鋼鐵冶金學煉鋼部分備課講稿

1、鋼鐵冶金學煉鋼部分鋼鐵冶金學煉鋼部分1) 1) 脫碳；脫碳；2) 2) 脫磷；脫磷；3) 3) 脫硫。脫硫。煉鋼任務：煉鋼任務：伴隨脫碳反應，伴隨脫碳反應， 鋼的熔點提高。鋼的熔點提高。煉鋼任務：煉鋼任務：4)4)升溫升溫 1200 1200 1700 1700伴隨脫碳反應，鋼液伴隨脫碳反應，鋼液OO含量增加。含量增加。C(石墨石墨)+1/2O2=CO G 11620483.62T1C(石墨石墨)=C G 2131841.8T21/2O2=O G 1170402.88T2 C+O=CO G 2048238.94T1Reed Thomas, Free Energy of Formation of

2、 Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 19630 00.10.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60 00.20.20.40.40.60.60.80.81 1C，w t%C，w t%O，w t%O，w t%16501650煉鋼任務：煉鋼任務：5)5)脫氧脫氧 0.3% 0.3% 0.0003% 0.0003%煉鋼任務：煉鋼任務：6) 6) 合金化合金化伴隨脫碳反應，鋼液伴隨脫碳反應，鋼液Si和部分和部

3、分Mn被氧化被氧化 。C C： 控制鋼材強度、硬度的重要元素，每控制鋼材強度、硬度的重要元素，每1 1CC 可增加抗拉強度約可增加抗拉強度約980MPa980MPa。SiSi：也是增大強度、硬度的元素，每：也是增大強度、硬度的元素，每1 1SiSi可增可增 加抗拉強度約加抗拉強度約98MPa98MPa。MnMn：增加淬透性，提高韌性，降低：增加淬透性，提高韌性，降低S S的危害等。的危害等。AlAl：細化鋼材組織，控制冷軋鋼板退火織構。：細化鋼材組織，控制冷軋鋼板退火織構。NbNb：細化鋼材組織，增加強度、韌性等。：細化鋼材組織，增加強度、韌性等。V V： 細化鋼材組織，增加強度、韌性等。細化

4、鋼材組織，增加強度、韌性等。CrCr：增加強度、硬度、耐腐蝕性能。：增加強度、硬度、耐腐蝕性能。煉鋼任務：煉鋼任務：7)7)去除去除NN、HH等氣體雜質元素等氣體雜質元素陳家祥，煉鋼常用圖表數據手冊，冶金工業(yè)出版社，1984煉鋼任務：煉鋼任務：8)8)去除非金屬夾雜物去除非金屬夾雜物 氧化物系非氧化物系非金屬夾雜物金屬夾雜物脫氧產物脫氧產物二次氧化二次氧化生成物生成物外來性夾外來性夾雜物雜物渣卷入渣卷入耐火材料融損及耐火材料融損及卷入卷入爐渣造成的氧化爐渣造成的氧化空氣造成的氧化空氣造成的氧化爐襯造成的氧化爐襯造成的氧化鋼水包襯鋼水包襯中間包襯中間包襯爐渣爐渣中間包覆蓋渣中間包覆蓋渣結晶器保護

5、渣結晶器保護渣鋼中非金屬夾雜物來源鋼中非金屬夾雜物來源 煉鋼任務：煉鋼任務：9)9)凝固成型凝固成型 煉鋼的基本任務：煉鋼的基本任務：1 1、脫碳；、脫碳；2 2、脫磷；、脫磷；3 3、脫硫；、脫硫；4 4、脫氧；、脫氧；5 5、脫氮、氫等；、脫氮、氫等；6 6、去除非金屬夾雜物；、去除非金屬夾雜物； 7 7、合金化；、合金化；8 8、升溫；升溫；9 9、凝固成型、凝固成型 。主要煉鋼工藝：主要煉鋼工藝：鐵水預處理；鐵水預處理；轉爐或電弧爐煉鋼；轉爐或電弧爐煉鋼；爐外精煉（二次精煉）；爐外精煉（二次精煉）；連鑄。連鑄。鐵水預處理鐵水預處理 脫硫預處理；脫硫預處理；三脫三脫( (脫硅、脫磷、脫硫

6、脫硅、脫磷、脫硫) )預處理。預處理。鐵水脫硫預處理：鐵水脫硫預處理：SMg(MgS)脫硫劑：脫硫劑：CaCCaC2 2, , CaO CaO、 MgMg等等脫硫率：脫硫率：40-8040-80 SS可脫除到可脫除到90903 30 0ppmppm。KR法脫硫 噴粉脫硫S(CaO)C(CaS)CO三脫三脫( (脫硅、脫磷、脫硫脫硅、脫磷、脫硫) )預處理預處理脫硅反應：脫硅反應：Si2/3Fe2O3(SiO2)4/3Fe2P3(CaO)5/3Fe2O3(3CaO P2O5)5/3Fe脫磷反應：脫磷反應：氧氣轉爐煉鋼氧氣轉爐煉鋼 主原料：主原料：鐵水、廢鋼鐵水、廢鋼輔助原料：輔助原料：石灰、螢石

