳的氧化、脫碳、脫硫和脫磷是煉鋼的基本反應(yīng)，但在轉(zhuǎn)爐煉鋼中又有其特殊性。,15,2.1轉(zhuǎn)爐內(nèi)的基本反應(yīng),從裝料到出鋼，倒渣，轉(zhuǎn)爐一爐鋼的冶煉過程包括裝料、吹煉、脫氧出鋼、濺渣護(hù)爐和倒渣幾個階段，如右圖所示。一爐鋼的吹氧時間通常為12-18min，冶煉

8、周期為40min左右。,一爐鋼冶煉過程,16,2.1.2煉鋼熔池中氧的來源,氧的來源： 直接向熔池中吹入工業(yè)純氧（98）； 向熔池中加入富鐵礦； 爐氣中的氧傳入熔池。 鐵液中元素的氧化方式有兩種：直接氧化(direct oxidation)和間接氧化(indirect oxidation)。,17,2.1.3直接氧化方式,直接氧化是指氧氣直接與鐵液中的元素產(chǎn)生氧化反應(yīng)。 當(dāng)向鐵液中吹入氧氣時，如果在鐵液與氣相界面有被溶解的元素如SiMnC,雖有大量的鐵原子存在，但根據(jù)元素的氧化次序SiMnC將優(yōu)先于鐵而被氧化。 反應(yīng)可寫為：C+12O=CO Si+O2=（SiO2） Mn+12O2（MnO）

9、在氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼時氧氣流股沖擊鐵液形成一個沖擊坑，氧氣與鐵液直接接觸，易產(chǎn)生元素的直接氧化。,18,吹入的氧氣由于動力學(xué)的原因首先與鐵液中的Fe原子反應(yīng)形成FeO進(jìn)入爐渣同時使鐵液中溶解氧O。爐渣中的（FeO）和溶解在鐵液中的O再與元素發(fā)生間接氧化。 其反應(yīng)為：O2+Fe=(FeO) (FeO)=Fe+O 如： 2O+Si=(SiO2) 或 2(FeO)+Si=2Fe+(SiO2)在渣-金界面上往往產(chǎn)生元素的間接氧化反應(yīng)。,2.1.3間接氧化方式,19,2.1.4煉鋼熔池中元素的氧化次序,溶解在鐵液中的元素的氧化次序可以通過與1molO2的氧化反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變化來判斷。 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，反

10、應(yīng)的Go負(fù)值越多，該元素被氧化的趨勢就越大，則該元素就優(yōu)先被大量氧化。 鐵液中常規(guī)元素與氧反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變化與溫度的關(guān)系繪制成圖。,20,1. CuNiMoW等元素氧化的Go線都在Fe氧化Go線之上。從熱力學(xué)角度來說，在煉鋼吹氧過程中這些元素將受到Fe的保護(hù)而不氧化。 2. CrMnVNb等元素的氧化程度隨冶煉溫度而定。 3. AlTiSiB等元素氧化的Go線在圖中位于較低的位置，它們最易氧化。在實際生產(chǎn)中，這些元素作為強脫氧劑使用。注意：雖然在煉鋼溫度下，F(xiàn)e氧化的Go線高于其它元素氧化的Go線，但由于鐵液中大多數(shù)為Fe原子，氧與Fe原子接觸機會多，故在實際上Fe還是會氧化。,21,

11、1、轉(zhuǎn)爐煉鋼中的脫碳 轉(zhuǎn)爐煉鋼的主原料鐵水中含有4.%左右的碳，遠(yuǎn)高于鋼種的要求，因此脫碳是轉(zhuǎn)爐煉鋼的主要任務(wù)之一。,2.2轉(zhuǎn)爐內(nèi)熔體成分變化,22,脫碳反應(yīng)的作用,脫碳反應(yīng)除了調(diào)整鋼液碳含量的作用外，其反應(yīng)產(chǎn)物CO氣體的上浮排除使得脫碳反應(yīng)給煉鋼帶來獨特的作用。 促進(jìn)熔池成分溫度均勻； 提高化學(xué)反應(yīng)速度； 降低鋼液中的氣體含量和夾雜物數(shù)量： 造成噴濺和溢出：,23,2.2.1 脫碳反應(yīng),轉(zhuǎn)爐中的脫碳反應(yīng)以間接氧化為主：(FeO)+C=CO+Fe。這是一個吸熱反應(yīng)，因此，熔池溫度升高至1500左右后脫碳反應(yīng)方能激烈進(jìn)行。 在氧氣射流的作用區(qū)，還會發(fā)生碳的直接氧化：1/2O2+C=CO，它是強放

