第三章++炼钢生产的理论基础

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钢液密度随温度的变化:
ρ =8523-0.8358(T+273)
成分对钢液密度的影响:
ρ1600℃=ρ01600℃-210[%C]-164[%Al]-
60[%Si]-550[%Cr]-7.5[%Mn]
+ 43[%W]+6[%Ni]
铁碳熔体的密度(kg/m3)
密度
[C] (%) 1500℃
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.60 7.46 6.98 7.06 7.14 7.14 6.97 6.86 6.78 6.72 6.67
2(Fe2+) + [O] 金属
[O]+[C]
2 (Fe3+)+(O2-)
炉渣传氧示意图
CO
传氧途径及氧的作用
{O2}→2O吸附 (直接氧化) {CO} 气体
(间接氧化) (FeO)
[O]
{CO} [O] (FeO)
钢液 炉渣
转炉冶炼过程中金属、炉渣成分的变化
3.3 硅、锰的氧化反应
1、Mn的氧化和还原
T=1400~1530℃: Si、 C、 V 、Mn、 P、 Fe T>1530℃: C、 Si、 V 、Mn、 P、 Fe
3、元素氧化的热力学条件
[ M ] ( FeO) ( MO) [ Fe] xMO aFeO LM K [%M ] rMO
1)温度:元素氧化是放热的,T↑,K↓,LM↓;C例外
升高,粘度降低。钢液中的碳对粘度的影响非常大, 这主要是因为碳含量使钢的密度和熔点发生变化, 从而引起粘度的变化。 生产实践也表明,同一温度下,高碳钢的流动 性比低碳钢钢液的好。因此,一般在冶炼低碳钢中, 温度要控制得略高一些。碳含量对钢液粘度的影响
见下图。
当[%C]<0.15时,粘度随着碳含量的增加 而大幅度下降,主要原因是钢的密度随碳 含量的增加而降低
溶解于钢中的氧 O2=2[O] △G0=-RTln([%O]2/PO2(平)) 氧势RTlnPO2= △G0+2RTln[%O] 金属液中氧浓度越大,则熔池的氧势越高。
钢液中元素氧化的△G0-T图
比较FeO和MO的△G0-T 直线的相对位置,可确定氧 化的可能性。 1)在FeO的△G0-T直线 以上的元素,不能氧化; 2)在FeO的△G0-T直线 以下的元素,均可氧化。 3)氧势图上[C]+[O]→CO 的△G0-T直线与其它元素的 △G0-T直线走向相反,有交 点,交点以下温度,C难于 氧化。 T<1400℃: Si、V 、Mn、 C、 P、 Fe
影响钢导热系数的因素主要有钢液的成分、组织、
温度、非金属夹杂物含量以及钢中晶粒的细化程
度等。
影响钢导热能力的因素

钢中合金元素越多,钢的导热能力就越低。各种合金元素对 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。

影响钢液表面张力的因素
钢液的表面张力是随着温度的升高而增大,原因 之一是温度升高时表面活性物质如C、O等热运动
增强,使钢液表面过剩浓度减少或浓度均匀化,
从而引起表面张力增大。 1550℃时,纯铁液的表面张力约为1.7~1.9N/m。 溶质元素对纯铁液表面张力的影响程度取决于它 的性质与铁的差别的大小。
合金元素对熔铁表面张力的影响
硫和氧对铁液表面张力的影响
液相线以上50℃,碳对铁碳熔体表面张力的影响
3.1 炼钢熔体的结构和性质
五、钢的导热能力
钢的导热能力可用导热系数来表示,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,单位为 W/(m· ℃)。
温度高于液相线50℃时,碳含量对钢液粘度的影响
钢液粘度的影响因素


