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1、1,第七章 氧化熔炼反应,氧化熔炼反应的物理化学原理,前言,锰、硅、铬、钒、铌、钨的氧化反应,脱碳反应,脱硫反应,脱磷反应,脱氧反应,1,2,3,4,5,0,6,吸气及脱气反应,7,2,前 言,铁水炼钢过程的任务：,降碳：使碳降低到钢种所需的碳量， 但碳氧化之前，硅锰都大量氧化。,脱S、P：高炉炉料中P全部进入铁水中，S部分进入。,脱氧：以免造成浇注时二次沸腾及钢锭疏松、 皮下气泡等缺陷。,脱气：H、N,合金化：加入合金元素。,去除夹杂：去除各类氧化物。,去除有害元素：Cu、Cd、As、Sb、Bi。,0,3,1.1 元素氧化的类型,M被吹入金属液中气态氧直接氧化。 M在钢渣界面被(FeO)氧化
2、。 M被溶解于金属液的O所氧化。,1,氧化熔炼反应的物理化学原理,4,1.2 熔池中元素氧化的GOT图,1.2.1 GOT图的作法,由以下反应组合：,5,1.2.2 GOT图的应用,比较铁液中元素在标准状态下氧化的顺序。 以2Fe+2O=2FeO(l)的GOT为分界线， 可将铁液中元素的氧化分为两类： a GOT线之上的元素在炼钢过程中不会氧化 b GOT线之下的元素在炼钢过程中全部或大部分氧化,炼钢过程中，合金元素加入的时间及有害元素去除的办法： a在炼钢过程中不被氧化的有害元素，应在选择时加以剔除， 如Pb、Sn、Cu。 b在炼钢过程中不被氧化的、是炼钢过程所需的元素， 可在入炉原料中加入
3、，如W、Mo、Ni。 cCr、Mn、Nb、V等在电炉中部分氧化，还原期加入。 dSi、Ti、Al等基本上能完全氧化，脱氧时引入，出钢时加。,6,1.2.3 铁熔体中氧的氧势,7,1.3 熔体中元素氧化的热力学条件 由等温方程判断,8,例题：(P193),元素氧化的热力学条件及影响因素：,温度,大多数元素的氧化程度均减少，但碳是例外。,熔渣组成：,a 碱性渣的氧化性大于酸性渣的氧化性。,b 熔渣碱度及元素氧化物的性质。,形成碱性氧化物的元素在酸性渣下易氧化。,多中元素同时存在时，出现了选择性氧化。,G最小的元素最先氧化。,9,2.1 Mn,主要在钢渣界面上反应：,锰硅铬钒铌钨的氧化反应,2,10
4、,影响LMn的因素：,温度,炼钢后期温度高，碳强烈氧化，(FeO)降低， 出现回锰现象。,熔渣组成,a FeO-MnO二元渣系，理想氧化物熔体。,b 酸性渣中,c 实际的碱性渣,R2,11,2.2 Si,主要在钢渣界面上反应：,12,影响LSi的因素：,温度,强放热反应,出现回硅现象。,熔渣组成,13,2.3 Cr,铬氧化形成氧化铬的组成与铬含量有关。,14,用控制温度及体系压力的方法，控制金属熔体中元素的氧化，达到保留某些元素或者氧化富集某些元素的目的，这种方法称为选择性氧化。,2.3.1 炼钢熔池中元素的选择性氧化,选择性氧化的定义,注意点： 目的：保留、富集 方法：控制温度、压力,15,
5、2.3.2 以去碳保铬分析选择性氧化的温度条件,标准状态下选择性氧化转换(化)温度的计算,共轭反应,16,已知条件：, 非标准态下选择性氧化的转换温度的计算,计算要点：金属熔池中元素活度的计算,17,转换(化)温度与反应各物质的化学计量数无关,转换(化)温度与钢液元素氧化的方式无关,例：吹氧,元素的氧化反应是吹氧进行，共轭反应不变，转换温度不变。但是，元素氧化反应的热效应不一样，反应速度不同。,选择性氧化转换(化)温度T转的注意事项,18,当形成的氧化物溶解于熔渣时， 需要计算熔渣中氧化物的活度。,计算要点： 反应的标准吉布斯自由能计算 金属熔池中元素活度的计算 熔渣中组元活度的计算,19,2
6、.3.3 选择性氧化的压力条件的计算,温度T一定时(通常是冶炼所能达到的温度条件) ， 可以计算出所需要的压力条件，即CO的分压：PCO,计算要点： 反应的标准吉布斯自由能计算 金属熔池中元素活度的计算 熔渣中组元活度的计算,20,2.3.4 选择性氧化在冶金中的应用,去碳保铬（Cr） 去碳保锰(Mn) 去钒（V）保碳（铁水提钒） 去(Nb)保碳,2.4 V,2.5 Nb,21,脱碳反应,3.1 碳氧化反应对炼钢的作用,熔池传热，均匀成分。强烈的搅拌作用， 促进热量及物质传递。 去除H、N有害气体，去除夹杂。 扩大渣金反应面积。,3.2 碳氧化的反应及碳氧积,3.2.1 碳氧化反应分类,3,2
