【文章內(nèi)容簡介】 的高溫物理化學(xué)變化 過程 ，加上測試手段有限，目前還難以做到精確取值和計(jì)算。盡管如此 ， 它對指導(dǎo)煉鋼生產(chǎn)和設(shè)計(jì)仍有 重要的意義。 在組織煉鋼生產(chǎn)中，為了制定合理的工藝制度和進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制，首先要知道各種物料的加入量和產(chǎn)生的產(chǎn)物量是多少。 為了確定合理的熱工制度，確定合適的廢鋼加入量，需要知道爐子有多少的富余熱量（因?yàn)檗D(zhuǎn)爐的熱量除能滿足出鋼要求外還有富余，著部分富余熱量可以用來多吃廢鋼，以降低煉鋼成本）。 總之，不論從設(shè)計(jì)方面講，還是從工藝方面講都需要知道一定的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)都是通過轉(zhuǎn)爐物料平衡計(jì)算得來的。因此做好物料平衡和熱平衡計(jì)算，對于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)爐煉鋼車間及其主要設(shè)備（轉(zhuǎn)爐，氧槍和除塵設(shè)備等），指導(dǎo)和組織煉鋼生產(chǎn)、 分析、研究和改進(jìn)冶煉工藝，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制等都有著極其重要的意義。由于轉(zhuǎn)爐內(nèi)進(jìn)行著極其復(fù)雜而又激烈的物理化學(xué)反應(yīng)，不可能做到十分精確的計(jì)算，因此要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況進(jìn)行一些假設(shè)處理，做近似計(jì)算，然后在實(shí)際生產(chǎn)中修正。 物料平衡計(jì)算 [1] 計(jì)算原始數(shù)據(jù) 基本原始數(shù)據(jù)有：冶煉鋼種及其成分，鐵水和廢鋼的成分，終點(diǎn)鋼水成分（見表21）；造渣用溶劑及爐襯等原材料的成分（見表 22）；脫氧和合金化用鐵合金的成分及其回收率（表 23）；其他工藝參數(shù)（表 24）。 本次冶煉鋼種為 IF 鋼。 IF 鋼概述： IF 全稱 InterstitialFree Steel，即無間隙原子鋼，有時(shí)也稱超低碳鋼，具有極優(yōu)異的深沖性能，現(xiàn)在伸長率和 r 值可達(dá) 50%和 以上，在汽車工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。在 IF 鋼中，由于 C、 N 含量低，再加入一定量的鈦（ Ti）、鈮（ Nb）等強(qiáng)碳氮化合物形成元素，將超低碳鋼中的碳、氮等間隙原子完全固定為碳氮化合物，從而得到的無間隙原子的潔凈鐵素體鋼，即為超低碳無間隙原子鋼（ Interstitial Free Steel）。 發(fā)展歷史： IF 鋼在 1949 年首次被研制成功，其基本原理是在鋼中加入一定比例的 Ti，使鋼中固溶 C 和 N 的含量降到 %以下，使鐵素體得到深層次的凈化，從而得到良好的深沖性能。但由于受到當(dāng)時(shí)冶煉技術(shù)的限制，鋼中原始的固溶 C、 N 含量較高，所以需要加入的 Ti 含量也很高，達(dá)到了 %， Ti 是一種價(jià)格非常昂貴的稀有合金元素，在當(dāng)時(shí)更是如此，因而阻止了其當(dāng)時(shí)的商業(yè)化進(jìn)程。