炼钢理论基础(炼钢工艺)

5)脱氧
0.3% 0.0003%
[C]£ wt% ¬
5
炼钢任务：
6) 合金化
伴随脱碳反应，钢液[Si]和部分[Mn]被氧化 。
6
C： 控制钢材强度、硬度的重要元素，每1％[C] 可增加抗拉强度约980MPa。 Si：也是增大强度、硬度的元素，每1％[Si]可增 加抗拉强度约98MPa。 Mn：增加淬透性，提高韧性，降低S的危害等。 Al：细化钢材组织，控制冷轧钢板退火织构。 Nb：细化钢材组织，增加强度、韧性等。 V： 细化钢材组织，增加强度、韧性等。 Cr：增加强度、硬度、耐腐蚀性能。
39
间接氧化方式 －在氧气泡直接同铁液接触的表面上，
氧首先同铁结合，然后FeO扩散到熔 池内部并溶于金属液中。 (FeO)＝[O]＋[Fe] C、Si、Mn、P等同[O]反应 [O] ＋ [Mn] ＝ (MnO) 2[O] ＋ [Si] ＝ (SiO2) 5[O] ＋ 2[P] ＝ (P2O5) [O] ＋ [C] ＝ {CO} 2[O] ＋ [C] ＝ {CO2}
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[C]的氧化产物绝大 多数是CO而不是CO2。 [C]含量高时，CO2 也是脱碳反应的氧化 剂: [C]＋{CO2}＝2{CO}
Fe＋[O]＝FeO G＝－112442＋46.56 T [1,2]
log
a FeO [O]

5870 T
2.431
[1]Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 1971 [2]J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963
[C]＋1/2O2＝CO
[C]＋O2＝CO2 [Si]＋O2＝(SiO2)
[Mn]＋1/2O2＝(MnO)
2[P]＋5/2O2＋3(CaO)＝(3CaOP2O5)
Fe＋1/2O2＝(FeO)
[S]＋(CaO)＝(CaS)＋[O]
24
炼钢工序功能的演变
基本任务
1) 脱碳； 2) 升温； 3) 脱磷；
}
}
炉外精炼
25
{ 4) 脱硫；
4) 脱氧、氮、氢等； 5) 合金化。
炉外精炼
26
作业：
1、炼钢的基本任务是什么，通过哪些手段实 现？
27
第二章 炼钢的基本反应
第一节、铁的氧化和熔池传氧方式 1、氧流对金属熔池的作用
顶吹氧枪O2出口速度通常 可达300～350m/s；
氧流与熔池作用，将动量 传递给金属液；
46
间接氧化：
2[O] ＋ 2[C] ＝ 2{CO} G＝－40964－77.88 T[1,2]
2[O] ＋ [C] ＝ {CO2}
G＝－182248＋47.56 T[1,2]
[1]Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 1971 [2]J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963
[C]+[O]=CO
G＝－116204－83.62T[1] G＝21318－41.8T[2] G＝－117040－2.88T[2]
G＝－20482－38.94T
4
0.6
炼钢任务：
¬ [O]£ wt%
1650¡ æ 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
16
脱硅反应：
[Si]＋2/3Fe2O3＝(SiO2)＋4/3Fe
脱磷反应：
2[P]＋3(CaO)＋5/3Fe2O3＝(3CaOP2O5)＋5/3Fe
17
氧气转炉炼钢
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主原料：
铁水、废钢
辅助原料： 石灰、萤石、 铁矿石等
吨位： 25～300t
顶吹O2： 炉龄：
3～3.5m3/min.t 2000～20000次
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一、脱碳反应的热力学条件 直接氧化：
{O2} ＋ 2[C] ＝ 2{CO} G＝－275044－83.64 T[1,2] {O2} ＋ [C] ＝ {CO2} G＝－416328＋41.8 T[1,2]
[1]Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 1971 [2]J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963
第二章 炼钢的基本反应
一、钢与生铁的区别
C < 2.11%的Fe-C 合金为钢； C > 1.2%的钢很少 实用； 还含Si、Mn等合金 元素及杂质。
1
元素 C Si Mn P S
生铁或铸铁 2.5％～4.5％ 0.3％～4.0％ 0.4％～2.0％ 0.015％～0.5％ 0.01％～0.1％
40
也可以表示为：
(FeO) ＋ [Mn] ＝ (MnO) ＋ (Fe) 2 (FeO) ＋ [Si] ＝ (SiO2) ＋ 2(Fe)
5 (FeO) ＋ 2[P] ＝ (P2O5) ＋ 5(Fe)
(FeO) ＋ [C] ＝ {CO} ＋ (Fe) 2 (FeO) ＋ [C] ＝ {CO2} ＋ 2(Fe)
