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  ·电炉炼钢简介

2 电炉炼钢简介 
2.1 基本概念 
目前,电弧炉(EAF)是循环利用废钢冶炼的最常见的方法.根据成份(从普碳钢到高合金工具钢)
和形状(从细小碎块到大块型钢)来说,废钢有很多种.通过利用电极和电流熔化废钢,电炉可以冶炼出新的钢种.从经济和环境的观点来说,电炉是对铁和贵重合金的再利用,而不是重新配备原材料来冶炼. 
2.2 升温和熔化 
熔化废钢所需的热量是由电极和废钢间电弧提供的.普通EAF的电功率在50-120MW,电炉的容量不同电功率也不同.废钢的熔化温度是由其成份决定的,一般在1500-1550 °C 下开始熔化. 
当废钢熔化完毕后,仍然需要升温,以便精炼反应正常进行.氧和碳可以直接吹入钢液和渣相.然而,反应产物可能会影响产品质量,因此需要仔细控制.渣中通常加入发泡剂,比如:
石灰,白云石和萤石.炉渣的密度小于钢液密度,通常浮在钢液表面.炉渣除了可以吸附钢液中的杂质和防止钢液被大气二次氧化以外,它还能保护炉壁免受电弧的辐射,可以提高电的效率.因此选用高品质炉渣并使其具有发泡性能是非常重要的.(如9.5节). 
等废钢熔化完毕且钢液成份和温度都达到规定要求,就开始出钢.将钢液倒入钢包,并准备二次精炼和连铸.钢水可以通过出钢槽或炉底的出钢口出钢. 
2.3 其它操作规程 
电炉的基本操作看似非常简单-仅仅是提供足够的电能来升温并熔化废钢.然而,整个冶炼过程都是在非常高的温度下进行的,这就使得炉子的维修和问题的解决变得复杂化.例如,为了保护电炉炉壁耐材,在炉壁内部安装水冷面板.如果没有仔细控制,就会出现过热,必须相应调节过程温度.在整个冶炼过程中,操作者必须通过控制电能输入以达到最高的电能利用率. 
由于电极的韧性很差,因此必须谨慎地移动电极.当炉内废钢过多时,必须非常谨慎地降下电极,避免其折断. 
在加热和熔化阶段电极消耗加剧,因此必须采取措施防止电极变短. 
这些都是可能在电炉冶炼过程中出现的问题,然而,在模拟过程中为了使电炉冶炼更有趣,对一些方面做了简化. 
3 模拟目标 
模拟电炉冶炼的目的是通过选择和熔化废钢及原料,在规定的时间内,使钢液达到所选择钢种的目标成分及温度. 在整个模拟过程中,应尽量降低冶炼成本. 
4 模拟选择 
4.1 模拟速度 
模拟速度可以在×1和 ×32之间进行选择.在模拟过程的任一时刻都可改变模拟速率.在电炉模拟的任一阶段都能提高模拟速率,然而,每步操作都需要仔细控制,因此要慎重选择模拟速率. 
4.2 目标钢种 
本模拟可以冶炼四个不同的钢种. 
建筑用钢是较普通的钢种,冶炼简单,因此初学者可以选择该钢种.模拟冶炼建筑用钢的主要任务就是保证准确的合金加入量. 
TiNb 超低碳钢是汽车车身用钢,为了优化其可塑性,碳含量必须小于0.0035 %.因此,在模拟中,首先要选择碳含量相对较低的原材料,因为在随后的二次精炼操作中必须要进行脱碳操作.. 
输送油气用的管线钢是高品质钢种,其高强度和高抗断裂性能要求钢中的杂质组元(S, P, H, O 和 N)非常低.只推荐经验丰富的用户来模拟冶炼该钢种.
工程用钢是热处理低合金钢种.包含一定的Cr和Mo. 
注意,本次模拟中各钢种的目标成分达到在二次精炼前所需的钢液成分要求即可,而不是在浇铸前钢种的最终成分. 
