钢铁冶金学炼钢部分总结知识点.docx

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钢铁冶金学炼钢部分总结知识点

1、钢和生铁的区别？

答：

C < 2.11%的Fe-C合金为钢；C > 1.2%的钢很少实用；还含Si、Mn等合金元素及杂质。

生铁硬而脆，冷热加工性能差，必须经再次冶炼才能得到良好的金属特性；钢的韧性、塑性均优于生铁，硬度小于生铁

长流程：

以铁矿石为原料，煤炭为能源-高炉-铁水预处理-转炉炼钢-炉外精炼-连铸-轧钢

短流程：

以废钢为原料，电为能源-电炉炼钢-炉外精炼-连铸-轧钢

2、炼钢的基本任务？

答：

钢铁冶金的任务是由生产过程碳、氧位变化决定的。

炼钢的基本任务分为脱碳，脱磷，脱硫，脱氧，脱氮、氢等，去除非金属夹杂物，合金化，升温（1200°C→1700°C），凝固成型，废钢、炉渣返回利用，回收煤气、蒸汽等。

高炉——分离脉石，还原铁矿石铁水预处理——脱S,Si,P

转炉——脱碳，升温炉外精炼——去杂质，合金化

 3、钢中合金元素的作用？

答：

C：

控制钢材强度、硬度的重要元素，每1％[C]可增加抗拉强度约980MPa；Si：

增大强度、硬度的元素，每1％[Si]可增加抗拉强度约98MPa；Mn：

增加淬透性，提高韧性，降低S的危害等；Al：

细化钢材组织，控制冷轧钢板退火织构；Nb：

细化钢材组织，增加强度、韧性等；V：

细化钢材组织，增加强度、韧性等；Cr：

增加强度、硬度、耐腐蚀性能。

4、钢中非金属夹杂物来源？

答：

5、主要炼钢工艺流程？

 答：

炒钢→坩埚熔炼等→平炉炼钢→电弧炉炼钢→氧气顶吹转炉炼钢→氧气底吹转炉和顶底复吹炼钢。

主要生产工艺为转炉炼钢工艺和电炉炼钢工艺。

与电炉相比，氧气顶吹转炉炼钢生产率高，对铁水成分适应性强，废钢使用量高，可生产低S、低P、低N的杂质钢，可生产几乎所有主要钢品种。

顶底复吹工艺过氧化程度低，熔池搅拌好，金属-渣反应快，控制灵活，成渣快。

 现代炼钢流程：

炼铁，炼钢（铁水预处理、炼钢、炉外精炼），连铸，轧钢，主要产品。

6、铁的氧化和熔池的基本传氧方式？

答：

火点区：

氧流穿入熔池某一深度并构成火焰状作用区（火点区）。

吹氧炼钢的特点：

熔池在氧流作用下形成的强烈运动和高度弥散的气体－熔渣－金属乳化相，是吹氧炼钢的特点。

乳化可以极大地增加渣－铁间接触面积，因而可以加快渣－铁间反应。

乳化：

在氧流强冲击和熔池沸腾作用下，部分金属微小液滴弥散在熔渣中；乳化的程度和熔渣粘度、表面张力等性质有关。

乳化可极大增加渣－铁接触面积，因而可加快渣－铁间反应。

杂质的氧化方式：

 直接氧化：

气体氧直接同铁液中的杂质进行反应。

间接氧化：

气体氧优先同铁发生反应，待生成FexO以后再同其他杂质进行反应。

    氧气转炉炼钢以间接氧化为主：

氧流是集中于作用区附近而不是高度分散在熔池中；氧流直接作用区附近温度高，Si和Mn对氧的亲和力减弱；从反应动力学角度来看，C向氧气泡表面传质的速度比反应速度慢，在氧气同熔池接触的表面上大量存在的是铁原子，所以首先应当同Fe结合成FeO。

 7、脱碳反应？

答：

脱碳的重要性：

反应热升温钢水；影响生产率；影响炉渣氧化性；影响钢[O]含量。

脱碳产物CO的作用：

从熔池排出CO气体产生沸腾现象，使熔池受到激烈地搅动，起到均匀熔池成分和温度的作用；大量的CO气体通过渣层是产生泡沫渣和气一渣一金属三相乳化的重要原因；上浮的CO气体有利于清除钢中气体和夹杂物；在氧气转炉中，排出CO气体的不均匀性和由它造成的熔池上涨往往是产生喷溅的主要原因。

