第四章氧气顶吹转炉炼钢工艺
内容提要
一炉钢的吹炼过程
装入制度
供氧制度
造渣制度
温度制度
终点控制和出钢
脱氧合金化
吹损与喷溅
操作事故及处理
转炉炼钢仿真操作训练
§4—1 一炉钢的吹炼过程
一.钢与铁的区别及炼钢的任务
1.钢与铁的性能比较
钢和铁都是铁碳合金,同属于黑金属,但它们的性质有明显不同.生铁硬而脆,焊接性差.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.
2.钢与铁性能差别的原因:
碳和其它合金元素的含量不同.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.
钢和生铁含碳量的界限通常是:
生铁: [C]=1.7～4.5%
钢: [C]≤ 1.7%
生铁和钢的化学成分
材料
化学成分%
C
Si
Mn
P
S
炼钢生铁
3.5～4.0
0.6～1.6
0.2～0.8
0.0～0.4
0.03～0.07
碳素镇
静钢
0.06～1.50
0.1～0.37
0.25～0.80
≤0.045
≤0.05
沸腾钢
0.05～0.27
≤0.07
0.25～0.70
≤0.045
≤0.05
4.炼钢的基本任务:
⑴ 脱碳;
⑵ 去除杂质(去P,S和其它杂质);
铁水中[P],[S]含量高,而钢中[P]会造成"冷脆",[S]造成"热
脆".通常大多数钢种对P,S含量均有严格要求,炼钢必须脱除P,S等有害杂质.
⑶ 去除气体及夹杂物;
在炼钢过程中通过熔池沸腾(碳氧反应,底吹惰性气体搅拌)脱除H],[N]和非金属夹杂物.
⑷ 脱氧合金化;
铁水温度在冶炼过程中,铁水中的Si, Mn大部分氧化掉了,为了保证成品钢中的规定成分,要向钢水中加入各种合金元素,这个过程与脱氧同时进行,称为合金化.
⑸升温(保证合适的出钢温度).
铁水温度一般在1250～1300℃,而钢水的出钢温度一般在1650℃以上,才能顺利浇注成铸坯,因此炼钢过程也是一个升温过程.
5.完成炼钢各项任务的基本方法
⑴氧化
为了将铁水等炉料中的硅,锰,碳等元素氧化掉,可以采用"吹氧"方法,即直接喷吹氧气,或加入其它氧化剂,如铁矿石,铁皮等.
⑵造渣
为了去除炉料中的P,S等杂质,在炼钢过程中加入渣料(石灰,白云石,熔剂等),形成碱度合适,流动性良好,足够数量的炉渣,一方面完成脱除P,S的任务,同时减轻对炉衬对侵蚀.
⑶升温
转炉主要是依靠碳,硅,锰等元素氧化放出等热量,以及铁水的物理热实现升温.
⑷加入脱氧剂和合金料
通过向炉内或钢包内加入各种脱氧剂和合金料的方法,完成脱氧及合金化的任务.
二.金属成分和炉渣成分的变化规律
1.Si在吹炼前期(一般在3～4分钟内)即被基本氧化.
在吹炼初期,铁水中的[Si]和氧的亲和力大,而且[Si]氧化反应为放热反应,低温下有利于此反应的进行,因此,[Si]在吹炼初期就大量氧化.
[Si]+O2=(SiO2) (氧气直接氧化)
[Si]+2[O]= (SiO2) (熔池内反应)
[Si]+(FeO)=(SiO2)+2[Fe] (界面反应)
2(FeO)+(SiO2)=(2FeO·SiO2)
随着吹炼的进行石灰逐渐溶解,2FeO·SiO2转变为2CaO·SiO2,即SiO2与CaO牢固的结合为稳定的化合物,SiO2活度很低,在碱性渣中FeO的活度较高,这样不仅使[Si]被氧化到很低程度,而
且在碳剧烈氧化时,也不会被还原,即使温度超过1530℃,[C]与[O]的亲和力也超过[Si]与[O]的亲和力,终因(CaO)与(SiO2)结合为稳定的2CaO.SiO2,[C]也不能还原(SiO2).
硅的氧化对熔池温度,熔渣碱度和其他元素的氧化产生影响:
[Si]氧化可使熔池温度升高;
[Si]氧化后生成(SiO2),降低熔渣碱度,熔渣碱度影响脱磷,脱硫;
熔池中[C]的氧化反应只有到[%Si]P0.
⑵喷嘴前氧压P0:
其选用应考虑以下因素:
A.氧气流股出口速度要达到超音速(450～530cm∕s),即M=1.8～2.1.
