转炉炼钢工艺(复吹技术)ppt课件.ppt

氧气转炉炼钢技术,龚 伟东北大学钢铁冶金研究所2006年9月,氧气转炉炼钢,炼钢的基本任务,一、钢与生铁的区别, C 1.2%的钢很少 实用； 还含Si、Mn等合金 元素及杂质。,1) 脱碳；2) 脱磷；3) 脱硫。,炼钢任务：,伴随脱碳反应， 钢的熔点提高。,炼钢任务：,4)升温,1200 1700,伴随脱碳反应，钢液O含量增加。,C(石墨)+1/2O2=CO G11620483.62T1C(石墨)=C G2131841.8T21/2O2=O G1170402.88T2,C+O=CO G2048238.94T,1Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963,炼钢任务：,5)脱氧,0.3% 0.0003%,炼钢任务：,6) 合金化,伴随脱碳反应，钢液Si和部分Mn被氧化 。,C： 控制钢材强度、硬度的重要元素，每1C 可增加抗拉强度约980MPa。Si：也是增大强度、硬度的元素，每1Si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。,炼钢任务：,7)去除N、H等气体杂质元素,陈家祥，炼钢常用图表数据手册，冶金工业出版社，1984,炼钢任务：,8)去除非金属夹杂物,氧化物系非金属夹杂物,脱氧产物,二次氧化生成物,外来性夹杂物,渣卷入耐火材料融损及卷入,炉渣造成的氧化空气造成的氧化炉衬造成的氧化,钢水包衬中间包衬,炉渣中间包覆盖渣结晶器保护渣,钢中非金属夹杂物来源,炼钢任务：,9)凝固成型,炼钢的基本任务：,1、脱碳；2、脱磷；3、脱硫；4、脱氧；5、脱氮、氢等；6、去除非金属夹杂物； 7、合金化；8、升温；9、凝固成型 。,炼钢的基本反应,第一节、铁的氧化和熔池传氧方式,1、氧流对金属熔池的作用,顶吹氧枪O2出口速度通常 可达300350m/s；氧流与熔池作用，将动量 传递给金属液；金属熔池产生循环运动。,作用区温度2200 2700；光亮较强的中心 (区域I)；光亮较弱的外围 (区域II)。,氧流穿入熔池某一深度并构成火焰状作用区 (火点区),氧气炼钢中还存在乳化和泡沫现象,在氧流强冲击和熔池沸腾 作用下，部分金属微小液 滴弥散在熔渣中；乳化的程度与熔渣粘度、 表面张力等性质有关；乳化可以极大地增加渣 铁间接触面积，因而可以 加快渣铁间反应。,乳化造成的渣铁间接触面积可达0.61.5 m2/kg。,熔池在氧流作用下形成的强烈运动和高度弥散的气体熔渣金属乳化相，是吹氧炼钢的特点。,1氧枪2乳化相3CO气泡4金属熔池5火点6金属液滴7作用区释放出的 CO气泡8溅出的金属液滴9烟尘,2、铁的氧化和还原,向熔池吹氧时,第二步，吸附的氧溶解于铁液中：,tFeOFetO,第一步，气体氧分子分解并吸附在铁的表面：,1/2O2O吸附,由于氧势高，Fe与O反应，生成铁氧化物。,O吸附O,炼钢条件下铁氧化物稳定性比较,FeOFeO G11244246.56 T 1,22/3Fe+O=1/3Fe2O3 G15298887.94 T 1,23/4Fe+O=Fe3O4 G17723292.96 T 1,2,Fe3O4可以看作 为FeOFe2O3；FeO最稳定；Fe2O3/FeO平均 为0.8。,炉渣的氧化作用,炉渣中FeO与氧 化性气氛接触， 被氧化成高价氧 化物Fe2O3；渣铁界面，高 价Fe2O3被还原 成低价FeO；气相中的氧因此 被传递给金属熔 池。,当传氧过程达到平衡时，铁液中O达到饱和，O饱和含量由炉渣的氧化性所确定。