煉鋼基本原理

1煉鋼根本原理1煉鋼的根本任務(wù)一般的鋼和鐵都是以鐵元素為根本成分的鐵碳合金。生鐵和鋼所以在性能上有較大的差異．主要緣由是由于含碳量的不同使鐵碳合金的組織構(gòu)造不同而造成的。生鐵含碳高，硬而脆，冷熱加工性能差．因而90％的高爐生鐵須經(jīng)再次冶煉成為具有良好金屬特性的鋼，才能加工成各種類型的鋼材而使用。生鐵除含有較高的碳外，還含有肯定量的其它雜質(zhì)。所謂煉鋼，就是通過(guò)冶煉降低生鐵中的碳和去除有害雜質(zhì)，再依據(jù)對(duì)鋼性能的要求參加適量的合金元素，使其成為具有高的強(qiáng)度、韌性或其它特別性能的鋼。因此．煉鋼的根本任務(wù)可納為：脫碳并將其含量調(diào)整到肯定范圍。碳含量的不同不但是引起生鐵和鋼性能差異的打算性因素，同樣也是掌握鋼性能的最主要元素。鋼中含碳量增加，則硬度、強(qiáng)度、脆性都將提高，而延展性能將下降；反之，含碳量削減，則硬度、強(qiáng)度下降而延展性提高。所以，煉鋼過(guò)程必需按鋼種規(guī)格將碳氧化至肯定范圍。去除雜質(zhì)，主要包括：PSP可引起鋼的冷脆，而S則引起鋼的熱脆，因此，要求在煉鋼過(guò)程中盡量除之。鋼液中潔入肯定量的氧．它將大大影響鋼的質(zhì)量。因此，需降低鋼中的含氧量。一般是向鋼液中參加比鐵有更大親合力的元素來(lái)完成(如A1、SiMn等合金)。3)鋼中的氫和氮。非金屬夾雜物包括氧化物、硫化物、磷化物、氮化物以及它們所形成的簡(jiǎn)單化臺(tái)物。在一般煉鋼方法中，主要靠碳—氧反響時(shí)CO氣泡的逸出，所引起的熔池沸騰來(lái)降低鋼中氣體和非金屬夾雜物。調(diào)整鋼液成分和溫度。為保證鋼的各種物理、化學(xué)性能，除掌握鋼液的碳含量和降低雜質(zhì)含量外，還應(yīng)參加適量的合金元素使其含量到達(dá)鋼種規(guī)格范圍。為完成上述各項(xiàng)任務(wù)并保證鋼液能順當(dāng)澆注，必需將鋼液加熱并保持在肯定的高溫范圍內(nèi)，同時(shí)依據(jù)冶煉過(guò)程的要求不斷將鋼液溫度調(diào)整到適宜的范圍。將鋼液澆注成質(zhì)量好的鋼錠或鋼坯。通過(guò)模鑄或連續(xù)鑄鋼方法，將鋼液澆注成各種不同外形和不同斷面尺寸的、質(zhì)量良好的鋼錠或鋼坯。2煉鋼爐渣的作用爐渣是煉鋼過(guò)程中的必定產(chǎn)物，又是實(shí)現(xiàn)一系列重要冶金反響的根本條件。它直接參與煉鋼過(guò)程的物理化學(xué)反響和傳熱、傳質(zhì)過(guò)程。其具體作用如下：通過(guò)對(duì)爐渣成分、件能及數(shù)量的調(diào)整，可以掌握金屬中各元素的氧化FeO含量來(lái)去除P、S等。向鋼中輸送氧以氧化各種雜質(zhì)。如平爐、電爐爐氣中和礦石中的氧，均通過(guò)爐渣傳入鋼液。吸取鋼液中的非金屬夾雜物．并防止鋼液吸氣(HN)。其它作用：電弧爐爐渣可起穩(wěn)弧作用；電渣爐爐渣是電阻發(fā)熱體，可重熔和精煉金屬；澆注過(guò)程中承受保護(hù)渣可改善鋼錠質(zhì)量等。除上述有利作用外，爐渣也有不利的一面，那就是爐渣能侵蝕爐襯，降低爐襯壽命。同時(shí)．因渣中心帶金屬小珠及術(shù)復(fù)原的金屬氧化物，因而使?fàn)t渣具有適宜的物理化學(xué)性質(zhì)，從而在冶煉過(guò)程中發(fā)揮其有利的作用而盡量抑制其不利的作用。煉鋼爐渣的來(lái)源及其主要組成煉鋼爐渣的來(lái)源有：廢鋼帶入的泥沙和鐵銹等：氧化物或冷卻劑(礦石、燒結(jié)礦等)帶入的脈石。 2)參加的各種造渣材料(石灰、螢石、粘土磚等)以及被侵蝕的爐襯耐火材料。3)煉鋼過(guò)程中化學(xué)反響的產(chǎn)物，即金屬爐料、脫氧劑及合金中的各(SiO2、MnO、P2O5、FeO、Al2O3、Fe2O3)；還有少量硫化物(CaS、MnS)。由上可見(jiàn)，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弱挨次為：CaOMgOMnOFeOCaF2Fe2O3A12O3TiO2SiO2P2O5堿性←——中性——→酸性煉鋼爐渣的主要性質(zhì)爐渣的堿度。煉鋼爐渣堿度常用的表示方法有：P鐵水和酸性最強(qiáng)SiO2含量之比表示。即：R＝CaO/SiO2。2 P量較高時(shí)，則要考慮渣中PO2 POSiO

