炼钢工艺流程

炼钢工艺 造渣:调整钢、铁生产中熔渣成分、碱度和粘度及其反应能力的操作。目的是通过渣——金属反应炼出具有所要求成分和温度的金属。例如氧气顶吹转炉造渣和吹氧操作是为了生成有足够流动性和碱度的熔渣，以便把硫、磷降到钢种的上限以下，并使吹氧时喷溅和溢渣的量减至最小。 出渣:电弧炉炼钢时根据不同冶炼条件和目的在冶炼过程中所采取的放渣或扒渣操作。如用单渣法冶炼时，氧化末期须扒氧化渣;用双渣法造还原渣时，原来的氧化渣必须彻底放出，以防回磷等。 熔池搅拌:向金属熔池供应能量，使金属液和熔渣产生运动，以改善冶金反应的动力学条件。熔池搅拌可藉助于气体、机械、电磁感应等来实现。 电炉底吹:通过置于炉底的喷嘴将N2、Ar、CO2、CO、CH4、O2等气体根据工艺要求吹入炉内熔池以达到加速熔化，促进冶金反应过程的目的。采用底吹工艺可缩短冶炼时间，降低电耗，改善脱磷、脱硫操作，提高钢中残锰量，提高金属和合金收得率。并能使钢水成分、温度更均匀，从而改善钢质量，降低成本，提高生产率。 熔化期:炼钢的熔化期主要是对平炉和电炉炼钢而言。电弧炉炼钢从通电开始到炉料全部熔清为止、平炉炼钢从兑完铁水到炉料全部化完为止都称熔化期。熔化期的任务是尽快将炉料熔化及升温，并造好熔化期的炉渣。 氧化期和脱炭期:普通功率电弧炉炼钢的氧化期，通常指炉料溶清、取样到扒完氧化渣这一工艺阶段。也有认为是从吹氧或加矿脱碳开始的。氧化期的主要任务是氧化钢液中的碳、磷;去除气体及夹杂物;使钢液均匀加热升温。脱碳是氧化期的一项重要操作工艺。为了保证钢的纯净度，要求脱碳量大于0.2,左右。随着炉外精炼技术的发展，电弧炉的氧化精炼大多移到钢包或精炼炉中进行。 精炼期:炼钢过程通过造渣和其他方法把对钢的质量有害的一些元素和化合物，经化学反应选入气相或排、浮入渣中，使之从钢液中排除的工艺操作期。 还原期:普通功率电弧炉炼钢操作中，通常把氧化末期扒渣完毕到出钢这段时间称为还原期。其主要任务是造还原渣进行扩散、脱氧、脱硫、控制化学成分和调整温度。目前高功率和超功率电弧炉炼钢操作已取消还原期。 炉外精炼:将炼钢炉(转炉、电炉等)中初炼过的钢液移到另一个容器中进行精炼的炼钢过程，也叫二次冶金。炼钢过程因此分为初炼和精炼两步进行。初炼:炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化、脱磷、脱碳和主合金化。精炼:将初炼的钢液在真空、惰性气体或还原性气氛的容器中进行脱气、脱氧、脱硫，去除夹杂物和进行成分微调等。将炼钢分两步进行的好处是:可提高钢的质量，缩短冶炼时间，简化工艺过程并降低生产成本。炉外精炼的种类很多，大致可分为常压下炉外精炼和真空下炉外精炼两类。按处理方式的不同，又可分为钢包处理型炉外精炼及钢包精炼型炉外精炼等。 钢液搅拌:炉外精炼过程中对钢液进行的搅拌。它使钢液成分和温度均匀化，并能促进 冶金反应。多数冶金反应过程是相界面反应，反应物和生成物的扩散速度是这些反应的限制性环节。钢液在静止状态下，其冶金反应速度很慢，如电炉中静止的钢液脱硫需30,60分钟;而在炉精炼中采取搅拌钢液的办法脱硫只需3,5分钟。钢液在静止状态下，夹杂物*上浮除去，排除速度较慢;搅拌钢液时，夹杂物的除去速度按指数规律递增，并与搅拌强度、类型和夹杂物的特性、浓度有关。 钢包喂丝:通过喂丝机向钢包内喂入用铁皮包裹的脱氧、脱硫及微调成分的粉剂，如Ca-Si粉、或直接喂入铝线、碳线等对钢水进行深脱硫、钙处理以及微调钢中碳和铝等成分的方法。它还具有清洁钢水、改善非金属夹杂物形态的功能。 钢包处理:钢包处理型炉外精炼的简称。其特点是精炼时间短(约10,30分钟)，精炼任务单一，没有补偿钢水温度降低的加热装置，工艺操作简单，设备投资少。它有钢水脱气、脱硫、成分控制和改变夹杂物形态等装置。如真空循环脱气法(RH、DH)，钢包真空吹氩法(Gazid)，钢包喷粉处理法(IJ、TN、SL)等均属此类。 钢包精炼:钢包精炼型炉外精炼的简称。其特点是比钢包处理的精炼时间长(约60,180分钟)，具有多种精炼功能，有补偿钢水温度降低的加热装置，适于各类高合金钢和特殊性能钢种(如超纯钢种)的精炼。真空吹氧脱碳法(VOD)、真空电弧加热脱气法(VAD)、钢包精炼法(ASEA-SKF)、封闭式吹氩成分微调法(CAS)等，均属此类;与此类似的还有氩氧脱碳法(AOD)。 惰性气体处理:向钢液中吹入惰性气体，这种气体本身不参与冶金反应，但从钢水中上升的每个小气泡都相当于一个“小真空室”(气泡中H2、N2、CO的分压接近于零)，具有“气洗”作用。炉外精炼法生产不锈钢的原理，就是应用不同的CO分压下碳铬和温度之间的平衡关系。用惰性气体加氧进行精炼脱碳，可以降低碳氧反应中CO分压，在较低温度的条件下，碳含量降低而铬不被氧化。 预合金化:向钢液加入一种或几种合金元素，使其达到成品钢成分规格要求的操作过程称为合金化。多数情况下脱氧和合金化是同时进行的，加入钢中的脱氧剂一部分消耗于钢的脱氧，转化为脱氧产物排出;另一部则为钢水所吸收，起合金化作用。在脱氧操作未全部完成前，与脱氧剂同时加入的合金被钢水吸收所起到的合金化作用称为预合金化。 成分控制:保证成品钢成分全部符合要求的操作。