,FeOFeO G11244246.56 T 1,2,1650下钢液中最高O含量,aFeO1，,温度 1500 1550 1600 1700%O饱和 0.13% 0.16% 0.20% 0.29%,杂质的氧化方式 直接氧化和间接氧化,间接氧化：,气体氧直接同铁液中的杂质进行反应。,直接氧化：,气体氧优先同铁发生反应，待生成FetO以后再同其它杂质进行反应。,直接氧化在氧流金属表面处进行：,氧流同熔池作用区的表面；悬浮于作用区的金属液滴的表面；作用区周围的氧气泡的表面上；凡是氧气能直接同金属液接触的表面。,O2 2Fe 2(FeO)O2 2Mn 2(MnO)O2 Si (SiO2)5O2 4P 2(P2O5)O2 2C 2COO2 C CO2,间接氧化方式 在氧气泡直接同铁液接触的表面上， 氧首先同铁结合，然后FeO扩散到熔 池内部并溶于金属液中。,(FeO)OFe,C、Si、Mn、P等同O反应,O Mn (MnO)2O Si (SiO2)5O 2P (P2O5)O C CO2O C CO2,(FeO) Mn (MnO) (Fe)2 (FeO) Si (SiO2) 2(Fe)5 (FeO) 2P (P2O5) 5(Fe)(FeO) C CO (Fe)2 (FeO) C CO2 2(Fe),也可以表示为：,多数意见认为氧气转炉炼钢以间接氧化为主,氧流是集中于作用区附近而不是高度分散在熔 池中；氧流直接作用区附近温度高，Si和Mn对氧的亲 和力减弱从反应动力学角度来看， C向氧气泡表面传质 的速度比反应速度慢，在氧气同熔池接触的表 面上大量存在的是铁原子，所以首先应当同Fe 结合成FeO。,脱碳反应,铁液中碳的饱和溶解度：,%C1.302.5710-3 (T273),Si、P、S降低碳的溶解度；Mn、V、Cr增加碳溶解度；碳增加钢材强度、硬度；碳降低钢材焊接、耐腐蚀、 冷加工性能。,脱碳反应是贯穿于炼钢过程始终的一个主要反应。,反应热升温钢水；影响生产率；影响炉渣氧化性；影响钢中O含量。,脱碳反应的产物CO在炼钢过程中也具有多方面的作用。,从熔池排出CO气体产生沸腾现象，使熔池受到激烈地 搅动，起到均匀熔池成分和温度的作用；大量的CO气体通过渣层是产生泡沫渣和气一渣一金属 三相乳化的重要原因；上浮的CO气体有利于清除钢中气体和夹杂物；在氧气转炉中，排出CO气体的不均匀性和由它造成的 熔池上涨往往是产生喷溅的主要原因。,一、脱碳反应的热力学条件,O2 2C 2CO,O2 C CO2,G41632841.8 T1,2,直接氧化：,G27504483.64 T1,2,间接氧化：,2O 2C 2CO,2O C CO2,G18224847.56 T1,2,G4096477.88 T1,2,C的氧化产物绝大 多数是CO而不是CO2。,C含量高时，CO2也是脱碳反应的氧化剂:,CCO22CO,与Fe-O-C熔体平衡气相中CO2，,PCO+CO21atm,C含量愈高，CO愈稳定；温度愈高，CO愈稳定。,CO乘积：,C+O=CO,G2048238.94T1,2,取PCO1 atm,1Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963,实际炼钢过程熔池O高于理论O含量,实际熔池的O含量与碳氧化学平衡的O含量之差称为过剩氧O:,OO实际 O平衡,脱碳速度快，O低；熔池搅拌强， O低；底吹、顶底复吹转炉炼钢O低。,过剩氧O的大小与脱碳反应动力学有关,C+O=CO,G2048238.94T1,2,气相压力对脱碳反应的影响,脱碳反应的热力学条件,增大fC有利于脱碳；2)增加O有利于脱碳；3)降低气相PCO有利于脱碳；4)提高温度有利于脱碳。