炼钢基本原理

炼钢基本原理
1 炼钢的基本任务 一般的钢和铁都是以铁元素为基本成分的铁碳台金。 生铁和钢所以在性能上 有较大的差异． 主要原因是由于含碳量的不同使铁碳合金的组织结构不同而造成 的。生铁含碳高，硬而脆，冷热加工性能差．因而 90％的高炉生铁须经再次冶 炼成为具有良好金属特性的钢，才能加工成各种类型的钢材而使用。 生铁除含有较高的碳外，还含有一定量的其它杂质。所谓炼钢，就是通过冶 炼降低生铁中的碳和去除有害杂质，再根据对钢性能的要求加入适量的合金元 素，使其成为具有高的强度、韧性或其它特殊性能的钢。因此．炼钢的基本任务 可纳为： (1)脱碳并将其含量调整到一定范围。碳含量的不同不但是引起生铁和钢性 能差异的决定性因素，同样也是控制钢性能的最主要元素。钢中含碳量增加，则 硬度、强度、脆性都将提高，而延展性能将下降；反之，含碳量减少，则硬度、 强度下降而延展性提高。所以，炼钢过程必须按钢种规格将碳氧化至一定范围。 (2)去除杂质，主要包括： 1)脱磷、脱硫：对绝大多数钢种来说，P、S 均为有害杂质。P 可引起钢的冷 脆，而 S 则引起钢的热脆，因此，要求在炼钢过程中尽量除之。 2)脱氧：由于在氧化精炼过程中，向熔他输入大量氧以氧化杂质，至使钢液 中洁入一定量的氧．它将大大影响钢的质量。因此，需降低钢中的含氧量。一般 是向钢液中加入比铁有更大亲合力的元素来完成(如 A1、Si、Mn 等合金)。 3)去除气体和非金属夹杂物；钢中气体主要指镕解在钢中的氢和氮。非金属 夹杂物包括氧化物、硫化物、磷化物、氮化物以及它们所形成的复杂化台物。在 一般炼钢方法中，主要靠碳—氧反应时产生 CO 气泡的逸出，所引起的熔池沸腾 来降低钢中气体和非金属夹杂物。 (3)调整钢液成分和温度。为保证钢的各种物理、化学性能，除控制钢液的 碳含量和降低杂质含量外，还应加入适量的合金元素使其含量达到钢种规格范 围。 为完成上述各项任务并保证钢液能顺利浇注， 必须将钢液加热并保持在一定 的高温范围内，同时根据冶炼过程的要求不断将钢液温度调整面上的(FeO)被氧化成高价氧化铁； (FeO)+1/2 O2＝(Fe2O3) 由于熔他的对流作用，当含 Fe2O3 高的炉渣与金属液接触时，又被还原 (Fe2O3) +[Fe]＝3(FeO) 3.1 炼钢熔池中元素的氧化次序 (1)纯氧化物的分解压 熔池中元素被大量氧化的先后次序，取决于它们与氧的亲和力的大小。一般 用该元素氧化物的分解压来表示该元素与氧的亲和力的强弱。纯氧化物的分解 反应可用下式表示： K＝PO2 此 PO2 即称为该氧化物的分解压。通过实验测得不同温度下的分解压，即可 绘出 PO2-t℃的关系曲线图 1。 图 1 曲线的位置愈低， 表明该氧化物的分解压愈小， 该氧化物愈稳定，即该元素易被氧化。
CaO MgO MnO FeO CaF2 Fe2O3 A12O3 TiO2 SiO2 P2O5 碱性←——中性——→酸性 2.2 炼钢炉渣的主要性质
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(1)炉渣的碱度。炼钢炉渣碱度常用的表示方法有： 1)当沪料含 P 较低时(铁水 P＜0.3%)，用渣中碱性最强的 CaO 和酸性最强的 SiO2 含量之比表示。即：R＝CaO/ SiO2。 2)当炉料中含 P 量较高时，则要考虑渣中 P2O5 对碱度的影响，此时的表示 方法有多种，其中最简单的人法是将 P2O5 与 SiO2 的作用视为等值的表示方法。 即：R＝CaO/ SiO2+ P2O5。 炼钢碱性渣按其碱度大小。一般可分为三类：R＝1.3-1.5 为低碱度；R＝ 1.8-2.0 为中碱度渣；R＞2.5 为高碱度渣。 (2)炉渣的氧化性。