冶金概论.ppt

1,冶金概论------转炉炼钢,主讲孙丽娜教授冶金工程系,2,主要内容,一炼钢的基本任务二炼钢用原材料三转炉炼钢原理与工艺,3,一、炼钢的基本任务,炼钢的基本任务包括1.脱碳、脱磷、脱硫、脱氧；2.去除有害气体和夹杂；3.提高温度；4.调整成分炼钢过程通过供氧、造渣、加合金、搅拌、升温等手段完成炼钢基本任务。氧气顶吹转炉炼钢过程，主要是降碳、升温、脱磷、脱硫以及脱氧和合金化等高温物理化学反应的过程，其工艺操作则是控制供氧、造渣、温度及加入合金材料等，以获得所要求的钢液，并浇成合格钢钢锭或铸坯。,4,二、炼钢用原材料,原材料是炼钢的基础，原材料的质量对炼钢工艺和钢的质量有直接影响。倘若原材料质量不合技术要求，势必导致消耗增加，产品质量变差，有时还会出现废品，造成产品成本的增加。国内外实践证明，采用精料以及原料标准化，是实现冶炼过程自动化的先决条件，也是改善各项技术经济指标和提高经济效益的基础。炼钢用原材料一般分为主原料、辅原料和各种铁合金。,5,1.金属料,1铁水占金属料的（70100）主要要求成分[Si]、[Mn]、[P]、[S]温度,转炉炼钢重要发热元素，[Si]↑0.1，废钢比↑1.31.5；[Si]过高，渣量增加，引起喷溅；渣中（SiO2）↑，炉龄↓；高炉焦比↑,锰是弱发热元素，铁水中锰氧化后形成的MnO可促进石灰溶解，加快成渣；减少氧枪粘钢，终点钢中余锰高，能够减少合金用量，利于提高金属收得率；锰在降低钢水硫含量和硫的危害方面起到有利作用。Mn/Si的比值为0.8～1.00时对转炉的冶炼操作控制最为有利。当前使用较多的为低锰铁水，一般铁水中[Mn]0.20％～0.40％。,磷是强发热元素，磷会使钢产生“冷脆”现象，通常是冶炼过程要去除的有害元素。磷在高炉中是不可去除的，氧气顶吹转炉的脱磷效率在85％～95％，铁水中磷含量越低，转炉工艺操作越简化，并有利于提高各项技术经济指标。如使用ωP＞1.50％的铁水炼钢时，炉渣可以用作磷肥。,除了含硫易切钢要求ωS0.08％～0.30％以外，绝大多数钢中硫是有害元素。转炉中硫主要来自金属料和熔剂材料等，而其中铁水的硫是主要来源。在转炉内氧化性气氛中脱硫是有限的，脱硫率只有35％～40％。由于低硫ωs＜0.01％的优质钢需求量增长，因此用于转炉炼钢的铁水要求ωs＜0.020％。这种铁水很少，为此必须进行预处理，降低入炉铁水硫含量。,铁水温度的高低是带入转炉物理热多少的标志，铁水物理热约占转炉热收入的50％。因此，铁水的温度不能过低，否则热量不足，影响熔池的温升速度和元素氧化过程，也影响化渣和去除杂质，还容易导致喷溅。入炉铁水温度应大于1250℃，以利于转炉的热行，成渣迅速，减少喷溅。小型转炉和化学热量不富裕的铁水，保证铁水的高温入炉极为重要;转炉炼钢时入炉铁水的温度还要相对稳定，如果相邻几炉的铁水入炉温度有大幅的变化，就需要在炉与炉之间对废钢比作较大的调整，这对生产管理和冶炼操作都会带来不利影响。,6,2废钢,废钢是电弧炉炼钢的基本原料，用量约7090；对氧气顶吹转炉炼钢，既是主原料之一，也是冷却效果稳定的冷却剂。通常占装入量的30％以下，适当地增加废钢比，可以降低转炉钢消耗和成本。