钢铁热平衡

一、炼钢物料平衡与热平衡计算

(一) 物料平衡

物料平衡是计算冶炼过程当中参与炼钢反应的全部物料如铁水、废钢、氧气、矿石、石灰、萤石、炉衬、钢液、炉渣、炉气、烟尘等之间的平衡关系。

热平衡则是计算炼钢过程当中的热量收益(铁水的物理热和化学热) 与热量支出(钢、渣、气的物理热、冷却剂吸热及热量损失) 之间的平衡关系。

物料平衡计算和热平衡计算有两种方案, 一种是为了预设新转炉车间选用有关设备而举行的平衡计算; 另一种则是为了改进已投产转炉工艺参数对实测数据举行平衡计算和分析, 以指导生产。

基本思路:根据本地的资源环境(铁水成分和温度、石灰等材料的成分) 确定计算的基本数据, 结合已投产转炉的实际生产环境假定一些数据(喷溅损失、烟尘损失等), 然后依据这些原始数据举行平衡计算.

(二) 热平衡计算

为方便计算, 以冷料的温度—25℃为基准(起点温度不影响热量收益和热量支出的平衡即相对关系) 。

1) 热量收益

热量收益Q 收:一般环境下, 转炉炼钢的热收益为铁水的物理热和化学热即元素氧化放热。

(1)铁水的物理热:

铁水的熔点t 熔=1539-∑△t×X-7=1092 ℃

Q 铁=M[C固(t熔-25)+λ+C液(t铁-t 熔)]

=114469.7 kJ

(2)铁中元素氧化放热和成渣热:

Q 放=∑qi×i的氧化量=94148.1 kJ

(3)烟尘生成热Q 烟尘:

Q 烟尘=1.6×(77%×56/72×5020+20%×112/160×6670)=6304.4 kJ

(4)炉衬中碳氧化放热Q 衬:

Q 衬=0.5×5%×(90%×10950+10%×34520)=332.7 kJ

以是,Q 收=114469.7+94148.1+6304.4+332.7=215254.9 kJ

2) 热量支出

钢液物理热:

(1)钢液的熔点t 熔=1539-∑△t×X-7=1520℃

Q 铁=M[C固(t熔-25)+λ+C液(t终-t 熔)]=130277.0 kJ

2) 熔渣物理热

Q 渣= M[ C液(t液-25)+λ]=31074.6kJ(炉渣温度比钢水低20℃)

3) 矿石分化吸热

Q 矿=1×(29.4%×56/72×5020+61.8%×112/160×6670+209.20)=4242.5kJ

4) 烟尘带走热

Q 尘=烟尘量1.6×[1.0(1450-25)+209.20]=2614.7 kJ

5) 炉气物理热

Q 气=10.71×1.136(1450-25)=17337.3 kJ

6) 渣中铁珠带走热量

Q 和=1.112[0.745(1520-25)+217.568+0.8368(1650-1520)=1601.4 kJ

7) 喷溅金属带走热量

Q 和=1.0[0.745(1520-25)+217.568+0.8368(1650-1520)=1440.1 kJ

8) 热损失

吹炼过程当中的热量损失包括炉口和炉体的热辐射及冷却水带走的热量等, 因炉容及炉口巨细、耐材厚度等不同而异, 一般为热收益的3～8%,取5%。以是热损失为:215254.9×5%=10762.7kJ

9) 废钢耗热

废钢耗热即为富余热量Q 余, 它等于:

Q 余=215254.9-130277.0-31074.6-4242.5-2614.7-17337.3-1601.4-1440.1-10762.7

=15904.6kJ

废钢的冷却效应q=1×[0.699×(1515-25)+271.96+0.8368(1670-1515)=1443.2kJ/kg

以是, 废纲插手量=15904.6/1443.2=10.95kg

3) 热平衡表

汇总上述数据可得平衡

热效率=有效热/总热量×100%

=60.52%+1.97%+7.39%

=69.88%

4) 吨钢物料平衡

表7-14中缺少废钢的数量, 不是真正的平衡表, 而且预设题目的转炉生产能力一般是以吨为单位, 是以, 通常需要换算成吨钢的数据。

插手废钢后, 忽略其中硅、锰等元素的氧化损失, 使钢水量达到101.334kg (90.314+11.02),是以, 用1000/101.334去乘以表中各项即可得到吨钢物料平衡表。

5) 转炉生产中的物料平衡与热平衡

方法及目的:应用上节介绍的方法对实际生产数据举行物料平衡和热平衡测算, 并对测算结果举行分析, 寻求改进技能经济指标的途径, 以使成为事实高产低耗的目标。

(三) 应用举例

以某厂50t 转炉的顶吹工艺和复吹工艺的平衡测算与分析为例。

所需数据

1) 原材料数据

(1)铁水成分(%):P114。

(2)铁水温度:1340℃。

(3)渣料成分(%):P114表。

(4)铁水带渣:2～5kg/t,铁渣温度1330℃。

(5)铁水装入量:

(6)废钢插手量:

⑺石灰、白云石等材料用量:

(8)氧气成分及用量:

2) 生产钢种及有关数据

(1)生产钢种:普碳钢Q195(原来的A1钢, 保证性能, 成分仅供参考) 。

(2)钢种成分(%):C0.06～0.12,Mn0.25～0.5,Si≤0.3,S≤0.05,P≤0.045。

(3)钢水温度:1665℃。

(4)产钢量:

3) 烟气数据

(1)烟气量:81.53m3/t。

(2)烟尘量:烟气含尘浓度0.169kg/m3,故烟尘量81.53×0.169=13.78kg/t。

(3)烟气温度:顶吹转炉1467℃,复吹转炉1427℃。

4) 炉渣数据

(1)炉渣量:

(2)炉渣温度:1645℃(比钢水低20℃)。

(3)渣中铁珠:

5) 其它数据

(1)喷溅量:

(2)炉衬损失量:

