钢铁冶金原理碳的氧化

%CO%O mPCO
CO气泡在铁液内：
2 %CO%O mPCO m Pg r
采用真空操作 ，加速脱碳。
Pg ，减小
m、 s 可使
%CO%O
§4.3.2 脱C反应的动力学
1、过程机理
⑴氧从炉气向钢液中传递：（经过熔渣） 向渣中传递（渣气界面）
GO =-136900-43.51T J mol 1
GO =-22364-39.63T J mol 1
C O CO
此反应主要发生在铁水与炉底耐火材料的接触面上及铁水中的CO气泡表面上。
⑶熔渣中(FeO)的脱C：
C FeO Fe CO
2、碳氧浓度积 钢水中的脱C：
图8—1 熔池吹氧示意图(吹氧脱碳操作
图8—2氧气顶吹转炉氧射流与熔池相互作用示意 图
⑵回旋燃烧：当风速较大时，鼓风吹 动风口前的焦炭，形成一个疏松而近
似球形的回旋区，焦炭随鼓风作高速
回旋运动。
这在强化冶炼的中小高炉和大高 炉上出现。沿风口中心线燃烧带内气 相成分变化如图所示。
§4.2 生铁的渗碳 §4.2.1 CO-CO2气体对铁的渗C反应
（2）
aC 饱 C 饱 X C 饱 1
C 饱 =
fC 饱
1 X C 饱
(3)
1 1 5 X C 饱
(4)
(3)、(4)带入（2）中：
1 X C 饱
1 0 0 = C fC 饱 = C 1 5X
=
0 C
C 饱
1 5 X C 饱 X C 饱
dnC d dnO d
vO
Vm
dCO d

vC vO


d %C m d %O m 100 16 d 100 12 d
d %C 1 d %O 1 d 12 d 16
§4.3 炼钢过程的脱碳
炼钢过程的主要反应是脱C，需要从铁水中去掉较多的C量，冶炼时间与C 氧化速率有关，由于碳氧化形成了大量的 CO气泡，促进了熔池内其它化学反 应的进行，加强了熔池的传热与传质。
§4.3.1 碳氧化反应的热力学 1、C氧化反应的类型
⑴气体O2的脱C： ⑵铁液中[O]的脱C：
C 1 O2 CO 2
2
当铁液中渗碳量较低时（〔%C〕<1）时：
X C
55.85 %C 0.0465 %C 100 12
§4.2.2 铁液的渗C 海绵铁渗C后熔点不断降低熔化成为铁液，下落过程中会进一步溶解渗C使[%C]升高。
Fe C焦 Fe C
3
铁中碳的溶解度计算式：
⑴熔池内பைடு நூலகம்：
只有钢水内部CO气泡内PCO满足下列条件时，气泡才能形成
2 PCO Pg m m g s s g r
PCO
：气泡内CO的压力，Pa；
Pg
：炉气压力，Pa；
m m g ：钢夜的静压力，Pa；（ 钢夜的深度，m, 钢夜的密度，） m m
s s g
fC fO 1
K
PCO %C %O
，
1 %C %O m K PCO
T=1873K,m=0.0025 当 PCO 1atm
，
%C %O mPCO 0.0025PCO
（称为碳氧浓度积）
%C %O m 0.0025
3、钢液不同部位的碳氧浓度积 由于钢液不同部位的PCO不同，故有不同的碳氧浓度积。
生铁的渗C作用开始于固态海绵铁的渗C，大量发生则是当铁滴落的过程中 溶解碳素而形成。
海绵铁 2CO C烟 CO2
C烟 C 海绵铁
2CO C CO2
PCO2 PCO
G=-166550+171T J mol 1
K
aC
⑶悬浮的金属液滴：当金属液滴进入熔渣或炉气中时,液滴表面的碳氧化形成 CO气泡。
铁滴位于气泡内部,
2 0 r
(r<0)，
PCO Pg
2 r
在铁液内产生CO气泡则：
PCO Pg
2 ，随着CO气泡的长大，当内压大 r
2 m Pg r
于外压时液滴爆炸，脱碳加速。 铁在铁液内部：
↑→
%O平
钢夜-熔渣界面： PCO 1atm ，
%C %O m 0.0025
r
，附加压力
⑵钢液表面：钢液表面形成的CO气泡为平展气泡，
2 0 r
， m 0
，
，
s s g
值较小，故： PCO Pg
%C %O mPCO mPg m 0.0025
表面传质并吸附。
（钢渣界面）
钢-渣界面的[O]向钢水中传递，[O]、[C]向CO气泡表面或炉底耐火材
⑶吸附的[O]、[C]发生界面化学反应
C O CO
⑷CO气泡成核并长大，经钢、渣排入炉气。 因此过程的限制性环节可能是钢水中[O]、[C]向CO气泡表面或炉底耐 火材料表面的扩散，也可能是CO气泡的形核与长大。由于有非均相形核条 件，往往[O]、[C]的扩散成为限制性环节。[O]、[C]传质系数为同一数量级， 因而： [%C]> [%C]临，[O]的扩散为限制性环节。 [%C]< [%C]临，[C]的扩散为限制性环节。 2、[%C]> [%C]临时的脱C速率（[O]的扩散为限制性环节）
,
GO =98799-90.76T J mol 1
GO =-22364-39.63T J mol 1
C O CO
K
,
PCO PCO aC aO f C f O %C %O
由于平衡时，钢液中的
%C
、 %O
很低，可以认为
2 r
：炉渣的静压力，Pa； ：气体的附加压力，Pa；（
： N m1 ；r半径，m）
故：
%C %O mPCO 0.0025 Pg m m g s s g