,脱碳反应的热效应,1/2O2O (1)COCO (2),C+O2CO2 (4),H34830 kJ/kgC,C+1/2O2CO (3),H11637 kJ/kgC,二、脱碳反应的动力学条件,1脱碳反应的环节,1) 反应物C和O向反应区扩散;2) C和O进行化学反应;3) 反应界面气泡生成；4) 反应产物CO或CO2离开反应区域。,碳的氧化反应是一个复杂的多相反应，包括扩散 、化学反应和气泡生成等几个环节。,2、化学反应是否为脱碳反应的限制性环节？,如化学反应表观活化能 E1050kJ/mol，则化学 反应是控制环节；如活化能E420kJ/mol， 则过程受扩散控制；如活化能E在4201050kJ/mol之间时，过程 处于扩散与化学动力学混合控制领域。,碳氧化反应的表观活化能波动在60150kJ/mol之 间，远比上述活化能数值低得多。高温下碳氧化反应非常迅速，不是碳氧化反应的控制环节。,3、反应界面气泡的生成是否为脱碳反应限制性环节？,在钢液中没有现成的气液相界面时，产生新的界面需要非常大的能量。新生成的气泡越小，需要的能量越大。,取钢液表面张力m-g为1.5Nm-1，新生成的CO气泡核心半径为10-6m，则该气泡核心所受的毛细管压力为：,实际上CO气泡核心所受到的压力还包括钢液、炉渣和炉气的静压力。,在钢液内生成一个很小的CO气泡核心，需要克服数十个大气压的压力，因而实际上不可能生成。只有在钢液中有已经存在的气液界面时，才能减少生成气泡的压力，使碳氧反应顺利进行。,1)氧气炼钢过程大量气 泡弥散存在于金属熔 池内，CO气泡生成很 顺利。2)在炉底和炉壁的耐火 材料表面上存在的凹 坑处，能生成CO气泡 萌芽。,在粗糙的耐火材料表面，总是有不少微小的细缝和凹坑，当缝隙很小时，由于表面张力的作用，金属不能进入。,在一定的金属液深度下，金属不能进入的最大凹坑半径为：,取：m-g1.5N/m，m7000kg/m3，润湿角120，,hm： 3m 1m 0.1mr： 0.0071 mm 0.214 mm 2.14 mm,耐火材料表面凹坑或缝隙处气泡形成过程示意图,气泡上浮过程中，随着体积的加大，形状变为球冠形。,4、反应物C和O向反应区的扩散是否为脱碳反应 限制性环节？,C高O低时，O的扩散为限制性环节；C低O高时，C的扩散为限制性环节。,C和O的扩散，哪一个是反应的限制性环节？,反应界面(气泡表面)处反应物浓度很低；熔池内部C、O浓度较气泡表面高得多；由于存在浓度梯度，C和O向反应界面扩散。,感应炉吹氧脱碳试验结果,脱碳速度曲线拐点处C含量为C扩散控制的临界C含量。,当熔池C含量低于C临时，rc随C含量降低而显著降低。,rck%C,此时O的扩散速度决定整个脱碳反应的速度。,当熔池C含量高于C临时，,rck%O kPO2,此时C的扩散速度将决定整个脱碳反应的速度。,5、实际炼钢过程的脱碳速度变化,脱碳过程为三个阶段,1)吹炼初期以硅的氧 化为主，脱碳速度 较小；2)吹炼中期，脱碳速 度几乎为定值；3)吹炼后期，随金属 中含碳量的减少， 脱碳速度降低。,第一阶段：,第三阶段：,第二阶段：,吹炼初期熔池温度低，硅和锰首先迅速地氧化，硅的氧化抑制了脱碳反应的进行。,2C2O2CO (2),G4096477.88 T 1,2,Si2OSiO2(l) (1),G593560230.2 T 1,2,1Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963,(2)(1)，得到：,2CSiO2(l)Si2CO (3),G552596308.07 T,(3)式反应的G为：,取：C3.0%， eCC0.14， eCSi0.08, fC2.68 Si0.1%， eSiC0.18， eSiSi0.11, fSi3.56 PCO1， aSiO20.2,2CSiO2(l)Si2CO (3),若(3)式反应能够自发进行，则,Temp. 1391 ,吹炼初期硅优先氧化，当熔池温度升高到1390以上后，碳才可能激烈氧化。