炼钢中氧化钙的作用

炼钢中氧化钙（生石灰）的作用

炼钢的原理是把生铁炼成钢，它是一个氧化-还原过程。在炼钢过程中要加入熔剂使生铁的硫、磷等形成炉渣而除去。

现在炼钢过程没有使用石灰石的，而是使用活性石灰。由于煅烧石灰的原料通常含有以 SiO2为主的杂质，使煅烧后石灰的组成中有游离氧化钙和结合氧化钙，游离氧化钙中又分活性氧化钙和非活性氧化钙。非活性氧化钙在普通溶解条件下，不能同水发生反应，但有可能转化为活性氧化钙；活性氧化钙则是在普通溶解条件下能同水发生反应的那部分游离氧化钙。一般定义活性氧化钙含量高的石灰为活性石灰；而把活性氧化钙含量低的石灰称为非活性石灰或硬石灰。

CaO含量越高越好，而有害成分SiO2及S越低越好，不同的炼钢厂考虑到当地石灰的质量问题，对石灰成分的具体要求不尽相同。一般来说，石灰的有效碱应不低于80%-85%，SiO2不超过2.5%。S低于0.2%。

反应式：

3CaO+5Fe3(PO4)2→高温→P2O5+5Fe

FeS+CaO→高温→CaS+FeO

地壳所含的金属中，铁是含量仅次于铝的第二大金属材料。存在于地壳里的铁都以化合物的状态分布在各种矿物中。地壳里含铁的矿物约有300多种，但可用于炼铁的矿石却只有少量的几种。磁铁矿（成分是四氧化三铁）的含铁量最高，为50％～65％；赤铁矿（成分是三氧化二铁）的含铁量稍低；菱铁矿（成分是碳酸铁）和褐铁矿（成分是三氧化二铁的水合物）中铁的含量更少一些，但仍可用于炼铁。

铁矿石怎样炼成铁呢？要使氧化铁变为金属铁，必须要有适当的还原剂。炼铁的还原剂主要是一氧化碳，它在炼铁过程中担负着从氧化铁矿石中夺取氧的任务。那么，一氧化碳又是从哪里来的呢？在炼铁过程中，焦炭先跟热空气中的

氧发生反应，生成二氧化碳。二氧化碳再与炽热的焦炭反应，生成一氧化碳。

在铁矿石中，除了氧化铁以外，还含有大量的废石。这种废石称为脉石，主要成分是二氧化硅，还有少量氧化铝。脉石夹杂在炼出的铁中，影响铁的质量，必须除掉。石灰石在高温下会分解成氧化钙和二氧化碳。氧化钙能与二氧化硅结合，生成熔点比较低的硅酸钙。硅酸钙的密度较铁小，在高炉的下部成为炉渣，漂浮在铁水的上面而与铁水分开。

炼铁的过程包括两个主要作用：第一是还原作用，用一氧化碳第二是造渣作用，使矿石中无用的脉石变成炉渣除去。这两个过程是在被称为高炉的炼铁炉中进行的，炼铁炉高达几十米，因此称为高炉。它炼出的铁称为生铁，一般含2％～4.5％的碳，所以生铁实际上是一种铁碳含金。

生铁可分为两种：一种用于炼钢，它是碳和铁形成的化合物。如果把这种生铁砸开，它的断面是白色的，因此叫做白口铁。白口铁的性质硬而脆，不适宜铸造成机械部件，也不适合用机床切削加工。

另外一种生铁可用来铸造机器的底座、农具等。在这种生铁中，有些碳以游离状态存在，如果把它砸成两半，它的断面是灰色的，因此叫做灰口铁。灰口铁的熔点低，熔化以后流动性好，适宜铸造。它的质地也比较软，便于用机床切削加工。

有一种生铁中所含的游离状态的碳是球形的。如果用这种生铁进行铸造，就叫做球墨铸铁。球墨铸铁的机械强度高，容易用机床切削加工，在某些地方可用来代替钢材，但价格却比钢材便宜得多。

我们经常用的铁铲、铁勺等生活用品则是用熟铁制成的。熟铁和生铁的不同点主要在于铁中碳含量的高低，熟铁中碳的含量远比生铁低，一般在0.1％以下。熟铁是在反射炉中用生铁和氧化铁在高温下搅拌熔炼，得到一种半熔融状态的渣铁混合物。再把这种混合物锻打，挤掉里面的渣子，去掉杂质，最后得到熟铁。它的韧性和延展性都比较好，很容易锻打成形，古代人用来制造兵器。

