ch3炼钢基本原理

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1、3.1 炼钢的基本任务炼钢的基本任务 ?四脱：四脱：C、S、P、O； ?二去：气体、夹杂；二去：气体、夹杂； ?二调整：温度、成分。二调整：温度、成分。 ?浇注。浇注。 3.2.1 炼钢炉渣的作用炼钢炉渣的作用 ? 作用作用： ? 通过对炉渣成分、性能及数量的调整，可 以控制金属中各元素的氧化和还原过程； 通过对炉渣成分、性能及数量的调整，可 以控制金属中各元素的氧化和还原过程； ? 向钢中输送氧以氧化各种杂质；向钢中输送氧以氧化各种杂质； ? 吸收钢液中的非金属夹杂物，并防止钢液 吸气（ 吸收钢液中的非金属夹杂物，并防止钢液 吸气（H、N）。）。 ? 其它作用。如：稳定电弧，保护渣。其它作用

2、。如：稳定电弧，保护渣。 ? 副作用：侵蚀炉衬；降低金属收得率。副作用：侵蚀炉衬；降低金属收得率。 3.2.2 炼钢炉渣的来源及其组成炼钢炉渣的来源及其组成 ? 炼钢炉渣的来源：炼钢炉渣的来源： ? 加入的各种造渣材料及被侵蚀炉衬；加入的各种造渣材料及被侵蚀炉衬； ? 炼钢中化学反应的产物：氧化物和硫化物；炼钢中化学反应的产物：氧化物和硫化物； ? 废钢带入得泥沙和铁锈；氧化物或冷却剂带 入的脉石。 废钢带入得泥沙和铁锈；氧化物或冷却剂带 入的脉石。 ? 炉渣的组成以各种炉渣的组成以各种金属氧化物金属氧化物为主，并含有 少量 为主，并含有 少量硫化物硫化物和和氟化物氟化物。 ? 炼钢炉渣的基本

3、体系是炼钢炉渣的基本体系是CaO-SiO2-FeO。 3.2.3 炼钢炉渣的主要性质炼钢炉渣的主要性质 ? 碱度：碱度： R1.31.5，低碱度渣；，低碱度渣； R1.82.0，中碱度渣；，中碱度渣； R2.5，高碱度渣；，高碱度渣； ? 氧化性氧化性炉渣向金属熔池传氧的能力炉渣向金属熔池传氧的能力，一般以 渣中氧化铁（ ，一般以 渣中氧化铁（ FeO）含量来表示。）含量来表示。 ? 把把Fe2O3折合成折合成FeO有两种计算方法：有两种计算方法：全氧法全氧法和和 全铁法全铁法。全铁法较合理。全铁法较合理。 ? 炉渣的氧化能力是个综合的概念，其传氧能力还 受 炉渣的氧化能力是个综合的概念，其传

4、氧能力还 受炉渣粘度炉渣粘度、熔池搅拌强度熔池搅拌强度、供氧速度供氧速度等因素的 影响。 等因素的 影响。 3.3.1 炼钢熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式炼钢熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式 ? 氧的来源：氧的来源： ? 直接向熔池中吹入工业纯氧（直接向熔池中吹入工业纯氧（98）；）； ? 向熔池中加入富铁矿；向熔池中加入富铁矿； ? 炉气中的氧传入熔池。炉气中的氧传入熔池。 ? 铁液中元素的氧化方式有两种：铁液中元素的氧化方式有两种：直接氧化直接氧化和和间 接氧化 间 接氧化。 直接氧化方式直接氧化方式 ? 直接氧化是指氧气直接与铁液中的元素产生氧化 反应 直接氧化是指氧气直接与铁

5、液中的元素产生氧化 反应。 ? 当向铁液中吹入氧气时，如果在铁液与气相界面 有被溶解的元素如 当向铁液中吹入氧气时，如果在铁液与气相界面 有被溶解的元素如SiMnC,虽有大量 的铁原子存在，但根据元素的氧化次序 虽有大量 的铁原子存在，但根据元素的氧化次序 SiMnC将优先于铁而被氧化。将优先于铁而被氧化。 ? 反应可写为：反应可写为：C+12O=CO Si+O2=（SiO2） Mn+12O2（MnO） 在氧气转炉炼钢时氧气流股冲击铁液形成一个冲 击坑，氧气与铁液直接接触，易产生元素的直接 氧化。 ） 在氧气转炉炼钢时氧气流股冲击铁液形成一个冲 击坑，氧气与铁液直接接触，易产生元素的直接 氧化

