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]
[Mn]+[O]＝[MnO]
2[P]+5[O]＝[P2O5]
[C]+[O]＝[CO]
[C]+[O]＝[C O2]
从上可知，吹入熔池中的气体氧，一部分溶入金属，一部分与杂质元素反应，一部分则以FeO形式进入炉渣。

实际熔池中的传氧过程，很难区分是直接氧化还是间接氧化，两者几乎同时存在，只是随供氧条件不同各自所占比例不同而已。

目前，大多数人认为，在氧气顶吹转炉中，是以间接氧化方式为主。

理由是：氧气顶吹转炉供氧速度大，氧气射流又集中于作用区附近，而不是高度分散在熔池中，因此当其它元素还未来得及到达氧气泡表面时，氧巳和接触表面上大量存在的铁原子首先结合成FeO了。

同时，由于氧气泡表面温度很高(2200℃以上)，使Si、Mn对[O]的亲和力减弱。

另—方面，当金属液不与炉气中的气态氧直接接触或接触很少时，如在平炉、氧气顶吹转炉高枪位操作时的情况。

这时气态氧主要通过炉渣以下列方式传入金属：
首先气—渣界面上的(FeO)被氧化成高价氧化铁；
(FeO)+1/2O2＝(Fe2O3)
由于熔池的对流作用，当含Fe2O3高的炉渣与金属液接触时，又被还原(Fe2O3)+[Fe]＝3(FeO)
3.1炼钢熔池中元素的氧化次序
(1)纯氧化物的分解压
熔池中元素被大量氧化的先后次序，取决于它们与氧的亲和力的大小。

一般用该元素氧化物的分解压来表示该元素与氧的亲和力的强弱。

纯氧化物的分解反应可用下式表示：
K＝P O2
此P O2即称为该氧化物的分解压。

通过实验测得不同温度下的分解压，即可绘出P O2-t℃的关系曲线图1。

图1曲线的位置愈低，表明该氧化物的分解压愈小，该氧化物愈稳定，即该元素易被氧化。

3.1脱碳反应
(1)脱碳反应的作用。

碳—氧反应是炼钢过程中的一个主要反应。

将熔池中的碳氧化脱除至所炼钢种的要求，是炼钢的基本任务之一。

而脱C反应的产物—CO气体从熔池中排出时，剧烈地搅动金属液与炉渣而产生“沸腾”现象，加速了传质和传热过程，均匀了熔池的成分和温度．并有利于冶金物化反应的进行。

同时，也有利于熔池中有害气体和非金属
夹杂物的排除。

因此，脱C反应实质上是完成炼钢任务的重要手段。

(2)脱碳反应式。

溶解于金属液中的C，通常以[C]表示。

在氧气炼钢中，一部分C可在反应区同气体O2接触而被氧化
[C]+O2＝CO
[C]也同溶于金属中的[O]发生反应而氧化去除，其反应式为：
[C]+[O]＝CO
[C]+2[O]＝CO2
在通常的熔池中，C大多数按式[C]+[O]＝CO发生反应，即C的氧化产物绝大多数是CO而不是CO2。

因为当熔池中C高时，CO2也是C的氧化剂，将发生下列反应：
[C]+CO2＝2CO
当反应达平衡时，其平衡常数可写为：
K=
P co [%C]∙[%O]
(3)炼钢熔池中[C]+和[O]浓度的关系。

为便于分析，常Pco取为一个大气压，可简化为：
Kc=
1 [%C]∙[%O]
[%C]∙[%O]=
1 Kc
由于Kc随温度的变化不大，在炼钢温度范围内Kc为一定值，用m代表则可写出
m=[%C]∙[%O]
m称为碳氧浓度积，它具有化学反应平衡常数的性质，在—定温度和压力下应是一个常数，而且与反应物和生成物的浓度无关。

