煉鋼原理與工藝課件

1、煉鋼原理與工藝,,第一章 煉鋼學概述,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 煉鋼的任務及鋼的分類,第一節(jié) 概述,鋼與生鐵的區(qū)別： 首先是碳的含量，理論上一般把碳含量＜2.11%稱之鋼，它的熔點一般在1450-1500℃，而生鐵的熔點一般在1150-1250℃。 在鋼中碳元素和鐵元素形成Fe3C固熔體，隨著碳含量的增加，其強度、硬度增加，而塑性和沖擊韌性降低。,鋼的應用前景 鋼具有很好的物理化學性能與力學性能，可進

2、行拉、壓、軋、沖、拔等深加工，其用途十分廣泛； 用途不同對鋼的性能要求也不同，從而對鋼的生產(chǎn)也提出了不同的要求。,石油、化工、航天航空、交通運輸、農(nóng)業(yè)、國防等許多重要的領域均需要各種類型的大量鋼材，我們的日常生活更離不開鋼。 總之，鋼材仍將是21世紀用途最廣的結構材料和最主要功能材料。,煉 鋼 方 法（1）,最早出現(xiàn)的煉鋼方法是1740年出現(xiàn)的坩堝法，它是將生鐵和廢鐵裝入由石墨和粘土制成的坩堝內(nèi)，用火焰加熱熔化爐料

3、，之后將熔化的爐料澆成鋼錠。此法幾乎無雜質(zhì)元素的氧化反應。,煉 鋼 方 法（2）,1856年英國人亨利·貝塞麥發(fā)明了酸性空氣底吹轉爐煉鋼法，也稱為貝塞麥法，第一次解決了用鐵水直接冶煉鋼水的難題，從而使煉鋼的質(zhì)量得到提高，但此法要求鐵水的硅含量大于0.8%，而且不能脫硫。目前已淘汰。,煉 鋼 方 法（3）,1865年德國人馬丁利用蓄熱室原理發(fā)明了以鐵水、廢鋼為原料的酸性平爐煉鋼法，即馬丁爐法。1880年出現(xiàn)了第一座堿性平爐。由于

4、其成本低、爐容大，鋼水質(zhì)量優(yōu)于轉爐，同時原料的適應性強，平爐煉鋼法仍一時成為的主要的煉鋼法。,煉 鋼 方 法（4）,1878年英國人托馬斯發(fā)明了堿性爐襯的底吹轉爐煉鋼法，即托馬斯法。他是在吹煉過程中加石灰造堿性渣，從而解決了高磷鐵水的脫磷問題。當時，對西歐的一些國家特別適用，因為西歐的礦石普遍磷含量高。但托馬斯法的缺點是爐子壽命底，鋼水中氮的含量高。,煉 鋼 方 法（5）,1899年出現(xiàn)了完全依靠廢鋼為原料的電弧爐煉鋼法(EAF)，解決

5、了充分利用廢鋼煉鋼的問題，此煉鋼法自問世以來，一直在不斷發(fā)展，是當前主要的煉鋼法之一，由電爐冶煉的鋼目前占世界總的鋼的產(chǎn)量的30-40%。,煉 鋼 方 法（6）,瑞典人羅伯特·杜勒首先進行了氧氣頂吹轉爐煉鋼的試驗，并獲得了成功。1952年奧地利的林茨城(Linz)和多納維茲城(Donawitz)先后建成了30噸的氧氣頂吹轉爐車間并投入生產(chǎn)，所以此法也稱為LD法。美國稱為BOF法（Basic Oxygen Furnace）或BO

6、P法。,LD/ BOF/ BOP,煉 鋼 方 法（7）,1965年加拿大液化氣公司研制成雙層管氧氣噴嘴，1967年西德馬克西米利安鋼鐵公司引進此技術并成功開發(fā)了底吹氧轉爐煉鋼法，即OBM法(Oxygen Bottom Maxhuette) 。1971年美國鋼鐵公司引進OBM法，1972年建設了3座200噸底吹轉爐，命名為Q-BOP (Quiet BOP)。,OBM/ Q-BOP,煉 鋼 方 法（8）,在頂吹氧氣轉爐煉鋼發(fā)展的同時，197

7、8-1979年成功開發(fā)了轉爐頂?shù)讖秃洗禑捁に?，即從轉爐上方供給氧氣（頂吹氧），從轉爐底部供給惰性氣體或氧氣，它不僅提高鋼的質(zhì)量，降低了消耗和噸鋼成本，更適合供給連鑄優(yōu)質(zhì)鋼水。,LD- Q- BOP,煉 鋼 方 法（9）,我國首先在1972-1973年在沈陽第一煉鋼廠成功開發(fā)了全氧側吹轉爐煉鋼工藝。并在唐鋼等企業(yè)推廣應用。,總之，煉鋼技術經(jīng)過200多年的發(fā)展，技術水平、自動化程度得到了很大的提高，21世紀煉鋼技術會面臨更大的挑戰(zhàn)，相信會有

8、不斷的新技術涌現(xiàn)。,我國很早就掌握了煉鐵的冶煉技術，東漢時就出現(xiàn)了冶煉和鍛造技術，南北朝時期就掌握了灌鋼法，曾在世界范圍內(nèi)處于領先地位。 但舊中國鋼鐵工業(yè)非常落后，產(chǎn)量很低，從1890年建設的漢陽鋼鐵廠至1948年的半個世紀中，鋼產(chǎn)量累計到200萬噸，1949年只有15.8萬噸。,新中國成立后，特別是改革開放以來，我國的鋼鐵事業(yè)得到迅速發(fā)展，1980年鋼產(chǎn)量達到3712萬噸，1990年達到6500萬噸，1996年首次突破1億