,第二阶段是碳激烈氧化的阶段,脱碳速度受氧传递速度控制。,K2=k2FO2,FO2：氧气流量， Nm3/h,第二阶段向第三阶段过渡的碳含量：,实验室研究结果为 0.10.2C；实际生产结果为0.1 0.2%或0.20.3% C，甚至高达1.0 1.2；受供氧速度、供氧方 式、熔池搅拌情况等 影响。,脱磷反应,对绝大多数钢种，磷是 有害的杂质。, 冷脆； 调质钢的回火脆性； 热加工性； 焊接性能等。,某些钢种，例如高Ni合金钢、低温液态气体储罐、奥氏体不锈钢等，要求尽量降低P含量。,P对9Ni钢低温韧性的影响,一、铁水中P的氧化反应,2P5/2O2(P2O5) G938080258.7 T1,22P5O(P2O5) G352880273.1 T 1,22P5(FeO)(P2O5)5FeG20932740.3 T 1,2,1Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963,2P5O(P2O5) G352880273.1 T,计算：1650时脱磷反应所需P2O5活度,1650时钢液最高O为0.28%，目标P含量为0.01%，,即：炉渣中P2O5活度必须低于3.6210-12，脱磷 反应才能进行。,P2O5的稳定性造渣的必要性,2P5O(P2O5) G352880273.1 T,1650时钢液最高O为0.28%，目标P含量为0.01%，,取渣中NP2O50.015 (相当于3.5%)，,通过造碱性炉渣降低P2O5的活度系数。,Turkdogan经验公式1：,降低P2O5活度系数的措施：,提高炉渣碱度CaO/SiO2；提高炉渣MgO、MnO、FeO含量；降低温度。,1 Journal of Iron and Steel Institute, 1953, Vol.175, p.398,炼钢炉渣成分范围：,MnO P2O5 FetO CaO/SiO2,4555% 1220% 413 24,CaO SiO2 MgO Al2O3,26% 15% 1228% 34.5,二、脱磷反应的热力学条件,脱磷反应的反应式：,2P5O(P2O5) (1)2P5(FeO)3(CaO)(Ca3P2O8)5Fe (2)2P5(FeO)4(CaO)(Ca4P2O9)5Fe (3),按照炉渣离子模型,2P5O3(O2-)2(PO43-) (5),2P5(Fe2+)8(O2-)2(PO43-)5Fe (4),脱磷反应平衡的研究,Healy等研究,2P5O(P2O5),松下幸雄等研究,有利于脱磷的工艺条件,降低温度有利于脱磷反应；提高炉渣碱度有利于脱磷反应；增加炉渣氧化铁活度有利于脱磷反应；增加渣量有利于脱磷反应；增加P活度系数有利于脱磷反应。,渣量对脱磷反应的影响,例题：对金属和炉渣做磷的衡算。,回磷：,300吨BOF转炉吹炼过程金属成分变化,炼钢过程回磷；脱氧过程回磷。,炼钢过程回磷原因：,吹炼中期炉渣返干， FetO含量减少；温度偏高。,脱氧过程回磷原因：,出钢带渣量多；炉渣碱度降低；O含量降低。,3(P2O5)10Al6P5(Al2O3),2(P2O5)5Si4P5(SiO2),2Al3(FeO)(Al2O3)3Fe,Si2(FeO)(SiO2)2Fe,低磷钢生产,1、低磷钢生产(铁水预处理、氧气炼钢)；2、超低磷钢(P20ppm)生产(铁水预处理 二次精炼脱磷),铁水脱磷预处理,1、铁水运送容器中喷粉脱磷；2、利用转炉脱磷预处理(SRP、LDORP)。