钢液脱磷、脱硫 炼钢过程

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因为磷首先氧化生成p作为磷的氧化剂feo可增大afeo而作为碱性氧化物可降低p2o5增大促迚了脱磷但作为炉渣中的碱性氧化物feo脱磷能力进丌及cao当炉渣中的feo含量高到一定程度后相当于稀释了炉渣中cao的浓度这样会使炉渣的脱磷能力下降
钢液脱磷、脱硫
《转炉炼钢生产》
一、钢液的脱磷
脱磷反应是炼钢过程的基本反应之一,也是一个必要的冶金反应。 磷是一个有害元素,其含量越低越好。在脱氧合金化和炉外精炼过 程中,会发生一定量的回磷现象。而减少其含量是降低危害的唯一 措施。
[S]+(O2-)=(S2-)+[O]
在酸性渣中几乎没有自由的O2-,因此酸性渣脱硫作用很小,
而碱性渣则不同,具有较强的脱硫能力。上式反应的平衡常数可写为:KSa (S2
)
.a[O
]
a[
S
]
.a (O
2
)
(%S) [%S ]
f(S 2 ) a[O] f[S ] a(O2 )
二、钢液的脱硫
影响钢渣间脱硫反应的因素 •炼钢温度的影响。钢渣间的脱硫反应属于吸热反应,吸热在 108.2-128kJ/mol之间,因此,高温有利于脱硫反应进行。 温度的重要影响主要体现在高温能促进石灰溶解和提高炉渣 流动性,改善脱硫反应的动力学条件(如扩散、活化能等) 。 •炉渣碱度的影响。炉渣碱度高,游离CaO多,或(O2-)增大, 有利于脱硫。但过高的碱度,常出现炉渣粘度增加,反而降 低脱硫效果。
一炉钢 冶炼过 程金属 成分和 炉渣成 分的变 化规律
二、钢液的脱硫
脱硫反应动力学 •在炼钢过程中,脱硫反应和脱磷反应相同,都是渣、钢界面 反应,脱硫反应的速率方程可表示为:
d[%S] A Ls[%S] (%S)
dt
Wm LS / mkm 1/ sks
1)当钢水中硫的传质系数km很大 LS (mkm) 0,此时硫的传质阻
力集中于炉渣:
d [% S ] dt
一、钢液的脱磷
•炉渣成分的影响。主要表现为炉渣碱度 和炉渣氧化性的影响。P2O5属于酸性氧化 物,CaO、MgO等碱性氧化物能降低它 的活度,碱度越高,渣中CaO的有效浓度
越高,LP越大,脱磷越完全。但是,碱度
并非越高越好,加入过多的石灰,化渣不 好,炉渣变粘,影响流动性,对脱磷反而 不利。
实际碱度控制在2.5~4.0范围内为宜。
A Wm
S kS
Ls[%S]
(% S )
二、钢液的脱硫
2)如Ls一定,ks很大,即硫的传质阻力集中于钢水时,

1 (sks )
0,则脱硫速率方程为:
d[%S ] dt
A Wm
mkm
[%S ]
(%S )
LS
硫在金属液中的扩散为限制环节。
二、钢液的脱硫
提高脱硫速率的措施 •反应界面积越大,脱硫速率就越快。熔池沸腾程度,渣钢间的乳 化状况,喷吹搅拌的程度等均对渣、钢界面的大小产生影响。
W渣—渣量,㎏。
一、钢液的脱磷
•热力学条件“三高一低”:高碱度(3~4),高氧化铁(15~ 20%),大渣量,低熔池温度。 脱磷的条件:高碱度、高氧化铁含量(氧化性)、良好流动性熔 渣、充分的熔池搅动、适当的温度和大渣量。
一、钢液的脱磷
回磷现象
要保证钢水脱磷效果,必须防止回磷现象。回磷现象就是磷从熔渣中 又返回到钢中,多发生在钢包内。成品钢中磷含量高于终点磷含量也属 回磷现象。
二、钢液的脱硫
炼钢原料S含量较高,如铁水、生铁块和石灰(石灰窑内 从燃料中吸收S),常超过钢种要求。
S在钢液中无限溶解,不可能自行溢出。在生产中必须采 用相应的手段进行脱S,以满足钢种要求。
钢液的脱硫主要是通过两种途径来实现,即炉渣脱硫和气 化脱硫。在一般炼钢操作条件下,炉渣脱硫占主导。氧化渣 脱硫占总脱硫量的90%,气化脱硫占10%左右。因此,主要 分析炼钢渣与金属间的脱硫反应。
LP主要取决于熔渣成分和温度。不管LP采用何种表达,均表明了 熔渣的脱磷能力,LP越大说明脱磷能力越强,脱磷越完全。
一、钢液的脱磷