炉渣的氧化性是指炉渣向金属熔他传氧的能力，一般以 渣中氧化铁含量来表示。 炉渣中的氧化铁有两种形式，即 FeO 和 Fe2O3。化学分析时经常确定总铁量 (即 Fe 量)及 FeO 量，通过计算即可得出 Fe2O3 量。通常用% FeO 表示炉渣 氧化性。把 Fe2O3 折合为 FeO 有两种计算方法： 1)全氧法：% FeO ＝％Feo 十 1.35×％Fe2O3 式中 1.35＝3×72/160 表示各氧化铁中全部的氧为 FeO， 1 摩尔 Fe2O3 可生成 3 摩尔的 FeO。 2)全铁法：% FeO ＝％FeO 十 0.9×％Fe2O3 式中 0.9＝2×72/160 表示各氧化铁中全部的铁为 FeO，1 摩尔 Fe2O3 可生成 2 摩尔的 FeO。 全铁法比较合理。 因为在渣样冷却过程中，有少量低价氧化铁被氧化成高价 氧化铁，使全氧法计算结果偏高，而全铁法则可避免这种误差。 实际炉渣的氧化能力是个综合的概念，其传氧能力还受炉渣粘度、熔池搅拌 强度、供氧速度等因素的影响。 3 炼钢过程的基本反应 在炼钢的氧化精炼过程中，各种炼钢方法去除杂质的基本过程都是一样的。 其主要手段是向熔池吹入氧气(或加入矿石 )并加入造渣剂形成熔渣来去除原材 料中的杂质。因此只有 了解炼钢过程中熔池传氧和各种元素的反应规律，才能认识炼钢工艺操作的本
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图 3 吹炼终点时金属熔池中碳—氧含量的关系 1 一顶吹氧气转炉，2 一平炉金属中含氧量，3 一[%C]与[%O]平衡曲线 3.2 硅的氧化和还原 在炼钢金属料—铁水和废钢中，均含有一定数量的 Si。Si 在铁液中有无限 溶解度，它与铁的稳定化台物为 FeSi，在炼钢温度下 Si 可氧化成稳定的化合物 SiO2。 (1)硅的氧化。在任何一种炼钢操作中，由于 SiO2 的分解压低，所以在熔炼 初期即被迅速氧化，并放出大量的热。其氧化反应式为：
图 2 Pco=1.01325×105Pa 时，[%C]与[%O]的关系 在实际炼钢熔池中，[%C]与[%O]的数值与平衡值偏离较大。各种炼钢方法 中实际的熔池含氧量都高于相应的理论含量，即[O]实际＞[O]平衡。这说明熔池中存 在着若干过剩氧，即⊿[O]＝[O]实际一[O]平衡。虽然如此，从图 3 中仍可看出,实际 熔池中的碳、氧含量之间仍保持有近似等边双曲线的关系。由此可知，熔池中实 际含氧量仍主要决定于含碳量，即[C]高，则[O]低，[C]低，则[O]高。
图 1 纯氧化物分解压与温度关系
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3.1 脱碳反应 (1)脱碳反应的作用。碳—氧反应是炼钢过程中的一个主要反应。将熔池中 的碳氧化脱除至所炼钢种的要求，是炼钢的基本任务之一。而脱 C 反应的产物 —CO 气体从熔池中排出时，剧烈地搅动金属液与炉渣而产生“沸腾”现象，加 速了传质和传热过程， 均匀了熔他的成分和温度． 并有利于冶金物化反应的进行。 同时，也有利于熔池中有害气体和非金属夹杂物的排除。因此，脱 C 反应实质 上是完成炼钢任务的重要手段。 (2)脱碳反应式。溶解于金属液中的 C，通常以[C]表示。 在氧气炼钢中，一部分 C 可在反应区同气体 O2 接触而被氧化 [C]+ O2＝CO [C]也同溶于金属中的[O]发生反应而氧化去除，其反应式为： [C]+ [O]＝CO [C]+ 2[O]＝CO2 在通常的熔池中，C 大多数按式[C]+ [O]＝CO 发生反应，即 C 的氧化产物绝 大多数是 CO 而不是 CO2。因为当熔池中 C 高时，CO2 也是 C 的氧化剂，将发生 下列反应： [C]+ CO2＝2CO 当反应达平衡时，其平衡常数可写为：