表 4-1 本模拟中的四个钢种的目标成分 
建筑用钢 TiNb超低碳钢 管线钢 工程用钢 
最小值 最大值 最小值 最大值 最小值 最大值 最小值 最大值 
C  0.10   0.130    0.05       0.10      0.040   0.060     0.30     0.45 
Si  0.10   0.50     0.15      0.50      0.10      0.30      0.50 
Mn 1.00  1.50      0.65     1.20      0.90      1.30      0.60      1.20 
P   0.025 0.055   0.075   0.008   0.035 
S   0.10   0.050   0.010   0.080 
Cr  0.10  0.050  0.060    1.2 
Al   0.055 0.035 0.030 
B 0.0005 0.005  0.005 0.005 
Cu 0.15 0.080 0.060 0.35 
Ni 0.15 0.080 0.050 0.30 
Nb 0.050 0.030 0.018 
Ti 0.010 0.035 0.010 
V 0.010 0.010 0.010 
Mo 0.040 0.010 0.010 0.30 
5 制定计划 
在开始模拟之前,计划是非常重要的.准备的越充分,模拟结果就越好.EAF模拟包括三个可视阶段.在前两个阶段,为模拟冶炼的钢种选择原材料,第三个和最后模拟阶段,熔化原材料并向目标成分冶炼钢液. 
1. 选择钢种和适合目标成分的废钢及原材料. 
2. 将所选择的原料放入加料篮中. 
3. 在电炉中加料,熔化和冶炼. 
将废钢加入电炉 
加热并熔化废钢 
加合金和炉渣发泡剂 
吹碳,氧获得泡沫渣 
设备控制 
出钢 
6 准备废钢 
6.1 选择废钢 
在模拟开始,有十种废钢可供选择,这些废钢是根据US标准来命名-没有废钢分类的国际标准.每一种原料都有一定的性能比如:成分,体积密度,形状和价值.在模拟中,各原料每个元素的实际含量的变化幅度为给出的含量的±5%. 
注意:如果给出某种废钢中的碳含量为0.1%,那么它的实际碳含量在
0.095~ 0.105 %. 
这就说明熔化的原材料的实际含量同第一阶段计算的成分有稍微的差别.表6-1给出了第一个
准备阶段中选择的原料. 
表 6-1 废钢原料 
废钢原料 平均成分 / wt-% 体积密度 
/ kg m- 形状* 价格 
/ tonne 
No1 厚重料 0.025 %C, 0.017 %Si, 0.025 %P, 
0.033 %S, 0.2 %Cr, 0.15 %Ni, 
0.03 %Mo +Fe bal. 
0.85 CS $160 
No2 厚重料 0.03 %C, 0.022 %Si, 0.028 %P, 
0.035 %S, 0.26 %Cr, 0.18 %Ni, 
0.03 %Mo +Fe bal. 
0.75 CS $140 
厂内低合金钢 0.17 %C, 0.04 %Si, 0.31 %Mn, 
0.013 %P, 0.0014 %S, 0.26 %Cr, 
0.4 %Ni, 0.001 %Nb, 0.015 %Ti, 
0.005 %V, 0.14 %Mo +Fe bal. 
3.0 CS $240 
钢板和建筑业废钢 0.25 %C, 0.25 %Si, 1.0 %Mn, 
0.025 %P, 0.025 %S, 0.15 %Cr, 
0.05 %Mo, 0.15 %Ni, 0.22 %Sn 
2.0 CS $290 
厂内不锈钢 0.015 %C, 0.33 %Si, 1.64 %Mn, 
0.014 %P, 0.002 %S, 18.32 %Cr, 
8.08 %Ni, 0.01 %Nb, 0.004 %Ti, 
0.01 %V, 1.3 %Mo, 0.16 %N +Fe 
bal. 
3.0 CS $330 
No1 打包废钢 0.027 %C, 0.012 %Si, 0.12 %Mn, 
0.01 %P, 0.006 %S, 0.032 %Cr, 
0.02 %Ni, 0.001 %Ti +Fe bal. 
1.2 FS $180 
No2 打包废钢 0.04 %C, 0.016 %Si, 0.12 %Mn, 
0.014 %P, 0.008 %S, 0.04 %Cr, 
0.03 %Ni, 0.0014 %Ti +Fe bal. 
1.1 FS $170 
直接还原铁 2.4 %C, 0.1 %P, 0.01 %S, 0.02 %Ti, 
0.03 %Nb, 0.02 % +Fe bal. 
1.65 FS $220 
废钢碎片 0.03 %C, 0.015 %Si, 0.02 %P, 
0.03 %S, 0.12 %Cr, 0.1 %Ni, 
0.02 %Mo +Fe bal. 
1.5 VFS $200 
No1 边角废钢 0.03 %C, 0.01 %Si, 0.02 %P, 
0.02 %S, 0.08 %Cr, 0.06 %Ni, 
0.01 %Mo +Fe bal. 
1.5 VFS $210 
* CS = 大块废钢, FS = 小块废钢, VFS = 细小废钢 
由表6-1提供的信息,可以将几种原料混合以接近选择钢种的目标成份.要完全符合目标成分是困难的也是不可能的.可以在模拟的后续步骤中加料来弥补缺少的元素. 
