转炉炼钢知识问答2:转炉炼钢的一般原理
  发布时间:2017年04月27日 点击数:

2  转炉炼钢的一般原理

2-1  什么是超音速氧射流,什么是马赫数,确定马赫数的原则是什么?

速度大于音速的氧流为超音速氧射流。超过音速的程度通常用马赫数量度,即氧流速度与临界条件下音速的比值,用符号Ma代表。显然,马赫数没有单位。

马赫数的大小决定喷头氧气出口速度,也决定氧射流对熔池的冲击能量。马赫数过大则喷溅大,清渣费时,热损失加大,增大渣料消耗及金属损失,而且转炉内衬易损坏;马赫数过低,会造成搅拌作用减弱,氧气利用系数降低,渣中TFe含量增加,也会引起喷溅。当Ma>2.0时,随马赫数的增长氧气的出口速度增加变慢,要求更高理论设计氧压,这样,无疑在技术上不够合理,经济上也不划算。

目前国内推荐Ma=1.9~2.1。

2-2  氧气射流与熔池的相互作用的规律是怎样的?

超音速氧流其动能与速度的平方成正比,具有很高的动能。当氧流与熔池相互作用时,产生如下效果:

(1)形成冲击区。氧流对熔池液面有很高的冲击能量,在金属液面形成一个凹坑,即具有一定冲击深度和冲击面积的冲击区。

(2)形成三相乳化液。氧流与冲击炉液面相互破碎并乳化,形成气、渣、金属三相乳化液。

(3)部分氧流形成反射流股。

2-3  氧气顶吹转炉的传氧载体有哪些?

氧气顶吹转炉内存在着直接传氧与间接传氧两种途径。直接传氧是氧气被钢液直接吸收,其反应过程是:[Pe]+1/2{O2}=[FeO],[FeO]=[Fe]+[O];间接传氧是氧气通过熔渣传人金属液中,其反应式为(FeO)=[FeO]、[FeO]=[Pe]十[O]。氧气顶吹转炉传氧以间接传氧为主。

氧气顶吹转炉的传氧载体有以下几种。

(1)金属液滴传氧。氧流与金属熔池相互作用,形成许多金属小液滴。被氧化形成带有富氧薄膜的金属液滴,大部分又返回熔池成为氧的主要传递者;熔池中的金属几乎都经历液滴形式,有的甚至多次经历液滴形式,金属液滴比表面积大,反应速度很快。

(2)乳化液传氧。氧流与熔池相互作用,形成气—渣—金属的三相乳化液,极大地增加了接触界面,加快了传氧过程。

(3)熔渣传氧。熔池表面的金属液被大量氧化,而形成高氧化铁熔渣,这样的熔渣是传氧的良好载体。

(4)铁矿石传氧。铁矿石的主要成分是Fe2O3、Fe3O4,在炉内分解并吸收热量,也是熔池氧的传递者。

顶吹转炉的传氧主要靠金属液滴和乳化液进行,所以冶炼速度快,周期短。

2-4  什么是硬吹,什么是软吹?

硬吹是指枪位低或氧压高的吹炼模式。当采用硬吹时,氧气流股对熔池的冲击力大,形成的冲击深度较深,冲击面积相对较小,因而产生的金属液滴和氧气泡的数量也多,气—熔渣—金属乳化充分,炉内的化学反应速度快,特别是脱碳速度加快,大量的CO气泡排出,熔池搅动强烈,熔渣的TFe含量较低。

软吹是指枪位较高或氧压较低的吹炼模式。在软吹时,氧气流股对熔池的冲击力减小,冲击深度变浅,冲击面积加大,反射流股的数量增多,对于熔池液面搅动有所增强,脱碳速度缓慢,因而对熔池内部的搅动相应减弱,熔渣中的TFe含量有所增加。

软吹和硬吹都是相对的。

2-5  转炉内金属液中各元素氧化的顺序是怎样的?

氧化物分解压越小,元素越易氧化。在炼钢温度下,常见氧化物的分解压排列顺序如下:

P{O2}(Fe2O3)>P{O2}(FeO)> P{O2}(CO2)> P{O2}(MnO)> P{O2}(P2O5)>P{O2}(SiO2)>P{O2}(Al2O3)>P{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]+2(FeO)=(SiO2)+2[Fe]     (放热)

在以碱性渣操作时,熔渣R>3.0,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(2CaO•SiO2)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(FeO)=(MnO)+[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(MnO•SiO2),随着渣中CaO含量的增加,会发生(MnO•SiO2)+2(CaO)=(2CaO•SiO2)+(MnO)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pCO=1atm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。

由于上述碳氧反应是放热反应,随温度升高,Kp值降低,m值升高,曲线向坐标系右上角移动。

钢中实际氧含量比碳氧平衡氧含量高,这是由于在钢中还存在着[Fe]+[O]=(FeO)反应,与(FeO)平衡的氧含量为ω[O]渣,(FeO),平,钢中实际含氧量为ω[O]渣,(FeO),平>ω[O]实际>ω[O]钢,CO平

2-10  熔池中脱碳速度的变化是怎样的,它与哪些因素有关?

炼钢碳氧反应主要以[C]十[O]={CO}方式进行,其正反应速度表达式是νC=k正ω[C]ω[O],反应速度受[C]和[O]两个浓度的影响,但钢液中[O]浓度随渣中TFe升高而增加。转炉内碳氧反应在吹炼初期虽然渣中TFe高,但由于炉温较低,影响传氧,碳氧反应速度较慢;在吹炼后期由于金属中ω[C]低,碳氧反应速度也降低;只有吹炼中期能够保证碳氧反应以较快速度进行,最高脱碳速度在(0.4~0.6)%/min。

2-11  影响脱磷的因素有哪些?

根据平衡移动的原理,从脱磷反应式可以看出,只有提高(FeO)和(CaO)的浓度,降低(4CaO•P2O5)浓度,反应才向正反应方向进行,终点[P]含量才会降低。

因此,高碱度、高氧化铁含量的熔渣,有利于脱磷,这两者缺一不可。

增加渣中FeO含量,可加速石灰的渣化和改善熔渣的流动性,有利于脱磷反应。

提高碱度可增加(CaO)的有效浓度,有利于提高脱磷效率;但碱度并非越高越好,加入过多的石灰,渣化不好,影响熔渣的流动性,对脱磷反而不利。

脱磷反应是强放热反应,因而炉温过高,反应则向逆反应方向进行,钢中磷含量不仅不能降低,反而会产生回磷;炉温过低,不利于石灰的渣化,并影响熔渣流动性,也阻碍脱磷反应的进行。

若原料中磷含量高,最好是采用炉外脱磷处理;也可采用双渣操作,或适当的加大渣量,这样就相对降低了4(CaO•P2O5)浓度,利于反应继续向正反应方向进行,对脱磷有利。脱磷是钢—渣界面反应,因此具有良好流动性的熔渣,进行充分的熔池搅动,会加速脱磷反应,提高脱磷效率。

当前采用溅渣护炉技术,渣中MgO含量较高,要注意调整好熔渣流动性,否则对脱磷也有影响。

总之,脱磷的条件是:高碱度、高氧化铁含量、良好流动性的熔渣;充分的熔池搅动;适当的温度和大渣量。

来源:钢铁技术网

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