9、噸大關，成為世界第一產(chǎn)鋼大國，2005年產(chǎn)量達到3.4億噸，占世界產(chǎn)量的1/3。 可以這樣講，我國的鋼鐵工業(yè)對世界產(chǎn)生了重要影響，我國不僅是產(chǎn)鋼大國，而且已經(jīng)開始邁入鋼鐵強國的行列。,第二節(jié) 煉鋼的任務及鋼的分類,煉鋼的基本任務是脫碳、脫磷、脫硫、脫氧，去除有害氣體和非金屬夾雜物，提高溫度和調(diào)整成分。 歸納為：“四脫”（碳、氧、磷和硫），“二去”（去氣和去夾雜），“二調(diào)整”（成分和溫度）。采用的主要技

10、術手段為：供氧，造渣，升溫，加脫氧劑和合金化操作。,一、鋼中的磷,對于絕大多數(shù)鋼種來說磷是有害元素。鋼中磷的含量高會引起鋼的 “冷脆”，即從高溫降到0℃以下，鋼的塑性和沖擊韌性降低，并使鋼的焊接性能與冷彎性能變差。磷是降低鋼的表面張力的元素，隨著磷含量的增加，鋼液的表面張力降低顯著，從而降低了鋼的抗裂性能。,磷是僅次于硫在鋼的連鑄坯中偏析度高的元素，而且在鐵固熔體中擴散速率很小，因而磷的偏析很難消除，從而嚴重影響鋼的性能，所以脫磷是煉

11、鋼過程的重要任務之一。磷在鋼中是以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在，但通常是以[P]來表達。煉鋼過程的脫磷反應是在金屬液與熔渣界面進行的。,不同用途的鋼對磷的含量有嚴格要求： 非合金鋼中普通質(zhì)量級鋼[P]≤0.045%； 優(yōu)質(zhì)級鋼 [P]≤0.035%； 特殊質(zhì)量級鋼 [P]≤0.025%； 有的甚至要求 [P]≤0.01

12、0%。 有些鋼種:炮彈鋼，耐腐蝕鋼需加P元素。,二、鋼中的硫,硫?qū)︿摰男阅軙斐刹涣加绊?，鋼中硫含量高，會使鋼的熱加工性能變壞，即造成鋼的“熱脆”性?硫在鋼中以FeS的形式存在， FeS的熔點為1193℃， Fe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%。,當鋼中的[S]＞0.020%時，由于凝固偏析，F(xiàn)

13、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。,錳可在鋼凝固范圍內(nèi)生成MnS和少量的FeS，純MnS的熔點為1610℃，共晶體FeS-MnS（占93.5%）的熔點為1164℃，它們能有效的防止鋼熱加工過程的“熱脆”。,冶煉一般鋼種時要求將[Mn]控制在

14、0.4%-0.8%。在實際生產(chǎn)中還將[Mn]/[S]比作為一個指標進行控制，[Mn]/[S]對鋼的熱塑性影響很大。 從低碳鋼高溫下的拉伸實驗發(fā)現(xiàn)提高[Mn]/[S]比可以提高鋼的熱延展性。一般[Mn]/[S]≥7時不產(chǎn)生熱脆。,[Mn]/[S]比對低碳鋼熱延展性的影響,硫還會明顯降低鋼的焊接性能，引起高溫龜裂，并在焊縫中產(chǎn)生氣孔和疏松，從而降低焊縫的強度。硫含量超過0.06%時，會顯著惡化鋼的耐蝕性。硫還是連鑄坯中偏析最為嚴

15、重的元素。,不同鋼種對硫含量有嚴格的規(guī)定： 非合金鋼中普通質(zhì)量級鋼[S]≤0.045% 優(yōu)質(zhì)級鋼 [S]≤0.035%， 特殊質(zhì)量級鋼 [S]≤0.025% 有的鋼種要求如管線鋼 [S]≤0.005%,甚至更低。 有些鋼種，如易切削鋼硫則作為合金元素加入，要求[S]=0.08%-0.20%。,三、鋼中的氧,在吹煉過程中，向熔池供入了大量的氧氣，到吹煉終點時，鋼水中含有過量

16、的氧，即鋼中實際氧含量高于平均值。如不脫氧，在出鋼、澆鑄中，溫度降低，氧溶解度降低，促使碳氧反應，鋼液劇烈沸騰，使?jié)茶T困難，得不到正確凝固組織結構的連鑄坯。,鋼中氧含量高，還會產(chǎn)生皮下氣泡，疏松等缺陷，并加劇硫的熱脆作用。在鋼的凝固過程中，氧將會以氧化物的形式大量析出，會降低鋼的塑性，沖擊韌性等加工性能。一般測定的是鋼中的全氧，即氧化物中的氧和溶解的氧之和，在使用濃差法定氧時才是測定鋼液中溶解的氧，在鑄坯或鋼材中取樣時是全氧樣。,脫

17、氧的任務根據(jù)具體的鋼種，將鋼中的氧含量降低到所需的水平，以保證鋼水在凝固時得到合理的凝固組織結構；使成品鋼中非金屬夾雜物含量最少，分布合適，形態(tài)適宜，以保證鋼的各項性能指標；得到細晶結構組織。 常用的脫氧劑有Fe-Mn，F(xiàn)e-Si，Mn-Si，Ca-Si等合金。,四、鋼中的氣體,鋼液中的氣體會顯著降低鋼的性能，而且容易造成鋼的許多缺陷。鋼中氣體主要是指氫與氮，它們可以溶解于液態(tài)和固態(tài)純鐵和鋼中。氫在固態(tài)鋼中溶解度很小，在鋼水

18、凝固和冷卻過程中，氫會和CO、N2等氣體一起析出，形成皮下氣泡中心縮孔、疏松、造成白點和發(fā)紋。,鋼熱加工過程中，鋼中含有氫氣的氣孔會沿加工方向被拉長形成發(fā)裂，進而引起鋼材的強度、塑性、沖擊韌性的降低，即發(fā)生“氫脆”現(xiàn)象。在鋼材的縱向斷面上，呈現(xiàn)出圓形或橢圓形的銀白色斑點稱之為“白點”，實為交錯的細小裂紋。主要原因是鋼中的氫在小孔隙中析出的壓力和鋼相變時產(chǎn)生的組織應力的綜合力超過了鋼的強度，產(chǎn)生了“白點”。一般白點產(chǎn)生的溫度低于2000

