炼钢基本原理

第一章、炼钢基本原理 1、炼钢基本任务    钢与铁的区别 炼钢的基本任务 主要的炼钢工序

钢铁生产工艺流程

炼钢是将铁水(生铁)、废钢等加热、 熔化，通过化学反应去除铁液中的 有害杂质，配加合金并浇铸成半成 品－铸坯的生产过程。

2

为什么要炼钢？

 生铁：

  铸造生铁可用于生产铸管、机床等设备底座等； 硬而脆，几乎没有塑性，不能进行轧制、锻压等 塑性变形加工。



钢材：





具有良好塑性，能够进行轧制、锻压、拉拔等塑 性变形加工；

钢制品具有强度高、韧性好、易焊接、耐高温、 耐腐蚀等优良特性，因此被广泛利用。

3

高炉炼铁

铁矿石被还原：

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO

高炉炼铁

4

一、炼钢基本任务

元素 C P S Si Mn Cr Ni Mo Nb，V，Ti 生铁 3.5～5.0％ 0.008～1.50％ 0.015～0.06％ 钢 0.001～1.2％ 0.002～0.04％ 0.0005～0.04％

0.25～0.80％ 0.01～6.5％  碳含量不同是钢与生铁化学成分的主要 0.25～0.60％ 0.12～13.0％ 区别； ～18％  炼钢基本任务：降低碳含量（脱碳）。 ～10％ ～2％ ～0.2％

5

（1）炼钢基本任务：氧化去除碳 (脱碳)

 脱碳反应：

[C] + 1/2O2= CO [C] + O2 = CO2

 常规脱碳工艺方法：  氧气转炉；  电弧炉。 超低碳钢（[C]



6

（2）炼钢基本任务：去除P、S (脱磷、脱硫)

元素 C P S Si Mn Cr Ni Mo Nb，V，Ti 生铁 3.5～5.0％ 0.008～1.50％ 0.015～0.06％ 0.25～0.80％ 0.25～0.60％ 钢 0.001～1.2％ 0.002～0.04％ 0.0005～0.04％ 0.01～6.5％ 0.12～13.0％

- 对绝大多数钢种，P ～ 18 ％ 、 S 为有害杂质：

; - 磷：降低塑性、低温韧性、回火脆性等 ～10％ - 硫：降低塑性、低温韧性、焊接性能、耐 ～2％ 腐蚀性能等。 ～0.2％

7

脱磷和脱硫反应

 脱磷：  化学反应 (氧化、渣-钢间反应)：

2[P]＋5/2O2+ 3(CaO) = (3CaOP2O5)

 有利于脱磷的工艺因素：  高碱度(CaO/SiO2)、高氧化性炉渣；  增加渣量，降低温度。



脱硫：  化学反应 (还原、渣-钢反应)：

[S] + (CaO) = (CaS) + [O]

 有利于脱硫的工艺因素：  高碱度(CaO/SiO2)、低氧化性炉渣；  增加渣量，提高温度。

8

（3）炼钢基本任务：脱氧和去除非金属夹杂物

 炼钢过程采用向金属熔池供 氧以氧化去除铁液中碳、磷 等杂质的方法； 为了获得高的反应效率，必 须向熔池供入充足的氧； 在冶炼临近结束时，钢液实 际上处于“过度氧化”状态， 即钢液中氧含量高于与钢中 碳、锰等元素平衡的氧含量。

 

9

脱氧和去除非金属夹杂物

 固态钢中氧的溶解度仅3~4 ppm，钢液中溶解氧在凝 固及随后的冷却

过程几乎全部 要从Fe中析出； 固体钢中析出的氧绝大多数以 氧化物、氧硫化物类夹杂物形 式存在于固态钢晶粒边界处； 氧含量增加降低钢的延性、冲 击韧性、抗疲劳破坏性能、耐 腐蚀性能等。





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脱氧反应

 用与氧亲和力较铁与氧亲和力强的元素作脱氧剂，如铝、 硅、Ca、Ba、Ti等；



脱氧剂与钢液中的氧直接作用，发生脱氧反应：

x[M] + y[O] = MxOy



脱氧反应产物由钢液上浮排除，从而达到脱氧目的。

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（4）炼钢基本任务：去除氮、氢

 氮的危害：

   降低塑性、低温韧性、焊接性能等； 增加钢材时效； 铸坯表面裂纹等缺陷。 钢材脆断； 厚板、大型锻件内部裂纹等。 氧气转炉吹炼过程脱除N、H； 钢水真空处理脱除N、H。