,,7,废钢的分类,8,3）铁合金,吹炼终点脱除钢中多余的氧，并调整成分达到钢种规格，需加入铁合金以脱氧合金化。炼钢常用的合金有Fe-Mn、Fe-Si、Mn-Si合金、Ca-Si合金、铝、Fe-Al、复合脱氧剂等。其化学成分及质量均应符合国家标准规定。,9,2.辅助材料,1）造渣剂,,石灰（CaO）,萤石（CaF2）,生白云石（CaMgCO32）,菱镁矿（MgCO3）,合成造渣剂,锰矿石,石英砂（主要成分是SiO2）,石灰是炼钢主要造渣材料，具有脱P、脱S能力，也是用量最多的造渣材料。其质量好坏对冶炼工艺操作，产品质量和炉衬寿命等有着重要影响。特别是转炉冶炼时间短，要在很短的时间内造渣去除磷、硫，保证各种钢的质量。,对石灰质量的要求1有效CaO含量高;2硫含量低;3残余CO2少;4活性度高,造渣加入萤石可以加速石灰的溶解，萤石的助熔作用是在很短的时间内能够改善炉渣的流动性，但过多的萤石用量，会产生严重的泡沫渣，导致喷溅，同时加剧炉衬的损坏，并污染环境。,焙烧后为熟白云石，其主要成分CaO与MgO。保持渣中有一定的MgO含量，以减轻初期酸性渣对炉衬的侵蚀，提高炉衬寿命，生白云石也是溅渣护炉的调渣剂。,菱镁矿也是天然矿物，主要成分是MgCO3，焙烧后用作耐火材料，也是目前溅渣护炉的调渣剂。,合成造渣剂是将石灰和熔剂预先在炉外制成的低熔点造渣材料，然后用于炉内造渣。是改善冶炼效果的有效措施。作为合成造渣剂中熔剂的物质有氧化铁、氧化锰或其它氧化物、萤石等。,加入锰矿石有助于化渣，也有利于保护炉衬，若是半钢冶炼更是必不可少的造渣材料。要求ωMn≥18％，ωP0.20％，ωS0.20％，粒度在20～80mm。,石英砂也是造渣材料，其主要成分是SiO2，用于调整碱性炉渣流动性。对于半钢冶炼，加入石英砂利于成渣，调整炉渣碱度以去除P、S。要求使用前应烘烤干燥水分应小于3％。,10,2冷却剂氧气顶吹转炉炼钢过程热量有富余，因而根据热平衡计算加入一定数量的冷却剂，以准确地命中终点温度。冷却剂包括废钢、生铁块、铁矿石和氧化铁皮、石灰石等。,11,3）氧化剂,,氧气,氧化铁皮,氧气是氧气转炉炼钢的主要氧化剂，要求含氧量达到99.5％以上，并脱除水分。氧压为612105Pa。工业用氧是通过制氧机把空气中的氧气分离、提纯来实现的。,氧化铁皮要求杂质含量少，不含油污和水分。,铁矿石,铁矿石要求含铁高，P和水分低；,12,4）还原剂和增碳剂,电炉炼钢中需要使用还原剂和增碳剂包括石墨电极、木炭、焦炭、电石、硅铁、硅钙、铝等；转炉炼钢中冶炼中高碳钢时，一般使用含灰份少的石油焦做增碳剂。,13,三氧气转炉炼钢原理及工艺,1.转炉炼钢车间巡视与生产模拟2.铁水予处理3.转炉炼钢过程,14,1.转炉炼钢车间巡视,15,转炉炼钢车间生产模拟,16,2.铁水的予处理过程,指铁水在兑入炼钢炉之前，为去除或提取某种成分而进行的处理过程。对铁水的炉外脱S、脱P和脱Si，即三脱技术就属于铁水预处理的一种。铁水进行三脱可以改善炼钢主原料的状况，实现少渣或无渣操作，简化炼钢操作工艺，以经济有效地生产低P、S优质钢。