资源描述
转炉炼钢工艺步骤
这种炼钢法使用氧化剂是氧气。把空气鼓入熔融生铁里，使杂质硅、锰等氧化。在氧化过程中放出大量热量 （含1%硅可使生铁温度升高200摄氏度），可使炉内达成足够高温度。所以转炉炼钢不需要另外使用燃料。
转炉炼钢是在转炉里进行。转炉外形就像个梨，内壁有耐火砖，炉侧有很多小孔（风口），压缩空气从这些小孔里吹炉内，又叫做侧吹转炉。开始时，转炉处于水平，向内注入1300摄氏度液态生铁，并加入一定量生石灰，然后鼓入空气并转动转炉使它直立起来。这时液态生铁表面猛烈反应，使铁、硅、锰氧化 (FeO,SiO2 , MnO,) 生成炉渣，利用熔化钢铁和炉渣对流作用，使反应遍布整个炉内。几分钟后，当钢液中只剩下少许硅和锰时，碳开始氧化，生成一氧化碳（放热）使钢液猛烈沸腾。炉口因为溢出一氧化炭燃烧而出现巨大火焰。最终，磷也发生氧化并深入生成磷酸亚铁。磷酸亚铁再跟生石灰反应生成稳定磷酸钙和硫化钙，一起成为炉渣。
当磷和硫逐步降低，火焰退落，炉口出现四氧化三铁褐色蒸汽时，表明钢已炼成。这时应立即停止鼓风，并把转炉转到水平位置，把钢水倾至钢水包里，再加脱氧剂进行脱氧。整个过程只需15分钟左右。假如空气是从炉低吹入，那就是低吹转炉。
伴随制氧技术发展，现在已普遍使用氧气顶吹转炉 （也有侧吹转炉）。这种转炉吹如是高压工业纯氧，反应更为猛烈，能深入提升生产效率和钢质量。
转炉一炉钢基础冶炼过程。顶吹转炉冶炼一炉钢操作过程关键由以下六步组成：
（1）上炉出钢、倒渣，检验炉衬和倾动设备等并进行必需修补和修理；
（2）倾炉，加废钢、兑铁水，摇正炉体（至垂直位置）；
（3）降枪开吹，同时加入第一批渣料（起初炉内噪声较大，从炉口冒出赤色烟雾，随即喷出暗红火焰；3～5min后硅锰氧靠近结束，碳氧反应逐步猛烈，炉口火焰变大，亮度随之提升；同时渣料熔化，噪声减弱）；
（4）3～5min后加入第二批渣料继续吹炼（随吹炼进行钢中碳逐步降低，约12min后火焰微弱，停吹）；
（5）倒炉，测温、取样，并确定补吹时间或出钢；
（6）出钢，同时（将计算好合金加入钢包中）进行脱氧合金化。
上炉钢出完钢后，倒净炉渣，堵出钢口，兑铁水和加废钢，降枪供氧，开始吹炼。在送氧开吹同时，加入第一批渣料，加入量相当于全炉总渣量三分之二，开吹3-5分钟后，第一批渣料化好，再加入第二批渣料。假如炉内化渣不好，则许加入第三批萤石渣料。
吹炼过程中供氧强度：
小型转炉为2.5-4.5m3/(t·min)；120t以上转炉通常为2.8-3.6m3/(t·min)。
◆开吹时氧枪枪位采取高枪位，现在是为了早化渣，多去磷，保护炉衬；
◆在吹炼过程中合适降低枪位确保炉渣不“返干”，不喷溅，快速脱碳和脱硫，熔池均匀升温为标准；
◆在吹炼末期要降枪，关键目标是熔池钢水成份和温度均匀，加强熔池搅拌，稳定火焰，便于判定终点，同时使降低渣中Fe含量，降低铁损，达成溅渣要求。
◆当吹炼到所炼钢种要求终点碳范围时，即停吹，倒炉取样，测定钢水温度，取样快速分析[C]、[S]、[P]含量，当温度和成份符合要求时，就出钢。
◆当钢水流出总量四分之一时，向钢包中脱氧合金化剂，进行脱氧，合金化，由此一炉钢冶炼完成。
炼钢学概述
基础要求：了解炼钢任务；了解对原材料要求；了解耐火材料分类和各自用途。
关键和难点：炼钢任务；原材料关键质量指标；炼钢用耐火材料。
第一节 概 述
一、钢和生铁区分及发展历程：
首先是碳含量，理论上通常把碳含量小于2.11%称之钢，它熔点在1450-1500℃，而生铁熔点在1100-1200℃。
在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体，伴随碳含量增加，其强度、硬度增加，而塑性和冲击韧性降低。
钢应用前景：钢含有很好物理、化学性能和力学性能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，其用途十分广泛。
用途不一样对钢性能要求也不一样，从而对钢生产也提出了不一样要求。石油、化工、航天航空、交通运输、农业、国防等很多关键领域均需要多种类型大量钢材，我们日常生活更离不开钢。总而言之，钢材仍将是二十一世纪用途最广结构材料和最关键功效材料。