影响脱磷反应的因素 •炼钢温度的影响。脱磷反应是强放热反应,如熔池温度降低,
脱磷反应的平衡常数KP增大,LP增大,因此,从热力学观点,
低温脱磷比较有利。但是,低温不利于获得流动性良好的高碱 度炉渣 。
二、钢液的脱硫
•炉渣中(FeO)的影响。从热力学角度可以看出,(FeO)高不利于脱硫。 当炉渣碱度高时、流动性差时,炉渣中有一定量的(FeO),可助熔 化渣。
渣中(FeO)对脱硫有双重作用 首先,由于渣钢之间存在着〔O〕与(FeO)的对应关系, 增加渣中(FeO)将使钢中〔O〕含量升高,因此抑制脱硫。 同时,FeO是两性氧化物,增加渣中(FeO)也增加渣中 (O2-) ,对脱硫有促进作用。
终点熔渣碱度与[P]的关系
一、钢液的脱磷
熔渣中(FeO)含量对脱磷反应具有重要作用,渣中(FeO)是脱磷的首要因 素。因为磷首先氧化生成P2O5,然后再与CaO作用生成3CaO·P2O5或 4CaO·P2O5。
作为磷的氧化剂,(FeO)可增大aFeO,而作为碱性氧化物可降低γP2O5, 因此,随着炉渣(FeO)含量增加,LP增大,促进了脱磷,但作为炉渣中的
KP
a4CaO.P2O5 aP 2 .aF5 e O.aC5aO
[%P]2.
.(N ) 4CaO.P2O5
4CaO . P2O 5
fP2.(NFeO)5. 5FeO.(NCaO
)4.
CaO
4
一、钢液的脱磷
磷的分配系数
LP
(%P) [%P]2
LP
(%P2O5 ) [%P]2
LP
(%4CaO.P2O5 ) [%P]2
2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe] 2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3CaO·P2O5)+5[Fe]
一、钢液的脱磷
从 CaO-P2O5 相 图 中 可 以 看 出 3CaO·P2O5 为 最 稳 定 , 4CaO·P2O5次之。可以认为存在于碱性渣中的应是3CaO·P2O5 。
一、钢液的脱磷
还原脱磷 要实现还原脱磷,必须加入比铝更强的脱氧剂,使钢液达到 深度还原。通常加入Ca,Ba或CaC2等强还原剂。
3[Ca]+2[P]=3(Ca2+)+2(P3-) 3[Ba]+2[P]=3(Ba2+)+2(P3-) 3CaC2(s)+2[P]=3(Ca2+)+2(P3-)+6[C]
由于3CaO·P2O5和4CaO·P2O5的反应生成自由能值很相近,在 热力学分析时,有两种磷酸盐得出的结论基本上是一致的。在实 验室条件下,达到平衡时的反应产物通常是4CaO·P2O5 。
一、钢液的脱磷
2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]
脱磷反应平衡常数可表示为:
熔渣的碱度或氧化铁含量降低,或石灰化渣不好,或温度过高等均会 引起回磷现象。
终渣中含P很高,出钢时部分终渣进入钢包。出钢过程中由于脱氧合 金加入不当,或出钢下渣,或合金中磷含量较高等因素,也会导致成品 钢中磷高于终点[P]含量。
炉渣被还原,[O]和(FeO)降低,破坏钢渣平衡, 4CaO·P2O5被还原; 用Si脱氧后生成的SiO2,钢包内顶渣的碱度降低。
•炉渣粘度低、熔池活跃、钢水和炉渣的含硫量差值大时,km、ks
大,脱硫速率快。(提高熔池温度将降低熔渣和钢液粘度,增加S 的扩散系数)
•炉渣碱度、炉渣氧化性和熔池温度等操作工艺条件均在Ls产生影 响,一切旨在提高Ls的措施均可促进脱硫反应。(高温、高碱度、
低氧化性)
三、冶炼过程金属和炉渣成分的变化规律
一、钢液的脱磷
•渣量的影响
增加渣量意味着稀释4CaO·P2O5浓度,有利于脱磷。 对100Kg炉料进行平衡计算,可以得到磷的分配关系:
100P料 W金 %P W渣 %P W金 LPW渣 %P
改写为:
%P 100P料
W金 LPW渣
式中:∑P料—100㎏炉料中带入的磷量;W金—金属量,㎏;
