有关炼钢炉渣的基本知识

3熔渣的分子离子共存理论
综合了分子理论和离子理论的优点，分子离子共存理论认为： （1）熔渣由简单阳离子和阴离子Fe2+、Ca2+、 O2-、S2-、F 等及未分解的化合物SiO2 、硅酸盐、磷酸盐、铝酸盐等组成； （2）离子和分子之间存在着动平衡关系，其反应遵守质量作 用定律； （3）认为熔渣中分子、离子是理想溶液。
3炉渣化学组成
不同冶炼方法对熔渣的要求不一样，其成分也不同； 同一冶炼方法的不同阶段熔渣成分是不断变化的。碱 性渣可以去除钢中的有害元素P、S，酸性渣可以降低 气体和夹杂，氧化渣可以向熔池传氧，还原渣可以脱 氧并提高脱硫效率。 根据炉渣的来源，炉渣化学组成见表5-4。（P52）
4炼钢生产过程中熔渣的主要作用
2熔渣组成的主要来源
（1）生铁或废钢中所含元素（铝、锰、磷、硫、钒、 铬、铁等）氧化时形成的氧化物； （2）作为氧化剂或冷却剂使用的矿石和烧结矿等； （3）金属材料带入的泥沙或铁锈； （4）加入的造渣材料（石灰、石灰石、萤石、铁钒土、 粘土砖块等）； （5）由炉衬浸蚀熔于炉渣的耐火材料； （6）脱氧剂、合金的脱氧产物，熔渣的脱硫产物。
（1）通过调整熔渣成分氧化还原钢液，使钢液中硅、 锰、铬等元素氧化或还原的硫、磷、氧等元素； （2）吸收钢液中的非金属夹杂物； （3）防止炉衬的过分侵蚀； （4）覆盖钢液，减少散热和防止二次氧化和吸氢。
5固体保护渣用于连铸对提高产品 的质量和产量起显著的作用
（1）起隔热保温、防止钢液的氧化和氮化作用。 （2）吸收钢液中的非金属夹杂物。 （3）改善钢凝固时的传热，减少凝固过程中的热应力。
§5.2炼钢炉渣（1）
一 有关炼钢炉渣的基本知识 二 炼钢过程中的主要渣系相图 三 熔渣的结构理论
一 有关炼钢炉渣的基本知识
1炼钢炉渣分类 2熔渣组成的主要来源 3炉渣化学组成 4炼钢生产过程中熔渣的主要作用 5固体保护渣用于连铸对提高产品的质量和产量起显著的 作用
1炼钢炉渣分类
根据炼钢过程目的的不同，炼钢炉渣可分为4类： 1）以铁水预脱硫为目的的还原渣。 2）精炼粗金属，其中元素氧化形成的氧化物组成的炉 渣，称为氧化渣，主要指转炉炼钢渣。 3）将原料中的某些有用成分富集于炉渣中，以利于下 道工序将它回收的炉渣，称为富集渣，例如吹炼含钒、 铌生铁得到的钒渣、铌渣等。 4）采用各种造渣材料预先配制的炉渣，称为合成渣。 如连铸用保护渣。炼钢工艺的发展对熔渣提出了新要 求，应选择、采用合适的渣系以满足冶金生产的需要。
2熔渣的离子理论
(1)熔渣中存在如Fe2+、Ca2+、Mn2+、Al3+、 Mg2+等的阳离 子和如O2-、S2-、F -、SiO44-、PO43-、AlO33-等的阴离子， 阴阳离子所带电荷总量相等，熔渣本身呈电中性。 (2)在酸性渣中， SiO44-离子的氧被共有、聚合成类似SiO44-正 四面体基本结构，聚合成多种形式的巨大的阴离子团，见图515，这造成同样温度下，酸性渣比碱性渣粘度高。硅氧复合阴 离子结构的变化是通过简单硅氧复合阴离子的聚合，形成更为 复杂的硅氧复合阴离子进行的。这种聚合是由熔渣中O/Si原子 比决定的。随着O/Si原子比的降低，符合阴离子的结构变复杂， 表现在聚合的四面体数增多，而离子的半径变大。 (3)认为熔渣中不同阴离子之间或不同阳离子之间是没有区别的， 也就是阴阳离子是理想溶液。 (4)为了保持钢渣界面电中性，钢渣界面上阳离子或原子得到电 子，阴离子失去电子。发生传氧和脱硫等电极反应。
（3）CaO-CaF2相图
CaF2的熔点仅为1390℃,与CaO形成的共晶熔点为 1360℃，对CaO来说，随CaF2成分增加，熔点迅速降 低，可见CaF2有利于渣化。
（4）CaO-Al2O3相图
•CaO-Al2O3相图中有12CaO-7Al2O3 、 CaO-Al2O3 、 CaO2Al2O3 、 CaO-6Al2O3等多个稳定化合物，这些化合物的熔 点随Al2O3含量增多而升高，以12CaO-7Al2O3的熔点最低 (1455℃)。为了防止连铸钢水中Al2O3夹杂堵塞水口，可以通 过喷粉、喂线等措施生成12CaO-7Al2O3加以解决。
