1.绪论 ............................................................................................................................... 4
1.1 炼钢历史的发展过程 ............................................................................................. 4 1.２ 我国钢铁冶金的发展 .......................................................................................... 5 1.3 炼钢的基本任务 ..................................................................................................... 5
2. 炼钢任务、原材料和耐火材料 ......................................................................... 7
2.1去除杂质 ......................................................................................................................... 7 2.2 调整钢的成分 ............................................................................................................. 8 2.3 浇注成内外部质量好的钢锭和钢坯 ........................................................... 9
3. 炼钢熔池中的基本反应 ........................................................................................ 10
3.1 脱碳反应 ...................................................................................................................... 10
3.1.1 脱碳反应的作用 ..................................................................................................... 10 3.1.2碳在熔铁中的溶解 .................................................................................................. 11 3.1.3 脱碳反应的热力学条件 ....................................................................................... 11 3.1.4 脱碳反应的动力学条件 ....................................................................................... 13
3.2 硅锰的氧化和还原 ................................................................................................ 16 3.3脱磷反应 ....................................................................................................................... 17
3.3.1 磷在钢铁冶炼过程中氧化 ................................................................................... 18 3.3.2 脱磷的热力学条件 ................................................................................................ 20 3.3.3 冶炼低磷钢的几个问题 ....................................................................................... 22
3.4 脱硫反应 ...................................................................................................................... 25
3.4.1 硫在炼钢中表现的热力学性质 .......................................................................... 25 3.4.2 碱性氧化渣与金属间的脱硫反应 ................................................................... 26 3.4.3 熔渣脱硫的计算 ................................................................................................... 29 3.4.4 气相在脱硫中的作用 ............................................................................................ 30
3.5 钢中气体和非金属夹杂物 ................................................................................ 32
3.5.1 钢中气体 ................................................................................................................... 32 3.5.2 钢中的非金属夹杂物 ............................................................................................ 35 3.5.3 非金属夹杂物的种类 ............................................................................................ 35 3.5.4 夹杂物的来源及减少其的措施 .......................................................................... 37
4 转炉炼钢工艺 ................................................................................................................ 39
4.1 炼钢用原材料 ........................................................................................................... 39
4.1.1 金属料 ....................................................................................................................... 39 4.1.2 造渣材料 ................................................................................................................... 40 4.1.3 氧化剂（自学） ..................................................................................................... 41 4.1.4 冷却剂（自学） ..................................................................................................... 42 4.1.5 还原剂和增碳剂（自学） ................................................................................... 42
4.2 装料 ................................................................................................................................ 42
4.2.1 三种不同的装入制度 ............................................................................................ 42
