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冶金炼钢培训手册

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2020年6月23日
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炼钢培训材料

一、 钢与铁的区别
钢与铁区别主要体现在碳含量的不同上, 钢与铁之间没有很明确的一致公认的界限。
炼钢教科书对钢的定义是,以铁为主要元素, 碳含量一般在2%以下0.02%以上, 并含有其它元素的统称。
根据Fe-O相图的划分, 碳含量在2.11%以下的成为钢, 在2.11%以上的成为铁。
碳含量大于1.4%的钢很少使用, 碳含量小于0.02%的钢称为工业纯铁, 它是电器、 电讯、 电工仪表用的磁性材料。
基本知识
1、 GB国家标准代号 YB 原冶金工业部标准
2、 Q235A: 其中Q: 屈服强度, 235: 屈服强度值 。
　　HRB 335: 　H、 R、 B分别为热轧、 带肋、 钢筋英文首位字母, HRB: 热轧带肋钢筋　335: 屈服强度值
3、 碳含量小于0.25%是低碳钢, 在0.25-0.60%之间为中碳钢, 大于0.60%是高碳钢
4、 合金钢分为低合金钢、 中合金钢、 高合金钢
　　　合金含量总量小于3%称低合金钢, 在5-10%称中合金钢, 大于10%称高合金钢。
5、 钢的微合金化
　　　一般指在原有主加合金元素的基础上再添加微量的铌( Nb) 、 钒( V) 、 钛( Ti) 等碳氮物形成元素, 使其对钢的力学性能有影响或耐蚀性、 耐热性起有力作用。
6、 不锈钢
不锈钢不生锈, 原因是钢中含铬, 含铬12.5%, 低于此量就不叫不锈钢。工业上应用的不锈钢含铬在12-30%之间。一般把能够抵抗大气腐蚀的含铬在13%的钢叫不锈钢, 含铬在17%以上的钢叫耐酸钢, 统称不锈耐酸钢。
7、 夹杂物评级中A、 B、 C、 D类夹杂物分别属硫化物类、 氧化铝类、 硅酸盐类、 球状氧化物类。每类夹杂物按厚度或直径分为细系、 粗系两系列, 用字母e表示粗系夹杂物。每个系列由表示夹杂物含量递增的五级图片( 1级至5级) 组成。
二、 炼钢方法分类
平炉炼钢法、 电炉炼钢法、 转炉炼钢法, 转炉炼钢法是当前国内外最主要的炼钢法。
三、 转炉炼钢工艺流程

高

炉

混铁
炉

氧气 废钢
轧
钢
厂

钢铁产品
连铸
转炉
铁水

石灰、 白云石、 莹石等

转炉产品代表品种
低碳拉丝用钢: Q215A、 Q195、 H08A、 LS、 棉打钢
低合金低合金高强度: Q345A、 LZ等
普碳: HPB235、 Q235A、 Q175、 挡板专用钢等
低合金类建筑用钢: HRB335、 HRB400等

四、 炼钢基本原理
1、 矿石 → 铁
Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2,
FeO +C=Fe+CO
2、 铁 → 钢: 脱碳、 磷、 硫、 氧, 去除有害气体和夹杂; 提高温度; 调整成分。
碳溶于铁的反应: FeC3=3[Fe]+[C]
脱碳反应: O2 +2C=2CO
O2 +[Si]=Si O2
O2 +[Mn]=Mn O2
脱磷反应: 2[P]+ 5(FeO)+3(CaO)=(3CaO.P2O5)+5[Fe]
脱硫反应: [FeS]+ (CaO)= (FeO)+ CaS 2CaS+ 3O2 =2S O2+2CaO
脱硫、 脱磷都需高碱度、 大渣量, 不同的是脱硫需要高温, 低氧化铁, 而脱磷则需要低温, 高氧化铁。
脱氧反应: O2 +[Si]=Si O2 O2 +[Mn]=Mn O2 2AL+O3= AL2O3….

五、 炼钢基本任务
炼钢就是经过冶炼降低生铁中的碳和去除有害杂质, 再根据对钢性能的要求加入适量的合金元素, 使其成为具有高的强度、 韧性或其它特殊性能的钢。
v 去除杂质: 脱磷、 脱硫、 去除气体( 脱氧、 氢、 氮) 和非金属夹杂物。
v 脱碳并将其含量调整到一定范围。
v 调整钢液成份和温度。
v 将钢液浇铸成质量合格的钢坯。

1钢中硫
硫在晶界产生低熔点的共晶化合物FeO-FeS熔点940℃, 低于轧、 锻温度1150左右, 因此热加工时在钢坯内液体处开裂, 称之为热脆。
2钢中磷
磷的突出危害是产生冷脆, 在低温下, 磷越高, 冲击性能降低越大。
3 钢中氧
一般测定的钢中的氧是全氧, 包括氧化物中的和溶解的氧, 使用浓差法定氧时测定钢液中溶解的氧, 在钢坯、 材取样分析的是全氧。在标准中一般不规定含量值。
4钢中氮
在低碳钢中, 增大氮会降低冲击值ak,产生老化现象。
5 钢中氢
钢中氢可使钢产生白点( 发裂) 、 疏松、 气泡, 使钢变脆。
6夹杂物
随着科学技术和经济的发展,人们对钢的纯净度要求越来越高。由于生产过程环境及工艺自身的影响,钢中存在非金属夹杂物是不可避免的。非金属夹杂的存在破坏了钢的连续性和致密性,对钢的性能有着重要的影响,甚至是决定性的影响。
所谓洁净钢或纯净钢是指钢中纯净度控制严格, 杂质元素[S]、 [P]、 [H]、 [N]、 [O]含量低, 总量在100ppm以下;而且要严格控制钢中非金属夹杂物, 数量少、 尺寸小、 形态要控制为点球状不变形夹杂, 洁净钢高。

