4-炼钢基础理论-4

几种液体的黏度比较
液体名称 纯铁液
钢液（水） 稀熔渣
碱性正常渣 稠熔渣 松节油 轻机油 水
温度/℃ 1600 1600 1600 1600 1600 25 25 15
黏度/ Pa•s 0.0005
0.002～0.003 0.002
0.02～0.10 0.2
0.0025 0.02～0.10
0.001
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影响钢液黏度因素主要是温度和成分。 温度影响 随温度升高黏度降低，即流动性变好。这是由于温度 升高钢液密度降低、原子间距离增大、相互吸引力减小。 成分影响 成分对钢液黏度影响比较复杂！ 碳 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。
CaF2 、CaC2 、CaS
以CaO 为主，能够去除磷、硫元素 以SiO2 为主，不能去除磷、硫元素
氧化渣 还原渣
渣有氧化能力，FeO含量15％～25％，能向钢液中供氧； 渣有还原能力，FeO含量0.5％～1.0％，能从钢液中夺氧
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熔渣（液态）的物理性质
物理性质
碳含量对钢液黏度的影响见下图：
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碳含量对钢液黏度的影响
图示：一般说来碳含量增加，密度降低、黏度降低
（≥1550℃）。但当0.15≤[%C]＜0.40时，钢液中存在δ-Fe、 γ-Fe两种结构（体心立方——面心立方），密度是随碳含 量的增加而增加，黏度增加。
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熔渣作用、组成与分类
项目
内容
特征
作用 组成 分类
五大作用
去除P、S等有害元素；参与熔池传氧； 防止吸气（H、N）；吸收非金属夹杂物及反应产物； 稳定电弧燃烧，提高炉子热效率、保护炉衬。
碱性氧化物 中性氧化物 酸性氧化物 非氧化物
碱性渣 酸性渣
CaO、 MnO、 FeO、 MgO Fe2O3 、Al2O3 SiO2 、P2O5
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4）钢液的表面张力
钢液的表面张力对新相的生成，如CO气泡的产生、 钢液凝固过程中结晶核心的形成；对相间反应，如脱氧 产物、夹杂物和气体从钢液中的排除，渣钢分离，钢液 对耐火材料的侵蚀等有着重要影响。
使钢液表面产生自动缩小的力称为钢液的表面张力， 用 符 号 σ表示，单位为N/m。钢液的表面张力普遍高于炉 渣的，大约在1.5 N/m。
研究意义
熔点
影响冶炼过程温度及其控 制
影响因素
组成↑、 ↓， 高熔点成分↑、 ↑
数值大小 1300～1400℃
黏度
元素扩散、渣-钢间的反应、组成↑、 ↓ ，温度↑、
气体逸出
↓，未熔质点↑、 ↓
0.02 Pa•s
密度
决定渣所占有的体积及钢 液滴在渣中的沉降速度
表面张力
渣-钢间的反应 及夹杂物的吸附
温度↑、 ↓
影响钢导热系数的因素主要有钢液的 成 分 、 温 度 、 组织、非金属夹杂物含量及钢中晶粒的细化程度等。
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成分影响 通常钢中元素含量越多，钢的导热能力就 越低。各种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。
山米与白鹤
贝特西.贝尔斯
4-炼钢基础理论-4
主要内容
第一章 炼钢概述 第二章 炼钢基础理论 第三章 炼钢用原材料 第四章 转炉炼钢法 第五章 电炉炼钢法
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第二章基础理论——熔渣的物理化学性质
熔渣的主要作用、组成与分类 熔渣的物理性质及影响因素 熔渣的化学性质 ——分别见表：
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名称 铸钢 工业纯铁 普通碳素钢 优质碳素钢 碳素工具钢 锰钢
铬钢
轴承钢 高速工具钢
不锈钢
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钢种
ZG45、ZG35CrMnSi
DT1--DT6 Q195、Q215、Q235、Q255、Q275
05F、08F、15F，10～50
T7～T13、T7A～T13A、T8MnA
组成、温度， 但比较复杂
2.5～3.0 t/m3 0.35～0.5 N/m
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温度影响 总的说来，随着温度升高，钢液的体积增加 （原子间距增大）、密度降低。