的作用視為等值的表2 5 22 示方法。即：R＝CaO/SiO+P2O2 為低堿度；R＝1.8-2.0為中堿度渣；R＞2.5為高堿度渣。爐渣的氧化性。爐渣的氧化性是指爐渣向金屬熔他傳氧的力量，一般以渣中氧化鐵含量來(lái)表示。FeOFe2O?；瘜W(xué)分析時(shí)常常確定總3鐵量(即Fe 量，通過(guò)計(jì)算即可得出FeO

%FeO2 3Fe2O3FeO有兩種計(jì)算方法：23全氧法：%FeO 十1.35×％FeO23FeO。全鐵法：%FeO ＝％FeO十0.9×％FeO2 30.9＝2×72/160FeO，1Fe2O3可FeO。全鐵法比較合理。由于在渣樣冷卻過(guò)程中，有少量低價(jià)氧化鐵被氧化成高價(jià)氧化鐵，使全氧法計(jì)算結(jié)果偏高，而全鐵法則可避開這種誤差。實(shí)際爐渣的氧化力量是個(gè)綜合的概念，其傳氧力量還受爐渣粘度、熔池?cái)嚢鑿?qiáng)度、供氧速度等因素的影響。煉鋼過(guò)程的根本反響在煉鋼的氧化精煉過(guò)程中，各種煉鋼方法去除雜質(zhì)的根本過(guò)程都是一樣的。其主要手段是向熔池吹入氧氣(或參加礦石)并參加造渣劑形成熔渣的反響規(guī)律，才能生疏煉鋼工藝操作的本質(zhì)。熔池中氧的來(lái)源主要有三種形式：一是直接向熔池中吹入工業(yè)純氧(含O2＞98％)；二是向熔池中參加富鐵礦；三是爐氣中的氧傳入熔池。氧在鋼液中存在的形式，目前，?？醋鳛檠踉?、氧化亞鐵分子FeO或氧離子O-2[O]來(lái)表示。鐵液中元素的氧化方式大致有兩種，即直接氧化與間接氧化。2而[O]+2[Me]＝2MeOMe的間接氧化。2FeFeOFeO薄膜的金屬液滴隨氧氣射流急速前進(jìn)，參與熔池的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，將氧傳給金屬，并氧化雜質(zhì)，起到了間接氧化的作用，即：[FeO]＝[Fe]+[O][Si]+2[O]＝[SiO2][Mn]+[O]＝[MnO]2[P]+5[O]＝[P2O5][C]+[O]＝[CO][C]+[O]＝[CO2]從上可知，吹入熔池中的氣體氧，一局部溶入金屬，一局部與雜質(zhì)元素FeO形式進(jìn)入爐渣。實(shí)際熔池中的傳氧過(guò)程，很難區(qū)分是直接氧化還是間接氧化，兩者幾乎同時(shí)存在，只是隨供氧條件不同各自所占比例不同而已。目前，大多數(shù)人認(rèn)為，在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐中，是以間接氧化方式為主。