夹杂物分内生夹杂物、 外来夹杂物
钢中内在夹杂的主要来源是: 冶炼过程元素被氧化及脱氧形成氧化物。内生夹杂物的特征是: 分布相对来说较均匀 、 颗粒相对而言较细小、 较晚形成的夹杂物多沿初生晶粒的晶界分布
广义上讲, 把浇注过程中钢水与空气、 耐火材料、 炉渣之间的相互化学反应生成的氧化产物.使钢水重新被污染的过程叫二次氧化。留在钢中的二次氧化产物一般称为外来夹杂。

冶炼洁净钢应根据品种和用途要求, 在铁水预处理-炼钢-精炼-连铸的操作都应处于严格的控制之下, 炼钢环节主要控制技术如下:
(1)铁水预处理, 入炉铁水硫含量应小于0.005%甚至小于0.002%。
(2)转炉复合吹炼和炼钢终点控制, 改进脱磷条件, 提高终点成分和温度一次命中率, 降低钢中溶解氧含量, 减少钢中非金属夹杂物数量。
(3)挡渣出钢, 防止出钢下渣可避免回磷和提高合金吸收率。
(4)钢包渣改质, 出钢过程向钢流加入炉渣改质剂, 还原FeO并调整钢包渣成分。
在实际生产中,由于钢中非金属夹杂的存在,还会产生一些现场废品和质量降级的判断,造成企业的经济损失,因此,对于连铸坯中的非金属夹杂研究必须给予高度重视。

碳( C) : 是对钢的性能影响最大的基本元素。若多炉浇注时, 各炉之间钢水中碳含量差别要求小于0.02％。钢中C=012～0.17％, 连铸坯易产生纵裂、 角裂, 甚至造成漏钢事故。为了减少这类钢对裂纹的敏感性, 一般在保证机械性能的前提下, 把钢的含碳量控制在0.16～0.22％范围内, 而把锰( Mn) 含量提高到0.7～0.8％。
有害元素( 硫S、 磷P) 含量: S、 P是由原料中带入的。S对钢的热裂纹敏感性有突出的影响, S大于0.025％时, 钢的延展性有明显的下降, 铸坯裂纹加重; P会使钢的晶界脆性增加, 裂纹敏感性增强。因此, 对于连铸钢水要求S小于0.03％, 最好S小于0.025％, 或S+P小于0.05％才能防止铸坯产生热裂纹。
硅( Si) 、 锰( Mn) 含量控制: 硅、 锰含量既影响钢的机械性能, 又影响钢水的可浇性。首先要求把钢中硅、 锰含量控制在较窄的范围内( 波动值Si±0.05％、 Mn±0.10％) , 以保证连浇炉次铸坯中硅、 锰含量的稳定。其次要求适当提高Mn／Si比。Mn／Si大于3.0, 可得到完全液态的脱氧产物, 以改进钢崐水的流动性。因此, 在成份规格范围内, 调整Si、 Mn含量, 保持Mn／Si大于3.0, 以改进钢水的可浇性, 这是连铸硅镇静钢的一个特点。
钢中锰能抑制硫的有害影响, 消除[S]的热脆倾向, 增大Mn/S可有效降低裂纹敏感性。MnS的熔点是1610℃。

