第一章、炼钢基本原理 1、炼钢基本任务 钢与铁的区别 炼钢的基本任务 主要的炼钢工序
钢铁生产工艺流程
炼钢是将铁水(生铁)、废钢等加热、 熔化,通过化学反应去除铁液中的 有害杂质,配加合金并浇铸成半成 品-铸坯的生产过程。
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为什么要炼钢?
生铁:
铸造生铁可用于生产铸管、机床等设备底座等; 硬而脆,几乎没有塑性,不能进行轧制、锻压等 塑性变形加工。
钢材:
具有良好塑性,能够进行轧制、锻压、拉拔等塑 性变形加工;
钢制品具有强度高、韧性好、易焊接、耐高温、 耐腐蚀等优良特性,因此被广泛利用。
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高炉炼铁
铁矿石被还原:
Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO
高炉炼铁
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一、炼钢基本任务
元素 C P S Si Mn Cr Ni Mo Nb,V,Ti 生铁 3.5~5.0% 0.008~1.50% 0.015~0.06% 钢 0.001~1.2% 0.002~0.04% 0.0005~0.04%
0.25~0.80% 0.01~6.5% 碳含量不同是钢与生铁化学成分的主要 0.25~0.60% 0.12~13.0% 区别; ~18% 炼钢基本任务:降低碳含量(脱碳)。 ~10% ~2% ~0.2%
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(1)炼钢基本任务:氧化去除碳 (脱碳)
脱碳反应:
[C] + 1/2O2= CO [C] + O2 = CO2
常规脱碳工艺方法: 氧气转炉; 电弧炉。 超低碳钢([C]
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(2)炼钢基本任务:去除P、S (脱磷、脱硫)
元素 C P S Si Mn Cr Ni Mo Nb,V,Ti 生铁 3.5~5.0% 0.008~1.50% 0.015~0.06% 0.25~0.80% 0.25~0.60% 钢 0.001~1.2% 0.002~0.04% 0.0005~0.04% 0.01~6.5% 0.12~13.0%
- 对绝大多数钢种,P ~ 18 % 、 S 为有害杂质:
; - 磷:降低塑性、低温韧性、回火脆性等 ~10% - 硫:降低塑性、低温韧性、焊接性能、耐 ~2% 腐蚀性能等。 ~0.2%
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脱磷和脱硫反应
脱磷: 化学反应 (氧化、渣-钢间反应):
2[P]+5/2O2+ 3(CaO) = (3CaOP2O5)
有利于脱磷的工艺因素: 高碱度(CaO/SiO2)、高氧化性炉渣; 增加渣量,降低温度。
脱硫: 化学反应 (还原、渣-钢反应):
[S] + (CaO) = (CaS) + [O]
有利于脱硫的工艺因素: 高碱度(CaO/SiO2)、低氧化性炉渣; 增加渣量,提高温度。
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(3)炼钢基本任务:脱氧和去除非金属夹杂物
炼钢过程采用向金属熔池供 氧以氧化去除铁液中碳、磷 等杂质的方法; 为了获得高的反应效率,必 须向熔池供入充足的氧; 在冶炼临近结束时,钢液实 际上处于“过度氧化”状态, 即钢液中氧含量高于与钢中 碳、锰等元素平衡的氧含量。
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脱氧和去除非金属夹杂物
固态钢中氧的溶解度仅3~4 ppm,钢液中溶解氧在凝 固及随后的冷却
过程几乎全部 要从Fe中析出; 固体钢中析出的氧绝大多数以 氧化物、氧硫化物类夹杂物形 式存在于固态钢晶粒边界处; 氧含量增加降低钢的延性、冲 击韧性、抗疲劳破坏性能、耐 腐蚀性能等。
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脱氧反应
用与氧亲和力较铁与氧亲和力强的元素作脱氧剂,如铝、 硅、Ca、Ba、Ti等;
脱氧剂与钢液中的氧直接作用,发生脱氧反应:
x[M] + y[O] = MxOy
脱氧反应产物由钢液上浮排除,从而达到脱氧目的。
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(4)炼钢基本任务:去除氮、氢
氮的危害:
降低塑性、低温韧性、焊接性能等; 增加钢材时效; 铸坯表面裂纹等缺陷。 钢材脆断; 厚板、大型锻件内部裂纹等。 氧气转炉吹炼过程脱除N、H; 钢水真空处理脱除N、H。
氢的危害:
炼钢过程去除氮、氢:
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(5)炼钢基本任务:合金化
元素 C P S Si Mn Cr Ni Mo Nb,V,Ti 生铁 3.5~5.0% 0.008~1.50% 0.015~0.06% 0.25~0.80% 0.25~0.60% 钢 0.001~1.2% 0.002~0.04% 0.0005~0.04% 0.01~6.5% 0.12~13.0% ~18% ~10% ~2% ~0.2%
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钢中合金元素的作用
C: 控制钢材强度、硬度的重要元素,每 1%[C]可增加抗拉强度 约980MPa。
Si:也是增大强度、硬度的元素,每1%[Si]可增加抗拉强度约 98MPa。
Mn:增加淬透性,提高韧性,降低S的危害等。 Al:细化钢材组织,控制冷轧钢板退火织构。 Nb:细化钢材组织,增加强度、韧性等。 V: 细化钢材组织,增加强度、韧性等。 Cr:增加强度、硬度、耐腐蚀性能。
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(6)炼钢基本任务:升温
钢熔点:1475~1535℃
生铁熔点:1150℃左右
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氧化反应热
[C] CO
[C] CO2 [Si] SiO2
11637 kJ/kg
34830 kJ/kg 29176 kJ/kg
[Mn] MnO
[P] 3CaOP2O5 Fe FeO
6593 kJ/kg
23940 kJ/kg 5020 kJ/kg C、Si、 Fe的氧化供热,分别占 67%、14%、13%左右。
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(7)炼钢基本任务:凝固成型
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炼钢的基本任务
1. 脱碳; 2. 脱磷;
3. 脱硫;
4. 脱氮、氢; 5. 脱氧与去除非金属夹杂物; 6. 合金化; 7. 升温; 8. 凝固成型; 9. 废钢、炉渣返回利用;
10.回收煤气、蒸汽等。
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2、炼钢生产工艺技术的发展
现代炼钢方法起始
在此之前: • 炒钢;
• 坩埚熔炼等。
2[C]+O2=2CO 2[P]+5/2O2+3CaO=3CaOP2O5 [S]+CaO=CaS+[O]
H.Bessemer(1856), W.Kelly(1857)
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电弧炉炼钢
W. Siemens (1878)
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氧气顶吹转炉炼钢
Linz and Donawitz(1952)
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氧气转炉炼钢(BOF)
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炼钢工序功能转变
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工序功能演变
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现代炼钢流程
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