7、、石灰、螢石、 鐵礦石等鐵礦石等噸位：噸位：25300t頂吹頂吹O2：33.5m3/min.t吹煉時間：吹煉時間：1525min爐齡：爐齡：200020000次次鐵水溫度：鐵水溫度：12001300鋼水溫度：鋼水溫度：16401720主要化學反應：主要化學反應：C1/2O2COCO2CO2SiO2(SiO2)Mn1/2O2(MnO)2P5/2O23(CaO)(3CaO P2O5)Fe1/2O2(FeO)S(CaO)(CaS)O不需外供熱源不需外供熱源 電弧爐煉鋼電弧爐煉鋼 主原料：主原料：廢鋼、廢鋼、DRI、 HBI輔助原料：輔助原料：石灰、螢石、石灰、螢石、 鐵礦石等鐵礦石等噸位：噸位：25

8、150t功率：功率：5001500kVA/t冶煉時間：冶煉時間：45min1.5h供熱：供熱：電弧加熱電弧加熱類型：類型：交流、直流交流、直流主要化學反應：主要化學反應：C1/2O2COCO2CO2SiO2(SiO2)Mn1/2O2(MnO)2P5/2O23(CaO)(3CaO P2O5)Fe1/2O2(FeO)S(CaO)(CaS)O煉鋼工序功能的演變煉鋼工序功能的演變 1) 脫碳；脫碳；2) 升溫；升溫；3) 脫磷；脫磷；4) 脫硫；脫硫；4) 脫氧、氮、氫等；脫氧、氮、氫等；5) 合金化。合金化?；救蝿栈救蝿諣t外精煉爐外精煉爐外精煉爐外精煉 第二章、煉鋼的基本反應第二章、煉鋼的基本反

9、應第一節(jié)、鐵的氧化和熔池傳氧方式第一節(jié)、鐵的氧化和熔池傳氧方式 1 1、氧流對金屬熔池的作用、氧流對金屬熔池的作用 頂吹氧槍頂吹氧槍O O2 2出口速度通常出口速度通常 可達可達300300350m/s350m/s；氧流與熔池作用，將動量氧流與熔池作用，將動量 傳遞給金屬液；傳遞給金屬液；金屬熔池產生循環(huán)運動。金屬熔池產生循環(huán)運動。作用區(qū)溫度作用區(qū)溫度2200 2700；光亮較強的中心光亮較強的中心 (區(qū)域區(qū)域I)；光亮較弱的外圍光亮較弱的外圍 (區(qū)域區(qū)域II)。氧流穿入熔池某一深度并構成火焰狀作用區(qū)氧流穿入熔池某一深度并構成火焰狀作用區(qū) ( (火點區(qū)火點區(qū)) ) 氧氣煉鋼中還存在乳化和泡沫現

10、象氧氣煉鋼中還存在乳化和泡沫現象 在氧流強沖擊和熔池沸騰在氧流強沖擊和熔池沸騰 作用下，部分金屬微小液作用下，部分金屬微小液 滴彌散在熔渣中；滴彌散在熔渣中；乳化的程度與熔渣粘度、乳化的程度與熔渣粘度、 表面張力等性質有關；表面張力等性質有關；乳化可以極大地增加渣乳化可以極大地增加渣 鐵間接觸面積，因而可以鐵間接觸面積，因而可以 加快渣鐵間反應。加快渣鐵間反應。乳化造成的渣鐵間接觸面積可乳化造成的渣鐵間接觸面積可達達0.60.61.5 m1.5 m2 2/kg/kg。熔池在氧流作用下形成的強烈運動和高度彌散的氣熔池在氧流作用下形成的強烈運動和高度彌散的氣體熔渣金屬乳化相，是吹氧煉鋼的特點。體熔

11、渣金屬乳化相，是吹氧煉鋼的特點。1 1氧槍氧槍2 2乳化相乳化相3 3COCO氣泡氣泡4 4金屬熔池金屬熔池5 5火點火點6 6金屬液滴金屬液滴7 7作用區(qū)釋放出的作用區(qū)釋放出的 COCO氣泡氣泡8 8濺出的金屬液滴濺出的金屬液滴9 9煙塵煙塵2 2、鐵的氧化和還原、鐵的氧化和還原 向熔池吹氧時向熔池吹氧時 第二步，吸附的氧溶解于鐵液中：第二步，吸附的氧溶解于鐵液中：tFeOFetO第一步，氣體氧分子分解并吸附在鐵的表面：第一步，氣體氧分子分解并吸附在鐵的表面：1/2O2O吸附吸附由于氧勢高，由于氧勢高，FeFe與與OO反應，生成鐵氧化物。反應，生成鐵氧化物。O吸附吸附O煉鋼條件下鐵氧化物穩(wěn)定

12、性比較煉鋼條件下鐵氧化物穩(wěn)定性比較 FeOFeO G 11244246.56 T 1,22/3Fe+O=1/3Fe2O3 G 15298887.94 T 1,23/4Fe+O=Fe3O4 G 17723292.96 T 1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963Fe3O4可以看作可以看作 為為FeO Fe2O3；FeO最穩(wěn)定；最穩(wěn)定；F

13、e2O3/FeO平均平均 為為0.8。爐渣的氧化作用爐渣的氧化作用 爐渣中爐渣中FeOFeO與氧與氧 化性氣氛接觸，化性氣氛接觸， 被氧化成高價氧被氧化成高價氧 化物化物FeFe2 2O O3 3；渣鐵界面，高渣鐵界面，高 價價FeFe2 2O O3 3被還原被還原 成低價成低價FeOFeO；氣相中的氧因此氣相中的氧因此 被傳遞給金屬熔被傳遞給金屬熔 池。池。當傳氧過程達到平衡時，鐵液中當傳氧過程達到平衡時，鐵液中OO達到飽和，達到飽和，OO飽和含量由爐渣的氧化性所確定。飽和含量由爐渣的氧化性所確定。2.431T5870OalogFeOFeOFeO G 11244246.56 T 1,21Re