残余元素含量: 钢中残余元素如铜、 锡、 铅、 锑等, 一般是由废钢带入的, 而在冶炼中不能去除而残留在钢中。连铸坯在冷却过程中由于铁的氧化, 这些元素在晶界富集, 造成铸坯表面裂纹。因此应精选废钢或废钢搭配使用, 控制钢中铜小于0.2％, 锡、 砷、 锑含量小于0.10％。
微量元素: 为了改进钢的使用性能, 出钢合金化时, 有意加入微合金元素, 使其在钢水中保持其一定含量, 如钢中含有微合金元素铌Nb、 钒V, 可提高钢的韧性, 增加抗硫化氢腐蚀能力。
7钢中残余元素及其对钢性能的影响
1) 残余元素在钢中的偏析
许多残余元素在钢中是以偏析的形式存在并发挥作用的。除周期表中与铁靠近的几个过渡金属镍、 钴、 钨、 钼、 锰、 铬外, 多数残余元素在钢中均有较强的偏析能力; 这种元素的偏析过程, 既能够发生于钢液的凝固过程, 也能够发生于随后的固态相变, 后者需要较长的扩散时间。
不同的残余元素其偏析能力能够用偏析系数定量比较, 凝固偏析系数取决于残余元素在固相和液相两相之间的分配因数, 一般先结晶的固相中含有残余元素较少, 而后结晶的部分所含残余元素较多, 最后形成典型的铸锭偏析宏观结构。不同残余元素在钢中的凝固偏析因数见表1, 它是一个无量纲量, 等于Δc/c, 即不偏析时, 偏析因数为零。
　　在正常凝固条件下, 凝固偏析因数小于0.5一般不会产生严重的宏观偏析, 因此在铸锭的冒口部分主要偏析元素是硫、 磷、 碳, 其次有锑、 氮、 砷、 氢、 锡, 相应这一部分材料的硬度也将高于铸锭的其它部份。
相应于凝固偏析, 残余元素在固态相变或加热中, 也可能产生晶界偏析, 钢的第二类回火脆性主要就是磷、 锡、 砷、 锑在晶界上偏析脆化引起的。与凝固偏析相比, 由于残余元素只能做近程扩散, 因此这种偏析一般需要特定的温度和时间, 偏析的位置一般在原始奥氏体晶界等晶体缺陷位置。几种残余元素在晶界上的晶界富集因数亦列于表3, 它是一个无量纲量, 定义为晶界浓度与晶内浓度之比。根据Seah-Hondros模型, 晶界富集因数与残余元素在钢中溶解度成反比。利用经验关系lgβ＝algcm+b, 如果知道一种残余元素在钢中的固溶度, 就能够大致估计它的晶界富集因数。式中β为晶界富集因数, cm为残余元素的溶解度, a和b均为常数, 其中a＝-0.868, b＝0.898。
表1　残余元素在钢中凝固偏析的倾向和晶界富集因数
元素名称
凝固偏析因数
晶界富集因数
硫
0.98
25000
磷
0.87
200～750
碳
0.87
10000
锑
0.80
1000
氮
0.72
—
砷
0.70
250
氢
0.68
—
锡
0.50
250～750
铜
0.44
100～200
镍、 钼
0.20
—
锰
0.16
—
钨
0.10
—
钴
0.10
—
铬
0.05
—
钢中第三组元对残余元素在晶界偏析的影响很大, 根据Guttmann的工作, 镍、 锰、 铬、 钒、 钨、 钼、 钛、 锆对磷偏析的影响依序增强。而镍、 铬对锑在钢中的偏析程度亦有相当加强。由于硅、 锰对残余元素在晶界偏析的影响很大, 在现代超纯净钢概念中, 已将硅、 锰列入应控的杂质元素, 含量可控制在0.05 %以下。
2) 　残余元素对钢材高温塑性的影响
在生产实践中, 人们早已发现钢材的热加工性能与钢中的残余元素硫及铜含量有重要关系, 钢中这些残余元素含量一旦升高, 钢的锻造性能或热轧性能将严重恶化, 即所谓热脆现象。
由热力学数据可知, 所有全保留残余元素在合适的氧化性气氛下加热, 由于选择性氧化的结果, 均会富集于钢的表面。这由于伴随铁的氧化及氧的扩散过程, 未发生氧化的残余元素将逐渐沉积于金属基体与氧化皮的界面, 钢材加热时间越长, 氧化皮亦越厚, 相应在表面富集的残余元素也将越多。
除了铜以外, 大部分富集的残余元素会逐渐溶入钢材的表面形成富集层而不是形成低熔点液相。然而, 由于铜在钢中的溶解度低, 生产中经常能够发现钢表面有时能够形成一层沉积铜。如果钢的热加工(锻造或热轧)温度在铜的熔点(1083 ℃)以上则表面沉积的这层铜将形成液膜, 将润湿钢的表面并沿晶界向钢内部浸润, 最后导致严重的铜裂, 这是当前已发现的最严重的加工热脆性机制之一。铜在钢表面富集的程度, 取决于钢中的残铜量和钢坯加热时的氧化程度, 对传统的铸锭工艺, 钢材从开坯到最后成型一般至少要经二次高温加热时程, 而当代连铸工艺中, 连铸坯在步进式连续加热炉中长时间的高温氧化条件都有助于产生铜脆现象。由于钢材的正常轧制和锻造温度区间一般在1000～1150 ℃, 恰好落在铜的熔点范围。减轻铜脆的一个有效途径是提高铜合金的熔点, 其中镍和钼最为有效, 如果钢中残余元素仅有铜, 则只要残量大于0.35 %, 在正常轧制条件下, 轧坯表面即会出现严重的铜裂; 作为对比, 如果钢中含少量镍或钼, 其含量为铜含量的一半, 则含铜0.75 %的钢也能够顺利地进行热轧。反之, 钢中残余元素锡、 砷、 锑均会降低铜的熔点从而加强铜脆敏感性。然而如果钢中没有铜, 这些残余元素在微量情况下, 对钢材热塑性并未表现有显著影响。由Fe-Cu-C三元相图可见, 钢中碳含量越高, 奥氏体中铜的溶解度越低, 表现为铜脆敏感性也越高, 另外, 钢中碳含量较高, 有助于氧化下富集的铜层不发生氧化。
钢中硫含量过高时在热加工中亦会引起严重的热裂, 但它不是从表面, 而是从内部分生开裂, 其原因是生成液相的FeS, 其熔点仅为816 ℃, 这种低熔点相对钢奥氏体晶界有很好的润湿性, 因此这种热裂是一种沿晶裂纹, 钢材热加工温度如低于816 ℃, FeS为固相则不存在热裂, 反之如果热加工温度高于1038 ℃, FeS将在铁中重溶, 只有在816～1038 ℃区间, 含硫钢才进入热脆区。钢中添加足够的Mn元素, 将与硫形成高熔点MnS, 可有效降低或消除由硫引起的热脆。对普碳钢, 钢中碳含量为0.2 %时, 热脆最为严重, 碳含量低于0.2 %或高于0.2 %均可使钢的热塑性提高。
3) 残余元素对钢回火脆性的影响
合金钢中存在的微量残余元素是产生第二类回火脆性的主要原因, 在中温回火脆性区, 残余元素有足够的扩散能力, 如果有足够长的时间这些残余元素将逐渐由晶内向晶界偏析, 最终导致晶界脆化。在力学性能上, 反映为钢的韧—脆转变温度上升和冲击功下降, 在冲击断口上, 以沿晶断裂为其微观特征, 用俄歇电镜分析能够发现在断口表面, 有高浓度的残余元素富集。钢中含有硅及锰元素时, 将大大促进残余元素引起的第二类回火脆性。这可能是由于硅、 锰促进残余元素在钢中的扩散及偏析能力。相反, 钢中如果添加适量的钼, 一般为0.2 %～0.5 %, 则可有效地抑制第二类回火脆性。
引起第二类回火脆性的残余元素为磷、 锡、 砷和锑, 其影响强度亦按上述次序递减, 其原因可能与不同元素在钢中的扩散和偏析能力以及它们在钢晶界上的行为有关。一些研究结果表明, 能够用加权因数来评价残余元素对回火脆性的影响, 不同钢种各元素的加权因数亦不同。采用经验公式: K＝(Mn+Si)(10P+5Sb+4Sn+As), 式中浓度采用重量百分比含量能够定量估计残余元素对回火脆性的影响, 式中K值可定义为纯净度。由于一般锡、 砷、 锑的加权因数均小于磷, 故可将四种残余元素的总量加和, 作为钢材纯净度的一个指标。为了有效防止第二类回火脆性, 对于优质大型发电机转子用钢35NiCrMoV, 纯净度控制在K＝(1.6～4)×10-3能够有效地避免第二类回火脆性。
由于第三组元对残余元素晶界偏析致脆的促进作用, 这里特别强调应严格控制钢中的硅、 锰含量。锰含量将涉及钢的精炼及脱氧工艺的改进。
上述四种残余元素中, 只有磷在炼钢时能够除去, 其余三种都是属于全保留元素。当前由于尚无满意的技术能够经济地除去这些残余元素, 随着废钢的多次循环, 这些元素的残量在钢中将逐渐增多, 这种工业污染将导致下个世纪全球钢材性能的逐渐退化, 因此如何控制含锡废钢的使用, 如何对高锡或高砷钢水进行预处理, 如何有效控制钢材的工业污染问题, 即纯净钢工程, 应研究其有效对策。
4) 残余元素对钢材抗腐蚀性能的影响
从热力学分析, 钢水中所有全保留残余元素均倾向于减小钢在氧化性酸中的腐蚀速度。其原因是这类元素的氧化势要低于铁, 随着钢的选择性溶解, 钢中残余元素将逐渐在钢表面沉积, 由此逐渐减小钢的腐蚀速度。钢中残铜量如量超过0.15 %, 则酸浸后能够见到钢表面沉积一层粉红色的铜层。
然而, 残余元素对钢材耐蚀性的益处在实际使用中并无明显作用, 相反残余元素在钢材酸洗过程中却常引起不必要的麻烦。
与酸蚀情况不同, 残余元素能够有效地提高钢材抗大气腐蚀的能力, 这是因为它们可有效地影响钢材表面的锈蚀机制, 不含残余元素的钢材在户外锈蚀, 表面会形成一层松软的黄色锈层, 这种多孔的松软锈层很容易吸水, 且一旦吸水, 很难干燥。这种锈层的形成, 不但没有任何保护作用, 相反会加快进一步的锈蚀进程。钢中含有少量铜、 磷、 镍、 铬等残余元素, 在大气腐蚀条件下, 表面将形成一层较硬的黑色锈层, 与钢的粘着性好, 且非常致密, 不吸水, 这种致密连续的锈层, 对钢进一步锈蚀, 具有保护作用。在大气腐蚀情况下, 钢材锈蚀的主要原因是在自然条件下表面存在水膜, 而无水的干燥条件下, 钢材不锈蚀。钢中残余元素的作用恰恰能够延长钢表面处于干燥状态下的时间, 如果钢表面只是偶然被浇湿, 则这种作用就尤为明显, 室外挂片试验的结果表明, 钢中只要有残量铜(0.05 %)就可明显降低锈蚀速率, 在磷与铜共有时更为有效。由于铜对钢材耐蚀性方面的有利作用, 当前部分钢种采用铜作为合金元素。特别是耐大气腐蚀钢的磷铜钢。然而, 由于钢中的铜不能在冶炼中除去, 是否在冶炼中加铜来生产耐蚀钢, 则是应当仔细研究的问题。
5) 钢中残余氮和氢
钢中残余氮主要以两种形式存在, 一种是与残余铝形成AlN, 由于这种弥散的AlN粒子能够钉扎奥氏体晶界, 使之不易长大, 因此用铝脱氧的钢为本质细晶粒钢。对于纯净钢, 由于采用超纯净冶炼、 真空碳脱氧等一系列工艺手段, 钢中残余氧和氮很低, 而无须采用铝脱氧, 这时对纯净钢来讲, 由于钢中残余AlN过低的情况下, 热加工时应研究如何减小奥氏体晶粒粗化倾向。另一种是残余氮作为固溶原子吸附在位错线上, 它是低碳钢屈服及应变时效钢的主要原因之一, 如果在钢水中将残余氮除得很低, 或添加足够的活性元素钛, 钒或铌捕集这些固溶氮, 就能够得到无应变时效钢, 这对冷轧钢板的冲压成型工艺性能十分有利。尽管已有不少关于钢中微量氮的研究, 但它对钢材力学性能的影响依然有许多工作要做。
钢中残余的氢会引起高强度合金钢的延迟破坏, 这种破坏形式与氢在钢中的快速扩散和在缺陷位置的局部富集有关, 避免钢中的白点历史上曾经是高强合金钢生产的主要关键之一。当代由于转炉强沸腾冶炼及钢水真空处理, 钢中残氢含量已降到(2～3)×10-6, 因此钢中氢造成的损坏大部分是由于环境渗氢而引起。
钢中15种常见的残余元素, 这些元素在炼钢过程中分为全保留和部分保留元素, 其中8种全保留元素, 由于炼钢时不能除去, 将随废钢的循环在钢中逐渐积累。在8种全保留元素中镍、 钴、 钨、 钼能够提高钢的淬透性, 属于有益元素; 铜一方面能够引起钢材高温热加工时的铜脆, 但另一方面又能够提高钢材耐大气腐蚀的能力, 而钢中残余的锡、 砷、 锑属于有害元素, 它不但在钢中加强铜脆, 更重要的是它会导致合金钢的第二类回火脆性。在7个部分保留元素中碳、 锰、 硫、 磷是常规控制元素, 氮有利于钢奥氏体化时的晶粒控制, 但同时也会引起钢的应变时效现象。钢中的氢是一种有害无益的元素。控制钢中的残余元素的含量, 是代表现代炼钢工业的先进水平标志之一。

