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1 转炉炼钢的原材料 1-1 转炉炼钢用原材料有哪些，为什么要用精料 炼钢用原材料分为主原料、辅原料和各种铁合金。氧气顶吹转炉炼钢用主原料为铁水和废钢生铁块。炼钢用辅原料通常指造渣剂石灰、萤石、白云石、合成造渣剂、冷却剂铁矿石、氧化铁皮、烧结矿、球团矿、增碳剂以及氧气、氮气、氩气等。炼钢常用铁合金有锰铁、硅铁、硅锰合金、硅钙合金、金属铝等。 原材料是炼钢的物质基础，原材料质量的好坏对炼钢工艺和钢的质量有直接影响。国内外大量生产实践证明，采用精料以及原料标准化，是实现冶炼过程自动化、改善各项技术经济指标、提高经济效益的重要途径。根据所炼钢种、操作工艺及装备水平合理地选用和搭配原材料可达到低费用投入，高质量产出的目的。 转炉入炉原料结构是炼钢工艺制度的基础，主要包括三方面内容一是钢铁料结构，即铁水和废钢及废钢种类的合理配比；二是造渣料结构，即石灰、白云石、萤石、铁矿石等的配比制度；三是充分发挥各种炼钢原料的功能使用效果，即钢铁料和造渣料的科学利用。炉料结构的优化调整，代表了炼钢生产经营方向，是最大程度稳定工序质量，降低各种物料消耗，增加生产能力的基本保证。 1-2 转炉炼钢对铁水成分和温度有什么要求 铁水是炼钢的主要原材料，一般占装入量的70％～100％。铁水的化学热与物理热是氧气顶吹转炉炼钢的主要热源。因此，对入炉铁水化学成分和温度必须有一定的要求。 A铁水的化学成分 氧气顶吹转炉炼钢要求铁水中各元素的含量适当并稳定，这样才能保证转炉冶炼操作稳定并获得良好的技术经济指标。 1硅Si。硅是转炉炼钢过程中发热元素之一。硅含量高，会增加转炉热源，能提高废钢比。有关资料表明，铁水中WSi每增加0.1％，废钢比可提高约1.3％。铁水硅含量高，渣量增加，有利于去除磷、硫。但是硅含量过高将会使渣料和消耗增加，易引起喷溅，金属的收得率降低。Si含量高使渣中SiO2含量过高，也会加剧对炉衬的冲蚀，并影响石灰渣化速度，延长吹炼时间。 通常铁水ωSi0.30％～0.60％为宜。大中型转炉用铁水硅含量可以偏下限，而对于热量不富余的小型转炉用铁水硅含量可偏上限。转炉吹炼高硅铁水可采用双渣操作。 2锰Mn。铁水锰含量高对冶炼有利，在吹炼初期形成MnO，能加速石灰的溶解，促进初期渣及早形成，改善熔渣流动性，利于脱硫和提高炉衬寿命。铁水锰含量高.终点钢中余锰高，可以减少锰铁加入量，利于提高钢水纯净度等。转炉用铁水对ωMn/ωSi比值的要求为0.8～1.0，目前使用较多的为低锰铁水，ωMn0.20％～0.80％o、 3磷P。磷是高发热元素，对大多数钢种是要去除的有害元素。因此，要求铁水磷含量越低越好，一般要求铁水ωp≤0.20％哼铁水中磷含量越低，转炉工艺操作越简化，并有利于提高各项技术经济指标。 铁水磷含量高时，可采用双渣或双渣留渣操作，现代炼钢采用炉外铁水脱磷处理，或转炉内预脱磷工艺，以满足低磷纯净钢的生产需要。 4硫S。除了含硫易切削钢以外，绝大多数钢种硫也是要去除的有害元素。氧气转炉单渣操作的脱硫效率只有30％～40％。我国炼钢技术规范要求入炉铁水ωS≤0.05％。冶炼优质低硫钢的铁水硫含量则要求更低，纯净钢甚至要求铁水ωS≤0.005％。因此，必须进行铁水预处理降低入炉铁水硫含量。 5碳C。铁水中ωC3.5％～4.5％，碳是转炉炼钢的主要反热元素。 B铁水的温度 铁水温度的高低是带入转炉物理热多少的标志，铁水物理热约占炉热收入的50。铁水温度高有利于稳定操作和转炉的自动控制。铁水的温度过低，影响元素氧化过程和熔池的温升速度，不利于成渣和去除杂质，容易发生喷溅。因此，我国炼钢规定入炉铁水温度应大子1250℃，并且要相对稳定。 