Si、Mn、Ni使钢的熔点降低,Si、Mn、Ni含量增加,钢液 粘度降低,尤其含量很高时,降低更显著。 但Ti、W、V、Mo、Cr含量增加则使钢液的粘度增加,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,钢液粘度增加,流动性变 差。初期脱氧产物生成,夹杂物含量高,粘度增大,夹杂 物不断上浮或形成低熔点夹杂物,粘度又下降。脱氧不良, 钢液流动性一般也不好。 常用流动性来表示钢液的粘稠状况,粘度的倒数即为流体 的流动性。
2、碳氧化反应的热效应
1)直接氧化 [C]+1/2O2→CO △H0=-139.70kJ 放热 2)间接氧化 [C]+[O]→CO △H0=-22.40kJ 放热
碳的氧化反应
3)矿石氧化碳 [C]+1/3Fe2O3(S)→CO+2/3Fe △H0=210.79kJ 吸热 4)渣中(FeO)氧化碳 [C]+(FeO)→CO+[Fe] △H0=98.51kJ 3、脱碳过程中钢液的氧含量
[ Si] 2( FeO) ( SiO2 ) 2[ Fe] K xSiO2 rSiO2
2 [%Si] (%FeO) 2 rFeO 2 aFeO LSi K [%Si] rSiO2
Baidu Nhomakorabea
xSiO2
温度降低(K↑), R↑,rSiO2↓,LSi↑ 碱性渣中,Si氧化 彻底。
黏度表示形式
动力黏度,用符号µ表示;单位为Pa•s (N•s/m2,
1泊=0.1Pa•s);
运动黏度,常用符号ν表示,即: m2/s 钢液的黏度比正常熔渣的要小得多,1600℃时
其值在0.002~0.003Pa•s;
纯铁液1600℃时黏度为0.0005Pa•s。
钢液的粘度
影响钢液粘度因素主要是温度和成分。温度
钢液表面张力的作用

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
形成等有影响;

对相间反应,如脱氧产物的、夹杂物和气体从钢液中排除, 渣钢分离,钢液对耐火材料的侵蚀等也有影响。

影响钢液表面张力的因素很多,但主要有温度、钢液成分及
钢液的接触物。 凡能降低表面张力的元素,便会自发地移到溶液表面,使表 面浓度大于内部浓度,这时称为正吸附,该元素称为表面活 性物质;反之,为表面非活性物质。
一、钢液的密度
单位体积钢液所具有的质量,常用符号ρ表示,
单位通常用kg/m3 。影响钢液密度的因素主要有温
度和钢液的化学成分。
总的来讲,温度升高,钢液密度降低,原因 在于原子间距增大。固体纯铁密度为7880kg/m3 , 1550℃时液态的密度为7040kg/m3 ,钢的变化与纯 铁类似。
钢液的密度
1)与熔渣层平衡的[%O] [O%]→ [%O]=LO· FeO a 2)与炉底处CO气泡及[C]平衡的[%O] [%O]平=mPCO/[%C] PCO≥P大气+(Hmρm+HSρS)+2σ/r 3)熔池实际的[%O] 熔体上层到炉底 [%O]=[%O]平+△[%O] 的氧浓度差,也 叫过氧化度 3) 2)
[ Mn] ( FeO) ( MnO) [ Fe] (%MnO) rMnO a (%MnO) K LMn K FeO [%Mn] (%FeO) rFeO [%Mn] rMnO
降低温度(KMn↑),aFeO↑,rMnO↓可促进Mn的氧化。 2、Si的氧化和还原
当0.15≤[%C]<0.40时,粘度随碳含量的 增加而增加,原因是此时钢液中同时存在 当[%C]≥0.40时,钢液的结构近似于γ-Fe排 δ-Fe和γ-Fe两种结构,密度是随碳含量的 列,钢液密度下降,钢的熔点也下降,故钢 增加而增加,而且钢液中生成的Fe3C体 液的粘度随着碳含量的增加继续下降。 积较大;