14、ed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 196316501650下鋼液中最高下鋼液中最高OO含量含量 0.62132.431T5870log%O飽和aFeO1，0.239%O飽和溫度溫度 1500 1550 1600 1700%O飽和飽和 0.13% 0.16% 0.20% 0.29%2.431T5870OalogFeO雜質的氧化方式雜質的氧化方式 直接

15、氧化和間接氧化直接氧化和間接氧化 間接氧化：間接氧化：氣體氧直接同鐵液中的雜質進行反應。氣體氧直接同鐵液中的雜質進行反應。直接氧化：直接氧化：氣體氧優(yōu)先同鐵發(fā)生反應，待生成氣體氧優(yōu)先同鐵發(fā)生反應，待生成FeFet tO O以后以后再同其它雜質進行反應。再同其它雜質進行反應。直接氧化在氧流金屬表面處進行：直接氧化在氧流金屬表面處進行：氧流同熔池作用區(qū)的表面；氧流同熔池作用區(qū)的表面；懸浮于作用區(qū)的金屬液滴的表面；懸浮于作用區(qū)的金屬液滴的表面；作用區(qū)周圍的氧氣泡的表面上；作用區(qū)周圍的氧氣泡的表面上；凡是氧氣能直接同金屬液接觸的表面。凡是氧氣能直接同金屬液接觸的表面。O2 2Fe 2(FeO)O2 2

16、Mn 2(MnO)O2 Si (SiO2)5O2 4P 2(P2O5)O2 2C 2COO2 C CO2間接氧化方式間接氧化方式 在氧氣泡直接同鐵液接觸的表面上，在氧氣泡直接同鐵液接觸的表面上， 氧首先同鐵結合，然后氧首先同鐵結合，然后FeOFeO擴散到熔擴散到熔 池內部并溶于金屬液中。池內部并溶于金屬液中。(FeO)OFeC C、SiSi、MnMn、P P等同等同OO反應反應 O Mn (MnO)2O Si (SiO2)5O 2P (P2O5)O C CO2O C CO2(FeO) Mn (MnO) (Fe)2 (FeO) Si (SiO2) 2(Fe)5 (FeO) 2P (P2O5) 5

17、(Fe)(FeO) C CO (Fe)2 (FeO) C CO2 2(Fe)也可以表示為：也可以表示為：多數意見認為氧氣轉爐煉鋼以間接氧化為主多數意見認為氧氣轉爐煉鋼以間接氧化為主氧流是集中于作用區(qū)附近而不是高度分散在熔氧流是集中于作用區(qū)附近而不是高度分散在熔 池中；池中；氧流直接作用區(qū)附近溫度高，氧流直接作用區(qū)附近溫度高，SiSi和和MnMn對氧的親對氧的親 和力減弱和力減弱從反應動力學角度來看，從反應動力學角度來看， C C向氧氣泡表面?zhèn)髻|向氧氣泡表面?zhèn)髻| 的速度比反應速度慢，在氧氣同熔池接觸的表的速度比反應速度慢，在氧氣同熔池接觸的表 面上大量存在的是鐵原子，所以首先應當同面上大量存在的

18、是鐵原子，所以首先應當同FeFe 結合成結合成FeOFeO。第二節(jié)、脫碳反應第二節(jié)、脫碳反應 鐵液中碳的飽和溶解度：鐵液中碳的飽和溶解度：%C1.302.5710-3 (T273)SiSi、P P、S S降低碳的溶解度；降低碳的溶解度；MnMn、V V、CrCr增加碳溶解度；增加碳溶解度；碳增加鋼材強度、硬度；碳增加鋼材強度、硬度；碳降低鋼材焊接、耐腐蝕、碳降低鋼材焊接、耐腐蝕、 冷加工性能。冷加工性能。脫碳反應是貫穿于煉鋼脫碳反應是貫穿于煉鋼過程始終的一個主要反過程始終的一個主要反應。應。反應熱升溫鋼水；反應熱升溫鋼水；影響生產率；影響生產率；影響爐渣氧化性；影響爐渣氧化性；影響鋼中影響鋼中

19、OO含量。含量。脫碳反應的產物脫碳反應的產物COCO在煉鋼過程中也具有多方在煉鋼過程中也具有多方面的作用。面的作用。從熔池排出從熔池排出COCO氣體產生沸騰現象，使熔池受到激烈地氣體產生沸騰現象，使熔池受到激烈地 攪動，起到均勻熔池成分和溫度的作用；攪動，起到均勻熔池成分和溫度的作用；大量的大量的COCO氣體通過渣層是產生泡沫渣和氣一渣一金屬氣體通過渣層是產生泡沫渣和氣一渣一金屬 三相乳化的重要原因；三相乳化的重要原因；上浮的上浮的COCO氣體有利于清除鋼中氣體和夾雜物；氣體有利于清除鋼中氣體和夾雜物；在氧氣轉爐中，排出在氧氣轉爐中，排出COCO氣體的不均勻性和由它造成的氣體的不均勻性和由它造

20、成的 熔池上漲往往是產生噴濺的主要原因。熔池上漲往往是產生噴濺的主要原因。一、脫碳反應的熱力學條件一、脫碳反應的熱力學條件 O2 2C 2COO2 C CO2 G 41632841.8 T1,2直接氧化：直接氧化： G 27504483.64 T1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963間接氧化：間接氧化：2O 2C 2CO2O C C