直到19671970，由于真空脫氣技術(shù)在冶金生產(chǎn)中的應(yīng)用，大大減少了需要添加的 Ti 合金元素含量 (大約為 %左右 )才正式出現(xiàn)了商用的 IF 鋼，幾乎在同時(shí)，人們也發(fā)現(xiàn)了Nb 具有和 Ti 幾乎相同的作用，但還是受到價(jià)格因 素的制約，其應(yīng)用也只限于少量特殊的零件。 20 世紀(jì) 70 年代在日本開始用連退線生產(chǎn)少量的 IF 鋼， 70 年代末， IF 鋼成分大致為： %C、 %N、 %Ti 或 Nb。到 20 世紀(jì) 80 年代，冶煉技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，采用改進(jìn)的 RH 處理可經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn) C≤%的超 低碳鋼 ， RH 處理時(shí)間也縮短到 1020min。現(xiàn)代 IF 鋼的成分大致為： C≤%、 N≤%， Ti 或 Nb 一5 般約 %。到 1994 年全世界 IF 鋼的產(chǎn)量超過了 1000 萬噸。歸根到底， IF 鋼的迅速發(fā)展來自于市場需求的急劇增加和 生產(chǎn)成本的降低。 研究進(jìn)展 [2]： 國外：汽車工業(yè)的飛速發(fā)展帶動(dòng)了 IF 鋼（ Interstitial Free Steel，無間隙原子鋼）的生產(chǎn)。世界許多先進(jìn)鋼鐵廠都非常重視 IF 鋼的生產(chǎn)， 安賽樂米塔爾、新日鐵、 JFE、蒂森克虜伯 、美鋼聯(lián)、浦項(xiàng)等先進(jìn)鋼廠的 IF 鋼年產(chǎn)量均在 200 萬噸以上。 20 世紀(jì)末，日本 IF 鋼年產(chǎn)量已超過 1000 萬噸，并呈逐年上升趨勢。許多大型鋼鐵公司均積極發(fā)展 IF 鋼生產(chǎn)，如日本的川崎制鋼公司、新日鐵公司，德國的 Thyssen 鋼鐵公司、 Hoesch鋼鐵公司 ,美國的 Armco 鋼鐵公司、 Inland 鋼鐵公司，韓國的浦項(xiàng)鋼鐵公司等，其 IF鋼年產(chǎn)量均在 100 萬噸以上。近年來，為適應(yīng)汽車減重、降低材料消耗和節(jié)約燃油的需要，對汽車用鋼板強(qiáng)度的要求越來越高。 “超低碳 ”鋼是高端產(chǎn)品，新日鐵、 JFE、蒂森克虜伯等鋼廠在鋼的化學(xué)成分、夾雜物含量以及每道工序的控制等方面均有成熟的經(jīng)驗(yàn)。 國內(nèi)：從 2021 年以來，由于 IF 鋼具有優(yōu)良的深沖性和無時(shí)效性，已逐漸成為繼沸騰鋼 和鋁鎮(zhèn)靜鋼之后的新一代沖壓用鋼，是一個(gè)國家汽車用鋼板生產(chǎn)水平的標(biāo)志。 我國研制 IF 鋼始于 1989 年，寶鋼集團(tuán)公司、鞍鋼集團(tuán)公司、武鋼集團(tuán)公司、攀鋼集團(tuán)公司、 本鋼集團(tuán)公司等先后開展 IF 鋼的研究開發(fā)工作，并大力發(fā)展 IF 鋼生產(chǎn)。到 2021 年，我國的 IF 鋼生產(chǎn)已具有一定規(guī)模，但仍處于初級發(fā)展階段。以汽車板用IF 鋼為例，國產(chǎn)的 IF 鋼僅可以滿足中低檔轎車和卡車用鋼板的質(zhì)量要求，中高檔轎車用高品質(zhì)鋼板仍然需要大量進(jìn)口，尤其是對于表面質(zhì)量要求非常嚴(yán)格的汽車面板，與國外同類型 IF 鋼產(chǎn)品的質(zhì)量差距更大。 到 2021 年，我國的汽車產(chǎn)量達(dá) 800 萬輛，其中轎車 600 萬輛?？