每炉钢水最终的目标重量为100吨钢.由于炉子的容量有限,因此在你选择原料的时候,应该小于电炉的容量和容积. 
废钢加入量限制在90吨以下(剩余的10吨为炼钢过程中加入其他炉料准备) 
废钢体积限制在100立方米以下.体积的限制主要决定于加入的不同料的密度以及分布方式. 
同时必须考虑到加入废钢的体密度不同.原料,例如"厂内废钢"压的很紧,密度很高,因此可以在给定的质量下降低体积.其他原料例如"废钢碎片",含有大量的空气,密度很低,有利于增加体积. 
当你选择原料时,要考虑到原料的成本.然而,实际的成本是由后续步骤中加入料篮的料决定的. 
达到模拟的目标并完成你选择钢种的冶炼的路不只一条.有很多条途径可以满足模拟的目标. 
当你选择好原料后,点击下一步继续进入废钢料料场. 
6.1.1 用户界面 
在该例中,用户可以模拟冶炼建筑用钢.表中给出了为了满足目标钢种中一系列组元含量而进
行的计算.柱状图提供了形象的总成份.桔色和红色的柱分别表示了元素的过量和不足.y轴
是对数的,只显示了钢中一些常用的元素. 
例子 
要将钢液成分冶炼到标准是困难的.表6-1中,已选择了适合冶炼管线钢的原材料.选择了 10
吨No.1号重废钢料,45吨No.1打包废钢,30吨No.2打包废钢和5吨废钢碎片.共选择
90t原料,是允许加入的最大量. 
预测钢成分一栏中给出Si和Mn的含量小于最小目标值(橙色),因此这两种元素都要在模拟过程中加合金补足.相反地,P含量太高(红色),因此必须经过脱磷才能达到目标成分. 
图 6-1. 屏幕上给出了废钢选择图,选择了冶炼管线钢需要的原料. 
6.2 加入废钢 
选择完废钢原料后,开始下一阶段模拟,将废钢分装入给出的三个料篮里.请注意: 
炉子容积 = 40 m 
为了最好利用炉子的容积,需将每一篮原料逐一进行熔化. 
第一篮废钢的体积最大为炉子允许容积(图6-2中的A).因为钢液的密度远大于废钢的体积密度,原料熔化后,体积会大大减小,就会给第二篮,第三篮原料让出空间.因为第一批原料熔化后要占有一部分炉子容积,所以加入第二篮和第三篮原料的体积最大应为炉子的剩余容积,
比如 [A - A' = B]. 
图 6-2. 熔化过程中A逐渐减少,就产生了图中B所示的空间 
需要加入几篮原料(共三篮)和按什么顺序向篮中加入各种废钢完全由用户来决定 
TIP: 避免在任何一篮中过多加入粗制废钢,因为会增加电极的破损.
建议每篮中大块废钢含量不超过总量的30%.如果可能,可以将大块
废钢分装在三个篮子中. 
6.2.1 用户界面 
通过下列步骤可以完成废钢装入. 
点击仓库可以选择废钢种类. 
默认的原料将加入到第一篮中,就如箭头所示. 
使用"改变重量"来增加或减少加入的废钢量. 
想改变原料,点击其它废钢库.清空废钢库是无效的.注意:一旦改变废钢种类,就不能返回和改变原来加入篮中的原料. 
如果篮子加入过满,就会发出警告信息. 
如果成功完成第一篮料的加入,点击第二篮并开始加载.注意:一旦改变篮子,就不能返回和替换先前篮子中的原料. 
当篮子加料完毕,点击"下一步"继续. 
举例 
在废钢场有三个空篮可用.每一篮的容积为40 m .继续前一实例,图6-3给出冶炼管线钢所选择的废钢已经部分加入到篮中.第一篮已经加满废钢且已选择第二篮.注意用户刚向2#废钢

A' 

篮中加入15t第二批料.2#和3#废钢篮中黑色的区域代表前一篮或前几篮原料熔化后的液态体积. 
图 6-3 废钢场举例示意图 
7 炉子操作 
现在是在电弧炉的位置.就像引言中所提到的,炉渣在冶炼过程中起重要的作用.因此在这个阶段需要加入炉渣发泡剂.将料篮中的原料逐个加入到电炉中,进而熔化废钢和原料. 
7.1 电炉加料 
使用天车将料篮升起并移向电炉.首先确保炉顶已打开.一旦料篮到达炉子上方,点击篮子上的出料口按钮,将废钢加入到电炉.在炉顶关闭之前移走天车/料篮. 
