冶金概論轉爐煉鋼

1、1冶金概論-轉爐煉鋼主講:孫麗娜教授冶金工程系2主要內容一一 煉鋼的基本任務煉鋼的基本任務二二 煉鋼用原材料煉鋼用原材料三三 轉爐煉鋼原理與工藝轉爐煉鋼原理與工藝3一一 、煉鋼的基本任務、煉鋼的基本任務 煉鋼的基本任務包括：1.脫碳、脫磷、脫硫、脫氧；2.去除有害氣體和夾雜；3.提高溫度；4.調整成分 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。 氧氣頂吹轉爐煉鋼過程，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反應的過程，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。4二二 、煉鋼用原材料、煉鋼用原材料 原

2、材料是煉鋼的基礎，原材料的質量對煉鋼工藝和鋼的質量有直接影響。倘若原材料質量不合技術要求，勢必導致消耗增加，產品質量變差，有時還會出現(xiàn)廢品，造成產品成本的增加。國內外實踐證明，采用精料以及原料標準化，是實現(xiàn)冶煉過程自動化的先決條件，也是改善各項技術經(jīng)濟指標和提高經(jīng)濟效益的基礎。 煉鋼用原材料一般分為主原料主原料、輔原料輔原料和各種鐵合金鐵合金。51.金屬料 1)鐵水：占金屬料的（70100%）主要要求成分：Si、Mn、P、S溫度：轉爐煉鋼重要發(fā)熱元素，Si0.1%，廢鋼比1.31.5%； Si過高，渣量增加，引起噴濺；渣中（SiO2），爐齡；高爐焦比錳是弱發(fā)熱元素，鐵水中錳氧化后形成的(MnO

3、)可促進石灰溶解，加快成渣；減少氧槍粘鋼，終點鋼中余錳高，能夠減少合金用量，利于提高金屬收得率；錳在降低鋼水硫含量和硫的危害方面起到有利作用。Mn/Si的比值為0.81.00時對轉爐的冶煉操作控制最為有利。當前使用較多的為低錳鐵水，一般鐵水中Mn=0.200.40。 磷是強發(fā)熱元素，磷會使鋼產生“冷脆”現(xiàn)象，通常是冶煉過程要去除的有害元素。磷在高爐中是不可去除的，氧氣頂吹轉爐的脫磷效率在8595，鐵水中磷含量越低，轉爐工藝操作越簡化，并有利于提高各項技術經(jīng)濟指標。如使用P1.50的鐵水煉鋼時，爐渣可以用作磷肥。除了含硫易切鋼(要求S=0.080.30)以外，絕大多數(shù)鋼中硫是有害元素。轉爐中硫主

4、要來自金屬料和熔劑材料等，而其中鐵水的硫是主要來源。在轉爐內氧化性氣氛中脫硫是有限的，脫硫率只有3540。由于低硫s0.01的優(yōu)質鋼需求量增長，因此用于轉爐煉鋼的鐵水要求s0.020。這種鐵水很少，為此必須進行預處理，降低入爐鐵水硫含量。鐵水溫度的高低是帶入轉爐物理熱多少的標志，鐵水物理熱約占轉爐熱收入的50。因此，鐵水的溫度不能過低，否則熱量不足，影響熔池的溫升速度和元素氧化過程，也影響化渣和去除雜質，還容易導致噴濺。入爐鐵水溫度應大于1250，以利于轉爐的熱行，成渣迅速，減少噴濺。小型轉爐和化學熱量不富裕的鐵水，保證鐵水的高溫入爐極為重要;轉爐煉鋼時入爐鐵水的溫度還要相對穩(wěn)定，如果相鄰幾爐