7、2,3.2.2 碳氧积,23,3.3 碳氧化的热效应,氧气直接氧化碳 溶解氧间接氧化碳 冷矿石氧化碳 熔渣中的(FeO)氧化碳,24,3.4 脱氧过程中钢液的含氧量,与熔渣层平衡的%O 与炉底处CO气泡及C平衡的%O 熔池实际的%O,25,脱磷反应,4.1 脱磷的原理,4.1.1 磷在钢中的危害,危害：冷脆。 铁中含磷量要求：低磷生铁：P0.3% 中磷生铁：P0.31.0% 高磷生铁：P1.02.0% 钢中最大允许的磷量是0.020.05% 某些特殊钢要求：0.0080.0015%,4.1.2 脱磷原理,P2O5的GT线在FeO之上。,P2O5能与渣中其他氧化物生成复杂化合物而稳定存在。,4,
8、26,4.2 分子假说的脱磷反应,温度,影响因素：,强放热反应，中温（14001500）脱磷。,熔渣组成,碱度： FeO：,高FeO有助于石灰的熔化。,27,4.3 离子理论的脱磷反应,影响因素：,温度,熔渣组成,碱度： FeO：,28,4.4 炼钢过程中磷与碳氧化的关系,平炉、电炉前期，利用加铁矿石，造FeO高的渣， 以3FeO.P2O5形式脱磷达90%。 氧气顶吹转炉，前期形成高FeO高R渣，磷大部分 脱去，后期FeO降低，炉渣返干，温度升高，出现 回磷现象。,29,4.5.3 尚未推广的原因,操作上较麻烦。处理前、处理后、氧化吹炼后需出渣。 需很低的氧势或很高的真空度，生成中难以达到。
9、存在有害反应,4.5 还原脱磷,4.5.1 原理,4.5.2 共轭反应,30,脱硫反应,5.1 炉渣脱硫,5.1.1 硫在钢中的危害,结晶时生成FeS，在晶界析出，产生热脆。,5.1.2 脱硫反应及条件,5,31,影响因素：,温度,熔渣组成,高温下可造高碱度，流动性好的渣。,碱度： FeO：,促进CaO溶解,金属熔体组成,32,脱氧反应,7.1 脱氧的目的,使O实降低到OC之下一定程度，使钢液在浇注及凝固 过程中C+O=CO不再进行或有限进行，保证钢锭组 织及结构的紧密。 结晶时，晶界上不行成FeO-FeS共熔体，避免热脆。,7.2 沉淀脱氧,7.2.1 方法及原理,将MnFe、SiFe、Al
10、等加入钢水中，生成在钢中不溶解的氧化物，上浮至渣中，从而达到脱氧的目的。,7,33,7.2.2 脱氧常数,34,（1）图中曲线位置愈低的元素，脱氧产物愈稳定，而该元素的脱氧能力愈强，与相同量的各元素平衡的氧浓度就愈低，或为了达到同样的氧浓度，强脱氧元素的平衡浓度就愈低。,（2）脱氧产物的组成与温度及脱氧元素的平衡浓度有关,（3）脱氧反应是强放热的，随着温度的降低，脱氧入素的脱氧能力增强，所以在钢液冷却及凝固过程中，就不断有脱氧反应继续进行。,35,7.2.4 复合脱氧,定义：用脱氧元素的合金进行沉淀脱氧， 如SiCa、SiMn、CaAl。 脱氧产物：两种氧化物同时产生，生成氧化物的液熔体。 优
11、点： a 降低了单一氧化物活度，脱氧反应更易进行，O平更低。 b 生成氧化物熔体一般是液态，可以和并为直径更大的 夹杂上浮进入渣中。,7.2.6 脱氧剂用量的计算,7.2.5 沉淀脱氧的优缺点,优点：脱氧速度快，成本较低，操作简便。 缺点：易产生氧化物夹杂。,例题：,36,7.3 扩散脱氧,7.3.1 方法及原理,只适用于电炉。电炉还原期将C粉、CaC2粉、SiFe粉、SiCa粉等加入炉内，置于熔渣上部，将熔渣中的(FeO)还原，使钢液中氧向渣中扩散，降低钢液中的含氧量。,7.3.1 扩散脱氧的优缺点,优点：不产生氧化物夹杂。 缺点：a 脱氧不完全，出钢时还需要沉淀脱氧。 b 造渣之后，要封闭
12、炉门，只有电炉采用。,37,7.4 真空脱氧,7.4.1 方法及原理,将盛钢桶置于真空室，抽真空，降低PCO， 使反应C+O=CO继续向右进行， 从而降低钢液的含氧量。,7.4.2 真空脱氧的优缺点,优点： a 不需加其他脱氧剂； b 不产生夹杂； c 同时除去H、N d 使沉淀脱氧的夹杂上浮的速度增快， 钢液再沸腾有利于夹杂物去除。 缺点： 成本高,38,熔池中元素氧化的GOT图,39,熔池中元素间接氧化的标准吉布斯自由能温度图,40,熔池中元素间接氧化的标准吉布斯自由能温度图,41,如果钢液中原来含氧量为O初，用M沉淀脱氧后，含氧量为O平。 问：需要多少M？,M总的消耗量为：,42,钢液脱碳过程中碳与氧的关系,