据此可作出在一定温度下的[C]-[O]平衡曲线，如图2所示。

由图2可看出．熔池中平衡时碳和氧的浓度间具有等边双曲线函数的关系。

这种关系显示了熔池中碳和氧的浓度是相互制约的，即熔池中含氧量主要决定于含碳量，碳越低氧含量就越高。

实验测得在1600℃时、Pco=1.01325×105Pa时，m＝0.0025，这是炼钢文献上常用的理论上的碳氧浓度积数值。

在实际炼钢熔池中，[%C]与[%O]的数值与平衡值偏离较大。

各种炼钢方法中实际的熔池含氧量都高于相应的理论含量，即[O]实际＞[O]平衡。

这说明熔池中存在着若干过剩氧，即⊿[O]＝[O]实际一[O]平衡。

虽然如此，从图3中仍可看出,实际熔池中的碳、氧含量之间仍保持有近似等边双曲线的关系。

由此可知，熔池中实际含氧量仍主要决定于含碳量，即[C]高，则[O]低，[C]低，则[O]高。

3.2硅的氧化和还原
在炼钢金属料—铁水和废钢中，均含有一定数量的Si。

Si在铁液中有无限溶解度，它与铁的稳定化合物为FeSi，在炼钢温度下Si可氧化成稳定的化合物SiO2。

(1)硅的氧化。

在任何一种炼钢操作中，由于SiO2的分解压低，所以在熔炼初期即被迅速氧化，并放出大量的热。

其氧化反应式为：
2(FeO)+[Si]=SiO2+2Fe+341224KJ
由于Si的氧化为强烈的放热反应，故温度低有利于Si的氧化。

Si氧化时产生的SiO2起初与(FeO)结合成硅酸铁，即：
在碱性操作法中，随着石灰的逐渐熔化，(FeO)被强碱性的氧化钙所置换：
硅酸钙很稳定，故在碱性渣中，冶炼前期Si几乎全部被氧化．而不会再
被还原。

(2)硅的还原。

在酸性操作中，酸性渣中的(SiO2)经常是过饱和的(SiO2=50％)，而且炉底、炉衬均含有SiO2，这些都是Si还原的有利条件。

因此、当熔池温度升高到一定程度后，将发生Si的还原反应。

一般认为Si的还原按以下反应方程式进行，即：
(SiO2)+2C=Si+2CO
由反应式可知，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。

因此，在加矿期，熔渣与金属界面上有末熔的矿石颗粒时，其上的孔隙可成为CO气泡的核心，故渣中的(SiO2)可被还原；在酸性炉底有很多小孔隙，也可成为CO气泡的核心，所以炉底的SiO2也可被还原。

另外，酸性炉衬中的SiO2也可被分解而进入金属。

3.3锰的氧化和还原
与硅相同。

炼钢熔池中总合有一定量的锰。

锰也能无限溶于铁液中。

锰的氧化产物为MnO，其氧化反应式为：
Mn+FeO=MnO+Fe+123511KJ
在有过量(FeO)存在时，(MnO)、(SiO2)、(FeO)将结合为(Fe、Mn)2SiO2，随着(CaO)的增加，(Fe、Mn)2SiO2逐渐向Ca2SiO4转变，即：
Mn的氧化还原与Si的氧化还原相比，有以下基本特点：
1)在冶炼初期Mn和Si一样被迅速大量氧化．但Mn的氧化程度要低些，这是由于Si与氧的结合能力大于Mn与氧的结合能力。