“C-O”关系：

脱碳反应的热力学条件：

增大f[C]有利于脱碳；增加[O]有利于脱碳；降低气相PCO有利于脱碳；提高温度有利于脱碳。

8、脱碳反应动力学？

答：

限制性环节：

C高O低时，O的扩散为限制性环节；C低O高时，C的扩散为限制性环节。

 脱碳过程：

1.吹炼初期以硅的氧化为主，脱碳速度较小； 

2.吹炼中期，脱碳速度几乎为定值； 

3.吹炼后期，随金属中含碳量的减少，脱碳速度降低。

9、硅的氧化反应？

答：

脱硅的作用：

硅高，增加渣量，需多加石灰提高炉渣碱度，影响前期脱磷，影响炉龄，增加氧气消耗，降低金属收得率；硅低，渣量少，石灰用量少，氧气消耗低，金属收得率提高。

有利于[Si]氧化反应因素：

[Si]的氧化反应对炼钢过程的影响：

热效应；影响脱碳、脱磷反应；影响渣量。

10、锰的氧化与还原？

答：

有利于[Mn]氧化反应因素：

有利于[Mn]氧化的因素：

提高[Mn]的活度；提高渣中的（FeO）活度；降低（MnO）活度；较低温度。

温度对脱锰反应的影响：

初期温度低，渣中MnO活度低，大量Mn氧化；中后期温度升高、渣中FeO含量降低，碱度提高，炉渣中部分MnO被还原；末期炉渣FeO含量增高，Mn重新被氧化。

11、脱磷反应？

答：

有利于脱磷的工艺条件：

降低温度；提高炉渣碱度；增加炉渣氧化铁活度；增加渣量；增加[P]活度系数。

炉渣的重要性：

通过造碱性炉渣能够降低P2O5的活度系数，同时，碱度CaO/SiO2越高，磷分配比越大，有利于脱磷；渣量增大有利于脱磷。

回磷的原因：

吹炼中期炉渣“反干”，炉渣FexO含量减少（炼钢过程）；出钢带渣量多，炉渣碱度降低，[O]含氧量降低（脱氧过程）。

回磷的解决措施：

高磷铁水吹炼过程中采用“倒包”方法。

 吹炼高磷铁水技术：

利用“后吹”脱磷；“双渣”工艺。

超低磷冶炼工艺技术：

采用铁水“三脱”预处理；采用氧气转炉进行脱磷预处理；转炉铁水脱磷工艺。

12、脱硫的方法及工艺：

方法：

KR（机械搅拌）脱硫；喷粉脱硫。

工艺：

LF炉精炼脱硫渣系；真空喷粉钢水脱硫（铁水预处理－BOF－LF－RH－CC工艺；铁水预处理－BOF－真空喷粉精炼－CC工艺）；V-KIP工艺；RH喷粉脱硫；RH-PB工艺；RH顶喷粉脱硫；IR-UT工艺。

