炼钢的基础理论

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1、第二章 炼钢的基础理 论第一节 钢液的物理性质 第二节 熔渣的物理化学性质 第三节 硅、锰的氧化和还原反应 第四节 碳的氧化反应 第五节 钢液的脱硫 第六节 钢液的脱磷 第七节 钢液的去气 、去夹杂第一节 钢液的物理性 质一、钢的密度 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=0160

2、0-210%C-164%Al- 60%Si-550%Cr-7.5%Mn+ 43%W+6%Ni C （%）密度150015501600165017000.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.607.46 6.98 7.06 7.14 7.14 6.97 6.86 6.78 6.72 6.677.04 6.96 7.01 7.06 7.05 6.89 6.78 6.70 6.64 6.577.03 6.95 6.97 7.01 7.01 6.84 6.73 6.65 6.61 6.547.00 6.89 6.93 6.98 6.97 6.80

3、6.67 6.59 6.55 6.526.93 6.81 6.81 6.82 6.83 6.70 6.57 6.50 6.47 6.43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。 各元素使纯铁熔点的降低可表示 为： Mi为溶质元素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

4、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 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

5、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。 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。 影响钢液黏度因素主要是温度和成分。温度升高，黏度降低。钢液中的碳对黏度的影响非常 大，这主要是因为碳含量使钢的密度和熔点发生 变化，从而引起黏度的变化。 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

6、制得略高一些。碳含量对钢液黏 度的影响见下图。温度高于液相线50时，碳含量对钢液黏度的影响 当%C1.0为碱性渣，称之短渣。炼钢熔渣R3.0。炼钢熔渣中含有不同数量的碱性、中性和酸性氧化物，它们酸、碱性的强弱可排列如下：CaOMnOFeOMgOCaF2Fe2O3Al2O3TiO2SiO2 P2O5碱性 中性 酸性 可用过剩碱的概念来表示熔渣的碱度，即碱性氧化物全都是等价地确定出酸性氧化物对碱性氧化物的强度，并假定两者是按比例结合，结合以外的碱性氧化物的量为过剩碱，表示方法如下:过剩碱=NCaONMgONMnO2NSiO23NP2O5NFe2O3NAl2O3 实际上上式是用O2-的摩尔数来表示熔

7、渣的碱度 ，碱性氧化物离解产生O2- ，酸性氧化物则消耗O2- 。如：SiO2与2O2-结合成SiO44-， P2O5 与3O2-结合成2PO43-。 熔渣的氧化性熔渣的氧化性也称熔渣的氧化能力，它是熔渣的一个重要的化学性质。熔渣的氧化性是指在一定的温度下，单位时间内熔渣向钢液供氧的数量。在其他一定的情况下，熔渣的氧化性决定了脱磷、脱碳以及夹杂物的去除等。由于氧化物分解后不同，只有(FeO)和(Fe2O3)才能向钢中传氧，而(Al2O3)、(SiO2)、(MgO)、(CaO)等不能传氧。 熔渣的氧化性通常是用(%FeO) 表示， 包括（FeO）本身和Fe2O3折合成（FeO）两部 分。将Fe2

8、O3折合成FeO有两种方法：全氧折合法：全铁折合法： 通常按全铁法将Fe2O3折算成FeO，原因是取出的渣样在冷却的过程中，渣样表面的低价铁有一部分被空气氧化成高价铁，即FeO氧化成Fe3O4，因而使分析得出的Fe2O3量偏高，用全铁法折算，可抵消此误差。 (*)在1600下，由实验测定在纯FeO渣中， 金属铁液中溶解的 。%O饱和与温度间有着下列关系：熔渣的氧化性用氧化铁的活度来表示显得更 精确。部分氧化铁会以复杂分子形式存在，不能 直接参与反应，氧化铁的浓度反映不出实际参加 反应的有效浓度。设 L0就是氧在渣铁间的平衡分配系数。在一 定温度下，熔渣中 aFeO升高，铁液中%O 含量也相应增

9、高;当aFeO一定时，铁液中 %O也是随着温度升高而提高。 式（*）只适用于铁液中除氧外而无其他的杂质元素的情况，对于钢液而言，熔渣对钢液的 氧化能力用钢液中与熔渣相平衡的氧含量和钢 液中实际氧含量之差来表示，即：%O0，渣中氧能向钢液扩散，称氧化渣；%O1.4），aFeO随温度的升高而减少;从反应动力学看，当熔渣碱度和(%FeO)浓度一定时，温度越高，则熔渣的流动性越好，熔渣中（FeO）反应能力增强，熔渣的氧化性增强。熔渣氧化性在炼钢过程中的作用体现在对熔渣自身、对钢水和对炼钢操作工艺影响三个方面。影响化渣速度，渣中FeO能促进石灰溶解，加速化渣，改善炼钢反应动力学条件，加速传质过程；影响熔

