《炼钢基础理论》课件.ppt

冶金学之炼钢篇,阎立懿东北大学钢铁冶金研究所2011年5月3日6月30日/1#教学楼301,（No2）,2022/11/5,东北大学/阎立懿,2,主 要 内 容,第一章 炼钢概述第二章 炼钢基础理论第三章 炼钢用原材料第四章 转炉炼钢法第五章 电炉炼钢法,2022/11/5,东北大学/阎立懿,3,第一章炼钢概述回顾世界炼钢法的历史，介绍中国钢铁工业发展及基本现状。给出当今所采用的炼钢生产流程。介绍钢与铁及区别，炼钢的基本任务及其手段，钢的分类，汇总下表：,2022/11/5,东北大学/阎立懿,4,钢及其炼钢基本任务,2022/11/5,东北大学/阎立懿,5,第二章 炼钢基础理论,熔渣物理化学性质钢液物理性质钢液化学反应,2022/11/5,东北大学/阎立懿,6,2.1 熔渣物理化学性质,炼钢就是炼渣炼好钢首先要炼好渣（这是炼钢界的谚语），所有炼钢任务的完成几乎都与熔渣有关。熔渣的结构决定着熔渣的物理化学性质，而熔渣的物理化学性质又影响着炼钢的化学反应平衡及反应速率。 因此，在炼钢过程中必须控制和调整好炉内熔渣的物理化学性质。,2022/11/5,东北大学/阎立懿,7,2.1.1 熔渣的作用、来源、组成与分类,1）熔渣的主要作用 熔渣（或称炉渣）在冶炼过程中起分离杂质，完成氧化、还原精炼的作用，具体如下： 去除铁水和钢水中的磷、硫等有害元素； 参与熔池传氧，靠氧化渣供氧、还原渣除氧；保温，防止钢液吸气（H、N），防止钢液过度氧化，以及减少有益元素烧损；防护 吸收钢液中上浮非金属夹杂物及反应产物； 电炉炼钢过程，熔渣可以稳定电弧燃烧，提高炉子热效率、保护炉衬；电渣炉过程，熔渣作为发热体为冶炼提供所需热源。,2022/11/5,东北大学/阎立懿,8,熔渣的不利作用:,熔渣侵蚀和冲刷炉衬，尤其是低碱度熔渣，降低炉衬使用寿命。熔渣带走大量的热，增加能量消耗。熔渣中夹裹小颗粒金属及未被还原的金属氧化物，降低金属的回收率。 因此，造好渣是炼钢的必要条件！,2022/11/5,东北大学/阎立懿,9,2）熔渣的来源,人为加入的造渣材料，如石灰、白云石、萤石及火砖块。炉料（钢铁料）中带入的泥土砂石，如SiO2炉料（钢铁料）中Si、Mn、P、S、Fe等元素的氧化产物。冶炼过程被侵蚀的炉衬耐火材料，如MgO,2022/11/5,东北大学/阎立懿,10,3）熔渣的组成,以氧化物为主有： CaO MnO FeO MgO Fe2O3 Al2O3 SiO2 P2O5 碱性中性酸性 这些自由氧化物本身熔点都很高，如CaO 2570 ，SiO2 1710，在炼钢温度（1600 ）难以熔化，但它们之间能相互化合，生成低熔点复杂化合物，如： CaOSiO2CaOSiO2 ，Tp1540 （液态） 还有其他化合物： CaS、CaF2 、CaC2 等。,2022/11/5,东北大学/阎立懿,11,4）熔渣的分类,不同的炼钢方法、不同的钢种、不同的冶炼工艺，要采用不同性质、造不同成分的熔渣进行冶炼。 根据熔渣的组成及性质不同，可将它们分为：碱性渣与酸性渣，氧化渣与还原渣。碱性渣与酸性渣 碱性渣 以碱性氧化物CaO 为主，它可以去除磷、硫有害元素，绝大多数炼钢法可以造碱性渣（一般R1.5） 酸性渣 以酸性氧化物SiO2 为主，它不能去除磷、硫有害元素，极少数炼钢法造酸性渣 （一般R1.0）,2022/11/5,东北大学/阎立懿,12,氧化渣与还原渣 氧化渣 炉渣具有氧化能力，FeO含量高（1525），能向钢液中供氧，大多数炼钢法可以造氧化渣。 还原渣 炉渣具有还原能力，FeO含量低（0.51.0），能吸收钢液中氧脱氧，传统电炉炼钢及钢包精炼炉能造还原渣。 碱性氧化渣因CaO、FeO含量高，脱磷能力很强； 碱性还原渣因CaO含量高、FeO含量极低，还有CaC2，脱氧、脱硫能力很强。 转炉及电炉炼钢法均可以造碱性氧化渣，传统电炉炼钢还可以造碱性还原渣。