21、O2 G 18224847.56 T1,2 G 4096477.88 T1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963CC的氧化產物絕大的氧化產物絕大 多數是多數是COCO而不是而不是COCO2 2。CC含量高時，含量高時，COCO2 2也是脫碳反應的氧化也是脫碳反應的氧化劑劑: :CCO22CO與與Fe-O-CFe-O-C熔體平衡氣相中熔

22、體平衡氣相中COCO2 2，PCO+CO21atm溫溫 度度 %C 1500 1550 1600 1650 1700 0.01 20.1 16.7 13.8 11.5 9.5 0.05 5.6 4.3 3.3 2.7 2.1 0.10 2.8 2.2 1.7 1.3 1.1 0.5 0.44 0.34 0.26 0.21 0.16 1.00 0.16 0.12 0.034 0.07 0.06 CC含量愈高，含量愈高，COCO愈穩(wěn)定；愈穩(wěn)定；溫度愈高，溫度愈高，COCO愈穩(wěn)定。愈穩(wěn)定。C O乘積乘積：C+O=CO G 2048238.94T1,2036. 21070loglogTOCPKCO取取

23、PCO1 atm,036. 2107010TOC1Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963溫溫度度 C O 1 15 50 00 0K K 0 0. .0 00 01 17 78 81 1 1 16 60 00 0K K 0 0. .0 00 01 19 97 74 4 1 17 70 00 0K K 0 0. .0 00 02 21 16

24、61 1 1 18 80 00 0K K 0 0. .0 00 02 23 34 42 2 1 19 90 00 0K K 0 0. .0 00 02 25 51 17 7 2 20 00 00 0K K 0 0. .0 00 02 26 68 85 5 0 00.10.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60 00.20.20.40.40.60.60.80.81 1C，w t%C，w t%O，w t%O，w t%16501650實際煉鋼過程熔池實際煉鋼過程熔池OO高于理論高于理論OO含量含量 實際熔池的實際熔池的OO含量與碳氧化學平衡的含量與碳氧化學平衡的OO含量之含

25、量之差稱為過剩氧差稱為過剩氧 OO: : OO實際實際 O平衡平衡脫碳速度快，脫碳速度快， OO低；低；熔池攪拌強，熔池攪拌強， OO低；低；底吹、頂底復吹轉爐煉鋼底吹、頂底復吹轉爐煉鋼 OO低低。過剩氧過剩氧 OO的大小與脫碳反應動力學有關的大小與脫碳反應動力學有關C+O=CO G 2048238.94T1,2036. 21070loglogTOCPKCO036. 2107010TCOPOC1Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemis

26、try for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963氣相壓力對脫碳反應的影響氣相壓力對脫碳反應的影響 通過減少通過減少P PCOCO促進脫碳反應促進脫碳反應 脫碳反應的熱力學條件脫碳反應的熱力學條件 增大增大f fC C有利于脫碳；有利于脫碳；2)2)增加增加OO有利于脫碳；有利于脫碳；3)3)降低氣相降低氣相P PCOCO有利于脫碳；有利于脫碳；4)4)提高溫度有利于脫碳。提高溫度有利于脫碳。脫碳反應的熱效應脫碳反應的熱效應 1/2O2O (1)COCO (2)C+O2CO2 (4) H34830 kJ/kgCC+1/2O2CO (3) H11637

27、 kJ/kgC例題：氧化例題：氧化1 1CC可使鋼水升溫多少可使鋼水升溫多少？?。喝。?0碳氧化為碳氧化為CO，10氧化為氧化為CO2，渣量為，渣量為10kg/t，鋼，鋼 水比熱為水比熱為840J/kg/，爐渣比熱為，爐渣比熱為1250J/kg/，爐氣比，爐氣比 熱為熱為1140J/kg/。碳氧化為碳氧化為CO放熱：放熱： 10000.010.911637104580 kJ碳氧化為碳氧化為CO2放熱：放熱： 10000.010kJ每氧化每氧化1C可使鋼水升溫：可使鋼水升溫：(10458034780)/880.60115810000.010.928.01/12.0110

28、000.010.144.01/12.0124.65 kg氧化氧化1碳生成反應氣體量為：碳生成反應氣體量為：鋼水、爐渣、爐氣每升溫鋼水、爐渣、爐氣每升溫1所需要熱量為：所需要熱量為：100084010125024.651140880.601 kJ二、脫碳反應的動力學條件二、脫碳反應的動力學條件 1 1脫碳反應的環(huán)節(jié)脫碳反應的環(huán)節(jié)1) 1) 反應物反應物CC和和OO向反應區(qū)擴散向反應區(qū)擴散; ;2) C2) C和和OO進行化學反應進行化學反應; ;3) 3) 反應界面氣泡生成；反應界面氣泡生成；4) 4) 反應產物反應產物COCO或或COCO2 2離開反應區(qū)域。離開反應區(qū)域。碳的氧化反應是一個復雜

29、的多相反應，包括擴散碳的氧化反應是一個復雜的多相反應，包括擴散 、化學反應和氣泡生成等幾個環(huán)節(jié)。、化學反應和氣泡生成等幾個環(huán)節(jié)。BTRElogk2 2、化學反應是否為脫碳反應的限制性環(huán)節(jié)？、化學反應是否為脫碳反應的限制性環(huán)節(jié)？如化學反應表觀活化能如化學反應表觀活化能 E E 1050kJ/mol1050kJ/mol，則化學，則化學 反應是控制環(huán)節(jié)；反應是控制環(huán)節(jié)；如如活化能活化能E E 420kJ/420kJ/molmol， 則過程受擴散控制；則過程受擴散控制；如如活化能活化能E E在在4204201050kJ/mol1050kJ/mol之間時，過程之間時，過程 處于擴散與化學動力學混合控制領