六 炼钢原材料
炼钢选用原材料的原则: 国内外大量生产证明, 贯彻精料方针是实现转炉炼钢过程自动化的和提高各项技术经济指标的重要途径, 原材料主要由: 铁水、 废钢、 造渣材料、 铁合金、 和氧气等。合理的选用原材料是根据冶炼钢种、 操作工艺及装备水平使之达到低的投入, 高质量产出的原则。
1、 原材料
( 1) 金属料
铁水, 一般允许装入量是总金属料的70%以上, [Mn]/[Si]为0.8～1.0时对冶炼的操作控制最有利。
废钢, 一般允许装入量不超过总金属料的30%。
铁合金: 硅铁、 锰铁、 硅锰合金、 硅钙钡等
( 2) 非金属料
造渣材料:
石灰主要成分CaO: 要求CaO≥85%, SiO2≤2%, S＜0.2%, 块度为 mm。
白云石要求: MgO≥20%, P、 S含量低, 块度为5-40mm
生白云石的主要成分CaMg( CO3) , 焙烧后为熟白云石, 主要成分MgO 、 CaO, 使用轻烧白云石最理想。
萤石( 主要成分CaF2) , CaF2≥85%, SiO2≤4%, S＜0.2%, 块度为5-40mm。
氧化剂: 氧气, 含氧量99.5%以上。
冷却剂: 废钢、 生铁块、 铁矿石、 氧化铁皮
增碳剂: 碳粉等
2 耐火材料
2.1耐火材料分类
酸性耐火材料、 碱性耐火材料、 中性耐火材料
2.2耐火材料性质
耐火度和荷重软化点、 高温抗折强度、 热震稳定性、 气孔率和密度、 抗渣性。
2.3连铸用耐火材料包括钢包用耐火材料、 中间包用耐火材料和功能用耐火材料。
钢包用耐火材料由永久层、 工作层、 渣线层、 包底层组成。
中间包用耐火材料由保温层、 永久层、 工作层、 包底层组成。工作层一般采用涂料和绝热板。第一炼钢厂采用的是涂料中间包。
功能用耐火材料 钢包用长水口、 透气砖; 中间包用浸入式水口、 定径水口、 塞棒。