,脱磷剂：CaOCaF2Fe2O3 (O2),铁水鱼雷罐中喷粉脱磷,新日铁君津厂脱磷工序流程示意图,铁水罐中喷粉脱磷,NKK福山厂铁水罐喷粉脱磷示意图,利用转炉作为容器进行铁水脱磷处理,新日铁名古屋厂转炉脱磷处理流程图,各种铁水脱磷方法的比较,对于P20ppm超低磷钢，必须采用二次精炼脱磷方法,NKK福山厂生产9Ni超低磷钢工艺流程图,脱硫反应,硫对钢材性能的影响： 热加工性 (红脆); 降低低温韧性； 焊接性能； 抗氢致裂纹性能； 各向异性,钢中S含量范围：0.00020.040%；铁液中S能无限溶解；固态钢中S的溶解度降低，绝大多数以硫化 物形式存在于钢的奥氏体晶界处。,球状MnS夹杂 网状硫化物夹杂,一、脱硫反应,S(CaO)(CaS)O G8903618.46 T1,2S(MnO)(MnS)OG11922233.95 T 1,2S(MgO)(MgS)OG16752414.9 T 1,2,S(O2+)O(S2+),碱性氧化渣与钢液间的脱硫反应,S(CaO)(CaS)O G8903618.46 T1,2,离子反应式,S(O2-)(S2-)O,logK4650/T0.964,有利于脱硫的因素：,提高温度；提高S的活度系数；提高炉渣(O2-)活度；降低炉渣(S2-)活度系数；降低O活度。,S(O2-)(S2-)O,硫容量 (Sulfide Capacity),S(O2-)(S2-)O,硫容量代表炉渣脱硫能力，温度一定时，只与炉渣组成有关。,高碱度炉渣有利于脱硫,炉渣高的FeO含量不利于脱硫,1550,气相脱硫,(S2-)3/2O2(O2-)SO26(Fe3+)(S2-)2(O2-)6(Fe2+)SO2,SOSO G14659424.40 T1,2,S2OSO2 G385155.72 T1,2,1Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963,气相脱硫约占总脱硫量的10。,S(O2-)(S2-)O,脱硫反应动力学,WS：炉渣重量，gF：反应界面积，cm2km：钢液中硫的传质系数，cm/skS：炉渣中硫的传质系数，cm/s,(1),(1),反应刚开始进行时，渣中(%S)可忽略不计，则,(2),Wm：钢液重量，g,km随碱度增加而增加，ks随碱度增加而减少。由于脱硫速度受炉渣组成的影响，因此认为炉渣中硫的传质是脱硫反应的限制性环节。,(2),(3),因为，,(3)式写为：,(4),(4),在反应界面上，脱硫反应达到平衡，有,代入(4)式，,(5),(5),加快脱硫反应：, 增大Ls 提高炉渣碱度，减小FetO含量； 增加ks 增强混合； 增加反应界面积F。,金属的脱硫反应,Mn+S=(MnS)G13135780.95 T1,2,Ca+S=(CaS)G572980169.4 T1,2,Mg+S=(MgS)G430028181.8 T1,2,1Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963,低硫钢生产技术, 低硫钢(S100ppm)，采用铁水预处理 超低硫钢(S50ppm)，铁水预处理二次精炼脱硫,铁水脱硫预处理：,KR法脱硫 喷粉脱硫,脱硫剂：CaC2, CaO、 CaF2等脱硫率：40-80S可脱除到9050ppm。,经脱硫处理过的铁水(S90ppm)在氧气转炉炼钢过程基本不能够脱硫，由于废钢、残渣、耐火材料等带入硫，炼钢过程回硫 可达1030ppm。仅具有铁水脱硫预处理很难经济地生产超 低硫钢，炼钢后的二次精炼脱硫对于生产超低硫钢是不可缺少的工序。