冶煉過程產(chǎn)品和成分簡析

劉錦徐海衛(wèi)董國順王偉李亞平

（1首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司 河北 唐山 063200；2唐山工業(yè)職業(yè)技術學院自動化工程系 河北 唐山 063200）

冶煉過程產(chǎn)品和成分簡析

劉錦1徐海衛(wèi)1董國順1王偉1李亞平2

（1首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司 河北 唐山 063200；2唐山工業(yè)職業(yè)技術學院自動化工程系 河北 唐山 063200）

為了實時監(jiān)控冶煉水平，掌握過程關鍵控制點，鐵水、爐渣和鋼產(chǎn)品都需要進行成分分析。不同的元素在冶煉過程中起到不同的作用，鋼鐵產(chǎn)品的品質(zhì)與過程中元素的添加或反應密不可分，本文就冶煉過程中鐵水、爐渣和鋼的成分分析作簡要闡述。

高爐冶煉；鐵水；爐渣；鋼；成分分析

鐵水、爐渣和鋼中的元素成分含量與冶煉的過程直接關聯(lián)，一方面，了解鋼鐵產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，從而進一步理解各種成分在冶煉過程中的不同作用；另一方面，成分的定量分析可以指導生產(chǎn)，因此掌握成分分析方法對于鋼鐵產(chǎn)品的實際生產(chǎn)具有重要意義。

1 鐵水

鐵水是高爐冶煉的最主要產(chǎn)品，可以依據(jù)碳含量的不同，將其分為煉鋼鐵水和鑄造鐵水[1]。一般情況下，煉鋼鐵水的碳含量比較低。高爐在生產(chǎn)過程中。原料與燃料在冶煉后，獲得其主要產(chǎn)品，并定時從鐵口排出。

鐵水是高爐冶煉過程中鐵與渣交互作用而形成的。其過程十分復雜。

1.1 高爐反應與成分的關系

硅還原。硅是生鐵中最重要的元素。高爐操作的重要任務之一是控制鐵中的硅素含量。[2]在爐特殊情況期間，鐵水硅會達到非常高的值，如爐溫較高時。因為鐵水中硅主要來自于煤渣內(nèi)SiO2,爐渣液相線溫度會升高.當爐的渣堿度增加到一定程度,爐內(nèi)的沫渣不再是液態(tài),無法繼續(xù)熔煉.由此在爐內(nèi)滯留形成渣環(huán)圈,爐腹區(qū)尤為嚴重。該種情況的存在會影響到正常的熔煉工作，同時爐料下降會受影響。高爐降硅目的是降低成本,因通常情況下，每還原一個單位的硅是還原一個單位鐵所需消耗熱量的8倍,所以降硅是為了節(jié)約焦碳.低硅鐵水到了煉鋼也能縮短冶煉時間.降低成本。

錳是貴重金屬元素。隨著錳礦加入到高爐中帶來了錳元素，也有少量Mn存在于鐵礦石中。高爐內(nèi)的Mn是由MnO直接還原獲得的，Mn0開始直接還原的溫度約在1100-1200℃之間。

磷很難還原，且還原反應很吸熱，爐缸的熱量高時，有利于磷還原反應發(fā)生。磷被還原后以Fe2P化合物溶于生鐵，降低生鐵中的含磷量只有控制爐料的含磷量這條途徑，大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，使用含磷量較高的礦石冶煉優(yōu)于相對于含磷量較低的普通礦石，會有5%-15%磷進入到爐渣中。

鐵水硫。鐵水硫取決于爐渣成分，高爐勢態(tài)，硫的輸入量等三方面因素。就硫的輸入量而言，通常是2.5—3.5kg/HM。其主要的來源是焦炭或者是還原劑。如石油或者是煤。

1.2 不同分析方法比較

國內(nèi)鋼鐵企業(yè)進行鐵水分析的一般方法有：選擇直讀光譜分析儀、X射線熒光光譜儀、碳硫元素分析儀、爐前碳硅分析等進行爐前快速分析，分析方法比較如下表所示：

不同鐵水分析方法比較分析方法優(yōu)缺點直讀光譜分析儀一次性測量多個元素，儀器測量時間快；制樣簡單，檢測速度快。分析精度較高。設備投入成本較高X射線熒光光譜儀測量元素用時幾十秒到幾分，檢測速度快，試樣室可同時放多個試樣，不能過大；測碳比較困難且精度較低，其樣塊表面要求也要比發(fā)射光譜稍高，測定碳、硅等一些元素精度低于發(fā)射光譜法，設備成本高。碳硫元素分析儀①快速碳硫分析儀采用氣體容量法，速度快（分析時間不到一分鐘），精度優(yōu)于光譜法，儀器價格便宜，性價比高。②紅外碳硫分析儀：采用燃燒—紅外分析的方法，速度快（分析時間約一分鐘），精度高，是目前精度最高的碳硫分析儀，能滿足特殊材料對碳硫元素要求嚴格或碳硫含量太低，普通碳硫分析儀無法滿足的產(chǎn)品檢測使用。儀器價格便宜，能滿足軍工級企業(yè)檢測需求。爐前碳硅分析爐前鐵水快速分析儀，又叫碳硅分析儀，熱分析儀、鐵水質(zhì)量管理儀等等，測量速度快（2—3分鐘），對鐵水的溫度、碳當量、碳含量、硅含量、共晶度等指標的分析，測碳精度與光譜分析法相當，測硅影響因素較多，需要修正，檢測項目有局限性。

