煉鋼工藝及基礎(chǔ)理論

1、煉鋼工藝及基礎(chǔ)理論一、轉(zhuǎn)爐煉鋼的基礎(chǔ)理論1、氧氣煉鋼轉(zhuǎn)爐中物理化學(xué)反應(yīng)的基本條件和特點(diǎn)(1)、首先，在氧氣煉鋼轉(zhuǎn)爐中要用氧氣將鐵水中的 C Si、Mr P等元素快 速氧化到吹煉終點(diǎn)的要求，在吹氧的全部時(shí)間內(nèi)，熔池中始終進(jìn)行著強(qiáng)烈的元素 氧化反應(yīng)，顯然，在吹氧時(shí)間內(nèi)，爐中具有很強(qiáng)的氧化特性。只是在吹氧結(jié)束后 的為時(shí)很短的脫氧和合金化時(shí)間內(nèi)，熔池中的反應(yīng)才主要是還原反應(yīng)。(2)、氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼是在適當(dāng)?shù)母邷叵逻M(jìn)行的，在吹煉過程中，將入爐的 12501350c的鐵水加熱到16601730C。這是現(xiàn)代優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、低成本 煉鋼方法的必要條件。吹煉的過程溫度和終點(diǎn)溫度都應(yīng)當(dāng)適當(dāng)，不應(yīng)過低或過高， 過程

2、溫度過低，熔池中傳質(zhì)和傳熱速度緩慢，造渣困難，因而不利于熔池金屬中 雜質(zhì)的去除和廢鋼等固體料的熔化，相反，過程溫度過高，又對爐襯壽命有害， 不利于某些不適于過高溫度下進(jìn)行反應(yīng)的雜質(zhì)的去除，鋼中有害氣體的含量也將提高。此外，過高或過低的終點(diǎn)溫度，都有會降低鋼坯的質(zhì)量，降低鋼坯的合格 率，降低設(shè)備的壽命，事故也增高。(3)、氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，同時(shí)而連續(xù)地進(jìn)行著多種多相物理化學(xué)反應(yīng)， 通常在轉(zhuǎn)爐中同時(shí)存在著金屬和爐渣兩相液相，CO CO、02和爐氣等幾種氣相，爐襯、固體成渣材料、廢鋼、鐵合金和固體非金屬夾雜物等多相周相，因此，必 須應(yīng)用多相系的物理化學(xué)規(guī)律研究煉鋼熔池中的反應(yīng)。2、氧化反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)

3、進(jìn)行的結(jié)果受兩個因素制約； 一個是熱力學(xué)，即在給定的外界條件 下，反應(yīng)最終能達(dá)到的狀態(tài)一一平衡態(tài)； 另一個是動力學(xué)，即反應(yīng)向平衡態(tài)趨近 的速率。動力學(xué)因素比熱力學(xué)復(fù)雜的多。但幸運(yùn)的是，化學(xué)反應(yīng)隨溫度的升高而急劇 增加，在煉鋼主高溫下，許多反應(yīng)都可以達(dá)到或接近平衡。因此，有關(guān)高溫冶金 反應(yīng)平衡的知識對煉鋼工作者是很有用的，煉鋼過程中，有些反應(yīng)沒有完全達(dá)到， 而是主要原因是由于反應(yīng)物傳輸?shù)椒磻?yīng)地帶的傳質(zhì)速率不夠快造成的。煉鋼過程所涉及的物理變化和化學(xué)反應(yīng)是復(fù)雜的， 其中最主要的是C、Si 、ME、P組分的氧化3、脫碳反應(yīng)鋼液中C、O與氣相中CO CO反應(yīng)及其平衡數(shù)據(jù)如下；C + O =COlgH=

4、1160/T -2.003 (2-2)_ _C_ _C +2 O =COg K = 9877/T-2.759(2-3)_C_ _C + C O2 =2COlg K = 7758/T+6.765 (2-4)CQ + O =C Qlg K'= 8718/T-4.176 (2-5)平衡時(shí)，這四個反應(yīng)中只有兩個是獨(dú)立的?？梢匀芜x其中兩個作為獨(dú)立反應(yīng)， 其余三個的熱力學(xué)數(shù)據(jù)均可由被選的定兩個獨(dú)立反應(yīng)的數(shù)據(jù)求得。二、煉鋼原材料原材料分類按性質(zhì)分類,轉(zhuǎn)爐原材料分為金屬料和非金屬料兩類。金屬實(shí) 包括鐵水(生鐵)、廢鋼、鐵合金；非金屬實(shí)包括石灰、螢石、白云石、合成渣 劑、氧氣、氮?dú)?、氮?dú)猓送膺€有耐火材