6、。 ? 吹入的氧气由于动力学的原因首先与铁液中的吹入的氧气由于动力学的原因首先与铁液中的Fe 原子反应形成原子反应形成FeO进入炉渣同时使铁液中溶解氧进入炉渣同时使铁液中溶解氧 O。炉渣中的（。炉渣中的（FeO）和溶解在铁液中的）和溶解在铁液中的O 再与元素发生再与元素发生间接氧化间接氧化。 ? 其反应为：其反应为：O2+Fe=(FeO) (FeO)=Fe+O 如： 如：2O+Si=(SiO2) 或或2(FeO)+Si=2Fe+(SiO2) 在渣在渣-金界面上往往产生元素的间接氧化反应。金界面上往往产生元素的间接氧化反应。 间接氧化方式间接氧化方式 3.3.2 炼钢熔池中元素的氧化次序炼钢熔池

7、中元素的氧化次序 ? 溶解在铁液中的元素的氧化次序可以通过与溶解在铁液中的元素的氧化次序可以通过与 1molO2的氧化反应的标准吉布斯自由能变化 来判断。 的氧化反应的标准吉布斯自由能变化 来判断。 ? 在标准状态下，反应的在标准状态下，反应的Go负值越多，该元素 被氧化的趋势就越大，则该元素就优先被大量 氧化。 负值越多，该元素 被氧化的趋势就越大，则该元素就优先被大量 氧化。 ? 铁液中常规元素与氧反应的标准吉布斯自由能 变化与温度的关系绘制成图。 铁液中常规元素与氧反应的标准吉布斯自由能 变化与温度的关系绘制成图。 1. CuNiMoW等元素氧化 的 等元素氧化 的Go线都在线都在Fe氧

8、化氧化Go线之上。 从热力学角度来说，在炼钢吹氧过 程中这些元素将受到 线之上。 从热力学角度来说，在炼钢吹氧过 程中这些元素将受到Fe的保护而不 氧化。 的保护而不 氧化。 2. CrMnVNb等元素的氧 化程度随冶炼温度而定。 等元素的氧 化程度随冶炼温度而定。 3. AlTiSiB等元素氧化的 等元素氧化的 Go线在图中位于较低的位置，它 们最易氧化。在实际生产中，这些 元素作为强脱氧剂使用。 注意：虽然在炼钢温度下， 线在图中位于较低的位置，它 们最易氧化。在实际生产中，这些 元素作为强脱氧剂使用。 注意：虽然在炼钢温度下，Fe 氧化的氧化的Go线高于其它元素氧化的 线高于其它元素氧化

9、的 Go线，但由于铁液中大多数为线，但由于铁液中大多数为Fe 原子，氧与原子，氧与Fe原子接触机会多，故 在实际上 原子接触机会多，故 在实际上Fe还是会氧化。还是会氧化。 3.3.3 脱碳反应脱碳反应 ? 炼钢的一个重要任务是炼钢的一个重要任务是利用氧化方法将铁液中过多 的碳去除，称为脱碳 利用氧化方法将铁液中过多 的碳去除，称为脱碳。脱碳反应是贯穿于冶炼过 程。 。脱碳反应是贯穿于冶炼过 程。 ? 在高温下在高温下C主要氧化成为主要氧化成为CO。 ? C与氧的反应有：与氧的反应有： ? 在渣在渣-金界面上： 金界面上： C+（FeO）=CO+Fe C+O=CO ? 在气在气-金界面上： 金

10、界面上： C+12O2=CO 脱碳反应的作用脱碳反应的作用 ? 脱碳反应除了脱碳反应除了调整钢液碳含量调整钢液碳含量的作用 外，其反应产物 的作用 外，其反应产物CO气体的上浮排除气体的上浮排除使得 脱碳反应给炼钢带来独特的作用。 使得 脱碳反应给炼钢带来独特的作用。 ? 促进熔池成分温度均匀；促进熔池成分温度均匀； ? 提高化学反应速度；提高化学反应速度； ? 降低钢液中的气体含量和夹杂物数量：降低钢液中的气体含量和夹杂物数量： ? 造成喷溅和溢出：造成喷溅和溢出： 3.3.4 硅的氧化硅的氧化 ? 硅的直接氧化和间接氧化反应式硅的直接氧化和间接氧化反应式 ? 在气在气-金界面上 金界面上

11、Si+O2=（SiO2） ? 在渣在渣-金界面上 金界面上 Si+2O=（SiO2） ） Si+2（FeO）=（SiO2）+2Fe 硅的氧化对炼钢的影响硅的氧化对炼钢的影响 ? Si氧化产生大量的化学热，是转炉炼钢的主 要热量来源之一，它可使吹炼初期熔池温度能 够较快升高，有利于转炉废钢加入量增加和初 期渣熔化成渣。 氧化产生大量的化学热，是转炉炼钢的主 要热量来源之一，它可使吹炼初期熔池温度能 够较快升高，有利于转炉废钢加入量增加和初 期渣熔化成渣。 ? Si氧化反应产物氧化反应产物SiO2是酸性很强的氧化物， 它影响到炼钢的炉渣碱度和石灰加入量。 是酸性很强的氧化物， 它影响到炼钢的炉渣碱