19、C。,鋼中的氮是以氮化物的形式存在，它對鋼質(zhì)量的影響體現(xiàn)出雙重性。氮含量高的鋼種長時間放置，將會變脆，這一現(xiàn)象稱為“老化”或“時效”。原因是鋼中氮化物的析出速度很慢，逐漸改變著鋼的性能。低碳鋼產(chǎn)生的脆性比磷還嚴重。鋼中氮含量高時，在250-4500C溫度范圍，其表面發(fā)藍，鋼的強度升高，沖擊韌性降低，稱之為“藍脆”。氮含量增加，鋼的焊接性能變壞。,鋼中加入適量的鋁，可生成穩(wěn)定的AlN，能夠壓抑Fe4N生成和析出，不僅改善鋼的時效性，還可

20、以阻止奧氏體晶粒的長大。氮可以作為合金元素起到細化晶粒的作用.在冶煉鉻鋼，鎳鉻系鋼或鉻錳系等高合金鋼時，加入適量的氮，能夠改善塑性和高溫加工性能。,五、鋼中的夾雜,鋼中非金屬夾雜按來源分可以分成外來夾雜和內(nèi)生夾雜。外來夾雜是指冶煉和澆鑄過程中，帶入鋼液中的爐渣和耐火材料以及鋼液被大氣氧化所形成的氧化物。,內(nèi)生夾雜包括：,脫氧時的脫氧產(chǎn)物；鋼液溫度下降時，硫、氧、氮等雜質(zhì)元素溶解度下降而以非金屬夾雜形式出現(xiàn)的生成物；凝固過程中因溶解

21、度降低、偏析而發(fā)生反應的產(chǎn)物；固態(tài)鋼相變?nèi)芙舛茸兓傻漠a(chǎn)物。 鋼中大部分內(nèi)生夾雜是在脫氧和凝固過程中產(chǎn)生的。,根據(jù)成分不同，夾雜物可分為,氧化物夾雜，即 FeO、MnO、SiO2、Al2O3 、Cr2O3等簡單的氧化物；FeO-Fe2O3 、FeO-Al2O3、MgO-Al2O3等尖晶石類和各種鈣鋁的復雜氧化物；2FeO-SiO2，、2MnO-SiO2、 3MnO-Al2O3-2SiO2等硅酸鹽；硫化物夾雜，如FeS、

22、MnS、CaS等；氮化物夾雜，如AlN、TiN、ZrN、VN、BN等。,按加工性能，夾雜物可分為：塑性夾雜，它是在熱加工時，沿加工方向延伸成條帶狀；脆性夾雜，它是完全不具有塑性的夾雜物，如尖晶石類型夾雜物，熔點高的氮化物；點狀不變性夾雜，如SiO2超過70%的硅酸鹽，CaS、鈣的鋁硅酸鹽等。 由于非金屬夾雜對鋼的性能產(chǎn)生嚴重的影響，因此在煉鋼、精煉和連鑄過程應最大限度地降低鋼液中夾雜物的含量，控制其形狀、尺寸。,六、鋼中的

23、成分(碳),煉鋼的重要任務之一就是要把熔池中的碳氧化脫除至所煉鋼鐘的要求。從鋼的性質(zhì)可看出碳也是重要的合金元素，它可以增加鋼的強度和硬度，但對韌性產(chǎn)生不利影響。鋼中的碳決定了冶煉、軋制和熱處理的溫度制度。,碳能顯著改變鋼的液態(tài)和凝固性質(zhì)，在16000C，[C]≤0.8%時，每增0.1%的碳 ◆鋼的熔點降低6.50C ◆密度減少4kg/m3 ◆黏度降低0.7% ◆[N]的溶解度降低0.001%

24、 ◆[H]的溶解度降低0.4 cm3/100g ◆增大凝固區(qū)間17.790C 。,錳(Mn),錳的作用是消除鋼中硫的熱脆傾向，改變硫化物的形態(tài)和分布以提高鋼質(zhì)； 錳是一種非常弱的脫氧劑，在碳含量非常低、氧含量很高時，可以顯示出脫氧作用，協(xié)助脫氧，提高他們的脫氧能力； 錳還可以略微提高鋼的強度，并可提高鋼的淬透性能，穩(wěn)定并擴大奧氏體區(qū)，常作為合金元素生成奧氏體不銹鋼、耐熱鋼等。,硅 (Si),硅是鋼中最

25、基本的脫氧劑。普通鋼中含硅在0.17%-0.37%，14500C鋼凝固時，能保證鋼中與其平衡的氧小于與碳平衡的量，抑制凝固過程中CO氣泡的產(chǎn)生。 生產(chǎn)沸騰鋼時，[Si]為0.03%-0.07%，[Mn]為0.25%-0.70%，它只能微弱控制C-O反應。 硅能提高鋼的機械性能，增加了鋼的電阻和導磁性。,硅對鋼液的性質(zhì)影響較大，16000C純鐵中每增加1%的硅： ◆碳的飽和溶解度降低了0.294%

26、 ◆鐵的熔點降低80C ◆密度降低80kg/m3 ◆[N]的飽和溶解度降低0.003% ◆[H]降低1.4cm3/100g ◆鋼的凝固區(qū)間增加100C，鋼液的收縮率提 高2.05%。,鋁(Al),鋁是終脫氧劑，生產(chǎn)鎮(zhèn)靜鋼時，[Al]多在0.005%-0.05%，通常為0.01%-0.03%。鋼中鋁的加入量因氧量而異，對高碳鋼應少加些，而低碳鋼則應多加，加

27、入量一般為:0.3-1.0kg/t鋼。 鋁加到鋼中將與氧發(fā)生反應生成Al2O3，在出鋼、鎮(zhèn)靜和澆鑄時生成的Al2O3大部分上浮排除，在凝固過程中大量細小分散的Al2O3還能促進形成細晶粒鋼。鋁是調(diào)整鋼的晶粒度的有效元素，它能使鋼的晶粒開始長大并保持到較高的溫度。,七、鋼的分類,按化學成分分類 按是否加入合金元素可鋼分為把碳素鋼和合金鋼兩大類。 碳素鋼是指鋼中除含有一定量為了脫氧而加入硅（一般≤0.40%）和