炼钢方法（1）
最早出现炼钢方法是1740年出现坩埚法，它是将生铁和废铁装入由石墨和粘土制成坩埚内，用火焰加热熔化炉料，以后将熔化炉料浇成钢锭。此法几乎无杂质元素氧化反应。
炼钢方法（2）
1856年英国人亨利·贝塞麦发明了酸性空气底吹转炉炼钢法，也称为贝塞麦法，第一次处理了用铁水直接冶炼钢水难题，从而使炼钢质量得到提升，但此法要求铁水硅含量大于0.8%，而且不能脱硫。现在已淘汰。
炼钢方法（3）
1865年德国人马丁利用蓄热室原剪发明了以铁水、废钢为原料酸性平炉炼钢法，即马丁炉法。1880年出现了第一座碱性平炉。因为其成本低、炉容大，钢水质量优于转炉，同时原料适应性强，平炉炼钢法一时成为关键炼钢法。
炼钢方法（4）
1878年英国人托马斯发明了碱性炉衬底吹转炉炼钢法，即托马斯法。她是在吹炼过程中加石灰造碱性渣，从而处理了高磷铁水脱磷问题。当初，对西欧部分国家尤其适用，因为西欧矿石普遍磷含量高。但托马斯法缺点是炉子寿命底，钢水中氮含量高。
炼钢方法（5）
1899年出现了完全依靠废钢为原料电弧炉炼钢法(EAF)，处理了充足利用废钢炼钢问题，此炼钢法自问世以来，一直在不停发展，是目前关键炼钢法之一，由电炉冶炼钢现在占世界总钢产量30-40%。
炼钢方法（6）
瑞典人罗伯特·杜勒首优异行了氧气顶吹转炉炼钢试验，并取得了成功。1952年奥地利林茨城(Linz)和多纳维兹城(Donawitz)前后建成了30吨氧气顶吹转炉车间并投入生产，所以此法也称为LD法。美国称为BOF法（Basic Oxygen Furnace）或BOP法，图1所表示。
图1 BOF法
炼钢方法（7）
1965年加拿大液化气企业研制成双层管氧气喷嘴，1967年西德马克西米利安钢铁企业引进此技术并成功开发了底吹氧转炉炼钢法，即OBM法(Oxygen Bottom Maxhuette) 。1971年美国钢铁企业引进OBM法，1972年建设了3座200吨底吹转炉，命名为Q-BOP (Quiet BOP) ，图2所表示。
图2 Q-BOP法
炼钢方法（8）
在顶吹氧气转炉炼钢发展同时，1978-1979年成功开发了转炉顶底复合吹炼工艺，即从转炉上方供给氧气（顶吹氧），从转炉底部供给惰性气体或氧气，它不仅提升钢质量，而且降低了炼钢消耗和吨钢成本，更适合供给连铸优质钢水，图3所表示。
图3 转炉顶底复合吹炼法
炼钢方法（9）
中国首先在1972-1973年在沈阳第一炼钢厂成功开发了全氧侧吹转炉炼钢工艺。并在唐钢等企业推广应用，图4所表示。
图4 全氧侧吹转炉炼钢法
总而言之，炼钢技术经过200多年发展，技术水平、自动化程度得到了很大提升，二十一世纪炼钢技术见面临更大挑战，相信会有不停新技术涌现。
二、中国钢铁工业情况
中国很早就掌握了炼铁冶炼技术，东汉时就出现了冶炼和铸造技术，南北朝时期就掌握了灌钢法，曾在世界范围内处于领先地位。但旧中国钢铁工业很落后，产量很低，从1890年建设汉阳钢铁厂至1948年半个世纪中，钢产量累计到200万吨，1949年只有15.8万吨。
新中国成立后，尤其是改革开放以来，中国钢铁事业得到快速发展，1980年钢产量达成3712万吨，1990年达成6500万吨，1996年首次突破1亿吨大关，成为世界第一产钢大国，产量达成3.4亿吨，占世界产量1/3。
能够这么讲，中国钢铁工业对世界产生了关键影响，中国不仅是产钢大国，而且已经开始迈入钢铁强国行列，图5所表示。
图5 中国粗钢产量改变情况
第二节 炼钢任务及钢分类
一、炼钢任务
炼钢基础任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱氧，去除有害气体和非金属夹杂物，提升温度和调整成份。归纳为：“四脱”（碳、氧、磷和硫），“二去”（去气和去夹杂），“二调整”（成份和温度）。采取关键技术手段为：供氧，造渣，升温，加脱氧剂和合金化操作。
（一）钢中磷
对于绝大多数钢种来说磷是有害元素。钢中磷含量高会引发钢 “冷脆”，即从高温降到0℃以下，钢塑性和冲击韧性降低，并使钢焊接性能和冷弯性能变差。
磷是降低钢表面张力元素，伴随磷含量增加，钢液表面张力降低显著，从而降低了钢抗裂性能。