七、 氧气顶吹转炉设备
氧气顶吹转炉炼钢工艺设备主要有以下四个系统构成:
1 转炉炉体与倾动系统
( 1) 转炉炉体金属结构包括炉壳、 托圈、 耳轴、 轴承座等四部分。
( 2) 转炉炉型是由耐火材料所砌成的炉衬内型, 俗称转炉 ”炉膛”的形状。按金属熔池形状的不同, 转炉炉型可分为筒球型、 锥球型、 截锥型。
( 3) 熔池直径D=k(G/t)1/2
其中k: 比例常数 一般取1.85～2.3, 下限适于大炉子, 上限适于小炉子。
G: 转炉装入量, t: 转炉供养时间。
( 4) 熔池深度H,
近似计算公式
筒球型: H=(V+0.046D3)/0.79 D2, 大型转炉多采用这种炉型。
锥球型: H=(V+0.0363D3)/0.70 D2
截锥型: H=V/0.574 D2, 小型转炉多采用这种炉型。
其中D: 熔池直径 m V: 金属熔池体积m3
( 5) 公称容量: 又称公称吨位, 有三种说法: 铁水废钢平均加入量, 平均出钢量, 平均产良坯量, 中国一般采用平均出钢量为炉子的公称容量。
( 6) 炉容比: 转炉有效容积V与公称容量T的比值。
炉容比过小, 会使喷溅和对炉衬的侵蚀加剧, 使供氧强度的提高受到限制; 过大, 设备厂房投资过大。一般情况下, 在0.85～1.05m3/t, 大炉子取下限, 小炉子取上限。
( 7) 高宽比: 指转炉总高度H总与炉壳外径D壳的比值。在1.35～1.65之间, 大炉子取下限, 小炉子取上限。
( 8) 出钢口尺寸
出钢口位置: 炉帽与炉身的连接处。
出钢口角度: 指出钢口中心线与水平线的夹角, 一般为15～25°,
出钢口直径: d=( 63+1.75T) 1 /2 , 其中T为转炉的炉容量。
( 9) 倾动机构
倾动机构类型: 落地式倾动机构、 半悬挂式倾动机构、 全悬挂式倾动机构