6) 测算及其结果

依据上述数据, 运用上节的方法分别举行顶吹转炉和复吹转炉的两个平衡计算。

7) 测算结果分析

物料平衡分析:吨钢的金属料消耗是转炉生产的一个重要技能经济指标, 是炼钢成本的主要组成部门, 应力图降之。

(1)降低铁水硅含量和减少铁水用量

本例顶吹转炉的金属料消耗为1084.59kg, 属于中等水平。缘故原由是原料条件比较好, 其硅含量在合理的0.5～0.8%范围之内, 不仅可以减少元素氧化损失, 还可减少渣量, 从而降低渣中铁损(和石灰消耗); 但是仍有下降空间, 好比增强炉外铁水预处理工作, 将硅含量降至0.2%以下, 采用少渣冶炼工艺, 金属料消耗会大幅降低。

与顶吹工艺比较, 复吹工艺的金属料消耗为1068.62kg, 下降了10.97kg 。进一步分析发现, 缘故原由是铁水消耗较顶吹工艺少(热效率疑难题目), 元素氧化损失少, 且渣量小, 渣中的铁损少。

(2)提高操作水平

本例的喷溅损失为10.38kg/t,属于中等偏下的水平, 是以应增强技能培养训练, 提高工人的操作水平, 减少喷溅。比较而言, 复吹转炉的喷溅损失仅为0.98 kg/t,较着优于顶吹转炉, 这说明其吹炼过程平顺, 几乎没有喷溅。

(3)适当增加矿石用量

增加矿石用量, 可增加铁的分化收益量。本例的矿石用量为23.31kg, 也属于中等偏下的水平, 仍有增加的空间, 最多可达50kg, 过多易产生喷溅, 同时会使废钢比下降。

8) 热平衡分析

提高热效率就意味着热量得到了更充分的利用, 可以配加更多的废钢和铁矿, 从而改善转炉生产的技能经济指标。

由热平衡表可见, 本例的热效率为65.49%,仍有提升的空间。主要应从以下三方面入手: 起首是提高原材料的质量以减少渣量; 其次, 尽量缩短炉次间隔以减少其他热损; 最后, 避免或减缓喷溅也是提高热效率的重要途径。

思虑题

1欲提高转炉的冶炼收得率应从哪一些方面入手?

2提高转炉热效率的措施有哪一些?

二、钢中的合金成分

碳(C)

炼钢的重要任务之一就是要把熔池中的碳氧化脱除至所炼钢钟的要求。从钢的性质可看出碳也是重要的合金元素, 它可以增加钢的强度和硬度, 但对韧性产生倒霉影响。

钢中的碳决定了冶炼、轧制和热处理的温度制度。

碳能显著改变钢的液态和凝集性质, 在1600℃,[C]≤0.8%时, 每增0.1%的碳

◆钢的熔点降低6.50℃

◆密度减少4kg/m3

◆黏度降低0.7%

◆[N]的消融度降低0.001%

◆[H]的消融度降低0.4 cm3/100g

◆增大凝集区间17.79℃ 。

锰(Mn)

锰的作用是消除钢中硫的热脆倾向, 改变硫化物的形态和分布以提高钢质;

锰是一种非常弱的脱氧剂, 在碳含量非常低、氧含量很高时, 可以显示出脱氧作用, 协助脱氧, 提高他们的脱氧能力;

锰还可以略微提高钢的强度, 并可提高钢的淬透性能, 不变并扩展奥氏体区, 常作为合金元素生成奥氏体不锈钢、耐热钢等。

硅 (Si)

硅是钢中最基本的脱氧剂。普通钢中含硅在0.17%-0.37%,1450℃钢凝集时, 能保证钢中与其平衡的氧小于与碳平衡的量, 抑制凝集过程当中CO 气泡儿的产生。

生产沸腾钢时,[Si]为0.03%-0.07%,[Mn]为0.25%-0.70%,它只能微弱控制C-O 反应。

硅能提高钢的机械性能, 增加了钢的电阻和导磁性。

硅对钢液的性质影响较大,1600℃纯铁中每增加1%的硅:

◆碳的饱和消融度降低0.294%

◆铁的熔点降低8℃

◆密度降低80kg/m3

◆[N]的饱和消融度降低0.003%

◆[H]降低1.4cm3/100g

◆钢的凝集区间增加10℃,钢液的收缩率提高2.05%。

铝(Al)

铝是终脱氧剂, 生产镇定钢时,[Al]多在0.005%-0.05%,通常为0.01%-0.03%。钢中铝的插手量因氧量而异, 对高碳钢应少加些, 而低碳钢则应多加, 插手量一般为:0.3-1.0kg/t钢。

铝加到钢中将与氧发生反应生成Al2O3, 在出钢、镇定和浇铸时生成的Al2O3大部门上浮解除, 在凝集过程当中大量细小分散的Al2O3还能促进形成细晶粒钢。铝是调整钢的晶粒度的有效元素, 它能使钢的晶粒开始长大并保持到较高的温度。

三、确定冷却剂用量

1) 冷却剂及其独特的地方

转炉炼钢的冷却剂主如果废钢和矿石。比较而言, 废钢的冷却效应不变, 而且硅磷含量也低, 渣料消耗少, 可降低生产成本; 但是, 矿石可在不断吹的条件下插手, 而且具有化渣和氧化的能力。是以, 目前一般是矿石、废钢配合冷却, 而且是以废钢为主, 且装料时插手; 矿石在冶炼中视炉温的高低随石灰数量适宜插手。

另外, 冶炼终点钢液温度偏高时, 通常加数量适宜石灰或白云石降温(前两种均不克不及用) 。

2) 各冷却剂的冷却效应

冷却效应是指每kg 冷却剂插手转炉后所消耗的热量, 常用q 表示, 单位是kJ/kg。

(1)矿石的冷却效应:矿石冷却主要靠Fe2O3的分化吸热, 是以其冷却效应随铁矿的成分不同而变化, 含Fe2O370%、FeO10%时铁矿石的冷却效应为:

q 矿=1×C矿×△t+λ矿+1×(Fe2O3%×112/160×6456+FeO%×56/72×4247)

=1×1.02×(1650-25)+209+1×(0.7×112/160×6456+0.1×56/72×4247)

=5360 kJ/kg

(2)废钢的冷却效应:废钢主要寄托升温吸热来冷却熔池, 因为不知准确成分, 其熔点通常按低碳钢的1500℃思量, 入炉温度按25℃计算, 于是废钢的冷却效应为:

q 废=1×[C固(t熔-25)+λ废+ C液(t出-t 熔)]

=1×[0.7×(1500-25)+272+0.837(1650-1500)]

=1430 kJ/kg

(3)氧化铁皮的冷却效应:计算方法同矿石, 对于50%FeO、40%Fe2O3 的氧化铁皮, 其冷却热效应为: q 皮=5311 kJ/kg

以废钢的冷却效应为标准1, 则各种冷却剂的相对冷却能力见讲义.