磷是仅次于硫在钢连铸坯中偏析度高元素，而且在铁固熔体中扩散速率很小，所以磷偏析极难消除，从而严重影响钢性能，所以脱磷是炼钢过程关键任务之一。磷在钢中是以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在，但通常是以[P]来表示。炼钢过程脱磷反应是在金属液和熔渣界面进行。
不一样用途钢对磷含量有严格要求：
非合金钢中一般质量级钢 [P]≤0.045%；
优质级钢 [P]≤0.035%；
特殊质量级钢 [P]≤0.025%；
有甚至要求 [P]≤0.010%。
但对于一些钢种，如炮弹钢，耐腐蚀钢则需添加一定P元素。
（二）钢中硫
硫对钢性能会造成不良影响，钢中硫含量高，会使钢热加工性能变坏，即造成钢“热脆”性。
硫在钢中以FeS形式存在，FeS熔点为1193℃，Fe和FeS组成共晶体熔点只有985℃。液态Fe和FeS虽能够无限互溶，但在固熔体中溶解度很小，仅为0.015%-0.020%。
当钢中[S]＞0.020%时，因为凝固偏析，Fe-FeS共晶体分布于晶界处，在1150-1200℃热加工过程中，晶界处共晶体熔化，钢受压时造成晶界破裂，即发生“热脆”现象。
假如钢中氧含量较高，FeS和FeO形成共晶体熔点更低（940℃），愈加剧了钢“热脆”现象发生。
锰可在钢凝固范围内生成MnS和少许FeS，纯MnS熔点为1610℃，共晶体FeS-MnS（占93.5%）熔点为1164℃，它们能有效地预防钢热加工过程“热脆”。
冶炼通常钢种时要求将[Mn]控制在0.4%-0.8%。在实际生产中还将[Mn]/[S]比作为一个指标进行控制，[Mn]/[S]对钢热塑性影响很大。从低碳钢高温下拉伸试验发觉提升[Mn]/[S]比能够提升钢热延展性。通常[Mn]/[S]≥7时不产生热脆，图6所表示。
图6 [Mn]/[S]比对低碳钢热延展性影响
硫还会显著降低钢焊接性能，引发高温龟裂，并在焊缝中产生气孔和疏松，从而降低焊缝强度。硫含量超出0.06%时，会显著恶化钢耐蚀性。硫还是连铸坯中偏析最为严重元素。
不一样钢种对硫含量有严格要求：
非合金钢中一般质量级钢 [S]≤0.045%
优质级钢 [S]≤0.035%，
特殊质量级钢 [S]≤0.025%
有钢种要求如管线钢 [S]≤0.005%，甚至更低。
对于一些钢种，如易切削钢，硫则作为合金元素加入，要求[S]=0.08%-0.20%。
（三）钢中氧
在吹炼过程中，向熔池供入了大量氧气，到吹炼终点时，钢水中含有过量氧，即钢中实际氧含量高于平均值。
若不脱氧，在出钢、浇铸中，温度降低，氧溶解度降低，促进碳氧反应，钢液猛烈沸腾，使浇铸困难，得不到正确凝固组织结构连铸坯。
钢中氧含量高，还会产生皮下气泡，疏松等缺点，并加剧硫热脆作用。在钢凝固过程中，氧将会以氧化物形式大量析出，会降低钢塑性，冲击韧性等加工性能。
通常测定是钢中全氧，即氧化物中氧和溶解氧之和，在使用浓差法定氧时才是测定钢液中溶解氧，在铸坯或钢材中取样时是全氧样。
脱氧任务：
依据具体钢种，将钢中氧含量降低到所需水平，以确保钢水在凝固时得到合理凝固组织结构；
使成品钢中非金属夹杂物含量最少，分布适宜，形态适宜，以确保钢各项性能指标，得到细晶结构组织。
常见脱氧剂有Fe-Mn，Fe-Si，Mn-Si，Ca-Si等合金。
（四）钢中气体
钢液中气体会显著降低钢性能，而且轻易造成钢很多缺点。钢中气体关键是指氢和氮，它们能够溶解于液态和固态纯铁和钢中。
氢在固态钢中溶解度很小，在钢水凝固和冷却过程中，氢会和CO、N2等气体一起析出，形成皮下气泡中心缩孔、疏松、造成白点和发纹。
钢热加工过程中，钢中含有氢气气孔会沿加工方向被拉长形成微裂纹，进而引发钢材强度、塑性、冲击韧性降低，即发生“氢脆”现象。
在钢材纵向断面上，展现出圆形或椭圆形银白色斑点称之为“白点”，实为交错细小裂纹。关键原因是钢中氢在小孔隙中析出压力和钢相变时产生组织应力综协力超出了钢强度，产生了“白点”。通常白点产生温度低于℃。
钢中氮是以氮化物形式存在，它对钢质量影响表现出双重性。氮含量高钢种长时间放置，将会变脆，这一现象称为“老化”或“时效”。原因是钢中氮化物析出速度很慢，逐步改变着钢性能。低碳钢产生脆性比磷还严重。