梢娢覈鴮ζ嚢宓男枨罅恐?。 2021 年我國寶鋼生產(chǎn)的 IF 鋼的成分已能控制在 [C] %、 [N] %、 [S] %、 T[O] %的水平。本鋼生產(chǎn)的 IF 鋼的成分控制在 [C] %、[N] %、 [S] %的水平。我國武鋼、鞍鋼也已批量生產(chǎn) IF 鋼。中鋼公司（中國鋼鐵集團(tuán)公司）采用 BOF+RH 真空脫氣工藝，并改造了關(guān)鍵設(shè)備，開發(fā)出優(yōu)質(zhì) IF鋼。 工藝流程 [3～ 4]： IF 鋼對鋼水純凈度有著較為苛刻的要求，生產(chǎn)工藝流程的選取直接影響到 IF 鋼的品質(zhì)和生產(chǎn)的順行。當(dāng)前 IF 鋼的生產(chǎn)有三種典型的工藝流程，必須根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有的裝備條件來選擇合適的流程。 工藝路線 A： 高爐 → 鐵水脫硫 → 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐 → 氬氣攪拌 → RH 真空處理 → 連鑄工藝 路線 B：高爐 → 鐵水 脫硫 → 轉(zhuǎn)爐冶煉 → 氬氣 攪拌 → RH 真空處理 → LF 精煉 → 連鑄 工藝路線 C：高爐 → 鐵水脫硫 → 轉(zhuǎn)爐冶煉 → 氬氣攪拌 →LF 精煉 →RH 真空處理 →連鑄 工藝 A 是目前國內(nèi)外生產(chǎn) IF 鋼最常用的方法，適用于傳統(tǒng)厚板坯 連鑄機(jī) ，由于其不需要經(jīng)過 LF 精煉處理，生產(chǎn)成本最低，工藝設(shè)備基本上能滿足 IF 鋼的生產(chǎn)需要。工藝 B 和工藝 C 由于采用了 LF 精煉，能使大包渣得到很好改性，有利于渣吸收夾雜物，凈化鋼液。目前 馬鋼 、本鋼采用 LFRH 雙聯(lián)法在薄板坯連鑄機(jī)上成功實(shí)現(xiàn) IF 鋼的批量生產(chǎn)， 但是這兩種工藝路線相對復(fù)雜，成本相對較高。 在本設(shè)計(jì)中采用工藝路線 B。 6 表 21 鋼種、鐵水、廢鋼和終點(diǎn)鋼水的成分設(shè)定值 成分含量 /% C Si Mn P S 鋼種 IF鋼設(shè)定值 ① ～ 鐵水設(shè)定值 廢鋼設(shè)定值 終點(diǎn)鋼水設(shè)定值 ② 痕跡 注： ① 本設(shè)計(jì)設(shè)定的鋼中 為 IF 鋼 ② [C]和 [Si]按實(shí)際生產(chǎn)情況選??； [Mn]、 [P]、 [S]分別按鐵水中相應(yīng)成分含量的 30%、 10%、和 60%留在鋼水中。 表 22 原料成分 成分 類別 CaO SiO2 MgO AL2O3 Fe2O3 CaF2 P2O5 S CO2 H2O C 灰分 揮發(fā)分 石 灰 0 0 0 0.06 0 螢 石 0 0 0.10 0 白云石 0 25.60 0 爐 襯 78.80 14.00 焦 炭 8 81.50 12.40 類別 7 表 23 鐵合金成分（分子）及其回收率（分母） [5] 成品含量 / 回收率 / % 類別 C Si Mn Al P S Fe Ti 鈦鐵 ① 75 80 5/ 0 100 100 40/ 80 注： ① 上表中的 C中 10%與 氧生成 CO2。 