炼钢过程中氧含量的探讨

炼钢过程中氧含量的探讨 姚国平 ,太原重工铸锻分公司炼钢厂,山西太原,030024, 摘 要:炼钢过程中,就氧含量问题经过1 年的试验研究,并结合有关专家的观点,探讨了氧含 量的变化过程。在冶炼操作中通过控制影响氧含量的主要因素控制钢中含氧量,从而得 到优质钢。 关键词:氧含量,碳氧关系,碱度,FeO 中图分类号:TF761.2 文献标识码:A 文章编号:1004-642,92009,03-0144-03 整个炼钢过程,就是一个氧化还原过程。熔炼一开始就有意 量的实际情况。 在炼钢过程中,碳、氧反应是按下列反应式进行的,向熔池供氧,增加钢、渣中的氧含量。随着熔炼过程的进行,又采 〔C〕+〔O〕=〔CO〕 〔CO〕?{ CO} 取各种不同的方法,减少钢、渣中的氧含量,以便使成品钢中的 氧含量达到最低限度。所以在整个熔炼过程中,氧是炼钢的助 根据马金尔和启普曼的研究,、CO 平衡常数是随着温度变 手,通过它来氧化掉不需要的物质,排除钢中的有害气体,提高 化而变化的。这里按炼钢温度来考虑C 、O 反应的平衡常数。讨 钢水温度,从而保证冶炼过程的正常进行。但是,钢中氧又是影 论的温度为 1 550 ? ~ 1 650 ?。 响钢的使用性能的有害元素,影响着钢的质量和使用寿命。因此 C、O 反应平衡方程式为, 〔C〕〔O〕/P= 0.003 3 ?CO 氧又是有害物质。为此又要千方百计的将钢中的氧含量降低到 当 P=1 atm时 ,〔C〕〔O〕=0.003 3?CO 最低限度。故每一个炼钢工作者必须系统了解氧在整个熔炼过 根据按上述平衡方程式和马金尔—启普曼实验曲线画出的程中的行为,主动控制熔炼过程。使氧能充分发挥其炼钢助手的 C、O 反应平衡曲线见图 1 所示, 作用,又能使钢中的氧含量达到最低限度,保证熔炼出优质。钢 本文将系统地探讨炼钢过程中氧含量的变化及其对冶炼操作的 影响。 1 影响初炼炉(EBT)熔炼过程中钢水氧含量的各种因素 钢水中的各种元素,因为和氧亲和力的大小不同,对钢水中 的氧含量有着不同的影响。熔炼开始时,在当时的温度下,和氧 亲和力大于碳的元素,首先被氧化。所以当钢水中这些脱氧能力 强的元素含量较高时,钢中氧就决定于这些脱氧元素的含量。随 着这些脱氧元素很快被氧化,钢水中这些脱氧元素为微量时,钢 中的氧含量就主要决定于钢水中的含碳量。以后的整个熔炼过 图 1 C、O 反应平衡曲线 曲线?马金尔—启普曼实验曲线,曲线?按〔C〕——?程中,在脱氧元素加入之前,钢水中的含氧量都主要决定于钢水 〔O〕= 0.0033 计算曲线。的含碳量。 在炼钢实际过程中〔,C〕、〔O〕反应的位置在钢液和炉底接触 碳的氧化受当时供氧速度的影响,所以钢中的氧含量同样 处的粗糙面进行,而氧的来源是从炉渣经钢液向下传递,所以 也受着当时钢渣温度的影响。炉渣碱度、熔池深度、炉底状况、供 从熔池底部到钢渣接触面上的整个熔池高度有 个一 氧 浓 度 梯氧能力都影响着当时钢水中的氧含量。 2 碳、氧反应平衡条件的讨论 度。在钢液和炉底的接触处,当温度适合时,、CO 反应速度很快, 该处的氧浓度接近于平衡值。 钢水中的氧含量决定于钢水中的碳含量。讨论碳、氧平衡条 3 在初炼炉(EBT)中实测的碳氧关系件,以及影响碳氧平衡条件的因素,才能了解熔炼过程中钢氧含 不同含碳量的钢水,在实际熔炼过程中,实测的C、 O 关系和 〔C〕〔O〕= 0.003 3 曲线的比较图见图 2 所示,?作者简介,姚国平,男,1973 年 9 月出生,1996年毕业于 太 由图 2 可知,在实际熔炼过程中,接近熔池底部,钢中氧含 原理工大学,工程师030024,,山西省太原市 收稿日期,2009-03-15 量仅略高于平衡值。高碳钢的氧含量都在0.01% 左右。只有碳低 平衡常数,L= [O] / a到 0.04%以上。 , FeO, 6 400 L 与温度的关系,logL= ) + 0.756 T a= (FeO×)r,r 为活度系数 酸性渣 a = (FeO),=r 1 (FeO)(FeO) 碱性渣的活度系数与渣的碱度、渣中的 FeO含量有关 。 FeO的活度与其浓度的关 系,CaO/Si=O2,, 2 根据计算,在 1 600?、碱度为 2 时,L = 0.005,在1 600?、碱 度为 4 时,L=0.0026 。 6 确定初炼炉和精炼炉炉渣碱度数值的依据—表示熔化后,—表示氧化期。 ?在编制冶炼工艺时,一般都初炼炉EB,T,中的炉渣碱度 图 2 实测 C、O 关系曲线 应保持在 1.8 ~ 2.2 之间,精炼炉中的炉渣碱度为3 :4 。氧化期 4 各阶段钢中含氧量的实测数值 的主要目的就是氧化掉一切有害物质,因此要创造条件增强向 4.1 三炉低碳钢,化清后碳含量小于0.40 %, 钢水供氧的能力,而还原期是为了脱去钢水中的氧。下面来说明 低碳钢在初炼炉,EBT,熔化后 C< 0.4%时,钢中含氧量在 规定碱度的依据。 