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你不知道的秘密——炼钢的原理
作者:建筑钢材 浏览量: 发布日期:2019-11-15

炼钢先炼铁。钢从生铁而来。用铁矿石冶炼而得的生铁,含碳量较高(>2.08%),而且含有许多杂质(如硅、锰、磷、硫等)。因此,生铁缺乏塑性和韧性,力学性能差,除熔化浇铸外,无法进行压力加工,因而限制了它的用途。为了克服生铁的这些缺点,使它在工业上能起到更大的作用,还必须在高温下利用各种来源的氧,把它里面的杂质氧化清除到一定的程度,以得到一定成分和一定性质的铁碳合金——钢。这种在高温下氧化清除生铁中杂质的方法叫炼钢。
 

炼钢的基本原理

生铁中的各种杂质,在高温下,在不同程度上都与氧有较大的亲和力。因此可以利用氧化的方法使它们成为液体、固体或气体氧化物,液体和固体氧化物在高温下与炉衬和加入炉内的熔剂起作用,结合成炉渣,并在扒渣时被排除炉外,气体也在钢水沸腾时被CO带到炉外。

在炼钢炉内,杂质的氧化主要是依靠FeO的存在而实现的。

2Fe+O2→2FeO

 
硅元素的氧化

硅与氧有较大的亲和力,因此硅的氧化很迅速,它在冶炼初期就已经完全被氧化而生成SiO2

>>Si+2FeO→SiO2+2Fe

同时SiO2又和FeO反应形成硅酸盐:

>>2FeO+SiO2→2FeO·SiO2

这种盐是炉渣中很重要的一部分,它与CaO作用生成稳定化合物2CaO·SiO2和FeO,前者牢固存在于炉渣中,后者变成了渣中的游离成分,使渣中FeO的含量增加,对促进杂质的氧化是比较有利的。其反应如下:

>>2FeO·SiO2+2CaO→2CaO·SiO2+2FeO

 
锰元素的氧化

锰也是易氧化的元素,它所生成的MnO有较高的熔点,MnO在金属液中并不溶解,但是它与SiO2形成化合物浮在液体金属表面,成为炉渣的一部分。

>>Mn+FeO→MnO+Fe

>>2MnO+SiO2→2MnO·SiO2

硅、锰的氧化反应放出大量的热,可以使炉温迅速提高(这一点对转炉炼钢特别重要),大大加速了碳的氧化过程。

 
碳元素的氧化

碳的氧化需要吸收大量的热能,所以必须在较高的温度下才能进行。碳的氧化又是炼钢过程中很重要的一个反应:

>>C+FeO→CO+Fe

由于碳氧化时生成了CO气体,它从液体金属中逸出时起强烈的搅拌作用,这种作用叫做“沸腾”。产生沸腾的结果,可以促使熔池成分和温度均匀,加速金属与炉渣界面的反应,同时也有利于去除钢中气体和夹杂物。

 
磷元素的氧化

磷的氧化在不太高的温度下即可发生,去磷过程由几个反应组合而成,其反应如下:

>>2P+5FeO→P2O5+5Fe

>>P2O5+3FeO→3FeO·P2O5

当在碱性炉渣中有足够的CaO时会发生如下反应:

>>3FeO·P2O5+4CaO→4CaO·P2O5+3FeO

所生成的4CaO·P2O5是稳定的化合物,它牢固地保持在炉渣中,因而达到了去磷的目的。

必须注意,钢水在脱氧过程中,要加入硅铁、锰铁等脱氧剂,因而常常在脱氧以后,炉渣呈现酸性,而使3FeO·P2O5遭到破坏,从中还原出P2O5,而P2O5是不稳定的氧化物,它在高温下易被碳还原,产生回磷现象。这也说明了在酸性炉内去磷是十分困难的。为了防止这种现象的产生,必须适当地增加炉渣碱度和渣量,提高炉渣氧化性等。

 
硫元素的氧化

硫是以FeS的形式存在。当炉渣中有足够的CaO时,同样也能将硫去除,反应如下:

>>FeS+CaO→CaS+FeO

生成的CaS并不溶于钢水中,而形成了炉渣浮在钢水表面。

上面这个反应是可逆反应,而且是在含有FeO的炉渣中进行的,当FeO与CaS发生作用时,会使硫重新回到钢水中,所以去硫效率随渣中FeO的含量减少而增高。而渣中含有足够的碳时,反应就不同了:

>>CaO+FeS+C→CaS+Fe+CO

由于碳夺去了FeO中的氧,失去了CaS与FeO作用的可能性,使反应不能逆向进行,这就是为什么电炉炼钢时去硫要比其他两种方法来得完全的原因。

在去硫过程中,锰也起了促进去硫的作用,其过程如下:

>>FeS+MnO→MnS+FeO

生成的MnS几乎不溶于钢水而进入渣中。因此,去硫的作用随锰的氧化而加大。

 
FeO的脱氧

通过上述一系列氧化反应以后,虽然杂质被氧化了,达到了去除的目的,但是也由于氧化的结果,使钢水中含有较多的FeO,也就是说钢水中存在着大量的氧,给钢带来很大的危害,一方面使钢带有大量气泡;另一方面也使钢出现热脆和冷脆现象,而且危害性随含碳量的增加而加大。

因此,在炼钢过程的最后,还必须设法去除钢水中大量存在着的氧。通常采用的方法是在钢水中加入一些脱氧剂,如锰铁、硅铁、铝等,它们强烈地从FeO中夺取氧而达到脱氧的目的,其反应如下:

FeO+Mn→MnO+Fe

2FeO+Si→SiO2+2Fe

3FeO+2Al→Al2O3+3Fe

 
炉渣的作用

整个炼钢过程由氧化和还原两个过程组成,通常把碳、硅、锰、磷的氧化称为氧化期内的反应,把脱硫和脱氧称为还原期内的反应。从以上各项反应式中可以看到,为了清除金属中的杂质,必须考虑多方面的因素,但是其中最主要的因素就是造渣和除渣。

炉渣在炼钢过程中具有下列重要作用:

①炉渣应保证炼钢过程按一定反应方向来进行(氧化或还原)。

②炉渣应保证最大限度地去除金属中的有害杂质(磷和硫),以及防止炉气中的气体(氮气和氢气)进入到金属中。

③炉渣应保证操作过程中铁和其他有价值的元素损失最小。

炼钢的基本方法

①转炉炼钢

转炉炼钢法就是利用空气或氧气,采取底吹、侧吹和顶吹的方式,使铁水中的元素氧化到规定限度,从而得到成分合格的钢的一种炼钢方法。

②电炉炼钢

电炉是利用电能转变成热能来炼钢的,常用的电炉有两种:电弧炉和感应电炉。电弧炉用得最广,宜于冶炼优质钢和合金钢;感应电炉用于冶炼高级合金钢和有色合金。

③平炉炼钢

随着工业的发展,金属加工工业中积累了大量废钢。当时无法用转炉将它重新吹炼成钢,因此炼钢工作者们就寻找一种用废钢作原料的炼钢方法。1864年由法国人马丁发明了平炉炼钢法。

氧气顶吹转炉炼钢法的迅速发展,将要取代平炉炼钢法,我国新建的炼钢车间大都是氧气顶吹转炉和电炉。

随着科学技术的进步,新的炼钢方法不断出现,比如钢水的真空处理、电渣炉熔炼、真空感应电炉熔炼等方法,得到了越来越多的使用。

钢锭的浇铸

从炼钢炉中得到的钢水,必须铸成一定形状的锭才能进行后续的加工(轧、压成材)。这种处在钢水和出厂钢材中间状态的锭,称为钢锭。钢锭由钢液(钢水)经盛钢桶(也称钢包)注入铸模凝固而成。

用铸模铸成钢锭的工艺过程简称为铸锭或模铸;用连续铸钢方法铸成坯的工艺过程简称连铸

模铸工艺过程

首先将炼钢炉内的钢水转入钢包,然后将钢包吊至钢锭模上方,再间断地将钢水分别浇入单只或多只钢锭模中;钢水凝固后,将钢锭脱模,脱模后的钢锭经切头去尾,送入加热炉加热,最后经一道或多道初轧开胚,得到钢胚。

用于生产棒材和型材的钢锭一般为正方断面(称为方锭);生产板材的钢锭一般为长方形断面(称为扁锭);生产锻压材的钢锭有方形、圆形和多角形。

钢锭浇铸过程伴随有各种物理化学现象:如热的传导,体积收缩,钢液流动,碳氧反应,成分偏析等。由此形成不同的结晶结构和成分分布。

在铸锭过程中由于操作不当或注速、铸温控制不当,会使铸成的锭有种种缺陷。常见的缺陷为:钢锭表面的结疤、重皮和纵、横裂纹,内部的残余缩孔、皮下气泡、疏松和偏析,混入钢中的耐火物和炉渣、灰尘造成的夹杂等。这些缺陷能大大降低钢锭的成坯率,甚至使整个钢锭报废。

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