28、錳（一般≤0.80%）等合金元素外，不含其他合金元素的鋼。根據(jù)碳含量的高低又可分成低碳鋼（[C]≤0.25%），中碳鋼(0.25%≤[C]≤0.60%)和高碳鋼([C]>0.60%)。,合金鋼是指鋼中除含有硅和錳作為合金元素或脫氧元素外，還含有其他合金元素如鉻、鎳、鉬、鈦、釩、銅、鎢、鋁、鈷、鈮、鋯和稀土元素等，有的還含有某些非金屬元素如硼、氮等的鋼。 根據(jù)鋼中合金元素含量的多少，又可分為低合金鋼，中合金鋼和高合金鋼。

29、一般合金元素總含量小于3%的為普通低合金鋼，總含量為3%～5%的為低合金鋼，大于10%的叫高合金鋼，總含量介于5%～10%之間為中合金鋼。 按鋼中所含有的主要合金元素不同可分為錳鋼、硅鋼、硼鋼、鉻鎳鎢鋼、鉻錳硅鋼等。,按冶煉方法和質(zhì)量水平分類,按煉鋼爐設備不同可分為轉爐鋼、電爐鋼、平爐鋼。其中電爐鋼包括電弧爐鋼、感應爐鋼、電渣鋼、電子束熔煉及有關的真空熔煉鋼等。 按脫氧程度不同可分為沸騰鋼（不經(jīng)脫氧或微弱脫氧）、鎮(zhèn)靜鋼（

30、脫氧充分）和半鎮(zhèn)靜鋼（脫氧不完全，介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間）。 按質(zhì)量水平不同可分為普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼。,按用途分類,分為三大類：結構鋼，工具鋼，特殊性能鋼。 結構鋼是目前生產(chǎn)最多、使用最廣的鋼種，它包括碳素結構鋼和合金結構鋼，主要用于制造機器和結構的零件及建筑工程用的金屬結構等。碳素結構鋼是指用來制造工程結構件和機械零件用的鋼，其硫、磷等雜質(zhì)含量比優(yōu)質(zhì)鋼高些，一般[S]≤0.055%，[P]≤0.045%，優(yōu)質(zhì)碳素鋼[S]和

31、[P]均≤0.040%。碳素結構鋼的價格最低，工藝性能良好，產(chǎn)量最大，用途最廣。,合金結構鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼的基礎上，適當?shù)丶尤胍环N或數(shù)種合金元素，用來提高鋼的強度、韌性和淬透性。合金結構鋼根據(jù)化學成分（主要指含碳量）熱處理工藝和用途的不同，又可分為滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼和氮化鋼。,滲碳鋼指用低碳結構鋼制成零部件，經(jīng)表面化學處理，淬火并低溫回火后，使零件表面硬度高而心部韌性好，既耐磨又能承受高的交變負荷或沖擊負荷。 調(diào)質(zhì)鋼的含碳量

32、大于0.25%，所制成的零件經(jīng)淬火和高溫回火調(diào)質(zhì)處理后，可得到適當?shù)母邚姸扰c良好的韌性。 氮化鋼一般是指以中碳合金結構鋼制成零件，先經(jīng)過調(diào)質(zhì)或表面火焰淬火、高頻淬火處理，獲得所需要的力學性能，最后再進行氮化處理，以進一步改善鋼的表面耐磨性能。,工具鋼包括碳素工具鋼和合金工具鋼及高速鋼。碳素工具鋼的硬度主要以含碳量的高低來調(diào)整（0.65%≤[C]≤1.30%），為了提高鋼的綜合性能，有的鋼中加入0.35%～0.60%的錳。

33、合金工具鋼不僅含有很高碳，有的高達2.30%，而且含有較高的鉻，鉻的含量可達到13%、鎢（達9%）、鉬、釩等合金元素，這類鋼主要用于各式模具。高速工具鋼除含有較高的碳（1%左右）外，還含有很高的鎢（有的高達19%）和鉻、釩、鉬等合金元素，具有較好的赤熱硬性。,特殊性能鋼指的是具有特殊化學性能或力學性能的鋼，如軸承鋼、不銹鋼、彈簧鋼、高溫合金鋼等。 軸承鋼是指用于制造各種環(huán)境中工作的各類軸承圈和滾動體的鋼，這類鋼含碳1%左右，含鉻最

34、高不超過1.65%，要求具有高而均勻的硬度和耐磨性，內(nèi)部組織和化學成分均勻，夾雜物和炭化物的數(shù)量及分布要求高。,不銹鋼是指在大氣、水、酸、堿和鹽等溶液，或其他腐蝕介質(zhì)中具有一定化學穩(wěn)定性的鋼的總稱。耐大氣、蒸汽和水等弱介質(zhì)腐蝕的稱為不銹鋼，耐酸、堿和鹽等強介質(zhì)腐蝕的鋼稱為耐腐蝕鋼。不銹鋼具有不銹性，但不一定耐腐蝕，而耐腐蝕鋼則一般都具有較好的不銹性。 根據(jù)化學成分不同，可分為馬氏體不銹鋼(13%Cr鋼為代表)，鐵素體不銹鋼(

35、18%Cr鋼為代表)，奧氏體不銹鋼(18%Cr-8%Ni鋼代表)和雙相不銹鋼。,彈簧鋼主要含有硅、錳、鉻合金元素，具有高的彈性極限、高的疲勞強度以及高的沖擊韌性和塑性，專門用于制造螺旋簧及其他形狀彈簧，對鋼的表面性能及脫碳性能的要求比一般鋼較為嚴格。高溫合金指的是在應力及高溫同時作用下，具有長時間抗蠕變能力與高的持久強度和高的抗蝕性的金屬材料，常用的有鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金，還有鉻基合金、鉬基合金及其他合金等。高溫合金主要用于制