表 24 其他工藝參數(shù)設(shè)定值 名稱 參數(shù) 名稱 參數(shù) 終渣堿度 螢石加入量 生白云石加入量 爐襯蝕損量 終渣 ∑(FeO)含量 (按向鋼中傳氧量 ω(FeO） = ω(Fe2O3)折算 ) 煙塵量 噴濺鐵損 ω(CaO)∕ω(SiO2)= 為鐵水量的 % 為鐵水量的 % 為鐵水量的 % 15% ，而 ω(Fe2O3 ）/∑ω(FeO)=1/3, 即ω(Fe2O3 ） =5% ，ω(FeO)=% 為鐵水量的 %（其中ω(FeO) 為 75% ，ω(Fe2O3）為 20%) 為鐵水量的 1% 渣中鐵損（鐵珠） 氧氣純度 爐氣中自由氧含量 氣化去硫量 金屬中 [C]的氧化產(chǎn)物 廢鋼量 為渣量的 6% 99%，余者為 N2 %（體積比） 占總?cè)チ蛄康?1/3 90% 的 C 氧化成CO， 10% 的 C 氧化成CO2 由熱平衡計(jì)算確定，本計(jì)算結(jié)果為鐵水量的 %，即廢鋼比為 % 物料平衡基本 項(xiàng)目 收入項(xiàng)有：鐵水、廢鋼、溶劑（石灰、螢石、輕燒白云石）、氧氣、爐襯蝕損、鐵合金。 支出項(xiàng)有：鋼水、爐渣、煙塵、渣 中鐵珠、爐氣、噴濺。 計(jì)算步驟 以 100Kg鐵水為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。 8 第一步：計(jì)算脫氧和合金化前的總渣量及其成分。 總渣量包括鐵水中元素氧化、爐襯蝕損和加入溶劑的成渣量。其各項(xiàng)成渣量分別列于表 2 26和 27?？傇考捌涑煞至杏诒?28中。 表 25 鐵水中元素的氧化產(chǎn)物及其渣量 元素 反應(yīng)產(chǎn)物 元素氧化量 (㎏ ) 耗氧量 (㎏ ) 產(chǎn)物量 (㎏ ) 備注 C [C]→{CO} 90%= [C]→{CO2} 10%= Si [Si]→{SiO 2} 入渣 Mn [Mn]→{MnO} 入渣 P [P]→{P 2O5} 入渣 S [S]→{SO 2} 1/3= [S]+(CaO)→(CaS)+(O) 2/3= ① (CaS) 入渣 Fe [Fe]→{FeO} 56/72= 入渣見 表 28 [Fe]→{Fe 2O3} 112/160= 入 渣 見 表28 合計(jì) 成渣量 入渣組分之和 注： ① 由 CaO還原出的氧量；消耗的 CaO量 =56/32=。 表 26 爐襯蝕損的成渣量 爐襯蝕損成渣組分 /kg 氣態(tài)產(chǎn)物 /kg 耗氧量 /㎏ 9 量/㎏ CaO SiO2 MgO Al2O3 Fe2O3 C→CO C→CO 2 C→CO,CO 2 接表 26 0.3 (據(jù)表2.5) 04 09 36 04 05 14%90%28/12= 14%10%44/12= 14%(90%28/12+10%44/12)= 合計(jì) 表 27 加入溶劑的成渣量 類別 加入量/㎏ 成渣組分 /kg 氣態(tài)產(chǎn)物 /kg CaO MgO SiO2 Al2O3 Fe2O3 P2O5 CaS CaF2 H2O CO2 O2 螢石 ( 據(jù)表 24) 白云石 ( 據(jù)表 25) 石灰 ① ② ③ 合計(jì) 成渣量 注： ① 石灰加入量計(jì)算如下：由表 45～ 47 可知，渣中已含 (CaO)=+++= ㎏；渣中已含10 (SiO2)=+++= ㎏。因設(shè)定的終渣堿度 R=；故石灰的加入量為： [RΣω(SiO2) Σω(CaO)]/ [ω(CaO 石灰 )Rω(SiO2 石灰 )]=（ ） /(%%)= ② (石灰中 CaO 含量 )(石灰中 S→CaS 消耗的 CaO 量 )。 ③ 由 CaO 還原出來的氧量，計(jì)算方法同表 25 的注。 表 28 總渣量及其成分 爐渣成分 CaO SiO2 MgO Al2O3 MnO FeO Fe2O3 CaF2 P2O5 CaS 合計(jì) 元素氧化成渣量/kg 3 76 3② 5 6 1 石灰成渣量/kg 8 4 6 8 3 5