,2022/11/5,东北大学/阎立懿,13,转炉、电炉炉渣组成及特点,2022/11/5,东北大学/阎立懿,14,2.1.2 熔渣物理性质,主要有熔点、黏度、密度及表面张力等。 1）熔渣的熔点 炼钢熔渣是由多种化合物构成的体系，熔渣熔点低、过热度高、流动性好，有利于冶炼过程的顺行。所以说，熔点是熔渣一个重要的物理性质。 熔渣的熔点 是指固态渣完全转变为均一液体状态时的温度或液态渣冷却时开始析出固体时的温度。它的熔化过程是在一个温度区间进行即熔化温度，俗称熔点。,2022/11/5,东北大学/阎立懿,15,炼钢过程要求熔渣熔点要低于所炼钢种的熔点50200，即13001400 。除FeO、CaF2外，其他简单氧化物的熔点都很高，它们在炼钢温度下难以单独形成熔渣，但它们可以形成多种低熔点的复杂化合物，见下表：,2022/11/5,东北大学/阎立懿,16,熔渣中常见氧化物的熔点,2022/11/5,东北大学/阎立懿,17,熔渣熔点与组分及其含量有关，一般说来，杂质降低纯物质熔点，但当熔渣中高熔点组元增加时，熔点提高。 熔渣熔点/熔速可以用测试仪测出。,2022/11/5,东北大学/阎立懿,18,2）熔渣的黏度,式中 比例系数，即内摩擦系数或黏度系数，与材料的性质有关，简称为黏度，也叫动力黏度，单位为Pas（帕斯卡秒）。,熔渣黏度是非常重要的物理性质，它直接关系到熔渣的流动性，它对元素的扩散、渣-钢间反应、气体逸出、热量传递，铁损及炉衬寿命等均有很大的影响。 液体的黏度是指液体流动时，流层内摩擦力的大小。按牛顿黏度经典公式，内摩擦力用下式表示：,2022/11/5,东北大学/阎立懿,19,当研究的对象密度相差较大时，采用运动黏度以消除因密度差异而产生的影响。动力黏度除以液体的密度，称之为运动黏度，常用符号表示，即： / ，m2/s 在生产中常用流动性这一概念来表示熔渣黏度的大小，流动性是动力黏度的倒数，用符号表示，即： 1/ ，（Pas）-1 在炼钢温度1600 下，流动性良好的熔渣黏度为0.020.04 Pas ， 熔渣等液体的黏度见下表：,2022/11/5,东北大学/阎立懿,20,熔渣与几种液体的黏度,2022/11/5,东北大学/阎立懿,21,一般说来，黏度大、流动性就不好，其传氧、传热能力低，不利于脱碳、脱磷、脱氧、脱硫；熔渣太稀、弧光反射，热损失大、炉衬寿命低。 影响熔渣黏度的因素主要有：熔渣的组分、温度、未熔质点的数量及块度。凡是加入能降低熔渣熔点的成分（如CaF2）、提高熔池温度、减少未熔质点数量及块度，均能改善熔渣的流动性。 熔渣黏度与碱度、温度的关系如下。,2022/11/5,东北大学/阎立懿,22,氧化渣黏度与碱度、温度的关系,碱度0.9至3.2，温度在15501600时，熔渣黏度都小于0.075Pas。酸性渣温度降低时黏度平稳地增大(图中碱度0.9的曲线)，此种类型的熔渣称为长渣；碱性渣温度降低到某一值时黏度会突然急剧地增加，这种类型的熔渣称为短渣。 黏度测定仪见下图：,2022/11/5,东北大学/阎立懿,23,熔渣黏度/表面张力测试仪,2022/11/5,东北大学/阎立懿,24,3）熔渣的密度,熔渣的密度决定熔渣所占的体积，也影响钢液液滴在渣中的沉降速度，它也是重要的物理性质。 单位体积熔渣（或液渣）所具有的质量称为密度： m/V , g/cm3 或 t/m3 固体熔渣的密度可近似用单独化合物的密度和组分进行计算： 渣 i Ji ， g/cm3 或 t/m3式中 i某化合物的密度；Ji某化合物的质量百分数，%。当渣中含有大量密度大的化合物（如FeO、MnO、Cr2O3 ）时，熔渣的密度大。,2022/11/5,东北大学/阎立懿,25,熔渣的密度与组分、温度的关系，在温度高于1400 时，液态熔渣的密度可近似用下式： 渣=0渣7（ T 1400）104 ，g/cm3 式中 0渣1400 时熔渣的密度， g/cm3。 