3) 冷却剂用量的确定:

关于冷却剂插手量的确定, 有两种方案。一种是定废钢, 调矿石; 另一种是定矿石, 调废钢。现以第一种方案为例说明冷却剂用量的确定:国内目前的平均水平是, 废钢的插手量为铁水量的8～12%,取10%。则矿石用量为:

(Q余-10×q废)/q矿=(30000-10×1430)/5360=2.93 kg

即每100kg 铁水插手10kg 废钢和2.93矿石。

4) 冷却剂用量的调整

通常各厂先依据自己的一般生产条件, 按照上述过程计算出冷却剂的标准用量, 生产中某炉钢冷却剂的具体用量则根据实际环境调整铁矿的用量, 调整量过大时可增减废钢的用量。

实际生产过程温度的控制:按照上述的计算结果插手冷却剂, 即可保证终点温度。但是, 吹炼过程当中还应根据炉内各个时期冶金反应的需要及炉温的实际环境调整熔池温度, 保证冶炼的顺利举行。

(1)吹炼初期

如果碳火焰上来的早(以前是硅、锰氧化的火焰, 发红), 表明炉内温度已较高, 头批渣料也已化好, 可适当提前插手二批渣料; 反之, 若碳火焰迟迟上不来, 说明开吹以来温度一直偏低, 则应适当压枪, 增强各元素的氧化, 提高熔池温度, 而后再加二批渣料。

(2)吹炼中期

可据炉口火焰的亮度及冷却水(氧枪进出水) 的温差来判断炉内温度的高低, 若熔池温度偏高, 可加少量矿石; 反之, 压枪提温, 一般可挽回10～20℃。

(3)吹炼末期

接近终点(据耗氧量及吹氧时间判断) 时, 停吹测温, 并举行相应调整:若温高, 加石灰降之:高出度数×136/石灰的冷却效应。若温低, 加Fe-Si 并点吹提之:1kgSi75氧化放热

1×0.75×17807=13352kJ,例如,30吨钢液提温10℃需加Si75:300×10×136/13352≈30 kg。 思虑题

1诠释名词:冷却效应

2掌握冷却剂用量的调整及测温后温度的调整方法。

四、终点控制

o 终点控制是转炉吹炼末期的重要操作。终点控制主如果指终点温度和成分的控制。因为脱磷、脱硫比脱碳操作复杂, 老是尽可能提前让磷、硫达到终点所需的范围, 是以, 终点的控制实质就是脱碳和温度的控制, 把停止吹氧又俗称为“拉碳”。

(一) 终点控制的观点:

1) 终点:熔池中金属的成分和温度达到所炼钢种要求时, 称为终点。

2) 终点的条件。吹炼达到终点的具体条件是:

(1)钢中碳达到所炼钢种要求的控制范围;

(2)钢中S 、P 低于规定下限要求一定范围;

(3)出钢温度保证能顺利举行精炼和浇铸;

(4)达到钢种要求控制的氧含量。

3) 终点(碳) 的控制

硫、磷的脱除环境比较复杂, 是以老是在吹炼过程当中提前使之餍足要求, 这样终点控制就简化为终点温度和终点碳的控制。终点温度的控制前节已作阐述, 故在此仅介绍终点碳的控制。

(二) 终点碳的控制方法有两种:

1) 拉碳法

终点碳:钢种规格-合金增碳量。

控制体式格局:在实际生产中拉碳法又分为一次拉碳和高拉补吹两种控制体式格局。转炉吹炼中将钢液的含碳量脱至出钢要求时停止吹氧的控制体式格局称为一次拉碳法。

冶炼中高碳钢时, 将钢液的含碳量脱至高于出钢要求0.2～0.4%时停吹, 取样、测温后, 再按分析结果举行适当补吹的控制体式格局称为高拉补吹法。

主要优点:

(1)终渣的(∑FeO)含量较低, 金属收得率高, 且有利于延长炉衬生存的年限;

(2)终点钢液的含氧低, 脱氧剂用量少, 而且钢中的非金属同化物少;

(3)冶炼时间短, 氧气消耗少。

2) 增碳法

定义:吹炼平均含碳量大于0.08%的钢种时, 一律将钢液的碳脱至0.05%~0.06%时停吹, 出钢时包内增碳至钢种规格要求的操作方法叫做增碳法。

终点碳:0.05%~0.06%。

主要优点:

(1)终点容易命中, 省去了拉碳法终点前倒炉取样及校正成分和温度的补吹时间, 因而生产率较高;

(2)终渣的(∑FeO)含量高, 渣子化得好, 去磷率高, 而且有利于减缓喷溅和提高供氧强度;

(3)热量收益多, 可以增加废钢的用量。

(4)操作不变, 易于使成为事实AUTO 控制。

采用拉碳法的关键在于, 吹炼过程当中实时、准确地判断或测定熔池的温度和含碳量努力提高一次命中率。而采用增碳法时, 则应寻求含硫低、灰分少和干燥的增碳剂。

3) 终点的判断

碳含量的判断:常用的判断仪器是热电偶结晶定碳仪, 其独特的地方是简单、准确, 但速度慢。有前途的是红外、光谱等快速分析仪。生产中多凭经验对钢液含碳量举行判断, 常用的方法有看火花、看火焰、看供氧时间和耗氧量。

(1)看火花:吹炼中会从炉口溅出金属液滴, 遇空气被氧化而爆裂形成火花并分叉, 火花分叉越多, 金属含碳越高, 当[C]小于0.1%时, 爆裂的碳火花几乎不分叉, 形成的是文火星。