通常，高炉的出铁温度在1350～1450℃，由于铁水在运输待装过程中散失热量，所以最好采用混铁车或混铁炉的方式供应铁水，在运输过程应加覆盖剂保温，以减少铁水降温。 1-3 对铁水带渣量有什么要求，为什么 铁水带来的高炉渣中SiO2、S等含量较高，若随铁水进入转炉会导致石灰消耗量增多，渣量增大，容易造成喷溅，增加金属消耗，影响磷、硫的去除，并损坏炉衬等。因此，要求入炉铁水带渣量比不超过0.50％。铁水带渣量大时，在铁水兑入转炉之前应尽进行扒渣。 1-4 转炉炼钢用废钢的来源有哪些，对废钢的要求是什么 废钢的来源有自产废钢和外购废钢，自产废钢是指企业口生产过程中产生的废钢或回收的废旧设备、铸件等，外购废钢勇从国内或国外购买的废钢。 转炉炼钢对废钢的要求有 1废钢的外形尺寸和块度应保证能从炉口顺利加入转炉。废钢单重不能过重，以便减轻对炉衬的冲击，同时在吹炼期必须全部熔化。轻型废钢和重型废钢合理搭配。废钢的长度应小于转炉口直径的1/2，废钢的块度一般不应超过300kg，国标要求废钢长度不大于1000mm，最大单件重量不大于800kg。 2废钢中不得混有铁合金。严禁混入铜、锌、铅、锡等有色金属和橡胶，不得混有封闭器皿、爆炸物和易燃易爆品以及有毒物品。废钢的硫、磷含量均不得大于0.050％。 废钢中残余元素含量应符合以下要求ωNi99.6％，氧压应稳定，并要脱除水分。 1-17 转炉炼钢对氮气的要求是什么 氮气是转炉溅渣护炉和复吹工艺的主要气源。对氮气的要求是满足溅渣和复吹需用的供气流量，气压要稳定。氮气的纯度大于99.95％，氮气在常温下干燥、无油。 1-18 转炉炼钢对氩气的要求是什么 氩气是转炉炼钢复吹和钢包吹氩精炼工艺的主要气源。对氩气的要求是满足吹氩和复吹用供气量，气压稳定，氩气纯度大于99.95％，无油、无水。 1-19 转炉炼钢对焦炭的要求是什么 转炉炼钢用焦炭烘烤炉衬。对焦炭要求是固定碳高（一般要求大于80），发热值高，灰分和有害杂质含量低（水分小于2，ωS≤0.7），块度应为10～40mm。 1-20 什么是铁水预处理 铁水预处理是指铁水兑入炼钢炉之前，为脱硫或脱硅、脱磷而进行的处理过程。 ’ 除上述普通铁水预处理外还有特殊铁水预处理，如针对铁水含有特殊元素提纯精炼或资源综合利用而进行的提钒、提铌、提钨等预处理技术。 1-21 在炼钢生产中采用铁水预脱硫技术的必要性是什么 1用户对钢的品种和质量要求提高，连铸技术的发展也要求钢中硫含量低硫含量高容易使连铸坯产生裂纹。铁水脱硫可满足冶炼低硫钢和超低硫钢种的要求。 2转炉炼钢整个过程是氧化气氛，脱硫效率仅为30％～40％；而铁水中的碳硅等元素氧含量低，提高了铁水中硫的活度系数，故铁水脱硫效率高；铁水脱硫费用低于高炉、转炉和炉外精炼的脱硫费用。 3减轻高炉脱硫负担后，能实现低碱度、小渣量操作，有利于冶炼低硅生铁，使高炉稳定、顺行，可保证向炼钢供应精料。 4有效地提高钢铁企业铁、钢、材的综合经济效益。 1-22铁水脱硫常用的脱硫剂有几类，各有何特点 生产中，常用的脱硫剂有苏打灰Na2CO3、石灰粉CaO、电石粉和金属镁。 1苏打灰。其主要成分为Na2CO3，铁水中加入苏打灰后与硫作用发生以下3个化学反应 Na2CO31[S]2[C]Na2S13{CO} Na2CO3 1[S][S]Na2S1SiO21｛CO｝ Na2O1[S]Na2S1[O] 用苏打灰脱硫，工艺和设备简单，其缺点是脱硫过程中产生的渣会腐蚀处理罐的内衬，产生的烟尘污染环境，对入有害。目前很少使用。 2石灰粉。