如纯铁密度，20℃时为7.88， 1538℃时为7.23 ， 1600℃时为7.03 t/m3，这与中、低合金钢液的密度7.0 t/m3相当。钢液密度随温度的变化：
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成分影响
1550℃时，纯铁液的表面张力约为1.7～1.9 N/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 与铁的差别大小。如果溶质元素的性质与铁相近，则对 纯铁液的表面张力影响较小，反之则就较大。一般来讲， 金属元素的影响较小，非金属元素的影响则较大。
Mo加入钢液后，因产生 一定的吸附作用，所产生 的影响微小；
Mn 、Si等元素有减小表 面张力的倾向；
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C 对钢液表面张力的影响呈现出复杂的关系，由于钢的 结构和密度随着碳含量的增加而发生变化，一般说来碳 含量增加、密度降低、表面张力降低。见下图：
但当碳含量0.15~0.40
△H= - 542kJ/mol
或[Si]+2（FeO）=（ SiO2）＋2[Fe]
+ 2） 2（CaO）+（SiO2）=（2CaO·SiO2 ）
[Si]+ 2[O] 或 2（FeO）+2（CaO）=（2CaO·SiO2）+ 2[Fe]
分析：该反应是在钢中及渣-钢界面上进行的，是放
热反应，硅氧化产生大量的热，是转炉炼钢的主要热源。
按温度对钢液密度的影响计算： ρ=8523－0.8358 Tk＝6958 kg/m3≈7 t/m3
按成分对钢液密度的影响计算： ρ1600℃＝ρ‘1600℃－210[%C]－60[%Si]－7.5[%Mn]－
164[%Al]－55[%Cr] + 43[%W]+6[%Ni] ＝7030－52.5－16.2－4.9＝6956.4 kg/m3 ≈7 t/m3 常用钢固态密度见表，表中也能看出成分的大致影响 情况。
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3）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。 同熔渣黏度一样，钢液的黏度与流动性均表示钢液 流动时流层内摩擦力的大小，二者互为倒数。 一些液体的黏度见下表：
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钢液的密度可按下经验式： ρ1600℃=ρ‘1600℃＋∑（Δρ·J）
在20℃时，钢的密度按下经验式： ρ20℃=ρ‘20℃＋∑（Δρ·J）
式中 ρ‘—纯铁在某温度下的密度，Δρ—某元素使纯 铁密度提高值；J—某元素在钢液中的质量百分数，%。
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e.g 25＃钢1600℃时的密度？
分析：该反应是在钢中及渣-钢界面上进行的，是放
热反应，锰氧化产生大量的热，也是转炉炼钢的热源之
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2.3.1 硅锰氧化
炼钢用的钢铁料含有硅、锰，对成品钢硅、锰的含 量也有要求。因此，很有必要了解硅、锰在炼钢过程中 的氧化和还原规律。
炉料中的硅锰主要由铁水（生铁）、废钢等带入， 在钢中无限溶解。在炼钢温度下被氧化成SiO2、MnO进 入渣中。在一般碳素废钢中含[Si] 0.17％～0.37％，[Mn] 0.35％～0.80％。
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影响钢液表面张力的因素很多，主要有温度、成分 及钢液接触物，其中影响最大的还是钢液成分。
温度影响
对于一般液体温度升高、表面张力减少，但对于碳 素钢液来说，表面张力是随着的温度升高而增大。原因 之一是温度升高表面活性物质，如C、O等的热运动增强， 使钢液表面过剩浓度减小或浓度均匀化，从而引起表面 张力增大。这也可从成分影响得到解释。
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硅、锰对氧的亲合力均比较大，在任一种炼钢方 法中硅、锰在吹炼或熔化初期就被迅速氧化，并放出 大量热，分析时钢液中硅氧化＞90％，锰氧化＞50％。
硅、锰氧化及影响硅锰氧化的因素分析如下：
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（1）硅的氧化
1） [Si]+2[O] =（SiO2）
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温度对钢热导率的影响