2 原材料供应系统
铁水、 废钢、 造渣材料、 铁合金等原材料供应。
铁水有铁水罐车、 混铁车( 鱼雷罐车) 、 混铁炉供应方式, 铁水罐车供应的特点是设备简单、 投资少, 但热损失严重, 粘罐现象较严重。混铁车( 鱼雷罐车) 供应投资比混铁炉少。以上两种方式在储存、 混匀铁水的作用都不如混铁炉。
混铁炉的容量一般是转炉吨位的整数倍, 并与高炉出铁量相适应, 混铁炉作用是:
Ø衔接高炉与转炉的铁水供应
Ø贮存铁水, 稳定转炉的生产节奏
Ø均匀铁水成份
Ø均匀铁水温度

3供氧( 氮) 系统
( 1) 制氧系统: 制氧机、 低压储气罐、 压氧机、 中压储气罐、 供氧管道等。
( 2) 氧枪: 拉瓦尔型喷头、 枪身、 枪尾。
拉瓦尔型喷头是一个先收缩后扩张的喷嘴, 由收缩段、 喉口、 扩张段三部分组成。
( 3) 副枪: 快速检测熔池温度、 定碳、 氧含量、 液面位置及取样。

4 烟气净化与煤气回收系统
转炉烟气处理方法有燃烧法、 未燃法。
转炉烟气净化方法分为: 全湿法、 干湿结合法、 全干法。
未燃全湿法( OG法) 烟气净化设备: 烟罩( 分活动、 固定) 、 烟道、 预热锅炉、 文氏管、 脱水器、 除尘风机等。
煤气回收系统: 静电除尘器、 煤气柜、 、 水封器、 烟尘及污水处理。
转炉烟气中含有大量的一氧化碳, 如果采用未燃法, 一氧化碳在烟气中的含量随着冶炼时间而增加, 达到峰值后又渐渐降下来。含量最高可达到90%, 平均70%左右, 当一氧化碳含量在60%左右时, 其热值可达到8000kJ/Nm3, 转炉烟气的温度为1450℃, 最高可达到1600℃。转炉烟气除尘系统是转炉炼钢工艺中不可缺少的部分, 它对转炉冶炼设备、 冶炼状况、 环境状况的影响是不可忽视的, 烟气除尘系统的运行从一个侧面反映了炼钢厂的设备管理水平的高低, 它对转炉炼钢有着直接的影响。转炉煤气净化回收系统工艺流程见图1:

图1　石钢30t转炉煤气净化回收系统流程图
1 汽化冷却烟道　2 溢流文氏管　3 一级弯头脱水器　4 R-D可调喉口文氏管　5 二级弯头脱水器　6 水雾分离器　7 鼓风机 8 液力偶合器　9 电机　10 三通网　11 回转水封　12 U形水封　13 煤气柜　14 烟囱　15 排水水封;
　　流程简述: 转炉冶炼过程中产生的烟气经炉口活动烟罩捕集到汽化冷却烟道, 由汽化冷却烟道出来的高温烟气经水冷夹套(内有喷嘴), 手动可调溢流文氏管后, 烟气饱和并降温到70℃, 经过一级90°弯头脱水器, 烟气得到初步净化。饱和后的烟气经R-D可调喉口文氏管、 二级90°弯头脱水器及水雾分离器, 烟气进一步被净化, 而符合排放标准。净化后的烟气经室外管道流入煤气风机, 当烟气成分中氧含量＜2%、 一氧化碳含量＞30%时回收入煤气柜, 否则放散。
　　为保证煤气回收的可靠性和安全性, 达到良好的回收目的, 设计中考虑了一系列连锁控制: 氧枪和烟罩的连锁;锁; 回收和放散切换的自控和连锁; 罩口微差压调节系统与冶炼操作的连鼓风机调速与冶炼操作的连锁; 煤气柜高低位连锁; 水封逆止阀与三通阀的连锁等