0.02%上下。随着氧化过程的进行,钢中碳继续下降,而钢中氧就 逐渐增加。到氧化终了时,碳含量在0.1% 上下,而氧含量达到最 当碱度为 1.6 :2.0 时,r 值最大,当渣中 FeO为一定 值时,a(FeO) 高值 0.06%上下。偏心低出钢进行部分沉淀脱氧和加还原渣,在 精炼包中氧含量开始下降,此时为0.055 %上下。上精炼炉,LF+ 也为最大。所以在初炼炉,EBT,中的熔渣保证1.6 :2.0 的碱度, VD,后,随着还原工作的进行钢中氧继续下降,用碳粉还原后,钢 就能最大限度地向熔池供氧。因此在脱硫和脱磷任务不大时,保 中氧为 0.03%上下,此时,接近于C 、O 平衡值。用矽铁粉还原后, 持 1.6 :2.0 的碱度进行氧化是最合理的。当为了保证有一定的 钢中氧继续下降,此时低于 C、O 平衡值,氧含量为 0.02%上下。脱硫、脱磷能力时,一般规定碱度为1.8 :2.2 是最为合理的。 喂铝丝脱氧进真空前钢中氧含量为0.01% ,真空后根据钢中残铝 当碱度为 4 时,r 为 1,钢渣间的平衡常数为最小,这有利于 喂铝后氧含量逐渐降到小于 0.005%,浇注时钢流取样及成品钢 钢水脱氧。,FeO,?0.4 时,如果碱度为 2 或为 4 时,就可以看出 中氧略有升高。 两者的区别。 4.2 四炉中碳钢 整个熔炼阶段,钢中氧含量由于钢中碳含量高所以在精炼炉中,如果渣中氧化铁的含量为0.4 ,得到平衡 于低碳钢,所 时,若渣的碱度为 2 时,钢中的氧含量为 0.044,碱度为4 时,则 以各阶段钢中含氧量同样也低于低碳钢的情况。在中碳钢中,熔 钢中氧含量为 0.000 904。因此在精炼炉中规定 3: 4 的碱度是合 化后钢中氧含量为 0.005% :0.015% ,氧 化 终 了 时 为 0.02% :理的。但是在精炼期钢渣间的氧不可能达到平衡值,所以金属含 0.04%,加还原渣后为 0.015%:0.02% ,焦炭粉还原后为 0.01%: 氧量一般不会低于 0.001%: 0.002% 。 0.015%,硅铁粉还原后为 0.005%:0.015 %,喂铝丝脱氧进真空 7 还原渣使用硅铁粉的讨论 冶炼工艺规定,精炼期还原渣一般先用焦碳粉还原,后用硅 前钢中氧含量为 0.01%,真空后根据钢中残铝喂铝后氧含量逐渐 铁粉还原。但是经试验和实践证明,在第一批渣料中加入硅铁粉 降到小于 0.005%,浇注时钢流取样及成品钢中氧也略有升高。 是合理的,尤其是冶炼低碳钢时,这样做是非常合理的。第一批 4.3 四炉高碳钢 渣料中加入硅铁粉,不仅使脱氧更加完全,而且比用焦碳粉脱氧 对于高碳钢的熔炼,在整个熔炼过程中钢中含氧量几乎相 速度更快,生成的 SiO能提高渣的流动性,FeO和其他氧化物被 似。高碳钢熔化后,钢中氧含量小于0.01 %,氧化终了接近于 2 还原的反应是在整个渣的体积内进行的。故可认为在第一批渣 0.01%。加还原渣后约为 0.006%,碳粉还原后约为0.004 %,硅粉 料内加入硅铁粉是合理的。 脱氧后也为 0.004%,喂铝丝脱氧进真空前钢中氧含量为0.01 %, 在低碳钢中硅的脱氧能力较大,钢中硅的增加可使[O ] 降低到 真空后根据钢中残铝喂铝后氧含量逐渐降到小于0.005 %,浇注 Si、O 平衡的数值。这表明用硅脱氧生成的SiO 很快能进入渣中。 时钢流取样及成品钢中氧也略有升高。 2 在高碳钢中,由于碳的脱氧能力大于硅的脱氧能力,故改变 [Si]由上述 3 种情况看,在熔炼过程中,当脱氧元素微量时,正 量对[O]量没有影响,此时根本不生成SiO 。所以高碳钢无须 常沸腾的钢液中,氧的含量决定于当时钢水的含碳量,且高于平 2衡值。随着钢液中碳含量的降低,钢液中氧含量增加。这一结论 用硅铁粉脱氧。 8 脱氧用铝量的讨论 从理论推算到实际测定都可以得到充分证明。 在钢水的凝固过程中,由于选分结晶的关系,母液中的C、 O 5 钢渣间氧扩散平衡值的计算 增高。CO 的析出压力可达 2 个大气压,甚至更高。析出的 CO气 炼钢过程中的化学反应是多项反应,要了解钢中氧含量的 钢中 C 规格量加 Al 类 别0.17%的硅。为了更完全脱氧,在出钢前加入少量的铝,某些情况 中限,%,,kg/ T, 下还加入钛锆和其他脱氧剂。 0.8 :1 .0< 0.20 铝的加入量是根据精炼时钢水中的氧含量确定的,而出钢 碳素钢钢锭 0.20: 0 .350.5 :0 .8前的氧含量是根据 C、O 实际关系决定的,所以铝的加入量是根 0.3 :0 .5> 0.35 据所炼钢种的含碳量确定。随着含碳量的增加而加铝量降低,这 0.7 :0 .9< 0.20 种规定根据上述分析的 C、O 关系是非常合理的。工艺上规定的 合金钢钢锭 0.20: 0 .900.45: 0 .60 加铝量和含 C 量的关系见表 1。 0.30: 0 .40> 0.90 9 结论 0.90: 1 .0铸 件炼钢过程中氧含量的变化,在冶炼各个阶段其影响因素是 不同的。