按照同样的程序执行其它料篮中的原料加入. 
7.2 电极 
电能在三根电极中分布,通过极间打弧来熔化废钢.在冶炼过程打开电源时,就开始消耗电极.为了使三根电极和原料接触,以便很好的传递能量,必须调节电极的位置. 
电极很脆,每根电极200 US$.仅当电极折断时,才将电极折断的费用加入到总成本中. 
注意:当电炉中粗废钢的量多余或等于25%,请降低电极下降的速
度.这样你就会减少电极折断的几率. 
7.3 电能的设定 
四种不同的出钢方式对应的电功率: 
表 7-1. 出钢设置和对应的电功率 
出钢设置 功率水平 
0 0 MW 
1 75 MW 
2 90 MW 
3 105 MW 
4 120 MW 
在升温和熔化过程中,根据功率的要求,可以选择对应设置.电能价格为$0.57 per kW h. 
熔化一完成,就可以取样分析钢液成分.根据分析结果来制定下步操作,比如:添加合金,继续吹氧等. 
7.4 水冷炉壁 
在EAF的整个加热过程中,随着温度的升高,电炉中暴露部分的热负荷也越来越大.炉壁和炉底由于热负荷过高,很容易产生危险,因此装备了水冷系统.即使这样,在很高的温度下,这些措施的作用也很有限.因此设定了目标钢种后,为电炉创造一个持久的工作环境显得很重要
(例如,不同的出钢设置) 
不同的颜色表示了不同的水冷却壁的温度 
所有的为绿色, Twater 105 °C 
注意: 如果水温达到110 °C,电源将自动关闭,只有温度降到80 °C 
以后才能打开电源. 
7.5 添加剂 
在整个熔化和冶炼过程中,可以添加原料来增加合金元素的含量,对钢液脱氧,脱硫或增大渣量.所有的添加剂见表7-2. 
要理解如何准确计算合金加入量,见9.3一节. 
表 7-2. 在熔化和冶炼过程中可以加入的原料 
添加剂 成分 体积密度 
/ tonnes m- 
形状 价格 
/ tonne 
Al 99.15 %Al, 0,82 %Fe, 0.03 %Cu 2.4 鹅卵石状 
$1400 
Carbon 99.9 %C, 0.011 %S 1 粉末状 $280 
Cr-carbure 7.82 %C, 0.23 %Si, 0.021 %P, 0.051 %S, 
70.11 %Cr, 0.0092 %Ti 
3.5 鹅卵石状 
$590 
Cr-carbure 
(low S) 
8.12 %C, 0.34 %Si, 0.017 %P, 0.024 %S, 
69.92 %Cr 
3.5 鹅卵石状 
$660 
Dolomite 38.5 %MgO, 2 %SiO2, 0.005 %P, 
0.15 %S + CaO bal. 
1 粉末状 $120 
EAF dust 20.03 %Cr, 11.2 %Ni, 4.44 %Mn, 
0.91 %Si, 0.019 %P, 0.003 %Ti, 
0.001 %S + Fe bal. 
0.9 粉末状 $-120 
FeMn, HC 76.5 %Mn, 6.7 %C, 1.0 %Si, 0.03 %S, 
0.3 %P + Fe bal. 
4.0 鹅卵石状 
$350 
FeMn, LC 81.5 %Mn, 0.85 %C, 0.5 %Si, 0.1 %S, 
0.25 %P + Fe bal. 
4.0 鹅卵石状 
$600 
FeMo 0.044 %C, 0.14 %Si, 0.044 %P, 
0.092 %S, 62.02 %Mo + Fe bal. 
6 鹅卵石状 
$16800 
FeSi75 0.08 %C, 60.3 %Si, 0.014 %P, 
0.002 %S, 1.23 %Al, 0.05 %Ti + Fe bal. 
2.5 鹅卵石状 
$700 
FeSi75 
(low Ti) 
0.008 %C, 75.6 %Si, 0.003 %P, 
0.024 %Al, 0.014 %Ti + Fe bal. 
2.5 鹅卵石状 
$840 
FeV 0.25 %C, 0.72 %Si, 0,031 %P, 0.081 %S, 
1.23 %Al, 78.82 %V + Fe bal. 
3.5 鹅卵石状 
$8400 
Fluorspar 20 %CaO, 20 %MgO, 20 %SiO2, 
0.001 %P, 0.06 %S + CaF2 bal. 
