炼钢过程中氧含量的探讨.pdf

1、山西科技S H A N X I S C I E N C E A N D T E C H N O L O G Y 2 0 0 9年第 3期5 月 2 0日出版 应用技术 炼钢 过程 中氧含 量 的探讨 姚 国平(太原重工铸锻分公司炼钢厂，山西太原，0 3 0 0 2 4)摘要：炼钢过程中，就氧含量问题经过 1 年的试验研究，并结合有关专家的观点，探讨了氧含 量的变化过程。在冶炼操作中通过控制影响氧含量的主要因素控制钢中含氧量，从而得 到优质钢。关键词：氧含量；碳氧 关系；碱度；F e O 中图分类号：T F 7 6 1 2 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 4 6 4 2 9(2 0 0 9

2、)0 3 0 1 4 4 0 3 整个炼钢过程，就是一个氧化还原过程。熔炼开始就有意 向熔池供氧，增加钢、渣中的氧含量。随着熔炼过程的进行，又采 取各种不同的方法，减少钢、渣中的氧含量，以便使成品钢中的 氧含量达到最低限度。所以在整个熔炼过程中，氧是炼钢的助 手，通过它来氧化掉不需要的物质，排除钢中的有害气体，提高 钢水温度，从而保证冶炼过程的正常进行。但是，钢中氧又是影 响钢的使用性能的有害元素，影响着钢的质量和使用寿命。因此 氧又是有害物质。为此又要千方百计的将钢中的氧含量降低到 最低限度。故每一个炼钢工作者必须系统了解氧在整个熔炼过 程中的行为，主动控制熔炼过程。使氧能充分发挥其炼钢助手

3、的 作用，又能使钢中的氧含量达到最低限度，保证熔炼出优质钢。本文将系统地探讨炼钢过程中氧含量的变化及其对冶炼操作的 影响。1 影响初炼炉(E 8 T)熔炼过程中钢水氧含量的各种因素 钢水中的各种元素，因为和氧亲和力的大小不同，对钢水中 的氧含量有着不同的影响。熔炼开始时，在当时的温度下，和氧 亲和力大于碳的元素，首先被氧化。所以当钢水中这些脱氧能力 强的元素含量较高时，钢中氧就决定于这些脱氧元素的含量。随 着这些脱氧元素很快被氧化，钢水中这些脱氧元素为微量时，钢 中的氧含量就主要决定于钢水中的含碳量。以后的整个熔炼过 程中，在脱氧元素加入之前。钢水中的含氧量都主要决定于钢水 的含碳量。碳的氧化

4、受当时供氧速度的影响，所以钢中的氧含量同样 也受着当时钢渣温度的影响。炉渣碱度、熔池深度、炉底状况、供 氧能力都影响着当时钢水中的氧含量。2 碳、氧反应平衡条件的讨论 钢水中的氧含量决定于钢水中的碳含量。讨论碳、氧平衡条 件，以及影响碳氧平衡条件的因素，才能了解熔炼过程中钢氧含 作者简介：姚国平，男，1 9 7 3年 9月出生，1 9 9 6年毕业于太 原理工大学，工程师，0 3 0 0 2 4，山西省太原市 收稿 日期：2 0 0 9 0 3 1 5 1 44 量的实际情况。在炼钢过程中，碳、氧反应是按下列反应式进行的：c +0：c O c 0 一 C O 根据马金尔和启普曼的研究，C、O平

5、衡常数是随着温度变 化而变化的。这里按炼钢温度来考虑 C、O反应的平衡常数。讨 论 的温度为 1 5 5 0 o C一1 6 5 0 o C。C、O反应平衡方程式为：c C o 3 P 0 0：0 0 0 3 3 当=1 a t m时，C 0=0 0 0 3 3 根据按上述平衡方程式和马金尔一启普曼实验曲线画出的 C、O反应平衡曲线见图 1 所示：0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 03 0 0 2 也 0 0l 0 I 一 1 1 1 1 、F-0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 S 0 9 I 0 含碳量 C 图 1 C、O反应平衡曲线 曲线 I 马金尔一启普曼

6、实验曲线，曲线 按 c O=0 0 0 3 3 计算曲线。在炼钢实际过程中，c、C o 反应的位置在钢液和炉底接触 处的粗糙表面进行，而氧的来源是从炉渣经钢液向下传递，所以 从熔池底部到钢渣接触面上的整个熔池高度有一个氧浓度梯 度。在钢液和炉底的接触处，当温度适合时，C、0反应速度很快，该处的氧浓度接近于平衡值。3 在初炼炉(E B T)中实测的碳氧关系 不同含碳量的钢水，在实际熔炼过程中，实测的 C、O关系和 c O=0 0 0 3 3曲线的比较图见图 2 所示：由图 2可知，在实际熔炼过程中，接近熔池底部，钢中氧含 量仅略高于平衡值。高碳钢的氧含量都在0 0 1 左右。只有碳低 姚国平：炼