理由是：氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐供氧速度大，氧氣射流又集中于作用區(qū)四周，而不是高度分散在熔池中，因此當(dāng)其它元素還將來(lái)得及到達(dá)氧氣泡外表時(shí)，氧巳和接觸外表FeO了。同時(shí)，由于氧氣泡外表溫度很高(2200℃以上)Si、Mn對(duì)[O]的親和力減弱。另—方面，當(dāng)金屬液不與爐氣中的氣態(tài)氧直接接觸或接觸很少時(shí)，如在平爐、氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐高槍位操作時(shí)的狀況。這時(shí)氣態(tài)氧主要通過(guò)爐渣以以下方式傳入金屬：(FeO)被氧化成高價(jià)氧化鐵；(FeO)+1/2O2＝(Fe2O3)由于熔池的對(duì)流作用，當(dāng)含F(xiàn)e2O3高的爐渣與金屬液接觸時(shí)，又被復(fù)原煉鋼熔池中元素的氧化次序(1)純氧化物的分解壓熔池中元素被大量氧化的先后次序，取決于它們與氧的親和力的大小。一般用該元素氧化物的分解壓來(lái)表示該元素與氧的親和力的強(qiáng)弱。純氧化物的分解反響可用下式表示：K K O2P此即稱為該氧化物的分解壓。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得不同溫度下的分解壓，PO2P-t11曲線的位置愈低，說(shuō)明該氧化物的分解壓愈小，該氧化物愈穩(wěn)定，即該元素易被氧化。脫碳反響(1)脫碳反響的作用。碳—氧反響是煉鋼過(guò)程中的一個(gè)主要反響。將熔池中的碳氧化脫除至所煉鋼種的要求，是煉鋼的根本任務(wù)之一。而脫C反響的產(chǎn)物—CO氣體從熔池中排出時(shí)，猛烈地?cái)噭?dòng)金屬液與爐渣而產(chǎn)生“沸騰”現(xiàn)象，加速了傳質(zhì)和傳熱過(guò)程，均勻了熔池的成分和溫度．并有利于冶金物化反響的進(jìn)展。同時(shí)，也有利于熔池中有害氣體和非金屬夾雜物的排解。因此，脫C反響實(shí)質(zhì)上是完成煉鋼任務(wù)的重要手段。(2)脫碳反響式。溶解于金屬液中的C，通常以[C]局部CO2接觸而被氧化[C]+O2＝CO[C]也同溶于金屬中的[O]發(fā)生反響而氧化去除，其反響式為：[C][O]＝CO[C]+2[O]＝CO2在通常的熔池中，C大多數(shù)按式[C]+[O]＝CO發(fā)生反響，即C的氧化產(chǎn)COCO2C高時(shí)，CO2也是C的氧化劑，將發(fā)生以下反響：[C]+CO2＝2CO當(dāng)反響達(dá)平衡時(shí)，其平衡常數(shù)可寫為：??K=[

%??