有利于脱硫的因素：

硫容量：

炉渣的作用：

FexO过高不利于脱硫，碱性还原渣有利于脱硫，增大渣量有利于脱硫。

金属脱硫及气相脱硫：

回硫的原因及控制：

回硫主要来自废钢和铁水脱硫渣；石灰带入的硫量很少。

转炉炼钢工艺抑制回硫。

衡量脱硫渣能力的方法：

炉渣碱度、还原性、[O]活度、[S]活度、（O2-）活度、（S2-）活度的高低。

13、脱氧的必要性：

α铁中氧溶解度仅为3~4ppm，过饱和的氧会在钢液冷却过程以铁的氧化物氧硫化物或其他类型的非金属夹杂物的形式析出存在于固态铁的晶界处。

在钢的加工和使用过程容易成为晶界开裂起点。

脆性破坏。

钢中氧含量增加会降低钢材的延性，冲击韧性，抗疲劳破坏性能，提高韧-脆转换温度，降低耐腐蚀性能。

总氧：

包括自由氧（a0）以及固定氧（夹杂物所含的氧）。

总氧T[O]表示钢的洁净度，值越低表示钢越“干净”。

终点氧：

炼钢终点时钢液中总的溶解氧量。

脱氧方式：

沉淀脱氧、扩散脱氧、真空脱氧法。

沉淀脱氧：

优点：

反应速度快，操作简便，成本低。

缺点：

部分脱氧产物滞留在钢中，不吐程度污染钢水，降低钢的纯净度。

扩散脱氧：

优点：

脱氧产物不污染钢液。

缺点：

反应速度较慢。

真空脱氧：

优点：

脱氧产物CO几乎全部由钢液排除，不污染钢液。

缺点：

钢液温度降低较大，且投资和生产成本较高。

沉淀脱氧：

是用与氧亲和力较铁与氧亲和力强的元素作脱氧剂，脱氧剂与钢液中的氧直接作用，发生脱氧反应，反应产物由钢液上浮排除，从而达到脱氧目的。

 脱氧时将各种脱氧剂以铁合金形式直接加入到钢液中；某些比重较轻或较易气化的脱氧剂则多采用向钢液喂丝或喂包芯线方法加入至钢液中。

扩散脱氧：

扩散脱氧是向炉渣中加入碳粉、硅铁粉、铝粉等脱氧剂，降低炉渣的FeO含量；当渣中FeO含量不断降低时，钢中的氧即会向炉渣中扩散，以维持氧在渣－钢间的分配平衡，从而达到钢液脱氧的目的；扩散脱氧方法目前主要应用于钢水炉外精炼；扩散脱氧的优点是脱氧产物不玷污钢液，缺点是脱氧速度较慢。

真空脱氧：

真空脱氧是指将钢液置于真空条件下，通过降低CO气体分压，促使钢液内[C]－[O]反应继续进行，利用[C]－[O]反应达到脱氧的目的；真空脱氧方法的最大特点是脱氧产物CO几乎全部可由钢液排除，不玷污钢液；钢液温度降低较大，且投资和生产成本较高。

 14、元素的脱氧能力？

答：

Ca>Ba>Zr>Al>Ti>B>Ta>Si>C>V>Nb>Cr>Mn。

15、脱氧的产物？

答：

复合脱氧：

用含有两种或两种以上脱氧元素的铁合金对钢液进行的脱氧称为复合脱氧；复合脱氧的实质是用两种或两种以上的脱氧元素同时同钢液中溶解的氧发生反应，并使它们的脱氧产物彼此结合成互溶体或化合物以降低脱氧产物的活度；由于脱氧产物活度降低，使钢液[O]含量降低； 与单独元素脱氧相比，多数情况下，复合脱氧能够提高脱氧元素的脱氧能力。