30、域。處于擴散與化學動力學混合控制領域。碳氧化反應的表觀活化能波動在碳氧化反應的表觀活化能波動在6060150kJ/mol150kJ/mol之之 間，遠比上述活化能數值低得多。高溫下碳氧化間，遠比上述活化能數值低得多。高溫下碳氧化反應非常迅速，不是碳氧化反應的控制環(huán)節(jié)。反應非常迅速，不是碳氧化反應的控制環(huán)節(jié)。nCkr3 3、反應界面氣泡的生成是否為脫碳反應限制性環(huán)節(jié)？、反應界面氣泡的生成是否為脫碳反應限制性環(huán)節(jié)？在鋼液中沒有現成的氣液相界面時，產生新的在鋼液中沒有現成的氣液相界面時，產生新的界面需要非常大的能量。新生成的氣泡越小，界面需要非常大的能量。新生成的氣泡越小，需要的能量越大。需要的能量

31、越大。取鋼液表面張力取鋼液表面張力 m-gm-g為為1.5N1.5N m m-1-1，新生成的，新生成的COCO氣泡核心半徑為氣泡核心半徑為1010-6-6m m，則該氣泡核心所受的毛，則該氣泡核心所受的毛細管壓力為：細管壓力為：MPa.rPggmCO31051229實際上實際上COCO氣泡核心所受到的壓力還包括鋼液、氣泡核心所受到的壓力還包括鋼液、爐渣和爐氣的靜壓力。爐渣和爐氣的靜壓力。ggmSSmmgCOrhhPP2在鋼液內生成一個很小的在鋼液內生成一個很小的COCO氣泡核心，需要克氣泡核心，需要克服數十個大氣壓的壓力，因而實際上不可能生服數十個大氣壓的壓力，因而實際上不可能生成。成。只有

32、在鋼液中有已經存在的氣液界面時，才能只有在鋼液中有已經存在的氣液界面時，才能減少生成氣泡的壓力，使碳氧反應順利進行。減少生成氣泡的壓力，使碳氧反應順利進行。1)1)氧氣煉鋼過程大量氣氧氣煉鋼過程大量氣 泡彌散存在于金屬熔泡彌散存在于金屬熔 池內，池內，COCO氣泡生成很氣泡生成很 順利。順利。2)2)在爐底和爐壁的耐火在爐底和爐壁的耐火 材料表面上存在的凹材料表面上存在的凹 坑處，能生成坑處，能生成COCO氣泡氣泡 萌芽。萌芽。在粗糙的耐火材料表面，總是有不少微小的細縫在粗糙的耐火材料表面，總是有不少微小的細縫和凹坑，當縫隙很小時，由于表面張力的作用，和凹坑，當縫隙很小時，由于表面張力的作用，

33、金屬不能進入。金屬不能進入。在一定的金屬液深度下，金屬不能在一定的金屬液深度下，金屬不能進入的最大凹坑半徑為：進入的最大凹坑半徑為：mmgmhcosr2?。喝。?m-g1.5N/m， m7000kg/m3，潤濕角，潤濕角 120 ，hm： 3m 1m 0.1mr： 0.0071 mm 0.214 mm 2.14 mm耐火材料表面凹坑或縫隙處氣泡形成過程示意圖耐火材料表面凹坑或縫隙處氣泡形成過程示意圖氣泡上浮過程中，隨氣泡上浮過程中，隨著體積的加大，形狀著體積的加大，形狀變?yōu)榍蚬谛巍Ｗ優(yōu)榍蚬谛巍? 4、反應物、反應物CC和和OO向反應區(qū)的擴散是否為脫碳反應向反應區(qū)的擴散是否為脫碳反應 限制性環(huán)節(jié)

34、？限制性環(huán)節(jié)？CC高高OO低時，低時，OO的擴散為限制性環(huán)節(jié)；的擴散為限制性環(huán)節(jié)；CC低低OO高時，高時，CC的擴散為限制性環(huán)節(jié)。的擴散為限制性環(huán)節(jié)。CC和和OO的擴散，哪一個是反應的限制性環(huán)節(jié)？的擴散，哪一個是反應的限制性環(huán)節(jié)？反應界面反應界面( (氣泡表面氣泡表面) )處反應物濃度很低；處反應物濃度很低；熔池內部熔池內部CC、OO濃度較氣泡表面高得多；濃度較氣泡表面高得多；由于存在濃度梯度，由于存在濃度梯度，CC和和OO向反應界面擴散。向反應界面擴散。感應爐吹氧脫碳試驗結果感應爐吹氧脫碳試驗結果脫碳速度曲線拐點處脫碳速度曲線拐點處CC含量為含量為CC擴散控制的臨擴散控制的臨界界CC含量。含