5、料等。按用途分類，原材料分為金屬料、 造渣劑、化渣劑、氧化劑、冷卻劑和增碳劑等。1、金屬料(1)、鐵水(生鐵)鐵水是轉(zhuǎn)爐的主要金屬料，占金屬裝入量的70%100%為了保證冶煉過程順利，鐵水必須滿足要求。、鐵水溫度溫度是鐵水帶入爐內(nèi)物理熱多少的標(biāo)志， 這部分熱量是轉(zhuǎn)爐熱量的重要來源 之一。對轉(zhuǎn)爐，鐵水溫度過低將造成爐內(nèi)熱量不足，影響熔池升溫和元素氧化 進(jìn)程，同時(shí)不利于化渣和去除雜質(zhì)，還容易導(dǎo)致噴濺。因此轉(zhuǎn)爐通常要求鐵水溫 度必須大于1250 Co、鐵水成分硅 硅是鐵水中主要發(fā)熱元素之一，生成的Si O2是渣中主要的酸性成分，是決定爐渣堿度和石灰消耗量的關(guān)鍵因素。通常，在鐵水不經(jīng)深度預(yù)處理時(shí)，轉(zhuǎn)爐

6、鐵硅含量以在0.3%0.8%為宜，前后波動應(yīng)為0.15%。鉆 鈕是鋼中的有益元素，鐵水中的鈕含量高對煉鋼有好處，但是冶煉高銳 生鐵將導(dǎo)致高爐焦比提高，生產(chǎn)率下降。鈕在煉鋼中的作用是：加速石灰的熔化，促進(jìn)成渣并減少螢石用量； 有利于減少頂槍粘槍和提高爐齡； 有利于提高終點(diǎn)鋼水殘錳量，和提高脫硫效果。(2) 、廢鋼廢鋼是轉(zhuǎn)爐主要金屬料之一， 它還是冷卻效果比較穩(wěn)定的冷卻劑。 增加轉(zhuǎn)爐廢鋼用量可以降低煉鋼成本、能耗和煉鋼輔助材料消耗。廢鋼按來源可分為：本廠廢鋼、社會廢鋼廢鋼質(zhì)量對轉(zhuǎn)爐冶煉技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有明顯影響， 從合理使用和冶煉工藝出發(fā)，對廢鋼的要求是；、 不同性質(zhì)廢鋼應(yīng)分類存放， 以避免貴重元素?fù)p

7、失和熔煉出廢品。外觀相似而成分不同的廢鋼不能鄰近堆放。 在多數(shù)鋼種中兩種元素不常同時(shí)存在的兩類廢鋼不能鄰近堆放。、廢鋼入爐前應(yīng)仔細(xì)檢查，嚴(yán)防混入封閉器皿，爆炸物和毒品；嚴(yán)防混入 鋼種成分限制的元素和鉛、鋅、銅等金屬。、廢鋼應(yīng)清潔干燥、少銹，應(yīng)盡量避免帶入泥土沙石、油污、耐火材料和 爐渣等雜質(zhì)。、廢鋼應(yīng)具有合適的外形尺寸和單重。(3) 、鐵合金為滿足鋼的化學(xué)成分和質(zhì)量要求， 在鋼的脫氧和合金化過程中廣泛使用多種鐵合金和脫氧劑。對鐵合金的要求：、使用塊狀鐵合金時(shí)，塊度應(yīng)合適，并要數(shù)量準(zhǔn)、成分明、干燥純凈、不 混料。、在保證鋼質(zhì)量的前提下，選用適當(dāng)牌號鐵合金，以降低成本。、 對沒有爐精煉設(shè)備的鋼廠，