1 粉末状 $180 
Iron Oxide 0.3 %AL2O3, 0.5 %CaO, 0.1 %MgO, 
0.001 %P + FeO bal. 
1.8 粉末状 $140 
Lime 1.2 %Al2O3, 1.8 %MgO, 2.1 %SiO2, 
0.01 %P, 0.01 %S + CaO bal. 
1 粉末状 $120 
Mill scale 0.65 %C, 0.4 %Si, 0.61 %Mn, 0.019 %P, 
0.002 %S, 0.2 %Cr, 0.25 %Ni, 0.05 %V, 
0.1 %Mo + Fe bal. 
1.6 粉末状 $0 
SiC 30 %C, 70 %Si 1.5 鹅卵石状 
$610 
SiCr 1.82 %C, 25.33 %Si, 0.014 %P, 
0.015 %S, 38.23 %Cr + Fe bal. 
3.5 鹅卵石
状 
$940 
车削屑 0.03 %P, 0.113 %S, 0.698 %Cr, 
0.538 %Mo + Fe bal. 
1 超精细
废钢 
$110 
7.6 熔化和冶炼 
7.6.1 炉渣发泡剂 
炉渣的性能如:粘度,硫容量,磷容量等随成分和温度的变化而变化.本模拟的一项重要任务就是获得合适的炉渣性能,通过加入发泡剂如石灰,白云石和/或氟石.终渣中的一些金属氧化物是酸性的,因此加入碱性炉渣发泡剂来使得炉渣碱度在一个合适水平.炉渣碱度(即CaO/SiO2)高对脱磷是有益的,但是需要注意,渣中的石灰不能达到饱和,因为这样会增大炉
渣的粘度,进而降低炉渣的利用率. 
TIP: 炉渣碱度在1.2-2.5时,可以实现泡沫渣,并有利于脱硫. 
7.6.2 碳和氧的吹入 
在原料熔化过程中,一些化合物和元素就开始相互反应.为了使钢中各个元素达到要求,通过用氧枪向钢中吹氧可以加快这些反应的进程. 
其中的一个反应生成一氧化碳,CO (g),它对泡沫渣的形成是非常重要的.通过氧枪向渣中吹入的碳和氧反应生成CO气泡.这些气泡有助于炉渣"发泡".泡沫渣可以保护钢液不和大气反应,还可以埋住电极产生的电弧,增加电能的利用率.提供热效率,还可以使电炉在较高功率下运作且不损害炉壁和炉顶.埋弧还可以抑制吸氮. 
本模拟中,和吹碳,吹氧相关的价格如下: 
可能的吹碳速率: 50-150 kg /分钟 
价格: $0.28 /kg 
可能的吹氧速率: 100-150 Nm /分钟 
价格: $0.10 /Nm 
7.6.3 磷和硫的去除 
不幸的是,对脱磷有益的条件就不利于脱硫的进行.因此,即使这些元素被脱除到渣中,也会有可能再重新回到钢液中,发生回磷或回硫现象. 
磷 
炉渣的脱硫能力决定于钢液的温度和氧活度以及炉渣的碱度和FeO含量.在较高温度和较低
FeO含量下,就会发生从炉渣向钢液的回磷现象.因此,应在冶炼开始尽早地进行脱磷,这时钢液温度较低. 
硫 
为了脱除钢液中的硫,必须在渣中加入能生成硫化物的组元,比如钙的化合物.在还原气氛,低氧含量,高渣量和高温条件下有助于硫化物生成的反应,所有这些条件在随后冶炼过程中都要实现. 
7.7 出钢 
按下炉身下部的旋转按钮时就开始出钢.将钢水倒入钢包后模拟自动结束.当出钢完毕时,
即:电炉中钢液很少时,模拟将自动切换到总结屏幕上. 
7.8 用户界面 
图 7-1.电炉屏幕顶部的用户界面 
在电炉屏幕顶端,用户可以看到: 
模拟速率 -点击可以在1×到32×之间设定模拟速率. 
用去时间 - 记录从模拟开始后的时间.格式为 HH:MM:SS. 
钢液温度 -单位 °C. 
相对功率 - 给出当前每根电极的使用功率.可以看出废钢何时熔化完毕.更重要的是能得出从电极转移到废钢和钢液的实际功率. 
目前总功率 - 单位: MW. 
出钢设置 - 点击可以在0到4之间转换,以便设置合适的电功率.见表7-1. 
水冷面板 - 显示冷却水的温度,见7.4节. 
除了屏幕顶端的信息,还给出了电极和废钢表面温度的可视信息.随着温度的升高,废钢的颜色从灰色变成红色.另一方面,电极迅速变热,因此颜色变化很快,给出了电极各个位置的表面温度. 