35、量。當熔池當熔池CC含量低于含量低于CC臨臨時，時，r rc c隨隨CC含量降低而含量降低而顯著降低。顯著降低。rck %C此時此時OO的擴散速度決定整個脫碳反應的速度。的擴散速度決定整個脫碳反應的速度。當熔池當熔池CC含量高于含量高于CC臨臨時，時，rck %O k PO2此時此時CC的擴散速度將決的擴散速度將決定整個脫碳反應的速度。定整個脫碳反應的速度。5 5、實際煉鋼過程的脫碳速度變化、實際煉鋼過程的脫碳速度變化 脫碳過程為三個階段脫碳過程為三個階段 1)1)吹煉初期以硅的氧吹煉初期以硅的氧 化為主，脫碳速度化為主，脫碳速度 較??；較??；2)2)吹煉中期，脫碳速吹煉中期，脫碳速 度幾乎為

36、定值；度幾乎為定值；3)3)吹煉后期，隨金屬吹煉后期，隨金屬 中含碳量的減少，中含碳量的減少， 脫碳速度降低。脫碳速度降低。第一階段：第一階段：2%KdtCd第三階段：第三階段：%3CkdtCd第二階段：第二階段：tkdtCd1%吹煉初期熔池溫度低，硅和錳首先迅速地氧化，硅吹煉初期熔池溫度低，硅和錳首先迅速地氧化，硅的氧化抑制了脫碳反應的進行。的氧化抑制了脫碳反應的進行。2C2O2CO (2) G 4096477.88 T 1,2Si2OSiO2(l) (1) G 593560230.2 T 1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary

37、 Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963(2)(1)，得到：，得到：2CSiO2(l)Si2CO (3) G 552596308.07 T(3)式反應的式反應的 G為：為：2222%log15.1907.308552596SiOCCOSiaCfPSifTTG 取：?。篊3.0%， eCC0.14， eCSi0.08, fC2.68 Si0.1%， eSiC0.18， eSiSi0.11, fSi3.56 PCO1， aSiO20.2T

38、G98.3315525962222%log15.1907.308552596SiOCCOSiaCfPSifTTG 2CSiO2(l)Si2CO (3)若若(3)(3)式反應能夠自發(fā)進行，則式反應能夠自發(fā)進行，則Temp. 1391 吹煉初期硅優(yōu)先氧化，當熔池溫度升高到吹煉初期硅優(yōu)先氧化，當熔池溫度升高到13901390以以上后，碳才可能激烈氧化。上后，碳才可能激烈氧化。第二階段是碳激烈氧化的階段第二階段是碳激烈氧化的階段, ,脫碳速度受氧傳遞速脫碳速度受氧傳遞速度控制。度控制。 K2=k2FO2F FO2O2：氧氣流量，：氧氣流量， NmNm3 3/h/h第二階段向第三階段過第二階段向第三階段

39、過渡的碳含量：渡的碳含量：實驗室研究結果為實驗室研究結果為 0.10.10.20.2CC；實際生產結果為實際生產結果為0.10.1 0.2%0.2%或或0.20.20.3%0.3% C C，甚至高達，甚至高達1.01.0 1.21.2；受供氧速度、供氧方受供氧速度、供氧方 式、熔池攪拌情況等式、熔池攪拌情況等 影響。影響。6 6、脫碳動力學曲線的計算、脫碳動力學曲線的計算 例題：例題：100t100t氧氣轉爐，氧氣流量氧氣轉爐，氧氣流量F FO2O212000Nm12000Nm3 3/h/h， C Si Mn C Si Mn鐵水：鐵水： 4.34.3 0.60.6 0.70.7 鋼水：鋼水：

40、0.10.1廢鋼裝料比：廢鋼裝料比：2020第一、二階段過渡碳含量：第一、二階段過渡碳含量：CCA A3.33.3第二、三階段過渡碳含量：第二、三階段過渡碳含量：CCB B0.60.6(1)(1)計算第二階段脫碳速度計算第二階段脫碳速度脫碳速度與氧氣流量成正比脫碳速度與氧氣流量成正比O22Fkdtd%C100W由脫碳反應物質平衡，由脫碳反應物質平衡，COO21C211.2Nm11.2Nm3 3氧氣可氧化氧氣可氧化12kg12kg碳，折合每碳，折合每1Nm1Nm3 3氧氣可氧化氧氣可氧化12/11.212/11.21.072kg1.072kg碳。碳。取氧氣利用率為取氧氣利用率為9595，則，則3

41、2kg/Nm 1.0181.0720.951kO22Fkdtd%C100Wkg/h12220120001.018金屬重量為金屬重量為100t100t，所以，所以%C/h12.22100/10000012220dtd%C%C/min0.2第二階段脫碳量為：第二階段脫碳量為：3.33.30.60.62.72.7第二階段必要時間：第二階段必要時間：2.7/0.22.7/0.213.5 min13.5 min(2)(2)計算第三階段脫碳速度計算第三階段脫碳速度 第二、三階段的分界為第二、三階段的分界為: : CB0.6%即即CC0.60.6時，第三階段脫碳速度與第二階段相等，所以有時，第三階段脫碳速度

42、與第二階段相等，所以有%Ckdtd%C30.6k12.2231-13min0.34h20.412.22/0.6k0.34%C%Ckdtd%C3(3)(3)計算第一階段需要的時間計算第一階段需要的時間 每噸鐵水的脫碳量：每噸鐵水的脫碳量：(4.3%(4.3%3.3%)3.3%)1000100010kg/t10kg/t每噸鐵水的脫錳量：每噸鐵水的脫錳量：(0.7%(0.7%0.1)0.1)100010006kg/t6kg/t每噸鐵水的脫硅量：每噸鐵水的脫硅量：(0.6%(0.6%0%)0%)100010006kg/t6kg/t鐵的氧化量按初期渣中鐵的氧化量按初期渣中(FeO)(FeO)(SiO(S