5、的鐵水入爐溫度有大幅的變化，就需要在爐與爐之間對廢鋼比作較大的調整，這對生產管理和冶煉操作都會帶來不利影響。62)廢鋼 廢鋼是電弧爐煉鋼的基本原料，用量約7090%；對氧氣頂吹轉爐煉鋼，既是主原料之一，也是冷卻效果穩(wěn)定的冷卻劑。通常占裝入量的30以下，適當?shù)卦黾訌U鋼比，可以降低轉爐鋼消耗和成本。7廢鋼的分類：本廠廢鋼返回料（廢鋼錠、軋鋼切頭）回收料（加工廢料，報廢設備）外購廢鋼加工工業(yè)的廢料（機械、造船、汽車等行業(yè)的廢鋼、車削等）鋼鐵制品的報廢件（船舶、車輛、機械設備、土建材料等）83）鐵合金 吹煉終點脫除鋼中多余的氧，并調整成分達到鋼種規(guī)格，需加入鐵合金以脫氧合金化。 煉鋼常用的合金有Fe-

6、Mn、Fe-Si、Mn-Si合金、Ca-Si合金、鋁、Fe-Al、復合脫氧劑等。其化學成分及質量均應符合國家標準規(guī)定。 92.輔助材料1）造渣劑石灰（石灰（CaO）螢石（螢石（CaF2）生白云石（生白云石（CaMg(CO3)2 ）菱鎂礦（菱鎂礦（MgCO3 ）合成造渣劑合成造渣劑錳礦石錳礦石石英砂（主要成分是石英砂（主要成分是SiO2 ）石灰是煉鋼主要造渣材料，具有脫P、脫S能力，也是用量最多的造渣材料。其質量好壞對冶煉工藝操作，產品質量和爐襯壽命等有著重要影響。特別是轉爐冶煉時間短，要在很短的時間內造渣去除磷、硫，保證各種鋼的質量。 對石灰質量的要求： (1)有效CaO含量高;(2) 硫含量

7、低; (3) 殘余CO2少;(4) 活性度高造渣加入螢石可以加速石灰的溶解，螢石的助熔作用是在很短的時間內能夠改善爐渣的流動性，但過多的螢石用量，會產生嚴重的泡沫渣，導致噴濺，同時加劇爐襯的損壞，并污染環(huán)境 。焙燒后為熟白云石，其主要成分CaO與MgO。保持渣中有一定的MgO含量，以減輕初期酸性渣對爐襯的侵蝕，提高爐襯壽命，生白云石也是濺渣護爐的調渣劑。 菱鎂礦也是天然礦物，主要成分是MgCO3，焙燒后用作耐火材料，也是目前濺渣護爐的調渣劑。 合成造渣劑是將石灰和熔劑預先在爐外制成的低熔點造渣材料，然后用于爐內造渣。是改善冶煉效果的有效措施。作為合成造渣劑中熔劑的物質有：氧化鐵、氧化錳或其它氧

8、化物、螢石等。加入錳礦石有助于化渣，也有利于保護爐襯，若是半鋼冶煉更是必不可少的造渣材料。要求Mn18，P0.20，S0.20，粒度在2080mm。石英砂也是造渣材料，其主要成分是SiO2，用于調整堿性爐渣流動性。對于半鋼冶煉，加入石英砂利于成渣，調整爐渣堿度以去除P、S。要求使用前應烘烤干燥水分應小于3。102) 2) 冷卻劑冷卻劑 氧氣頂吹轉爐煉鋼過程熱量有氧氣頂吹轉爐煉鋼過程熱量有富余，因而根據(jù)熱平衡計算加入一富余，因而根據(jù)熱平衡計算加入一定數(shù)量的冷卻劑，以準確地命中終定數(shù)量的冷卻劑，以準確地命中終點溫度。點溫度。冷卻劑包括冷卻劑包括:廢鋼廢鋼 、生鐵、生鐵塊塊 、鐵礦石和氧化鐵皮、鐵礦

