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1、第三章 炼钢生产的理论基础,3.1 炼钢熔体的结构和性质 3.2 钢液中元素氧化反应的一般规律 3.3 硅、锰的氧化反应 3.4 钢液的脱碳 3.5 钢液的脱磷 3.6 钢液的脱硫 3.7 其它元素的氧化 3.8 钢液的脱氧和合金化 3.9 钢中的气体和非金属夹杂物 3.10 钢液搅拌,3.1 炼钢熔体的结构和性质,一、钢液的密度 单位体积钢液所具有的质量，常用符号表示，单位通常用kg/m3。影响钢液密度的因素主要有温度和钢液的化学成分。 总的来讲，温度升高，钢液密度降低，原因在于原子间距增大。固体纯铁密度为7880kg/m3，1550时液态的密度为7040kg/m3，钢的变化与纯铁类似。,钢
2、液密度随温度的变化： =8523-0.8358(T+273) 成分对钢液密度的影响： 1600=01600-210%C-164%Al- 60%Si-550%Cr-7.5%Mn + 43%W+6%Ni,钢液的密度,铁碳熔体的密度（kg/m3）,二、钢的熔点 指钢完全转变成均一液体状态时的温度，或是冷凝时开始析出固体的温度。钢的熔点是确定冶炼和浇铸温度的重要参数，纯铁的熔点约为1538，当某元素溶入后，纯铁原子之间的作用力减弱，铁的熔点就降低。降低的程度取决于加入元素的浓度、原子量和凝固时该元素在熔体与析出的固体之间的分配。,3.1 炼钢熔体的结构和性质,各元素使纯铁熔点的降低可表示为：,Mi为溶
3、质元素i的原子量； %i液为元素i在液态铁中的质量百分数； K为分配系数，而K=%i固/%i液，（1-K）则 称为偏析系数。,计算钢的熔点经验式：,T熔=1538-90%C-28%P-40%S-17%Ti- 6.2%Si-2.6%Cu-1.7%Mn-2.9%Ni- 5.1%Al-1.3%V-1.5%Mo-1.8%Cr -1.7%Co-1.0%W-1300%H-90%N- 100%B-65%O-5%Cl-14%As,或 T熔=1536-78%C-7.6%Si-4.9%Mn- 34%P-30%S-5.0%Cu -3.1%Ni- 1.3%Cr-3.6%Al-2.0%Mo-2.0%V -18%Ti,计
4、算钢的熔点经验式：,三、钢液的黏度 黏度是钢液的一个重要性质，它对冶炼温度参数的制定、元素的扩散、非金属夹杂物的上浮和气体的去除以及钢的凝固结晶都有很大影响。 黏度是指各种不同速度运动的液体各层之间所产生的内摩擦力。通常将内摩擦系数或黏度系数称为黏度。,3.1 炼钢熔体的结构和性质,黏度表示形式,动力黏度，用符号表示；单位为Pas (Ns/m2，1泊=0.1Pas)； 运动黏度，常用符号表示，即： m2/s 钢液的黏度比正常熔渣的要小得多，1600时其值在0.0020.003Pas; 纯铁液1600时黏度为0.0005Pas。,影响钢液粘度因素主要是温度和成分。温度升高，粘度降低。钢液中的碳对
5、粘度的影响非常大，这主要是因为碳含量使钢的密度和熔点发生变化，从而引起粘度的变化。 生产实践也表明，同一温度下，高碳钢的流动性比低碳钢钢液的好。因此，一般在冶炼低碳钢中，温度要控制得略高一些。碳含量对钢液粘度的影响见下图。,钢液的粘度,温度高于液相线50时，碳含量对钢液粘度的影响,当%C0.15时，粘度随着碳含量的增加而大幅度下降，主要原因是钢的密度随碳含量的增加而降低,当0.15%C0.40时，粘度随碳含量的增加而增加，原因是此时钢液中同时存在-Fe和-Fe两种结构，密度是随碳含量的增加而增加，而且钢液中生成的Fe3C体积较大；,当%C0.40时，钢液的结构近似于-Fe排列，钢液密度下降，钢