,吹炼开始后回硫进行得很快，在开吹后10min里，S几乎呈直线上升,第一炉 第二炉,炉渣碱度对回硫有重要的影响,第一炉 第二炉,带入硫量分析 ：,炼钢炉料中的硫主要来自废钢、铁水渣 和铁水，石灰等带入的硫很少。,由此可知：,1)回硫主要发生在吹炼的前半期；2)吹炼前半期炉渣碱度低是促使回硫的重要原因，如 能在吹炼前期快速将碱度提高到2.3以上，将能够减 轻回硫；3)炉料中的硫主要来自废钢和脱硫渣，减少带渣对抑 制回硫十分重要。4)冶炼超低硫钢时应采用减少废钢用量或使用低硫优 质废钢、尽可能减少铁水带渣方法。,80kg级优质高强度钢生产工艺流程,NKK福山厂250吨LF炉生产极低硫钢(S5ppm)工艺,3(CaO)+2Al+3S=3(CaS)+(Al2O3),（1）,因为，,（2）,代入（2）式，得到,（3）,定义：,要获得高的(S)/S,由（3）式得到：,Al含量要高；温度要高；炉渣(S.P.)值要低。,在60CaO10SiO230Al2O3处，炉渣的(S.P.)值最低 (0.1左右)。,脱氧与钢中非金属夹杂物,脱氧的必要性, 在氧气炼钢过程均采用向金属熔池供氧以氧化去除铁 液中碳、硅、磷等杂质； 为获得高的反应效率，必须供入充足的氧； 在冶炼临近结束时，钢液实际上处于“过度氧化”状态。,1650C时，O饱和0.238,实际炼钢生产中钢液的溶 解氧含量O低于O饱和；钢液O含量除与温度有关 外，还与钢液其它组元含 量、炉渣氧化性、氧气炼 钢供氧参数等有关；冶炼结束时O含量存在一 波动范围；以氧气底吹转炉为例，当 终点C含量在0.02 0.10之间时，O含量在 0.080.01之间。,固体钢中氧的溶解度变化,铁凝固后氧在固体 铁中的溶解度显著 降低；铁中氧的溶解度 最大约为80ppm；铁中氧的溶解度 最多为25ppm；铁中氧的溶解度 仅约为34ppm。,这意味着在凝固以及随后的冷却过程，铁液中的溶解氧几乎全部均要由Fe中析出。,氧对钢性能的影响,氧是在钢的凝固过程偏析倾向最严重的元素之一，氧的偏析系数（1O固体钢/O钢液）为0.98。,在钢凝固和随后的冷却过程， 由于溶解度急剧降低，钢中 原溶解的绝大部分氧以铁氧 化物、氧硫化物等微细夹杂 物形式在奥氏体或铁素体晶 界处富集存在；氧化物、氧硫化物等微细夹 杂物会造成晶界脆化，在钢的加工和使用过程容易成为 晶界开裂的起点，导致钢材发生脆性破坏；钢中氧含量增加会降低钢材的延性、冲击韧性和抗疲劳 破坏性能，提高钢材的韧脆转换温度，降低钢材的耐 腐蚀性能等。,钢液的脱氧,在氧化冶炼完成后，必须对钢液进行脱氧，将钢液的氧含量降低到较低的水平。,对钢液进行脱氧目前主要有三种方法：,（1）直接（沉淀）脱氧法；（2）扩散脱氧法；（3）真空脱氧法。,直接（沉淀）脱氧是用与氧亲和力较铁与氧亲和力强的元素作脱氧剂，脱氧剂与钢液中的氧直接作用，发生脱氧反应，反应产物由钢液上浮排除，从而达到脱氧目的。,其中，M：脱氧元素； O：钢液氧含量。,沉淀脱氧是目前广为采用的脱氧方法。脱氧时将脱氧剂以铁合金形式直接加入到钢液中，某些比重较轻或较易气化的脱氧剂（例如铝、钙、镁等）则多采用向钢液喂丝或喂包芯线方法加入至钢液中。沉淀脱氧反应速度快，操作简便，成本较低，但由于部分脱氧产物会滞留在钢中。,扩散脱氧是向炉渣中加入碳粉、硅铁粉、铝粉等脱氧剂，降低炉渣的FeO含量。由氧在渣钢之间的分配平衡关系式可知，当渣中FeO含量不断降低时，钢中的氧即会向炉渣中扩散，以维持氧在渣钢间的分配平衡，从而达到钢液脱氧的目的。,扩散脱氧方法目前主要应用于钢水炉外精炼。扩散脱氧的优点是脱氧产物不玷污钢液，缺点是脱氧速度较慢。,真空脱氧是指将钢液至于真空条件下，通过降低CO气体分压，促使钢液内CO反应继续进行，利用CO反应达到脱氧的目的。