即熔渣的密度与温度成反比。 一般液态碱性渣的密度为2.53.0 g/cm3， 固态碱性渣的密度为3.03.5 g/cm3。,2022/11/5,东北大学/阎立懿,26,4）熔渣的表面张力,荷叶上的水珠、清晨的露珠这些均说明一种现象，即液体表面具有自动缩小的趋势。 因液体表面层所受分子引力不均衡，产生使液体表面自动缩小的力，称为液体的表面张力。 熔渣的表面张力主要影响渣-钢间的物理化学反应及熔渣对夹杂物的吸附等。熔渣的表面张力大约在0.30.8 N/m。一般氧化渣、还原渣的表面张力为0.350.45 N/m；钢包精炼合成渣的为0.40.5N/m。,2022/11/5,东北大学/阎立懿,27,表面张力是可以用表面张力因子近似计算的： 渣-气Nii ，N/m 熔渣及某些液体的表面张力见下表：,2022/11/5,东北大学/阎立懿,28,熔渣表面张力受渣组分和温度影响：组分影响 SiO2、P2O5（酸性氧化物）增加，降低FeO熔体的表面张力；Al2O3 则相反，可提高表面张力； 当加入CaO、MnO （碱性氧化物）时，开始降低表面张力，之后逐渐增加表面张力，原因是复合阴离子在相界面的吸附量发生了变化。温度影响 对于单一氧化物的熔渣，一般是随着温度的升高而降低；对于复杂多元的熔渣，温度对表面张力的影响不确定。 不过，在炼钢温度下，温度的变化范围较小，因而影响也就不明显。,2022/11/5,东北大学/阎立懿,29,2.1.3 熔渣的化学性质,1）熔渣的碱度 熔渣主要是由氧化物组成，因而熔渣的化学性质主要取决于氧化物的化学性质。 组成熔渣的氧化物可分成三类： 酸性氧化物：SiO2 、P2O5 、V2O5 碱性氧化物：CaO 、MnO、FeO 、MgO 、V2O2 、TiO 两性氧化物： Al2O3 、 V2O3 、 Fe2O3、TiO2 CaO MnO FeO MgO Fe2O3 Al2O3 TiO2 SiO2 P2O5 碱 性中 性酸 性,2022/11/5,东北大学/阎立懿,30,一般用碱度来表明熔渣酸、碱性的大小，把熔渣中碱性氧化物浓度总和与酸性氧化物浓度总和之比称之为熔渣碱度，常用符号R或B、V来表示。 熔渣碱度的大小直接对渣-钢间的物理化学反应，如脱磷、脱硫、去气等产生影响。 用来表示碱度的公式有两种，第一种最普遍，尤其在生产中常用，第二种适合含磷高的炼钢渣：,炼钢常把熔渣碱度：R11.5 称为低碱度渣；R2.0 称为中碱度渣；R2.54.0，称为高碱度渣。,2022/11/5,东北大学/阎立懿,31,2）熔渣的氧化性,熔渣的氧化性也称熔渣的氧化能力，指熔渣向金属熔池供氧的能力，即指在一定的温度下，单位时间内熔渣向钢液供氧的数量，它是熔渣一个重要的化学性质。 在其他一定的情况下，熔渣的氧化性决定了脱磷、脱碳及夹杂物的去除等。由于氧化物分解压不同，只有（FeO）和（Fe2O3）才能向钢中传氧，而（Al2O3）、（SiO2）、（MgO）及（CaO）等不能传氧。,2022/11/5,东北大学/阎立懿,32,熔渣中（FeO）向钢液中传氧过程：,2022/11/5,东北大学/阎立懿,33,熔渣的氧化能力表示方法有以下几种：（%FeO） 直接用渣中氧化亚铁含量表示氧化能力，而忽略高价铁的氧化物（Fe2O3）的传氧作用显然这是不够准确的。（%FeO）用渣中氧化铁总含量或总氧化亚铁含量表示，它是将渣中高价铁的氧化物（Fe2O3） 也折合成（FeO）来考虑。折合方法有两种：全氧折合法与全铁折合法，分别如下：,2022/11/5,东北大学/阎立懿,34,前者认为Fe2O3中的氧全部成为FeO，即 Fe2O3Fe3 FeO （3FeO/ Fe2O31.35） 后者认为Fe2O3中的铁全部成为FeO，即 Fe2O32 FeO1/2O2 （2 FeO/ Fe2O30.9） 总氧化亚铁含量法，因方法简单方便，所以生产实践中常用。