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转炉炼钢的基本任务及原理


转炉炼钢的基本任务及原理

董娟

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转炉炼钢
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转炉炼钢(converter steelmaking)是以铁水、废钢、 铁合金为主要原料,不借助外加能源,靠铁液本身的物理 热和铁液组分间化学反应产生热量而在转炉中完成炼钢

过 程。 转炉按耐火材料分为酸性和碱性, 按气体吹入炉内的部位有顶吹、底吹和侧吹; 按气体种类为分空气转炉和氧气转炉。碱性氧气顶吹和顶 底复吹转炉由于其生产速度快、产量大,单炉产量高、成 本低、投资少,为目前使用最普遍的炼钢设备。 转炉主要用于生产碳钢、合金钢及铜和镍的冶炼。

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转炉炼钢图示

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1.1转炉炼钢的基本任务
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。
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1.2.1转炉里的氧气射流
转炉中的氧气射流具有以下特征: 1 、喷头出口处氧气流股达超音速 转炉所用氧枪采用拉瓦尔喷头,且尺寸按P出 /P0<0.5283要求设计,通常M高达1.5~2.2,流股 的展开和衰减慢,动能利用率高,对熔池的搅拌 力强。 2、射流的速度渐慢、截面积渐大 射流进入炉膛后,由于受反向气流(向上的 炉气)的作用而速度逐渐变慢;同时,由于吸收 部分炉气而断面逐渐变大,扩张角120左右。

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1.2.2转炉里的氧气射流
3、射流的温度渐高 射流进入炉膛后被1450℃的炉气逐渐加 热,加之混入射流的炉气(CO)及金属滴被 氧化放热,使射流的温度逐渐升高。模拟实 验表明,距喷头孔径15~20倍处射流的温度 在1300~1600℃之间;距喷头孔径35~40倍 处射流的温度高达2150~2300℃,有人称转 炉里的氧气射流就象一个高温火炬。

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1.2.3底吹气体对熔池的作用
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搅拌熔池
实际生产中,从底部喷入熔池的气流一般为亚音速, 除在喷嘴处可能存在一段连续流股外,喷入的气体将形成 大小不一的气泡并自动上浮。气泡群在上浮过程中,因压 力减小而膨胀,并驱动、抽引金属液向上运动,而后沿四 周炉壁向下,并补向中心,从而对熔池尤其是其底部产生 强烈的搅拌,

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气泡对喷孔产生后座
喷入熔池的气体形成气泡时,残余气袋在距喷孔直 径二倍的地方受到液体的挤压而断裂,气相内回流压向喷 孔端面,这一现象称为气泡对喷孔的后座。
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1.3 转炉炼钢炉渣
1.3.1 炼钢炉渣的作用 1.3.2 炼钢炉渣的来源及其组成 1.3.3 炼钢炉渣的主要性质

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1.3.1 炼钢炉渣的作用
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作用:
通过对炉渣成分、性能及数量的调整,可 以控制金属中各元素的氧化和还原过程; ? 向钢中输送氧以氧化各种杂质; ? 吸收钢液中的非金属夹杂物,并防止钢液 吸气(H、N)。 ? 其它作用。如:保护渣。
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副作用:侵蚀炉衬;降低金属收得率。
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1.3.2 炼钢炉渣的来源及其组成
炼钢炉渣的来源: ? 加入的各种造渣材料及被侵蚀炉衬; ? 炼钢中化学反应的产物:氧化物和硫化 物; ? 废钢带入得泥沙和铁锈;氧化物或冷却 剂带入的脉石。 ? 炉渣的组成以各种金属氧化物为主,并 含有少量硫化物和氟化物。 ? 炼钢炉渣的基本体系是CaO-SiO2-FeO。
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1.3.3 炼钢炉渣的主要性质
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碱度(basicity): R=1.3~1.5,低碱度渣; R=1.8~2.0,中碱度渣; R≥2.5, 高碱度渣; 氧化性——炉渣向金属熔池传氧的能力,一般以 渣中氧化铁( %∑ FeO)含量来表示。 把Fe2O3折合成FeO有两种计算方法:全氧法和全 铁法。全铁法较合理。 炉渣的氧化能力是个综合的概念,其传氧能力还 受炉渣粘度、熔池搅拌强度、供氧速度等因素的 影响。
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1.3.4炉渣成分的变化规律
冶炼过程中,转炉中熔渣成分的变化规律大致如下:
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(1)(FeO):呈下凹弧形变化:吹炼初期,为了化渣枪 位较高,渣中的(FeO)含量高达28%(复吹为16%); 中期随脱碳进行(FeO)被大量消耗而逐渐降至12%以下 (太低,出现返干,复吹为6%);随着[C]的减少,脱碳 速度下降,(FeO)的浓度又渐升至15%(复吹为12%)。 (2)(CaO):随着所加石灰的溶化,渣中的(CaO)含 量渐升至50% (中期因炉渣“返干”溶化很慢甚至停止)。 (3)(SiO2)和(MnO):吹炼初期,硅、锰的氧化使之浓 度很快分别达到20%和14%,而后随着所加石灰的熔化逐 渐降低至10%和6%。