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4.2.2 确定个阶段装入量应考虑的因素 ..................................................................... 43
4.3 铁的氧化和熔池传氧方式 ................................................................................ 43
4.3.1 铁的氧化和还原 ..................................................................................................... 43 4.3.2 炉渣的氧化作用 ..................................................................................................... 44 4.3.3 杂质的氧化方式—直接氧化和间接氧化........................................................ 44
4.4 供氧 ............................................................................................................................... 45
4.4.1氧流对熔池作用 ...................................................................................................... 45 4.4.2 氧化机理 ................................................................................................................... 51 4.4.3 LD的供氧操作 ........................................................................................................ 52
4.5 造渣 .............................................................................................................................. 53
4.5.1炉渣碱度的控制 ...................................................................................................... 53 4.5.2炉渣粘度的控制 ...................................................................................................... 56 4.5.3炉渣氧化性的控制 .................................................................................................. 56 4.5.4放渣及留渣操作 ...................................................................................................... 58
4.6 温度及终点的控制 ................................................................................................ 58
4.6.1 LD物料平衡和热平衡 .......................................................................................... 59 4.6.2 出钢温度的确定 ..................................................................................................... 59 4.6.3 吹炼过程的温度控制 ............................................................................................ 59 4.6.4 终点控制 ................................................................................................................... 60
4.7 脱氧和合金化 ........................................................................................................... 60
4.7.1 吹炼终点的含氧量及脱氧的任务 ..................................................................... 60 4.7.2 脱氧剂的选择及加入量的确定 .......................................................................... 62 4.7.3 脱氧操作 ................................................................................................................... 64 4.7.4 合金化的一般原理 ................................................................................................ 65
5 转炉顶底复合吹炼 ..................................................................................................... 67
5.1 转炉顶底复吹的发展及其特点: .................................................................... 67
5.1.1 顶吹底吹转炉炼钢的特点及复合吹工艺的产生 .......................................... 67 5.1.2 复合吹炼工艺的分类及目前发展状况 ............................................................ 68 5.1.3 复合吹炼的主要冶金特点 ................................................................................... 69
5.2复合吹炼的熔池搅拌问题 .................................................................................. 70
5.2.1转炉熔池搅拌问题—CO气泡搅拌及气流搅拌 ............................................. 70 5.2.2 搅拌能与均匀混合时间（混匀时间） ............................................................ 72
5.3 复合吹炼的冶金问题 ........................................................................................... 73
5.3.1 对成渣及渣中FeO的影响 .................................................................................. 73 5.3.2 对各元素化学反应的影响 ................................................................................... 74 5.3.3 对钢中气体含量的影响 ....................................................................................... 75
5.4 底部供气元件 ........................................................................................................... 76
5.4.1 底部供气种类及选择 ............................................................................................ 76 5.4.2 底部供气元件的种类及特点 .............................................................................. 76 5.4.3 底部供气元件的布置对熔池搅拌的影响........................................................ 78