9、石和氧化鐵皮 、石灰石、石灰石等等。113）氧化劑氧氣氧化鐵皮 氧氣是氧氣轉爐煉鋼的主要氧化劑，要求含氧量達到99.5以上，并脫除水分。氧壓為612105Pa。工業(yè)用氧是通過制氧機把空氣中的氧氣分離、提純來實現(xiàn)的。氧化鐵皮要求雜質含量少，不含油污和水分。鐵礦石鐵礦石要求含鐵高，P和水分低；124）還原劑和增碳劑 電爐煉鋼電爐煉鋼中需要使用還原劑和增碳劑中需要使用還原劑和增碳劑 包括：石墨電極、木炭、焦炭、電石、包括：石墨電極、木炭、焦炭、電石、硅鐵、硅鈣、鋁等；硅鐵、硅鈣、鋁等； 轉爐煉鋼轉爐煉鋼中冶煉中高碳鋼時，一般使用含中冶煉中高碳鋼時，一般使用含灰份少的石油焦做增碳劑?；曳萆俚氖徒棺鲈?/p>

10、碳劑。13三 氧氣轉爐煉鋼原理及工藝1.轉爐煉鋼車間巡視與生產模擬2.鐵水予處理3.轉爐煉鋼過程141.轉爐煉鋼車間巡視15轉爐煉鋼車間生產模擬162.鐵水的予處理過程 指鐵水在兌入煉鋼爐之前，為去除或提取某種成分而進行的處理過程。對鐵水的爐外脫S、脫P和脫Si，即三脫技術就屬于鐵水預處理的一種。鐵水進行三脫可以改善煉鋼主原料的狀況，實現(xiàn)少渣或無渣操作，簡化煉鋼操作工藝，以經(jīng)濟有效地生產低P、S優(yōu)質鋼。171)鐵水予處理的類型 鐵水脫Si 鐵水脫S 鐵水同時脫P、脫S 鐵水提V、提Nb降低鐵水硅含量可以減少轉爐煉鋼的爐渣量，實現(xiàn)少渣或無渣工藝，并為爐外脫磷創(chuàng)造了條件。爐外脫硅技術是將氧化劑加到

11、流動的鐵水中，硅的氧化產物形成熔渣。處理后鐵水中的si可達0.100.15以下。鐵水予處理脫S,可以減輕高爐煉鐵和轉爐煉鋼的脫S負擔,簡化操作提高經(jīng)濟指標,降低高爐爐渣堿度及焦比,可避免煉鋼過程爐內高氧化性對脫S的影響,提高鋼材質量.當鐵水含P高及冶煉極低和超低P時,采用脫P或同時脫P,S以降低鐵水中的S,P含量.采用氧化法脫P,一般要求先進行脫Si處理,鐵水中的Si應小于0.2%.對于含V,Nb的鐵水,為回收有益元素,在T1400條件下,通過氧化法將V,Nb氧化入爐渣,然后從爐渣中提取V,Nb.182)鐵水予處理的設備 魚雷罐車 噴粉罐 噴槍 扒渣機 鐵水罐193)鐵水予處理生產模擬204)

12、鐵水予處理生產工藝脫S基本反應脫S工藝扒渣常用鐵水脫S劑:碳化鈣、石灰、蘇打、金屬鎂及其組成的復合脫S劑,基本反應:CaC2+S=CaS(s)+2CCaO(S)+S=CaS(s)+2ONa2O+S=Na2O(l)+OMg(g)+S=MgS(s)廣泛采用噴粉法,在混鐵車中采用噴吹金屬鎂+石灰粉的復合脫S劑脫S,雙孔噴槍插入,深度為1.01.5m,處理時間810min,脫S率7582%.扒除予處理渣,避免回P,回S.213.轉爐煉鋼過程1)吹煉全程模擬222)轉爐煉鋼的發(fā)展歷史 1856年，英國人貝塞麥發(fā)明了底吹酸性空氣轉爐煉鋼法。吹煉過程中不能去除P、S。1879年英國人托馬斯又發(fā)明了堿性底吹空

13、氣轉爐煉鋼法，改用堿性耐火材料作爐襯，在吹煉過程中加入石灰造堿性渣，此法適合于處理高磷鐵水，并可得到優(yōu)質磷肥。二十世紀40年代初，制氧技術得到了迅速發(fā)展。1952年在林茨（Linz）城，1953年在多納維茨（Donawltz）城先后建成了30t氧氣頂吹轉爐車間并投入生產，稱為LD法。23氧氣轉爐煉鋼技術的發(fā)展可化分為三個時期：轉爐大型化時期（19501970年）轉爐復合吹煉時期（19701990年）轉爐綜合優(yōu)化時期（1990年以后） 以轉爐大型化技術為核心，逐步完善了轉爐煉鋼工藝與設備。先后開發(fā)出大型化轉爐設計制造技術、OG法除塵與煤氣回收技術、計算機靜態(tài)與副槍動態(tài)控制技術、鎂碳磚綜合砌爐與噴