B.出口的氧压应稍高于炉膛内气压.
通常P0=0.784～1.176MPa.
⑶出口氧压P:应稍高于或等于周围炉气的压力.
通常P=0.118～0.125MPa.
六.位及其控制
所谓位,是指氧喷头端面距静止液面的距离,常用H表示,单位是m.
目前,一炉钢吹炼中的氧操作有两种类型,一种是恒压变操作,一种是恒变压操作.比较而言,恒压变操作更为方便,准确,安全,因而国内钢厂普遍采用.
1.位的变化范围和规律
关于位的确定,目前的做法是经验公式计算,实践中修正.
一炉钢冶炼中位的变化范围可据经验公式确定:
H=(37～46)P×D出
式中 P——供氧压力,MPa;
D——喷头的出口直径,mm;
H——位,mm.
具体操作中,位控制通常遵循"高-低-高-低"的原则:
⑴ 前期高位化渣但应防喷溅.
吹炼前期,铁水中的硅迅速氧化,渣中的(SiO2)较高而熔池的温度尚低,为了加速头批渣料的熔化(尽早去P并减轻炉衬侵蚀),除加适量萤石或氧化铁皮助熔外应采用较高的位,保证渣中的(FeO)达到并维持在25～30%的水平;否则,石灰表面生成C2S 外壳,阻碍石灰溶解.当然,位亦不可过高,以防发生喷溅,合适的位是使液面到达炉口而又不溢出.
⑵ 中期低位脱碳但应防返干.
吹炼中期,主要是脱碳,位应低些.但此时不仅吹入的氧几乎全部用于碳的氧化,而且渣中的(FeO)也被大量消耗,易出现"返干"现象而影响S,P的去除,故不应太低,使渣中的(FeO)保持在10～15%以上.
⑶ 后期提调渣控终点.
吹炼后期,C-O反应已弱,产生喷溅的可能性不大,此时的基本任务是调好炉渣的氧化性和流动性继续去除硫磷,并准确控制终点碳(较低),因此位应适当高些.
⑷ 终点前降点吹破坏泡沫渣.
接近终点时,降点吹一下,均匀钢液的成分和温度,同时降低炉渣的氧化铁含量并破坏泡沫渣,以提高金属和合金的收得率.
2.位的调节
⑴ 开吹前必须了解的情况
A.喷嘴的结构特点及氧气总管氧压情况;
B.铁水成分,主要是Si,P,S的含量;
C.铁水温度,包括铁水罐,混铁炉或混铁车内存铁情况及铁水包的情况;
D.炉役期为多少,是否补炉,相应的装入量是多少,上炉钢水是否出净,是否有残渣;
E.吹炼钢种及其对造渣和温度控制的要求;
F.上一班操作情况,并测量熔池液面高度.
⑵位的调节
生产条件千变万化,因此具体操作中还应根据实际情况对位进行适当的调节.
A.铁水温度:
若遇铁水温度偏低,应先压提温,而后再提化渣,以防渣中(FeO)积聚引发大喷,即采用低-高-低位操作.
铁水温度高时,碳氧反应会提前到来,渣中∑(FeO)降低,位可稍高些,以利成渣.
B.铁水成分:
铁水硅,磷高时,若采用双渣操作,可先低位脱硅,磷,倒掉酸性渣;若单渣操作,由于石灰加入量
大,应较高位化渣.铁水含锰高时,有利于化渣,位则可适当低些.
C.装入量变化:
炉内超装时,熔池液面高,位应相应提高,否则,不仅化渣困难而且易烧坏氧.
D.炉内留渣:
采用双渣留渣法时,由于渣中(FeO)高,有利于石灰熔化,因此吹炼前期的位适当低些,以防渣中(FeO)过高引发泡沫喷溅.
E.供氧压力:
高氧压与低位的作用相同,故氧压高时,位应高些.
F.废钢中生铁块多导热性差,不易熔化,应降低位,以防吹炼后期没有完全熔化.
G.炉龄
a 开新炉,炉温低,应适当降低位;
b 炉役前期液面高,可适当提高位;
c 炉役后期装入量增加,熔池面积增大,不易化渣,可在短时间内采用高低位交替操作以加强熔池搅拌,利于化渣.
H.渣料
a 石灰质量差和加入量多,则渣量大,位应相应提高;
b 使用活性石灰成渣快,整个过程位都可以稍低些;
c 铁矿石,氧化铁皮和萤石用量多时,熔渣容易形成,同时流动性较好,位可适当低一些.
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