2 爐渣

作為高爐煉鐵的副產(chǎn)品，經(jīng)過相應加工處理后，可以用來作為建筑材料。在高爐生產(chǎn)過程中，將各種原材料和燃料冶煉后，除過鐵水與煤氣外，礦石中的脈石、熔劑，燃料中的灰分相互融合形成液態(tài)的爐渣。其溫度通常在1400℃—1600℃之間。

2.1 爐渣成分關系

爐渣主要是由焦炭灰分，脈石原料，輔助還原劑形成。生產(chǎn)過程中，由初渣發(fā)展成為終渣。冶煉有時需要調(diào)整爐料配比，爐況變化的同時爐渣成分也會發(fā)生變化。高爐渣原作為廢物經(jīng)水淬制成水渣，可用來制造渣棉、鑄石。

爐渣的成分主要是Si02，Al2O3,CaO,MgO等。當氧進入金屬熔池后，元素開始氧化反應。各元素氧化速度不同，但都是按一定的次序進行的。一般地講，硅、錳最先被氧化，而碳隨后被迅速氧化，磷與碳同時進行。

不同溫度條件下氧化反應元素的順序

氧化次序不同的原因是元素與氧的親和力存在差異，與氧親和力強的元素可以奪取更多的氧，氧化反應開始的時間最早；反之，與氧親和力弱的元素則奪得較小的氧，它的氧化反應開始的時間晚，氧化的效果也不如前者。

爐渣不同氧化物的熔點

爐渣主要是去除生鐵中的硫，對硅有選擇或抑制，促進錳還原，起到控制生鐵成分的重要作用，并保護爐襯。

2.2 爐渣分析方法

爐渣的一般分析技術和方法包括：電感耦合等離子體發(fā)射光譜、原子吸收光譜、X射線熒光光譜、分光光度、紅外線吸收、滴定法以及重量法等。

3 鋼

根據(jù)化學成分不同，鋼分為不同鋼種。化學成分是鋼中各種化學元素的含量百分比。冶煉過程中通過檢驗鋼的化學成分，確定是否滿足鋼種要求和標準，是煉鋼的基本要求。

3.1 煉鋼與成分的關系

對于碳素結(jié)構(gòu)鋼，主要分析五大元素，即碳、錳、硅、硫、磷；對于合金鋼，除分析上述五大元素之外，還要分析合金元素。此外，對鋼中其他有害元素和殘余元素也有規(guī)定。[3]

碳在鋼中的存在形式有兩種，一是化合碳，一是游離碳，以前者為主。一般檢驗碳含量為化合碳和游離碳的總和。含碳量增加，強度和硬度隨之增加，塑性和延展性隨著降低，當碳含量超過0.23%時，鋼的焊接性能變壞，用于焊接的低合金結(jié)構(gòu)鋼，含碳量一般不超過0.20%，易于切削加工。

硅作為煉鋼過程中的還原劑和脫氧劑，主要以硅化物的形態(tài)存在，屬于煉鋼的有益元素。如果含硅量超過0.50-0.60%，是為了使鋼獲得特殊性能而定量加入的，此時的硅屬于合金元素。比如，調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中加入1.0－1.2%的硅，強度可提高15－20%。

錳在煉鋼過程中是弱脫氧劑和脫硫劑，一定程度上消除硫和氧對鋼材的熱脆性能的影響，從而影響加工性能。一般鋼中含錳0.30－0.50%。在碳素鋼中加入0.70%以上時就算“錳鋼”，較一般鋼有更好韌性，且有較高的強度和硬度，鋼的淬性提高，熱加工性能得到改善。錳量增高，抗腐蝕能力減弱，焊接性能降低。[4]

一般來說，磷和硫是鋼中有害元素，通常,P以磷化物的形態(tài)存在。P含量高導致鋼的塑性和韌性降低，低溫時會發(fā)生冷淬現(xiàn)象。因此通常要求鋼中含磷量小于0.045%，優(yōu)質(zhì)鋼要求更低些。S在鋼中溶解度小，以FeS形態(tài)存在，鋼加熱到1200℃以上，使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低塑性，鍛造和軋制時造成裂紋。所以通常要求硫含量小于0.055%，優(yōu)質(zhì)鋼要求小于0.040%。

3.2 鋼中元素的分析方法。

對于鋼鐵中的成分分析有多種方法可以選擇，如化學分析法，儀器分析法，對前者進行細分又可以將其分為滴定分析與重量分析。重量分析是通過化學反應及一系列的操作步驟將行測物轉(zhuǎn)化為化學組成恒定的化合物，再通過對其質(zhì)量進行稱量一，從而計算出行測組分含量。而滴定法又可以依據(jù)不同的反應類型進行細分。儀器分析方法包含的內(nèi)容比較多，如質(zhì)譜分析，光分析，電化學分析，色譜分析，熱分析。其中光分析方法又以可以又多種分類。如紅外，紫外，核磁，熒光法等。

4 結(jié)語

綜上而言，冶煉是一個非常復雜的過程，需要工作人員在冶煉過程和工藝方面重點把握，掌握不同的元素在過程中起到的不同作用，分析成分并及時掌握冶煉狀態(tài)，通過調(diào)整工藝達到生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的目的。

[1]郭澤琴；高爐冶煉終端產(chǎn)品鐵水和爐渣的成分分析[J].山西冶金,2012(06).

[2]鄧守強；施月循；高爐硅還原機理探討和研究[J].鋼鐵, 1989(05).

[3]吉廣平；如何進行管材供應質(zhì)量管理[J].科協(xié)論壇,2010 (10).

[4]閆葉飛；汽車螺栓性能試驗淺析[J]科協(xié)論壇，2012（02）.