具有珠光体、铁素体和马氏体组织的钢,导热能力加热时都 降低,但在临界点AC3以上加热将增加。

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。
导热系数与碳含量的关系
温度对钢导热系数的影响
3.2 钢液中元素氧化反应的一般规律
1、元素氧化反应类型 2、元素氧化反应的△G0及氧势图
计算钢的熔点经验式:
T熔=1538-90[%C]-28[%P]-40[%S]-17[%Ti]6.2[%Si]-2.6[%Cu]-1.7[%Mn]-2.9[%Ni]5.1[%Al]-1.3[%V]-1.5[%Mo]-1.8[%Cr]
-1.7[%Co]-1.0[%W]-1300[%H]-90[%N]100[%B]-65[%O]-5[%Cl]-14[%As]
计算钢的熔点经验式:
或 T熔=1536-78[%C]-7.6[%Si]-4.9[%Mn]34[%P]-30[%S]-5.0[%Cu] -3.1[%Ni]-
1.3[%Cr]-3.6[%Al]-2.0[%Mo]-2.0[%V]
-18[%Ti]
3.1 炼钢熔体的结构和性质
三、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。 黏度是指各种不同速度运动的液体各层之间所 产生的内摩擦力。通常将内摩擦系数或黏度系数 称为黏度。
1700℃
6.93 6.81 6.81 6.82 6.83 6.70 6.57 6.50 6.47 6.43
3.1 炼钢熔体的结构和性质
二、钢的熔点
指钢完全转变成均一液体状态时的温度,或是冷凝时 开始析出固体的温度。钢的熔点是确定冶炼和浇铸温度的 重要参数,纯铁的熔点约为1538℃,当某元素溶入后,纯 铁原子之间的作用力减弱,铁的熔点就降低。降低的程度
1550℃
7.04 6.96 7.01 7.06 7.05 6.89 6.78 6.70 6.64 6.57
1600℃
7.03 6.95 6.97 7.01 7.01 6.84 6.73 6.65 6.61 6.54
1650℃
7.00 6.89 6.93 6.98 6.97 6.80 6.67 6.59 6.55 6.52
取决于加入元素的浓度、原子量和凝固时该元素在熔体与
析出的固体之间的分配。
各元素使纯铁熔点的降低可表示为:
1020 (1 ) [%i]液 Mi
Mi为溶质元素i的原子量; [%i]液为元素i在液态铁中的质量百分数; K为分配系数,而K=[%i]固/[%i]液,(1-K)则 称为偏析系数。


3.1 炼钢熔体的结构和性质
四、钢液的表面张力 钢液因原子或分子间距非常小,其间的吸引力较强,而 且钢液表面层和内部所引起的这种吸引力的变化是不同的。 内部每一质点所受到的吸引力的合力等于零,质点保持 平衡状态; 而表面层质点受内部质点的吸引力大于气体分子对表面 层质点的吸引力,这样表面层质点所受的吸引力不等于零, 且方向指向钢液内部。 这种使钢液表面产生自发缩小倾向的力称为钢液的表面 张力,用符号σ 表示,单位为N/m。实际上,钢液的表面张 力就是指钢液和它的饱和蒸气或空气界面之间的一种力。
第三章
炼钢生产的理论基础
3.1 炼钢熔体的结构和性质 3.2 钢液中元素氧化反应的一般规律 3.3 硅、锰的氧化反应 3.4 钢液的脱碳 3.5 钢液的脱磷 3.6 钢液的脱硫 3.7 其它元素的氧化 3.8 钢液的脱氧和合金化 3.9 钢中的气体和非金属夹杂物 3.10 钢液搅拌
3.1 炼钢熔体的结构和性质
3.4 钢液的脱碳
1、碳氧化反应和碳氧积
[C ] [O] CO PCO 1 K [%C ][%O] f O f C
[%C ][%O] m Kf C f O PCO
1
PCO=1,m=[%C][%O]称为碳氧积。在一定温度下,m=常数 [%C][%O]=mPCO,PCO↓,[%C][%O]↓
2)渣氧化能力:aFeO↑,LM↑ 3)碱度及氧化物性质:rMO↓,LM↑;但rMO和MO的化学性 质有关,形成酸性氧化物的元素,在碱性渣中易氧化;形 成碱性氧化物的元素,在酸性渣中易氧化。 4)多种元素的选择氧化:△G最小的元素先氧化。

1/2O2 + 2(Fe2+) 渣 Fe
2 (Fe3+)+(O2-)
3、元素氧化的热力学条件 4、炉渣传氧示意图
1、元素氧化反应类型
2x 2 1) [ M ] O2 ( M x O y ) y y 2) x[ M ] y ( FeO) ( M x O y ) y[ Fe] 3) x[ M ] y[O] ( M x O y )
2、元素氧化反应的△G0及氧势图
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