常用脱氧剂：

硅-锰复合脱氧剂；钙-硅复合脱氧剂。

脱氧动力学：

包括以下几个环节，即脱氧元素的溶解和均匀化；脱氧化学反应；脱氧产物的形核；脱氧产物的长大；脱氧产物的去除。

脱氧产物长大的方式：

扩散长大；不同尺寸脱氧产物间的扩散长大；由于上浮速度差而碰撞凝集长大；由于钢液运动而碰撞凝集长大。

影响脱氧颗粒长大的因素：

斯托克定律：

V夹杂物上浮速度ρm钢水密度7*10^3Kg／m3ρs夹杂物密度4*10^3Kg／m3

γ夹杂物当量直接mηm钢水粘度0.005Pa·S

16、夹杂物的分类

⑴按化学组成成分：

氧化物，硫化物，氮化物，磷化物，碳化物

⑵按尺寸：

超显微夹杂物（微粒＜1μm），显微夹杂物（1~100μm）,大型夹杂物（微粒＞100μm）

⑶按图标：

A类（硫化物类）：

具有高的延展性，较宽范围形态比，一般端部呈圆角

B类（氧化铝类）：

大多数没有变形，带角的，形态比较小（一般＜3μm），黑色或带蓝色颗粒

C类（硅酸盐类）：

具有较高的延展性，较宽范围形态比（一般≧3μm），呈黑色或深灰色，一般端部成锐角

D类（球状氧化物类）：

不变形，形态比较小（一般＜3μm），黑色或带蓝色的无规则分布的颗粒

Ds类（单颗粒球状类）：

圆形或者近似圆形，直径大于13μm的单颗粒夹杂物

17、夹杂物的评价指标：

含量，尺寸，分布，评级方法

夹杂物上浮去除：

⑴精炼：

底吹气体促进上浮⑵中间包：

控流装置延长上浮时间⑶结晶器：

控制流动，促进夹杂物上浮。

夹杂物的变性处理的目的：

为了最大程度上防止对产品有坏影响的夹杂物残留在钢中，还需要把他们改变为对产品性能危害小或者无害的夹杂物，即夹杂物的形态控制。

氧气顶吹：

优点：

控制灵活，成渣快。

缺点：

过氧化，金属-渣反应慢，熔池搅拌差。

氧气底吹：

优点：

过氧化程度低，熔池搅拌好，金属-渣反应快。

缺点：

成渣快，废钢比低。

顶底复吹：

优点：

过氧化程度低，熔池搅拌好，金属-渣反应快，控制灵活，成渣快。

18、非金属夹杂物的分类：

氧化物、硫化物、氮化物夹杂。

非金属夹杂物的危害和所造成的缺陷：

铸坯缺陷：

表面夹渣；裂纹（表面纵裂纹、表面横裂纹、内部裂纹。

v  钢材缺陷：

热轧钢板（夹渣、翘皮、分层、超声波检查不合等；冷轧钢板（裂纹、灰白线带、起皮、鼓包等。

钢材性能：

加工性能（冲压、拉丝、各向异性等；机械性能（延性、韧性、抗疲劳破坏性能等）；耐腐蚀性能、焊接性能、抗HIC性能等。

    内生类非金属夹杂物：

脱氧产物；钢-渣反应、钙处理等化学反应生成的夹杂物；二次氧化产物；钢液冷却和凝固过程生成的夹杂物。

外来类非金属夹杂物：

炉渣卷入形成的夹杂物；耐火材料浸蚀形成的夹杂物。

非金属夹杂物的控制：

炼钢出钢挡渣；低碳、超低碳钢RH精炼效率；超低氧钢水的LF精炼技术；增强搅拌，夹杂物上浮。

19、炉外精炼（钢包冶金）：

将传统工艺流程中在常规炼钢中完成的精炼任务。

如去除杂质；成分及温度的调整和均匀化等任务，部分或全部地转移到钢包中或其他容器中进行。

炉外精炼的5个基本手段：

渣洗；真空处理；搅拌；加热；喂丝。

炉外精炼的作用：

优化钢水的温度和成分，满足了连铸工艺的要求；优化钢铁生产流程，提高钢铁生产的节奏；优化产品结构，提高产品附加值和企业利润。

20、铁水预处理：

铁水进入炼钢炉之前为去除或提取某种成分而进行的处理过程。

意义：

创造最佳的冶金反应环境；优化钢铁冶金工艺。

优越性：

满足用户对超低硫、磷钢的需求，发展高附加值钢种；减轻高炉脱硫负担，放宽对硫的限制，提高产量，降低焦比；炼钢采用低硫铁水冶炼，可获得巨大的经济效益。

脱硫工艺：

混铁车喷吹法；铁水罐法；铁水包法。

发展趋势为采用铁水包作为铁水脱硫预处理的容器。

脱硫方法：

投掷法，将脱硫剂投入铁水中脱硫；喷吹法，将脱硫剂喷入铁水中脱硫；搅拌法（KR法），通过中空机械搅拌器向铁水内加入脱硫剂，搅拌脱硫。

四大系列以及复合脱硫剂：

苏打系、电石系、石灰系、Mg系。

元素的脱硫能力，由高到低依次为：

 CaC2、NaO2、Mg、BaO、CaO、MnO、MgO  

工业中常用的脱硫剂有：

 CaO系、CaO+CaC2系、CaC2、CaO+Mg系、Mg等。

铁水脱Si的重要意义：

是铁水脱磷的必要条件；利于减少石灰加入量和渣量；可在低碱度下实现脱Si，成本低。

有利于脱硫的热力学条件：

提高温度；提高[S]的活度；提高炉渣（O2-）活度；降低（S2-）活度；降低[O]活度。

铁水预处理脱磷：

喷吹法。

在喷枪附近，氧位较高（Po2=10-12~10-11kPa），进行着氧化脱磷反应；在铁水罐壁和顶渣与铁水界面处，氧位较低（Po2£10-13kPa），进行着还原脱硫反应。

因此，喷吹预处理工艺是在实行了熔池的氧位再分布后，才达到同时脱除磷、硫的，即是“同时不同位”。

脱磷同时脱硫的化学原理为电化学反应，即阳极[P] + 4（O2-） == （PO43-） + 5e，阴极[S] + 2e == （S2-）。

脱磷前的铁水预脱硅：

脱磷过程中硅比磷优先氧化。

这样形成的SiO2势必会大大降低脱磷渣的碱度。

因此，为了减少脱磷剂用量、提高脱磷效率，脱磷前必须优先将铁水[Si]氧化脱除至0.10%~0.15%。

脱磷工艺：

铁水预处理脱磷，反应温度低，热力学条件好，易于脱磷；铁水中C、Si含量高提高了铁水中磷的活度，有利于脱磷；由于铁水预处理脱磷具备良好的化学热力学条件，渣钢间磷的分配系数是炼钢脱磷的5～10倍，因而渣量小，可以控制较低的渣中FeO含量，脱磷成本低；和炼钢相比，不会因脱磷造成钢水过氧化，影响钢质量。

