钢铁冶金概论3 铁水预处理+转炉炼钢

苏打系：炉前铁水沟铺撒法，宣钢、包钢做过喷吹工艺 实验
电石系：主要用于喷吹法，攀钢、宝钢、武钢用过
石灰系：喷吹法，鞍钢、宝钢、武钢、酒钢、宜钢、重 钢、太钢
金属镁系复合脱硫剂：90年代起，鞍钢、宝钢、本钢。
2015/10/9/09:47:48
88
脱硫机理
石灰法（CaO）
CaO + [S] = CaS(s) + [O]
2015/10/9/09:47:48
24 24
4
2015/10/9
3.3 炼钢过程的基本原理
3.3.1 炼钢熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式 3.3.2 炼钢熔池中元素的氧化次序 3.3.3 硅的氧化与还原 3.3.4 锰的氧化 3.3.5 脱碳反应(decabonization) 3.3.6 脱磷反应(dephosphorization) 3.3.7 脱硫反应(desulphurization) 3.3.8 钢的脱氧(de-oxidation) 3.3.9 脱气(degassing) 3.3.10 去除钢中夹杂物
2015/10/9/09:47:48
25 25
3.3.1 炼钢熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式
氧的来源： ¾ 直接向熔池中吹入工业纯氧（>98％）； ¾ 向熔池中加入富铁矿； ¾ 炉气中的氧传入熔池。
铁液中元素的氧化方式有两种：直接氧化 (direct oxidation)和间接氧化(indirect oxidation)。
与脱硫剂充分混合的脱硫方法。
特征：脱硫速度快；效率高；操作 灵活方便；处理铁水量大，设备投 资小
顶部喷吹法 1－喷枪；2－脱硫剂；3－料仓；4－称量料 仓；5－载气（N2）
分混合喷吹和复合喷百度文库 法
2015/10/9/09:47:48
77
3.1.1 铁水预处理-预脱硫
按脱硫剂种类划分
四大系列以及复合脱硫剂
2015/10/9/09:47:48
11 11
苏打系（Na2CO3）
特点： （1）价格昂贵； （2）挥发损失严重； （3）环境污染大； （4）侵蚀炉衬；
（5）目前只做号外铁补救脱硫只用。
2015/10/9/09:47:48
12 12
2
2015/10/9
3.1.1 铁水预处理——预脱硅
铁水预脱硅目的
在氧气转炉炼钢时氧气流股冲击铁液形成一个冲击坑，氧气与 铁液直接接触，易产生元素的直接氧化。
2015/10/9/09:47:48
27 27
2015/10/9/09:47:48
15 15
两类脱磷剂
2015/10/9/09:47:48
16 16
3.1.1 铁水预处理——预脱磷
脱磷条件
（1）降低反应温度，T<1300℃利于脱磷反应进行；（2）提高钢水、 炉渣的氧化性利于脱磷；（3）提高钢中P的活度和增加渣量，利于 脱磷；（4）适当碱度；（5）对熔池进行强力搅拌。
=2.6:1:16.9:6.1.
2015/10/9/09:47:48
44
3.1.1 铁水预处理——预脱硫
依据搅拌方法，目前生产中采用的炉外脱硫方法可分 为四类：铁流搅拌法、机械搅拌法、气体搅拌法和插 入法。用得较多的为机械搅拌法(KR法)和气体搅拌 法(顶部喷吹法) 。 KR法:用实心旋转器搅拌铁水，脱硫剂为CaC2和
)(s)
=
SiO
2
+
4 3
Fe(l)
[Si]
+
1 2
(Fe3O4
)(s)
=
SiO2 (s)
+
3 2
Fe(l)
[Si]
+
1 2
(FeO)(s)
=
SiO2
(s)
+
3 2
Fe(l)
[Si] + O2 (g) = SiO2
2015/10/9/09:47:48
14 14
3.1.1 铁水预处理——预脱磷
预脱磷目的
简化炼 钢过程， 提高钢 的质量
铁水预处理按需要可在铁水沟、盛铁水容器(铁水包、 鱼雷罐)或转炉中时行。
2015/10/9/09:47:48
3
炼
钢
3
3.1.1 铁水预处理——预脱硫
铁水预处理(脱硫)比钢水脱硫的优越性体 现在：