14、補掛渣等護爐工藝技術。由于連鑄技術的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了全連鑄的煉鋼車間。對轉爐煉鋼的穩(wěn)定性和終點控制的準確性提出了更高的要求。為了改善轉爐吹煉后期鋼渣反應遠離平衡，實現(xiàn)平穩(wěn)吹煉的目標，綜合頂吹、底吹轉爐的優(yōu)點，研究開發(fā)出各種頂?shù)讖秃洗禑捁に嚰夹g，在世界上迅速推廣。 圍繞純凈鋼生產，研究開發(fā)出鐵水“三脫”預處理、高效轉爐生產、全自動吹煉控制與濺渣護爐等重大新工藝技術。降低了生產成本、大幅度提高了生產效率?，F(xiàn)代轉爐煉鋼采用的重大技術有：轉爐大型化技術、轉爐復合吹煉技術、煤氣回收與負能煉鋼技術、全自動轉爐吹煉控制技術、濺渣護爐與轉爐長壽技術。243)轉爐煉鋼生產工藝 裝料制度 造渣制度 供氣制度 溫度

15、制度 出 鋼 脫氧及合金化25裝料制度 裝入量是指每爐裝入的鐵水和廢鋼的總量,一般廢鋼占1530%,裝入量分為三種形式:1.定量裝入:整個爐役期保持每爐的金屬裝入量不變;2.定深裝入:隨容積的擴大而增加裝入量,保持熔池的深度不變;3.分階段定量裝入:將整個爐役分為若干階段,每階段定量裝入.26造渣制度 造渣制度包括以下內容:1.爐渣堿度和石灰加入量:堿度指渣中堿性氧化物/酸性氧化物，一般為2.54.0，高S、P鐵水控制在3.54.0,噸鋼石灰消耗7080kg2:爐渣氧化性:用(%FeO)表示,高利于成渣,脫P,但降低金屬回收率.一般初期高,終點15%左右,C、P要求高時，控制在2025%。3.

16、渣中(MgO):為防止爐渣侵蝕爐襯,造渣時加入含鎂材料,一般終渣(MgO)為68%,采用濺渣護爐則810%.4.造渣方法:單渣法、雙渣法、雙渣留渣法.渣料分批加入,開吹時加入1/21/3,其余分批加入.27供氣制度 頂部供氣 底部供氣28供氣制度(頂部供氣)供氧操作控制以下參數(shù):氧氣流量:單位時間向熔池吹入氧氣體積;供氧強度:單位時間向熔池噸鋼提供氧氣的體積;氧氣工作壓力:設定壓力測定點的氧氣壓力(0.81.2MPa);槍位:噴頭至靜止金屬熔池液面的距離(化渣槍位、基本吹煉槍位、拉碳槍位)29供氣制度(底部供氣)底吹類型非氧化性氣體:Ar、N2氧化性氣體:O2、CO2、空氣底吹過程 吹煉前期N

17、2攪拌,后期N2、A r 切 換 ; 底 部 供 氣 強 度 0.3Nm3/t.min30溫度制度 隨鐵水中元素氧化,金屬液相線溫度升高,澆注也要求過熱度,升溫是煉鋼重要任務之一.出鋼溫度T的確定:T=澆注鋼種液相線溫度+澆注過熱度+鋼水鎮(zhèn)靜及爐外精煉溫度降+出鋼溫度降31出鋼出鋼出鋼過程 先測定先測定C、P、S及及T,判斷是否滿足判斷是否滿足出鋼要求出鋼要求,否則補吹否則補吹;采采用擋渣技術與紅包出用擋渣技術與紅包出鋼鋼.32脫氧及合金化脫氧及合金化脫氧 吹煉終點鋼水O=0.020.08%,向鋼中加入一種(或幾種)與氧親和力比Fe大的元素,常用脫氧劑Fe-Si、Fe-Mn、Al、Si-Al-

