锰的氧化与还原

2.2 转炉炼钢的原理

2.2.1 转炉炼钢原理简介：

这种炼钢法使用的氧化剂是氧气。把空气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅、锰等氧化。在氧化的过程中放出大量的热量（含1%的硅可使生铁的温度升高200 摄氏度），可使炉内达到足够高的温度。因此转炉炼钢不需要另外使用燃料。转炉炼钢是在转炉里进行。转炉的外形就像个梨，内壁有耐火砖，炉侧有许多小孔（风口），压缩空气从这些小孔里吹炉内，又叫做侧吹转炉。开始时，转炉处于水平，向内注入1300 摄氏度的液态生铁，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空气并转动转炉使它直立起来。这时液态生铁表面剧烈的反应，使铁、硅、锰氧化( FeO, SiO2 , MnO ) 生成炉渣，利用熔化的钢铁和炉渣的对流作用，使反应遍及整个炉内。几分钟后，当钢液中只剩下少量的硅与锰时，碳开始氧化，生成一氧化碳（放热）使钢液剧烈沸腾。炉口由于溢出的一氧化炭的燃烧而出现巨大的火焰。最后，磷也发生氧化并进一步生成磷酸亚铁。磷酸亚铁再跟生石灰反应生成稳定的磷酸钙和硫化钙，一起成为炉渣。当磷于硫逐渐减少，火焰退落，炉口出现四氧化三铁的褐色蒸汽时，表明钢已炼成。这时应立即停止鼓风，并把转炉转到水平位置，把钢水倾至钢水包里，再加脱氧剂进行脱氧。整个过程只需15 分钟左右。如果空气是从炉低吹入，那就是低吹转炉。

2.2.2 转炉冶炼的具体原理

（1）熔池元素氧化规律Si 的变化规律开吹时[ Si ]大量氧化,并结合为( 2 FeO ? SiO2 ),随石灰溶解转变为稳定化合物( 2Ca O·SiO2 ) Mn 的变化规律吹炼初期迅速氧化,中后期被[ C ]还原,后期由于渣中氧化性提高,[ Mn ]被再次氧化. C 的变化规律熔池中氧与碳生成CO ｝｛气泡上浮,[% C ]×[% O ]=m(常数0.002~0.0025),[ C ]与[ O ] 成反比. 吹炼初期由于[ Si ]、[ Mn ]的氧化，脱碳速度小，中期脱碳速度最快，后期[ C ]浓度低，脱碳速度下降. P 的变化规律低温、适宜的高碱度、高氧化性利于脱[P],吹炼前期应使石灰快速成渣,将( 3FeO ? P2 O5 ) 、置换为( 3CaO ? P2 O5 )和（4CaO ? P2 O5 )稳定化合物,使[P]去除. S 的变化规律高温利于脱[ S ],渣中( CaO ) 活度大,利于脱[ S ],但转炉渣的氧化性高,因此转炉的脱[ S ] 效率低.』[1] （2）转炉中各种元素具体的反应机理1 ○ Si 的变化规律钢液中硅的氧化特点在任何一种炼钢方法中，硅的氧化反应都进行得很激烈。因为硅是易氧化元素，在所有的杂质元素中，硅和氧的亲和力最大，硅的氧化产物是只溶于炉渣的酸性氧化物SiO2 ，它的分解压力比碳、锰、磷的氧化物分解压力都低,从而使得生成的SiO2 很稳定。所以，硅极易被氧化，且氧化时放出大量的热量。在氧气转炉中开吹几分钟内硅即被氧化完毕；在超高功率电炉大量用氧的情况下，在熔化末期或氧化初期,硅几乎氧化完毕；在普通电炉中熔化期硅将被氧化掉70%,少量的残余硅在氧化初期也能降低到最低限度；硅的氧化反应的反应产物容易从反应区排出。硅的氧化反应（1）硅的氧化反应方程式

当金属炉料未被炉渣覆盖,或氧流直接吹入金属熔池时,炉料中的硅被气态氧直接氧化[ Si ] + {O2 } = ( SiO2 ) + 740645 J （1）当炉渣形成后或金属液滴和气泡与渣接触时,硅的氧化主要在炉渣与金属界面上进行2( FeO) + [ Si ] = ( SiO2 ) + 2[ Fe] + 341224 J （2）金属液中的[Si]和[O]的反应[ Si ] + [O] = ( SiO 2 ) + 817448 J （3）注意：硅的氧化都是较强的放热反应。（2）硅的氧化产物是SiO2 Si 氧化时产生的( SiO2 )起初与( FeO )结合生成硅酸铁( 2 FeO ? SiO2 )：( SiO2 ) + 2( FeO) = (2 FeO ? SiO2 ) （4）在碱性渣炼钢操作中，随着石灰的逐渐熔化, ( 2 FeO ? SiO2 ) 中的FeO 被强碱性的CaO 所置换得到氧化产物硅酸钙：2( FeO ? SiO2 ) + 2(CaO) = (2CaO ? SiO2 ) + 2( FeO) （5）硅酸钙(2CaO·SiO2)很稳定,所以在碱性炼钢操作中，冶炼前期Si 几乎全部被氧化，不会再被还原。硅的还原在酸性炼钢操作中，当熔池温度升高到一定程度后，将发生硅的还原反应。( SiO2 ) + 2[C ] = [ Si ] + 2{CO} （6）从反应式可看出，当有产生CO 气泡核心的条件时,就有可能发生Si 的还原反应。影响硅的氧化和还原反应的因素主要因素是温度、炉渣成分、金属液成分和炉气氧分压。(1) 温度低有利于硅的氧化；(2) 增加CaO、FeO 含量，有利于硅的氧化。(3) 金属液中增加硅元素含量，有利于硅的氧化；(4) 炉气中氧分压越高，越有利于硅的氧化。硅的氧化对冶炼的影响（1）硅的氧化有利于保持或提高钢液的温度。硅氧化是强放热反应。在转炉吹炼初期，由于硅大量氧化，熔池温度升高，进入碳氧化期。在钢液脱氧过程中，由于含硅脱氧剂的氧化，可补偿一些钢包的散热损失。（2）硅氧化反应的产物影响炉渣成分SiO2 降低了炉渣碱度，不利于钢液脱磷、脱硫，侵蚀炉衬耐火材料，降低炉渣氧化性，增加造渣的消耗。

2 、Mn 的变化规律

钢液中锰的氧化情况锰的氧化反应也在冶炼初期进行的。锰的氧化激烈程度不及硅，锰被氧化成只溶于炉渣的弱碱性氧化物MnO，且其氧化过程所放出热较少，在电炉炼钢熔化期的料中锰约半数以上被氧化，而氧气转炉吹炼的铁水中约80%锰在开吹后几分钟被氧化掉了。锰的氧化反应式

直接氧化[ Mn] + 1 / 2{O2 } = ( MnO) + 385186 J （7）

被钢液中的氧氧化[ Mn] + [O ] = ( MnO) + 361623 J （8）

在炉渣―金属界面上的氧化——锰氧化的主要反应[ Mn] + ( FeO ) = ( MnO ) + [ Fe] + 123511J （9）

注意：锰的间接和直接氧化都是放热反应

渣中的锰被还原的反应式