成分控制贯穿于从配料到出钢的各个环节，但重点是合金化时对合金元素成分的控制。对优质钢往往要求把成分精确地控制在一个狭窄的范围内;一般在不影响钢性能的前提下，按中、下限控制。 增硅:吹炼终点时，钢液中含硅量极低。为达到各钢号对硅含量的要求，必须以合金料形式加入一定量的硅。它除了用作脱氧剂消耗部分外，还使钢液中的硅增加。增硅量要经过准确计算，不可超过吹炼钢种所允许的范围。 终点控制:氧气转炉炼钢吹炼终点(吹氧结束)时使金属的化学成分和温度同时达到计划钢种出钢要求而进行的控制。终点控制有增碳法和拉碳法两种方法。 出钢:钢液的温度和成分达到所炼钢种的规定要求时将钢水放出的操作。出钢时要注意 防止熔渣流入钢包。用于调整钢水温度、成分和脱氧用的添加剂在出钢过程中加入钢包或出钢流中。 碱性电弧炉氧化法炼钢工艺过程主要包括原材料准备、补炉、配料及装料、熔化期、氧化期、还原期及出钢等7个阶段。 一、原材料准备 废钢是电弧炉炼钢的主要材料，废钢质量的好坏直接影响钢冶的质量、成本和生产率，因此，对废钢质量有如下几点要求。 1)废钢表面应清洁少锈，因废钢中沾有的泥沙等杂物会降低炉料的导电性能，延长熔化时间，还会影响氧化期去鳞效果及侵蚀炉衬。废钢锈蚀严重或沾有油污时还会降低钢和合金元素的收得率，并增加钢中的含氢量。 2)废钢中不得混有铅、锡、砷、锌和铜等有色金属。铅的密度大，熔点低，不溶于钢液，易沉积在炉底缝隙中造成漏钢事故;锡、砷和铜易引起钢的热脆。 3)废钢中不得混有密封容器，以及易燃、易爆物和有毒物，以保证安全生产。 4)废钢化学成分应明确，且需按成分分类存放，硫、磷含量不宜过高。 5)废钢外形尺寸不能过大(截面积不宜超过300mm×300mm，最大长度不宜超过350mm)。 二、补炉 一般情况下，每炼完一炉钢后，在装料前要进行补炉，其目的是修补炉底和被侵蚀的渣线及被破坏的部位，以维持正常的炉体形状，从而保证冶炼的正常进行和安全生产，补炉的要点如下: 1)出钢后立即检查炉衬，需填补炉底时，应先将炉底残渣全部扒出，然后进行填补。补炉的原则是高温、快补、薄补，维护炉膛原状。 2)补炉料要提前半个小时混合均匀，补炉后放下电极烘烤30min，若补镁砂量较大，应酌情延长烘烤时间。 三、配料及装料 配料是电炉炼钢工艺中不可缺少的组成部分，配料是否合理关系到炼钢工能否按照工艺要求正常地进行冶炼操作。合理的配料能缩短冶炼时间。配料时应注意以下几点:一是必须正确地进行配料计算和准确地称量炉料装入量;二是炉料 的大小要按比例搭配，以达到好装、快速熔化的目的;三是各类炉料应根据钢液的质量要求和冶炼方法搭配使用;四是配料成分必须符合工艺要求。 装料前应先在炉底铺上一层石灰，其重量约为炉料重量的2,，以便提前造好熔化渣，有利于早期去磷，减少钢液吸气和加速升温。 装料时应将小料的一半放入底部，小料的上部、炉子中心区放入全部大料、低碳废钢和难熔炉料，大料之间放入小料，中型料装在大料的上面及四周，大料的最上面放入小料。凡在配料中使用的电极块应砸成50,lOOmm，装在炉料下层，且要紧实，装好的炉料为半球形，二次加料不使用大块料及湿料。 四、熔化期 在电弧炉炼钢工艺中，从通电开始到炉料全部熔清为止称为熔化期。熔化期的任务是将固体炉料迅速熔化成钢液，并进行脱磷，减少钢液吸收气体和金属的挥发。熔化期的操作工艺如下: 1)启弧阶段。通电启弧时炉膛内充满炉料，电弧与炉顶距离很近，如果输入功率过大、电压过高，炉顶容易被烧坏，因此一般选用中级电压和输入变压器额定功率的2,3左右。 2)穿井阶段。这个阶段电弧完全被炉料包围，热量几乎全部被炉料吸收，不会烧坏炉衬，因此使用最大功率，一般穿井时间为20min左右，约占总熔化时间的1,4。 3)电极上升阶段。电极“穿井”到底后，炉底已形成熔池，炉底石灰及部分元素氧化，使得在钢液面上形成一层熔渣，四周的炉料继续受辐射热而熔化，钢液增加使液面升高，电极逐渐上升。这阶段仍采用最大功率输送电能，所占时间为总熔化时间的1,2左右。 4)炉料熔化过程中，应根据炉料中含P量的高低，可分批加入适量的石灰及矿石造渣，以利于脱P，加入的石灰量约为炉料重量的1,,2,，为了调整炉渣的流动性，可加入适量的氟石。 5)在熔化过程中应不断“推料助熔”，当大部分炉料开始熔化时可采取吹氧助熔，加速炉料熔化，吹氧时采用浅吹提温，插入钢液深度<，氧气压力为0.4,0.5MPa。:,45:lOOmm，角度为30 6)熔化末期采用较低电压供电，炉料全熔后，充分搅拌钢液，取样应在熔池中心处取钢液分析C、P、S，掌握元素含量，作为后阶段进行氧化、还原反应和控制元素含量的依据，如钢液含碳量不足时，在开始氧化前必须进行增碳。 五、氧化期 加入氧化剂，使钢液中的碳氧化而熔池产生沸腾的阶段叫氧化期。氧化期的主要任务是脱碳、脱磷，以及去除气体和夹杂物，并提高钢液温度。氧化期的操作工艺如下: 1)氧化期前一阶段，钢液温度较低，主要是造渣脱磷，炉内的脱磷反应为: 5FeO+2Fe3P=P205+11Fe+Q P205+CaO=CaO•P205+Q 由以上反应可看出，要提高脱磷效果，必须造成强氧化性(WFeO为12,,20,)、强碱性(CaO浓度要高，R=2,3)的炉渣，炉渣流动性要好。