,,,17,1铁水予处理的类型,铁水脱Si铁水脱S铁水同时脱P、脱S铁水提V、提Nb,降低铁水硅含量可以减少转炉炼钢的炉渣量，实现少渣或无渣工艺，并为炉外脱磷创造了条件。炉外脱硅技术是将氧化剂加到流动的铁水中，硅的氧化产物形成熔渣。处理后铁水中的ωsi可达0.10％～0.15％以下。,铁水予处理脱S,可以减轻高炉炼铁和转炉炼钢的脱S负担,简化操作提高经济指标,降低高炉炉渣碱度及焦比,可避免炼钢过程炉内高氧化性对脱S的影响,提高钢材质量.,当铁水含P高及冶炼极低和超低P时,采用脱P或同时脱P,S以降低铁水中的S,P含量.采用氧化法脱P,一般要求先进行脱Si处理,铁水中的Si应小于0.2.,对于含V,Nb的铁水,为回收有益元素,在T＜1400℃条件下,通过氧化法将V,Nb氧化入炉渣,然后从炉渣中提取V,Nb.,18,2铁水予处理的设备,鱼雷罐车喷粉罐喷枪扒渣机铁水罐,19,3铁水予处理生产模拟,20,4铁水予处理生产工艺,①脱S基本反应②脱S工艺③扒渣,常用铁水脱S剂碳化钙、石灰、苏打、金属镁及其组成的复合脱S剂,基本反应CaC2[S]CaSs2[C]CaOS[S]CaSs2[O]Na2O[S]Na2Ol[O]Mgg[S]MgSs,广泛采用喷粉法,在混铁车中采用喷吹金属镁石灰粉的复合脱S剂脱S,双孔喷枪插入,深度为1.01.5m,处理时间810min,脱S率7582.,扒除予处理渣,避免回P,回S.,21,3.转炉炼钢过程,1吹炼全程模拟,22,2转炉炼钢的发展历史,1856年，英国人贝塞麦发明了底吹酸性空气转炉炼钢法。吹炼过程中不能去除P、S。1879年英国人托马斯又发明了碱性底吹空气转炉炼钢法，改用碱性耐火材料作炉衬，在吹炼过程中加入石灰造碱性渣，此法适合于处理高磷铁水，并可得到优质磷肥。二十世纪40年代初，制氧技术得到了迅速发展。1952年在林茨（Linz）城，1953年在多纳维茨（Donawltz）城先后建成了30t氧气顶吹转炉车间并投入生产，称为LD法。,23,氧气转炉炼钢技术的发展可化分为三个时期,①转炉大型化时期（1950～1970年）,,②转炉复合吹炼时期（1970～1990年）,③转炉综合优化时期（1990年以后）,以转炉大型化技术为核心，逐步完善了转炉炼钢工艺与设备。先后开发出大型化转炉设计制造技术、OG法除尘与煤气回收技术、计算机静态与副枪动态控制技术、镁碳砖综合砌炉与喷补挂渣等护炉工艺技术。,由于连铸技术的迅速发展，出现了全连铸的炼钢车间。对转炉炼钢的稳定性和终点控制的准确性提出了更高的要求。为了改善转炉吹炼后期钢渣反应远离平衡，实现平稳吹炼的目标，综合顶吹、底吹转炉的优点，研究开发出各种顶底复合吹炼工艺技术，在世界上迅速推广。,围绕纯净钢生产，研究开发出铁水“三脱”预处理、高效转炉生产、全自动吹炼控制与溅渣护炉等重大新工艺技术。降低了生产成本、大幅度提高了生产效率。现代转炉炼钢采用的重大技术有转炉大型化技术、转炉复合吹炼技术、煤气回收与负能炼钢技术、全自动转炉吹炼控制技术、溅渣护炉与转炉长寿技术。,24,3转炉炼钢生产工艺,装料制度造渣制度供气制度温度制度出钢脱氧及合金化,25,装料制度,装入量是指每炉装入的铁水和废钢的总量,一般废钢占1530,装入量分为三种形式1.