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钢铁生产中的脱磷
北京 2007.7
提纲
❖ 磷在钢中的危害 ❖ 脱磷反应 ❖ 转炉脱磷工艺 ❖ 铁水预处理脱磷工艺 ❖ 钢水炉外脱磷工艺
磷在钢中的危害
❖ 杂质与钢水的纯净度 ❖ 磷对钢材韧性的危害 ❖ 磷对钢材低温冲击韧性的危害 ❖ 磷在晶界偏析对钢材的危害 ❖ 磷对钢材断裂韧性的危害 ❖ 不同钢种对磷含量的要求
碳素钢和低合金钢对夹杂物含量和尺寸的要求
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
特殊钢对夹杂物含量和尺寸的要求
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
优质管线钢对杂质元素的要求
磷对钢材低温冲击韧性的危害
❖磷直接影响钢的脆性转变温度，例如： STE690钢，当磷含量从0.017%降到 0.006%时，转变温度下降25K。因此， 寒冷地区用的高强度钢材对磷含量要求特 别严格。
磷在晶界偏析对钢材的危害
❖ 磷是表面活性杂质，易在晶界上偏析引起裂纹。 ❖ 磷在晶界的偏析度随回火温度的升高而降低； ❖ 随磷含量的增加而上升； ❖ 随着晶界中磷含量的增加，钢材脆性转变温度线性提高； ❖ 提高钢中Ti含量可以减轻甚至消除晶界上磷的偏析，抑制磷的危害。
❖
KP=(aP2O5)/([aP]2[aO]5) ❖ lgKP=36850/T-29.07 ❖渣中磷的活度 aP2o5= P2o5NP2o5
杂质与钢水的纯净度
❖ 杂质元素是钢材发生各种裂纹和脆性的根源，提高钢的洁 净度对改善材质和提高加工性能极为有效。 ❖ 表给出钢中杂质对钢材造成的缺陷及对性能的影响。
磷作为表面活性杂质易在晶界偏析，造成低温脆性，降低 钢材韧性。
杂质元素对钢材性能的影响
❖钢中杂质元素即使在很低的浓度下，因偏析和在晶界 析出或在原子间游动，可以改变钢材性能，降低钢材的 质量。杂质元素对钢材的性能影响主要包括强度、塑性、 耐蚀性等，如表所示。
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
脱磷反应
❖ 钢中磷的来源 ❖ 磷在钢中的溶解度 ❖ 脱磷反应热力学 ❖ 炉渣的脱磷能力 ❖ 渣—钢间磷分配系数的计算方法 ❖ 两种脱磷工艺的比较 ❖ 脱磷反应动力学
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
磷在钢中的溶解度
❖炼钢炉内脱磷反应属于氧化反应，在渣—钢界面 上反应生成的P2O5与渣中CaO结合，生成磷酸钙。 因此，炼钢脱磷反应又是渣—钢反应。钢中磷的溶 解度可以用气体—金属间反应，由下式求出：
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
钢中磷的来源
❖钢中的磷主要来源于矿石。 在高炉炼铁过程中，矿石 中的磷被还原到铁水中。 铁水中的磷含量不仅决定 于矿石的含磷量，也决定 于高炉渣的组成。右图给 出不同成份的高炉渣与铁 水磷平衡的条件。从图中 可以看出，随着铁的还原， 铁水中磷含量逐渐增高。
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
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脱磷反应热力学
❖炼钢过程的脱磷反应在渣—金属间进 行，渣中(CaO)高的碱性操作可以脱 磷。据此脱磷反应可以按下式进行： ❖（1）分子论形式的表达式 ❖2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3Ca O·P2O5)+5Fe(l) ❖2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4Ca O·P2O5)+5Fe(l) ❖（2）离子形式表达式 ❖ 2[P]+5[O]+3(O2)=2(PO3-4) ❖脱磷反应平衡常数KP可以简化为：
杂质元素对钢材性能的影响
下两表给出钢中不同杂质元素对钢材性能的影响。从表中可以看 出，磷的危害是： ❖ 降低钢材的韧性 ❖ 降低钢材的热变形性 ❖ 降低钢材的浇铸性