二、钢液的脱硫
炉渣脱硫 [FeS] = (FeS)
(FeS)+ (RO) = (RS) + (FeO) 总反应描述为:(RO)+[FeS] = (RS) + (FeO) 式中 RO—CaO、MgO、MnO等碱性氧化物;
RS—CaS、MgS、MnS等硫化物。
二、钢液的脱硫
根据熔渣的离子理论,脱硫反应为:
一、钢液的脱磷
还原脱磷加入强还原剂的同时,还需加入CaF2,CaO等熔剂 造渣。还原脱磷一般是在金属不宜用氧化脱磷的情况下才使 用,如含铬高的不锈钢,采用氧化脱磷会引起铬的大量氧化。 还原脱磷后的渣应立即去除,否则渣中的P3-又会重新氧化成 PO43-而造成回磷。
一、钢液的脱磷
冶炼低磷钢的措施 ➢减少原料含磷量: 减少高炉炉料的P含量:采用低磷矿石、减少炼钢渣的使用量 和取消烧结中磷酸。 铁水预处理脱磷:宝钢鱼雷罐车内脱磷,曹妃甸设立专门脱磷 转炉等。 优选合金料:用MnSi合金代替高炉锰铁。 ➢优化脱磷工艺 使用活性石灰:提高化渣速度和碱度。 采用软吹工艺:提高枪位,增加%FeO;保持前期温度均匀上 升,降低熔池温度。 增加渣量:提高铁水中%Si。 利用喷粉工艺:采用炉内喷粉工艺。 增加熔池搅拌:提高转炉后期的底吹量。
从理论上来说,钢水的脱磷包括两种方法:氧化脱磷和还原脱磷。 还原脱磷成本高(用Ca脱磷)、工艺复杂,目前处于理论研究 阶段,在生产中基本不使用还原脱磷。在转炉、电炉和铁水预处理 工艺中,主要采用氧化法脱磷工艺。
一、钢液的脱磷
磷在钢中是以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在,为方便起见,均用[P] 表示。炼钢过程的脱磷反应是在金属液与熔渣界面进行的,首先 是[P]被氧化成(P2O5),而后与(CaO)结合成稳定的磷酸钙, 其反应式可表示为:
碱性氧化物(FeO)脱磷能力远不及(CaO),当炉渣中的(FeO)含量高到一 定程度后,相当于稀释了炉渣中(CaO)的浓度,这样会使炉渣的脱磷能 力下降。 FeO对脱磷的综合影响:R=2.5~4.0,(FeO)20%左右,有利于脱磷。
一、钢液的脱磷
终点熔渣(TFe)和[P]的关系
一、钢液的脱磷
•金属成分的影响。首先钢液中应有较高的[O],如果钢液 中[Si]、[Mn]、[Cr]、[C]含量高,则不利于脱磷,因此, 只有与氧结合能力高的元素含量降低时,脱磷才能顺利进 行。此外,钢液中各元素含量对[P]的活度有影响,但通 常影响不太大。 采用溅渣护炉技术,渣中MgO含量较高,要注意调整好 熔渣流动性,否则对脱磷产生不利影响。
一、钢液的脱磷
由于脱氧,炉渣碱度、(FeO)含量降低,钢包内有回磷现 象,反应式如下:
2(FeO)+[Si]=(SiO2)+2[Fe] (FeO)+[Mn]=(MnO)+[Fe] 2(P2O5)+5[Si]=5(SiO2)+4[P] (P2O5)+5[Mn]=5(MnO)+2[P] 3(P2O5)+10[Al]=5(Al2O3)+6[P]
一、钢液的脱磷
•避免钢水回磷的措施:挡渣出钢,尽量避免下渣;适当提 高脱氧前的炉渣碱度;出钢后向钢包渣面加一定量石灰, 增加炉渣碱度,稠化炉渣降低钢渣反应速度 ;尽可能采取钢 包脱氧,而不采取炉内脱氧;加入钢包改质剂。 转炉炉内:①保炉渣持适当FeO;②降低温度;③避免 FeO过高,保持CaO含量;④避免氧化渣炉内预脱氧。
二、钢液的脱硫
•渣量。增加渣量,降低了渣中(S2-)浓度,促使脱硫反应进行。 •金属液成分的影响。金属液中[C] 能增加硫的活度系数f[S],降低氧 活度,有利于脱硫,铁水含硅高时对脱硫不利,虽然[Si]能使金属中 f[FeS]增大,但它低偿不了生成的SiO2对降低碱度和影响石灰熔化的 负作用。 •脱硫的有利条件:高温,高碱度,低(FeO),大渣量。
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