转炉炼钢原理及工艺介绍

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(4)碳的氧化与还原
碳的这种氧化反应在炼钢过程中有着极为重要的作用: 1)使铁水中的含碳量降低到所炼钢种的规格范围内o 2)脱碳反应的产物——CO气体从熔池中排出时产生佛腾现象,使熔 池受到激烈地搅动,从而增大了反应接触界面,加速了传质和传热过程, 有刮于冶金物化反应的进行。同时均匀了熔池的成分和温度; (3)上浮的CO气体有利千清除钢中气体和夹杂物,从而提高钢的质量。 为了加速碳的氧化,保持熔池内良好的沸腾状态,就必须提高炉温, 并改善炉渣的流动性以及向炉内加入氧化剂(铁矿石、氧气等)。
转炉炼钢原料及工艺介绍
湛江钢铁炼钢厂
2014.10
一、转炉炼钢发展史 1855年亨利•贝塞麦发明酸性底吹转炉炼钢法, 第一次解决了大规模生产液态钢的问题。贝塞麦 炼钢法的出现是现代炼钢法的开始。但由于它是 酸性炉衬,不能造碱性渣,因而不能脱磷和脱硫。 1878年托马斯发明了间碱性炉衬的转炉炼钢 法,解决了高磷生铁炼钢的问题。 由于大型空气分离工业的成功,用纯氧炼钢 才成为可能,1952年发明的氧气顶吹转炉标志着 转炉炼钢新的时代的到来。
(5)脱磷
磷在钢中通常认为以Fe3P和Fe2P形式存在。对绝大多数钢仲来说,磷是有害元 素。随着磷含量的增加,将降低钢的塑性、韧性,即出现钢的脆性现象。由于在低温 时更为严重,所以通常称为“冷脆性”。一般随钢中碳、氮、氧含量的增加,磷的这 种有害作用增强。另外,磷在钢锭中的偏析度很大,更突出了其有害作用。困此,绝 大多数钢种含磷量的要求是越低越好(一般要求把磷去除到0.045%以下)。只有在 个别钢种(如炮弹钢、易切削钢等)中磷才作为合金元素使用。 在高炉冶炼中,由于炉内的还原性气氛,矿石中的磷几乎全部进入铁水,因而 从金属中脱除磷,乃是炼钢过捏的重要任务,造渣的目的之一就是为了脱磷。 炼钢的脱磷反应是在金属和炉渣的界面上进行的,其反应式为:
(3)锰的氧化与还原
锰在钢中以MnO、MnS等形式存在。锰在钢中也是一种有益的元
素,它可以防上钢的热脆,提高钢的强度、硬度、可锻性等机械性 能。另外锰在炼钢中还起着脱氧剂和脱硫剂的作用。锰和硅相似,
在铁液中有无限的溶解度,无论在碱性操作过程或酸性操作过程中
都容易被氧化,其氧化产物为( MnO)。 锰的氧化反应有三种情况:
(3)炉渣的分子理论
★ 炉渣组成 炉渣由自由的氧化物分子和复杂的化合物分子所组成。自由氧 化物分子有:CaO、MgO、MnO、FeO、Fe203、 A l203、P205、SiO2等; 复杂化合物分子主要有五种:2FeO· Si02、2MnO·Si02、Ca0·Si02、 4CaO·P205、3CaO·P2O5。此外,还有硫化物:FeS、MnS等。 ★ 炉渣之间动态平衡 氧化物分子和化合物分子之间的反应处于动平衡状态,例如: Ca0·Si02=CaO+Si02,随着温度的升高,分解程度增大,自由氧化物 分子的浓度增而。
由上可知,利用纯氧化物分解压的大小,只能定性地说明各元素与氧结 合能力的大小及其随温度变化的趋势,而在炼钢的实际过程中情况要复杂得 多。但可利用改变温度、浓度、分压、附加剂等因素来创造条件,促使反应 按需要的方向进行,实现选择氧化或还原的目的。
4、元素的氧化和还原 (1)铁的氧化 由于铁元素在铁水中相对浓度最大,根据化学反应的质量作用 定律,铁的氧化反应是最多最快的,炼钢初期首先一部分被氧化为 氧化亚铁,反应如下: {O2}+ 2[ Fe ]= 2(FeO) 或[ O ]+[ Fe ]=( FeO)
(4)碳的氧化与还原
碳的氧化反应又称脱碳反应或碳氧反应,它是炼钢过程中最基本的一 个反应,贯穿炼钢过程的始终。 在炼钢过程中碳可以被氧直接氧化成CO气体,反应式为; 2(C)+{O2}=2{CO}
熔渣中的(FeO)与氧化性气体接触被氧化成高价氧化铁
(FeO) + 1/2{O2}= (Fe2O3) (Fe2O3)从炉渣表面扩散到渣与金属液交界面,与金属接触被还原 成低价氧化铁 (Fe2O3) + [Fe] = 3(FeO) 在渣与金属界面上,氧溶解到金属液中 ( FeO) = [O] + [Fe] 碳与溶于金属的氧发生反应,生成CO气体并排出到炉气中 [C] +[O] ={CO}