6、的熔点也下降，故钢液的粘度随着碳含量的增加继续下降。,Si、Mn、Ni使钢的熔点降低，Si、Mn、Ni含量增加，钢液粘度降低，尤其含量很高时，降低更显著。 但Ti、W、V、Mo、Cr含量增加则使钢液的粘度增加，这些元素易生成高熔点、体积大的各种碳化物。 钢液中非金属夹杂物含量增加，钢液粘度增加，流动性变差。初期脱氧产物生成，夹杂物含量高，粘度增大，夹杂物不断上浮或形成低熔点夹杂物，粘度又下降。脱氧不良，钢液流动性一般也不好。 常用流动性来表示钢液的粘稠状况，粘度的倒数即为流体的流动性。,钢液粘度的影响因素,四、钢液的表面张力 钢液因原子或分子间距非常小，其间的吸引力较强，而且钢液表面层和内部所
7、引起的这种吸引力的变化是不同的。 内部每一质点所受到的吸引力的合力等于零，质点保持平衡状态； 而表面层质点受内部质点的吸引力大于气体分子对表面层质点的吸引力，这样表面层质点所受的吸引力不等于零，且方向指向钢液内部。 这种使钢液表面产生自发缩小倾向的力称为钢液的表面张力，用符号表示，单位为N/m。实际上，钢液的表面张力就是指钢液和它的饱和蒸气或空气界面之间的一种力。,3.1 炼钢熔体的结构和性质,对新相的生成如CO气泡的产生，钢液凝固过程中结晶核心的形成等有影响; 对相间反应，如脱氧产物的、夹杂物和气体从钢液中排除，渣钢分离，钢液对耐火材料的侵蚀等也有影响。 影响钢液表面张力的因素很多，但主要有
8、温度、钢液成分及钢液的接触物。 凡能降低表面张力的元素，便会自发地移到溶液表面，使表面浓度大于内部浓度，这时称为正吸附，该元素称为表面活性物质；反之，为表面非活性物质。,钢液表面张力的作用,钢液的表面张力是随着温度的升高而增大，原因之一是温度升高时表面活性物质如C、O等热运动增强，使钢液表面过剩浓度减少或浓度均匀化，从而引起表面张力增大。 1550时，纯铁液的表面张力约为1.71.9N/m。溶质元素对纯铁液表面张力的影响程度取决于它的性质与铁的差别的大小。,影响钢液表面张力的因素,合金元素对熔铁表面张力的影响,硫和氧对铁液表面张力的影响,液相线以上50，碳对铁碳熔体表面张力的影响,五、钢的导热
9、能力 钢的导热能力可用导热系数来表示，即当体系内维持单位温度梯度时，在单位时间内流经单位面积的热量。钢的导热系数用符号表示，单位为W/（m）。 影响钢导热系数的因素主要有钢液的成分、组织、温度、非金属夹杂物含量以及钢中晶粒的细化程度等。,3.1 炼钢熔体的结构和性质,钢中合金元素越多，钢的导热能力就越低。各种合金元素对钢的导热能力影响的次序为：C、Ni、Cr最大，Al、Si、Mn、W次之，Zr最小。合金钢的导热能力一般比碳钢差，高碳钢的导热能力比低碳钢差。 具有珠光体、铁素体和马氏体组织的钢，导热能力加热时都降低，但在临界点AC3以上加热将增加。 各种钢的导热系数随温度变化规律不一样，800以
10、下碳钢随温度的升高而下降，800以上则略有升高。,影响钢导热能力的因素,导热系数与碳含量的关系,温度对钢导热系数的影响,3.2 钢液中元素氧化反应的一般规律,1、元素氧化反应类型,2、元素氧化反应的G0及氧势图,3、元素氧化的热力学条件,4、炉渣传氧示意图,1、元素氧化反应类型,2、元素氧化反应的G0及氧势图,溶解于钢中的氧 O2=2O G0=-RTln(%O2/PO2(平) 氧势RTlnPO2= G0+2RTln%O 金属液中氧浓度越大，则熔池的氧势越高。,钢液中元素氧化的G0-T图,比较FeO和MO的G0-T直线的相对位置，可确定氧化的可能性。 1）在FeO的G0-T直线以上的元素，不能氧
11、化； 2）在FeO的G0-T直线以下的元素，均可氧化。 3）氧势图上C+OCO的G0-T直线与其它元素的G0-T直线走向相反，有交点，交点以下温度，C难于氧化。,T1400： Si、V 、Mn、 C、 P、 Fe T14001530： Si、 C、 V 、Mn、 P、 Fe T1530： C、 Si、 V 、Mn、 P、 Fe,3、元素氧化的热力学条件,1）温度：元素氧化是放热的，T，K，LM；C例外 2）渣氧化能力：aFeO，LM 3）碱度及氧化物性质：rMO，LM；但rMO和MO的化学性质有关，形成酸性氧化物的元素，在碱性渣中易氧化；形成碱性氧化物的元素，在酸性渣中易氧化。 4）多种元素的