同时，磷可以提高钢材的强度，提高钢材的耐磨性和抗腐蚀能力。
磷对钢材韧性的危害
磷使钢变脆，可以提高钢的抗拉强度， 但使韧性降低。如建筑用钢磷含量从 0.02%降到0.005%，性能会进一 步改善。磷从0.014%降到 0.002%，转变温度可下降40K。
杂质与钢水的纯净度
❖ 钢中杂质对钢材性能有多种影响。钢种用处不同，对钢材中杂 质的要求也有很大差别，通常钢中杂质可分为两大类：
（1）表面活性杂质：O、P、S、As、Se、Sb、Te等。 （2）间隙型杂质：H、C、N、O、(B) ❖ 从元素周期表看，表面活性杂质是周期表中Vb和VIb族元素， 此类元素容易在晶界或异向界面上偏析聚集，造成钢的脆化，其 偏析程度有时可达到平均浓度几千倍。间隙型夹杂在铁结晶间的 原子间隙内运动，在400℃以下的低温区域危害极大。
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
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磷在钢中的溶解度
❖右图给出不同元素 对铁水中磷的活度系 数的影响，其中C、 Si、S等元素提高磷 的活度系数，有利于 脱磷；而Cr、Nb、 Mn、V、Ti等元素 降低磷的活度系数， 不利于炼钢脱磷。
磷对钢材断裂韧性的危害
❖ 高强钢或超高强钢的一种重要的 失效方式—低应力脆性破断。这种 失效，是在施于材料上的载荷小于 σs或许用应力时，由材料内裂纹逐 步扩展造成的。许多因素会影响钢 的断裂韧性，其中磷是引起冷脆的 元素，其含量每增加0.01%会使 钢材临界脆化温度上升7~10K， 并使钢材的冲击值显著降低。产生 这种影响的原因之一是熔于钢基体 中的磷限制了交叉滑移，使钢的塑 性变形能力下降所致。
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
不同用途钢种所允许的杂质含量的上限（%）
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT8T84页 )
钢种、服役条件对钢材纯净度的要求
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北京 2007.7
提纲
❖ 磷在钢中的危害 ❖ 脱磷反应 ❖ 转炉脱磷工艺 ❖ 铁水预处理脱磷工艺 ❖ 钢水炉外脱磷工艺
磷在钢中的危害
❖ 杂质与钢水的纯净度 ❖ 磷对钢材韧性的危害 ❖ 磷对钢材低温冲击韧性的危害 ❖ 磷在晶界偏析对钢材的危害 ❖ 磷对钢材断裂韧性的危害 ❖ 不同钢种对磷含量的要求
碳素钢和低合金钢对夹杂物含量和尺寸的要求
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特殊钢对夹杂物含量和尺寸的要求
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优质管线钢对杂质元素的要求
磷对钢材低温冲击韧性的危害
❖磷直接影响钢的脆性转变温度，例如： STE690钢，当磷含量从0.017%降到 0.006%时，转变温度下降25K。因此， 寒冷地区用的高强度钢材对磷含量要求特 别严格。
磷在晶界偏析对钢材的危害
❖ 磷是表面活性杂质，易在晶界上偏析引起裂纹。 ❖ 磷在晶界的偏析度随回火温度的升高而降低； ❖ 随磷含量的增加而上升； ❖ 随着晶界中磷含量的增加，钢材脆性转变温度线性提高； ❖ 提高钢中Ti含量可以减轻甚至消除晶界上磷的偏析，抑制磷的危害。
❖
KP=(aP2O5)/([aP]2[aO]5) ❖ lgKP=36850/T-29.07 ❖渣中磷的活度 aP2o5= P2o5NP2o5
杂质与钢水的纯净度
❖ 杂质元素是钢材发生各种裂纹和脆性的根源，提高钢的洁 净度对改善材质和提高加工性能极为有效。 ❖ 表给出钢中杂质对钢材造成的缺陷及对性能的影响。
磷作为表面活性杂质易在晶界偏析，造成低温脆性，降低 钢材韧性。
杂质元素对钢材性能的影响
❖钢中杂质元素即使在很低的浓度下，因偏析和在晶界 析出或在原子间游动，可以改变钢材性能，降低钢材的 质量。杂质元素对钢材的性能影响主要包括强度、塑性、 耐蚀性等，如表所示。