7、钢过程中氧含量的探讨 2 0 0 9年第 3 期5月 2 0日出版 于0 3 时，氧含量才急剧上升。而碳低于 0 1 时，钢中氧含量达 到 0 0 4 以上。一 0 一 瓣 托 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0l -；j l f 。；O 01 0 20 30 40 _5(0 70 8 0 9 1 01 I 1 2 1 3 含碳挝 c o一表示熔化后；一 表示氧化期 圈 2 实测 C、O 关系曲线 4 各阶段钢 中含氧量的实测数值 4 1 三炉低碳钢(化 清后碳 含量 小于 0 4 0)低碳钢在初炼炉(E B T)熔化后 CO 4 时，钢中含氧量在 O 0 2 上下。随着氧化过程的进行

8、，钢中碳继续下降，而钢中氧就 逐渐增加。到氧化终 了时，碳含量在 0 1 上下，而氧含量 达到最 高值 0 0 6 上下。偏心低出钢进行部分沉淀脱氧和加还原渣，在 精炼包中氧含量开始下降，此时为 0 0 5 5 上下。上精炼炉(L F+V D)后，随着还原T作的进行钢中氧继续下降，用碳粉还原后，钢 中氧为 0 0 3 上下，此时，接近于 C、O平衡值。用矽铁粉还原后，钢中氧继续下降，此时低于 C、O平衡值，氧含量为 0 0 2 上下。喂铝丝脱氧进真空前钢中氧含量为 O 0 1，真空后根据钢中残铝 喂铝后氧含量逐渐降N4,于O 0 0 5，浇注时钢流取样及成品钢 中氧略有升高。4 2四炉 中碳钢

9、 整个熔炼阶段，钢 中氧含量由于钢 中碳含量高 于低碳钢，所 以各阶段钢中含氧量同样也低于低碳钢的情况。在中碳钢中，熔 化后 钢 中氧含 量为 0 0 0 5 0 0 1 5，氧化终 了时为 0 0 2 0 0 4，加还原渣后为 0 0 1 5 0 0 2，焦炭粉还原后为 0 0 1 O 0 1 5，硅铁粉还原后为0 0 0 5 0,0 1 5，喂铝丝脱氧进真空 前钢中氧含量为O 0 1，真空后根据钢中残铝喂铝后氧含量逐渐 降到小于 0,0 0 5，浇注时钢流取样及成品钢中氧也略有升高。4 3四炉高碳钢 对于高碳钢的熔炼，在整个熔炼过程中钢中含氧量几乎相 似。高碳钢熔 化后，钢中氧含量 小于

10、O 0 1，氧化终 了接近 于 0 0 1。加还原渣后约为 0 0 0 6，碳粉还原后约为 0 0 0 4，硅粉 脱氧后也为 0 0 0 4，喂铝丝脱氧进真空前钢中氧含量为 O 0 1，真空后根据钢中残铝喂铝后氧含量逐渐降N4,于 0 0 0 5，浇注 时钢流取样及成品钢中氧也略有升高。由七述 3种情况看，在熔炼过程中，当脱氧元素微量时，正 常沸腾的钢液中，氧的含量决定于当时钢水的含碳量，且高于平 衡值。随着钢液中碳含量的降低，钢液中氧含量增加。这一结论 从理论推算到实际测定都可以得到充分证明。5 钢渣间氧扩散平衡值的计算 炼钢过程中的化学反应是多项反应，要了解钢中氧含量的 变化，必须研究钢渣

11、间的氧平衡问题。渣中的氧与氧的活度系数 有关，氧的活度系数与温度、碱度和渣中F e O的含量有关。钢渣间扩散氧平衡值的计算：平衡常数：=【O ，q L与温度的关系：l 0 ：一6 _ +07 5 6 a ff o l=f F e O)r，r 为活度系数 酸性渣 口 =(F e O)，r=1 碱性渣的活度系数与渣的碱度、渣中的 F e O含量有关。F e O的活度与其浓度的关系(C a O S i O ：2)：根据计算，在 l 6 0 0、碱度 为 2时，L=O 0 0 5；在 1 6 0 0、碱 度为 4时，L=0 0 0 2 6。6 确定初炼炉和精炼炉炉渣碱度数值的依据 在编制冶炼工艺时，一