,2022/11/5,东北大学/阎立懿,35,（FeO） 用渣中氧化亚铁的活度 因为熔渣不是理想溶液，熔渣氧化能力不仅取决于渣中氧化亚铁的浓度，还与渣中其他成分，特别是碱度有关。因此，用渣中氧化亚铁的活度来代替浓度，即渣中真正参加反应的那部分氧化亚铁的浓度（有效浓度），应该是比较确切的表示法。通常用下式表示： （FeO）%O / %O饱和 式中 %O与熔渣相平衡时，铁液中的氧含量； %O饱和与纯FeO熔渣相平衡时，铁液中的氧含量,2022/11/5,东北大学/阎立懿,36,在1600下，由实验测定与纯FeO熔渣平衡时，铁液中溶解的 %O饱和0.23， %O饱和与温度的关系（正比）见下左式；设氧在渣-铁间的平衡分配系数为L0， L0与温度的关系见下右式。,2022/11/5,东北大学/阎立懿,37,当用氧浓差电极测出某温度下渣-铁平衡时铁液中的O含量，就可以求出FeO 。 在一定温度下，熔渣中 FeO升高，铁液中%O含量也相应增高; 当FeO一定时，铁液中%O也是随着温度升高而提高。 也就是说，FeO与炉渣组成及温度有关，与%O 成正比，与温度成反比！,2022/11/5,东北大学/阎立懿,38,氧化亚铁活度公式适用于铁液中仅有氧，没有其他的杂质元素的情况，而对于钢液来说常用下面的表示方法： %O 表示法 对于钢液而言，熔渣对钢液的氧化能力常用与熔渣相平衡时的钢液中氧含量和钢液中实际氧含量之差氧含量差来表示：%O=%O渣-钢%O实际 %O0，渣中的氧能向钢液中扩散使钢氧化，称氧化渣； %O0，钢液中的氧能向渣中扩散，熔渣具有脱氧能力，称为还原渣; %O = 0，熔渣不具有氧化能力，也不具有还原能力，称为中性渣。,2022/11/5,东北大学/阎立懿,39,其中与熔渣平衡的钢液的氧量，可用下式求得： %O渣-钢 （FeO） /L0= %O 而%O实际在氧化末期主要与碳含量有关，此时可以得到熔渣对钢液的氧化能力的关系式：,上式说明%O 是熔渣总 FeO 含量、碱度、钢液中的碳含量及温度的函数，见关系图：,2022/11/5,东北大学/阎立懿,40,熔渣碱度、（FeO）与钢液中O的关系,研究表明，在1600、（FeO）一定时，碱度在1.87时熔渣的氧化能力最强；碱度小于1.87时，FeO值随着碱度增加而增大1）；当碱度大于1.87时， FeO值随着碱度增加而减小2）。原因如下： 1） 2FeO SiO22FeO. SiO2 2FeO. SiO2 CaO CaO. SiO2+ 2FeO 2）Fe2O3+ CaO=CaO. Fe 2O3,2022/11/5,东北大学/阎立懿,41,熔渣氧化性对冶炼操作的影响：影响化渣速度及熔渣黏度：渣中 FeO 能促进石灰溶解，加速化渣，改善炼钢反应动力学条件，加速传质过程；渣中 Fe2O3和碱性氧化物反应生成铁酸盐，降低熔渣熔点和黏度；影响钢液含氧量O 及脱磷：当钢水含碳量相同时，熔渣氧化性越强、则钢水含氧量越高，越有利于脱磷。影响铁合金、金属收得率、炉衬寿命：熔渣氧化性越强，铁合金及金属收得率越低，炉衬寿命越低。,2022/11/5,东北大学/阎立懿,42,3）熔渣的还原性,熔渣的还原性也称熔渣的还原能力，指熔渣夺取金属中氧（脱氧）的能力，在平衡条件下，主要取决于渣中氧化亚铁（FeO）含量及碱度 R。 当%O0时，钢液中的氧能向渣中扩散转移，即熔渣能夺取钢液中的氧，这时的熔渣具有脱氧能力，被称为还原渣。 电炉炼钢的还原渣及钢包精炼用炉渣，常把(%FeO)降到0.51%以下，碱度控制在34范围，此时，熔渣的还原能力很强，具有很好的脱氧、脱硫条件。 但碱度过高，渣中CaO浓度大，使渣流动性不好，反而不利于渣-钢间反应进行。,2022/11/5,东北大学/阎立懿,43,课后思考题,5、熔渣在炼钢中的主要作用，熔渣的组成与分类。6、熔渣的物理性质有哪些，主要影响因素？7、熔渣的化学性质主要有哪些？什么是熔渣的氧化性，如何表示？,44,可编辑,感谢下载,