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转炉冶炼的基本原理

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物料平衡

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热平衡

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2 转炉冶炼的基本反应
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主要阐述转炉吹炼过程中的硅锰氧化、脱 碳、脱硫和脱磷等基本反应及熔体成分的 变化情况,为学习后面的工艺内容作好理 论准备。 硅锰的氧化、脱碳、脱硫和脱磷是炼钢的 基本反应,但在转炉炼钢中又有其特殊性。

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2.1转炉内的基本反应
一炉钢冶炼过程

从装料到出钢,倒 渣,转炉一炉钢的冶炼 过程包括装料、吹炼、 脱氧出钢、溅渣护炉和 倒渣几个阶段,如右图 所示。一炉钢的吹氧时 间通常为12-18min,冶 炼周期为40min左右。
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2.1.2炼钢熔池中氧的来源
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氧的来源: 直接向熔池中吹入工业纯氧(>98%); 向熔池中加入富铁矿; 炉气中的氧传入熔池。 铁液中元素的氧化方式有两种:直接氧化 (direct oxidation)和间接氧化(indirect oxidation)。
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2.1.3直接氧化方式
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直接氧化是指氧气直接与铁液中的元素产生 氧化反应。 当向铁液中吹入氧气时,如果在铁液与气相 界面有被溶解的元素如[Si]﹑[Mn]﹑[C],虽有 大量的铁原子存在,但根据元素的氧化次序 [Si]﹑[Mn]﹑[C]将优先于铁而被氧化。 反应可写为:[C]+1/2{O}={CO} [Si]+{O2}=(SiO2) [Mn]+1/2{O2}=(MnO) 在氧气转炉炼钢时氧气流股冲击铁液形成一 个冲击坑,氧气与铁液直接接触,易产生元 素的直接氧化。

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2.1.3间接氧化方式
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吹入的氧气由于动力学的原因首先与铁液中 的Fe原子反应形成FeO进入炉渣同时使铁液 中溶解氧[O]。炉渣中的(FeO)和溶解在 铁液中的[O]再与元素发生间接氧化。 其反应为:{O2}+Fe=(FeO) (FeO)=Fe+[O] 如: 2[O]+[Si]=(SiO2) 或 2(FeO)+[Si]=2Fe+(SiO2) 在渣-金界面上往往产生元素的间接氧化反 应。
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2.1.4炼钢熔池中元素的氧化次序
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溶解在铁液中的元素的氧化次序可以通过 与1molO2的氧化反应的标准吉布斯自由能 变化来判断。 在标准状态下,反应的ΔGo负值越多,该 元素被氧化的趋势就越大,则该元素就优 先被大量氧化。 铁液中常规元素与氧反应的标准吉布斯自 由能变化与温度的关系绘制成图。