10、渣粘度，渣中Fe2O3和碱性氧化物反应生成铁酸盐，降低熔渣熔点和粘度，避免炼钢渣“返干”；影响熔渣向熔池传氧。 影响钢水含氧量O，低碳钢水含氧量明显 受熔渣氧化性的影响，当钢水含碳量相同时， 熔渣氧化性强，则钢水含氧量高；影响钢水脱 磷，熔渣氧化性强，有利于脱磷。 影响铁合金收得率，氧化性强，降低铁合 金收得率；影响炉衬寿命，熔渣氧化性强，炉 衬寿命降低；影响金属收得率，熔渣氧化性越 强，金属收得率越低。 三、熔渣的物理性质 炼钢过程要求熔渣的熔点低于所炼钢的熔点 50-200。除FeO和CaF2外，其他简单氧化物 的熔点都很高，它们在炼钢温度下难以单独形 成熔渣，实际上它们是形成多种低熔点的

11、复杂 化合物。熔渣的熔化温度是固态渣完全转化为 均匀液态时的温度；同理，液态熔渣开始析出 固体成分时的温度为熔渣的凝固温度。熔渣的 熔化温度与熔渣的成分有关，一般说来，熔渣 中高熔点组元越多，熔化温度越高。 熔渣中常见的氧化物的熔点 化合物熔点/化合物熔点/ CaO2600MgO. SiO21557 MgO28002MgO. SiO21890SiO21713CaO.MgO. SiO21390 FeO13703CaO.MgO. 2SiO21550 Fe2O314572CaO.MgO. 2SiO21450 MnO17832FeO. SiO21205 Al2O32050MnO. SiO21285 C

12、aF214182MnO. SiO21345 CaO. SiO21550CaO. MnO. SiO21700 2CaO. SiO221303CaO. P2O51800 3CaO. SiO22065CaO. Fe 2O31220 3CaO. 2SiO214852CaO. Fe 2O31420 CaO. FeO .SiO21205CaO. 2Fe 2O31240 Fe2O3. SiO21217CaO. 2FeO .SiO21205 MgO. Al2O32135CaO. CaF214001、 熔渣的黏度 黏度是熔渣重要的物理性质，对元素的扩散、 渣钢间反应、气体逸出、热量传递，铁损及炉 衬寿命等均有很

13、大的影响。影响熔渣黏度的因 素主要有：熔渣的成分，熔渣中的固体熔点， 温度。一般来讲，在一定的温度下，凡是能降低熔渣 熔点成分，在一定范围内增加其浓度，可使熔 渣黏度降低；反之, 则使熔渣黏度增大。在酸 性渣中提高SiO2含量时，导致熔渣黏度升高； 相反，在酸性渣中提高CaO 含量，会使黏度降 低 。 碱性渣中，CaO超过40-50%后，黏度随CaO增加。SiO2在一定范围内增加，能降低碱性渣的黏度，但SiO2含量超过一定值形成2CaOSiO2时，则使熔渣变稠，原因是2CaOSiO2的熔点高达2130。FeO(熔点1370)和Fe2O3(1457)有明显降低渣熔点的作用，增加FeO含量，渣黏度

14、显著降低。MgO 在碱性渣中对黏度影响很大，当MgO 浓度超过9%-10%时，会破坏渣的均匀性，使熔渣变黏。Al2O3能降低渣的熔点，从而具有稀释碱性渣的作用。CaF2本身熔点较低，它能降低熔渣的黏度。炼钢过程中，希望造渣材料完全溶解，形成均 匀相的熔渣。但实际上炉渣中往往悬浮着石灰 颗粒，MgO 质颗粒，熔渣自身析出的2CaO SiO2、3CaOP2O5固体颗粒以及Cr2O3等。这些固体颗粒的状态对熔渣的黏度产生不同影响。少 量尺寸大的颗粒（直径达几毫米），对熔渣黏 度影响不大，尺寸较小（10-3-10-2mm）数量多 的固体颗粒呈乳浊液状态，使熔渣黏度增加。 对酸性渣，温度升高，聚合的Si

15、-O离子 键易破坏，黏度下降；对碱性渣而言， 温度升高，有利于消除没有熔化的固体 颗粒，因而黏度下降，总之，温度升高 ，熔渣的黏度降低。 1600炼钢温度下，熔渣黏度在0.02- 0.1 Pas之间。 熔渣和钢水的黏度 物质温度（）黏度（Pas） 水250.00089 铁水14250.0015 钢水15950.0025 稀熔渣15950.0020 黏度中等渣15950.020 稠熔渣15950.20 FeO14000.030 CaO接近熔点1.0，则不利于锰的氧化。炉渣氧化性强，则有利于锰的氧化；能增加Mn元素活度的元素，其含量增加，有利于锰 的氧化；炉气氧分压越高，越有利于锰的氧化。在碱性转炉炼钢过程中，当脱碳反应激烈进行时，炉渣中(FeO)大量减少，温度升高，这样使钢液中Mn回升，这就是产生所谓的锰还原。在酸性渣中，锰的氧化较为完全。锰的氧化也是吹氧炼钢热源之一，但不是主要的。在转炉吹炼初期，锰氧化生成MnO可帮助化渣，并减轻初期渣中SiO2对炉衬耐火材料的侵蚀。在炼钢过程中，应尽量控制锰的氧化，以提高钢水残（余）锰量， 发挥残锰的作用。 钢液中残Mn的作用: 防止钢水的过氧化，或避免钢水中含过多的过剩氧，以提高脱氧合金的收得率，降低钢中氧化物夹