氢的危害：

 



炼钢过程去除氮、氢：

 

12

（5）炼钢基本任务：合金化

元素 C P S Si Mn Cr Ni Mo Nb，V，Ti 生铁 3.5～5.0％ 0.008～1.50％ 0.015～0.06％ 0.25～0.80％ 0.25～0.60％ 钢 0.001～1.2％ 0.002～0.04％ 0.0005～0.04％ 0.01～6.5％ 0.12～13.0％ ～18％ ～10％ ～2％ ～0.2％

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钢中合金元素的作用

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：也是增大强度、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。

14

（6）炼钢基本任务：升温

钢熔点：1475~1535℃

生铁熔点：1150℃左右

15

氧化反应热

[C]  CO

[C]  CO2 [Si]  SiO2

11637 kJ/kg

34830 kJ/kg 29176 kJ/kg

[Mn]  MnO

[P]  3CaOP2O5 Fe  FeO

6593 kJ/kg

23940 kJ/kg 5020 kJ/kg C、Si、 Fe的氧化供热，分别占 67%、14%、13%左右。

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（7）炼钢基本任务：凝固成型

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炼钢的基本任务

1. 脱碳； 2. 脱磷；

3. 脱硫；

4. 脱氮、氢； 5. 脱氧与去除非金属夹杂物； 6. 合金化； 7. 升温； 8. 凝固成型； 9. 废钢、炉渣返回利用；

10.回收煤气、蒸汽等。

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2、炼钢生产工艺技术的发展

现代炼钢方法起始

在此之前： • 炒钢；

• 坩埚熔炼等。

2[C]＋O2＝2CO 2[P]＋5/2O2＋3CaO＝3CaOP2O5 [S]＋CaO＝CaS＋[O]

H.Bessemer（1856）， W.Kelly（1857）

19

电弧炉炼钢

W. Siemens （1878）

20

氧气顶吹转炉炼钢

Linz and Donawitz（1952）

21

氧气转炉炼钢(BOF)

22

炼钢工序功能转变

23

工序功能演变

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现代炼钢流程

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钢铁生产工艺流程

炼钢是将铁水(生铁)、废钢等加热、 熔化，通过化学反应去除铁液中的 有害杂质，配加合金并浇铸成半成 品－铸坯的生产过程。

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为什么要炼钢？

 生铁：

  铸造生铁可用于生产铸管、机床等设备底座等； 硬而脆，几乎没有塑性，不能进行轧制、锻压等 塑性变形加工。



钢材：





具有良好塑性，能够进行轧制、锻压、拉拔等塑 性变形加工；

钢制品具有强度高、韧性好、易焊接、耐高温、 耐腐蚀等优良特性，因此被广泛利用。

3

高炉炼铁

铁矿石被还原：

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO

高炉炼铁

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一、炼钢基本任务

元素 C P S Si Mn Cr Ni Mo Nb，V，Ti 生铁 3.5～5.0％ 0.008～1.50％ 0.015～0.06％ 钢 0.001～1.2％ 0.002～0.04％ 0.0005～0.04％

0.25～0.80％ 0.01～6.5％  碳含量不同是钢与生铁化学成分的主要 0.25～0.60％ 0.12～13.0％ 区别； ～18％  炼钢基本任务：降低碳含量（脱碳）。 ～10％ ～2％ ～0.2％

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（1）炼钢基本任务：氧化去除碳 (脱碳)

 脱碳反应：

[C] + 1/2O2= CO [C] + O2 = CO2

 常规脱碳工艺方法：  氧气转炉；  电弧炉。 超低碳钢（[C]



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（2）炼钢基本任务：去除P、S (脱磷、脱硫)

元素 C P S Si Mn Cr Ni Mo Nb，V，Ti 生铁 3.5～5.0％ 0.008～1.50％ 0.015～0.06％ 0.25～0.80％ 0.25～0.60％ 钢 0.001～1.2％ 0.002～0.04％ 0.0005～0.04％ 0.01～6.5％ 0.12～13.0％