天车可以将废钢料篮移向电炉,在天车钓钩上部有一个小的方向控制按钮. 
按下炉顶两侧的箭头可以打开或关闭炉盖.注意,在炉盖打开时,电极必须完全收回. 
点击电炉左手边的向上或向下的箭头可以同时降低或升高所有的电极. 
必要时要轻微向上或向下移动电极.比如, 例如,当某根电极顶部磨损时,点击这根电极上的向上或向下的箭头可以向上或向下微移电极. 
图 7-2. 电炉示意图 
打开渣门后就可以插入或抽回碳氧枪,点击渣门可以打开渣门.当碳氧枪完全插入时,就出现
碳和氧流量的控制器.然后,就可以调节流速或关闭C/O流. 
7.9 键盘快捷方式 
无论怎样设置自己的模拟路线,在升温过程都需要一些操作.实现这些操作的快捷方式如下. 
7.9.1 添加合金原料(键 A) 
通过按下键盘上的A键可以完成合金原料的选择,且出现选择合金的总价格. 
7.9.2 查看事件记录(键 E) 
按下键E可以查看事件记录.可以拷贝模拟过程的事件记录,或通过右击鼠标选择打印来直接
打印事件记录. 
7.9.3 回顾分析(键R) 
通过按R键,你可以得到最新的钢水成份.当你第一次用这个命令后,你就会被告知上次取样分析结果,你可以点击"取新样"来获得最新的成份.桔黄色数字表示成份不足的元素,红色数字表示成份过量的元素,绿色数字表示满足目标成份. 
一个试样的分析价格为 $40 
7.9.4 关闭对话框 (键 X) 
退出任何对话框(例如:警告,指导等等)点击键盘上的X健. 
8 模拟结果 
模拟的结果以及总的成本将显示到屏幕上,以美元/吨表示.如果你满足了对钢种所有的要求,
在窗口的顶部会出现一个作为奖励的steeluniversity.org图标.当你要浏览结论时,点击图标就可以了. 
在概要中,可以通过按健E看到事件日志.同时你按A和S可以分别看到钢水和渣成份,或者
点击相应的按钮. 
图 8-1 模拟结果在屏幕上的显示 
9 理论关系 
本节给出了与该模拟相关的化学和热力学关系. 
9.1 温度 
使用文献中的公式可以计算液相线温度. 
++++
++++
=
Cr%3.1Ni%1.3Cu%5S%30
P%34Mn%9.4Si%6.7C%78
1537liqT 9-1 
9.2 重要反应 
由于氧对一些元素,比如铝,硅,铬,磷和铁,亲和力很大,很容易生成金属氧化物,因为这些氧化物的密度比钢液小,所以上浮至渣相.所有这些反应都是放热反应,即,这些反应可以给体系提供热量可用来熔化废钢.热力学和动力学模型表明,反应平衡时,氧含量最低的反应
是控制钢液中溶解氧含量的反应. 
表9-1中的反应都是强放热反应,利用表9-1中的数据信息和估计的冶炼温度能计算出反应放出的总热量. 
表 9-1 放热反应 
G° = A + B×T 反应 
A B 
J mol-1 J mol-1 K-1 
2 Al + 3 O = Al2O3 -1243950 395,79 
C + O = CO (g) -21790 -39,75 
2 Cr + 3 O = Cr2O3 -823545 360,79 
Fe + O = FeO -121090 52,5 
Si + 2 O = SiO2 -571935 225,28 
9.3 计算合金加入量 
为了实现各种反应向电炉中添加各种合金. 
调节最终钢液成分 脱氧,生成的氧化物可由炉渣吸附. 
调节炉渣成分,使其更有效地脱硫和脱磷.. 
9.3.1 计算加入量来实现目标成分 
大多数情况下,钢液中加入的合金不仅仅包含一种元素.加入的原料中经常含有2种或多种组元,叫做主要合金.当利用这类原料时,合金中的主要组元和合金收得率一样都要考虑到.每种元素的"收得率"就是钢液中元素的实际增加量,而不是损失进入到渣中的量等. 