定量装入整个炉役期保持每炉的金属装入量不变;2.定深装入随容积的扩大而增加装入量,保持熔池的深度不变;3.分阶段定量装入将整个炉役分为若干阶段,每阶段定量装入.,26,造渣制度,造渣制度包括以下内容1.炉渣碱度和石灰加入量碱度指渣中碱性氧化物/酸性氧化物，一般为2.54.0，高[S]、[P]铁水控制在3.54.0,吨钢石灰消耗7080kg2炉渣氧化性用∑FeO表示,高利于成渣,脱P,但降低金属回收率.一般初期高,终点15左右,[C]、[P]要求高时，控制在2025。3.渣中MgO为防止炉渣侵蚀炉衬,造渣时加入含镁材料,一般终渣MgO为68,采用溅渣护炉则810.4.造渣方法单渣法、双渣法、双渣留渣法.渣料分批加入,开吹时加入1/21/3,其余分批加入.,27,供气制度,顶部供气,底部供气,28,供气制度顶部供气,供氧操作控制以下参数氧气流量单位时间向熔池吹入氧气体积;供氧强度单位时间向熔池吨钢提供氧气的体积;氧气工作压力设定压力测定点的氧气压力0.81.2MPa;枪位喷头至静止金属熔池液面的距离化渣枪位、基本吹炼枪位、拉碳枪位,29,供气制度底部供气,底吹类型非氧化性气体Ar、N2氧化性气体O2、CO2、空气底吹过程吹炼前期N2搅拌,后期N2、Ar切换;底部供气强度≯0.3Nm3/t.min,30,温度制度,随铁水中元素氧化,金属液相线温度升高,浇注也要求过热度,升温是炼钢重要任务之一.出钢温度T的确定T浇注钢种液相线温度浇注过热度钢水镇静及炉外精炼温度降出钢温度降,31,出钢,出钢过程先测定[C]、[P]、[S]及T,判断是否满足出钢要求,否则补吹;采用挡渣技术与红包出钢.,32,脱氧及合金化,脱氧吹炼终点钢水[O]0.020.08,向钢中加入一种或几种与氧亲和力比Fe大的元素,常用脱氧剂Fe-Si、Fe-Mn、Al、Si-Al-Ca、Si-Al-Ba等；合金化向钢水中加入合金元素使其达到成品钢成分要求,33,4转炉冶炼的基本原理----熔池元素氧化规律,Si的变化规律,Mn的变化规律,C的变化规律,P的变化规律,S的变化规律,34,Si的变化规律,开吹时[Si]大量氧化,并结合为2FeO.SiO2,随石灰溶解转变为稳定化合物2CaO.SiO2,35,Mn的变化规律,吹炼初期迅速氧化,中后期被[C]还原,后期由于渣中氧化性提高,[Mn]被再次氧化.,36,C的变化规律,熔池中氧与碳生成｛CO｝气泡上浮,[C][O]m常数0.0020.0025,[C]与[O]成反比.吹炼初期由于[Si]、[Mn]的氧化，脱碳速度小，中期脱碳速度最快，后期[C]浓度低，脱碳速度下降.,37,P的变化规律,低温、适宜的高碱度、高氧化性利于脱[P],吹炼前期应使石灰快速成渣,将3FeO.P2O5置换为3CaO.P2O5和4CaO.P2O5稳定化合物,使[P]去除.,38,S的变化规律,高温利于脱[S],渣中CaO活度大,利于脱[S],但转炉渣的氧化性高,因此转炉的脱[S]效率低.,39,4转炉冶炼的基本原理----物料平衡及热平衡,物料平衡,热平衡,40,5转炉设备,供料系统转炉系统供气系统净化系统辅助设备,41,供料系统,包括铁水供应、废钢供应、散状料和铁合金供应.