(2)看火焰:金属含碳量较高时, 碳氧反应猛烈, 炉口的火焰白亮、有力, 长且浓密; 当含碳量降到0.2%左右时, 炉口的火焰稀薄且收缩、发软、打晃。

(3)看供氧时间和耗氧量:生产条件变化不大时, 每炉钢的供氧时间和耗氧量也不会有太大的出入, 是以, 当吹氧时间及耗氧量与上炉接近时, 本炉钢也基本达到终点。

4) 温度的判断

目前常用插入式热电偶测定钢液的温度, 生产中还可以借倒炉的机会不雅察炉内环境凭经验举行判断。若炉膛白亮、渣面上有火焰和气泡儿冒出, 沫子渣向外涌动, 表明炉温较高; 反之, 若渣面暗红, 没有火焰冒出, 则炉温较低。

5) 出钢操作

出钢是转炉炼钢过程的最后一个环节, 操作中应注意以下疑难题目:

(1)红包出钢

定义:出钢前将钢包内衬烤至发红达800～1000℃。

目的:减少出钢时的温降, 从而降低出钢温度(15～20℃),增加废钢用量(15kg/t),并提高炉龄(150炉次) 。

(2)保持适宜的出钢时间

目的:为了减少出钢过程当中的钢液吸气(应短些) 和有利于所加合金的搅拌均匀(应长些), 需要适当的出钢持续时间。

要求:国标规定,50t 以下转炉出钢持续时间应为1～4min;50～100t 转炉应持续3～6min;100t 以上转炉应持续4～8min 。

(3)挡渣出钢, 如图13所示

目的:减少出钢时的下渣量, 提高合金元素的收得率、防止钢液回磷(转炉炼钢可能是出钢时在包内举行脱氧合金化) 。

方法:目前有挡渣球、挡渣帽、挡渣塞、U 型虹吸出钢口、气动挡渣等多种体式格局, 国内使用最多的是挡渣球和挡渣帽。

图13挡渣示意图

挡渣帽的作用:减少出钢时的前期下渣(转炉出钢时, 浮在钢液面上的炉渣将起首流经出钢口, 事先将挡渣帽置于出钢口内, 挡住炉渣, 随后而至的钢液将其冲掉或熔化而步入钢包) 。

要求:挡渣帽为圆锥体, 其尺寸应与出钢口内径相适应。

材质:目前国内使用的挡渣帽多为铁皮或轻质耐火物质制成。比较而言, 前者加工容易, 成本也低, 但其表面硬而光滑, 不容易固定在出钢口内, 而且熔点低, 有时还没比及出钢就熔化了; 后者与之相反。

挡渣球的作用:减少出钢时的后期下渣(出钢结束时, 恰恰座在出钢口上挡住炉渣) 。

要求:挡渣球的密度要介于钢液与熔渣之间, 通常为4.2～5.0kg/cm3,浸入钢液的深度为球的1/3左右, 如70图4-4, 保证钢水流尽而又能挡住炉渣。

投球的位置:出钢口的正上方。

投球的时间:在出钢结束前1min 左右。过晚, 挡渣球来不及达到挡渣位置钢液就流完了; 过早, 会使挡渣球在炉内等待时间过长而损坏, 或表面变形而影响挡渣效果。

效果:国内外厂家的使用结果表明, 挡渣出钢后, 钢包内的渣层厚度由原来的100～150mm 减少到40～60mm, 钢液的回磷量是以由0.004～0.006%下降到0.002～0.003%;锰的回收率由80～85%提高到85～90%,硅的回收率由70～80%提高到80～90%;同化物的废品率由2.3%降低到0.059%;同时, 钢包的使用生存的年限也大幅提高。

注意:挡渣出钢后应向钢包加覆盖渣对钢液举行保温。目前, 生产上广泛使用的是炭化稻壳, 其密度小、保温性能好, 而且浇注完结不挂包。

思虑题:

1 转炉吹炼终点的条件是什么?

2 名词诠释:一次拉碳法高拉补吹法增碳法

3 挡渣出钢的目的是什么? 目前多采用何种挡渣方法? 各起什么作用?

五、脱氧及合金化

餍足脱氧的要求

餍足钢种的要求

有精炼的转炉, 作为预脱氧及初步合金化。

合金插手原则:脱氧能力先弱后强, 先难熔。

合金插手量(kg) =(钢种规格中限%-终点残余成分%)/A

A=(铁合金中合金元素含量%×合金元素收得率%)1000

(一) 基本观点

脱氧:向钢液插手某些脱氧元素, 脱除其中多余氧的操作。

合金化:插手一种或几种合金元素, 使其在钢中的含量达到钢种规格要求的操作。

联系:二者都是向钢液插手铁合金, 同时插手钢液的脱氧剂必然会有部门溶于钢液而起合金化的作用, 如使用Fe-Si 、Fe-Mn 脱氧的同时调整钢液的硅锰含量; 插手钢液的合金元素, 因其与氧的亲切感大于铁也势必有一部门被氧化而起脱氧作用。转炉的脱氧与合金化的操作常常是同时举行的。

合金插手钢液后, 其消融部门与插手总量之比叫做合金的收得率或吸收率。

区别:合金元素的价格通常较高, 希望尽量少氧化; 脱氧元素则比较便宜, 先插手, 让其充分脱氧以免后插手的合金元素氧化。

(二) 转炉炼钢中的脱氧与合金化

1) 脱氧合金化操作

转炉的脱氧合金化操作主要有以下两种:

A. 包内脱氧合金化

目前大部分数钢种(包括普碳钢和低硼钢) 都是采用包内脱氧合金化, 即在出钢过程当中将全部合金插手到钢包内, 同时完成脱氧与合金化两项任务。此法操作简单, 转炉的生产率高, 炉衬生存的年限长, 而且合金元素收得率高; 但钢中残留的同化较多, 炉后配以吹氩装置后这一环境大为改善。

操作要点:

(1)合金应在出钢1/3时开始加, 出钢2/3时加完, 并加在钢流的打击处, 以利于合金的熔化和均匀;