初炼炉,EBT,期,在其他脱氧元素微量时钢中的氧含量 参考文献 主要决定于钢水中碳的含量,同时也取决于炉底、炉渣、温度及 ,1, 徐曾启,炉外精炼,M,. 北京,冶金工业出版社,1994. 供氧情况。精炼炉,LF+VD,期,钢中的氧含量主要决定于精炼温 ,2, 蒋国昌,纯净钢及二次精炼,M,.上海,上海科学技术出版 度、炉渣碱度及渣中 FeO含量 ,同时也取决于脱氧用铝量。整个 社,1996. 冶炼过程实际上就是控制钢水中的含氧量,氧含量控制在正常 ,3, 蒋国昌,郑少波,张晓兵,等,钢铁冶金及制备新技术范围内冶炼就能正常进行,否则冶炼就不能正常进行,也无法冶 ,M,.北京,冶金工业出版社,2006.炼出高质量的钢。 Investigation in the Content of Oxygen in Steel Smelting Process Yao Guoping ABSTRACT,Based on the one-year test and study,the changingof process contentof oxygen has been investigated in accordance with the point of view hold by the expert concerned. The contentof oxygen in the steelis controlled throughthe control of the majorfactors which influence the contenof oxygent during the smelting process. Therefore, the high quality steelobtained. has been KEYWORDS,content of oxygen,relationship between carbon and, basicitoxygeny,FeO !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ,上接第 142 页, Improved Designand Application of the Balancing Mechanismof Engines Cheng Renjie, Fan Wenxin ABSTRACT: The paper analyzes the balance performanceof V-eight, with the helpof the optimal design theory, designs a banewl) ancing axis,the balancing mechanismof which can balancethe secondary reciprocating inertia force and greatlythe reduce lifting moment. The improved axis is small andlight, it can effectively reducethe vibration exciting force and improvethe vibration qualityof engines.The plan will greatly improve the vibration characteristicsof V-eight. V-type engine,balancing mechanism,reciprocating inertia force,balancing axidesigns,improved KEYWORDS: """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" ,上接第 143 页, Landslide Control of Jiangxi Slope of Gui-xin Highway Liu Pingjun ABSTRACT: With examplesof construction landslides,the paper further explainsthat the harmof pore waterto slopeslies in the horizontal thrust on the slope causedby the heightof the water column. Reasonable dischargeof underground waterto release the pressureof pore water plays an importantin rolecontrolling landslides. KEYWORDS: landslide,pressureof pore water,landslide control