其主要成分为CaO，用石灰粉脱硫的反应式如下 2CaOS[S]1/2[Si]CaSS1/2Ca2SiO4 石灰价格便宜、使用安全，但在石灰粉颗粒表面易形成2CaOSiO2致密层，限制了脱硫反应进行，因此，石灰耗用量大，致使生成的渣量大和铁损大，铁水温降也较多。另外，石灰还有易吸潮变质的缺点。 3电石粉。其主要成分为CaC2，电石粉脱硫的反应式如下 CaC2[S]CaSS2[C] 用电石粉脱硫，铁水温度高时脱硫效率高，铁水温度低于1300℃时脱硫效率很低。另外，处理后的渣量大，且渣中含有未反应尽的电石颗粒，遇水易产生乙炔qH2气体，故对脱硫渣的处理要求严格。在脱硫过程中也容易析出石墨碳污染环境。电石粉易吸潮生成乙炔乙炔是可燃气体且易发生爆炸，故电石粉需要以惰性气体密封保存和运输。 4金属镁。镁喷入铁水后发生如下反应 Mg[S]MgSS 镁在铁水的温度下与硫有极强的亲和力，特别是在低温下镁脱硫效率极高，脱硫过程可预测，硫含量可控制在0.001％的精度。这是其他脱硫剂所不能比拟的。 金属镁活性很高，极易氧化，是易燃易爆晶，镁粒必须经表面钝化处理后才能安全地运输、储存和使用。钝化处理后，使其镁粒表面形成一层非活性的保护膜。 用镁脱硫，铁水的温降小，渣量及铁损均少且不损坏处理罐的内衬，也不影响环境。因而铁水包喷镁脱硫工艺获得了迅猛的发展。 镁的价格较高，保存时须防止吸潮。 1-23 铁水脱硫的主要方法有哪些，铁水脱硫技术的发展趋势是怎样的 迄今为止，入们已开发出多种铁水脱硫的方法，其中主要方法有投入脱硫法、铁水容器转动搅拌脱硫法、搅拌器转动搅拌脱硫法和喷吹脱硫法等。 1投入法。该法不需要特殊设备，操作简单，但脱硫效果不稳定，产生的烟气污染环境。 2铁水容器搅拌脱硫法。该法主要包括转鼓法和摇包法，均有好的脱硫效果，该法容器转动笨重，动力消耗高，包衬寿命低，使用较少。 3采用搅拌器的机械搅拌法。如KR法即属于此类。 KR搅拌法由于搅拌能力强和脱硫前后能充分的扒渣，可将硫含量脱至很低，其缺点是设备复杂，铁水温降大。 4喷吹法。此法是用喷枪以惰性气体为载体，将脱硫剂与气体混合吹入铁水深部，以搅动铁水与脱硫剂充分混合的脱硫方法。该法可以在鱼雷罐车混铁车或铁水包内处理铁水。铁水包喷吹法目前已被广泛应用。 喷吹脱硫法具有脱硫反应速度快、效率高、操作灵活方便，处理铁水量大，设备投资少等优点。因而，它已成为铁水脱硫的主要方法。 铁水脱硫技术的发展趋势如下 1采用全量铁水脱硫工艺； 2趋向在铁水包内预脱硫； 3脱硫方法以喷吹法为主； 4用金属镁做脱硫剂的趋势不断扩大。 1-24 用金属镁进行铁水脱硫的机理是什么 镁其熔点为651℃，密度为2.8g/cm3，如与氧结合生成MgO后，其熔点为2800℃，密度为3.07～3.20g／cm3，二者均为高熔点、低密度稳定化合物。 镁通过喷枪喷入铁水中，镁在高温下发生液化、气化并溶于铁水 MgS→Mg1→｛Mg｝→[Mg] Ms与S的相互反应存在两种情况 第一种情况 ｛Mg｝[S]二MgSS 第二种情况 {Mg}→[Mg] [Mg][S]MgSS 在高温下，镁和硫有很强的亲和力，溶于铁水中的[Mg]和{Mg}都能与铁水中的[S]迅速反应生成固态的MgS，上浮进入渣中。 在第一种情况下，在金属镁蒸气泡界面，镁蒸气与铁水中的硫反应生成固态MgS，这只能去除铁水中3％～8％的硫。 在第二种情况下，溶解于铁水中的镁与硫反应生成固态MgS，这是主要的脱硫反应，最为合理。在这种情况下，保证了镁与硫的反应不仅仅局限在镁剂导入区域或喷吹区域内进行，而是在铁水包整个范围内进行，这对铁水脱硫是十分有利的。 镁在铁水中的溶解度取决于铁水温度和镁的蒸气压。镁的溶解度随着压力的增加而增大，随铁水温度的上升而大幅度降低。为了获得高脱硫效率，必须保证镁蒸气泡在铁水中完全溶解，避免未溶解完的镁蒸气逸入大气造成损失。