(2)出钢过程当中尽量减少下渣, 并向包内加数量适宜石灰, 以减少“回磷”和提高合金的收得率。

B. 包内脱氧精炼炉内合金化

冶炼一些优质钢时, 钢液必需经过真空精炼以控制气体含量, 此时多采用转炉出钢时包内初步脱氧, 而后在真空炉内举行脱氧合金化。

真空炉内脱氧合金化的操作要点:W、Ni 、Cr 、Mo 等难熔合金应在真空处理开始时插手, 以保证其熔化和均匀, 并降低气体含量; 而对于B 、Ti 、V 、RE 等贵重的合金元素应在处理后期插手, 以减少挥发损失。

除此而外, 一些厂采用了钢包喂丝技能举行合金化。

2) 合金插手量的确定

(1)计算公式:

①钢液残留:钢液的残Si 量一般为0.01～0.02%,称“痕迹”,可以忽略。钢液的残Mn 量则与终点碳和造渣方法有关:

终点碳低于0.08%时残锰为铁水含锰量的30%;终点碳高于0.16%时残锰为铁水含锰量的40%;采用双渣法时钢液的残锰为零。

②合金元素收得率:正确估计合金元素的收得率是完成脱氧合金化任务的关键。对于硅通常为75%左右, 而锰则为80%左右, 实际生产中的具体数据与下面所开列因素有关:

钢液温度高时合金元素的收得率高(均为吸热反应);

终点碳高时合金元素的收得率高([C]高→[O]低);

插手量大时合金元素的收得率高([O]一定, 合金元素氧化量也一定);

同时使用两种合金时脱氧能力弱的收得率高;

出钢过程当中下渣多时合金元素的收得率低(FeO多) 。

③注意:若用复合脱氧剂如Mn-Si 合金时, 按调锰计算其用量(该合金含锰高), 而后计算其带硅量, 最后计算补齐硅所需Fe-Si 合金量。

2) 应用举例

转炉使用含锰0.3%的铁水, 采用拉碳法吹炼20镇定钢, 20钢的成分为:C0.2%,Mn0.5%,Si0.8%,问:

(1)用含Mn68%,C6.28%的Fe-Mn 合金和含Si75%的Fe-Si 合金举行脱氧, 需两种合金各多少kg? 终点碳应为多少?

(2)改用Mn-Si 合金(含Mn68%,Si18.5%,C1.5%)和Fe-Si 合金脱氧, 各需多少kg? 终点碳应为多少? 已知:出钢量30吨,Si 、Mn 、C 的收得率分别为75%、85%和90%。

解:

Fe-Mn 用量=(0.5%-0.3%×40%)

×30000/68%×85%

=197kg/炉

增碳量=197×6.28%×90%/30000=0.04%

故终点碳应为0.2%-0.04%=0.16%

Fe-Si 用量=0.8%×30000/75%×75%=427kg/炉

Mn-Si 用量=(0.5%-0.3%×40%)×30000/68%×85%=197kg/炉

增碳量=197×1.5%×90%/30000=0.01%

故终点碳应为0.2%-0.01%=0.19%

Fe-Si 量=(0.8%×30000-197×18.5%×75%)/ 75%×75%=379kg/炉

思虑题

六、铁水提钒 ( tecovery of vanadium from hot metal)

含钒铁水在进入炼钢之前，先将铁水中钒氧化成钒渣从铁水中分离出来的铁水预处理工艺。也称为火法提钒。一般不加造渣剂，只向铁水中吹入空气或氧气，使其中的钒氧化，生成的V 2O 5

与铁水中Si 、Ti 、Mn 等其他易氧化元素的氧化物一起进入渣相，获得可被利用的钒渣。铁水提钒的主要任务是将铁水中的钒最大限度地氧化成V 2O 5，获得的钒渣作为铁合金厂冶炼钒铁及生产

工业V 2O 5的原料。提钒后的铁水(或称半钢) 具有高的含碳量和一定的过热度，保证半钢炼钢时仍

有足够的化学反应热和物理热。

简史从含钒铁矿中回收钒是从19世纪初期开始的。德国和法国在第二次世界大战时期，用高炉托马斯转炉法从含钒0．06％～0．10％的洛林铁矿中(不含钛) 回收钒。以含钒铁矿作为高炉原料生产生铁时钒也被还原，获得含钒0．10％～0．15％的铁水，用此生铁炼钢时钒又被氧化进入托马斯炉渣中，炉渣含钒量可以达到0．5％，是一种无直接使用价值的低钒渣。德国赫尔曼•戈林钢厂将这种低钒渣与转炉钢厂的其他产物(如厂房屋顶积灰，含0．8％～1．0％钒) 在另一座高炉内冶炼成含钒和含磷较高的生铁，再经托马斯转炉吹炼得到含钒量较高的钒渣，可直接作为化工厂生产钒的原料，但含钒铁水提钒后含磷较高，给炼钢带来困难。

钒钛磁铁矿是一种含钒高的铁矿石，由于其含钛量高在本世纪初未能作炼铁用原料，直到20世纪中期，钒钛磁铁矿的高炉冶炼技术获得突破以后，才作为高炉炼铁的原料。从钒钛磁铁矿回收钒的第一代工艺是用钒钛磁铁矿作为生产钒的原料，而提钒后副产品含有钠盐与大量TiO 2而不

能单独作为高炉原料使用，甚至作为废料堆存，提钒与钢铁生产未能结合起来，此工艺只适合于钒钛磁铁矿含钒量高、化学药品和矿石成本低的情况，1956年芬兰建成了奥坦马基钒厂。从钒钛磁铁矿回收钒的第二代工艺是钒渣提钒法，其特点是提钒与钢铁生产紧密结合在一起，60年代中期南非海维尔德钢和钒公司采用回转窑电炉摇包提钒工艺流程生产钒渣。回转窑预还原、电炉熔炼生产含钒生铁，在摇包中生产钒渣与半钢，半钢在顶吹氧转炉内炼成钢然后轧成钢材。60年代中期前苏联首先采用高炉--顶吹氧气转炉法工艺流程提钒。高炉以钒钛磁铁矿为原料生产含钒生铁，在顶吹氧气转炉里使铁水中钒氧化生成V 2O 5进入炉渣与铁水分离，半钢移至另一座顶吹氧气

