冶炼过程产品和成分简析

2017-09-11刘锦徐海卫董国顺王伟李亚平

化工管理 2017年23期

关键词：铁水炉渣分析方法

刘锦徐海卫董国顺王伟李亚平

（1首钢京唐钢铁联合有限责任公司河北唐山 063200；2唐山工业职业技术学院自动化工程系河北唐山 063200）

冶炼过程产品和成分简析

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（1首钢京唐钢铁联合有限责任公司河北唐山 063200；2唐山工业职业技术学院自动化工程系河北唐山 063200）

为了实时监控冶炼水平，掌握过程关键控制点，铁水、炉渣和钢产品都需要进行成分分析。不同的元素在冶炼过程中起到不同的作用，钢铁产品的品质与过程中元素的添加或反应密不可分，本文就冶炼过程中铁水、炉渣和钢的成分分析作简要阐述。

高炉冶炼；铁水；炉渣；钢；成分分析

铁水、炉渣和钢中的元素成分含量与冶炼的过程直接关联，一方面，了解钢铁产品的生产过程，从而进一步理解各种成分在冶炼过程中的不同作用；另一方面，成分的定量分析可以指导生产，因此掌握成分分析方法对于钢铁产品的实际生产具有重要意义。

1 铁水

铁水是高炉冶炼的最主要产品，可以依据碳含量的不同，将其分为炼钢铁水和铸造铁水[1]。一般情况下，炼钢铁水的碳含量比较低。高炉在生产过程中。原料与燃料在冶炼后，获得其主要产品，并定时从铁口排出。

铁水是高炉冶炼过程中铁与渣交互作用而形成的。其过程十分复杂。

1.1 高炉反应与成分的关系

硅还原。硅是生铁中最重要的元素。高炉操作的重要任务之一是控制铁中的硅素含量。[2]在炉特殊情况期间，铁水硅会达到非常高的值，如炉温较高时。因为铁水中硅主要来自于煤渣内SiO2,炉渣液相线温度会升高.当炉的渣碱度增加到一定程度,炉内的沫渣不再是液态,无法继续熔炼.由此在炉内滞留形成渣环圈,炉腹区尤为严重。该种情况的存在会影响到正常的熔炼工作，同时炉料下降会受影响。高炉降硅目的是降低成本,因通常情况下，每还原一个单位的硅是还原一个单位铁所需消耗热量的8倍,所以降硅是为了节约焦碳.低硅铁水到了炼钢也能缩短冶炼时间.降低成本。

锰是贵重金属元素。随着锰矿加入到高炉中带来了锰元素，也有少量Mn存在于铁矿石中。高炉内的Mn是由MnO直接还原获得的，Mn0开始直接还原的温度约在1100-1200℃之间。

磷很难还原，且还原反应很吸热，炉缸的热量高时，有利于磷还原反应发生。磷被还原后以Fe2P化合物溶于生铁，降低生铁中的含磷量只有控制炉料的含磷量这条途径，大量生产数据表明，使用含磷量较高的矿石冶炼优于相对于含磷量较低的普通矿石，会有5%-15%磷进入到炉渣中。

铁水硫。铁水硫取决于炉渣成分，高炉势态，硫的输入量等三方面因素。就硫的输入量而言，通常是2.5—3.5kg/HM。其主要的来源是焦炭或者是还原剂。如石油或者是煤。

1.2 不同分析方法比较

国内钢铁企业进行铁水分析的一般方法有：选择直读光谱分析仪、X射线荧光光谱仪、碳硫元素分析仪、炉前碳硅分析等进行炉前快速分析，分析方法比较如下表所示：

不同铁水分析方法比较分析方法优缺点直读光谱分析仪一次性测量多个元素，仪器测量时间快；制样简单，检测速度快。分析精度较高。设备投入成本较高X射线荧光光谱仪测量元素用时几十秒到几分，检测速度快，试样室可同时放多个试样，不能过大；测碳比较困难且精度较低，其样块表面要求也要比发射光谱稍高，测定碳、硅等一些元素精度低于发射光谱法，设备成本高。碳硫元素分析仪①快速碳硫分析仪采用气体容量法，速度快（分析时间不到一分钟），精度优于光谱法，仪器价格便宜，性价比高。②红外碳硫分析仪：采用燃烧—红外分析的方法，速度快（分析时间约一分钟），精度高，是目前精度最高的碳硫分析仪，能满足特殊材料对碳硫元素要求严格或碳硫含量太低，普通碳硫分析仪无法满足的产品检测使用。仪器价格便宜，能满足军工级企业检测需求。炉前碳硅分析炉前铁水快速分析仪，又叫碳硅分析仪，热分析仪、铁水质量管理仪等等，测量速度快（2—3分钟），对铁水的温度、碳当量、碳含量、硅含量、共晶度等指标的分析，测碳精度与光谱分析法相当，测硅影响因素较多，需要修正，检测项目有局限性。