钢中氮含量高时，在250-4500℃温度范围，其表面发蓝，钢强度升高，冲击韧性降低，称之为“蓝脆”。氮含量增加，钢焊接性能变坏。
钢中加入适量铝，可生成稳定AlN，能够压抑Fe4N生成和析出，不仅改善钢时效性，还能够阻止奥氏体晶粒长大。氮能够作为合金元素起到细化晶粒作用。在冶炼铬钢，镍铬系钢或铬锰系等高合金钢时，加入适量氮，能够改善塑性和高温加工性能。
（五）钢中夹杂
钢中非金属夹杂按起源分能够分成外来夹杂和内生夹杂。
外来夹杂是指冶炼和浇铸过程中，带入钢液中炉渣和耐火材料和钢液被大气氧化所形成氧化物。内生夹杂包含：脱氧时脱氧产物；钢液温度下降时，硫、氧、氮等杂质元素溶解度下降而以非金属夹杂形式出现生成物；凝固过程中因溶解度降低、偏析而发生反应产物；固态钢相变溶解度改变生成产物。
钢中大部分内生夹杂是在脱氧和凝固过程中产生。依据成份不一样，夹杂物可分为：
氧化物夹杂，即 FeO、MnO、SiO2、Al2O3、Cr2O3等简单氧化物；
FeO-Fe2O3、FeO-Al2O3、MgO-Al2O3等尖晶石类和多种钙铝复杂氧化物；
2FeO-SiO2、2MnO-SiO2、3MnO-Al2O3-2SiO2等硅酸盐；
硫化物夹杂，如FeS、MnS、CaS等；
氮化物夹杂，如AlN、TiN、ZrN、VN、BN等。
按加工性能，夹杂物可分为：塑性夹杂，它是在热加工时，沿加工方向延伸成条带状；脆性夹杂，它是完全不含有塑性夹杂物，如尖晶石类型夹杂物，熔点高氮化物；点状不变性夹杂，如SiO2超出70%硅酸盐，CaS、钙铝硅酸盐等。
因为非金属夹杂对钢性能产生严重影响，所以在炼钢、精炼和连铸过程应最大程度地降低钢液中夹杂物含量，控制其形状、尺寸。
（六）钢中合金成份
碳（C）
炼钢关键任务之一就是要把熔池中碳氧化脱除至所炼钢钟要求。从钢性质可看出碳也是关键合金元素，它能够增加钢强度和硬度，但对韧性产生不利影响。
钢中碳决定了冶炼、轧制和热处理温度制度。
碳能显著改变钢液态和凝固性质，在1600℃，[C]≤0.8%时，每增0.1%碳
◆钢熔点降低6.50℃
◆密度降低4kg/m3
◆黏度降低0.7%
◆[N]溶解度降低0.001%
◆[H]溶解度降低0.4 cm3/100g
◆增大凝固区间17.79℃ 。
锰(Mn)
锰作用是消除钢中硫热脆倾向，改变硫化物形态和分布以提升钢质；
锰是一个很弱脱氧剂，在碳含量很低、氧含量很高时，能够显示出脱氧作用，帮助脱氧，提升她们脱氧能力；
锰还能够略微提升钢强度，并可提升钢淬透性能，稳定并扩大奥氏体区，常作为合金元素生成奥氏体不锈钢、耐热钢等。
硅 (Si)
硅是钢中最基础脱氧剂。一般钢中含硅在0.17%-0.37%，1450℃钢凝固时，能确保钢中和其平衡氧小于和碳平衡量，抑制凝固过程中CO气泡产生。
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。
硅能提升钢机械性能，增加了钢电阻和导磁性。
硅对钢液性质影响较大，1600℃纯铁中每增加1%硅：
◆碳饱和溶解度降低0.294%
◆铁熔点降低8℃
◆密度降低80kg/m3
◆[N]饱和溶解度降低0.003%
◆[H]降低1.4cm3/100g
◆钢凝固区间增加10℃，钢液收缩率提升2.05%。
铝(Al)
铝是终脱氧剂，生产镇静钢时，[Al]多在0.005%-0.05%，通常为0.01%-0.03%。钢中铝加入量因氧量而异，对高碳钢应少加些，而低碳钢则应多加，加入量通常为:0.3-1.0kg/t钢。
铝加到钢中将和氧发生反应生成Al2O3，在出钢、镇静和浇铸时生成Al2O3大部分上浮排除，在凝固过程中大量细小分散Al2O3还能促进形成细晶粒钢。铝是调整钢晶粒度有效元素，它能使钢晶粒开始长大并保持到较高温度。
二、钢分类
按化学成份分类：按是否加入合金元素可钢分为把碳素钢和合金钢两大类。
碳素钢是指钢中除含有一定量为了脱氧而加入硅（通常≤0.40%）和锰（通常≤0.80%）等合金元素外，不含其它合金元素钢。依据碳含量高低又可分成低碳钢（[C]≤0.25%），中碳钢(0.25%≤[C]≤0.60%)和高碳钢([C]>0.60%)。