适当偏低的温度，加强钢渣的搅拌，以利于脱磷反应的进行。 2)当钢液温度达到1550?后，氧化期进入第二阶段。氧化第二阶段主要是进行氧化脱碳沸腾精炼，以去除钢液中的气体和夹杂物。我公司在实际生产中氧化脱碳采用矿石+氧气结合脱碳法，炼钢过程中碳的氧化反应是一个非常重要的反应，其有利于整个熔池的迅速加热，也有利于钢液成分的均匀化。具体化学反应如下: 0+C=CO，FeO+C=Fe+CO。 在氧化的第二段段，矿石加入应多批、小量、勤搅拌，使熔池沸腾活跃并使炉渣保持良好的流动性，做到炉渣自动流出。 3)氧化期操作要点:?氧化、测温符合要求，渣况良好方可分批加矿石，每批加矿石量不得超过料重的1,,2,，每批间隔时间需>5min。?为确保熔池沸腾良好，应将氧化脱碳速率控制在每分钟0.O1,,0.03,。?调整渣况。当氧化沸腾开始，采用流渣，要求炉渣R=2,3，炉内渣量控制在3,,4,。氧化期后阶段，应使炉渣流动性好，渣层要薄，渣量控制在2,,3,。?温度控制。氧化期总的来讲是一个升温阶段，升温速度的快慢根据钢液中磷的情况而定。氧化末期必须使钢液温度升高到大于该钢种出钢温度的10,2O?。?净沸腾。当温度、化学成分合适，就停止加矿石，调整好炉渣，让熔池进入自然沸腾(5,10min)，使钢液中的残余含氧量降低，并使气体及夹杂物充分上浮，以利于还原期的顺利进行。?扒渣。氧化期炉渣中FeO含量很高，又含有P205，为了还原期脱氧及防止回磷必须扒渣，扒渣的条件是扒渣温度高于出钢温度10,2O?;扒渣前碳、磷及其他限制性成分应符合要求。?增碳。如果氧化末期碳含量过低需增碳，可在扒渣后裸露的钢液面上撒加纯净、干燥的碳粉，进行增碳。 六、还原期 氧化期扒渣完毕到出钢这段时间称为还原期。主要任务是造好还原渣，钢液进行脱氧、脱硫，调整化学成分，控制好出钢温度。还原期的操作工艺如下: 1)停电扒氧化渣后，首先加入锰铁进行“预脱氧”。锰铁加入后，应立即加入石灰、氟石和碎硅砖造稀薄渣覆盖钢液，以减少钢液吸气和降温。石灰、氟石、碎硅砖块的加入比例为4:1:1，其总加入量约为钢液重量的2,,3,，稀薄渣形成后造还原渣进行还原。 2)稀薄渣造好后，立即取样分析C、Mn、Si、S、P等元素含量，并加还原碳粉。还原碳粉加入后立即关闭炉门，尽量保证炉膛有较好的密封性，以保持白渣快速形成。 3)随着还原过程的进行，炉渣逐渐失去脱氧、脱硫能力，因而需要分批补充造渣材料，调整炉渣的流动性，大约每隔6,8min加入一批造渣材料，确保反应继续进行，还原末期加入硅铁和铬铁，做好出钢准备。 4)为了充分地进行脱氧和脱硫，钢液在良好的白渣下还原时间一般应?15min，且有良好的流动性。还原期总渣量为炉料的2,,3,，其配比为:石灰:氟石:碳粉=4:1(5:1。 5)当含氧量和含硫量都已降到合格的程度，这时可以测量钢液温度，当钢液温度达到出钢温度要求时，调整钢液的化学成分。 6)化学成分和钢液温度均调整好后，即可插铝进行终脱氧。最终脱氧的加铝量是钢液重量的0.1,,0.15,。 七、出钢 出钢必须做到以下几点: 1)成分合格，各主要元素达到内控规范要求。 2)脱氧良好，加硅铁前必须是白渣，加入后在10min内出钢。 3)出钢槽必须清洁、干燥、平整，并与出钢口保持平直，以利于出钢畅通，做到钢液与炉渣混出。 4)出钢时，盛钢桶必须烘烤成暗红色，出钢前15min加2.0kg硅铝钡终脱氧刹，以及每吨钢液加入1kg的稀土硅铁，并在包内烤红。 5)出钢后在盛钢桶内取成品样，检查温度及脱氧情况是否良好，根据包内钢液温度并结合烤包、炉渣量等实际情况决定镇静时间，以达到铸钢件始浇温度不高于该钢种浇注温度，出钢后应保证镇静时间?5min。 对普通电弧炉在熔化期采取熔氧结合技术，可降低钢液含气量和含磷量。在还原期采取还原精练技术则有利于钢液的去气、去杂质。采用该冶炼工艺提高了钢液质量，改善铸钢件组织结构和力学性能，同时也改善了铸件表面质量，并能创造一定的经济效益。(榕霖) 转炉炼钢是把氧气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅、锰等氧化。在氧化的过程中放出大量的热量 (含1%的硅可使生铁的温度升高200摄氏度)，可使炉内达到足够高的温度。因此转炉炼钢不需要另外使用燃料。炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱氧，去除有害气体和非金属夹杂物， 二去”提高温度和调整成分。归纳为:“四脱”(碳、氧、磷和硫)，“(去气和去夹杂)，“二调整”(成分和温度)。采用的主要技术手段为:供氧，造渣，升温，加脱氧剂和合金化操作。本专题将详细介绍转炉炼钢生产的工艺流程，主要工艺设备的工作原理以及控制要求等信息。由于时间的仓促和编辑水平有限，专题中难免出现遗漏或错误的地方，欢迎大家补充指正。 转炉冶炼目的: 将生铁里的碳及其它杂质(如:硅、锰)等氧化，产出比铁的物理、化学性能与力学性能更好的钢。 【相关信息】 钢与生铁的区别:首先是碳的含量，理论上一般把碳含量小于2.11%称之钢，它的熔点在1450-1500?