2 炉渣

作为高炉炼铁的副产品，经过相应加工处理后，可以用来作为建筑材料。在高炉生产过程中，将各种原材料和燃料冶炼后，除过铁水与煤气外，矿石中的脉石、熔剂，燃料中的灰分相互融合形成液态的炉渣。其温度通常在1400℃—1600℃之间。

2.1 炉渣成分关系

炉渣主要是由焦炭灰分，脉石原料，辅助还原剂形成。生产过程中，由初渣发展成为终渣。冶炼有时需要调整炉料配比，炉况变化的同时炉渣成分也会发生变化。高炉渣原作为废物经水淬制成水渣，可用来制造渣棉、铸石。

炉渣的成分主要是Si02，Al2O3,CaO,MgO等。当氧进入金属熔池后，元素开始氧化反应。各元素氧化速度不同，但都是按一定的次序进行的。一般地讲，硅、锰最先被氧化，而碳随后被迅速氧化，磷与碳同时进行。

不同温度条件下氧化反应元素的顺序

氧化次序不同的原因是元素与氧的亲和力存在差异，与氧亲和力强的元素可以夺取更多的氧，氧化反应开始的时间最早；反之，与氧亲和力弱的元素则夺得较小的氧，它的氧化反应开始的时间晚，氧化的效果也不如前者。

炉渣不同氧化物的熔点

炉渣主要是去除生铁中的硫，对硅有选择或抑制，促进锰还原，起到控制生铁成分的重要作用，并保护炉衬。

2.2 炉渣分析方法

炉渣的一般分析技术和方法包括：电感耦合等离子体发射光谱、原子吸收光谱、X射线荧光光谱、分光光度、红外线吸收、滴定法以及重量法等。

3 钢

根据化学成分不同，钢分为不同钢种。化学成分是钢中各种化学元素的含量百分比。冶炼过程中通过检验钢的化学成分，确定是否满足钢种要求和标准，是炼钢的基本要求。

3.1 炼钢与成分的关系

对于碳素结构钢，主要分析五大元素，即碳、锰、硅、硫、磷；对于合金钢，除分析上述五大元素之外，还要分析合金元素。此外，对钢中其他有害元素和残余元素也有规定。[3]

碳在钢中的存在形式有两种，一是化合碳，一是游离碳，以前者为主。一般检验碳含量为化合碳和游离碳的总和。含碳量增加，强度和硬度随之增加，塑性和延展性随着降低，当碳含量超过0.23%时，钢的焊接性能变坏，用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%，易于切削加工。

硅作为炼钢过程中的还原剂和脱氧剂，主要以硅化物的形态存在，属于炼钢的有益元素。如果含硅量超过0.50-0.60%，是为了使钢获得特殊性能而定量加入的，此时的硅属于合金元素。比如，调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。

锰在炼钢过程中是弱脱氧剂和脱硫剂，一定程度上消除硫和氧对钢材的热脆性能的影响，从而影响加工性能。一般钢中含锰0.30－0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢有更好韧性，且有较高的强度和硬度，钢的淬性提高，热加工性能得到改善。锰量增高，抗腐蚀能力减弱，焊接性能降低。[4]

一般来说，磷和硫是钢中有害元素，通常,P以磷化物的形态存在。P含量高导致钢的塑性和韧性降低，低温时会发生冷淬现象。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。S在钢中溶解度小，以FeS形态存在，钢加热到1200℃以上，使钢产生热脆性，降低塑性，锻造和轧制时造成裂纹。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。

3.2 钢中元素的分析方法。

对于钢铁中的成分分析有多种方法可以选择，如化学分析法，仪器分析法，对前者进行细分又可以将其分为滴定分析与重量分析。重量分析是通过化学反应及一系列的操作步骤将行测物转化为化学组成恒定的化合物，再通过对其质量进行称量一，从而计算出行测组分含量。而滴定法又可以依据不同的反应类型进行细分。仪器分析方法包含的内容比较多，如质谱分析，光分析，电化学分析，色谱分析，热分析。其中光分析方法又以可以又多种分类。如红外，紫外，核磁，荧光法等。