(1) 铁水中[C]、[S]含量高，提高了硫的反应能力； (2) 铁水中[O]含量低，提高了渣铁间的硫分配比； (3) 脱硫费用 高炉脱硫：铁水预处理脱硫：转炉：炉外精炼
Si——使钢产生冷脆性 P——减少转炉石灰消耗量，减少渣量和铁损
铁水预处理可分为普通铁水预处理和特殊铁水 预处理，前者有脱硫、脱硅、脱磷或同时脱磷 脱硫；后者有铁水提钒、提铌等。
2015/10/9/09:47:48
22
铁水在进入转炉前，为除去某些有害元素的处理过程。
¾ 预脱硫：电石、石灰、金属镁等炉外脱硫剂 ¾ 预脱硅：铁水沟、盛铁水容器中喷吹氧化剂 ¾ 预脱磷：盛铁水容器中喷吹氧化剂
z 副作用：侵蚀炉衬；降低金属收得率。
2015/10/9/09:47:48
22 22
3.2.2 炼钢炉渣的来源及其组成
炼钢炉渣的来源：
¾ 加入的各种造渣材料； ¾ 被侵蚀炉衬； ¾ 炼钢中化学反应的产物：氧化物和硫化物； ¾ 废钢带入的泥沙和铁锈，氧化物或冷却剂带入的脉石。
炉渣的组成
9 炼钢炉渣的基本体系是CaO-SiO2-FeO。 9 不同炼钢方法造不同成分的渣，转炉炼钢为碱性氧化渣
20 20
3.2 炼钢炉渣
3.2.1 炼钢炉渣的作用 3.2.2 炼钢炉渣的来源及其组成 3.2.3 炼钢炉渣的主要性质
2015/10/9/09:47:48
21 21
3.2.1 炼钢炉渣的作用
“炼好钢”首先要“炼好渣”，熔渣的物理化学性质 影响炼钢的化学反应平衡及反应速率。
z 作用： ¾ 通过对炉渣成分、性能及数量的调整，可以控 制金属中各元素的氧化和还原过程； ¾ 向钢中输送氧以氧化各种杂质； ¾ 吸收钢液中的非金属夹杂物，并防止钢液吸气 （H、N）。
（1）减少转炉炼钢石灰消耗量，减少渣量和铁损；
（2）预脱磷的需要，铁水中Si的氧势比P的氧势低很多。优 先于P氧化，脱磷铁水硅含量应小于0.15%
（3）低碱度下实现脱硅，成本低。
预脱硅方法
① 铁水沟投入法：在铁水沟挡渣器位置或铁水流经铁水 罐处投脱硅剂，脱硅率较低，约50%。
② 顶吹法：脱硅剂靠载气（N2）从喷粉罐经喷枪射入到 铁水中，脱硅率约70%。
（CaO和FeO高，具有脱硫、脱磷作用）；电炉炼钢造 碱性还原渣（含有CaC2，具有脱硫、脱氧能力）。
2015/10/9/09:47:48
23 23
3.2.3 熔渣的化学性质
碱度R(basicity)：
当炉料中[P]<0.30%时； R = w(CaO) w(SiO2 )
当炉料中 0.30%≦[P]<0.60%时
（4）最好在惰性还原性气氛下进行；
（5）石灰粉价廉易得，易加工、使用安全。
2015/10/9/09:47:48
99
电石法（CaC2）
CaC2 (s) + [S] = CaS(s) + 2[C]
特点： （1）CaC2有很强的脱硫能力； （2）脱硫反应为放热反应，铁水温降小； （3）产物为疏松的固体渣，利于防止回硫，扒渣方便； （4）渣量少； （5）电石粉易吸潮恶化 （6）价格昂贵，运输、保存困难。
R<1.0，酸性渣，长渣； R>1.0，碱性渣，短渣 炼钢熔渣，R≧3.0；
R=
w(CaO)
w(SiO2 ) + w(P2 O5 )
氧化性——炉渣向金属熔池传氧的能力，一般以渣中氧化
铁（ ％∑ FeO）含量（包括FeO和Fe2O3折合成的FeO） 来表示。
炉渣的氧化能力是个综合的概念，其传氧能力还受炉渣粘 度、熔池搅拌强度、供氧速度等因素的影响。
KR法 1－脱硫剂；2－搅拌器；
3－至除尘
特征：1)脱硫效率高；2）脱硫剂耗 量少；3）铁水温降小；4）作业时 间短；5)金属损耗少；6）耐火材料 消耗少
设备：扒渣机、搅拌器、脱硫 剂输送系统
2015/10/9/09:47:48
66
1
2015/10/9
顶部喷吹法铁水预脱硫示意图
以惰性气体为载体，将脱硫剂和气 体混合吹入铁水深部，以搅动铁水
石灰粉+Na2CO3。
顶部喷吹法:以载气（N2）将脱硫剂经顶部喷嘴喷 入鱼雷型混铁车和铁水包的铁水中，脱硫剂为 CaC2、Na2CO3。
2015/10/9/09:47:48
55
KR法铁水预脱硫示意图
将浇铸耐火材料并经过烘烤的十 字形搅拌头插入铁水罐中旋转， 产生漩涡，脱硫剂由给料器加到 铁水表面，被漩涡卷到铁水中， 与铁水中硫发生作用，达到脱硫 的目的。