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1. Cu﹑Ni﹑Mo﹑W等元素氧化 的ΔGo线都在Fe氧化ΔGo线之上。 从热力学角度来说,在炼钢吹氧过 程中这些元素将受到Fe的保护而不 氧化。 2. Cr﹑Mn﹑V﹑Nb等元素的氧 化程度随冶炼温度而定。 3. Al﹑Ti﹑Si﹑B等元素氧化的 ΔGo线在图中位于较低的位置,它 们最易氧化。在实际生产中,这些 元素作为强脱氧剂使用。 注意:虽然在炼钢温度下,Fe 氧化的ΔGo线高于其它元素氧化的 ΔGo线,但由于铁液中大多数为Fe 原子,氧与Fe原子接触机会多,故 在实际上Fe还是会氧化。
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2.2转炉内熔体成分变化
1、转炉炼钢中的脱碳 转炉炼钢的主原料——铁水中含有 4.%左右的碳,远高于钢种的要求,因此脱 碳是转炉炼钢的主要任务之一。

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脱碳反应的作用
脱碳反应除了调整钢液碳含量的作用 外,其反应产物CO气体的上浮排除 使得脱碳反应给炼钢带来独特的作用。 ? 促进熔池成分﹑温度均匀; ? 提高化学反应速度; ? 降低钢液中的气体含量和夹杂物数量: ? 造成喷溅和溢出:
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2.2.1 脱碳反应
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转炉中的脱碳反应以间接氧化为主:(FeO)+[C]={CO}+Fe。这是一 个吸热反应,因此,熔池温度升高至1500℃左右后脱碳反应方能激烈 进行。 在氧气射流的作用区,还会发生碳的直接氧化:1/2{O2}+[C]={CO}, 它是强放热反应,故而,碳是转炉炼钢的主要热源之一。 复吹转炉底吹CO2气体时,CO2也会参与碳的氧化: { CO2}+[C]=2{CO},因此会强化炉内的脱碳反应。 [C]与氧的反应有: ? 在渣-金界面上: [C]+(FeO)={CO}+Fe [C]+[O]={CO} ? 在气-金界面上: [C]+1/2{O2}={CO}

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2.2.2 脱碳速度及影响因素
转炉中脱碳速度呈三段台阶式变化。 1)第一阶段

冶炼初期,熔池温度低,主要 是硅锰的氧化,脱碳速度很慢。研究发 现,当铁水中的硅当量即 [%Si]+0.25[%Mn]>1时,脱碳速度趋于 零,随吹炼进行,硅锰含量下降,温度 也渐高,近1400℃时碳开始氧化,速度 直线上升。故称该阶段为硅锰控制阶段。
复吹转炉由于有底吹搅拌,脱碳反 应开始较早,而且速度增加平稳。

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2.2.3脱碳速度及影响因素
2)第二阶段 冶炼中期,是碳激烈氧化阶段,脱碳速度主 要受供氧强度的影响,即氧的传输是限制性环节。 供氧强度越大,脱碳速度也越大(但过大易产生 喷溅)。 复吹转炉由于FeO控制得较低,最大速度不 及顶吹转炉,吹炼中不易喷溅但全程的平均速度 较之还要大些。 3)第三阶段 当钢液含碳量降低到一定程度时,碳的扩散 成为限制性环节,脱碳速度取决于熔池搅拌情况。
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2.2.4 临界含碳量
转炉炼钢中,脱碳反应速度由氧的 扩散控制转成由碳的扩散控制时的钢 液含碳量称为临界含碳量。顶吹转炉 的临界含碳量为0.10%左右,而复吹 转炉由于有底吹搅拌其临界含碳量则 为0.07%;而且,同为临界含碳量以 下时,复吹的脱碳速度也大些。
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2.2.5 碳的变化规律小结
熔池中氧与碳生成{CO}气 泡上浮,[%C]×[%O]=m(常 数 0.002~0.0025),[C]与 [O] 成反比. 冶炼初期,碳的氧化速度较慢 (温低及Si、Mn的氧化); 进入中期后脱碳速度迅速增大 (硅、锰氧化结束,熔池温度 也 已 升 至 1400℃ 以 上 ) ; 终 点 前 20%时 间 脱 碳 速 度 又 逐 渐慢(因[C]已较低,碳的扩 散成了限制性环节)。