12、熱反應(yīng)，故而，碳是轉(zhuǎn)爐煉鋼的主要熱源之一。 復(fù)吹轉(zhuǎn)爐底吹CO2氣體時，CO2也會參與碳的氧化： CO2+C=2CO，因此會強化爐內(nèi)的脫碳反應(yīng)。 C與氧的反應(yīng)有： 在渣-金界面上： C+（FeO）=CO+Fe C+O=CO 在氣-金界面上： C+12O2=CO,24,2.2.2 脫碳速度及影響因素,轉(zhuǎn)爐中脫碳速度呈三段臺階式變化。,1）第一階段 冶煉初期，熔池溫度低，主要是硅錳的氧化，脫碳速度很慢。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵水中的硅當(dāng)量即%Si+0.25%Mn1時，脫碳速度趨于零，隨吹煉進(jìn)行，硅錳含量下降，溫度也漸高，近1400時碳開始氧化，速度直線上升。故稱該階段為硅錳控制階段。 復(fù)吹轉(zhuǎn)爐由于有底吹攪拌，

13、脫碳反應(yīng)開始較早，而且速度增加平穩(wěn)。,25,2）第二階段 冶煉中期，是碳激烈氧化階段，脫碳速度主要受供氧強度的影響，即氧的傳輸是限制性環(huán)節(jié)。供氧強度越大，脫碳速度也越大（但過大易產(chǎn)生噴濺）。 復(fù)吹轉(zhuǎn)爐由于FeO控制得較低，最大速度不及頂吹轉(zhuǎn)爐，吹煉中不易噴濺但全程的平均速度較之還要大些。 3）第三階段 當(dāng)鋼液含碳量降低到一定程度時，碳的擴(kuò)散成為限制性環(huán)節(jié)，脫碳速度取決于熔池攪拌情況。,2.2.3脫碳速度及影響因素,26,2.2.4 臨界含碳量,轉(zhuǎn)爐煉鋼中，脫碳反應(yīng)速度由氧的擴(kuò)散控制轉(zhuǎn)成由碳的擴(kuò)散控制時的鋼液含碳量稱為臨界含碳量。頂吹轉(zhuǎn)爐的臨界含碳量為0.10%左右，而復(fù)吹轉(zhuǎn)爐由于有底吹攪拌其臨

14、界含碳量則為0.07%；而且，同為臨界含碳量以下時，復(fù)吹的脫碳速度也大些。,27,熔池中氧與碳生成CO氣泡上浮,%C%O=m(常數(shù)0.0020.0025),C與O成反比. 冶煉初期，碳的氧化速度較慢（溫低及Si、Mn的氧化）；進(jìn)入中期后脫碳速度迅速增大（硅、錳氧化結(jié)束，熔池溫度也已升至1400以上）；終點前20%時間脫碳速度又逐漸慢（因C已較低，碳的擴(kuò)散成了限制性環(huán)節(jié)）。,2.2.5 碳的變化規(guī)律小結(jié),28,2.3 轉(zhuǎn)爐冶煉脫磷反應(yīng),P對鋼材性能的影響 惡化鋼的焊接性能； 降低鋼材的塑性和韌性，使鋼產(chǎn)生冷脆性，即在低溫條件下鋼材的沖擊韌性明顯降低； 提高易切削鋼的切削性能； 改善鋼液的流動性，

15、提高鑄造性能； 提高合金鋼耐大氣和海水腐蝕性能； 能提高電工用硅鋼的導(dǎo)磁率。,29,2.3.1 脫磷反應(yīng) 放熱,脫P反應(yīng) 2P+5(FeO)=(P2O5)+5Fe (P2O5)+(FeO)=3(FeO.P2O5)-不穩(wěn)定 3(FeO.P2O5)+3(CaO)=3(CaO.P2O5)+3(FeO),能穩(wěn)定存在于渣中,反應(yīng)地點：渣鋼界面,總反應(yīng)式： 2P+5(FeO) 4(CaO) =4(CaO.P2O5)+5Fe,30,2.3.2 脫P反應(yīng)影響因素,爐渣堿度：R高，有利 溫度： T低，有利 （14501500） 渣量：渣量高，有利 渣中（FeO）量： （FeO）高，有利,31,鋼液回P現(xiàn)象：在冶

16、煉或出鋼過程中，如果爐內(nèi)熱力學(xué)條件或動力學(xué)條件發(fā)生變化，而導(dǎo)致爐溫太高，R，F(xiàn)eO過低，會導(dǎo)致已脫除到渣中的P重新返回到鋼液中，這個過程成為回P。1、爐溫過高；2、冶煉結(jié)束向爐內(nèi)或鋼包中加入鐵合金等脫氧，使渣中FeO降低，脫P產(chǎn)物使堿度降低3、鐵合金本身帶入一定量的P防止回P措施：防止下渣，即防止?fàn)t渣進(jìn)入鋼包，采用的方法是：出渣前加石灰稠化渣，并擋渣出鋼；出鋼時向鋼包中投入石灰，保持堿度。,2.3.3 鋼液回磷,32,低溫、適宜的高堿度、高氧化性利于脫P,吹煉前期應(yīng)使石灰快速成渣,將(3FeO.P2O5)置換為(3CaO.P2O5)和(4CaO.P2O5)穩(wěn)定化合物,使P去除.冶煉初期，脫磷速