，而生铁的熔点在1100-1200?。在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体，随着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和冲击韧性降低。钢具有很好的物理、化学性能与力学性能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，其用途十分广泛。 转炉冶炼原理简介: 转炉炼钢是在转炉里进行。转炉的外形就像个梨，内壁有耐火砖，炉侧有许多小孔(风口)，压缩空气从这些小孔里吹炉内，又叫做侧吹转炉。开始时，转炉处于水平，向内注入1300摄氏度的液态生铁，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空气并转动转炉使它直立起来。这时液态生铁表面剧烈的反应，使铁、硅、锰氧化 (FeO,SiO2 , MnO,) 生成炉渣，利用熔化的钢铁和炉渣的对流作用，使反应遍及整个炉内。几分钟后，当钢液中只剩下少量的硅与锰时，碳开始氧化，生成一氧化碳(放热)使钢液剧烈沸腾。炉口由于溢出的一氧化炭的燃烧而出现巨大的火焰。最后，磷也发生氧化并进一步生成磷酸亚铁。磷酸亚铁再跟生石灰反应生成稳定的磷酸钙和硫化钙，一起成为炉渣。当磷与硫逐渐减少，火焰退落，炉口出现四氧化三铁的褐色蒸汽时，表明钢已炼成。这时应立即停止鼓风，并把转炉转到水平位置，把钢水倾至钢水包里，再加脱氧剂进行脱氧。整个过程只需15分钟左右。如果氧气是从炉底吹入，那就是底吹转炉;氧气从顶部吹入，就是顶吹转炉。 转炉冶炼工艺流程简介: 转炉一炉钢的基本冶炼过程。顶吹转炉冶炼一炉钢的操作过程主要由以下六步组成: (1)上炉出钢、倒渣，检查炉衬和倾动设备等并进行必要的修补和修理; (2)倾炉，加废钢、兑铁水，摇正炉体(至垂直位置); (3)降枪开吹，同时加入第一批渣料(起初炉内噪声较大，从炉口冒出赤色烟雾，随后喷出暗红的火焰;3,5min后硅锰氧接近结束，碳氧反应逐渐激烈，炉口的火焰变大，亮度随之提高;同时渣料熔化，噪声减弱); (4)3,5min后加入第二批渣料继续吹炼(随吹炼进行钢中碳逐渐降低，约12min后火焰微弱，停吹); (5)倒炉，测温、取样，并确定补吹时间或出钢; (6)出钢，同时(将计算好的合金加入钢包中)进行脱氧合 金化。 转炉炼钢主要工艺设备简介: 转炉(converter) 炉体可转动，用于吹炼钢或吹炼锍的冶金炉。转炉炉体用钢板制成，呈圆筒形，内衬耐火材料，吹炼时靠化学反应热加热，不需外加热源，是最重要的炼钢设备，也可用于铜、镍冶炼。 AOD精炼炉 AOD即氩氧脱碳精炼炉，是一项用于不锈钢冶炼的专有工艺。AOD 6t、8t、10t、18t、25t、30t等。装备水平也由炉型根据容量有3t、 半自动控制发展到智能计算机控制来冶炼不锈钢。 VOD精炼炉 VOD精炼炉(vacuumoxygen decarburization),是在真空状态下进行吹氧脱碳的炉外精炼炉，它以精炼铬镍不锈钢、超低碳钢、超纯铁素体不锈钢及纯铁为主。将初炼钢液装入精炼包中放入密封的真空罐中进行吹氧脱碳、脱硫、脱气、温度调整、化学元素调整。 LF精炼炉 LF(ladle furnace) 炉是具有加热和搅拌功能的钢包精炼炉。加热一般通过电极加热，搅拌是通过底部透气砖进行的。 氧枪 氧枪是转炉供氧的主要设备，它是由喷头、枪身和尾部结构组成。喷头是用导热性良好的紫铜经锻造和切割加工而成，也有用压力浇铸而成的。喷头的形状有拉瓦尔型、直筒型和螺旋型等。目前应用最多的是 多孔的拉瓦尔型喷头。拉瓦尔型喷头是收缩—扩张收缩型喷孔，当出口氧压与进口氧压之比p出/p0<0.528时形成超音速射流。 转炉倾炉系统 倾炉系统:变频调速(变频器+电机+减速机+大齿轮) 倾炉机构:倾炉机构由轨道、倾炉油缸、摇架平台、水平支撑机构和支座等组成。 转炉炼钢工艺流程 这种炼钢法使用的氧化剂是氧气。把空气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅、锰等氧化。在氧化的过程中放出大量的热量 (含1%的硅可使生铁的温度升高200摄氏度)，可使炉内达到足够高的温度。因此转炉炼钢不需要另外使用燃料。 转炉炼钢是在转炉里进行。转炉的外形就像个梨，内壁有耐火砖，炉侧有许多小孔(风口)，压缩空气从这些小孔里吹炉内，又叫做侧吹转炉。开始时，转炉处于水平，向内注入1300摄氏度的液态生铁，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空气并转动转炉使它直立起来。这时液态生铁表面剧烈的反应，使铁、硅、锰氧化 (FeO,SiO2 , MnO,) 生成炉渣，利用熔化的钢铁和炉渣的对流作用，使反应遍及整个炉内。几分钟后，当钢液中只剩下少量的硅与锰时，碳开始氧化，生成一氧化碳(放热)使钢液剧烈沸腾。炉口由于溢出的一氧化炭的燃烧而出现巨大的火焰。最后，磷也发生氧化并进一步生成磷酸亚铁。磷酸亚铁再跟生石灰反应生成稳定的磷酸钙和硫化钙，一起成为炉渣。 