合金钢是指钢中除含有硅和锰作为合金元素或脱氧元素外，还含有其它合金元素乳铬、镍、钼、钛、钒、铜、钨、铝、钴、铌、锆和稀土元素等，有还含有一些非金属元素如硼、氮等钢。
依据钢中合金元素含量多少，又可分为低合金钢，中合金钢和高合金钢。通常合金元素总含量小于3%为一般低合金钢，总含量为3%～5%为低合金钢，大于10%叫高合金钢，总含量介于5%～10%之间为中合金钢。
按钢中所含相关键合金元素不一样可分为锰钢、硅钢、硼钢、铬镍钨钢、铬锰硅钢等。
按冶炼方法和质量水平分类：
按炼钢炉设备不一样可分为转炉钢、电炉钢、平炉钢。其中电炉钢包含电弧炉钢、感应炉钢、电渣钢、电子束熔炼及相关真空熔炼钢等。
按脱氧程度不一样可分为沸腾钢（不经脱氧或微弱脱氧）、镇静钢（脱氧充足）和半镇静钢（脱氧不完全，介于镇静钢和沸腾钢之间）。
按质量水平不一样可分为一般钢、优质钢和高级优质钢。
按用途分类，分为三大类：结构钢，工具钢，特殊性能钢。
结构钢是现在生产最多、使用最广钢种，它包含碳素结构钢和合金结构钢，关键用于制造机器和结构零件及建筑工程用金属结构等。碳素结构钢是指用来制造工程结构件和机械零件用钢，其硫、磷等杂质含量比优质钢高些，通常[S]≤0.055%，[P]≤0.045%，优质碳素钢[S]和[P]均≤0.040%。碳素结构钢价格最低，工艺性能良好，产量最大，用途最广。
合金结构钢是在优质碳素结构钢基础上，合适地加入一个或数种合金元素，用来提升钢强度、韧性和淬透性。合金结构钢依据化学成份（关键指含碳量）热处理工艺和用途不一样，又可分为渗碳钢、调质钢和氮化钢。
渗碳钢指用低碳结构钢制成零部件，经表面化学处理，淬火并低温回火后，使零件表面硬度高而心部韧性好，既耐磨又能承受高交变负荷或冲击负荷。
调质钢含碳量大于0.25%，所制成零件经淬火和高温回火调质处理后，可得到合适高强度和良好韧性。
氮化钢通常是指以中碳合金结构钢制成零件，先经过调质或表面火焰淬火、高频淬火处理，取得所需要力学性能，最终再进行氮化处理，以深入改善钢表面耐磨性能。
工具钢，包含碳素工具钢和合金工具钢及高速钢。
碳素工具钢硬度关键以含碳量高低来调整（0.65%≤[C]≤1.30%），为了提升钢综合性能，有钢中加入0.35%～0.60%锰。
合金工具钢不仅含有很高碳，有高达2.30%，而且含有较高铬（达13%）、钨（达9%）、钼、钒等合金元素，这类钢关键用于各式模具。
高速工具钢除含有较高碳（1%左右）外，还含有很高钨（有高达19%）和铬、钒、钼等合金元素，含有很好赤热硬性。
特殊性能钢，指是含有特殊化学性能或力学性能钢，如轴承钢、不锈钢、弹簧钢、高温合金钢等。
轴承钢是指用于制造多种环境中工作各类轴承圈和滚动体钢，这类钢含碳1%左右，含铬最高不超出1.65%，要求含有高而均匀硬度和耐磨性，内部组织和化学成份均匀，夹杂物和碳化物数量及分布要求高。
不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液，或其它腐蚀介质中含有一定化学稳定性钢总称。耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀称为不锈钢，耐酸、碱和盐等强介质腐蚀钢称为耐腐蚀钢。不锈钢含有不锈性，但不一定耐腐蚀，而耐腐蚀钢则通常全部含有很好不锈性。
依据化学成份不一样，可分为马氏体不锈钢(13%Cr钢为代表)，铁素体不锈钢(18%Cr钢为代表)，奥氏体不锈钢(18%Cr-8%Ni钢代表)和双相不锈钢。
弹簧钢关键含有硅、锰、铬合金元素，含有高弹性极限、高疲惫强度和高冲击韧性和塑性，专门用于制造螺旋簧及其它形状弹簧，对钢表面性能及脱碳性能要求比通常钢更为严格。
高温合金指是在应力及高温同时作用下，含有长时间抗蠕变能力和高持久强度和高抗蚀性金属材料，常见有铁基合金、镍基合金、钴基合金，还有铬基合金、钼基合金及其它合金等。高温合金关键用于制造燃汽轮机、喷气式发动机等高温下工作零部件。
思索题：
1、炼钢基础任务是什么，经过哪些手段实现？
2、磷和硫对钢产生哪些危害？
