炼钢基本原理

1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合金。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到合适的范围。

(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)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)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、Fe2O3)；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：

CaO MgO MnO FeO CaF2Fe2O3A12O3TiO2SiO2P2O5

碱性←——中性——→酸性

2.2炼钢炉渣的主要性质

(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，而[O]+2[Me]＝2MeO，可看作是元素Me的间接氧化。

由于熔池中Fe原子数远大于其它元素的原子数，所以在氧流作用区，氧首先与铁结合成FeO，表面生成FeO薄膜的金属液滴随氧气射流急速前进，参与熔池的循环运动，将氧传给金属，并氧化杂质，起到了间接氧化的作用，即：

[FeO]＝[Fe]+[O][Si]+2[O]＝[SiO2]