8、 在冶煉含氫要求嚴(yán)格的鋼種時(shí)， 鐵合金使用前宜經(jīng)過烘烤，以減少帶入鋼中的氣體。、鐵合金成分應(yīng)符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，以避免煉鋼操作失誤。我廠使用的鐵合金：錳鐵、硅鐵2、造渣材料(1) 、石灰石灰是轉(zhuǎn)爐煉鋼用量最大的廉價(jià)造渣材料，主要成分是(CaO。它具有很強(qiáng)的脫磷、脫硫能力，并可中和酸性氧化物(Si。2)而保護(hù)爐襯。對石灰的要求是：、Ca*量要高，Si O 2含量要低、含硫量應(yīng)低、生燒率要小、入爐塊度應(yīng)均勻適中(2)、螢石螢石的主要成分是CaF2,熔點(diǎn)約為930c螢石能使CaO和阻礙石灰熔解的 2CaO- Si O 2外殼的熔點(diǎn)降低，加速石灰熔解，迅速改善爐渣流動性。對螢石的要求含CaF2高，含Si

9、 Q, S等雜質(zhì)要低，要具有適當(dāng)?shù)膲K度而且 干燥清潔。(3)、白云石的主要成分為CaC O+MgC Q年來轉(zhuǎn)爐采用生白云石或輕燒白 云石代替部分石灰造渣得到了廣泛應(yīng)用。實(shí)踐證明,輕燒白云石造渣對減輕爐渣 對爐襯的侵蝕、提高爐襯壽命具有明顯效果。3、氧化劑、冷卻劑和增碳劑(1)、氧化劑、氧氣 氧氣是轉(zhuǎn)爐煉鋼的主要氧源，其純度應(yīng)灰到或超過99.5%,氧氣壓力應(yīng)穩(wěn)定，氧氣應(yīng)脫除水分和肥皂湛液。、鐵礦石 鐵礦石中鐵的氧化物存在形式是 FeQ, Fe。和FeO,其中氧 含量分別是30.06%、27.64%、22.28%。在煉鋼溫度下，F(xiàn)eQ不穩(wěn)定，鐵礦石是 轉(zhuǎn)爐中較少使用的氧化劑。、氧化鐵皮 亦稱鐵磷，

10、是鋼錠(坯)加熱、軋制和連鑄過程中產(chǎn)生的氧 化殼層，含鐵量約70%- 75%氧化鐵皮還有幫助化渣和冷卻作用。(2)、冷卻劑為了準(zhǔn)確命中轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度，根據(jù)熱平衡計(jì)算可知，轉(zhuǎn)爐必須加入一定量的 冷卻劑。氧氣轉(zhuǎn)爐冷卻劑有廢鋼、鐵礦石、團(tuán)礦、燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、石灰石等，其中 主要的是廢鋼、氧化鐵皮和石灰石廢鋼是最主要的一種冷卻劑，冷卻效果穩(wěn)定、利用率高、渣量小、不易造成 噴濺；缺點(diǎn)是加入時(shí)占用冶煉時(shí)間，用于調(diào)節(jié)溫度不方便。鐵礦石和氧化鐵皮既是冷卻劑，又是化渣劑和氧化劑，帶入爐內(nèi)的鐵可以直 接煉成鋼。(3)、增碳劑氧氣轉(zhuǎn)爐用增碳法冶煉中、高碳鋼時(shí)，所用增碳劑的含碳量應(yīng)大于95%含硫量應(yīng)盡可能低，粒度應(yīng)適中

11、。三、煉鋼的主要任務(wù)煉鋼就是在給定的原料條件下，根據(jù)鋼種成分要求，冶煉出合格、有適當(dāng)溫 度的鋼水。采用以鐵水為主要原料的煉鋼過程的主要任務(wù)是：1、脫碳 通常煉鋼鐵水含碳較高，所以要通過氧化反應(yīng)將碳降低到所煉鋼 種的規(guī)定范圍，由于熔池發(fā)生碳-氧反應(yīng)時(shí)會產(chǎn)生沸騰、攪動熔池，從而可以起 到去除鋼中氣體和夾雜、加速鋼渣反應(yīng)、均勻溫度等作用，所以脫碳又是保證高 質(zhì)量要求的必要條件。2、去除P、S及其它雜質(zhì)P、S對鋼質(zhì)量是有害的，大多數(shù)鋼號對 P、S含 量均有嚴(yán)格要求，在煉鋼過程中必須采取一系列措施將其去除到所要求的范圍內(nèi)。3、去除氣體及夾雜 鋼中氣體(H N O)以及非金屬夾雜物都直接影響鋼 錠的表面質(zhì)