2015/10/9
第三章铁水预处理-转炉炼钢
材料与冶金学院
冶金工程系
武汉科技大学
3.1 铁水预处理工艺
铁水预处理是指铁水进入炼钢炉之前对其进行 脱除杂质元素（主要为S、Si、P）或从铁水中 回收有价值元素的一种工艺。
S——易引起热脆，降低钢的强度、横向力学性能和深冲 压性能，铁水脱硫条件比钢水脱硫优越
2015/10/9/09:47:48
26 26
直接氧化方式
直接氧化是指氧气直接与铁液中的元素产生氧化反应。 当向铁液中吹入氧气时，如果在铁液与气相界面有被溶解
的元素如[Si]﹑[Mn]﹑[C],虽有大量的铁原子存在，但 根据元素的氧化次序[Si]﹑[Mn]﹑[C]将优先于铁而被 氧化。
反应可写为：[C]+1／2｛O2｝=｛CO｝ [Si]+｛O2}=（SiO2） [Mn]+1／2｛O2｝＝（MnO）
CaO[s] + [S] + [C] = CaS(s) + CO[g]
2CaO[s]
+
[S]
+
1 2
[Si]
=
CaS(s)
+
1 2
(2CaO
⋅
SiO2
)
特点（1）在高碳有一定硅含量的铁水中，CaO有较强 脱硫能力；
（2）脱硫渣为固体渣，对容器内衬侵蚀小，扒渣方便， 但渣量大，铁损较大；
（3）石灰粉流动性差，易架桥堵料且易吸水；
3.1 炼钢基本任务
钢具有良好的物理化学性能和力学性能，比铁 用途广泛，90%的生铁要冶炼成钢。
炼钢流程 9长流程：氧气转炉炼钢为中心的钢铁联合企业流程； 9短流程：以电炉炼钢为中心的小钢厂生产流程。
炼钢任务
9 四脱：C、S、P、O； 9 二去：气体、夹杂； 9 二调整：温度、成分。
2015/10/9/09:47:48
（1）生产低磷钢和超低磷钢的需要。 （2）优化工艺，实现少渣炼钢。
预脱磷原理
氧化剂
脱
磷
造渣剂
剂
助熔剂
P2O5不 稳定，易
2[P] + 5(FeO)(s) = P2O5 (s) + 5Fe(l)
2[P]
+
5 2
O2
(g)
=
P2O5
(s)
回磷，Ca、 Na元素 起到固定 剂的作用
P2O5 + 3CaO（s）=（3CaO ⋅ P2O5）
17 17
转炉炼钢 （Converter steelmaking）
武汉科技大学
3
2015/10/9
主要内容
3.1 炼钢的基本任务 3.2 炼钢炉渣(slag) 3.3 炼钢过程的基本原理 3.4 炼钢用原材料(raw materials) 3.5 转炉炼钢
2015/10/9/09:47:48
19 19
2015/10/9/09:47:48
10 10
镁粉法
金属镁沸点1110℃，铁水预脱硫温度1250~1450℃，金属镁 发生汽化，脱硫反应为：Mg(g) + [S] = MgS(s) 初脱硫阶段
特点：
[Mg] + [S] = MgS(s) 深脱硫阶段
（1）能进行深度脱硫，可将铁水脱硫至0.005%；
③ 铁水罐（或鱼雷罐法）脱硅：喷吹法+氧枪吹氧，脱 硅率约80%。
2015/10/9/09:47:48
13 13
脱硅剂是氧化剂，有氧 气、铁矿石粉、烧结矿 粉/尘、轧钢皮等。
还加少量的副剂，主要 有石灰、萤石等。用于 调节炉渣的碱度、改善 炉渣流动性等。
脱硅原理：
[Si]
+
2 3
(Fe2O3
（2）产物MgS稳定，熔点2000 ℃，密度小，容易上浮进入渣中；
（3）镁在铁水中有一定溶解度，防止回硫，处理后铁水运输过程中 仍起到脱硫作用；
（4）用量少，对铁水成分基本无影响； （5）渣量少，减少铁损，且利于环境保护； （6）易造成铁水喷溅和镁蒸汽在铁水罐外燃烧或爆炸； （7）镁蒸汽压力大，使反应区搅拌良好，动力学反应速率快。
脱磷方法
机械搅拌
铁水罐中加脱磷剂，机械搅拌使铁水搅拌均匀，也 可同时吹入氧气
喷吹法 转炉双联法
2015/10/9/09:47:48
用载气将脱磷剂经喷枪吹入铁水深部，苏打灰+烧 结矿脱磷。铁水罐喷除法和鱼雷罐喷吹法。
SRP：一台转炉脱磷，一台脱碳，脱碳渣用于脱磷剂 ORP：铁水包脱磷，转炉脱磷，排渣后脱碳 NRP：脱硅后铁水送入转炉型脱磷炉，加块状渣料， 复吹脱磷。