3、实际生产中为何要将[Mn]/[S]比作为一个指标进行控制？
4、氢和氮对钢产生哪些危害？
5、外来夹杂和内生夹杂含义是什么？
基础要求：了解转炉吹炼过程；掌握氧气射流对熔池物理化学作用；掌握顶吹转炉各项操作制度；掌握复吹转炉冶金特点；了解转炉自动控制。
关键和难点：顶吹转炉各项操作制度；复吹转炉冶金特点。
第一节 炼钢用原材料
原材料是炼钢基础，原材料质量和供给条件对炼钢生产各项技术经济指标产生关键影响。
对炼钢原料基础要求：既要确保原料含有一定质量和相对稳定成份，又要因地制宜充足利用当地域原料资源，不宜苛求。炼钢原料分为金属料，非金属料和气体。
● 金属料：铁水、废钢、合金钢
● 非金属料：造渣剂（石灰、萤石、铁矿石）、冷却剂（废钢、铁矿石、氧化铁、烧结矿、球团矿）、增碳剂和燃料（焦炭、石墨籽、煤块、重油）
● 氧化剂：氧气、铁矿石、氧化铁皮
入炉原料结构是炼钢进程及各项指标结构产生关键影响：
◆钢铁料结构，即铁水和废钢及废钢种类合理分配；
◆造渣料结构，即石灰、白云石、萤石、铁矿石等配比制度；
◆充足发挥多种炼钢原料功效使用效果，即钢铁料和选渣料合理利用。
一、金属料
（一）铁 水
铁水是转炉炼钢关键原材料，通常占装入量70%-100%，是转炉炼钢关键热源，图1所表示。
对铁水要求有：
（1）成份；（2）带渣量；（3）温度。
1）硅（Si）
是关键发烧元素，铁水中含Si量高，炉内化学热增加，铁水中Si量增加0.10%，废钢加入量可提升1.3%-1.5%。
铁水含Si量高，渣量增加，有利于脱磷、脱硫。
硅含量过高会使渣料和消耗增加，易引发喷溅，金属收得率降低，同时渣中过量SiO2，也会加剧对炉衬侵蚀，影响石灰渣化速度，延长吹炼时间。通常铁水中硅含量为0.30%-0.60%为宜。
2）锰（Mn）
锰是发烧元素，铁水中Mn氧化后形成MnO能有效促进石灰溶解，加紧成渣，降低助熔剂用量和炉衬侵蚀。同时铁水含Mn高，终点钢中余锰高，从而能够降低合金化时所需锰铁合金，有利提升钢水纯净度。
转炉用铁水对锰和硅比值要求为0.8-1.0，现在使用较多为低锰铁水，锰含量为0.20%-0.80%。
3）磷（P）。磷是高发烧元素，对通常钢种来说是有害元素，所以要求铁水磷含量越低越好，通常要求铁水[P]≤0.20%。
4）硫（S）。除了含硫易切削以外，绝大多数钢种要求去除硫这一有害元素。氧气转炉单渣操作脱硫效率只有30%-40%。中国炼钢技术规程要求入炉铁水硫含量不超出0.05%。
对铁水带渣量要求：
高炉渣中含硫、SiO2、和Al2O3量较高，过多高炉渣进入转炉内会造成转炉钢渣量大，石灰消耗增加，造成喷溅，降低炉衬寿命，所以，进入转炉铁水要求带渣量不得超出0.5%。
对铁水温度要求：
铁水温度是铁水含物理量多少标志，铁水物理热得占转炉热收入50%。应努力确保入炉铁水温度，确保炉内热源充足和成渣快速。中国炼钢要求入炉铁水温度应大于1250℃，而且要相对稳定。
转炉和电炉炼钢均使用废钢，图2所表示。氧气顶吹转炉用废钢量通常是总装入量10%-30%。废钢分为通常废钢、轧辊、次废铁、车等。
（二）转炉炼钢对废钢要求：
1)废钢外形尺寸和块度应确保能从炉口顺利加入转炉。废钢长度应小于转炉口直径1/2，废钢单重通常不应超出300kg。国家标准要求废钢长度小于1000mm，最大单件重量小于800kg。
2）废钢中不得混有铁合金，严禁混入铜、锌、铅、锡等有色金属和橡胶，不得混有封闭器皿、爆炸物和易燃易爆品和有毒物品。废钢硫、磷含量均小于0.050%。
3）废钢应清洁干燥不得混有泥沙，水泥，耐火材料，油物等。
4）不一样性质废钢分类存放。
非合金钢、低合金钢废钢可混放在一起，不得混有合金废钢和生铁。合金废钢要单独存放，以免造成冶炼困难，产生熔炼废品或造成珍贵合金元素浪费。
（三）转炉炼钢对铁合金要求：
1）生铁
关键在电炉炼钢中使用，其关键目标在于提升炉料或钢中碳含量，并处理废钢或重料起源不足困难。因为生铁中含碳及杂质较高，所以电炉钢炉料中生铁配比通常为10%-25%，最高不超出30%。
电炉炼钢对生铁质量要求较高，通常S、P含量要低，Mn不能高于2.5%，Si不能高于1.2%。