- 对绝大多数钢种，P ～ 18 ％ 、 S 为有害杂质：

; - 磷：降低塑性、低温韧性、回火脆性等 ～10％ - 硫：降低塑性、低温韧性、焊接性能、耐 ～2％ 腐蚀性能等。 ～0.2％

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脱磷和脱硫反应

 脱磷：  化学反应 (氧化、渣-钢间反应)：

2[P]＋5/2O2+ 3(CaO) = (3CaOP2O5)

 有利于脱磷的工艺因素：  高碱度(CaO/SiO2)、高氧化性炉渣；  增加渣量，降低温度。



脱硫：  化学反应 (还原、渣-钢反应)：

[S] + (CaO) = (CaS) + [O]

 有利于脱硫的工艺因素：  高碱度(CaO/SiO2)、低氧化性炉渣；  增加渣量，提高温度。

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（3）炼钢基本任务：脱氧和去除非金属夹杂物

 炼钢过程采用向金属熔池供 氧以氧化去除铁液中碳、磷 等杂质的方法； 为了获得高的反应效率，必 须向熔池供入充足的氧； 在冶炼临近结束时，钢液实 际上处于“过度氧化”状态， 即钢液中氧含量高于与钢中 碳、锰等元素平衡的氧含量。

 

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脱氧和去除非金属夹杂物

 固态钢中氧的溶解度仅3~4 ppm，钢液中溶解氧在凝 固及随后的冷却

过程几乎全部 要从Fe中析出； 固体钢中析出的氧绝大多数以 氧化物、氧硫化物类夹杂物形 式存在于固态钢晶粒边界处； 氧含量增加降低钢的延性、冲 击韧性、抗疲劳破坏性能、耐 腐蚀性能等。

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脱氧反应

 用与氧亲和力较铁与氧亲和力强的元素作脱氧剂，如铝、 硅、Ca、Ba、Ti等；



脱氧剂与钢液中的氧直接作用，发生脱氧反应：

x[M] + y[O] = MxOy



脱氧反应产物由钢液上浮排除，从而达到脱氧目的。

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（4）炼钢基本任务：去除氮、氢

 氮的危害：

   降低塑性、低温韧性、焊接性能等； 增加钢材时效； 铸坯表面裂纹等缺陷。 钢材脆断； 厚板、大型锻件内部裂纹等。 氧气转炉吹炼过程脱除N、H； 钢水真空处理脱除N、H。



氢的危害：

 



炼钢过程去除氮、氢：

 

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（5）炼钢基本任务：合金化

元素 C P S Si Mn Cr Ni Mo Nb，V，Ti 生铁 3.5～5.0％ 0.008～1.50％ 0.015～0.06％ 0.25～0.80％ 0.25～0.60％ 钢 0.001～1.2％ 0.002～0.04％ 0.0005～0.04％ 0.01～6.5％ 0.12～13.0％ ～18％ ～10％ ～2％ ～0.2％

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钢中合金元素的作用

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：也是增大强度、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。

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（6）炼钢基本任务：升温

钢熔点：1475~1535℃

生铁熔点：1150℃左右

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氧化反应热

[C]  CO

[C]  CO2 [Si]  SiO2

11637 kJ/kg

34830 kJ/kg 29176 kJ/kg

[Mn]  MnO

[P]  3CaOP2O5 Fe  FeO

6593 kJ/kg

23940 kJ/kg 5020 kJ/kg C、Si、 Fe的氧化供热，分别占 67%、14%、13%左右。

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（7）炼钢基本任务：凝固成型

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炼钢的基本任务

1. 脱碳； 2. 脱磷；

3. 脱硫；

4. 脱氮、氢； 5. 脱氧与去除非金属夹杂物； 6. 合金化； 7. 升温； 8. 凝固成型； 9. 废钢、炉渣返回利用；

10.回收煤气、蒸汽等。

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2、炼钢生产工艺技术的发展

现代炼钢方法起始

在此之前： • 炒钢；

• 坩埚熔炼等。

2[C]＋O2＝2CO 2[P]＋5/2O2＋3CaO＝3CaOP2O5 [S]＋CaO＝CaS＋[O]

H.Bessemer（1856）， W.Kelly（1857）

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电弧炉炼钢

W. Siemens （1878）

20

氧气顶吹转炉炼钢

Linz and Donawitz（1952）

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氧气转炉炼钢(BOF)

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炼钢工序功能转变

23

工序功能演变

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现代炼钢流程

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