XX
X
m
%
%100
additive收得率合金中主组元含量
钢水质量
×
× ×
= 9-2 
举例: 
250吨钢水,锰含量为0.12%.计算要加入多少高碳锰铁(HC FeMn)能够使锰含量达到1.4%.加入的铁合金锰含量为76.5%,合金中锰的收得率为95%.下面给出了计算结果: 
kg 4,403
5%9 %5.76
kg 000,502)%12.04.1(%100
HCFeMn=
×
× ×
=m 
其他元素的增加 
当加入主要合金时,应该考虑到合金中其他元素对钢液的影响.其他组元含量的增加通过式
9-2表示: 
钢水质量
元素的收得率元素的含量)合金中
×
××

100
X( %additive%
XXm
X 9-3 
例如: 
前面的例子,计算碳含量的增加.HCFeMn中碳含量为6.7%,并且收得率为95%. 

C%112.0
kg 250,000%100
5%9 %7.6kg 4,403
C%=
×
××

对于低碳和超低碳钢来说,必须严格禁止这种碳含量的增加.在这种情况下,必须采用价格高的低碳或高纯净的锰铁合金. 
混匀时间 
应该指出的是,加入合金后不会立即改变钢包中钢液的成份,这需要一定的熔解时间.在模拟中,通过了解以下的情况来确保合金有足够的熔化时间: 
粉末和颗粒均匀的合金比颗粒粗糙或鹅卵石形状的合金熔化速度快; 
随着温度的降低混匀时间增加. 
9.4 脱氧 
铝是一种强脱氧剂,通过下列反应来控制钢液中的氧活度: 
热量 )O(Al3[O]2[Al]32+→+ 9-4 
式9-4的平衡常数如下: 
2
Al
3
O
OAl
OAl
32
aa
a
K

= 9-5 
这里 
5.20
]K[
780,62
logOAl = T
K 9-6 
式9-5 变形得氧活度表达式如下: 
3
OAl
2
Al
OAl
O
32

=
Ka
a
a 9-7 
图9-1中给出了三种不同温度下 aO 和 aAl 之间的关系.可以看出,较低温度下,铝脱氧更有效. 
0
5
10
15
20
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08
[Al] / wt%
[O] / ppm
1623°C / 2628.8°F
1600°C / 2592°F
1550°C / 2512°F
图 9-1 三种不同温度下Al-O平衡曲线 
虽然铝是强脱氧元素之一,溶解氧也受其它元素的控制.因此,计算其它元素和氧反应的平衡常数(见9.2节)可以确定那种元素先和氧反应并生成氧化物,其它元素的氧化物就会减少. 
根据热力学平衡计算Al, C, Cr, Fe 和 Si 和氧反应的平衡氧活度
yxyxOMeOMe + . 
确定那个反应的平衡氧活度最低. 
9.4.1 计算 AL 加入量 
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 0.025 0.05 0.075 0.1
[Al] / wt%
[O] / ppm
加入铝
2Al+3O→Al2O3
AB
C
残余 Al脱氧 Al
图 9-2 根据初始氧活度计算所需的 Al加入量 
假设钢液中没有铝,初始氧活度为400ppm,由图9-2中的A点表示. 
图9-2中的B点代表加入0.095%的铝加入量.正好位于Al-O 平衡线的上方,铝氧反应生成Al2O3.根据化学计量法,2个Al 原子(54个质量单位)同3个O原子反应(48个质量单位),因此,该温度下的反应平衡的成分在C点.因此,脱氧所需的铝的重量百分含量计算式如下: 
initialdeox]O[%
48
54
Al%≈ 9-8 
当计算需要加入铝的总量时,要考虑到钢液中残留(目标)铝的含量. 
举例 
250t钢液,氧含量为450ppm(0.045%),出钢时用铝脱氧.假设铝的收得铝为60%,目标Al成分为0.04%,计算含铝98%的铝合金的加入量. 
脱氧所用的铝 (据是 9-8计算) (54/48) × 0.045 % = 0.051 % 
+ 目标铝含量 0.040 % 
= 所需的总铝量 0.091 % 
由式9-7计算铝合金加入量. 
kg 863
%60%98
kg 000,250%091.0%100
Al=
×
××
=m
9-9 
9.5 泡沫渣 
向钢液吹碳和向渣相吹氧,可以生成CO,因此产生泡沫渣.如下式: 
CO(g) O C + 9-10 
该式的平衡常数如下: 
OC
CO
OCaa
p
K

= 9-11 
由于浓度低,C和O活度就等于它们的浓度,如下: 
][%][%
CO
OCOC
p
K

= 9-12 
07.2
]K[
168,1
logOC+= T
K 9-13 
0
200
400
600
800
1000
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08
[C] / wt%
[O] / ppm
pCO = 1 atm
pCO = 0.1 atm
pCO = 0.01 atm
图 9-3 不同压力下平衡的 [C] 和[O] 浓度 
想获得泡沫渣,炉渣碱度在1.2-2.5之间也是重要的.另外,渣中固相不能太多(最多为5t)或液相太少,至少应为50t. 