促进镁蒸气大量溶解于铁水中的措施是铁水温度低；加大喷枪插入铁水液面以下的深度，提高镁蒸气压力，延长镁蒸气泡与铁水接触时间。 1-25 采用金属镁脱硫为什么要对镁粒进行表面钝化处理，对颗粒镁有什么要求 金属镁活性很高，极易氧化，是易燃易爆晶。镁粒只有经表面钝化处理后才能安全地运输、储存和使用。经钝化处理后，镁粒表面形成一层非活性的保护膜，如盐钝化的涂层颗粒镁，制备时采用熔融液态镁离心重复分散技术，利用空气动力逆向冷却原理将盐液包敷在镁颗粒外层，形成银灰色均匀的球状颗粒。 单吹镁脱硫用的涂层颗粒镁要求 ωMg≥92％；粒度为0.5～1.6mm，其中粒度大于3mm以上的针状不规则颗粒少于8％。 1-26 铁水脱硫容器为什么趋向采用铁水包 在鱼雷罐内进行脱硫，动力学条件较差，脱硫剂喷入后，由于鱼雷罐形状影响搅拌的均匀性，反应重现性差，脱硫剂消耗量大。采用铁水包喷吹脱硫，由于铁水包的几何形状，使脱硫反应具有更好的动力学条件和反应空间，可根据冶炼具体要求更准确地控制铁水的硫含量。一般容量大于80t的铁水包铁液深度都比鱼雷罐深，喷入铁水的脱硫剂与铁水进行反应更加充分，因此在铁水包内喷吹脱硫可以有效利用脱硫剂。同时铁水包内的铁水温度比鱼雷罐内低一些，更促进镁脱硫获得理想的脱硫效果，降低了铁水处理成本。由于铁水包内喷吹脱硫有较高的效率，与在鱼雷罐脱硫相比，如果将硫含量从0.045％降到0.010％，可节省脱硫剂15％；如果将硫含量从0.045％降到0.005％，可节省脱硫剂24％。显然，硫含量的目标值越低，在铁水包喷吹脱硫剂的优势越大。20世纪80年代已开始发展到在铁水包内处理铁水。目前新建铁水脱硫装置大多采用铁水包单独喷吹镁或复合喷吹镁的技术和设备。 1-27 喷镁脱硫要求铁水包净空是多少 当铁水包喷镁脱硫时，镁通过喷枪喷入铁水，载气对铁水有搅拌作用，可以促进反应物的传质和产物的排出。由于镁在高温下液化、气化和溶于铁水，气化时产生的镁气体对铁水的搅拌作用强烈，顶吹时常发生喷溅。因此，铁水包应有不小于400mm高度的净空，同时设置防溅包盖是必要的。 1-28 铁水包喷吹镁脱硫与其他脱硫工艺比较具有哪些优点 铁水包喷镁脱硫工艺与其他脱硫工艺相比，具有以下显著的优点 1脱硫效率高。可根据冶炼品种要求，铁水硫含量可脱至任意水平，深度脱硫时达到ωS0.005％以下，甚至ωS0.002％以下； 2脱硫剂单耗低，处理时间短 3形成渣量少，扒渣铁损低； 4对环境污染小； 5温度损失少； 6易于进行过程自动控制； 7综合成本低。 1-29 铁水包喷吹颗粒镁脱硫，镁的单位消耗主要取决于哪些因素 用镁脱硫的单耗主要取决于铁水初始硫含量、终点硫含量、铁水温度、铁水重量铁水包内铁水深度。 在理论上1kg金属镁能脱除1.32kg的硫；实际上，由于铁水中还有残余的镁、用于脱氧的镁、少量的镁蒸气逸出及与载气、顶渣反应损失的镁等原因，镁的利用率不可能达到100％。与初始硫含量低时相比，初始硫含量高时镁的利用率高。 镁脱硫与CaO、CaC2脱硫不同，镁脱硫反应为放热反应，低温对反应有利，在低温下镁在铁水中的溶解度大，有利于镁参与反应而提高利用率；但温度高时有利于反应产物上浮进入顶渣提高反应速度，但总的来说温度低对镁脱硫更有利。 铁水量多，铁水包内铁水深度大，喷枪插入深，镁的利用率高。铁水包内铁水深度浅，喷枪插入浅，镁气泡来不及完全溶解就从铁水液面逸出。因此，喷吹深度大可以减少镁的逸出损失。 1-30 铁水脱硫后兑入转炉前为什么必须扒渣 经过脱硫处理后的铁水，须将浮于铁水表面上的脱硫渣除去，以免炼钢时造成回硫，因为渣中MgS或CaS会被氧还原，即发生如下反应 MgS[O]MgO[S] CaS[O]CaO[S] 因此，只有经过扒渣的铁水才能兑入转炉。