36、造燃汽輪機、噴氣式發(fā)動機等高溫下工作零部件。,思考題,1、煉鋼的基本任務是什么，通過哪些手段實現(xiàn)？2、磷和硫?qū)︿摦a(chǎn)生哪些危害？3、實際生產(chǎn)中為什么要將[Mn]/[S]比作為一個指 標進行控制？4、氫和氮對鋼產(chǎn)生哪些危害？5、外來夾雜和內(nèi)生夾雜的含義是什么？,？,第二章 煉鋼基礎理論第一節(jié) 裝料2.1 .1 轉爐煉鋼原料 轉爐煉鋼的主要原料是鐵水，其次還配有部分廢鋼。2.1.1.1 鐵水

37、 鐵水是氧氣頂吹轉爐的主原料，一般占裝入量的70%以上。鐵水的物理熱和化學熱是氧氣頂吹轉爐煉鋼過程中的唯一熱源。因此，鐵水的溫度和化學成分應符合一定要求，以簡化和穩(wěn)定冶煉操作，并獲得良好的技術經(jīng)濟指標。2.1.1.1 .1對鐵水溫度的要求 鐵水溫度的高低，標志這鐵水物理熱的多少。較高的鐵水溫度可以保證轉爐吹煉的順利進行，同時還能增加廢鋼的配加量，降低轉爐的生產(chǎn)技術。因此，希望鐵水的溫度盡量高些，另外還需要入爐鐵水溫度相對

38、穩(wěn)定。,2.1.1.1.2 對鐵水成分的要求 轉爐煉鋼的適應性較強，可將各種成分的鐵水吹煉成鋼。但是，為了方便轉爐煉鋼操作及降低生產(chǎn)成本，鐵水的成分應該合適和穩(wěn)定。1、鐵水的含硅量 鐵水中的硅是轉爐煉鋼的主要發(fā)熱元素之一。根據(jù)轉爐煉鋼的熱平衡計算，鐵水中的含硅量每增加0.1%，廢鋼比可增加1.3%-1.5%。 若含硅量低于0.5%時，鐵水的化學熱不足，會導致廢鋼比下降，小容量轉爐甚至不能正常吹煉。另外，鐵水

39、含硅量過低時，石灰溶解困難，這不僅不利于硫和磷的去除，同時還會因渣量少而對鋼液的覆蓋效果差，吹煉時金屬飛濺嚴重，導致冶煉收得率下降。 反之，如果鐵水含硅量高于0.8%，不僅增加造渣材料的消耗，而且使爐內(nèi)的渣量偏大。理論計算表明，鐵,水的含硅量每增加0.1%，吹煉1t鐵水要增加2kg多的二氧化硅，同時還需要多加6kg的石灰，渣量則增加8kg。過多的渣量容易引起噴濺，增加金屬損失。另外，鐵水含硅量高時，初期渣子的堿度低，對爐襯

40、的侵蝕作用加??；同時，初期渣中的二氧化硅含量高，會使渣中的FeO、MnO含量相對較低，容易在石灰塊表面生成一層熔點為2130℃的2COSO外殼，阻礙石灰熔化，降低成渣速度，不利于早期的去磷。2、鐵水含的錳量 鐵水中的錳是一種有益元素，主要體現(xiàn)在錳氧化后生成的氧化錳能促進石灰溶解，促進初渣形成而減少螢石的用量，有利于提高爐齡和減輕氧槍粘鋼。有資料表明，如果鐵水中的錳含量從0.3%提高到0.9%，螢石的用量可以減少82%。但

41、是當錳含量超過1%時，爐渣太稀，不利于轉爐的吹煉。,3、鐵水的含磷量 磷會使鋼產(chǎn)生“冷脆”現(xiàn)象，是鋼中的有害元素之一。轉爐單渣法吹煉時脫磷效率一般為85%-90%，考慮到出鋼后回磷及廢鋼中帶入的磷，希望入爐鐵水的含磷量小于0.15%—0.20%，最高不能超過0.4%。若鐵水含磷量過高，轉爐吹煉需采用雙渣法操作，這將會惡化轉爐生產(chǎn)的技術經(jīng)濟指標。 4、鐵水的含硫量 硫會使鋼產(chǎn)生“熱脆”現(xiàn)象，也是鋼中的有害原審。

42、LD轉爐脫硫效果差，單渣法冶煉時的脫硫效率僅為30%—35%，而通常要求鋼液含硫量在0.03%以下，因此希望鐵水含硫量低于0.04%—0.05%。2.1.1.2 廢鋼 廢鋼是轉爐煉鋼的另一種原料，不過在此它是作為冷卻劑使用的。LD煉鋼中，鐵水的物理熱和化學熱足以把,熔池的溫度從1250—1300℃加熱到1600℃左右的煉鋼溫度，且有富余熱量，廢鋼就是用來消耗這些富余熱量，以控制熔池溫度的 。2.1.2 轉爐的裝入制

43、度 轉爐的裝入制度包括裝入量、廢鋼比及裝料順序三個問題。2.1.2.1 裝入量的確定 轉爐的裝入量是指每爐裝入鐵水和廢鋼兩種金屬爐料的總量。生產(chǎn)時間表明，對于不同容積的轉爐以及同一轉爐在不同冶煉條件下，都有其不同而合理的裝入量。裝入量過大，會導致吹煉過程中的噴濺加劇而被迫降低供氧強度，從而使氧射流對熔池的攪拌力下降，成渣變慢，爐襯壽命縮短；反之，裝入量過小，不僅使轉爐生產(chǎn)能力得不到充分發(fā)揮，產(chǎn)量低，而且由