由图可知: 当t<1400℃时,元素的氧化顺序 是Si、V、Mn、C、P、Fra Baidu biblioteke; 当1400℃<t<1530℃时,元素的氧
化顺序是Si、C、V、Mn、P、Fe;
当t>1530℃时,元素的氧化顺序 是C、Si、V、Mn、P、Fe;
纯氧化物分解压与温度关系
(2)炼钢实际熔池中元素氧化顺序。
上述元素氧化顺序是根据纯氧化物分解压的大小来判断的。纯氧化物分 解压仅与温度有关,而在实际熔池中,各元素及其氧化物是处于多组元的溶 液中,不是纯物质,因此,溶液中的氧化物的分解压不仅与温度有关,还与 元素的浓度和炉渣的成分有关。例如,根据上图曲线,铁液内各元素中铁与 氧的亲和力最小,只要有别的元素存在,铁就不会被氧化。但实际上,在氧 气顶吹转炉吹炼一开始就可看到铁被大量氧化。再如,P2O5的分解压大于CO 的分解压,C、P是不可能同时氧化的,但在氧气顶吹转炉吹炼前期,由于温 度不太高,C的氧化受到抑制,同时渣中(FeO)较高,又形成了一定碱度、 流动性良好的炉渣,为P的氧化去除创造了条件,因此,在转炉吹炼的前期, P即被大量氧化而去除。
1)在某一温度下,几种元素同时和氧相遇时,位置低的元素先氧化。如1500℃ 时,氧化顺序为Al、Si、C、V、Mn。
2)位置低的元素可将位置高的氧化物还原。炼钢过程中脱氧就是利用Al、Si等 元素将FeO还原。 3)CO的分解压曲线的斜率与其它氧化物的不同,它与Si、Mn、V等的氧化物分解 压曲线有一交点,此点所对应的温度称为氧化转化温度。例如,SiO2分解压曲线与 CO分解压曲线相交点对应的温度为1530℃,当t>1530℃时,Si先于C被氧化;当 t<1530℃时,则C先于Si被氧化。1530℃即为Si、C的氧化转化温度。
因此,炼钢的基本任务可归纳为: (1)脱碳并将其含量调整到一定范围。碳含量的不同不但是引起生铁和钢性能差 异的决定性因素,同样也是控制钢性能的最主要元素。钢中含碳量增加,则硬度、 强度、脆性都将提高,而延展性能将下降;反之,含碳量减少,则硬度、强度下降 而延展性能提高。所以,炼钢过程必须按钢种规格将碳氧化至一定范围。 (2)去除杂质,主要包括: 1)脱磷、脱硫:对绝大多数钢种来说,P、S均为有害杂质。P可引起钢的冷脆,而 S则引起钢的热脆。 2)脱氧:由于在氧化精炼过程中,向熔池输入大量氧以氧化杂质,至使钢液中溶 入一定量的氧,它将大大影响钢的质量。因此,需降低钢中的含氧量。一般是向钢 液中加入比铁有更大亲氧力的元素来完成(如Al、Si、Mn等合金)。 3)去除气体和非金属夹杂物:钢中气体主要指溶解在钢中的氢和氮。非金属夹杂 物包括氧化物、硫化物、磷化物、氮化物以及它们所形成的复杂化合物。在一般炼 钢方法中,主要靠碳-氧反应时产生CO气泡的逸出,所引起的熔池沸腾来降低钢中 气体和非金属夹杂物。 (3)调整钢液成分和温度。为保证钢的各种物理、化学性能,除控制钢液的碳含 量和降低杂质含量外,还应加入适量的合金元素使其含量达到钢种规格范围。
二、炼钢基本原理
1、炼钢基本任务
钢和铁都是以铁元素为基本成分的铁碳 合金。生铁和钢所以在性能上有较大的差异, 主要原因是由于含碳量的不同是铁碳合金的 组织结构不同而造成的。生铁含碳高,硬而 脆,冷热加工性能差;而钢则具有较好的韧 性,强度高,热加工性能和焊接性能比生铁 好,才能加工成各种类型的钢材而使用。生 铁除含有较高的碳外,还含有一定量的其他 杂质。 所谓炼钢,就是通过冶炼降低生铁中的碳 和去除有害杂质,在根据对钢性能的要求加 入适量的合金元素,使其成为具有高的强度、 韧性或其他特殊性能的钢。
2MeO=2Me+O2
在一定温度下,分解反应达到平衡时,其平衡常数等于气相中氧的分压,即: K=PO2,此PO2称为该氧化物的分解压。通过实验测得不同温度下的分解压,即可绘出 PO2-t℃的关系曲线图(见下页)。图中曲线的位置愈低,表明该氧化物的分解压愈 小,该氧化物愈稳定,即该元素易被氧化。由图还可以看出:
★ 炉渣中参加化学反应的物质 炉渣中只有自由氧化物才能参与化学反应,故凡以复杂化合物 状态存在的,其氧化物的反应能力就低。
3、元素的氧化顺序