钢水硫含量要求越低，相应要求扒渣时扒净率越高，尽量减少铁水的带渣量。 1-31 脱硫后的低硫铁水兑入转炉炼钢，为什么吹炼终点常常出现增硫现象 经脱硫处理后的低硫铁水ω〔S〕0.002％～0.009％，兑入转炉炼钢，有时出现不能进一步脱硫，吹炼终点的钢水还常常有增硫现象，这是因为炼钢过程中铁水渣、铁块、废钢、石灰中的硫进入钢水，而吹炼过程脱硫量低于增硫量所致，吹炼终点增硫量可达0.002％～0.005％，甚至0.005％以上。增硫主要发生在吹炼的前期和中期，一般铁块、废钢和铁水渣带入硫占炉料总硫量的60％以上，所以增硫成为生产超低硫钢种的重大障碍。因此，生产ω〔S〕P｛O2｝FeO P｛O2｝CO2 P｛O2｝MnO P｛O2｝P2O5P｛O2｝SiO2P｛O2｝Al2O3P｛O2｝MgO P｛O2｝CaO 因为转炉内是多相反应，因此铁水中元素的氧化顺序还与其浓度有关，所以吹炼开始元素氧化顺序为Fe、Si、Mn、P、C等。 2-6 在碱性操作条件下，为什么吹炼终点钢液中硅含量为痕量 吹炼开始首先是Fe、Si被大量氧化，并放出热量，反应式为 [Fe]1/2｛O2｝FeO 放热 [Si]｛O2｝SO2 放热 [Si]2FeOSiO22[Fe] 放热 在以碱性渣操作时，熔渣R3.0，渣中存在着大量自由状态的CaO，SiO2是酸性氧化物，全部与CaO等碱性氧化物形成类似2CaOSiO2的复杂氧化物，渣中SiO2呈结合状态。熔渣分子理论认为，只有自由氧化物才有反应能力，因此在吹炼后期温度升高SiO2也不会被还原，钢中硅含量为“痕量”。 可见在以碱性渣操作条件下，硅的氧化反应非常彻底。 2-7 在碱性操作条件下吹炼终了时，钢液中为什么会有“余锰”含量，余锰含量高低受哪些因素影响 与硅相似，锰也很容易被氧化，反应式为 [Mn]1/2｛O2｝MnO 放热 [Mn]十FeOMnO[Fe] 放热 [Mn][O]二MnO 放热 锰的氧化产物是碱性氧化物，在吹炼前期所形成的MnOSiO2，随着渣中CaO含量的增加，会发生MnOSiO22CaO2CaOSiO2MnO反应，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十[Mn]吹炼终了时，钢中的锰含量也称余锰或残锰。 余锰高，可以降低钢中硫的危害。但在冶炼工业纯铁时，要求锰含量越低越好，应采取措施降低终点锰含量。 根据化学平衡移动的原理，影响余锰量的因素有 1炉温高利于MnO的还原，余锰含量高。 2碱度升高，可提高自由MnO浓度，余锰量增高。 3降低熔渣中FeO含量，可提高余锰含量。因此钢中碳含量高、减少补吹、降低平均枪位、有复吹，余锰含量都会增高。 4铁水中锰含量高，单渣操作，钢中余锰也会高些。 2-8 在炼钢过程中碳氧反应的作用是什么 炼钢过程中碳氧反应不仅完成脱碳任务，还有以下作用 1加大钢渣界面，加速物理化学反应的进行。 2搅动熔池，均匀成分和温度。 3有利于非金属夹杂的上浮和有害气体的排出。 4有利于熔渣的形成。 5放热升温。 6爆发性的碳氧反应会造成喷溅。 2-9 碳和氧反应达到平衡时碳和氧的关系是怎样的，如何表示，转炉熔池内实际碳氧含量的关系是怎样的 转炉中的碳氧反应产物主要是CO，也有少量的CO2。转炉内碳氧反应式如下 [C]1/2｛O2｝｛CO｝ 放热 [C] FeO｛CO｝[Fe] 吸热 [C]｛O｝｛CO｝ 放热 上述第3个碳氧反应式的平衡常数 取pCO1atm代入后得 温度一定，Kp是定值，若令,则得出 ω[C]ω[O]m 在1600℃下，Kp≈400，m≈0.0025。 当达到平衡时，钢中碳氧浓度的乘积阴为一个常数。在坐标系中它表现为双曲线的一支。 由于