????]?[%??](3)煉鋼熔池中[C]+和[O]濃度的關(guān)系。Pco取為一個(gè)大氣壓，可簡(jiǎn)化為：Kc=

1[%??]?[%??][%??]?[%??]=

1????KcKc為肯定值，用m代表則可寫出

??=[%??]?[%??]m稱為碳氧濃度積，它具有化學(xué)反響平衡常數(shù)的性質(zhì)，在—定溫度和壓力下應(yīng)是一個(gè)常數(shù)，而且與反響物和生成物的濃度無(wú)關(guān)。據(jù)此可作出在肯定溫度下的[C]-[O]22可看出．熔池中平衡時(shí)碳和氧的濃度間具有等邊雙曲線函數(shù)的關(guān)系。這種關(guān)系顯示了熔池中碳和氧的濃度是相互制約的，即熔池中含氧量主要打算于含碳量，碳越低氧含量就越高。獻(xiàn)上常用的理論上的碳氧濃度積數(shù)值。在實(shí)際煉鋼熔池中，[%C]與[%O]的數(shù)值與平衡值偏離較大。各種煉鋼方[O]實(shí)際＞[O][O]＝[O]實(shí)際一[O]3中仍可看出,[C]高，則[O]低，[C]低，則[O]高。硅的氧化和復(fù)原Si。Si在鐵液中有無(wú)FeSiSi可氧化成穩(wěn)定SiO2。SiO2的分解壓低，所以在熔煉初期即被快速氧化，并放出大量的熱。其氧化反響式為：2(FeO)+[Si]=SiO2+2Fe+341224KJSiSiSi氧化SiO2起初與(FeO)結(jié)合成硅酸鐵，即：被強(qiáng)堿性的氧化鈣所置換：硅酸鈣很穩(wěn)定，故在堿性渣中，冶煉前期Si幾乎全部被氧化．而不會(huì)再被復(fù)原。22 硅的復(fù)原。在酸性操作中，酸性渣中的(SiO)常常是過(guò)飽和的因此、當(dāng)熔池溫度上升到肯定程度后，將發(fā)生Si的復(fù)原反響。一般認(rèn)為Si22 (SiO2)+2C=Si+2CO222COSi的復(fù)原反響。因此，在加礦期，熔渣與金屬界面上有末熔的礦石顆粒時(shí)，其CO氣泡的核心，故渣中的(SiO)可被復(fù)原；在酸性爐底COSiO也可被復(fù)原。SiO也可被分解而進(jìn)入金屬。222錳的氧化和復(fù)原與硅一樣。煉鋼熔池中總合有肯定量的錳。錳也能無(wú)限溶于鐵液中。錳MnO，其氧化反響式為：Mn+FeO=MnO+Fe+123511KJ2 2 在有過(guò)量(FeO)存在時(shí)，(MnO)、(SiO)、(FeO)將結(jié)合為(Fe、Mn)SiO2 2 (Fe、Mn)SiOCaSiO