当磷与硫逐渐减少，火焰退落，炉口出现四氧化三铁的褐色蒸汽时，表明钢已炼成。这时应立即停止鼓风，并把转炉转到水平位置，把钢水倾至钢水包里，再加脱氧剂进行脱氧。整个过程只需15分钟左右。如果空气是从炉低吹入，那就是低吹转炉。 随着制氧技术的发展，现在已普遍使用氧气顶吹转炉 (也有侧吹转炉)。这种转炉吹如的是高压工业纯氧，反应更为剧烈，能进一步提高生产效率和钢的质量。 转炉一炉钢的基本冶炼过程。顶吹转炉冶炼一炉钢的操作过程主要由以下六步组成: (1)上炉出钢、倒渣，检查炉衬和倾动设备等并进行必要的修补和修理; (2)倾炉，加废钢、兑铁水，摇正炉体(至垂直位置); (3)降枪开吹，同时加入第一批渣料(起初炉内噪声较大，从炉口冒出赤色烟雾，随后喷出暗红的火焰;3,5min后硅锰氧接近结束，碳氧反应逐渐激烈，炉口的火焰变大，亮度随之提高;同时渣料熔化，噪声减弱); (4)3,5min后加入第二批渣料继续吹炼(随吹炼进行钢中碳逐渐降低，约12min后火焰微弱，停吹); (5)倒炉，测温、取样，并确定补吹时间或出钢; (6)出钢，同时(将计算好的合金加入钢包中)进行脱氧合金化。 上炉钢出完钢后，倒净炉渣，堵出钢口，兑铁水和加废钢，降枪供氧，开始吹炼。在送氧开吹的同时，加入第一批渣料，加入量相当于全炉总渣量的三分之二，开吹3-5分钟后，第一批渣料化好，再加入第二批渣料。如果炉内化渣不好，则许加入第三批萤石渣料。 吹炼过程中的供氧强度: 小型转炉为2.5-4.5m3/(t?min);120t以上的转炉一般为2.8-3.6m3/(t?min)。 ?开吹时氧枪枪位采用高枪位，目前是为了早化渣，多去磷，保护炉衬; ?在吹炼过程中适当降低枪位的保证炉渣不“返干”，不喷溅，快速脱碳与脱硫，熔池均匀升温为原则; ?在吹炼末期要降枪，主要目的是熔池钢水成分和温度均匀，加强熔池搅拌，稳定火焰，便于判断终点，同时使降低渣中Fe含量，减少铁损，达到溅渣的要求。 ?当吹炼到所炼钢种要求的终点碳范围时，即停吹，倒炉取样，测定钢水温度，取样快速分析[C]、[S]、[P]的含量，当温度和成分符合要求时，就出钢。 ?当钢水流出总量的四分之一时，向钢包中的脱氧合金化剂，进行脱氧，合金化，由此一炉钢冶炼完毕。 炼钢学概述 基本要求:理解炼钢的任务;了解对原材料的要求;了解耐火材料的分 类和各自用途。 重点与难点:炼钢的任务;原材料主要质量指标;炼钢用耐火材料。 第一节 概 述 一、钢与生铁的区别及发展历程: 首先是碳的含量，理论上一般把碳含量小于2.11%称之钢，它的熔点在1450-1500?，而生铁的熔点在1100-1200?。 在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体，随着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和冲击韧性降低。 钢的应用前景:钢具有很好的物理、化学性能与力学性能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，其用途十分广泛。 用途不同对钢的性能要求也不同，从而对钢的生产也提出了不同的要求。石油、化工、航天航空、交通运输、农业、国防等许多重要的领域均需要各种类型的大量钢材，我们的日常生活更离不开钢。总之，钢材仍将是21世纪用途最广的结构材料和最主要功能材料。 炼钢方法(1) 最早出现的炼钢方法是1740年出现的坩埚法，它是将生铁和废铁装入由石墨和粘土制成的坩埚内，用火焰加热熔化炉料，之后将熔化的炉料浇成钢锭。此法几乎无杂质元素的氧化反应。 炼钢方法(2) 1856年英国人亨利?贝塞麦发明了酸性空气底吹转炉炼钢法，也称为贝塞麦法，第一次解决了用铁水直接冶炼钢水的难题，从而使炼钢的质量得到提高，但此法要求铁水的硅含量大于0.8%，而且不能脱硫。目前已淘汰。 炼钢方法(3) 1865年德国人马丁利用蓄热室原理发明了以铁水、废钢为原料的酸性平炉炼钢法，即马丁炉法。1880年出现了第一座碱性平炉。由于其成本低、炉容大，钢水质量优于转炉，同时原料的适应性强，平炉炼钢法一时成为主要的炼钢法。 炼钢方法(4) 1878年英国人托马斯发明了碱性炉衬的底吹转炉炼钢法，即托马斯法。他是在吹炼过程中加石灰造碱性渣，从而解决了高磷铁水的脱磷问题。当时，对西欧的一些国家特别适用，因为西欧的矿石普遍磷含量高。但托马斯法的缺点是炉子寿命底，钢水中氮的含量高。 炼钢方法(5) 1899年出现了完全依靠废钢为原料的电弧炉炼钢法(EAF)，解决了充分利用废钢炼钢的问题，此炼钢法自问世以来，一直在不断发展，是当前主要的炼钢法之一，由电炉冶炼的钢目前占世界总的钢的产量的30-40%。 炼钢方法(6) 瑞典人罗伯特?杜勒首先进行了氧气顶吹转炉炼钢的试验，并获得了成功。1952年奥地利的林茨城(Linz)和多纳维兹城(Donawitz)先后建成了30吨的氧气顶吹转炉车间并投入生产，所以此法也称为LD法。美国称为BOF法(Basic Oxygen Furnace)或BOP法，如图1所示。 图1 BOF法 炼钢方法(7) 1965年加拿大液化气公司研制成双层管氧气喷嘴，1967年西德马克西米利安钢铁公司引进此技术并成功开发了底吹氧转炉炼钢法，即OBM法(Oxygen Bottom Maxhuette) 。