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鋼的冶煉過程

2016-11-9 21:20:27      點擊:

煉鋼先煉鐵。鋼從生鐵而來。用鐵礦石冶煉而得的生鐵,含碳量較高(>2.08%),而且含有許多雜質(如硅、錳、磷、硫等)。因此,生鐵缺乏塑性和韌性,力學性能差,除熔化澆鑄外,無法進行壓力加工,因而限制了它的用途。


為了克服生鐵的這些缺點,使它在工業(yè)上能起到更大的作用,還必須在高溫下利用各種來源的氧,把它里面的雜質氧化清除到一定的程度,以得到一定成分和一定性質的鐵碳合金——鋼。這種在高溫下氧化清除生鐵中雜質的方法叫煉鋼。


煉鋼的基本原理

生鐵中的各種雜質,在高溫下,在不同程度上都與氧有較大的親和力。因此可以利用氧化的方法使它們成為液體、固體或氣體氧化物,液體和固體氧化物在高溫下與爐襯和加入爐內的熔劑起作用,結合成爐渣,并在扒渣時被排除爐外,氣體也在鋼水沸騰時被CO帶到爐外。


在煉鋼爐內,雜質的氧化主要是依靠FeO的存在而實現(xiàn)的。

2FeO2→2FeO

 

01硅元素的氧化

硅與氧有較大的親和力,因此硅的氧化很迅速,它在冶煉初期就已經完全被氧化而生成SiO2

>>Si+2FeOSiO2+2Fe

同時SiO2又和FeO反應形成硅酸鹽:

>>2FeO+SiO22FeO·SiO2

這種鹽是爐渣中很重要的一部分,它與CaO作用生成穩(wěn)定化合物2CaO·SiO2FeO,前者牢固存在于爐渣中,后者變成了渣中的游離成分,使渣中FeO的含量增加,對促進雜質的氧化是比較有利的。其反應如下:

>>2FeO·SiO2+2CaO2CaO·SiO2+2FeO


02錳元素的氧化

錳也是易氧化的元素,它所生成的MnO有較高的熔點,MnO在金屬液中并不溶解,但是它與SiO2形成化合物浮在液體金屬表面,成為爐渣的一部分。

>>Mn+FeOMnO+Fe

>>2MnO+SiO22MnO·SiO2


硅、錳的氧化反應放出大量的熱,可以使爐溫迅速提高(這一點對轉爐煉鋼特別重要),大大加速了碳的氧化過程。


03碳元素的氧化

碳的氧化需要吸收大量的熱能,所以必須在較高的溫度下才能進行。碳的氧化又是煉鋼過程中很重要的一個反應:

>>C+FeO→CO+Fe


由于碳氧化時生成了CO氣體,它從液體金屬中逸出時起強烈的攪拌作用,這種作用叫做沸騰。產生沸騰的結果,可以促使熔池成分和溫度均勻,加速金屬與爐渣界面的反應,同時也有利于去除鋼中氣體和夾雜物。

 

04磷元素的氧化

磷的氧化在不太高的溫度下即可發(fā)生,去磷過程由幾個反應組合而成,其反應如下:

>>2P+5FeO→P2O5+5Fe

>>P2O5+3FeO→3FeO·P2O5

當在堿性爐渣中有足夠的CaO時會發(fā)生如下反應:

>>3FeO·P2O5+4CaO4CaO·P2O5+3FeO

所生成的4CaO·P2O5是穩(wěn)定的化合物,它牢固地保持在爐渣中,因而達到了去磷的目的。


必須注意,鋼水在脫氧過程中,要加入硅鐵、錳鐵等脫氧劑,因而常常在脫氧以后,爐渣呈現(xiàn)酸性,而使3FeO·P2O5遭到破壞,從中還原出P2O5,而P2O5是不穩(wěn)定的氧化物,它在高溫下易被碳還原,產生回磷現(xiàn)象。這也說明了在酸性爐內去磷是十分困難的。為了防止這種現(xiàn)象的產生,必須適當地增加爐渣堿度和渣量,提高爐渣氧化性等。


05硫元素的氧化

硫是以FeS的形式存在。當爐渣中有足夠的CaO時,同樣也能將硫去除,反應如下:

>>FeS+CaOCaS+FeO

生成的CaS并不溶于鋼水中,而形成了爐渣浮在鋼水表面。



上面這個反應是可逆反應,而且是在含有FeO的爐渣中進行的,當FeOCaS發(fā)生作用時,會使硫重新回到鋼水中,所以去硫效率隨渣中FeO的含量減少而增高。而渣中含有足夠的碳時,反應就不同了:

>>CaO+FeS+C→CaS+Fe+CO

由于碳奪去了FeO中的氧,失去了CaSFeO作用的可能性,使反應不能逆向進行,這就是為什么電爐煉鋼時去硫要比其他兩種方法來得完全的原因。

 

在去硫過程中,錳也起了促進去硫的作用,其過程如下:

>>FeS+MnO→MnS+FeO

生成的MnS幾乎不溶于鋼水而進入渣中。因此,去硫的作用隨錳的氧化而加大。

06FeO的脫氧

通過上述一系列氧化反應以后,雖然雜質被氧化了,達到了去除的目的,但是也由于氧化的結果,使鋼水中含有較多的FeO,也就是說鋼水中存在著大量的氧,給鋼帶來很大的危害,一方面使鋼帶有大量氣泡;另一方面也使鋼出現(xiàn)熱脆和冷脆現(xiàn)象,而且危害性隨含碳量的增加而加大。


因此,在煉鋼過程的最后,還必須設法去除鋼水中大量存在著的氧。通常采用的方法是在鋼水中加入一些脫氧劑,如錳鐵、硅鐵、鋁等,它們強烈地從FeO中奪取氧而達到脫氧的目的,其反應如下:

FeO+Mn→MnO+Fe

2FeO+Si→SiO2+2Fe

3FeO+2Al→Al2O3+3Fe

07爐渣的作用

整個煉鋼過程由氧化和還原兩個過程組成,通常把碳、硅、錳、磷的氧化稱為氧化期內的反應,把脫硫和脫氧稱為還原期內的反應。從以上各項反應式中可以看到,為了清除金屬中的雜質,必須考慮多方面的因素,但是其中最主要的因素就是造渣和除渣。


爐渣在煉鋼過程中具有下列重要作用:

①爐渣應保證煉鋼過程按一定反應方向來進行(氧化或還原)。

②爐渣應保證****限度地去除金屬中的有害雜質(磷和硫),以及防止爐氣中的氣體(氮氣和氫氣)進入到金屬中。

③爐渣應保證操作過程中鐵和其他有價值的元素損失最小。


煉鋼的基本方法

①轉爐煉鋼

轉爐煉鋼法就是利用空氣或氧氣,采取底吹、側吹和頂吹的方式,使鐵水中的元素氧化到規(guī)定限度,從而得到成分合格的鋼的一種煉鋼方法。


②電爐煉鋼

電爐是利用電能轉變成熱能來煉鋼的,常用的電爐有兩種:電弧爐和感應電爐。電弧爐用得最廣,宜于冶煉優(yōu)質鋼和合金鋼;感應電爐用于冶煉高級合金鋼和有色合金。


③平爐煉鋼

隨著工業(yè)的發(fā)展,金屬加工工業(yè)中積累了大量廢鋼。當時無法用轉爐將它重新吹煉成鋼,因此煉鋼工作者們就尋找一種用廢鋼作原料的煉鋼方法。1864年由法國人馬丁發(fā)明了平爐煉鋼法。

氧氣頂吹轉爐煉鋼法的迅速發(fā)展,將要取代平爐煉鋼法,我國新建的煉鋼車間大都是氧氣頂吹轉爐和電爐。 

隨著科學技術的進步,新的煉鋼方法不斷出現(xiàn),比如鋼水的真空處理、電渣爐熔煉、真空感應電爐熔煉等方法,得到了越來越多的使用。

 

鋼錠的澆鑄

從煉鋼爐中得到的鋼水,必須鑄成一定形狀的錠才能進行后續(xù)的加工(軋、壓成材)。這種處在鋼水和出廠鋼材中間狀態(tài)的錠,稱為鋼錠。鋼錠由鋼液(鋼水)經盛鋼桶(也稱鋼包)注入鑄模凝固而成。

用鑄模鑄成鋼錠的工藝過程簡稱為鑄錠或模鑄;用連續(xù)鑄鋼方法鑄成坯的工藝過程簡稱連鑄。

模鑄工藝過程

首先將煉鋼爐內的鋼水轉入鋼包,然后將鋼包吊至鋼錠模上方,再間斷地將鋼水分別澆入單只或多只鋼錠模中;鋼水凝固后,將鋼錠脫模,脫模后的鋼錠經切頭去尾,送入加熱爐加熱,最后經一道或多道初軋開胚,得到鋼胚。


用于生產棒材和型材的鋼錠一般為正方斷面(稱為方錠);生產板材的鋼錠一般為長方形斷面(稱為扁錠);生產鍛壓材的鋼錠有方形、圓形和多角形。


鋼錠澆鑄過程伴隨有各種物理化學現(xiàn)象:如熱的傳導,體積收縮,鋼液流動,碳氧反應,成分偏析等。由此形成不同的結晶結構和成分分布。 

在鑄錠過程中由于操作不當或注速、鑄溫控制不當,會使鑄成的錠有種種缺陷。常見的缺陷為:鋼錠表面的結疤、重皮和縱、橫裂紋,內部的殘余縮孔、皮下氣泡、疏松和偏析,混入鋼中的耐火物和爐渣、灰塵造成的夾雜等。這些缺陷能大大降低鋼錠的成坯率,甚至使整個鋼錠報廢。


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