2）海绵铁
海绵铁是用氢气或其它还原性气体还原精铁矿而得。通常是将铁矿石装入反应器中，通入氢气或CO气体或使用固体还原剂，在低于铁矿石软化点以下温度范围内反应，不生成铁水，也没有熔渣，仅把氧化铁中氧脱掉，从而取得多孔性金属铁即海绵铁。
海绵铁中金属铁含量较高，S、P含量较低，杂质较少。电炉炼钢直接采取海绵铁替换废钢铁料，不仅能够处理钢铁料供给不足困难，而且能够大大缩短冶炼时间，提升电炉钢生产率。另外，以海绵铁为炉料还能够降低钢中非金属夹杂物及氮含量。因为海绵铁含有较强吸水能力，所以使用前须保持干燥或以红热状态入炉。
3）铁合金
常见铁合金种类：
◆ 简单合金：Fe-Mn，Fe-Si，Fe-Cr，Fe-V， Fe-Ti，Fe-Mo，Fe-W等
◆复合脱氧剂：Ca-Si合金，Al-Mn-Si合金，Mn-Si合金，Cr-Si合金，Ba-Ca-Si合金，Ba-Al-Si合金等
◆纯金属：Mn、Ti（海绵Ti）、Ni、Al。
1）对块要求
加入钢包中尺寸为5-50mm，加入炉中尺寸为30-200mm。往电炉中加Al时常将其化成铝饼，用铁杆穿入插入钢液。
2）烘烤温度
锰铁、铬铁、硅铁应≥800℃，烘烤时间应＞2小时；钛铁、钒铁、钨铁加热近200℃ ，时间大于1小时。
二、非金属料
（一）造渣剂
1）石灰
碱性炼钢方法造渣料，关键成份为CaO，由石灰石煅烧而成，是脱P、脱S不可缺乏材料，用量比较大。
其质量好坏对吹炼工艺、产品质量和炉衬寿命等产生关键影响。所以，石灰CaO含量高，SiO2和S 含量低，生过烧率低，活性高，块度适中，另外，石灰还应保持清洁、干燥和新鲜。
对石灰具体要求：
对转炉石灰块度为20-50mm，电炉为20-60mm
石灰活度也称水活度是石灰反应能力标志，也是衡量石灰质量关键参数。常见盐酸滴定法来测量水活性，当盐酸消耗大于300ml时才属优质活性石灰。通常把在1050-1150℃温度下焙烧石灰，含有高反应能力体积密度小，气孔率高，比表面积大，晶粒细小优质石灰叫活性石灰，也称软性石灰。
活性石灰水活性度大于310ml，体积密度1.7-2.0g/㎝3，气孔率高达40%，比表面积为0.5-1.3cm2/g。活性石灰能降低石灰、萤石消耗量和转炉渣量，有利于提升脱S，脱P效果，降低转炉热损失和对炉衬侵蚀。
2）萤石
萤石关键成份是 CaF2，焙烧约930℃。萤石能使CaO和阻碍石灰溶解2CaO·SiO2外壳熔点显著降低，生成低熔点3CaO·CaF2·2SiO2（熔点1362℃），加速石灰溶解，快速改善炉渣动性。
萤石助熔特点是作用快，时间短。但大量使用萤石会增加喷溅，加剧炉衬侵蚀，污染环境。转炉用萤石要求:
块度在5-50mm，且要干燥，清洁。多年来，萤石供给不足，各钢厂从环境保护角度考虑，使用多个萤石代用具，如铁锰矿石，氧化铁皮，转炉烟尘，铁矾土等。
3）白云石
白云石关键成份CaCO3·MgCO3。经焙烧可成为轻烧白云石，其关键成份为CaO·MgO。转炉采取生白云石或轻烧白云石替换部分石灰造渣。可减轻炉渣对炉衬侵蚀，提升炉衬寿命含有显著效果。
溅渣护炉操作时，经过加入适量生白云石或轻烧白云石保持渣中MgO含量达成饱和或过饱和，使终渣能够做黏，出钢后达成溅渣要求。对生白云石要求:
4）火砖块
火砖块是浇铸系统废弃品，它作用是改善熔渣流动性，尤其是对含MgO高熔渣，稀释作用优于萤石。火砖块中含有约30%Al2O3，易使熔渣起泡并含有良好透气性。但火砖块中还含有55%—70%SiO2，能大大降低熔渣碱度及氧化能力，对脱磷、脱硫极为不利。
所以，在电炉炼钢氧化期应绝对禁用。在还原期要适量少用，只用在冶炼不锈钢或高硫钢时才稍用多部分。
5）合成造渣剂
合成造渣剂是用石灰加入适量氧化铁皮、萤石、氧化锰或其它氧化物等熔剂，在低温下预制成型。合成渣剂熔点低、碱度高、成份均匀、粒度小，且在高温下易碎裂，成渣速度快，所以改善了冶金效果，减轻了转炉造渣负荷。
高碱度烧结矿或球团矿也可做合成造渣剂使用，其化学成份和物理性能稳定，造渣效果良好。
三、增碳剂
在冶炼过程中，因为配料或装料不妥和脱碳过量等原因，有时造成钢中碳含量没有达成预期要求，这时要向钢液中增碳。常见增碳剂有增碳生铁、电极粉、石油焦粉、木炭粉和焦炭粉。