目前公认的熔渣结构理论有：分子理论、离子理论和分子 离子共存理论。 1熔渣的分子理论 2熔渣的离子理论 3熔渣的分子离子共存理论
1熔渣的分子理论
(1)熔渣是由各种电中性的自由氧化物分子（如FeO、CaO、 MgO、Al2O3、SiO2、P2O5等）及他们之间形成的复杂化合物 分子（如CaO· SiO2、2CaO· SiO2、2FeO· SiO2、4CaO· P2O5等） 即自由简单分子和复杂分子组成的理想溶液。 (2)各种自由氧化物和其形成的复杂化合物分子之间存在着生成 和分解的平衡反应，处于化学动平衡状态。 (3)熔渣中每种氧化物都有两种不同的存在状态，以简单氧化物 分子存在的叫自由氧化物，以复杂化合物分子存在的，叫结合 氧化物。而只有自由氧化物分子才有与钢液反应的能力。 (4)假定熔渣是理想溶液时，自由氧化物的浓度就等于其活度， 用质量分数表示，可以应用质量作用定律。
(2) MnO-SiO2相图
相图中有MnO· SiO2和2MnO· SiO2两种较低熔点的稳定化合 物，MnO· SiO2熔点1251℃，2MnO· SiO2熔点1345℃，为了 保证浇铸时钢液的流动性，促使夹杂物上浮，应尽量使得 钢液中形成MnO· SiO2和2MnO· SiO2脱氧产物，MnO· SiO2 [ Mn ] / [ Si ] 中一个锰原子、一个硅原子，两者原子量比值为： =56/28=2.0，故一般钢种要求 [ Mn ] / [ Si ] >2.5,有时要求 [ Mn ] / [ Si ] 大于 2.8，甚至在3.0以上。
（2）CaO-SiO2-Al2O3相图
为获得良好的连铸结晶器保护渣的性能、保证炉外精炼 渣的熔化以及保证脱氧产物的上浮排出，需要应用CaOSiO2-Al2O3相图。具体选择在(CaO)/ (SiO2)=0.65～1.10， (Al2O3)＜10%，熔化温度在1000℃的范围较为合适。
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三 熔渣的结构理论
2主要三元相图
（1）CaO-FeO-SiO2相图 （2）CaO-SiO2-Al2O3相图
（1）CaO-FeO-SiO2相图
炼钢化渣应考虑应用CaO-FeO- SiO2相图。图5-13是CaO-FeOSiO2熔渣三元状态图的等温截面图，看起来虽然复杂，实际上 它仍然是由成分三角形、共晶点和一系列等温线组成。偏CaO 顶角处熔点最高；SiO2角温度线较密，说明有大范围的硅酸盐 分熔区；在两者之间是炼钢温度1600℃以下的两个液相区，一 个是从CaO.SiO2组成点开始伸向FeO角方向，熔点随FeO含量 的升高而降低；另一个是从2CaO.SiO2组成点开始，熔点也随 FeO含量的升高而降低，但最低温度仍在1300℃以上，转炉炼 钢熔渣成分就在此区域内变化。 这个相图中共晶点是一个三元化合物CaO-FeO- SiO2 ，熔点约 1200℃。FeO含量较高是炉渣容易熔化的主要原因。
二 炼钢过程中的主要渣系相图
1主要二元渣系相图 2主要三元相图
1主要二元渣系相图
（1）CaO-SiO2相图 (2) MnO-SiO2相图 （3）CaO-CaF2相图 （4）CaO-Al2O3相图
（1）CaO-SiO2相图
相图中有2CaO· SiO2（用 C2S表示）、CaO· SiO2（用 CS表示）两个稳定化合物，其中2CaO· SiO2的熔点高 达2030℃，会造成熔渣返干；相图中还有两个不稳定 的3CaO· SiO2（用C3S 表示）和3CaO· 2SiO2（用 C3S2 表示）化合物。 CaO-SiO2系对碱性熔渣来说是最重要的二元系。 C2S：熔点2130℃，由熔点到常温有三种晶型：；冷 却到675℃，体积膨胀高达12%，这个转变往注导致炉 渣和耐火材料的粉化或碎裂。