43、iO2 2) )計算，鐵消耗氧為硅計算，鐵消耗氧為硅消耗氧量的一半。消耗氧量的一半。每噸鐵水中氧化碳消耗每噸鐵水中氧化碳消耗O O2 2101011.2/1211.2/129.3 Nm9.3 Nm3 3/t/t每噸鐵水中氧化錳消耗每噸鐵水中氧化錳消耗O O2 26 611.2/5511.2/551.2 Nm1.2 Nm3 3/t/t每噸鐵水中氧化硅消耗每噸鐵水中氧化硅消耗O O2 26 622.4/2822.4/284.8 Nm4.8 Nm3 3/t /t 每噸鐵水中氧化鐵消耗每噸鐵水中氧化鐵消耗O O2 24.84.81/21/22.4 Nm2.4 Nm3 3/t/t以上反應共消耗氧氣以上反

44、應共消耗氧氣 17.7 Nm17.7 Nm3 3/t /t 取氧氣利用率為取氧氣利用率為9595，每噸鐵水需要氧氣量為：每噸鐵水需要氧氣量為：1488/120000.124 h7.44 min裝入料中裝入料中8080為鐵水，所以為鐵水，所以100100噸金屬料在第一階段需供入氧氣：噸金屬料在第一階段需供入氧氣：17.7/0.9518.6 Nm3/t第一階段需要的時間為：第一階段需要的時間為：18.6801488 Nm3(4)(4)計算第一階段脫碳速度計算第一階段脫碳速度 對上式積分，得到對上式積分，得到tkdtCd1%C0.5k1 t24.3t0時，時，%C4.3%， 所以有所以有 B4.3

45、%C0.5 k1 t2B(1)(1)式變?yōu)椋菏阶優(yōu)椋?2)在第一、二階段過渡時間，在第一、二階段過渡時間， t7.44min，C3.3%代入代入(2)(2)式，式， k10.0363.30.5 k17.4424.327.68 k110第一階段脫碳速度為：第一階段脫碳速度為：t 0.036dtd%C三個階段碳含量變化曲線為：三個階段碳含量變化曲線為：(1)ln%C0.34t6.6 (20.94min終點終點)(2)%C0.018 t24.3 (07.44 min)(3)%C4.790.2 t (7.4420.94 min)(1) t 0.036dtd%C(2).2dtd%C0(3)0.34%Cd

46、td%C三個階段脫碳速度分別為：三個階段脫碳速度分別為：0 01 12 23 34 45 50 05 510101515202025253030Time， minTime， minC， C， 第一階段第一階段第二階段第二階段第三階段第三階段%C0.018 t24.3 %C4.790.2 t ln%C0.34 t6.6第三節(jié)、硅的氧化第三節(jié)、硅的氧化 液態(tài)無限互溶；液態(tài)無限互溶；常溫下固態(tài)鋼中溶常溫下固態(tài)鋼中溶 解度很高；解度很高；增加鋼的強度。增加鋼的強度。碳鋼中每增加碳鋼中每增加0.1%Si,熱軋鋼材熱軋鋼材 s大約增加大約增加3.94.9MPa， b增加增加7.88.8MPa。SiSi的氧

47、化反應的氧化反應 SiO2(SiO2) G 827640224.4 T1,2Si2O(SiO2) G 593560230.2 T 1,2Si2(FeO)( SiO2)2Fe G 368676137.06 T 1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963當有過量當有過量(FeO)存在時，存在時，Si的氧化產物與的氧化產物與(FeO)結合：結

48、合：Si2(FeO)2(CaO)(Ca2SiO4)2Fe隨著爐渣中隨著爐渣中(CaO)含量增加，含量增加，(2FeO SiO2)逐漸逐漸向向(2CaO SiO2)轉化：轉化：(SiO2)(FeO)(2FeO SiO2)Si的氧化反應也可表示為：的氧化反應也可表示為：2(CaO)(SiO2)(Ca2SiO4)CaOFeOSiSiOCaSiaaaaK2242Si的氧化反應可以更方便地表示為：的氧化反應可以更方便地表示為：Si2OSiO2(l) G 593560230.2 T 1,2OSiSiOSiaaaK2有利于有利于Si氧化反應因素：氧化反應因素：提高提高Si的活度；的活度；降低渣中降低渣中(S

49、iO2)的活度；的活度；較低溫度。較低溫度。脫硅反應的熱效應脫硅反應的熱效應 Si+O2(SiO2) H 29176 kJ/kg例題：氧化例題：氧化0.1Si可使鋼水升溫多少可使鋼水升溫多少？?。涸繛槿。涸繛?0kg/t，鋼水比熱為，鋼水比熱為840J/kg/，爐渣比熱為，爐渣比熱為 1250J/kg/。Si氧化放熱：氧化放熱： 10000.0012917629176 kJ鋼水、爐渣每升溫鋼水、爐渣每升溫1所需要熱量為：所需要熱量為：1000840101250852.5 kJ每氧化每氧化0.1Si可使鋼水升溫：可使鋼水升溫：29176/852.534.2 SiSi的氧化在煉鋼吹煉初期即可完