八、 氧气顶吹转炉工艺
转炉工艺
氧气顶吹转炉系统工序主要由装入制度、 供氧制度、 造渣制度、 温度制度、 终点控制及脱氧合金化等五大制度, 以及钢包精炼、 溅渣护炉和炉体维护主要工序组成。
吹炼过程中金属和炉渣成份及温度变化
冶炼过程大致分成三个阶段:
⑴ 吹炼前期: 指Si、 Mn氧化期。这一阶段中, 应设法提前化好渣( 形成一定碱度、 一定( FeO) 和( MgO) 的流动性良好的初期渣) 和均匀升温, 有利于去S、 P和减小初期酸性炉渣对炉衬的侵蚀。
⑵吹炼中期: 指C氧化期。C激烈氧化, 致使渣中( FeO) 含量降低, 容易出现炉渣”返干”, 并会引起喷溅。同时, C—O反应给脱S、 P创造了有利的动力学条件。
⑶终点控制: 在拉碳的同时, 确保P、 S含量和温度符合钢种的出钢要求; 控制好炉渣的氧化性, 使钢液中含氧量适宜, 以保证钢的质量。
炼好钢, 首先要造好渣, 才能达到C符合钢种要求范围, 去除S、 P有害元素, 以及调整到合适的出钢温度。
1． 装入制度:
装入制度是指转炉合理的装入量和合适的铁水与废钢之比。
装入量的选择依据:
(1).炉容比( V/T) : 指炉子的有效容积( V) 与平均出钢量( T) 之比, 单位是m3/t。
(2).合理的熔池深度
(3).与连铸浇铸及设备的匹配
国内外经常采用的装入制度:
(1).定量装入制度
(2).定深装入制度
(3).分阶段定量装入制度

根据炉役情况, 转炉基本实行分阶段定量装入制度, 根据铁水成分和热富裕程度, 适当调整铁水和废钢的入炉比例。

2．供氧制度:
Ø供氧制度是指把氧气流股最合理地喷向熔池, 使氧流与熔液间的物理化学反应具有良好的条件。所研究的内容包括供氧强度, 供氧压力, 枪位高低和喷嘴结构等方面。
Ø 氧气流量: 指单位时间向熔池供氧的数量。
氧气流量(m3/min)=每吨金属耗氧量( m3/t) ×出钢量( t) /供氧时间( min)
Ø 供氧强度: 指单位时间内, 每吨金属的耗氧量, 即每吨金属的氧流量。
供氧强度(m3/t.min)= 氧气流量(m3/min)/金属耗装入量( t)

Ø 氧枪: 是向熔池供氧的主要设备, 包括枪身和喷嘴( 喷头) 两部分。喷嘴是将高压低速气流转化为超音速氧射流的设备, 是一种压力——速度的能量转换器。我厂当前采用的四孔氧枪喷嘴的喉口直径是20.6mm, 马赫数为2, 枪孔中心线与氧枪中心轴线夹角是11°。
当前国内小炉子供氧压力为0.5-0.8Mpa, 大炉子供氧压力为0.85-1.1Mpa。

Ø氧气流股对熔池的作用
⑴ 直接传氧: 氧气被金属液直接吸收。
⑵ 间接传氧: 金属液被氧气氧化, 生成( FeO) , 一部分( FeO) 又被氧化成高价氧化铁。
Ø 枪位对炉渣中FeO含量及熔池温度的影响
⑴ 枪位与FeO的关系
为增加渣中( FeO) 含量, 往往降氧枪适当提高一些; 反之, 可采取低枪位操作。
⑵ 枪位与熔池温度的关系
枪位较低, 对熔池搅拌作用强烈, 反应速度快, 吹炼时间短, 熔池升温速度加快, 温度较高; 枪位较高时, 对熔池搅拌作用较弱, 反应速度缓慢, 吹炼时间延长, 熔池升温速度慢, 温度较低。
枪位确定的经验公式为:
H=( 25-55) d喉
H: 氧枪喷头距熔池液面的距离, mm
d喉: 氧枪喷头喉口直径, mm
Ø供氧操作:
当前有: 恒压变枪、 恒枪变压、 变压变枪三种操作类型。
恒压变枪: 供氧压力不变, 枪位高低变化。当前国内广泛采用的供氧操作。
恒枪变压: 枪位不变, 调节供氧压力大小
变压变枪: 在一基本枪位的基础上, 调节枪位、 供氧压力, 达到顺利冶炼的目的。由于变压变枪所产生的效果相互影响, 操作中不易做到精确控制。
一炉钢的吹炼一般分三个阶段, 各阶段的脱碳反应规律如下:
氧气顶吹转炉炼钢过程中碳氧反应主要是在三相乳化液中进行, 速度很快, 这是转炉炼钢的特点之一, 在转炉炼钢过程中的脱碳过程大致分为三个变化期。第Ⅰ期(硅锰氧化期), 脱碳反应速度随着吹炼的进行而不断加快。虽然这时金属中含碳量很高, 有利于碳的氧化反应, 因为此期温度低、 硅锰含量高, 而且硅、 锰与氧的亲和力大, 因此此期以硅、 锰的氧化为主, 同时经过氧化放出热量使熔池的温度逐渐上升, 而脱碳速度随着温度的上升和硅锰含量的下降而逐步提高; 第Ⅱ期(碳氧化期)脱碳速度稳定, 因为此期的熔池温度已提高到1450℃以上, 硅、 锰已被大量氧化, 熔池内硅、 锰所剩无几, 此时碳处于活泼状态, 加之由于碳氧反应产生的沸腾引起的强烈搅拌形成的乳浊液, 更使脱碳速度大为加快, 因此此期主要是碳的氧化, 其反应速度快而稳定, 脱碳速度大小取决于供氧强度; 第Ⅲ期(冶炼后期)碳的氧化速度呈直线下降, 因为此时碳经过第Ⅱ期的剧烈反应后已经下降到较低的水平, 到达反应界面的碳大为减少, 使脱碳反应变得困难, 脱碳速度下降, 这时碳的氧化速度与吹炼初期相似, 但取决于碳的浓度和扩散速度, 并与含碳量成正比。此期中, 脱碳速度取决于碳的多少。