用式9-19计算炉渣碱度: 
)(%SiO
(%CaO)
Basicity
2
= 9-14 
9.6 脱硫 
某些钢种,比如用于输送油气的管线钢,为了达到更好的焊接性能和起泡性能,要求钢中硫含量非常低.通过钢液和炉渣进行硫交换来达到脱硫目的.钢中的溶解铝含量和硫含量以及渣中的石灰,三氧化二铝,硫化钙量来决定发生的反应.通常用下式表示: 
)O(AlCaS)(33[S]Al][23(CaO)32+→++ 9-15 
实际上,EAF炉内的脱硫步骤如下: 
出钢时,加入CaO基脱硫合成渣; 
铝脱氧实现很低的氧活度(否则铝先于氧反应); 
模拟过程中,石灰石,白云石或萤石可以在任意时刻加入.按下键A弹出添加合金对话框,选择合金和加入量. 
指定添加剂的加入量.加入的渣剂越多,脱除的硫量越多,但是成本也越高. 
必须要预测炉渣成分,因为炉渣成分分析所用时间较长,因此在冶炼过程中不可取.
渣中高CaO和Al2O3是非常重要的,因为较高CaO含量的炉渣的硫分配比LS 较高,
因此能更有效地脱硫. 理论上,对应一种渣系的"平衡"硫含量[ %S]equ用下式计算: 
=
s
m
S
s
m
S
0equ
1
1
1
][%][%
W
W
L
W
W
L
SS 9-16 
这里 
[ %S]0 = 初始硫含量, wt% 
Ws = 渣量, kg 
Wm = 钢液量, kg 
LS = 渣钢间硫分配比 
图 9-4. 1600 °C时三元渣系 Al2O3-CaO-SiO2的LS 
LS 是由炉渣成分,钢液温度,溶解铝和溶解氧共同作用的.显然,为了减少炉渣用量和成本,就要求炉渣具有高的LS .一般说来,温度大于1600 °C 且溶解氧低有利于脱硫.为了确定目标炉渣成分,图9-4给出了三元渣系 Al2O3-CaO-SiO2的LS值. 
将式 9-16变形可得出,在目标硫含量一定时,冶炼所需加入的渣量的计算式.即假设 [ %S]aim 
= [ %S]equ: 
=
aim
aim0
S
m
s][%
][%][%
S
SS
L
W
W 9-17 
举例 
假设初始硫含量为0.008 wt%,硫分配比LS 为 500,处理钢液250t,要想实现0.002 wt%的硫含量,最少需加入多少精炼脱硫渣 
根据式 9-17: 
tonnes1.5
%002.0
%002.0%008.0
500
250
s= 
=W 9-18 
注释:从脱硫动力学方面考虑,钢液搅拌一定时间后才达到平衡硫含量0.002 wt%. 
9.7 脱磷 
磷会降低钢产品的力学性能,产生晶间裂纹和凝固过程的微观偏析. 普通钢种要求磷含量小于0.015 wt%,有些特殊钢种则要求磷含量小于0.001 wt-%. 
炉渣的脱硫能力主要决定于钢液温度,炉渣碱度和渣中石灰,氧化镁和铁氧化物的含量.FeO 含量低和较高的温度会引起炉渣向钢液回磷.另一方面,炉渣高碱度有利于脱磷,但需要注意防止炉渣中的CaO饱和.渣中CaO含量增加会引起炉渣粘度的增加,使得炉渣的液相线温度急剧增大,导致炉渣熔化不充分.萤石可以优化炉渣的流动性,即能降低炉渣的熔化温度. 
磷分配比可用下式表示: 
eq
eq
P][%
)(%
P
P
L= 9-19 
总之,由于电炉脱磷能力有限,如果要求钢液中磷含量非常低,就要选择磷含量低的原料.
EAF内炉渣中的磷含量分配比一般在5到15之间,也就意味着不超过20-50%的磷可以在电炉
内脱除. 

[2006年 10月25日 13 : 24]      评论:[2] | 浏览:[12360]
     坑爹的吧
    嗯 有没有什么算法可以在还没冶炼之前大致算出各种量的添加
    琥珀川卷 | 2012年 10月12日 0 : 17

     坑爹的吧
    嗯 有没有什么算法可以在还没冶炼之前大致算出各种量的添加
    琥珀川卷 | 2012年 10月12日 0 : 17

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