2)MnO为弱碱性氧化物，在酸性渣中大部分(MnO)将生成较稳定故硅
酸盐，因此，酸性渣下Mn的氧化较完全，不易被还原。

在碱性渣中的(MnO),则大部分里自由状态存在。

因此，在一定条件下可以被还原。

由于Mn的氧化反应是放热反应，故温度升高有利于Mn的还原，所以在冶炼后期，将有一定量的“余锰”存在。

3.4脱磷反应
(1)磷对钢性能的影响。

在液体铁中，磷以元素磷的形式。

也能以磷化铁(Fe3P和Fe2P) 的形式存在。

(2)脱磷的基本反应。

在碱性炼钢法中，P的氧化是在炉渣—金属液界面进行的，其反应式为：
生成的磷酸铁在高温下很不稳定，可重新分解出P2O5。

而P2O5的分解压较大，是个不稳定的氧化物。

因此，仅靠生成P2O5是不能把磷去除的。

但P2O5是酸性氧化物，若用碱性氧化物与其结合成稳定化合物则可去除。

一般认为，在碱性渣中P2O5与CaO形成稳定的化合物。

因此，碱性操作中需加入石灰使P2O5形成稳定的3CaO.P2O5或4CaO.P2O5存在于渣中，才能有效地脱磷，即
(3)脱磷基本条件的分析。

影响脱磷过程的因素较多，主要是炉渣成分和温度，而炉渣成分又主要体现在炉渣的碱度和氧化性(氧化铁含量)上。

此
外，钢液其它成分、炉料含磷量、渣量和炉渣粘度等，也对脱磷过程有一定程度的影响。

1)炉渣成分的影响：由脱磷的基本反应式可知，高碱度、高氧化铁炉渣有利于去磷。

2)温度的影响：脱磷是强放热反应，所以高温不利于去磷。

同时，高温促使脱碳反应速度增加，使渣中(FeO)含量显著降低，也不利于去磷。

但熔池温度的提高，将加速石灰的熔化，加强钢渣界面的反应。

所以从动力学角度来看，过低的温度也不利于磷的去除。

3)金属成分的影响：钢液中其它元素和杂质对脱磷反应也有一定影响。

一般说来，某元素与氧的亲和力大于磷与氧的亲相力时，则该元素将阻碍磷的氧化。

这个影响主要在炼一炉钢的初期有一定作用，而更主要的作用是它们的氧化产物影响炉渣的性质。

如铁水中含Si过高，影响炉渣碱度而不利于去磷，Mn高则使渣中(MnO)增高，有利于化渣而促进脱磷等。

4)渣量的影响：增加渣量可以促进脱磷。

因增加渣量意味着稀释，多次换渣操作是脱磷的有效措施，但金属和热量的损失较大。

(4)回磷。

在冶炼或出钢过程中，如果炉温过高，碱度、(FeO)过低，往往会使已脱除到渣中的磷又返回到钢液中去，这个现象就叫做“回磷”。

冶炼过程中的回磷现象，一般开始于炉内预脱氧期，直至出钢。

其后，在盛钢桶中的回磷延续到浇注完毕。

在脱磷过程中，如果操作不当，也会出现含磷量回升的现象．例如，氧气转炉发生炉渣返干现象，渣中(FeO)低；或熔池温度过高，都将发生回磷。

熔炼末期向炉内或出钢过程向钢包内的钢水中加入脱氧剂，将使钢中氧及渣中(FeO)下降，发生下列反应：
钢中硅和铝的含量越高则回磷现象越严重。

出钢后，钢液在钥包内镇静和浇注延续时间较长，由于炉渣溶解酸性包衬而降低了碱度，使浇注末期金属含磷量升高。

为了抑制回磷现象，在生产中常用的办法是：出钢前向炉内加入石灰，使终渣变稠以防出钢时下渣；或用挡渣球等机械方法防止下渣；出钢时向钢包渣而上加入小粒石灰以减弱炉渣的反应能力；尽可能缩短钢液在钢包内的停留时间。

3.5脱硫反应
硫在铁液中以FeS形式存在，1600℃下硫在钢中能无限溶解，但其溶解度随温度的降低而减小，在固态铁中的溶解度很小。

因此．在钢液凝固过程中，低熔点(1193℃)的FeS将浓聚于液相中，并将与Fe形成低熔点共晶(988℃)，最后凝固时形成网状组织分布于铁晶粒周界上。

当钢在热加工的加热过程中，温度超过1100℃左有时，富集于晶界的低熔点硫化物将使晶界成脆性或熔融状态，在轧制或锻造时，即出现断裂，这种现象称为“热脆”。

脱硫反应一般在还原期进行，其反应如
下：(CaO)+[FeS]=(CaS)+[FeO]
影响炉渣脱硫的因素：
A炉渣碱度的影响
高碱度渣有利于脱硫。

但脱硫是在钢渣界面进行的反应，在炼钢温度下，若炉渣碱度过高，炉渣粘度增大，从而增加了反应物[FeS]通过钢—渣界面的阻力，亦降低了脱硫产物(CaS)离开反应区的扩散速度。

因此，在提高碱度的同时，必须保证护渣具有良好的流动性。

渣碱度与脱硫分配比的大致关系如图所示。

B渣中氧化铁含量的影响
渣中(Fe0)含量对脱硫的影响比较复杂。

从脱硫反应方程式知，(Fe0)越低，则Ls(Ls=(%S)/[%S])越大如图3，故降低氧化铁有利于脱硫反应的进行。

C温度的影响提高温度有利于脱硫。

因脱硫是吸热量较小的反应，温度对反应影响不大。

更重要的影响是高温能促进石灰的渣化和提高护渣的流动性，从而增加脱硫效果。

D渣量的影响
增大渣量对脱硫有利。

但渣量要适当，以避免渣层过厚，使脱硫反而不活跃。

另外。

还应加强钢—渣搅拌扩大反应界面，以利于脱硫反应的进
行。

如电炉出钢时采用钢—渣混出的方式，使渣—钢强烈搅拌，反应界面大大增加有利于脱硫。

应该指出，过分提高碱度或增大渣量及多次放渣、造渣等，不仅给操作带来困难，而且影响技术经济指标。

因此，降低钢中含硫量的主要途径是控制原料的含硫量。