转炉继续吹炼成钢。此法的各项技术经济指标都优于托马斯炉法，成为当今铁水提钒的主要方法。中国钒钛磁铁矿资源丰富，从钒钛磁铁矿中回收钒的研究也最活跃。60年代中期马鞍山钢铁公司、承德钢厂采用高炉侧吹空气转炉法提钒，获得了优质钒渣和半钢。70年代初攀枝花钢铁公司开始

了高炉--铁水雾化法提钒试验，成功后建成了年处理120万t 的铁水雾化提钒生产线。进入80年代后，一些厂相继用顶吹氧气转炉替代了侧吹空气转炉。具有代表性的现代铁水提钒生产的工艺流程如图1所示。该流程从钒钛磁铁矿中回收钒时采用烧结机、高炉、转炉等专用设备，将提钒与钢铁生产结合起来，生产能力高，可控性好，各项技术经济指标稳定。

原理 含钒生铁提钒工艺以选择性氧化为理论基础。向铁水吹入空气或氧气，必须使铁水中钒迅速、优先氧化，而其他组分少氧化，方能获得含钒高的钒渣。吹炼过程中应使铁水中的碳氧化最少，保证半钢炼钢时仍有足够的化学反应热。铁的损耗要降至最低限度，即半钢的收得率要高，以降低钒渣生产成本。

含钒铁水的主要组分除Fe 、C 、V 外，还有Ti 、Cr 、Si 、Mn 、P 等，在氧化性气氛下都能被氧化生成氧化物，但在一定温度下的各组分与氧的亲和力及氧化物标准生成自由能是有差异的，导致了各组分具有不同的氧化顺序和氧化速度。在铁水提钒过程中可以控制的主要热力学参数是温度、渣的氧化性和酸碱度。

温度控制 钒的氧化反应属于放热的多相复杂反应，但其热效应值在数量上差别很大，反应产物的表示也各不相同。铁水提钒过程中各元素的氧化反应的标准生成自由能与温度的关系示于图2。由图可见，提钒初期熔池温度比较低(约1300℃左右) 时

也即Ti 、si 、Cr 、V 、Mn 等元素都比碳优先氧化，这些元素的氧化放出大量的热，使熔池温度迅速上升，当温度超过1400℃(1673K)时，碳与氧的亲和力大于钒与氧的亲和力，即(△F 。)v >(△F 。 )c，碳即开始大量氧化并抑制钒的氧化，降低钒的回收率。同时碳的大量氧化又使半钢中碳含量过低，给半钢炼钢带来困难。故铁水提钒过程为了达到“提钒保碳”的目的，需要严格控制好熔池温度，将熔池温度控制在1400℃以下。

钒渣的氧化性 铁水提钒在适宜的熔池温度下，钒在钒渣与金属相间的分配系数(V)／[V]与钒渣中氧化铁含量和二氧化硅含量之比(TFe)／(SiO2 )呈明显的线性关系(见图3) 。由图

可见，无论是同炉单渣法低碱度操作还是双联法酸性操作，钒在钒渣和金属相间的分配系数(V)／[V]随钒渣中FeO 含量和SiO 2 含量之比(TFe)／(SiO2 )的增加而急剧地增加。因此，为了使铁

水中的钒尽可能被氧化进入钒渣中，就必须在提钒过程中使钒渣保持高的氧化性，对于同炉单渣法低碱度(CaO／SiO2=1．0～2．0) 操作，可用下式表示：

(V) / [V]=-44.3+237.7 TFe / SiO2，相关系数γ=0.96

对于双联法酸性操作，可用下式表示：(V) / [V]=-23.5+74.7TFe / SiO2，γ=0.91

式中(V)为钒渣中钒含量，％；[V]为半钢中剩余钒含量，％；TFe 为钒渣中FeO 含量，％；SiO 2 为钒渣中SiO 2 含量，％。

各种铁水提钒法的生产实践表明，钒渣中氧化铁含量都很高，一般超过30％。，若钒渣中氧化铁含量过高就会降低V 2O 5含量，致使提钒时铁耗增加，并使钒渣的后步加工变得复杂。因此，

在保证钒有较高的氧化率下，钒渣中氧化铁含量并不是越高越好。

钒渣碱度 生产实践证明钒渣的酸度或碱度对钒的氧化有显著影响。在合适的提钒温度及钒渣中TFe ／SiO 2 之比一定时，钒在渣和金属相间的分配系数(V)／[V]随钒渣碱度的增加而

增加。如当由酸性渣R ≤1．0提高到R ≥2．0时，在相同的碳氧化率情况下，钒的氧化率提高约30％。为获得碱性钒渣，通常在铁水提钒过程中外加适量的CaO 之类碱性物，能使：FeO-SiO 2 系中氧化铁的活度值a FeO 大大提高，有利于钒的氧化并从铁水中分离出来。但另一方面却导致钒渣

量增加，钒渣中V 2O 5含量降低，同时，CaO 与钒会生成不溶性的钒酸钙而降低水法冶金提钒过程

中钒的回收率；或者需要增加酸浸工序而使生产过程复杂化。其次，CaO 与P 2O 5会生成磷酸钙进

入钒渣中，会大大降低钒渣的质量。

工艺方法 从含钒铁水中提取钒的主要方法有转铁tie 炉提钒、摇包提钒、雾化提钒以及槽式炉提钒和铁水罐提钒等。前3种是现代铁水提钒法的主流，它们都采用专门设备，工艺可控性好，各项技术经济指标稳定。各种提钒法的冶金效果及工艺特点的比较见表。

槽式炉法 含钒铁水以恒定的流速流入槽式炉内，同时通过沿炉体特定部位的喷嘴以与铁水相同的流速吹入空气、氧气或富氧，使Si 、Mn 、V 等元素氧化并从铁水中分离出来。槽式炉一般由三段组成：(1)铁水流量控制段，即前膛或中间罐，借以控制铁水以恒定的流速流入下一段。(2)吹炼段，以侧吹、底吹、顶吹或综合吹的方式，向熔池吹入空气、氧气或富氧，并加入适量冷却剂掌握熔池的吹炼温度。(3)半钢--钒渣分离段，半钢与钒渣一起进入该段，用机械法将钒渣扒出回收。槽式炉法的主要工艺参数是供气压力和流量、喷嘴高度、熔池深度、吹炼时