17、度較快（溫低）；冶煉中期脫 磷速度明顯下降，甚至停止或發(fā)生“回磷” （溫度漸高，且 脫碳速度加快，大量消耗渣中的（FeO），甚至引起爐渣“返干”）；冶煉后期，若控制得當(dāng)脫磷反應(yīng)仍能緩慢進(jìn)行（熔池溫度雖較高，但脫碳速度較小，渣中的（FeO）高，爐渣堿度也較高）。,2.3.4 碳的變化規(guī)律小結(jié),2.3.4 磷的變化規(guī)律小結(jié),33,2.4轉(zhuǎn)爐冶煉脫硫反應(yīng) 吸熱,S對鋼材性能的影響 熱脆現(xiàn)象，即鋼錠或鋼坯在高溫條件（如1100度）下進(jìn)行軋制時，會產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象； 對鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響； 使鋼的焊接性能降低； 改善易切削鋼的切削性能。,34,硫在鋼中以FeS的形式存在， FeS的熔點為1193， F

18、e與FeS組成的共晶體的熔點只有985。液態(tài)Fe與FeS雖可以無限互溶，但在固熔體中的溶解度很小，僅為0.015%-0.020%。 當(dāng)鋼中的S0.020%時，由于凝固偏析，F(xiàn)e-FeS共晶體分布于晶界處，在1150-1200的熱加工過程中，晶界處的共晶體熔化，鋼受壓時造成晶界破裂，即發(fā)生“熱脆”現(xiàn)象。 如果鋼中的氧含量較高，F(xiàn)eS與FeO形成的共晶體熔點更低（940），更加劇了鋼的“熱脆”現(xiàn)象的發(fā)生。,2.4.1轉(zhuǎn)爐冶煉脫硫反應(yīng) 吸熱,35,2.4.2 脫硫反應(yīng) （吸熱）,爐渣脫硫的反應(yīng)式為： FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO) 吸熱 它的基本條件是高堿度、高溫度和低氧化鐵。,爐渣堿度

19、：R高，有利 溫度：T高，有利 渣量：渣多，有利 渣中（FeO）量： （FeO）低，有利 鋼渣攪拌情況,36,高溫利于脫S,渣中(CaO) 活度大,利于脫S,但轉(zhuǎn)爐渣的氧化性高,因此轉(zhuǎn)爐的脫S效率低. 幾乎成直線緩慢下降，吹煉中期，碳的激烈氧化使渣中的（FeO）急劇下降而出現(xiàn)“返干”，脫硫停止（初期，雖溫低，但鐵水含碳高，硫的活度系數(shù)大而具有一定的脫硫能力；后期FeO高，但B高、T高，因而也能脫硫）。,2.4.3 硫的變化規(guī)律小結(jié),37,2.5 轉(zhuǎn)爐其他元素變化,1、硅、錳的氧化,煉鋼中硅、錳的氧化以間接氧化方式為主，其反應(yīng)式為： Si+2(FeO)=(SiO2)+2Fe 放熱 Mn+(FeO

20、)=(MnO)+Fe 放熱 二者均是放熱反應(yīng)，因此它們都是在熔池溫度相對較低的吹煉初期被大量氧化；由于硅的氧化產(chǎn)物是酸性的SiO2，而錳的氧化產(chǎn)物是堿性的MnO，因此在目前的堿性操作中硅氧化得很徹底，即使后期溫度升高后也不會被還原，而錳則氧化得不徹底，而且冶煉后期熔池溫度升高后還會發(fā)生還原反應(yīng)，即吹煉結(jié)束時鋼液中還有一定數(shù)量的錳存在，稱“余錳”。,38,硅的氧化對熔池溫度，熔渣堿度和其他元素的氧化產(chǎn)生影響： Si氧化可使熔池溫度升高； Si氧化后生成（SiO2），降低熔渣堿度，熔渣堿度影響脫磷，脫硫； 熔池中C的氧化反應(yīng)只有到%Si0.15時，才能激烈進(jìn)行。 影響硅氧化規(guī)律的主要因素：Si與O

21、的親和力，熔池溫度，熔渣堿度和FeO活度。,2.5.1 硅、錳的變化,39,2.5.2余錳或殘錳,錳的氧化產(chǎn)物是堿性氧化物，在吹煉前期形成(MnOSiO2)。但隨著吹煉的進(jìn)行和渣中CaO含量的增加，會發(fā)生 （MnOSiO2)+2（CaO）=（2 CaOSiO2）+（MnO） （MnO）呈自由狀態(tài)，吹煉后期爐溫升高后，（MnO）被還原，即 （MnO）+C=Mn+CO 或（MnO）+Fe=（FeO）+Mn 吹煉終了時，鋼中的錳含量也稱余錳或殘錳。殘錳高，可以降低鋼中硫的危害，但冶煉工業(yè)純鐵，則要求殘錳越低越好。,40,2.5.2 余錳或殘錳,影響殘錳的因素： 爐溫高有利于（MnO）的還原，殘錳量高； 堿度升高，可提高自由(MnO)濃度，殘錳量增加； 降低熔渣中（FeO）含量，可提高殘錳含量; 鐵水中錳含量高，單渣操作，鋼水殘錳也會高些。,41,開吹時Si大量氧化,并結(jié)合為(2FeO.SiO2),隨石灰溶