要想根本上改善生铁的性质，就要将铁炼成钢。生铁的性质硬而脆，这和它的含碳量比较高有关。生铁中还有一些有害的杂质，如硫和磷，锰和硅的含量也多了一些。所以炼钢的过程就是，第一降低碳的含量；第二除去硫和磷；第三调整锰和硅的含量。

含磷较多的钢,在室温或更低的温度下使用时,容易脆裂，称为“冷脆”。钢中含碳越高，磷引起的脆性越严重。一般普通钢中规定含磷量不超过0.045％，优质钢要求含磷更少。生铁中的磷，主要来自铁矿石中的磷酸盐。氧化磷和氧化铁的热力学稳定性相近。在高炉的还原条件下，炉料中的磷几乎全部被还原并溶入铁水。如选矿不能除去磷的化合物，脱磷就只能在（高）炉外或碱性炼钢炉中进行。

1879年托马斯(S.Thomas)发明了能处理高磷铁水的碱性转炉炼钢法，碱性炉渣的脱磷原理接着被推广到平炉炼钢中去，使大量含磷铁矿石得以用于生产钢铁，对现代钢铁工业的发展作出了重大的贡献。

碱性渣的脱磷作用脱磷反应是在炉渣与含磷铁水的界面上进行的。钢液中的磷[kg2][P][kg2]和氧[kg2][O][kg2]结合成气态PO的反应：

2[P]+5[O]─→PO[145-1](1)1600时的平衡常数非常小

(=4.4×10),[kg2]要靠生成PO气体逸出而使钢液脱磷，显然是不行的。但如果钢液和碱性渣接触,PO就会与渣中的氧化钙(CaO)结合成稳定的3CaOPO或

4CaOPO，总反应是：

2[P]+5[O]+3(CaO)─→(3CaOPO)(2)

1600时，=1.7×10或2[P]+5[O]+4(CaO)─→(4CaOPO)(3)

1600时，=3.5×10平衡常数如此大，说明碱性渣的脱磷能力是很强的。熔渣离子理论认为：碱性渣中含有自由的氧离子O，它能与PO结合成稳定的PO 离子，脱磷反应是：

2[P]+5[O]+3(O)─→2(PO) (4)不管是分子理论或离子理论，但是有一个重要的事实是：3CaOPO4CaOPO和PO都有很高的热力学稳定性。根据熔渣阴离子聚合模型(见马松模型)，PO还能与渣中的硅-氧链结构形成SiPO、SiPO、SiPO 等稳定的复合阴离子。

渣量、FeO含量、温度对脱磷的影响增大渣量，或将含磷多的炉渣放出，另造新的碱性渣，都是使钢液有效脱磷的措施。渣中含有足够量的FeO不仅可以向钢液传送氧，还能使加入炉内的固体石灰更快地溶入渣中，使渣中自由的O

离子增多，从而提高熔渣的脱磷能力。脱磷是放热反应，温度较低有利于反应的进行。

各种炼钢方法脱磷的特点在平炉炼钢及电弧炉炼钢氧化期中，渣中含有足够数量的FeO；在氧气顶吹转炉炼钢中，调节氧枪位置高低也可保持渣中含有一定量的FeO，在脱碳的同时也可以脱磷。但在空气底吹转炉炼钢（托马斯法）时，脱磷与脱碳不能同步进行。其主要原因是：空气穿过钢水时，其中的氧被硅、锰、碳的氧化所消耗殆尽，渣中缺乏足够量的FeO,加入的固体石灰也很少溶入渣内，渣的脱磷能力很差。只有待吹炼后期，钢中碳降到很低时，渣中FeO含量增大,使固体石灰迅速溶解入渣后，才能有效地脱磷。这称为“后吹”去磷。氧气底吹转炉炼钢也有类似的情况，主要靠后吹去磷。为避免后吹，可用吹入石灰粉或人造合成渣的办法以加速石灰的溶解，提早去磷。

回磷及防止方法脱磷反应速度甚快，容易接近平衡。在钢水脱氧时，温度较高,如果渣中CaO含量不够高，加入脱氧剂后，钢中溶解的氧减少，这些不利于脱磷的条件凑在一起，会使去磷反应的平衡向反方向转移，钢中含磷回升。这种现象称为“回磷”。在氧气顶吹转炉炼钢中，如果枪位过低、渣中FeO少,也会使渣趋于回磷。为减少回磷，应尽可能在出钢时使渣量减少，并在渣中加入石灰，使渣变稠。电炉炼钢在氧化期结束时，要尽可能地将含磷的氧化性渣排出炉外，以防止还原期回磷。