(1)纯氧化物的分解压 熔池中元素被大量氧化的先后次序,取决于它们与氧的亲和力的大小。一般用 该元素氧化物的分解压来表示该元素与氧的亲和力的强弱。纯氧化物的分解反应可 用下式表示:
(SiO2)+ 2(FeO)=(2FeO·SiO2)
在碱性炼钢操作中,随着石灰的逐渐熔化,(FeO)被更强的碱 性氧化物(CaO)从硅酸铁中置换出来,形成正硅酸钙: (2FeO·SiO2)+2(CaO)=(2CaO·SiO2)+2(FeO) 正硅酸钙很稳定,故在碱性渣中,冶炼前期硅几乎全部被氧化, 而不会再被还原。
金属炉料未被炉渣覆盖,或氧气直接吹入金属熔池时,炉料 中的硅可按下列反应被气 态氧直接氧化: 2[O]+[Si]=(SiO2)
(2)硅的氧化与还原
当炉渣形成后或金属液滴和气泡与渣接触时,硅的氧化主要在炉 渣与金属界面上进行:
[Si]+2(FeO)=(SiO2)+2[Fe] 由于硅的氧化是强烈的放热反应,所以熔炼初期,炉温不高时反 应迸行得很快。 即 硅氧化时产生的酸性氧化物(SiO2)起初与(FeO)结合成硅酸铁,
2[P] + 5(FeO) = (P2O5) + 5[Fe]
3(FeO) +(P2O5) = (3FeO·P2O5) 在炼钢过程中,由于上述化学反应是一个放热反应,炼钢初期,炉温不高时对 脱磷反应是有利的。由于生成的磷酸铁( 3FeO·P2O5)在高温下是不稳定的化合物, 当炉温升高时,它可以重新分解,使磷又进入金属。为了使磷酸铁不发生分解反应, 需向炉内加入石灰,使磷酸铁转比为稳定的磷酸钙,其反应为: (3FeO·P2O5) + 4(CaO) = (4CaO·P2O5 + 3(FeO) 综上所述,碱性炼钢炉内脱磷的总反应为: 2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) =(4CaO·P2O5) + 5[Fe]
2、炼钢炉渣
(1)炉渣来源 金属炉料中各元素氧化所形成的氧化物; 废钢带入的泥沙和铁锈等; 氧化剂或冷却剂(铁矿石、烧结矿等)带入的脉石; 被侵蚀的炉衬耐火材料以及加入的各种造渣材料(石灰或石灰 石、铁矾土、萤石、废火砖块等)
(2)炉渣作用
一般说来,熔炼过程中炉渣和钢液直接接触,参与共间的物 理化学反应和传热过程。通过对炉渣成分及其性能、数量的调整, 可以控制金属中各元素的氧化和还原过程,例如硅、锰、磷的氧化 和还原,脱硫和脱氧等。炉渣还能吸收钢液中的非金属夹杂物,并 防止钢液吸收气体 (氢和氮)。 炉渣按照性质可分为:酸性渣和碱性渣;氧化渣和还原渣。
(1)锰与气相中的氧直接作用
[Mn]+ 1/2{O2}=(MnO) (2)锰与溶于金属中的氧作用 [Mn]+ [O2] =(MnO)
(3)锰的氧化与还原
3)锰与炉渣中氧化亚铁作用 [Mn]+(FeO)=(MnO)+ [Fe] 第三个反应在炉渣——金属界面上迸行,是锰氧化的主要反应。
锰的氧化还原与硅的氧化还原相比有以下基本特点:
1)在冶炼初期锰和硅一样被迅速大量氧化,但锰的氧化程度要低些, 这是由于硅与氧的结合能力大于锰与氧的结合能力;
2)MnO为弱碱性氧化物,在碱性渣中( MnO)大部分呈自由状态存在。
因此,在一定条件下可以被还原。由于锰的氧化反应是放热反应,故温度 升高有利于锰的还原。所以在生产实践中冶炼后期熔池中会出现回锰现象, 是由于钢中有一定数量的残锰。
前式为铁的直接氧化反应,后式为铁的间接氧化反应。铁元索 氧化生成的(FeO)一部分进入炉渣,另一部分扩散到全属液中将其 它元素氧化。炼钢过程中杂质元素的氧化,一般讲主要是通过 ( FeO)进行的间接氧化反应。
(2)硅的氧化与还原
硅是钢中的有益元素,它能增加钢的强度、弹性、耐热性和耐酸 性。在炼钢金属料——铁水和废钢中,均含有一定数量的硅。硅在 铁液中有无限的溶解度,它可在铁液中形成金属化合物FeSi,在炼 钢温度下硅可氧化成为SiO2。在任何一种炼钢操作中,硅的氧化反 应都进行得很激烈。这是因为在冶炼初期,SiO2的分解压力比碳、 锰和磷的氧化物的分解压都低。所以它极易被氧化,氧化时放出大 量的热量。在转炉中几分钟内硅即氧化完毕。 硅的氧化反应主要是在炉气与金属、炉渣与金属、渣膜与金 属液滴以及带渣膜的气泡与金属等界面上进行的。
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