12、量及內(nèi)在質(zhì)量，在鋼成材后又影響其力學(xué)性能及金相組織，因而一方 面要從原料、原材料的質(zhì)量著手，杜絕其來源；另一方面要在冶煉過程中盡量地 排除它們。4、脫氧和合金化 在煉鋼過程中因?yàn)槊撎挤磻?yīng)的需要，要向鋼液供氧，就 不可避免地使鋼含有較多的氧，氧無論是以氣體形態(tài)還是以氧化物形態(tài)存在于鋼 中都要降低鋼的質(zhì)量，所以，必須在冶煉后期將多余的氧去掉。在脫氧的同時(shí)，還要根據(jù)各種鋼號的不同要求，使某些合金元素達(dá)到規(guī)定范圍 內(nèi)，因此要加入各種需要的合金，這個過程叫做合金化。它是煉鋼工藝中不可缺 少的部分。5、保證合適的出鋼溫度 為保證出鋼后鋼水能順利地澆注成合格鋼坯，應(yīng) 通過金屬氧化放出熱量或外加熱源等措施將鋼

13、液加熱到所要求的溫度。四、氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝冶煉過程概述從裝料到出鋼、倒完渣止，轉(zhuǎn)爐一爐鋼的冶煉過程包括裝料、吹煉、脫氧出 鋼和倒渣幾個階段。工藝流程圖見圖 4-11。工藝制度1、裝入制度裝入量指煉一爐鋼時(shí)鐵水和廢鋼的裝入數(shù)量，它是決定轉(zhuǎn)爐產(chǎn)量、爐齡及其 他技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要因素之一。 在轉(zhuǎn)爐爐役期的不同時(shí)期，有不同的合理裝入 量。轉(zhuǎn)爐公稱容量有三種表示方法：平均爐金屬料（鐵水和廢鋼）裝入量、平均 爐產(chǎn)鋼水量、平均爐產(chǎn)良坯量。這三種表示方法因出發(fā)點(diǎn)不同而各有特點(diǎn)，均被 采用，其中以爐產(chǎn)鋼水量使用較多。用鐵水和廢鋼的平均裝入量表示公稱容量， 便于物料平衡和熱平衡計(jì)算。2、供氧制度氧射流及其熔池

14、的相互作用供氧參數(shù)a供氧壓力b氧氣流量和供氧強(qiáng)度供氧操作 供氧操作是指調(diào)節(jié)氧壓或者槍位，達(dá)到調(diào)節(jié)氧氣流量、噴頭出口氣 流壓力及射流與熔池的相互作用程度，以控制化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程的操作。供氧操作分 為恒壓變槍、恒槍變壓、和分階段恒壓變槍幾種方法。我廠采用恒壓變槍操作方 式。3、造渣制度造渣是轉(zhuǎn)爐煉鋼的一項(xiàng)重要操作。由于轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)間短，必須快速成渣，才 能滿足冶煉過程和強(qiáng)化冶煉的要求。止匕外，造渣對避免噴濺、減少金屬損失和提 高爐襯壽命都有直接關(guān)系。4、溫度制度出鋼溫度的確定冷卻劑及其加入量確定終點(diǎn)控制和出鋼脫氧和合金化五、連續(xù)鑄鋼部分鋼的生產(chǎn)過程分為煉鋼和燒注兩大環(huán)節(jié)。把鋼水凝固成固體有兩種工藝方法：

15、 一種種是鋼錠模澆注法，一種是連續(xù)鑄鋼法。我廠采用后者，即將煉好的鋼水直 接鑄成小方坯。1、連鑄機(jī)的主要類型現(xiàn)在世界各國使用的連鑄機(jī)有立式、立彎式、弧型、橢圓形和水平式等5種。立式連鑄機(jī)的澆注作業(yè)和結(jié)晶凝固、二次冷卻、切割等工序都在垂直線上順 序進(jìn)行。立彎式鑄機(jī)，先是垂直的，待鑄坯凝固后再彎90 o成水平狀，然后切割運(yùn)出，設(shè)備高度比立式有所降低?；⌒芜B鑄機(jī)是把鋼液澆到弧形結(jié)晶器內(nèi)， 然后沿弧形軌道運(yùn)行，經(jīng)過四分之一圓弧，然后地水平方向出坯，其設(shè)備高度比 立彎式更進(jìn)一步降低，地弧形連鑄機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)， 就出現(xiàn)了橢圓形連鑄 機(jī)。目前新建連鑄機(jī)是弧形最多。2、連鑄機(jī)組成主要設(shè)備由鋼包回轉(zhuǎn)臺、鋼