PCO ↑→
2 r
↑。
钢夜深度↑→ m m g ↑→
%C %O
CC
%C m
100 12
mol m 3
CO
vC
%O m
100 16
Vm dCC d
mol m 3
d %C m d 100 12 d %O m d 100 16

；
根据双膜理论，高温下界面化学反应速率很快，过程由（1）、（3）混合限制：
vO
式中:
k m L0 FeO %O d %O % FeO d 1 k m / k S L0 FeO L0 FeO
， k s FeO
A km 0 Vm
M0 A s Vm m M FeO
；
碳氧反应在炼钢过程中的作用
把钢液中的碳含量氧化降低到所炼钢号的规格内。这是炼钢的任务之一。 碳氧反应时产生大量的C0气泡，这些气泡从钢液中排出时，对熔池有一种强 烈的搅拌作用，它均匀了钢液的成分和温度，改善了各种化学反应的动力学条 件，有利于炼钢中各种化学反应的进行。 碳氧反应产物C0气泡，对于钢液中的N、H相当于一个小真空室，钢液中的气体 很容易扩散到这些上浮的C0气泡中，并随之排除到大气之中，所以脱碳反应是 去除钢中气体所必需的手段之一。 非金属夹杂物上浮的速度主要取决于非金属夹杂物的大小。碳氧反应对熔池 的搅拌作用促进了非金属夹杂物的碰撞长大，从而显著地提高了上浮速度。另 外，C0气泡表面也可粘附一部分非金属夹杂物使其上浮入渣。所以，碳氧反应 是去除钢中夹杂物所必需的手段之一。 碳的氧化反应放出大量的热，是氧气转炉炼钢的重要热源。同时，由于C0气泡 的大量产生，使转炉内产生大量的泡沫渣，增加了钢—渣接触面积，有助于反 应速度的提高。
C
：海绵铁中的C以纯石墨为标准态的活度系数。
P313解释 已知：
fC
1 1 5 X C
（1）
PC PC C X C K H fC X C
KH 0 C fC C fC PC
当海绵铁渗C饱和时：
0 C 饱 = C fC 饱
钢铁冶金原理
冶金技术2班 305宿舍：李晓贵 刘春雨 张冰 刘明志 胡胜来
1.氧气流股与金属液间的C—O反应 该反应放出大量的热，是转炉炼钢的重要热源。在转炉炼钢的氧流冲击区 及电炉、平炉炼钢采用氧管插入钢液吹氧脱碳时，氧气流股直接作用于钢 液，均会发生此类反应。脱碳示意图分别如图8—1和图8—2所示。流股中 的气体氧{02}与钢液中的碳原子[C]直接接触，反应生成气体产物一氧化碳 {CO}，脱碳速度受供氧强度的直接影响，供氧强度越大，脱碳速度越快。
1 5 X C 饱 1 = 1 5 X C 1 5 X C X C 饱
0 C = C fC =
1 5 X C 饱 X C 饱
2



%CO P K 1 X C 100 100 %CO C
%CO P K 1 5 X C X C 饱 X C 100 100 %CO 1 5 X C 饱
%CO2 P 100 100 %CO 100 X C X C C 2 2 C %CO P %CO 2 P 100
2
%CO P K 1 X C 100 100 %CO C
%C =1.34+2.54 103 t （℃）
铁液中其它元素对碳的溶解度的影响：
%C =1.34+2.54 103 t 0.04 %M n 0.30 %Si 0.35 % P 0.40 % S
①Nb、V、Cr、Mn等能形成比Fe3C稳定的碳化物，使[%C]↑ ②Si、P、S等能形成比Fe3C稳定的含铁化合物，使[%C]↓
vC
d %C 12 d %O d 16 d
O
的扩散由以下的环节组成：
（1）渣中
FeO
向渣钢水界面的扩散

FeO FeO
；
（2）界面反应：FeO Fe O
；
（3）渣钢界面的 O

向钢水中的扩散： O O
1 O2 2FeO Fe2 O3 2
钢渣界面
1 1 O2 Fe2 O3 2 Fe O2 2


4Fe2 O3 Fe 5 Fe 2 7 O 2 O
⑵氧从炉渣中向钢液中传递：


Fe2 O3 Fe 3FeO
FeO Fe O