6 炼钢常用耐火材料 ..................................................................................................... 79
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6.1 炉衬材料 ...................................................................................................................... 79 6.2 炉衬破损机理 ........................................................................................................... 80 6.3 延长炉龄的措施（自学） .............................................................................. 81
7 预脱硫 ................................................................................................................................. 83 8 含钒铁水的吹炼 .......................................................................................................... 87
8.1 提钒 ................................................................................................................................ 87 8.2 半钢炼钢 ...................................................................................................................... 89
使用说明 ........................................................................................................................................ 90
参考文献 ................................................................................................................................. 91
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1.绪论
钢铁是现代生产和科学技术中应用最广的金属材料.特别是钢,在金属材料的用量中约占85%以上.这是由于钢的强度高,韧性好,容易加工和焊接,使优良的结构材料.钢的品种由上千种,可以跟据不同要求,得到不同性能的钢.作为钢的基体的铁元素在地壳中的蕴藏量5.10%,在金属元素中仅次于铝8.80%,容易从矿石中提取和加工.
近三四十年,钢生产迅速发展,世界上岗的年产量已超过七亿吨. 近代钢铁生产的主要方法一直是沿用”二步法”,第一步先用矿石冶炼出生铁,第二不再以生铁和废钢为基本原料炼出不同的钢种.近十几年,虽然有人在”一步法”上作了大量的工作,即直接还原—从矿石直接还原出钢,但目前来看,最起码在近期,其法不会最为生产钢的主要
手段;也很难成为发展方向.原因主要是其技术不成熟;成本太高.
1.1 炼钢历史的发展过程
近代主要的炼钢方法首推1885年在英国获得专利的贝塞麦法,即酸性空气底吹转炉炼钢法.他是在底吹转炉中,将空气直接吹入铁水,利用空气中的氧气氧化铁水中铁、硅、锰、镁等元素，并依靠这些元素氧化释放出的热量将 体金属加热到能顺利进行浇铸所需的高温。它用酸性耐火材料作炉衬，用酸性渣操作。吹炼过程中不能去除磷、硫。因此，此法只适合于处理低磷、硫的原料。为了保证有足够的热量来源，这种方法要求铁水有较高的含硫量。
1878年开始生产的托马斯法，即碱性空气底吹转炉炼钢法，改用碱性耐火材料制作炉衬，在吹炼过程中加入石灰，造具有脱磷能力的碱性渣，通过将 体金属中的磷氧化到<0.06%的”后吹”操作集中进行化渣脱磷。在此法中，磷取代硅成为主要的发热元素。词法适合于处理高磷铁水。德、法、比利时、卢森堡等果脯产高磷生铁，托马斯法的诞生，为他们发展钢的生产开辟了道路，这些国家以此为主要炼钢方法达八、九十年之久。
空气底吹转炉炼钢不用外来的燃料加热，设备简单 ，生产率高，它是现代氧气转炉炼钢的雏型。但是，它只适合于处理一定成分的铁水。因为用空气吹炼，大量热量消耗于加热空气中的氮，不能大量加入废钢，而且，钢中的氮、磷、氧等有害杂质的含量高，适合冶炼的钢种也少。
１８６５年开始生产的平炉炼钢法，采用燃料加热，并利用炉膛内排出废弃的热量通过蓄热分别预热燃料和助燃用的空气，以提高火焰温度，使平炉可以大量利用废钢炼钢。平炉炼钢法对原料的适应性强，冶炼品种广，钢的质量好，熔炼过程容易控制，曾在世界钢生产中长期占据主要地位，直到１９６０年平炉钢还占世界钢产量的７０％以上。
第二次世界大战后，已经能通过分离空气中的氧和氮提供大量廉价的氧气，为实行氧气炼钢提供了条江。１９５２年在奥地利首先投产的顶吹氧气转炉炼钢开创了发展炼钢生产的新阶段。转炉改用氧气吹炼，进一步发挥了转炉炼钢不用燃料，吹炼迅速和生产率高的优点。顶吹氧气转炉炼钢还改变了碱性转炉用空气底吹时“后吹”脱磷的工艺特征，可以石化渣脱磷与脱磷同时进行，甚至比脱磷提前完成。这样，就使转炉炼钢有可能处理不同成分的铁水，并利用原来消耗于加热氮气的热量用于加热废钢（废钢加入量高达３０％），改善了转炉炼钢对不同原料条件的适应性。更重要的是钢中的氮、磷，氮的含量低，质量好，不但能炼所有的平炉钢种，还能炼大部分合金钢种。此外，ＬＤ已经能控制环境污染和利用计算 机进行自动控制。它以空前的速度在大多数产钢国家迅速发展，迫使平炉车间停产或改为氧气转炉车间。到１９７８年氧气转炉钢的产量约占世界钢产量的５０％，在各种炼钢方法中居首位。
氧气底吹转炉：１９６８年以来，西欧在传统的托马斯转炉上发展了底吹氧气转炉炼钢法处理铁水，美国又进而在底吹氧气转炉上采用喷石灰分吹炼低磷铁水。底吹氧与ＬＤ相
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比，具有对熔池搅拌强烈，脱磷能力强，能冶炼超低碳钢，铁和猛地氧化损失较少，炉内反应平稳，减少钢渣喷溅，脱氧、脱磷效果好，能用高磷生铁吹炼，更接近平衡态等优越性 ，曾受到很多国家重视。
顶底复合吹炼：在ＬＤ及底吹氧气的基础上，出现了顶底复合吹炼转炉炼钢法，既有ＬＤ的特点又有底吹转炉的特点，又克服了各自的不足，因此，得到迅速发展。
电炉炼钢法：１９０４年出现了电弧炉，它以废钢和铁水作为主要原料，通过电弧加热获得高温，可控制炉内气氛，特别是适合冶炼合金钢，尤其是高级合金钢和特殊钢，被各国普遍采用，产量稳定增长。近年来，电弧炉炼钢除普遍氧强化外，有些国家还用大型超高功率电弧炉（容量最大已达４００Ｔ）生产普通碳素钢，与氧气转炉炼钢相竞争。
1.２ 我国钢铁冶金的发展
我国是世界上炼铁最早的国家，炼钢也是如此，早在春秋战国时期，我国已用渗碳法炼成宝剑。我国的钢铁冶炼技术曾处于领先地位，但旧中国钢铁工业十分落后，１９４９年解放时年产量仅为１５．８万吨，解放后，我国钢铁工业得到较大的发展，３６０多万钢铁人员，改革初期年产量３０００多万吨，七五结束年产量达６６０４万吨，１０年连上仨个新台阶，８３，８６，８９年钢产量突破４０００多万吨，５０００万吨，６０００万吨大关．初期我国只能生产１００多个钢种，现在我国已能生产包括精密合金钢在内的１０００多个钢种，钢的质量也有很大提高．但与世界先进国家相比，我国的差距还很大，需要我们广大炼钢工作者加倍努力．尽快缩小差距．
1.3 炼钢的基本任务
生铁中除了含有较多的碳外，还含有一定量的硅、锰、磷、硫等杂质，它们统称为钢 铁中五大元素。炼钢就是用氧化的方法去处生铁种的这些杂质，在根据钢种的要求加入适量的合金元素，使之成为具有高的强度、韧性或其他特殊性能的钢。
除五大元素外，钢中还含有氮、氢、氧和非金属杂质物。它们是在冶炼过程中随原材料炉气而进入钢流的，或是冶炼过程中残留在钢中的化学反应物。这些物质对钢的性能有重大影响，必须尽量降低其含量。
综上所述，可将炼钢基本任务归纳如下：
１．脱碳：含碳量的不同是引起生铁同钢性能差异的决定因素。而在不同钢种中，含碳量也荏苒是控制其性能的最主要元素。钢中含碳量增加则硬度、强度、脆性都将提高，延展性下降，反之，含碳量减少则硬度、强度下降而延展性提高，铁含碳范围３～４.2% 所以，炼钢过程必须按钢种规格将碳氧化至一定范围。
2. 脱磷、脱硫：对绝大多数钢种来说，磷、硫为有害元素。磷将引起钢的冷脆，而硫则引起钢的热脆。因此要求在炼钢过程中尽量除之。
3. 脱氧：因为用氧化法炼钢，氧化去处钢铁中杂质后，钢中必然残留大量氧，还会给钢的性能带来危害，应当除去。用人为地方法减少钢中含氧量的操作叫做脱氧。一般是向钢流中加入比铁有更大亲氧力的元素（如Al、Si、Na等合金）来完成。
4. 去除气体和非金属夹杂物：钢中期体主要指溶解在钢中的氢和氮。非金属夹杂物包括氧化物、硫化物、氮化物、磷化物以及它们所形成的复杂化合物。在普通炼钢方法中，主要靠碳氧反应时生成的CO气泡的溢出所引起的熔池沸腾来降低钢中的气体和非金属夹杂物。
5. 升温与合金化：上述所有冶金过程均须在一定高温下才能完成，同时为保证钢水能浇成合格钢锭，也要求出钢时钢流有一定的温度。因此，将钢流加热并控制在一定的温度范围内，是炼钢必须完成的任务。为使钢具有良好的性能或某种特殊性能，还必须根据钢中要求加入适量合金元素。
6. 6. 浇成良坯锭：
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钢铁冶金学（炼钢部分）教案