间。熔池温度也应控制在1400℃以下。该法优点是不需高大厂房和大型起重设备，但可控性差，耐火材料蚀损严重。

铁水罐法 含钒铁水盛于铁水罐内，将可升降的喷枪插入铁水中进行吹钒。喷枪一般为管式，外部用耐火材料保护。喷枪的插入深度、吹入气体的压力和流量、吹炼时间、熔池温度是铁水罐法提钒的重要工艺参数。该法工艺可控性差，喷溅厉害，半钢收得率低。铁水罐提钒还可以由氧气或空气作载体通过插入式喷枪同时向铁水喷吹Na 2CO 3 。该法的工艺特点是铁水中硅、锰、

钒被氧化的同时，硫、磷也一起被氧化进入钒渣中，其优点是半钢中余钒低，而且硫、磷杂质元素含量少，特别利于半钢的冶炼。但Na 2CO 3在高温下易挥发，对环境有污染，同时对设备及耐火

材料的蚀损也很严重。

产品 铁水提钒有两种产品，一是钒渣，二是半钢。

钒渣质量 钒渣质量是指渣中V 2O 5 ；含量的高低，渣中V 2O 5含量以(V2O 5表示，(V2O 5) 要高，

其他杂质应尽可能低。影响钒渣质量的主要因素有两个：(1)铁水成分。钒渣中V 2O 5与含钒铁水中

各元素、原始含钒量及半钢余钒量之间的关系可用下列多元回归方程表示：

由式(1)可见，(V2O 5) 随铁水中原始钒含量的增加而增加，随铁水中Si 、Ti 、Mn 含量及半钢

中残余钒含量的增加而减少。(2)渣中FeO 含量。有代表性的铁水提钒法中，钒渣中FeO 含量一般波动在15％～50％之间，以(FeO)表示。它与(V2O 5) 间的关系可用下式表示：

V 2O 5=- 1.94(TFe)+64.18 (2)

经计算发现钒渣中(V2O 5) 与(FeO)含量之和为一常数，(V2O 5)+(TFe)=60％左右，两者皆为钒渣

主要成分，在允许范围内，任何降低(FeO)含量的措施对提高钒渣中(V2O 5) 含量都是有效的。

半钢质量 半钢应具有高的含碳量和一定的过热度，低的残余钒量。半钢碳含量与余钒量受熔池的终点温度、吹钒的总供氧量控制，终点温度高，半钢碳含量低，余钒高，如根据氧气转炉提钒的结果，△C(脱碳量) 与T 终 (熔池终点温度) 之关系可用下式表示：

△C=56．67T 终 - 7．03 (3)

由式(3)可见，为使半钢有高的碳含量，应严格控制熔池温度。生产实践证明，熔池温度控制在1400℃以下，半钢碳含量高，且拥有足够的物理热，半钢炼钢无困难。

七、高炉热平衡(thermal balance of blast furnace)

指向高炉冶炼提供的热量等于冶炼过程消耗的热量加上热损失的总和。按照能量守恒定律，以高炉物料平衡为基础对高炉炼铁过程的各项热收入和热支出进行计算，然后汇编制成热平衡表，据此能够了解高炉内热量消耗状况，分析高炉冶炼过程热消耗的问题，找出进一步改善能量利用，降低燃料消耗的途径。它还是计算理论焦比及各种因素对焦比之影响的基础。在高炉采用某些新技术措施时，通过热平衡计算，高gao 并同物料平衡一起可预测冶炼效果，从而可以拟定出最适宜的冶炼制度。根据分析的需要，热平衡计算可分为两类：一类是以整个高炉为对象的，称为全炉热平衡计算；另一类是以高炉局部区域为对象的，称为区域热平衡计算。20世纪60年代前炼铁工作者大都采用全炉热平衡计算，其原因在于区域热平衡的边界条件，特别是边界处炉料和煤气温变差的确定有较大的任煮性，而这个温度差的大小又在很大程度上决定着区域热平衡分析的可靠性。60年代以来，高炉传输过程研究和高炉解剖研究的结果帮助了这一温度差的选定。而且决定高炉冶炼指标的因素又较多地集中在处于高炉下部的高温区，因此高温区的区域热平衡得到普遍重视和广泛应用。全炉热平衡计算的方法有多种，比较常用的是以热化学的盖斯定律为依据的第一种全炉热平衡和以高炉内实际发生的过程为依据的第二种全炉热平衡。高温区热平衡是根据第二种全炉热平衡计算编制的。

第一种全炉热平衡 这种方法出现较早，原理简单，属经典性质的。它建立在盖斯定律的基础上，即依据炉料入高炉时的初始状态和离开高炉时的最终状态来计算产生的和消耗的热量，而不考虑它们在高炉内进行的实际过程。例如

计算的，而不是按实际吸热反应计算的。

热量收入 分为两类：一类是化学反应热，它由每kg 或m 反应物在反应中放出的热效应与反应物数量的乘积算出；另一类是物理热，它由物料量与它们的比热容(c 料) 和温度(t 料) 的乘积算出。第一种全炉热平衡的热收入有5项： 3是按FeO 分解为Fe 和l ／2O 2的耗热和C+1／2O 2结合成CO 的放热

(1)碳素氧化热。在高炉内每1kg 氧化成CO 放热9800kJ ，氧化成CO 2放热33400kJ ，每1m3CO 氧化成CO 2放热12600kJ 。高炉内碳素氧化分为风口前碳素燃烧成CO 和直接还原中C 氧化成CO ，间接还原中CO 氧化成CO2：qc=9800(C风+Cd)，qco 一co 2=12600CO2i，kJ ／t 。碳素氧化热是热收入的主要项，约占热收入的70%～80%。

(2)热风物理热。常将鼓风中湿度分解耗热在本项收入中扣除，每1m3H2O 分解耗热10800kJ ，q 风=V 风c 风t 风—10800V 风Ψ，kJ ／t 。