轉(zhuǎn)變，即：2 2 2 4MnSi的氧化復(fù)原相比，有以下根本特點(diǎn)：MnSiMn的氧化程度要低SiMn與氧的結(jié)合力量。MnO為弱堿性氧化物，在酸性渣中大局部(MnO)將生成較穩(wěn)定故硅Mn的氧化較完全，不易被復(fù)原。在堿性渣中的(MnO),則大局部里自由狀態(tài)存在。因此，在肯定條件下可以被復(fù)原。由MnMn的復(fù)原，所以在冶煉后期，將有肯定量的“余錳”存在。脫磷反響磷對(duì)鋼性能的影響。在液體鐵中，磷以元素磷的形式。也能以磷化鐵(Fe3PFe2P)的形式存在。脫磷的根本反響。在堿性煉鋼法中，P的氧化是在爐渣—金屬液界面進(jìn)展的，其反響式為：PO PO生成的磷酸鐵在高溫下很不穩(wěn)定PO PO2 5 2 5PPO2 5PO但 是酸性氧化物PO2 52 2 5 2 5 2 POCaO中需參加石灰使PO3CaOPO4CaOPO存在于渣中，2 2 5 2 5 2 脫磷根本條件的分析。影響脫磷過(guò)程的因素較多，主要是爐渣成分和(氧化鐵含量)外，鋼液其它成分、爐料含磷量、渣量和爐渣粘度等，也對(duì)脫磷過(guò)程有肯定程度的影響。爐渣成分的影響：由脫磷的根本反響式可知，高堿度、高氧化鐵爐渣有利于去磷。溫度的影響：脫磷是強(qiáng)放熱反響，所以高溫不利于去磷。同時(shí)，高溫促使脫碳反響速度增加，使渣中(FeO)含量顯著降低，也不利于去磷。但熔池溫度的提高，將加速石灰的熔化，加強(qiáng)鋼渣界面的反響。所以從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，過(guò)低的溫度也不利于磷的去除。金屬成分的影響：鋼液中其它元素和雜質(zhì)對(duì)脫磷反響也有肯定影響。一般說(shuō)來(lái)，某元素與氧的親和力大于磷與氧的親相力時(shí)，則該元素將阻礙磷的氧化。這個(gè)影響主要在煉一爐鋼的初期有肯定作用，而更主要的作用是它們的氧化產(chǎn)物影響爐渣的性質(zhì)。如鐵水中含Si過(guò)高，影響爐渣增高，有利于化渣而促進(jìn)脫磷等。渣量的影響：增加渣量可以促進(jìn)脫磷。因增加渣量意味著稀釋，屢次換渣操作是脫磷的有效措施，但金屬和熱量的損失較大。(FeO)過(guò)低，往往煉過(guò)程中的回磷現(xiàn)象，一般開頭于爐內(nèi)預(yù)脫氧期，直至出鋼。其后，在盛鋼桶中的回磷連續(xù)到澆注完畢。在脫磷過(guò)程中，假設(shè)操作不當(dāng)，也會(huì)(FeO)低；或熔池溫度過(guò)高，都將發(fā)生回磷。熔煉末期向爐內(nèi)或出鋼過(guò)程向鋼包內(nèi)的鋼水中參加脫氧劑，將使鋼中氧及渣中(FeO下降，發(fā)生以下反響：鋼中硅和鋁的含量越高則回磷現(xiàn)象越嚴(yán)峻。出鋼后，鋼液在鑰包內(nèi)冷靜和澆注連續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，由于爐渣溶解酸性包襯而降低了堿度，使?jié)沧⒛┢诮饘俸琢可仙?。為了抑制回磷現(xiàn)象，在生產(chǎn)中常用的方法是：出鋼前向爐內(nèi)參加石灰，使終渣變稠以防出鋼時(shí)下渣；或用擋渣球等機(jī)械方法防止下渣；出鋼時(shí)向鋼包渣而上參加小粒石灰以減弱爐渣的反響力量；盡可能縮短鋼液在鋼包內(nèi)的停留時(shí)間。脫硫反響FeS形式存在，1600℃下硫在鋼中能無(wú)限溶解，但其溶解度隨溫度的降低而減小，在固態(tài)鐵中的溶解度很小。因此．在鋼液凝固過(guò)程中，低熔點(diǎn)(1193℃)FeSFe形成低熔點(diǎn)共晶(988℃)，最終凝固時(shí)形成網(wǎng)狀組織分布于鐵晶粒周界上。當(dāng)鋼在熱加工的加熱過(guò)程中，溫度超過(guò)1100物將使晶界成脆性或熔融狀態(tài)，在軋制或鍛造時(shí)，即消滅斷裂，這種現(xiàn)脫硫反響一般在復(fù)原期進(jìn)展，其反響如(CaO)+FeS](CaS[FeO]影響爐渣脫硫的因素：A爐渣堿度的影響假設(shè)爐渣堿度過(guò)高，爐渣粘度增大，從而增加了反響物[FeS]通過(guò)鋼—渣界面的阻力，亦降低了脫硫產(chǎn)物(CaS)離開反響區(qū)的集中速度。因此，在提高堿度的同時(shí)，必需保證護(hù)渣具有良好的流