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质。 熔池中氧的来源主要有三种形式：一是直接向熔池中吹入工业纯氧(含 O2＞ 98％)；二是向熔池中加入富铁矿；三是炉气中的氧传入熔池。 氧在钢液中存在的形式，目前，常看作为氧原子、氧化亚铁分子 FeO 或氧 离子 O-2。当书写熔池中化学反应时，钢液中的氧常以[O]来表示。 铁液中元素的氧化方式大致有两种，即直接氧化与间接氧化。 其总反应式可写成： O2+2[Me]＝2MeO，可看作是元素 Me 的直接氧化，
(3)炼钢熔池中[C]+和[O]浓度的关系。 为便于分析，常 Pco 取为一个大气压，可简化为：
由于 Kc 随温度的变化不大，在炼钢温度范围内 Kc 为一定值，用 m 代表则 可写出:
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m 称为碳氧浓度积， 它具有化学反应平衡常数的性质， 在—定温度和压力下应是 一个常数，而且与反应物和生成物的浓度无关。据此可作出在一定温度下的 [C]-[O]平衡曲线，如图 2 所示。由图 2 可看出．熔池中平衡时碳和氧的浓度间具 有等边双曲线函数的关系。这种关系显示了熔池中碳和氧的浓度是相互制约的， 即熔池中含氧量主要决定于含碳量，碳越低氧含量就越高。 实验测得在 1600℃时、Pco=1.01325×105Pa 时，m＝0.0025，这是炼钢文献 上常用的理论上的碳氧浓度积数值。
由于 Si 的氧化为强烈的放热反应，故温度低有利于 Si 的氧化。 Si 氧化时产生的 SiO2 起初与(FeO)结合成硅酸铁，即：
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(4)将钢液浇注成质量好的钢锭或钢坯。通过模铸或连续铸钢方法，将钢液 浇注成各种不同形状和不同断面尺寸的、质量良好的钢锭或钢坯。 2 炼钢炉渣的作用 炉渣是炼钢过程中的必然产物，又是实现一系列重要冶金反应的基本条件。 它直接参与炼钢过程的物理化学反应和传热、传质过程。其具体作用如下： 1)通过对炉渣成分、件能及数量的调整，可以控制金属中各元素的氧化和还 原过程，如调整渣的碱度及渣中 FeO 含量来去除 P、S 等。 2)向钢中输送氧以氧化各种杂质。如平炉、电炉炉气中和矿石中的氧，均通 过炉渣传入钢液。 3)吸收钢液中的非金属夹杂物．并防止钢液吸气(H 和 N)。 4)其它作用：电弧炉炉渣可起稳弧作用；电渣炉炉渣是电阻发热体，可重熔 和精炼金属；浇注过程中采用保护渣可改善钢锭质量等。 除上述有利作用外，炉渣也有不利的一面，那就是炉渣能侵蚀炉衬，降低炉 衬寿命。同时．因渣中央带金属小珠及术还原的金属氧化物，因而使金属回收率 低。因此，我们要选用适当成分的炉渣并控制适当的温度，使炉渣具有合适的物 理化学性质，从而在冶炼过程中发挥其有利的作用而尽量抑制其不利的作用。 2.1 炼钢炉渣的来源及其主要组成 炼钢炉渣的来源有： 1)废钢带入的泥沙和铁锈等：氧化物或冷却剂(矿石、烧结矿等)带入的脉石。 2)加入的各种造渣材料(石灰、萤石、粘土砖等)以及被侵蚀的炉衬耐火材料。 3)炼钢过程中化学反应的产物，即金属炉料、脱氧剂及合金中的各元素被氧 化后所生成的氧化物(SiO2、MnO、P2O5、FeO、Al2O3、Fe 2O3)；还有少量硫化 物(CaS、MnS)。 由上可见，炉渣的组成以各种金属氧化物为主，并含有少量硫化物和氟化 物。 炼钢炉渣的基本体系是 CaO—SiO2—FeO， 渣中各成分的酸碱性强弱顺序为：