(3)氢氧化放热。这是H2还原氧化物时氧化成H2O 放出的热，每1m3H 2氧化成H ２Ｏ放热为10800kJ ，q H ２一2H2O =10800H2O 还。

(4)成渣热。这是熔剂和生矿带入高炉内的CaO 和MgO 造渣时放出的热量，每1kgCaO 或MgO 成渣放热1130kJ ，q 成渣1130(CaO+MgO)kJ／t ，式中CaO 、MgO 为每吨生铁熔剂和生矿带入的自由CaO 和MgO 量，kg ／t 。在现代高炉生产中已大量使用熔剂性烧结矿、自熔性烧结矿和高碱度烧结矿或球团矿，加入高炉的熔剂量很少或完全不加入，所以为简化热平衡，常将此项微少的热收入在热支出项的碳酸盐分解耗热中扣除。

(5)炉料物理热。对使用冷矿的高炉，这项热量很少，可以忽略不计。在仍使用热烧结矿的高炉，这项热量为q 料=G料c 料t 料，kJ ／t 。

热量支出 第一种全炉热平衡的热量支出有9项：

(1)氧化物分解耗热。它包括铁氧化物和生铁中少量元素(Si，Mn ，P ，V ，Ti 等) 氧化物分解耗热，它们以生铁中所含数量与该氧化物分解热的乘积算得：

此式是对锰矿而言，在实际生产中不加锰矿，所以只需按最后一项7015MnMnO 一Mn

计算；即

(2)脱硫。按每吨生铁进入炉渣的硫量u(S)

和硫化物分解热计算：

。

(3)碳酸盐分解耗热。进入高炉的碳酸盐有FeCO3(菱铁矿中的) 、MnCO3(菱锰矿中的) 、CaCO3(石灰石和白云石中的) 、MgCO3(白云石中的)

；

。有时为了简化将成渣热从此项中

扣除1130

(4)风中水分分解。常将此项在鼓风带入的物理热中扣除。

(5)喷吹物分解耗热。每1kg 喷入高炉的煤粉的分解热波动在1050～1250kJ ，一般无烟煤用低值，烟煤用高值：。

(6)炉料中水分蒸发和加热耗热。焦炭，天然生矿及熔剂带入物理水，尤其是水熄焦带入3%～5%或更高的水分，它们蒸发并加热到炉顶温度，如果使用褐铁矿生矿或含有结晶水矿物(例如脉石中的高岭土等) 的生矿，这些结晶水也要分解蒸发和加热到炉顶温度：

(7)铁水和炉渣的焓。可根据测定铁水和炉渣的温度，按各组分的含量和它们的平均比热容用加和法算得。也可根据实测温度和冶炼生铁品种选取统计出的经验数据：炼钢生铁Qu=(1720～1840)kJ ／kg 渣，Qe=(1180～1260)kJ ／kg 生铁；铸造生铁Qu=(1885～2000)kJ ／kg 渣，Qe=(1260～1380)kJ ／kg 生铁。这样q 铁=1000Qe，q 渣=uQu，kJ ／t 。

(8)炉顶煤气的焓。它包括干煤气、还原生成的H2O 和炉尘三者带走的热量，用它们数量、比热容和炉顶

温度的乘积算得：。

(9)热损失。高炉热损失包括冷却水带走的热量、通过炉壳表面辐射散热和对流给热损失热量以及通过炉底传给地层的热量等。除冷却水带走热量可较精确地测得外，其他几种是难于测得的，通常采用总热收入减去1～8项热支出而得出，有时也用统计经验式估算。

高炉热损失随炉子大小，冶炼强度高低和冶炼生铁品种而不同。一般炼铸造生铁时热损失占全部热收入的6%～10%，而炼钢生铁的热损失为3%～8%。典型的全炉热平衡列于表1。

第二种全炉热平衡 是在第一种热平衡基础上发展来的，它更能反映高炉冶炼在热量交换和热能利用方面的实质。因此在分析高炉热现象，寻求节能降耗的途径时被广泛应用。这两种热平衡相同的是物理热：在热收入上是热风、炉料带入的热量；在热支出上是炉料中水分蒸发和加热，生铁、炉渣及煤气的焓。两种热平衡不同的是化学反应热：碳的氧化放热在第二种热平衡中只计算风口前碳氧化成CO 的放热qC=9800C风kJ ／t ；还原耗热只计算吸热反应的铁直接还原和少量元素直接还原耗热：

；脱硫耗热按实际的反应热计算碳酸盐分解除计算CaCO

一CaO+CO2的分解热外，还要计算进入高温区后该反应分解出来的CO2

与焦炭的碳发生溶解损失反应的耗热：

；结晶水分解出来的H2O 进入高温区也要计算H2O+C—H2+CO

反应的吸热

。

高温区热平衡 在以整个高炉为研究对象的全炉热平衡中把高炉上部与下部收支的热量看作是等价的。但实际上，高炉冶炼过程能否顺利进行不仅取决于所需要的热量，而且还取决于过程所在区域的温度，人们已完全了解清楚，同样的热量，在高炉不同部位因温度不同而具有完全不同的价值，例如热风带入的高温1kJ 热量能使炉缸变热，促进Si 还原而使生铁含Si 量升高；而热烧结矿带入炉喉的1kJ 热量只能使炉顶温度升高，仍然由煤气带出炉外，而不能使炉缸变热。因此，用全炉热平衡分析高炉的热现象有片面性。由于高炉内存在热交换空区(见高炉热交换) ，边界上的煤气和炉料温度选择相对较稳定和易于切合生产实际，再加上决定高炉技术经济指标的过程也较多地集中在炉子下部，所以区域热平衡常以区域边界煤气温度950～1000℃以上的下部高温区为对象。

高温区热平衡类似于第二种全炉热平衡，它的收入为碳素在风口前氧化为CO 的放热和热风带入的有效热量等两项；而热支出为直接还原耗热、脱硫耗热、石灰石在高温区分解耗热、分解出的CO2。参与溶损反应耗热，铁水和炉渣的焓(扣除进入边界区时的焓) 以及煤气离开高温区时的焓(扣除生成煤气的焦炭进入高温区时的焓) ，为简化计算，将它们归入高温区热平衡的热损失项中；在喷吹燃料时还要计算煤粉分解耗热和加热到边界温度时的耗热。高温区热损失也是采用总收入扣除上述消耗后的差值来表示。典型的高温区热平衡列于表2。