根据生产节奏和生产需求灵活控制供氧强度, 当前20吨转炉的冶炼周期为21～23分钟, 40吨转炉的冶炼周期为23～25分钟。20吨转炉的供氧冶炼时间为12～13分钟, 40吨转炉的供氧冶炼时间为13～14分钟。

3．造渣制度:
炼好钢首先要炼好渣, 所有炼钢任务的完成几乎都与熔渣有关。炼钢造渣的目的是①去除钢中的有害元素P、 S②炼钢熔渣覆盖在钢液表面, 保护钢液不过度氧化、 不吸收有害气体、 保温、 减少有益元素烧损。③吸收上浮的夹杂物及反应产物。④保证碳氧反应顺利进行。⑤能够减少炉衬蚀损。
造渣制度是研究造渣方法, 加入渣料的种类、 时间和数量, 以及如何快速成渣, 达到最大限度地去除钢液中的S、 P, 缓和冶炼过程中的造渣速度与脱C速度之间的矛盾, 在极短的时间内造出具有一定碱度及氧化铁含量、 适当粘度和数量的炉渣的操作工艺。
Ø 炉渣在冶炼过程中的作用
Ø 炉渣的主要性质
　　⑴炉渣碱度: 渣中全部碱性物与全部酸性物之比, R=CaO%/SiO2%。
　　⑵炉渣的氧化性: 一般见渣中含氧化铁的多少来衡量 。
　　⑶炉渣的熔化温度: 炉渣的熔点一般是指完全转变成均匀熔体状态时的温度, 或在冷却时开始析出固体物时的温度。
　　⑷炉渣的粘度: 炉渣流动性的好坏是以粘度来表示的。
　　⑸炉渣泡沫化: 使气-渣-金属间界面得到很大提高, 从而加速了炉内化学反应速度, 能获得良好的冶金效果。
Ø炉渣的形成
Ø原则是”初期早化渣, 过程渣化透, 终渣物化, 出钢挂上” 。
　　⑴ 成渣过程
　　⑵ 加速石灰熔化的途径

转炉一般实行单渣操作。根据铁水成分中的硅、 硫和铁水装入量配加石灰, 提供合适的熔渣碱度( 3.5左右) , 达到冶炼要求。
渣料主要包括: 石灰、 白云石、 铁矿石、 萤石组成。
石灰主要作用是经过化学反应去除铁水中的Si、 P、 S等元素。
白云石主要用于调整熔渣中MgO含量, 达到保护炉衬和溅渣护炉的终渣要求。
铁矿石主样用于降温作用保证终点温度命中。
萤石主要的作用是化渣, 转炉需要造适当泡沫化的熔渣, 萤石作为助熔剂的优点是化渣快, 效果明显, 一般不大于石灰加入量的10%, 用量过多, 对炉衬又侵蚀作用。
渣料消耗主要受铁水和废钢的条件影响。铁水硅低、 硫低渣料消耗就低。
氧气顶吹转炉的首要任务,便是要求迅速造好具有一定碱度和氧化性、 流动性良好和数量足够的熔渣。合适的碱性渣能够延长炉衬寿命、 加速溶池中的传热与传质、 有效地发展熔体的乳化、 减轻喷溅并达到早期大量脱除磷和硫的目的。这些均要求块状石灰能迅速溶化,并形成适合以上要求的熔渣。因此,加速石灰的熔解过程是快速成渣的关键。
吹炼初期,液态渣主要来自Fe、 Mn、 Si的氧化,渣量少而渣中SiO2的浓度很高。初期渣凝固试样的矿物组成是含FeO、 MnO很高的钙镁橄榄石、 2(FeO、 MnO、 MgO、 CaO)*SiO2和玻璃体。大量的冷态石灰加入后,立即在石灰块表面生成一层渣壳。渣壳的加热和熔化需要一定时间(称为滞止期