12、选择氧化：G最小的元素先氧化。,炉渣传氧示意图,传氧途径及氧的作用,O22O吸附 （直接氧化） CO 气体 （间接氧化） （FeO） O CO O 钢液 （FeO） 炉渣,转炉冶炼过程中金属、炉渣成分的变化,1、Mn的氧化和还原,降低温度（KMn），aFeO，rMnO可促进Mn的氧化。 2、Si的氧化和还原,温度降低（K），R，rSiO2，LSi 碱性渣中，Si氧化彻底。,3.3 硅、锰的氧化反应,1、碳氧化反应和碳氧积,PCO=1，m=%C%O称为碳氧积。在一定温度下，m=常数 %C%O=mPCO，PCO，%C%O 2、碳氧化反应的热效应 1）直接氧化 C+1/2O2CO H0=-139.7
13、0kJ 放热 2）间接氧化 C+OCO H0=-22.40kJ 放热,3.4 钢液的脱碳,碳的氧化反应,3）矿石氧化碳 C+1/3Fe2O3(S)CO+2/3Fe H0=210.79kJ 吸热 4）渣中（FeO）氧化碳 C+（FeO）CO+Fe H0=98.51kJ 吸热 3、脱碳过程中钢液的氧含量,O%,C%,1）,3）,2）,1）与熔渣层平衡的%O %O=LOaFeO 2）与炉底处CO气泡及C平衡的%O %O平=mPCO/%C PCOP大气+（Hmm+HSS）+2/r 3）熔池实际的%O %O=%O平+%O,熔体上层到炉底的氧浓度差，也叫过氧化度,转炉内碳氧反应速度变化,与Si 和温度有关
14、,与氧气流量有关,与碳的传质有关,顶吹转炉吹炼终点中碳和氧的关系,增碳法,拉碳法,3.5 钢液的脱磷,P2O5不稳定，与碱性氧化物形成磷酸盐，固定于渣中。 2P+8（FeO）3FeOP2O5+5Fe 1、分子理论脱磷反应 2P+5（FeO）+4（CaO）（4CaOP2O5）+5Fe,在低温下（1400-1500才能稳定存在；1500；以3CaOP2O5存在。,1）温度：脱磷反应是放热反应，低温有利于脱磷。 2）高碱度：R，aCaO 3）高氧化性 4）大渣量,终点熔渣碱度与P的关系,终点熔渣（TFe）和P的关系,3.5 钢液的脱磷,R,FeO% , LP,2、P和C的氧化关系 低温下，P先氧化，
15、随温度的升高，C氧化，（FeO），会使炉渣变粘。,3、熔渣中磷的还原 熔渣碱度降低，其中的P会发生还原，进入钢液，称为“回磷”。 加入硅铁，氧化形成的SiO2进入炉渣，熔渣侵蚀包衬，均可使炉渣碱度降低。,3.5 钢液的脱磷,4、还原脱磷 在还原条件下，磷可还原，生成P3-： 1/2P2(g)+3/2(O2-)=(P3-)+3/4O2 实现还原脱磷，需要很低的氧势或很高真空度，生产中很难实现。 目前采用Ca-CaF2，CaC2-CaF2渣系进行还原脱磷。,P5+,P3-,lgPO2,lgP3-,lgP5+,%,3CaC2+2P=Ca3P2+6C 还原脱磷存在的问题: 1）CaP2渣的处理很复杂，
16、与水汽作用，产生PH3剧毒气体； 2）C=0.5-1.8%，脱P率；C1.8%，CaC2分解困难，钢液有“增C”的可能。,3.6 钢液的脱硫,1、炉渣脱硫反应 FeS+（CaO）=（CaS）+FeO S+（O2-）=（S2-）+O,影响因素： 1）R，LS，且Ca2+集中在S2-周围，rs2- 2）（FeO）， LS 3）Si、C，fS，LS； S+Mn+(CaO)=(CaS)+(MnO) 发生共轭反应，进行沉淀脱硫。 4）温度升高，LS ,3.6 钢液的脱硫,2、气化脱硫 转炉炼钢，气化脱硫占总脱硫量的10-20%。气化脱硫的主要反应：S+O2=SO2 但由于硫和氧的亲和力比碳、硅与氧的亲和力小的多，所以钢中有C、Si存在时，上面的气化反应很难发生。主要通过炉渣