高炉铁水直接装入鱼雷罐车运至炼钢车间.废钢用废钢槽运到炉前.散状料供应系统包括散状料场、地下料仓、运料设施、转炉上方高位料仓、称量和加料设备.铁合金料仓及称量和输送设备、向钢包加料设备组成。,42,转炉系统,转炉本体炉底分截锥型和球冠型;炉帽为截椎型,减少喷溅及热损失;炉身采用圆柱形;转炉炉型指转炉内部自由空间的几何形状,分为筒球型、锥球型、截锥型。,43,转炉系统,托圈用以支撑转炉和传递倾动力矩的金属构件。耳轴转炉左右耳轴是阶梯形圆柱体，由长侧耳轴低速转动将大扭矩从倾动机构传递给托圈。耳轴与托圈的连接为法兰盘螺栓连接。,44,供气系统（1）,氧枪枪身由三层无缝钢管套装而成；内层与中层管之间的环缝是冷却水进水通道，中层与外层间的环缝为出水通道。氧气流速为4550m/s，水速为67m/s。枪头喷孔为拉瓦尔管，可获得Ma2.0左右的超音速气流。,45,供气系统（2）,升降机构吹炼中用于调整枪位,由卷扬机、平衡锤、滑轮、钢绳卷筒组成，当卷扬机提升平衡锤时，氧枪及升降小车因自重下降；当卷扬机防下平衡锤时，因氧枪和升降小车的质量小于平衡锤而被提升。,46,供气系统（3）,底部供气元件影响搅拌、炉子寿命、钢种质量及经济效益；分三大类钢管型、砖型、细钢管多孔型（如图），不锈钢管内径为0.44mm，每块砖埋设10150根。耐火砖为高纯度镁砂石墨并配加一定量的防氧化剂制成。,47,净化系统,活动烟罩,弯头脱水器,汽化冷却烟道,定径溢流文氏管,可调喉口文氏管,净化系统由以下部分组成,48,净化系统-活动烟罩,炉口上方的烟罩用于烟气收集，需通水冷却。,由固定段与活动段组成，吹炼时活动段下降，缝隙用N2幕密封或采用微压差法以防止烟气外溢。转炉倾动时活动烟罩升起。,,49,净化系统-弯头脱水器,利用烟气做旋转90的运动时，含尘水滴在离心力的作用下被甩至脱水器叶片及器壁，通过排水槽排走。达到烟气净化的目的。,,50,净化系统-汽化冷却烟道,其作用是将14001500℃的烟气冷却至8001000℃.结构为密排式无缝钢管排列围成筒状,冷却水从烟道下部通入,流经无缝钢管时,由于吸收高温烟气的热量而汽化,从而将高温烟气冷却.,,51,净化系统-定径溢流文氏管（一文）,属于两级全湿法除尘的第一级,起降温和粗除尘的作用,由收缩段、喉口、扩张段组成，烟气被收缩段加速并冲击水幕，迅速吸收热量汽化，使烟气温度由1000℃下降至7080℃，细小水滴捕集烟尘并去除，一文的效率为9095。,,52,净化系统-可调喉口文氏管（二文）,工作原理与一文相似，不同在于喉口可调，可以随炉气量变化而变化，以维持喉口流速，主要用于精除尘，效率可达98。,,53,辅助设备副枪,副枪用于了解吹炼过程某一时刻成分与温度，实现动态控制。由枪身及探头组成，钢液由探头侧面小孔流入样杯。可测温、取样、定碳、测定熔池高度。,54,辅助设备挡渣机构,由于合金化过程将降低钢液的氧化性，因此，要防止炉内含有（P2O5）的高氧化性渣进入钢包造成回P，必须进行挡渣操作，采用挡渣机构在即将完成出钢前将挡渣球送入炉内，防止炉渣进入钢包。,