44、于熔池過淺，使爐底容易被氧氣射流沖蝕而過早損壞。目前控制LD轉,爐裝入量的方法有以下三種。1、定量裝入法 所謂定量裝入，是指在整個爐役期內(nèi)，每爐的裝入量保持不變的裝料方法。這種方法的優(yōu)點是，生產(chǎn)組織簡單、便于實現(xiàn)吹煉過程中的計算機自動控制。其問題是，容易造成爐役前期的裝入量偏大而熔池較深，爐役后期的裝入量偏小而熔池較淺。轉爐容量越小，爐役前后期的這種差別越大。因此，定量裝入法適用于大轉爐。 2、定深裝入法 所

45、謂定深裝入，是指在一個爐役期間，隨著爐襯的侵蝕，爐子實際有效容積不斷擴大，從而逐漸增加裝入量，以保證熔池深度不變的裝料方法。該法優(yōu)點是，氧槍操作穩(wěn)定，有利于提高供氧強度并減輕噴濺。其問題是，定深裝入法的裝入量和出鋼量變化頻繁，生產(chǎn)組織難度大。,3、分階段定量裝入法。 該法是根據(jù)爐襯的侵蝕規(guī)律和爐膛的擴大程度，將一個爐役期劃分為3—5個階段，每個階段實行定量裝入，裝入量逐段遞增。分階段定量裝入法大體上保持了適當?shù)娜鄢厣疃?，?/p>

46、以滿足吹煉工藝的要求，又保證了裝入量的相對穩(wěn)定，便于組織生產(chǎn)。中小轉爐普遍使用此法。在確定各階段的裝入量時應考慮下列因素：（1）熔池深度要合理。生產(chǎn)實踐證明，熔池的深度H為氧氣射流對熔池的最大沖擊深度h的1.5—2.0倍時較為合理。既能防止氧氣射流沖蝕爐底，同時又能保證氧氣射流對熔池有良好的攪拌。（2）爐容比（V/T）要合適。轉爐的工作容積，也稱有效容積，以“V”表示，公稱噸位用“T”表示，兩者之比值“V／T”稱之為爐容比，單位為(

47、m3／t)。轉爐生產(chǎn)率的高低以及吹煉中的噴濺情況都和爐容比的大小密切相關。,爐容比過大，會增加設備重量、廠房高度和耐火材料消耗量，因而使整個車間的費用增加，成本提高，對鋼的質(zhì)量也有不良影響；而爐容比過小，爐內(nèi)沒有足夠的反應空間，勢必引起噴濺，對爐襯的沖刷加劇，操作惡化，導致金屬消耗增高，爐襯壽命降低，不利于提高生產(chǎn)率。目前，國內(nèi)外轉爐的爐容比通常為0.8—1.0。一般說來，轉爐容量小、鐵水含硅或含磷高、供氧強度大及用氧化鐵皮做冷卻劑時，

48、爐容比取上限；反之，則取下限。 2.1.2.2 廢鋼比 廢鋼的加入量占金屬料裝入量的百分比稱為廢鋼比。提高廢鋼比，可以減少鐵水的用量，從而有助于降低轉爐的生產(chǎn)成本；同時可減少石灰的用量和渣量，有利于減輕吹煉中的噴濺，提高了金屬收得率；還可以縮短吹煉時間、減少氧氣消耗和增加產(chǎn)量。,2.1.2.3 裝料順序 LD轉爐的裝料順序，一般情況下是先加廢鋼后兌鐵水，以避免廢鋼表面有水或爐內(nèi)渣未倒凈裝料時引起爆炸。爐役后

49、期，為使其免受廢鋼的直接沖擊，在確認廢鋼干燥及渣已倒凈或已加石灰稠化的條件下，可先兌鐵水后加廢鋼。,第二節(jié) 供氧 煉鋼的基本任務是靠向熔池供氧，造堿性渣，去除原料中的雜質(zhì)，得到成分和溫度合格的鋼水。因此可以說供氧是煉鋼過程進行的中心環(huán)節(jié)。 2.2.1 熔池中氧的來源 熔池內(nèi)氧的主要來源于直接吹氧、加礦分解和爐氣供氧三個方面。 2.2.1.1 直接吹氧 直接吹入氧氣是煉鋼生產(chǎn)中向熔池供氧的最主要方

50、法。目前煉鋼所用的氧都是由工業(yè)制氧機分離空氣所得。通常要求氧氣的含氧量不低于98.5%，水分不能超過3g/m3，而且具有一定的壓力。 LD轉爐為了獲得較高的脫碳速度，縮短冶煉時間，采,用高壓氧氣經(jīng)水冷氧槍從熔池上方垂直向下吹入的方式供氧，而且氧槍的噴頭是拉瓦爾型的，工作氧壓0.5—1.1Mpa，氧氣流股的出口速度高達450—500m/s，即屬于超音速射流。超音速氧流有足夠的動能去沖擊、攪拌熔池，改善脫碳反應的動力學條件，加速反應

51、的進行。在轉爐內(nèi)超音速射流向前流動，與周圍介質(zhì)進行物質(zhì)和能量交換，其流速逐漸變慢，斷面積逐漸增大，溫度逐漸升高。2.2.1.2 加入鐵礦石和氧化鐵皮 鐵礦石和氧化鐵皮是作為冷卻劑加入的，因為它們主要都是以鐵的氧化物形式存在的，加入熔池后， 隨著升溫、熔化并溶解，可提高渣中（FeO）的含量，從而會向熔池中供氧。 2.2.1.3 爐氣傳氧 如果煉鋼爐內(nèi)爐氣中氧的分壓大于渣中氧化亞鐵的分解壓，同時又大于鋼液中

52、氧化亞鐵的分解壓時，氣相中的,氧就會不斷地傳入熔池。有研究表明，在煉鋼溫度下，氧化性熔渣中（FeO）的分解壓約為10-2Pa，鋼液中〔FeO〕分解壓約為10-4—10-5Pa，而LD轉爐爐氣中氧的分壓接近于1atm。可見，在氧化精煉過程中，煉鋼爐內(nèi)具備了爐氣向熔池傳氧的條件，氣相中的氧會不斷地傳入熔渣和鋼液。2.2.2 轉爐的供氧制度 如何合理的向熔池供氧以便得到最佳的冶煉條件，在生產(chǎn)上也稱供氧制度。包括兩個方面：根據(jù)原