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2.3 转炉冶炼脱磷反应
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P对钢材性能的影响
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恶化钢的焊接性能; 降低钢材的塑性和韧性,使钢产生冷脆性,即 在低温条件下钢材的冲击韧性明显降低; 提高易切削钢的切削性能; 改善钢液的流动性,提高铸造性能; 提高合金钢耐大气和海水腐蚀性能; 能提高电工用硅钢的导磁率。

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2.3.1 脱磷反应
反应地点:渣钢界面
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放热

脱P反应 2[P]+5(FeO)=(P2O5)+5Fe (P2O5)+(FeO)=3(FeO.P2O5)-----不稳定 3(FeO.P2O5)+3(CaO)=3(CaO.P2O5)+3(FeO)
能稳定存在于渣中 总反应式:

2[P]+5(FeO)+ 4(CaO) =4(CaO.P2O5)+5[Fe]

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2.3.2 脱P反应影响因素
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炉渣碱度:R高,有利 温度: T低,有利 (1450-1500) 渣量:渣量高,有利 渣中(FeO)量: (FeO)高,有利

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2.3.3 钢液回磷
?钢液回P现象:在冶炼或出钢过程中,如果炉内热力学条件 或动力学条件发生变化,而导致炉温太高,R,FeO过低,会 导致已脱除到渣中的P重新返回到钢液中,这个过程成为回P。 1、炉温过高; 2、冶炼结束向炉内或钢包中加入铁合金等脱氧,使渣中FeO 降低,脱P产物使碱度降低 3、铁合金本身带入一定量的P 防止回P措施:防止下渣,即防止炉渣进入钢包,采用的方法 是:出渣前加石灰稠化渣,并挡渣出钢;出钢时向钢包中投 入石灰,保持碱度。

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2.3.4 碳的变化规律小结 磷的变化规律小结
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.冶炼初期,脱磷速度较 快(温低);冶炼中期脱 磷速度明显下降,甚至停止或发 生“回磷” (温度渐高,且 脱碳速度加快,大量消耗渣中的 (FeO),甚至引起炉渣“返 干”);冶炼后期,若控制 得当脱磷反应仍能缓慢进行 (熔池温度虽较高,但脱碳 速度较小,渣中的(FeO)高, 炉渣碱度也较高)。
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2.4转炉冶炼脱硫反应
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吸热

S对钢材性能的影响
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热脆现象,即钢锭或钢坯在高温条件(如1100 度)下进行轧制时,会产生断裂现象; 对钢的力学性能产生不利影响; 使钢的焊接性能降低; 改善易切削钢的切削性能。

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2.4.1转炉冶炼脱硫反应
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吸热

硫在钢中以FeS的形式存在, FeS的熔点为1193℃, Fe与FeS组成

的共晶体的熔点只有985℃。液态Fe与FeS虽可以无限互溶,但在固
熔体中的溶解度很小,仅为0.015%-0.020%。
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当钢中的[S]>0.020%时,由于凝固偏析,Fe-FeS共晶体分布于晶

界处,在1150-1200℃的热加工过程中,晶界处的共晶体熔化,钢受
压时造成晶界破裂,即发生“热脆”现象。
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如果钢中的氧含量较高,FeS与FeO形成的共晶体熔点更低(940℃),

更加剧了钢的“热脆”现象的发生。

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2.4.2 脱硫反应
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(吸热)

炉渣脱硫的反应式为: [FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO) 吸热 它的基本条件是高碱度、高温度和低氧化铁。
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炉渣碱度:R高,有利 温度:T高,有利 渣量:渣多,有利 渣中(FeO)量: (FeO)低,有利 钢-渣搅拌情况
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2.4.3 硫的变化规律小结
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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. 几乎成直线缓慢下降,吹炼 中期,碳的激烈氧化使渣中 的(FeO)急剧下降而出现 “返干”,脱硫停止(初期, 虽温低,但铁水含碳高,硫 的活度系数大而具有一定的 脱硫能力;后期FeO高,但 B高、T高,因而也能脱 硫)。