转炉冶炼中，高碳钢种时，使用含杂质极少石油焦作为增碳剂。对顶吹转炉炼钢用增碳剂要求是固定碳要高，灰分，挥发分和硫，磷，氮等杂质含量要低，且干燥，洁净，粒度适中。其固定碳C≥96%，挥发分≤1.0%，S≤0.5%，水分≤0.5%，粒度在1-5mm。
四、氧化剂
氧气是转炉炼钢关键氧化剂，其纯度达成或超出99.5%，氧气压力要稳定，并脱除水分。铁矿石中铁氧化物存在形式是Fe2O3、Fe3O4和FeO其氧含量分别是30.06%，27.64%和22.28%。在炼钢温度下，Fe2O3不稳定，在转炉中较少使用。铁矿石作为氧化剂使用要求高（全铁>56%），杂质量少，块度适宜。
氧化铁亦称铁磷，是钢坯加热，轧制和连铸过程中产生氧化壳层，铁量约占70%-75%。氧化铁皮还有利于化渣和冷却作用，使用时应加热烘烤，保持干燥。
思 考 题
1、转炉和电炉炼钢用原材料各有哪些？
2、转炉炼钢对铁水成份和温度有何要求？
3、什么是活性石灰，它有哪些特点？
4、萤石在炼钢中起什么作用？
5、什么是合成造渣剂？它有何作用？
第二节 氧气转炉炼钢
◆按炉衬耐火材料性质—碱性转炉和酸性转炉; ◆按供入氧化性气体种类—空气和氧气转炉;
◆按供气部位—顶吹、底吹、侧吹及复合吹转炉; ◆按热量起源—自供热和外加热燃料转炉。
自贝塞麦发明酸性空气底吹转炉炼钢法起，开始了转炉大量生产钢水历史，图3所表示。上世纪50年代用氧气替换空气炼钢是炼钢史上一次重大变革，70年代出现氧气底吹转炉和顶吹复合转炉，是氧气转炉在发展和完善通路上取得丰硕结果，图4所表示。
图3 自供热转炉发展演变过程
图4 由传统供热向外加燃料联合供热转炉发展演变过程
一、吹炼过程元素氧化规律
（一）炉钢吹炼过程和元素氧化规律
1）冶炼过程概述
从装料到出钢，倒渣，转炉一炉钢冶炼过程包含装料、吹炼、脱氧出钢、溅渣护炉和倒渣多个阶段，图5所表示。一炉钢吹氧时间通常为12-18min，冶炼周期为30min左右。
图5 吹炼一炉钢过程中金属、炉渣成份改变
上炉钢出完钢后，倒净炉渣，堵出钢口，兑铁水和加废钢，降枪供氧，开始吹炼。在送氧开吹同时，加入第一批渣料，加入量相当于全炉总渣量三分之二，开吹4-6分钟后，第一批渣料化好，再加入第二批渣料。假如炉内化渣不好，则许加入第三批萤石渣料。吹炼过程中供氧强度：
小型转炉为2.5-4.5m3/(t·min)；120t以上转炉通常为2.8-3.6m3/(t·min)。
◆开吹时氧枪枪位采取高枪位，现在是为了早化渣，多去磷，保护炉衬；
◆在吹炼过程中合适降低枪位确保炉渣不“返干”，不喷溅，快速脱碳和脱硫，熔池均匀升温为标准；
◆在吹炼末期要降枪，关键目标是熔池钢水成份和温度均匀，加强熔池搅拌，稳定火焰，便于判定终点，同时使降低渣中Fe含量，降低铁损，达成溅渣要求。
◆当吹炼到所炼钢种要求终点碳范围时，即停吹，倒炉取样，测定钢水温度，取样快速分析[C]、[S]、[P]含量，当温度和成份符合要求时，就出钢。
◆当钢水流出总量四分之一时，向钢包中脱氧合金化剂，进行脱氧，合金化，由此一炉钢冶炼完成。
（1）硅氧化规律
在吹炼早期，铁水中[Si]和氧亲和力大，而且[Si]氧化反应为放热反应，低温下有利于此反应进行，所以，[Si]在吹炼早期就大量氧化。
[Si]+O2=(SiO2) (氧气直接氧化)
[Si]+2[O]= (SiO2) (熔池内反应)
[Si]+(FeO)=(SiO2)+2[Fe] (界面反应)
2(FeO)+(SiO2)=( 2FeO·SiO2)
伴随吹炼进行石灰逐步溶解，2FeO·SiO2转变为2CaO·SiO2，即SiO2和CaO牢靠结合为稳定化合物，SiO2活度很低，在碱性渣中FeO活度较高，这么不仅使[Si]被氧化到很低程度，而且在碳猛烈氧化时，也不会被还原，即使温度超出1530℃，[C]和[O]亲和力也超出[Si]和[O]亲和力，终因（CaO）和（SiO2）结合为稳定2CaO·SiO2，[C]也不能还原（SiO2）。
硅氧化对熔池温度，熔渣
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