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2.3 钢液的化学反应
炼钢是在高温下、多相参加的复杂物理化学过程， 如温度在1600～1700℃范围，气-渣-钢-耐火材料间进行： 熔化与凝固、分解与化合、溶解与析出及氧化与还原反 应等。
主要进行：硅锰氧化反应，钢液脱磷、脱碳、脱氧、 脱硫反应，以及气体与夹杂物去除等。
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S、O是很强的表面活性物质，只要含有很少量的S、 O就能使钢液的表面张力大大下降 。原因是它们在钢 液中的生成物FeS、Fe0被排挤到钢液的表面，浓度出 现偏差，导致表面张力急剧下降。
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Ni 、 Co 影 响 较 小 ， 原 因 是与铁的性质相近；
ρ=8523 － 0.8358 Tk , kg/m3 式中 Tk——热力学温度，K。
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成分影响 成分对钢液密度的影响比较复杂，一般认 为，碳、硅、锰、磷、硫、铝、铬等元素增加可使纯铁密 度减小，其中碳的影响明显；而密度大的元素钨、镍、铜 等元素可使纯铁密度增大，其中钨的影响最大。
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硅、锰、镍能使钢的熔点降低，所以含量增加，钢液 黏度降低，尤其含量很高时，降低更显著。
钛、钨、钒、钼、铬含量增加则使钢液的黏度增加， 因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，钢液黏度增加，流动 性变差。
初期脱氧产物生成，夹杂物含量高，黏度增大，夹杂 物不断上浮或形成低熔点夹杂物，黏度又下降。脱氧不良， 钢液流动性一般不好-。
反应的有利条件是：低温，高氧化性（高O、高FeO
），高碱度（高CaO或低SiO2），对于造碱性渣的炼钢来 说，硅氧化的很彻底，后期温度提高后也不还原。
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（2）锰的氧化
[Mn]+[O]=（ MnO）
△H= - 244kJ/mol
或/和[Mn]+（FeO）=（ MnO）＋ [ Fe]
温度影响 各种钢的导热系数随温度变化规律不一样， 800℃以下碳钢随温度的升高而下降，800℃以上则略有升 高。
钢组织的影响 一般具有珠光体、铁素体和马氏体组 织的钢，导热能力在加热时都降低，但在临界点Ac3以上 加热时将增加。
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碳含量对钢热导率的影响
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20Mn、60Mn、65Mn
15CrA 20Cr、30Cr、40Cr
38CrA
GCr15
W9Cr4V W18Cr4V 0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、Cr18Ni9Ti、
2Cr18Ni9
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密度/t/m3 7.8 7.87
7.85 （与紫铜相当）
7.81 7.74 7.82 7.80 7.81 8.3 8.7（高于黄铜的） 7.85
范围时，钢液中存在
δ-Fe、γ-Fe两种晶体结
构(体心立方——面心
立方)，密度是随碳含
量的增加而增加,表面
张力增加。
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5）钢的导热能力
钢的导热能力可用导热系数或热导率来表示，指在 稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1℃， 在1s内，通过1m2面积传递的热量，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λ表示，导出单位为W/（m·℃）。
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一般说来碳含量增加，密度降低、黏度降低。生产 实践也表明，同一温度下，高碳钢的流动性比低碳钢液的 好。因此，一般在冶炼低碳钢中，温度要控制得略高一些。
但在C 0.15%～0.4%时，钢液的密度、表面张力出现 最小值与最大值，钢液的结构发生了变化，此时钢液中存 在δ-Fe和γ-Fe两种结构的近程排列，密度是随碳含量的增 加而增加，使得黏度增加。