53、料，爐子噸位，設計好的氧槍；制定合理的氧槍操作制度。因此，選定氧槍后，要確定供氧制度，只需要制定合理的氧槍操作制度，它包括：確定恰當?shù)墓┭鯊姸?，確定供氧壓力，確定合理的槍位及在吹煉過程中如何調(diào)節(jié)槍位。,2.2.2.1 供氧強度 所謂供氧強度，是指單位時間內(nèi)向每噸金屬供給的標準狀態(tài)氧氣量的多少，即：供氧強度（m³/（t·min））=每噸金屬需氧量（m³/t）/供養(yǎng)時間（min）。

54、 生產(chǎn)實踐表明，容量為30—50噸的轉爐，供氧強度為2.8—4.0 m³/（t·min）,120—150噸的轉爐，供氧強度為2.5—3.5 m³/（t·min）。國外大型轉爐的供氧強度一般為2.5—4.0 m³/（t·min）。2.2.2.2 供氧壓力 氧氣的壓力是轉爐煉鋼中供氧操作的一個重要參數(shù)。對于同一氧槍來說，提高氧氣壓力可以增加供氧強度而縮短冶煉時間。

55、但是槍位一定時，過分增大氧壓會引起嚴重噴濺，同時氧氣射流對熔池的沖擊深度也會增加，從而有沖蝕爐底的危險。合適的供氧壓力，一般是先經(jīng)驗選定，然后在使用中修正。轉爐中涉及的氧氣壓力主要是噴頭前的絕對壓力p0和使用壓力p用（表壓）。,噴頭前的氧壓p0是設計噴頭和確定吹煉制度時的原始參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗，小型轉爐的p0一般為0.4—0.7Mpa，大型轉爐的p0則為0.8—1.1Mpa。通常所說的供氧壓力，是指轉爐車間內(nèi)氧氣壓力測定點的表壓值，又稱使

56、用壓力，常以p用表示。使用壓力p用與噴頭前壓力p0間的關系為： p用= p0-0.1+（0.15—0.25）MPa 實際供氧壓力允許有約45%的正偏差，特別是在采用分階段定量裝入法時，隨著裝入量的遞增，要相應提高供氧壓力，以增大供氧量。2.2.2.3 槍位及其控制 轉爐煉鋼中的槍位，通常定義為氧槍噴頭至平靜熔池液面的距離。這一距離較大時，稱高槍位，反之稱低槍位。槍位高低是轉爐吹

57、煉過程中的一個重要參數(shù)，它不僅與熔池內(nèi)鋼液環(huán)流運動的強弱有直接關系，而且對轉爐內(nèi)的傳氧情況有重大影響。,一、 槍位與熔池內(nèi)鋼液環(huán)流的關系 轉爐煉鋼中，氧氣流股不斷沖擊熔池，在熔池中央沖出一個“凹”坑，該坑的深度常被叫做氧氣射流的沖擊深度，坑口的面積被稱為氧氣射流的沖擊面積；與此同時，到達坑底后的氧氣射流形成反射流股，通過與鋼液的摩擦力引起熔池內(nèi)的鋼液進行環(huán)流運動，改善了爐內(nèi)化學反應的動力學條件，對加速冶煉有重要意義。

58、 在吹煉過程中，采用低槍位或高氧壓的吹氧操作稱為“硬吹”。（如圖2-1）硬吹時，氧氣射流與熔池接觸時的速度較快，斷面積較小，因而熔池中央唄沖出一個面積較小而深度較大的作用區(qū)。該區(qū)內(nèi)溫度高達2200—2700℃，而且鋼液被粉碎成細小的液滴，從坑的內(nèi)壁的切線方向濺出，形成很強的反射流股，從而帶動鋼液進行劇烈的循環(huán)流動，幾乎使整個熔池都得到了強有力的攪拌。,采用高槍位或低氧壓的吹氧操作稱為“軟吹”。（如圖2-1）軟吹時，與熔池接觸的

59、氧氣射流速度較慢、斷面積較大，因而其沖擊深度較小而沖擊面積較大，同時產(chǎn)生的反射流股也較弱，鋼液因此而形成的環(huán)流也就相對較弱，氧氣對熔池的攪拌效果較差。 轉爐的吹氧操作有三種類型，即恒氧壓變槍位操作、恒槍位變氧壓操作和變槍位變氧壓操作。所謂恒氧壓變槍位操作，是指在一爐鋼的吹煉過程中的氧氣的壓力保持不變，而通過變槍位來調(diào)節(jié)氧氣射流對熔池的沖擊深度和沖擊面積，以控制冶煉過程順利進行的吹氧方法。生產(chǎn)實踐證明，這種方法能根據(jù)一爐鋼冶

60、煉過程中各階段的特點靈活地控制爐內(nèi)的反應，吹煉平穩(wěn)、金屬損失少，去磷硫效果好，國內(nèi)外各廠普遍采用這種方法。恒槍位變氧壓的操作比較簡單，但是吹煉效果不太理想，而且要求鐵水成分和溫度波動范圍較小。變槍位變氧壓操作，不但可以化渣迅速，而且可以提高吹煉前期和后期的供氧強度，縮短冶,煉時間。但是這種方法要求技術水平高，不容易掌握。如今，國內(nèi)外煉鋼廠普遍采用的是分階段恒氧壓變槍位操作。二、 槍位對爐內(nèi)傳氧的影響 LD轉爐的傳氧方式有

61、兩種：直接傳氧和間接傳氧。它們分別發(fā)生在不同的冶煉條件即槍位下。1、直接傳氧 所謂直接傳氧，是指吹入熔池的氧氣被鋼液直接吸收的傳氧方式。硬吹時，轉爐內(nèi)的傳氧方式主要是直接傳氧。其傳氧途徑主要有一下兩個：（1）通過金屬液滴直接傳氧 硬吹時，氧氣射流強烈沖擊熔池而濺起來的那些金屬液滴被氣相中的氧氣氧化，其表面形成一層富氧的FeO渣膜。這種帶有FeO渣膜的金屬液滴很快落入熔池，并隨其中的鋼液一起進行環(huán)流而成為氧的