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多数意见认为氧气转炉炼钢以间接氧化为主
氧流是集中于作用区附近而不是高度分散在熔 池中；
氧流直接作用区附近温度高，Si和Mn对氧的亲 和力减弱 从反应动力学角度来看， C向氧气泡表面传质 的速度比反应速度慢，在氧气同熔池接触的表 面上大量存在的是铁原子，所以首先应当同Fe 结合成FeO。
42
14
铁水预处理
脱硫预处理； 三脱(脱硅、脱磷、脱硫)预处理。
铁水脱硫预处理： [S]＋(CaO)＋[C]＝(CaS)＋CO
[S]＋{Mg}＝(MgS) 脱硫剂：CaC2, CaO、Mg等 脱硫率：40-80％ [S]可脱除到90～ 30ppm。
KR法脱硫 喷粉脱硫
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三脱(脱硅、脱磷、脱硫)预处理
[1]Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 1971 [2]J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963
铁水温度： 1200～1300℃ 钢水温度： 1640～1720℃
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电弧炉炼钢
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主原料：
废钢、DRI、 HBI
辅助原料： 石灰、萤石、 铁矿石等
吨位：
功率： 供热： 类型：
25～150t
500～1500kVA/t 电弧加热 交流、直流
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冶炼时间： 45min～1.5h
主要化学反应：
1/2{O2}＝[O]吸附
第二步，吸附的氧溶解于铁液中：
[O]吸附＝[O]
第三步，由于氧势高，Fe与[O]反应，生成铁氧化物。
t[Fe]＋[O]＝FetO
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炼钢条件下铁氧化物稳定性比较 Fe＋[O]＝FeO G＝－112442＋46.56 T [1,2] 2/3Fe+[O]=1/3Fe2O3 G＝－152988＋87.94 T [1,2] 3/4Fe+[O]=Fe3O4 G＝－177232＋92.96 T [1,2]
钢 0.002％～1.2％ 0.01％～3.0％ 0.3％～2.0％ 0.01％～0.05％ 0.0005％～0.04％
炼钢任务：
1) 脱碳； 2) 脱磷； 3) 脱硫。
2
伴随脱碳反应， 钢的熔Leabharlann 提高。炼钢任务： 4)升温
1200℃ 1700℃
3
伴随脱碳反应，钢液[O]含量增加。
C(石墨)+1/2O2=CO C(石墨)=[C] 1/2O2=[O]
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脱碳反应的产物－CO在炼钢过程中也具有多方 面的作用。
从熔池排出CO气体产生沸腾现象，使熔池受到激烈地 搅动，起到均匀熔池成分和温度的作用； 大量的CO气体通过渣层是产生泡沫渣和气一渣一金属 三相乳化的重要原因； 上浮的CO气体有利于清除钢中气体和夹杂物； 在氧气转炉中，排出CO气体的不均匀性和由它造成的 熔池上涨往往是产生喷溅的主要原因。
第二节、脱碳反应
铁液中碳的饱和溶解度： [%C]＝1.30＋2.57×10-3 ×(T－273)
Si、P、S降低碳的溶解度； Mn、V、Cr增加碳溶解度； 碳增加钢材强度、硬度； 碳降低钢材焊接、耐腐蚀、 冷加工性能。
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脱碳反应是贯穿于炼钢 过程始终的一个主要反 应。 反应热升温钢水； 影响生产率； 影响炉渣氧化性； 影响钢中[O]含量。
金属熔池产生循环运动。
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氧流穿入熔池某一深度并构成火焰状作用区 (火点区)
作用区温度2200 ～ 2700℃；
光亮较强的中心 (区域I)；
光亮较弱的外围 (区域II)。
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氧气炼钢中还存在乳化和泡沫现象
在氧流强冲击和熔池沸腾 作用下，部分金属微小液 滴弥散在熔渣中；
乳化的程度与熔渣粘度、 表面张力等性质有关； 乳化可以极大地增加渣－ 铁间接触面积，因而可以 加快渣－铁间反应。 乳化造成的渣－铁间接触面积可 达0.6～1.5 m2/kg。
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耐火材料融损及 卷入
炼钢任务：
9)凝固成型
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炼钢的基本任务：
1、脱碳； 2、脱磷； 3、脱硫； 4、脱氧； 5、脱氮、氢等； 6、去除非金属夹杂物； 7、合金化； 8、升温； 9、凝固成型 。