18、Ca、Si-Al-Ba等；合金化 向鋼水中加入合金元素使其達到成品鋼成分要求334)轉爐冶煉的基本原理 -熔池元素氧化規(guī)律Si的變化規(guī)律Mn的變化規(guī)律C的變化規(guī)律P的變化規(guī)律S的變化規(guī)律34Si的變化規(guī)律 開吹時Si大量氧化,并結合為(2FeO.SiO2),隨石灰溶解轉變?yōu)榉€(wěn)定化合物(2CaO.SiO2)35Mn的變化規(guī)律 吹煉初期迅速氧化,中后期被C還原,后期由于渣中氧化性提高,Mn被再次氧化.36C的變化規(guī)律 熔池中氧與碳生成 C O 氣 泡 上浮,%C%O=m(常數(shù)0.0020.0025),C與O成反比. 吹煉初期由于Si、Mn的氧化，脫碳速度小，中期脫碳速度最快，后期C濃度低，脫碳速度

19、下降.37P的變化規(guī)律 低溫、低溫、適宜的高高堿度堿度、高氧化性高氧化性利于脫P,吹煉前期應使石灰快速成渣,將(3FeO.P2O5)置換為(3CaO.P2O5)和和(4CaO.P2O5)穩(wěn)定化合物,使P去除.38S的變化規(guī)律 高溫利于脫S,渣中(CaO) 活度大,利于脫S,但轉爐渣的氧化性高,因此轉爐的脫S效率低.394)轉爐冶煉的基本原理 -物料平衡及熱平衡 物料平衡 熱平衡40 5)轉爐設備 供料系統(tǒng) 轉爐系統(tǒng) 供氣系統(tǒng) 凈化系統(tǒng) 輔助設備41供料系統(tǒng) 包括鐵水供應、廢鋼供應、散狀料和鐵合金供應.高爐鐵水直接裝入魚雷罐車運至煉鋼車間.廢鋼用廢鋼槽運到爐前.散狀料供應系統(tǒng)包括散狀料場、地下料

20、倉、運料設施、轉爐上方高位料倉、稱量和加料設備.鐵合金料倉及稱量和輸送設備、向鋼包加料設備組成。42轉爐系統(tǒng)轉爐本體爐底:分截錐型和球冠型;爐帽:為截椎型,減少噴濺及熱損失;爐身:采用圓柱形;轉爐爐型 指轉爐內部自由空間的幾何形狀,分為筒球型、錐球型、截錐型。43轉爐系統(tǒng) 托圈 用以支撐轉爐和傳遞傾動力矩的金屬構件。 耳軸 轉爐左右耳軸是階梯形圓柱體，由長側耳軸低速轉動將大扭矩從傾動機構傳遞給托圈。 耳軸與托圈的連接為法蘭盤螺栓連接。44供氣系統(tǒng)（1） 氧槍 槍身由三層無縫鋼管套裝而成；內層與中層管之間的環(huán)縫是冷卻水進水通道，中層與外層間的環(huán)縫為出水通道。氧氣流速為4550m/s，水速為67m/s。 槍頭 噴孔為拉瓦爾管，可獲得Ma=2.0左右的超音速氣流。45供氣系統(tǒng)（2） 升降機構 吹煉中用于調整槍位,由卷揚機、平衡錘、滑輪、鋼繩卷筒組成，當卷揚機提升平衡錘時，氧槍及升降小車因自重下降；當卷揚機防下平衡錘時，因氧槍和升降小車的質量小于平衡錘而被提升。46供氣系統(tǒng)（3） 底部供氣元件 影響攪拌、爐子壽命、鋼種質量及經(jīng)濟效益； 分三大類： 鋼管型、磚型、細鋼管多孔型（如圖），不銹鋼管內徑為0.44mm