62、主要傳遞者。其傳氧過程如下：,a、吹入的氧與濺起的金屬液滴接觸，氣態(tài)的氧唄金屬液滴表面吸附并分解成原子態(tài)的氧。 b、被吸附的原子態(tài)的氧使金屬液滴表面氧化，產(chǎn)生FeO渣膜；同時，有一部分原子態(tài)的氧進入金屬液滴中。 c、進行環(huán)流運動過程中，金屬液滴表面的FeO渣膜大量消耗于沿途的雜質(zhì)元素的間接氧化，余者則進入渣中；與此同時，溶于金屬液滴內(nèi)的氧也將周圍的雜質(zhì)元素氧化。（2）通過乳濁液直接傳氧

63、高壓氧氣射流自上而下吹入熔池，將熔池沖出一個凹坑的同時，射流末端也被碎裂成許多小氣泡。這些小氧氣泡與氧氣射流擊碎的金屬液和熔渣一起形成了三相乳濁液，其中的金屬液滴可將小氣泡中的氧直接吸收。熔池的乳化極大地增加了鋼液、熔渣、氧氣三者之間的接觸面積，一般情況可達0.6～1.5㎡/㎏，從而大大加快爐內(nèi)的傳氧速度。這也是氧氣轉爐比電弧爐的冶煉速度快許多的主要原因。,(2)間接傳氧 所謂間接傳氧，是指吹入爐內(nèi)的氧氣經(jīng)熔渣傳入鋼液的傳

64、氧方式。軟吹時，因為氧氣射流對金屬熔池的沖擊相對較弱而沖擊深度較小，因而生成的金屬液滴和小氣泡數(shù)量較少，熔池的乳化程度也較低，直接傳氧作用大為減弱。但是，此時氧氣射流與熔池的作用面積相對較大，因此，“熔渣先被氧氣射流氧化，繼而再將氧傳給鋼液” 的間接傳氧作用則會明顯加強。具體傳氧過程如下：a、爐渣中的低價氧化鐵被氧氣射流氧化成高價氧化鐵。b、含有高價氧化鐵的熔渣被吹離作用區(qū)，在與別處的鋼液接觸時被還原成低價氧化物。c、當渣中的（F

65、eO）含量較高時，按分配定律部分地轉入鋼液。 軟吹時間接傳氧作用強，渣中（FeO）含量較高，化渣能力較強；但由于直接傳氧作用很弱，雜質(zhì)元素的氧化速度較慢。,三、 槍位控制 轉爐煉鋼中槍位控制的基本原則是，根據(jù)吹煉中出現(xiàn)的具體情況及時進行相應的調(diào)整，力爭做到既不出現(xiàn) “噴濺” ，又不產(chǎn)生“返干”，使冶煉過程順利到達終點。1 一爐鋼吹煉過程中槍位的變化 一爐鋼吹煉的不同階段，轉爐內(nèi)的熔渣組成、

66、鋼液成分、熔池溫度及所進行的化學反應等均不相同，因此向爐內(nèi)供氧的條件也不同。在目前的供氧壓力0.5～1.1MPa情況下，三孔拉瓦爾噴頭氧槍的槍位（H，mm）在吹煉中的變化范圍與噴頭喉口直徑（d，mm）的經(jīng)驗關系式為：H=（35～55）d而槍位的變化規(guī)律通常是：高→低→高→低。 吹煉前期，爐內(nèi)反應的主要特點是，鐵水的硅迅速氧化，渣中的酸性氧化物（SiO2）快速增加，同時熔池溫度尚低。此時要加入大量石灰盡快形成堿度不低于1.

67、5 ～1.7,的熔渣，縮短酸性渣的過度時間，以減輕爐襯損失和增加前期的去磷量。所以，吹煉前期應采用較高的槍位，使渣中的氧化鐵穩(wěn)定在25%左右，迅速在所加入的石灰表面形成熔點僅為1205℃的CaO·FeO·SiO2，加速石灰的溶解。若槍位過低，將會導致渣中的（FeO）不足而在石灰塊的表面生成熔點高達2130℃的2 CaO·SiO2，阻礙石灰的熔化.但槍位也不可過高，否則渣中（FeO）過多引起爐渣嚴重泡沫化而產(chǎn)

68、生噴濺。最佳的槍位應控制在使爐內(nèi)熔渣適當泡沫化又不產(chǎn)生噴濺。 吹煉中期，爐內(nèi)渣子已化好，硅、錳的氧化已近結束，熔池溫度也較高，碳氧反應開始加速。此時應適當降低槍位，以防噴濺，同時配合脫碳反應所需的供氧條件。激烈的碳氧反應也會消耗大量渣中（FeO）。如果渣中（∑FeO）降低過多，會使爐渣熔點升高甚至出現(xiàn)高熔點的硅酸鈣固態(tài)顆粒使爐渣黏度增大，這種現(xiàn)象稱為爐渣“返干”；同時也會因鋼液表面裸露出現(xiàn)金屬飛濺的情況。為此，中期的槍位也不

69、宜過低，應使渣中（∑FeO）保持在10% ～ 15%的范圍內(nèi)。,吹煉后期，爐內(nèi)的碳氧反應已較弱，因爐渣嚴重泡沫化而產(chǎn)生噴濺的可能性較小，此時主要任務是調(diào)整好爐渣的氧化性和流動性，繼續(xù)去磷；同時，通過高溫、高堿度的爐渣去除鋼液中的硫；準確控制終點。所以此階段應先提槍化渣，接近終點時再適當降槍，以加強對熔池的攪拌，均勻鋼液成分和溫度，同時降低終渣中（∑FeO）含量，提高金屬和合金的收得率，并減輕熔渣對爐襯的侵蝕。2 生產(chǎn)條件改變時調(diào)節(jié)氧