1971年美国钢铁公司引进OBM法，1972年建设了3座200吨底吹转炉，命名为Q-BOP (Quiet BOP) ，如图2所示。 图2 Q-BOP法 炼钢方法(8) 在顶吹氧气转炉炼钢发展的同时，1978-1979年成功开发了转炉顶底复合吹炼工艺，即从转炉上方供给氧气(顶吹氧)，从转炉底部供给惰性气体或氧气，它不仅提高钢的质量，而且降低了炼钢消耗和吨钢成本，更适合供给连铸优质钢水，如图3所示。 图3 转炉顶底复合吹炼法 炼钢方法(9) 我国首先在1972-1973年在沈阳第一炼钢厂成功开发了全氧侧吹转炉炼钢工艺。并在唐钢等企业推广应用，如图4所示。 图4 全氧侧吹转炉炼钢法 总之，炼钢技术经过200多年的发展，技术水平、自动化程度得到了很大的提高，21世纪炼钢技术会面临更大的挑战，相信会有不断的新技术涌现。 二、我国钢铁工业的状况 我国很早就掌握了炼铁的冶炼技术，东汉时就出现了冶炼和锻造技术，南北朝时期就掌握了灌钢法，曾在世界范围内处于领先地位。但旧中国钢铁工业非常落后，产量很低，从1890年建设的汉阳钢铁厂至1948年的半个世纪中，钢产量累计到200万吨，1949年只有15.8万吨。 新中国成立后，特别是改革开放以来，我国的钢铁事业得到迅速发展，1980年钢产量达到3712万吨，1990年达到6500万吨，1996年首次突破1亿吨大关，成为世界第一产钢大国，2005年产量达到3.4亿吨，占世界产量的1/3。 可以这样讲，我国的钢铁工业对世界产生了重要影响，我国不仅是产钢大国，而且已经开始迈入钢铁强国的行列，如图5所示。 图5 我国粗钢产量的变化情况 第二节 炼钢的任务及钢的分类 一、炼钢的任务 炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱氧，去除有害气体和非金属夹杂物，提高温度和调整成分。归纳为:“四脱(碳、氧、磷和硫)，”“二去(去”气和去夹杂)，“二调整”(成分和温度)。采用的主要技术手段为:供氧，造渣，升温，加脱氧剂和合金化操作。 (一)钢中的磷 对于绝大多数钢种来说磷是有害元素。钢中磷的含量高会引起钢的 “冷脆”，即从高温降到0?以下，钢的塑性和冲击韧性降低，并使钢的焊接性能与冷弯性能变差。 磷是降低钢的表面张力的元素，随着磷含量的增加，钢液的表面张力降低显著，从而降低了钢的抗裂性能。 磷是仅次于硫在钢的连铸坯中偏析度高的元素，而且在铁固熔体中扩散速率很小，因而磷的偏析很难消除，从而严重影响钢的性能，所以脱磷是炼钢过程的重要任务之一。磷在钢中是以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在，但通常是以[P]来表达。炼钢过程的脱磷反应是在金属液与熔渣界面进行的。 不同用途的钢对磷的含量有严格要求: 非合金钢中普通质量级钢 [P]?0.045%; 优质级钢 [P]?0.035%; 特殊质量级钢 [P]?0.025%; 有的甚至要求 [P]?0.010%。 但对于某些钢种，如炮弹钢，耐腐蚀钢则需添加一定的P元素。 (二)钢中的硫 硫对钢的性能会造成不良影响，钢中硫含量高，会使钢的热加工性能变坏，即造成钢的“热脆”性。 硫在钢中以FeS的形式存在，FeS的熔点为1193?，Fe与FeS组成的共晶体的熔点只有985?。液态Fe与FeS虽可以无限互溶，但在固熔 体中的溶解度很小，仅为0.015%-0.020%。 当钢中的[S],0.020%时，由于凝固偏析，Fe-FeS共晶体分布于晶界处，在1150-1200?的热加工过程中，晶界处的共晶体熔化，钢受压时造成晶界破裂，即发生“热脆”现象。 如果钢中的氧含量较高，FeS与FeO形成的共晶体熔点更低(940?)，更加剧了钢的“热脆”现象的发生。 锰可在钢凝固范围内生成MnS和少量的FeS，纯MnS的熔点为1610?，共晶体FeS-MnS(占93.5%)的熔点为1164?，它们能有效地防止钢热加工过程的“热脆”。 冶炼一般钢种时要求将[Mn]控制在0.4%-0.8%。在实际生产中还将[Mn]/[S]比作为一个指标进行控制，[Mn]/[S]对钢的热塑性影响很大。从低碳钢高温下的拉伸实验发现提高[Mn]/[S]比可以提高钢的热延展性。一般[Mn]/[S]?7时不产生热脆，如图6所示。 图6 [Mn]/[S]比对低碳钢热延展性的影响 硫还会明显降低钢的焊接性能，引起高温龟裂，并在焊缝中产生气孔和疏松，从而降低焊缝的强度。硫含量超过0.06%时，会显著恶化钢的耐蚀性。硫还是连铸坯中偏析最为严重的元素。 不同钢种对硫含量有严格的规定: 非合金钢中普通质量级钢 [S]?0.045% 优质级钢 [S]?0.035%， 特殊质量级钢 [S]?0.025% 有的钢种要求如管线钢 [S]?0.005%，甚至更低。 对于某些钢种，如易切削钢，硫则作为合金元素加入，要求[S]=0.08%-0.20%。 (三)钢中的氧 在吹炼过程中，向熔池供入了大量的氧气，到吹炼终点时，钢水中含有过量的氧，即钢中实际氧含量高于平均值。 