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
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脱磷反应
❖ 钢中磷的来源 ❖ 磷在钢中的溶解度 ❖ 脱磷反应热力学 ❖ 炉渣的脱磷能力 ❖ 渣—钢间磷分配系数的计算方法 ❖ 两种脱磷工艺的比较 ❖ 脱磷反应动力学
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
磷在钢中的溶解度
❖炼钢炉内脱磷反应属于氧化反应，在渣—钢界面 上反应生成的P2O5与渣中CaO结合，生成磷酸钙。 因此，炼钢脱磷反应又是渣—钢反应。钢中磷的溶 解度可以用气体—金属间反应，由下式求出：
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
钢中磷的来源
❖钢中的磷主要来源于矿石。 在高炉炼铁过程中，矿石 中的磷被还原到铁水中。 铁水中的磷含量不仅决定 于矿石的含磷量，也决定 于高炉渣的组成。右图给 出不同成份的高炉渣与铁 水磷平衡的条件。从图中 可以看出，随着铁的还原， 铁水中磷含量逐渐增高。
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
脱磷反应热力学
❖炼钢过程的脱磷反应在渣—金属间进 行，渣中(CaO)高的碱性操作可以脱 磷。据此脱磷反应可以按下式进行： ❖（1）分子论形式的表达式 ❖2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3Ca O·P2O5)+5Fe(l) ❖2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4Ca O·P2O5)+5Fe(l) ❖（2）离子形式表达式 ❖ 2[P]+5[O]+3(O2)=2(PO3-4) ❖脱磷反应平衡常数KP可以简化为：
杂质元素对钢材性能的影响
下两表给出钢中不同杂质元素对钢材性能的影响。从表中可以看 出，磷的危害是： ❖ 降低钢材的韧性 ❖ 降低钢材的热变形性 ❖ 降低钢材的浇铸性
同时，磷可以提高钢材的强度，提高钢材的耐磨性和抗腐蚀能力。
磷对钢材韧性的危害
磷使钢变脆，可以提高钢的抗拉强度， 但使韧性降低。如建筑用钢磷含量从 0.02%降到0.005%，性能会进一 步改善。磷从0.014%降到 0.002%，转变温度可下降40K。
杂质与钢水的纯净度
❖ 钢中杂质对钢材性能有多种影响。钢种用处不同，对钢材中杂 质的要求也有很大差别，通常钢中杂质可分为两大类：
（1）表面活性杂质：O、P、S、As、Se、Sb、Te等。 （2）间隙型杂质：H、C、N、O、(B) ❖ 从元素周期表看，表面活性杂质是周期表中Vb和VIb族元素， 此类元素容易在晶界或异向界面上偏析聚集，造成钢的脆化，其 偏析程度有时可达到平均浓度几千倍。间隙型夹杂在铁结晶间的 原子间隙内运动，在400℃以下的低温区域危害极大。
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磷在钢中的溶解度
❖右图给出不同元素 对铁水中磷的活度系 数的影响，其中C、 Si、S等元素提高磷 的活度系数，有利于 脱磷；而Cr、Nb、 Mn、V、Ti等元素 降低磷的活度系数， 不利于炼钢脱磷。
磷对钢材断裂韧性的危害
❖ 高强钢或超高强钢的一种重要的 失效方式—低应力脆性破断。这种 失效，是在施于材料上的载荷小于 σs或许用应力时，由材料内裂纹逐 步扩展造成的。许多因素会影响钢 的断裂韧性，其中磷是引起冷脆的 元素，其含量每增加0.01%会使 钢材临界脆化温度上升7~10K， 并使钢材的冲击值显著降低。产生 这种影响的原因之一是熔于钢基体 中的磷限制了交叉滑移，使钢的塑 性变形能力下降所致。
钢 铁 生 产 中 的脱磷 技术(P PT84页 )
不同用途钢种所允许的杂质含量的上限（%）
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钢种、服役条件对钢材纯净度的要求
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