12、般都规定初炼炉(E R T)中的炉渣碱度 应保持在 1 82 2之间，精炼炉中的炉渣碱度为 34。氧化期 的主要目的就是氧化掉一切有害物质，因此要创造条件增强向 钢水供氧的能力，而还原期是为了脱去钢水中的氧。下面来说明 规定碱度的依据。当碱度为 1 6 2 0时，r 值最大当渣中 F e O为一定值时，q 也为最大。所以在初炼炉(E B T)中的熔渣保证 1 62 0的碱度，就能最大限度地向熔池供氧。因此在脱硫和脱磷任务不大时，保 持 1 62 0的碱度进行氧化是最合理的。当为了保证有一定的 脱硫脱磷能力时，一般规定碱度为 1 82,2是最为合理的。当碱度为 4时，r 为 1，钢渣间的平衡常数

13、 为最 小，这有 利于 钢水脱氧。(F e O)0 4时，如果碱度 为 2或为 4时，就可以看出 两者的区别。所以在精炼炉中，如果渣中氧化铁的含量为0-4，得到平衡 时，若渣的碱度为 2时，钢中的氧含量为 0 0 4 4；碱度为 4时，则 钢中氧含量为0 0 0 0 9 04。因此在精炼炉中规定 3 4的碱度是合 理的。但是在精炼期钢渣间的氧不可能达到平衡值，所以金属含 氧量一般不会低于 0 0 0 1 0 0 0 2。7 还原渣使用硅铁粉的讨论 冶炼工艺规定，精炼期还原渣一般先用焦碳粉还原，后用硅 铁粉还原。但是经试验和实践证明，在第一批渣料中加入硅铁粉 是合理的，尤其是冶炼低碳钢时，这样做

14、是非常合理的。第一批 渣料中加入硅铁粉，不仅使脱氧更加完全，而且比用焦碳粉脱氧 速度更快，生成的 S i O 能提高渣的流动性，F e O和其他氧化物被 还原的反应是在整个渣的体积内进行的。故可认为在第一批渣 料内加入硅铁粉是合理的。在低碳钢中硅的脱氧能力较大，钢中硅的增加可使 0 降低到 S i、O平衡的数值。这表明用硅脱氧生成的S i O 很快能进入渣中。在高碳钢中，由于碳的脱氧能力 大于硅 的脱氧能力，故改变【S i】量对【O】量没有影响，此时根本不生成 S i O 。所以高碳钢无须 用硅铁粉脱氧。8 脱氧用铝量的讨论 在钢水的凝固过程中，由于选分结晶的关系，母液中的 c、O 增高。C

15、O的析出压力可达 2 个大气压，甚至更高。析出的C O气 泡缠在长大的树枝状晶体中，使钢锭出现气泡，为此必须加入强 的脱氧剂。理论分析和实践证明在钢中加入 O 1 8 一 0 2 3 的硅，l 45 山西科技S H A N X I S C I E N C E A N D T E C HN O L O G Y 2 0 0 9年第 3期5月 2 0日出版 就能防止 C O的生成和析出。如果铝和硅同时加入，就能在更低 的硅量下防止气泡 的生成。所 以一般成品钢 中都有不小于 O 1 7 的硅。为了更完全脱氧，在出钢前加入少量的铝，某些情况 下还加入钛锆和其他脱氧剂。铝的加入量是根据精炼时钢水中的氧含

16、量确定的，而出钢 前的氧含量是根据 C、0实际关系决定的，所以铝的加入量是根 据所炼钢种的含碳量确定。随着含碳量的增加而加铝量降低，这 种规定根据上述分析的C、0关系是非常合理的。工艺上规定的 加铝量和含 C量的关系见表 1。9 结论 炼钢过程中氧含量的变化，在冶炼各个阶段其影响因素是 不同的。初炼炉(E B T)期，在其他脱氧元素微量时钢中的氧含量 主要决定于钢水中碳的含量，同时也取决于炉底、炉渣、温度及 供氧情况。精炼炉(L F+V D)期，钢中的氧含量主要决定于精炼温 度、炉渣碱度及渣中F e O含量，同时也取决于脱氧用铝量。整个 冶炼过程实际上就是控制钢水中的含氧量，氧含量控制在正常 范围内冶炼就能正常进行，否则冶炼就不能正常进行，也无法冶 炼出高质量的钢。表 1 各类钢 加 Al 量的工艺规范 钢中C规格 加 A l 量 类 别 中限()(k g T)0-3 5 O-305 O 9 O 03 00 4 0 铸 件 O 9 O1 0 参考文献 1 徐曾启 炉外精炼 M 北京：冶金工业出版社，1 9 9 4 2 蒋国昌 纯净钢及二次精炼 M 上海：上海科学技术出版 社 1 9 9