有利于脱磷的工艺条件：

降低温度；增加炉渣碱度；增加炉渣中FeO的活度；增加渣量；增加[P]的活度系数

两类脱磷剂：

21、铁水预处理的意义：

答：

将“相互矛盾”的冶金反应分别处理，提高反应效率；

减轻转炉冶炼负荷，缩短转炉冶炼周期；

生产超低硫、超低磷钢种；

工序间衔接、匹配优化；

减少炉渣、烟尘等排放。

22、 连续铸钢  

1、优越性：

简化了生产工序；增加了金属收得率；减少了能源消耗；改善了劳动条件，易于实现自动化；提高了铸坯质量。

2、连铸工艺原理：

连铸运动过程是将钢水转变为固态钢的过程，这一转变伴随着固态钢成型、固态相变、液-固态相变、铜板与铸坯表面的换热以及冷却水与铸坯表面间复杂换热的过程，钢水要经历钢水包，中间包，结晶器，二次冷却，空冷区，切割，铸坯的工序。

3、连铸机的主要设备：

钢水包；钢包回转台；中间包及其运载设备；连铸结晶器；二次冷却装置；拉坯矫直装置；引锭装置；铸坯的切割设备。

4、中间包作用：

稳定钢流；减少钢液对结晶器内凝固坯壳的冲刷；使钢水在中间包内有合理的流动状态；适当增加中间包内钢水的停留时间会有利于钢水中夹杂物的上浮；分流作用；在钢水换包时起到衔接作用。

5、连铸坯的质量要求：

连铸坯的几何形状、表面质量、内部质量和钢的纯净度。

6、连铸坯的缺陷分类：

 ①内部缺陷：

内部裂纹（中间裂纹，对角线裂纹，矫直弯曲裂纹，中心裂纹，角部裂纹）；中心偏析，中心疏松，宏观非金属夹杂物。

 ②表面缺陷：

震动痕迹；表面裂纹（表面纵裂纹，角部纵裂纹，表面横裂纹，角部横裂纹）；表面夹渣（皮下夹渣）；表面气泡（皮下气泡）；表面增碳和偏析；凹坑和重皮。

 ③形状缺陷：

菱形变形；铸坯鼓肚。

7、影响连铸坯纯净度的若干因素：

机型对铸坯中夹杂物的影响；连珠操作对铸坯中夹杂物的影响；耐火材料质量对铸坯中夹杂物的影响。

8、提高连铸坯纯净度的途径：

钢液的净化处理；防止连铸过程中的二次氧化；利用中间包冶金去除钢中夹杂物；在结晶器中采取促使夹杂物上浮的措施。

 9、连铸保护渣的冶金功能：

结晶器内钢水上表面与空气隔绝，隔热保温，防止钢液过氧化；吸收钢液表面的非金属夹杂物；改善钢锭与模壁间的传热条件，减少钢锭凝固时过热产生的内应力，有利于减少钢锭裂纹；润滑。

23、炉渣如何向钢中传氧

炉渣中的FeO与氧化性气氛接触，被氧化成高价氧化物Fe2O3；渣-铁界面高价Fe2O3被还原成低价FeO；气相中的氧因此被传递给金属熔池。

24、什么是过剩氧

实际熔池的[O]含量与碳-氧化学平衡的[O]含量之差称为过剩氧。

Δ[O]=[O]实际-[O]平衡

25、氧化0.1%[Si]可以升温30.2℃；0.1%[Mn]是6.6℃；0.1%[C]是140.3℃

26、电弧炉炼钢（EAF）是以电能作为热源的炼钢方法，它是靠电极和炉料间放电产生的电弧使电能在弧光中转变为热能，比借助电弧辐射和电弧的直接作用加热并熔化金属炉料和炉渣，冶炼出各种成分和温度合格的钢水和合金的一种炼钢方法。

电弧炉炼钢的特点：

热源为电能（清洁，温度高，容易控制）；主要原料是废钢，流程短

电弧炉的主要设备：

电气设备；机械设备；除尘系统；辅助设备

转炉设备：

主原料装入；转炉本体；渣料系统；氧枪系统；烟气进化系统；倾动系统；出钢，出渣系统。

转炉炉型:

筒球型，锥球型，截锥型

挡渣方法:

挡渣球，挡渣塞，气动挡渣，滑动水口挡渣

转炉吹炼操作步骤：

溅渣补炉；装入废钢；兑铁水；开始吹炼；加入渣料；吹炼结束；测温取样；合金化；出钢；调整。

铁料：

废钢，铁水

渣料：

石灰，白云石，荧石，铁矿石

冷却剂：

铁矿石，氧化铁皮

终点：

所炼钢种成分和温度达到要求的时刻

为什么要挡渣：

减少非金属夹杂物的生产量；减少精炼连铸过程钢水二次氧化；提高炉外精炼的脱硫效率；减少钢水“回磷”。