16、水包、中間包（罐）、結(jié)晶器（一次冷卻）、結(jié)晶 器振動機(jī)構(gòu)、二次冷卻裝置、拉坯（矯直）裝置、切割裝置、和鑄坯運(yùn)出裝置等 9部分組成。3、我公司連鑄機(jī)主要工藝參數(shù)機(jī)型：三臺三機(jī)三流（ROKQP全弧型小方坯連鑄機(jī)。一臺二機(jī)二流（ROKQP全弧型小方坯連鑄機(jī)。鑄坯斷面：120X 120mm 150X 150mm 160X 220mm定尺范圍：2.89m鑄機(jī)弧型半徑：6/12m, 6m剪切機(jī)形式；45o液壓對角剪和平剪。中間包容量：14T, 9T （注指溢流液面時(shí)）。澆注鋼種：普碳鋼、低合金鋼、20g、45#鋼。流間距：1200mm 冶金長度：9.731m。振動頻率：0256次/分振動行程：8.2mm

17、10.5mm結(jié)晶器長度：812mm4、連鑄機(jī)流數(shù)的確定煉鋼爐出鋼量確定了之后，在一臺連鑄機(jī)上澆同一種斷面鑄坯的流數(shù)：n=G/aX bx cxd 式中：n 臺連鑄機(jī)的流數(shù)；G鋼包容量，t ；a x b鑄坯斷面面積，mr21V平均拉速，m/min；P一鋼密度，t/m3;T一鋼包澆注時(shí)間，min。5、弧形連鑄機(jī)弧形半徑的計(jì)算弧形半徑是指連鑄坯外曲率半徑。它既影響鑄坯質(zhì)量，又影響鑄機(jī)高度和設(shè) 備重量，確定弧形半徑應(yīng)考慮以下四點(diǎn)： 表面所允許的變形量； 二次冷卻區(qū)應(yīng)有一定的長度； 矯直前鑄坯表面溫度； 鋼水靜壓力弧形半徑的計(jì)算方法：根據(jù)矯直時(shí)所允許的最大變形量，以免產(chǎn)生裂紋：£ = 0.5D/

18、R式中：D鑄坯厚度，mmR弧形半徑，mm 變形量，弧形坯矯直時(shí)，內(nèi)弧面要受壓力。當(dāng)內(nèi)弧面變形量超過允許的變形值時(shí)，在鑄坯的固液界面或鑄坯表面就要產(chǎn)生裂紋。為防止矯直時(shí)在固液界面產(chǎn)生內(nèi)裂紋， 因此要求鑄坯全凝固矯直。試驗(yàn)指出，鑄坯表面溫度為800C,碳鋼和低合金鋼允許的變形量&=1.52.0%.也就是說，矯直時(shí)變形量超過了 1.52.0%.鑄坯就可能產(chǎn)生裂紋.為保證 矯直時(shí)不超過允許變形量則：R> 0.5D/ 6 R> (2533) D如150X 150mmi坯，弧形半徑R在3.754.95m,為了使鑄機(jī)適應(yīng)性更強(qiáng)些， 小方坯連鑄機(jī)弧形半徑一般為 5m或6m.根據(jù)已投產(chǎn)鑄機(jī)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，以鑄坯不產(chǎn)生裂紋為原則，來確定弧形半徑(R) 與鑄坯厚度(D)的關(guān)系。小方坯連鑄機(jī)R=(3040) D大方坯連鑄機(jī)R=(3050) D板坯連鑄機(jī)R=(4040) D6、連鑄坯液芯長度和冶金長度的計(jì)算鑄坯在連鑄機(jī)內(nèi)邊運(yùn)行邊凝固，形成一個很長的液相穴。所謂液芯長度是指 從結(jié)晶器鋼水面到凝固終點(diǎn)的距離。是確定二次冷卻區(qū)長度的重要參數(shù)。液芯長 度與拉速成正比，與冷卻強(qiáng)度成反比，其計(jì)算公式是：L= ( D/k ) 2 - V式中：D 鑄坯厚度，mmV拉速，m/min；L液相穴長度，m；k凝固系數(shù)，mm/