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2.5 转炉其他元素变化
1、硅、锰的氧化
炼钢中硅、锰的氧化以间接氧化方式为主,其反应式为: [Si]+2(FeO)=(SiO2)+2Fe 放热 [Mn]+(FeO)=(MnO)+Fe 放热 二者均是放热反应,因此它们都是在熔池温度相 对较低的吹炼初期被大量氧化;由于硅的氧化产物是酸性

的SiO2,而锰的氧化产物是碱性的MnO,因此在目前的碱 性操作中硅氧化得很彻底,即使后期温度升高后也不会被 还原,而锰则氧化得不彻底,而且冶炼后期熔池温度升高 后还会发生还原反应,即吹炼结束时钢液中还有一定数量 的锰存在,称“余锰”。
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2.5.1 硅、锰的变化
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]<0.15时, 才能激烈进行。 影响硅氧化规律的主要因素:[Si]与[O] 的亲和力,熔池温度,熔渣碱度和FeO活度。
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2.5.2余锰或残锰
锰的氧化产物是碱性氧化物,在吹炼前期形成 (MnO· 2)。但随着吹炼的进行和渣中CaO含量的增 SiO 加,会发生 (MnO· 2)+2(CaO)=(2 CaO· 2)+(MnO) SiO SiO (MnO)呈自由状态,吹炼后期炉温升高后,(MnO) 被还原,即 ? (MnO)+[C]=[Mn]+[CO] ? 或(MnO)+[Fe]=(FeO)+[Mn] 吹炼终了时,钢中的锰含量也称余锰或残锰。 残锰高,可以降低钢中硫的危害,但冶炼工业纯铁, 则要求残锰越低越好。

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2.5.2 余锰或残锰
影响残锰的因素: ◆炉温高有利于(MnO)的还原,残锰量高; ◆碱度升高,可提高自由(MnO)浓度,残锰量 增加; ◆降低熔渣中(FeO)含量,可提高残锰含量; ◆铁水中锰含量高,单渣操作,钢水残锰也会 高些。

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2.5.3 硅元素变化规律小结
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) 。 铁 水 中 的 Si , 在 吹 炼 初 期 的 15 ~ 20% 时 间 内 迅 速 下降。硅氧化得比较 彻底,且不再回升。
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2.5.4 锰元素变化规律小结
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。铁水中的 Mn,在吹炼初期的15~ 20%时间内迅速下降。 锰氧化得不够彻底,后 期温度升高后还有所回 升,而且复吹转炉回升 得更快些(因为其渣中 FeO含量低)。
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2.6 吹炼过程中各元素变化规律小结

吹炼 过程 中金 属液 和炉 渣成 分的 变化

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2.7炉钢过程中金属、炉渣成分的变化变化规律小结

熔 体 是 指 熔 铁 和 熔 渣
吹炼一炉钢过程中金属、炉渣成分的变化
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2.8一炉钢冶炼过程中操作要点
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上炉钢出完钢后,倒净炉渣,堵出钢口,兑铁水和加废钢,降枪供氧, 开始吹炼。在送氧开吹的同时,加入第一批渣料,加入量相当于全炉 总渣量的三分之二,开吹4-6分钟后,第一批渣料化好,再加入第二 批渣料。如果炉内化渣不好,则许加入第三批萤石渣料。 ◆开吹时氧枪枪位采用高枪位,目前是为了早化渣,多去磷,保护炉 衬; ◆在吹炼过程中适当降低枪位的保证炉渣不“返干”,不喷溅,快速 脱碳与脱硫,熔池均匀升温为原则; ◆在吹炼末期要降枪,主要目的是熔池钢水成分和温度均匀,加强熔 池搅拌,稳定火焰,便于判断终点,同时使降低渣中Fe含量,减少铁 损,达到溅渣的要求。 ◆当吹炼到所炼钢种要求的终点碳范围时,即停吹,倒炉取样,测定 钢水温度,取样快速分析[C]、[S]、[P]的含量,当温度和成分符合要 求时,就出钢。 ◆当钢水流出总量的四分之一时,向钢包中的脱氧合金化剂,进行脱 氧,合金化,由此一炉钢冶炼完毕。

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