12、度和石灰加入量。 ? 炉渣中的炉渣中的SiO2易侵蚀碱性炉衬，降低炼钢炉的 炉龄。 易侵蚀碱性炉衬，降低炼钢炉的 炉龄。 3.3.5 锰的氧化与还原锰的氧化与还原 ? 铁液中的锰反应铁液中的锰反应,形成在高温下是稳定的形成在高温下是稳定的MnO。 ? Mn的氧化反应式为： 在气 的氧化反应式为： 在气-金界面上 金界面上 Mn+1/2O2=（MnO） 在渣 ） 在渣-金界面上 金界面上 Mn+O=（MnO） ） Mn+（FeO）=（MnO）+Fe Mn氧化还原对炼钢的影响氧化还原对炼钢的影响 ? Mn氧化产生的化学热是转炉炼钢的氧化产生的化学热是转炉炼钢的热源热源之一。之一。 ? Mn氧化产物

13、氧化产物MnO为碱性氧化物，在冶炼初期为碱性氧化物，在冶炼初期 MnO与与CaOSiO2FeO等形成多元系炉渣，等形成多元系炉渣， MnO具有具有降低炉渣熔化性温度降低炉渣熔化性温度，帮助化渣帮助化渣的作 用。 的作 用。 ? 在碱性法炼钢中，在碱性法炼钢中，MnO的还原有利于的还原有利于提高钢水中 的残余锰量 提高钢水中 的残余锰量，钢中锰可提高钢的品质，降低钢的脆 性，对钢有强化作用。 ，钢中锰可提高钢的品质，降低钢的脆 性，对钢有强化作用。 3.3.6 脱磷反应脱磷反应 ? 氧化脱磷：氧化脱磷： ? 在炼钢温度下，在炼钢温度下，气化脱磷反应是不能进行 的 气化脱磷反应是不能进行 的。由于

14、。由于Fe优先于优先于P氧化，通过氧化，通过直接 氧化反应的气化脱磷也是难以进行的 直接 氧化反应的气化脱磷也是难以进行的。 ? 通过加入石灰通过加入石灰造碱性渣可以将铁液中的磷 脱出到炉渣中 造碱性渣可以将铁液中的磷 脱出到炉渣中。这是由于。这是由于P2O5时是酸性 氧化物，遇到碱性氧化物如 时是酸性 氧化物，遇到碱性氧化物如CaO能生成 稳定的化合物而进入炉渣。 能生成 稳定的化合物而进入炉渣。 ? 用碱性炉渣进行脱磷的反应为：用碱性炉渣进行脱磷的反应为： ? 在渣在渣-金界面金界面 3(CaO)+2P+5O=(3CaOP2O5) 3(CaO)+2P+5(FeO)=(3CaOP2O5)+5

15、Fe ? 在渣在渣-金金-气界面气界面 3(CaO)+2P+5/2O2=(3CaOP2O5) 脱磷反应式脱磷反应式 3.3.7 脱硫反应脱硫反应 ? 反应热力学反应热力学 ? 炉渣分子理论认为，脱硫反应为： 炉渣分子理论认为，脱硫反应为： S+（CaO）=（CaS）+O ? 分子理论解释不了纯分子理论解释不了纯FeO渣也能脱硫的现 象，故炉渣离子理论认为，脱硫反应属于 电化学反应： 渣也能脱硫的现 象，故炉渣离子理论认为，脱硫反应属于 电化学反应： S+（O2-）=（S2-）+O 气化脱硫气化脱硫 ? 气化脱硫主要通过炉渣中硫的气化来实现气化脱硫主要通过炉渣中硫的气化来实现，即：，即： (S2-)+3/2O2=SO2+(O2-) 或写为：或写为： 6(Fe3+)+(S2-)+2(O2-)=6(Fe2+)+SO2 6(Fe2+)+3/2O2=6(Fe3+)+3(O2-) ? 两个反应式表明，渣中的铁离子充当气化脱硫所需 氧的媒介。 两个反应式表明，渣中的铁离子充当气化脱硫所需 氧的媒介。 ? 需要明确的是，气化脱硫是以炉渣脱硫为基础的， 首先硫从金属液被脱除到炉渣中，然后炉渣中的硫 再被气