,真空脱氧方法的最大特点是脱氧产物CO几乎全部可有钢液排除，不玷污钢液。缺点是钢液温度损失较大，且投资和生产成本较高。,COCO,元素的脱氧能力,脱氧反应式：,平衡常数式：,当脱氧产物为纯氧化物或呈饱和态时，aMxOy1，钢液中M、O活度系数取为1，,取Km的倒数，,K称为脱氧常数，用以判断元素的脱氧能力。,元素的脱氧能力：一定温度下与一定浓度的脱氧 元素相平衡的氧含量的高低。,脱氧常数K值愈大，与一定浓度脱氧元素M相 平衡的钢液O含量愈高，元素的脱氧能力愈 弱。反之，脱氧常数K值愈低，则元素的脱氧能力愈 强。,GABT (KJ/mol),单独元素的脱氧,脱氧产物活度为1的条件下，元素脱氧能力：,Ca Al Ti C Si V Cr Mn,脱氧产物与脱氧元素含量的关系,在脱氧元素含量低，O含量高时，发生以下反应：,脱氧产物有：,FeOMnO、FeO Al2O3、FeO SiO2、FeO V2O3、FeO Cr2O3等。,脱氧元素不同含量下的脱氧产物组成,三次脱氧产物：,钢液凝固时，在固液两相区仍可以继续进行脱氧反应，由此生成的脱氧产物。,一次脱氧产物：,加入脱氧元素，立即发生脱氧反应生成的脱氧产物。,二次脱氧产物：,随着温度下降，平衡发生移动，脱氧反应得以继续进行，由此生成的脱氧产物。,锰的脱氧,Mn+O=MnO(l)G=285025126.84 T,脱氧能力很低；局部锰含量高，可局 部脱氧；随温度降低，锰脱氧 能力增强；与硅、铝同时使用， 增强硅、锰的脱氧能 力。,硅的脱氧,Si+2O=SiO2(s)G=585700226.86 T,具有较强的脱氧能力；随温度降低，脱氧 能力增强；为绝大多数钢种采用。,铝的脱氧,2Al+3O=Al2O3(s)G=1243660394.7 T,非常非常强的脱氧 能力；随温度降低，脱氧 能力增强；为大多数钢种采用。,复合脱氧剂的脱氧,1、硅锰复合脱氧,硅比锰的脱氧能力强，但是用硅锰同时脱氧，可以降低SiO2的活度，得到更低的残余氧含量。,3、脱氧产物的去除,由钢液中夹杂物的排除速度，传统认为服从Stokes定律。,上浮速度与夹杂物和钢液之间的密度差成正比，与夹杂物尺寸的平方成正比，与钢液的粘度成反比。,(1) 上浮去除,由于钢液的粘度、钢液和夹杂物的密度差不会有很大的变化，所以长时期来认为主要靠增加夹杂物的颗粒半径才能有效去除夹杂物。液态的夹杂物容易凝集长大，采用复合脱氧剂的目的之一就是得到液态的脱氧产物。,Stokes定律不是在一切范围都适用的规律，它的应用范围要求符合以下条件：,1)颗粒为球形；2)颗粒和流体的相对速度较低，即雷诺数(Re) 在2以下；3)颗粒与流体分子之间没有滑移。,m：钢液密度，kg/m3；v:：夹杂物上浮速度，m/sd：夹杂物当量直径，mm：钢液粘度，Pa.s,取：,m为7100kg/m3， s为3000kg/m3，m为0.005Pa.s。,由联立方程：,得到：,即夹杂物大小不超过147m，其上浮速度服从Stokes定律。,(2)夹杂物上浮与界面张力的关系,实践中发现高熔点的Al2O3夹杂物由钢液中排除的速度非常快。,Al2O3夹杂物上浮快的原因：,与钢液之间界面张力大；生成簇群状夹杂物。,(3)熔渣吸收非金属夹杂物,熔渣与钢液作用，有的熔渣能够吸收夹杂物，有的熔渣反而增加钢中的夹杂物。,钢液中夹杂物颗粒进入熔渣被吸收，自由能变化为：,式中，n为钢液膜破裂前夹杂物与其接触的表面所占比例，G溶解与渣的自由能变化，为钢液膜厚度。,(1),(1),夹杂物进入熔渣的过程中，n值从零变到1。当夹杂物排入熔渣之前，将钢液面弯曲(曲率半径为r)，进入熔渣后钢液面又变平。