若不脱氧，在出钢、浇铸中，温度降低，氧溶解度降低，促使碳氧反应，钢液剧烈沸腾，使浇铸困难，得不到正确凝固组织结构的连铸坯。 钢中氧含量高，还会产生皮下气泡，疏松等缺陷，并加剧硫的热脆作用。在钢的凝固过程中，氧将会以氧化物的形式大量析出，会降低钢的塑性，冲击韧性等加工性能。 一般测定的是钢中的全氧，即氧化物中的氧和溶解的氧之和，在使用浓差法定氧时才是测定钢液中溶解的氧，在铸坯或钢材中取样时是全氧样。 脱氧的任务: 根据具体的钢种，将钢中的氧含量降低到所需的水平，以保证钢水在凝固时得到合理的凝固组织结构; 使成品钢中非金属夹杂物含量最少，分布合适，形态适宜，以保证钢的各项性能指标，得到细晶结构组织。 常用的脱氧剂有Fe-Mn，Fe-Si，Mn-Si，Ca-Si等合金。 (四)钢中的气体 钢液中的气体会显著降低钢的性能，而且容易造成钢的许多缺陷。钢中气体主要是指氢与氮，它们可以溶解于液态和固态纯铁和钢中。 氢在固态钢中溶解度很小，在钢水凝固和冷却过程中，氢会和CO、N2等气体一起析出，形成皮下气泡中心缩孔、疏松、造成白点和发纹。 钢热加工过程中，钢中含有氢气的气孔会沿加工方向被拉长形成微裂纹，进而引起钢材的强度、塑性、冲击韧性的降低，即发生“氢脆”现象。 在钢材的纵向断面上，呈现出圆形或椭圆形的银白色斑点称之为“白点，”实为交错的细小裂纹。主要原因是钢中的氢在小孔隙中析出的压力和钢相变时产生的组织应力的综合力超过了钢的强度，产生了“白点。一般白”点产生的温度低于2000?。 钢中的氮是以氮化物的形式存在，它对钢质量的影响体现出双重性。氮含量高的钢种长时间放置，将会变脆，这一现象称为“老化”或“时效”。原因是钢中氮化物的析出速度很慢，逐渐改变着钢的性能。低碳钢产生的脆性比磷还严重。 钢中氮含量高时，在250-4500?温度范围，其表面发蓝，钢的强度升高，冲击韧性降低，称之为“蓝脆”。氮含量增加，钢的焊接性能变坏。 钢中加入适量的铝，可生成稳定的AlN，能够压抑Fe4N生成和析出，不仅改善钢的时效性，还可以阻止奥氏体晶粒的长大。氮可以作为合金元素起到细化晶粒的作用。在冶炼铬钢，镍铬系钢或铬锰系等高合金钢时，加入适量的氮，能够改善塑性和高温加工性能。 (五)钢中的夹杂 钢中非金属夹杂按来源分可以分成外来夹杂和内生夹杂。 外来夹杂是指冶炼和浇铸过程中，带入钢液中的炉渣和耐火材料以及钢液被大气氧化所形成的氧化物。内生夹杂包括:脱氧时的脱氧产物;钢液温度下降时，硫、氧、氮等杂质元素溶解度下降而以非金属夹杂形式出现的生成物;凝固过程中因溶解度降低、偏析而发生反应的产物;固态钢相变溶解度变化生成的产物。 钢中大部分内生夹杂是在脱氧和凝固过程中产生的。根据成分不同，夹杂物可分为: 氧化物夹杂，即 FeO、MnO、SiO2、Al2O3、Cr2O3等简单的氧化物; FeO-Fe2O3、FeO-Al2O3、MgO-Al2O3等尖晶石类和各种钙铝的复杂氧化物; 2FeO-SiO2、2MnO-SiO2、3MnO-Al2O3-2SiO2等硅酸盐; 硫化物夹杂，如FeS、MnS、CaS等; 氮化物夹杂，如AlN、TiN、ZrN、VN、BN等。 按加工性能，夹杂物可分为:塑性夹杂，它是在热加工时，沿加工方向延伸成条带状;脆性夹杂，它是完全不具有塑性的夹杂物，如尖晶石类 型夹杂物，熔点高的氮化物;点状不变性夹杂，如SiO2超过70%的硅酸盐，CaS、钙的铝硅酸盐等。 由于非金属夹杂对钢的性能产生严重的影响，因此在炼钢、精炼和连铸过程应最大限度地降低钢液中夹杂物的含量，控制其形状、尺寸。 (六)钢中的合金成分 碳(C) 炼钢的重要任务之一就是要把熔池中的碳氧化脱除至所炼钢钟的要求。从钢的性质可看出碳也是重要的合金元素，它可以增加钢的强度和硬度，但对韧性产生不利影响。 钢中的碳决定了冶炼、轧制和热处理的温度制度。 碳能显著改变钢的液态和凝固性质，在1600?，[C]?0.8%时，每增0.1%的碳 ?钢的熔点降低6.50? ?密度减少4kg/m3 ?黏度降低0.7% ?[N]的溶解度降低0.001% ?[H]的溶解度降低0.4 cm3/100g ?增大凝固区间17.79? 。 锰(Mn) 锰的作用是消除钢中硫的热脆倾向，改变硫化物的形态和分布以提高钢质; 锰是一种非常弱的脱氧剂，在碳含量非常低、氧含量很高时，可以显示出脱氧作用，协助脱氧，提高他们的脱氧能力; 锰还可以略微提高钢的强度，并可提高钢的淬透性能，稳定并扩大奥氏体区，常作为合金元素生成奥氏体不锈钢、耐热钢等。 硅 (Si) 硅是钢中最基本的脱氧剂。普通钢中含硅在0.17%-0.37%，1450?钢凝固时，能保证钢中与其平衡的氧小于与碳平衡的量，抑制凝固过程中CO气泡的产生。 生产沸腾钢时，[Si]为0.03%-0.07%，[Mn]为0.25%-0.70%，它只能微弱控制C-O反应。 硅能提高钢的机械性能，增加了钢的电阻和导磁性。 硅对钢液的性质影响较大，1600?纯铁中每增加1%的硅: ?碳的饱和溶解度降低0.294% ?铁的熔点降低8? ?密度降低80kg/m3 ?[N]的饱和溶解度降低0.003% ?[H]降低1.4cm3/100g ?钢的凝固区间增加10?，钢液的收缩率提高2.05%。 铝(Al) 铝是终脱氧剂，生产镇静钢时，[Al]多在0.005%-0.05%，通常为0.01%-0.03%。钢中铝的加入量因氧量而异，对高碳钢应少加些，而低碳钢则应多加，加入量一般为:0.3-1.0kg/t钢。 铝加到钢中将与氧发生反应生成Al2O3，在出钢、镇静和浇铸时生成的Al2O3大部分上浮排除，在凝固过程中大量细小分散的Al2O3还能促进形成细晶粒钢。铝是调整钢的晶粒度的有效元素，它能使钢的晶粒开始长大并保持到较高的温度。 二、钢的分类 按化学成分分类:按是否加入合金元素可钢分为把碳素钢和合金钢两大类。 碳素钢是指钢中除含有一定量为了脱氧而加入硅(一般?0.40%)和锰(一般?0.80%)等合金元素外，不含其他合金元素的钢。根据碳含量的高低又可分成低碳钢([C]?0.25%)，中碳钢(0.25%?[C]?0.60%)和高碳钢([C]>0.60%)。 合金钢是指钢中除含有硅和锰作为合金元素或脱氧元素外，还含有其他合金元素如铬、镍、钼、钛、钒、铜、钨、铝、钴、铌、锆和稀土元素等，有的还含有某些非金属元素如硼、氮等的钢。 根据钢中合金元素含量的多少，又可分为低合金钢，中合金钢和高合金钢。一般合金元素总含量小于3%的为普通低合金钢，总含量为3%,5%的为低合金钢，大于10%的叫高合金钢，总含量介于5%,10%之间为中合金钢。 按钢中所含有的主要合金元素不同可分为锰钢、硅钢、硼钢、铬镍钨钢、铬锰硅钢等。 按冶炼方法和质量水平分类: 按炼钢炉设备不同可分为转炉钢、电炉钢、平炉钢。其中电炉钢包括电弧炉钢、感应炉钢、电渣钢、电子束熔炼及有关的真空熔炼钢等。 按脱氧程度不同可分为沸腾钢(不经脱氧或微弱脱氧)、镇静钢(脱氧充分)和半镇静钢(脱氧不完全，介于镇静钢和沸腾钢之间)。 按质量水平不同可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。 按用途分类，分为三大类:结构钢，工具钢，特殊性能钢。 结构钢是目前生产最多、使用最广的钢种，它包括碳素结构钢和合金结构钢，主要用于制造机器和结构的零件及建筑工程用的金属结构等。碳素结构钢是指用来制造工程结构件和机械零件用的钢，其硫、磷等杂质含量比优质钢高些，一般[S]?0.055%，[P]?0.045%，优质碳素钢[S]和[P]均?0.040%。碳素结构钢的价格最低，工艺性能良好，产量最大，用途最广。 合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上，适当地加入一种或数种合金元素，用来提高钢的强度、韧性和淬透性。合金结构钢根据化学成分(主要指含碳量)热处理工艺和用途的不同，又可分为渗碳钢、调质钢和氮化钢。 渗碳钢指用低碳结构钢制成零部件，经表面化学处理，淬火并低温回火后，使零件表面硬度高而心部韧性好，既耐磨又能承受高的交变负荷或冲击负荷。 调质钢的含碳量大于0.25%，所制成的零件经淬火和高温回火调质处理后，可得到适当的高强度与良好的韧性。 氮化钢一般是指以中碳合金结构钢制成零件，先经过调质或表面火焰淬 火、高频淬火处理，获得所需要的力学性能，最后再进行氮化处理，以进一步改善钢的表面耐磨性能。 工具钢，包括碳素工具钢和合金工具钢及高速钢。 碳素工具钢的硬度主要以含碳量的高低来调整(0.65%?[C]?1.30%)，为了提高钢的综合性能，有的钢中加入0.35%,0.60%的锰。 合金工具钢不仅含有很高碳，有的高达2.30%，而且含有较高的铬(达13%)、钨(达9%)、钼、钒等合金元素，这类钢主要用于各式模具。 高速工具钢除含有较高的碳(1%左右)外，还含有很高的钨(有的高达19%)和铬、钒、钼等合金元素，具有较好的赤热硬性。 特殊性能钢，指的是具有特殊化学性能或力学性能的钢，如轴承钢、不锈钢、弹簧钢、高温合金钢等。 轴承钢是指用于制造各种环境中工作的各类轴承圈和滚动体的钢，这类钢含碳1%左右，含铬最高不超过1.65%，要求具有高而均匀的硬度和耐磨性，内部组织和化学成分均匀，夹杂物和碳化物的数量及分布要求高。 不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液，或其他腐蚀介质中具有一定化学稳定性的钢的总称。耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的称为不锈钢，耐酸、碱和盐等强介质腐蚀的钢称为耐腐蚀钢。不锈钢具有不锈性，但不一定耐腐蚀，而耐腐蚀钢则一般都具有较好的不锈性。 根据化学成分不同，可分为马氏体不锈钢(13%Cr钢为代表)，铁素体不锈钢(18%Cr钢为代表)，奥氏体不锈钢(18%Cr-8%Ni钢代表)和双相不锈钢。 弹簧钢主要含有硅、锰、铬合金元素，具有高的弹性极限、高的疲劳强度以及高的冲击韧性和塑性，专门用于制造螺旋簧及其他形状弹簧，对钢的表面性能及脱碳性能的要求比一般钢更为严格。 高温合金指的是在应力及高温同时作用下，具有长时间抗蠕变能力与高的持久强度和高的抗蚀性的金属材料，常用的有铁基合金、镍基合金、钴基合金，还有铬基合金、钼基合金及其他合金等。高温合金主要用于制造燃汽轮机、喷气式发动机等高温下工作零部件。