,夹杂物进入熔渣为自发过程时，Gs 0，即,(3),(2),影响熔渣吸收夹杂物的因素：,夹杂物溶解于炉渣的自由能变化夹杂物尺寸r；钢液夹杂物间界面张力m-i；钢液炉渣间界面张力m-s；夹杂物熔渣间界面张力i-s。,(4)搅拌的影响,增强搅拌，钢液运动会促使夹杂物的聚集和上浮。,实际生产中广泛采用吹氩、真空等方法搅拌钢液。,锰同样能提高铝的脱氧能力，锰硅同时存在时可进一步提高铝的脱氧能力。,钙硅复合脱氧,Ca+O=CaO(s),G=628696227.25 T,非常强的脱氧能力；炼钢温度下Ca的蒸汽压 很高(1.63.7大气压);Ca在钢液中溶解度很低 (0.150.16%)；仅用Ca脱氧损耗很大。,氧气底吹转炉炼钢法优于顶吹法之处：,熔池搅拌力强，相当或大于顶吹法的10倍，熔池的成分、温度均匀、操作平稳，可防止喷溅和金属损失。 脱碳速度快，熔池碳氧反应更处于平衡状态，更适合于冶炼低碳钢，即使转炉终点%为0.010.02时(质量分数)，也不会出现渣、钢过氧化现象，且有较高的残锰收得率，因此比氧气顶吹转炉炼钢法有更高的钢水和合金收得率。70年代开始，西德、美国、法国、比利时、瑞典和日本相继投产了一些氧气底吹转炉。,氧气底吹转炉炼钢法自身的缺点,由于熔池上方形成不了类似顶吹法时的熔状区，因此，脱磷困难。 由于仅极少量CO在炉内燃烧成CO2，因此产生热量比顶吹法低，废钢比低于顶吹法4%左右。 由于使用碳氢化合物冷却喷嘴，因此钢水H比顶吹法高。,主原料：铁水、废钢辅助原料：石灰、白云石 萤石、铁矿石 等吨位：25300t顶吹O2：33.5m3/min.t吹炼时间：1525min炉龄：200020000次,铁水温度：12001300钢水温度：16401720,主要化学反应：,C1/2O2COCO2CO2SiO2(SiO2)Mn1/2O2(MnO)2P5/2O23(CaO)(3CaOP2O5)Fe1/2O2(FeO)S(CaO)(CaS)O,不需外供热源,顶底复合吹炼技术的分类,顶吹氧、底吹惰性气体法顶吹氧气，底吹气体为N2、Ar及CO2弱氧化性气体 。该技术为加强搅拌型复吹方法，代表技术有LBE、LD-KG、LD-OBT、NK-CB、LD-AB 。顶底复合吹氧法该技术是指顶底同时吹氧、在底吹氧的同时也可吹入部分熔剂，属于强化冶炼型的复吹方法。代表技术有BSC-BAP、LD-OB、LD-HC、STB、STB-S、TB-P、K-BOP等顶底吹氧、喷加燃料法该技术指顶吹氧、底吹或侧吹氧，同时底喷或加入燃料，属于增加废钢型的复吹方法。代表技术有OBM-S、KMS、KS等。,复吹的特征参数,将碳的优先氧化参数值，即ISCO值(最初用于底吹转炉)作为复吹转炉的特征参数：,氧气流量,冷却气体流量,钢水重量,熔池混匀时间,不同吹炼方式值与混均时间关系图,复吹供气元件,供气元件大致可分为如下三种类型:钢管型供气元件常用的有单管式、双层套管、环缝管等。 砖型供气元件砖型供气元件包括弥散型、砖缝组合型及直孔型透气砖。 多微孔透气塞式供气元件。综合钢管型和砖型供气元件的优点，微管直径为1.5mm 4mm 它具有供气阻力小、气体流量调节范围大，气密性好等特点，同时有利于蘑菇头的生产和连接，减少烧损，延长寿命。,供气元件演变过程示意图,转炉复吹和无复吹时的终点碳氧平衡,各种冶炼方法终点锰碳关系,磷分配系数与渣中氧化铁含量的关系,硫分配系数与渣中氧化铁含量的关系,三种典型气体供电曲线,复吹的优点,渣中含铁量降低2.5%5.0%；金属收得率提高0.5%1.5%；残锰提高约0.02%0.06%；石灰消耗减少310 kg/t；磷含量降低约0.002%；降低氧耗约8%；减少耐材消耗，提高炉龄。,