50、成的氧化在煉鋼吹煉初期即可完成國內某鋼廠國內某鋼廠300300噸噸BOFBOF轉爐吹煉過程熔池成分變化轉爐吹煉過程熔池成分變化00.0050.010.0150.020.02505101520吹煉時間，minSi、P、S，00.511.522.533.5SiPSCMnC、Mn， 第一爐第一爐 第二爐第二爐SiSi的氧化反應對煉鋼過程的影響的氧化反應對煉鋼過程的影響 熱效應；熱效應；影響脫碳、脫磷反應；影響脫碳、脫磷反應；影響渣量。影響渣量?，F代化煉鋼廠現代化煉鋼廠采用了鐵水脫采用了鐵水脫硅預處理工藝硅預處理工藝液態(tài)無限互溶；液態(tài)無限互溶；常溫下鋼中溶常溫下鋼中溶 解度很高；解度很高；提高鋼的強度

51、。提高鋼的強度。碳鋼中每增加碳鋼中每增加0.1%Mn,熱軋鋼材熱軋鋼材 s大約增加大約增加7.89.8MPa， b增加增加7.812.7MPa。第四節(jié)、錳的氧化與還原第四節(jié)、錳的氧化與還原 MnMn的氧化反應的氧化反應 Mn1/2O2(MnO) G 40206583.62 T1,2MnO(MnO) G 28502586.5 T 1,2Mn(FeO) (MnO)Fe G 17258339.94 T 1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermoc

52、hemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963(FeO)MnMnOSiaaaK如以下式代表錳的氧化反應：如以下式代表錳的氧化反應：有利于有利于Mn氧化反應因素：氧化反應因素：提高提高Mn的活度；的活度；提高渣中提高渣中(FeO)的活度；的活度；降低渣中降低渣中(MnO)的活度；的活度；較低溫度。較低溫度。Mn(FeO) (MnO)Fe G 17258339.94 T 1,2錳氧化反應的熱效應錳氧化反應的熱效應 Mn+1/2O2(MnO) H 6593 kJ/kg例題：氧化例題：氧化0.1Mn可使鋼水升溫多少可使鋼水升溫多少？?。涸繛槿?/p>

53、：渣量為10kg/t，鋼水比熱為，鋼水比熱為840J/kg/，爐渣比熱為，爐渣比熱為 1250J/kg/。Mn氧化放熱：氧化放熱： 10000.00165936593 kJ鋼水、爐渣每升溫鋼水、爐渣每升溫1所需要熱量為：所需要熱量為：1000840101250852.5 kJ每氧化每氧化0.1Mn可使鋼水升溫：可使鋼水升溫：6593/852.57.7 Mn(FeO) (MnO)Fe G 17258339.94 T 煉鋼過程煉鋼過程MnMn的氧化與還原的氧化與還原初期溫度低，渣中初期溫度低，渣中MnO 活度低，大量活度低，大量Mn氧化；氧化；中后期溫度升高、渣中中后期溫度升高、渣中 FeO含量降

54、低，堿度提含量降低，堿度提 高，爐渣中部分高，爐渣中部分MnO被被 還原；還原；末期爐渣末期爐渣FeO含量增高，含量增高， Mn重新被氧化。重新被氧化。第五節(jié)、脫磷反應第五節(jié)、脫磷反應 對絕大多數鋼種，磷是對絕大多數鋼種，磷是 有害的雜質。有害的雜質。 冷脆；冷脆； 調質鋼的回火脆性；調質鋼的回火脆性； 熱加工性；熱加工性； 焊接性能等。焊接性能等。 某些鋼種，例如高某些鋼種，例如高NiNi合合金鋼、低溫液態(tài)氣體儲金鋼、低溫液態(tài)氣體儲罐、奧氏體不銹鋼等，罐、奧氏體不銹鋼等，要求盡量降低要求盡量降低 PP含量。含量。P對對9Ni鋼低溫韌性的影響鋼低溫韌性的影響一、鐵水中一、鐵水中P的氧化反應的氧

55、化反應 2P5/2O2(P2O5) G 938080258.7 T1,22P5O(P2O5) G 352880273.1 T 1,22P5(FeO)(P2O5)5Fe G 20932740.3 T 1,21Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 19712J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 19632P5O(P2O5) G 352880273.1 T計算：計算：1650時脫磷反應所需時脫磷反應所

56、需P2O5活度活度1650時鋼液最高時鋼液最高O為為0.28%，目標，目標P含量為含量為0.01%，255201. 028. 0ln192332. 819231 .273352880OPaG12P2O5103.62a即：爐渣中即：爐渣中P2O5活度必須低于活度必須低于3.6210-12，脫磷，脫磷 反應才能進行。反應才能進行。P P2 2O O5 5的穩(wěn)定性的穩(wěn)定性造渣的必要性造渣的必要性 2P5O(P2O5) G 352880273.1 T12P2O5103.62a1650時鋼液最高時鋼液最高O為為0.28%，目標，目標P含量為含量為0.01%，10P2O5102.43r取渣中取渣中NP2O

57、50.015 (相當于相當于3.5%)，12P2O5P2O5103.62N通過造堿性爐渣降低通過造堿性爐渣降低P P2 2O O5 5的活度系數。的活度系數。Turkdogan經驗公式經驗公式1：SiO2FeOMnOMgOCaOP2O52N12N13N15N22N1.12log23.58T42000降低降低P2O5活度系數的措施：活度系數的措施：提高爐渣堿度提高爐渣堿度CaO/SiO2；提高爐渣提高爐渣MgO、MnO、FeO含量；含量；降低溫度。降低溫度。1 Journal of Iron and Steel Institute, 1953, Vol.175, p.398煉鋼爐渣成分范圍：煉鋼

58、爐渣成分范圍：MnO P2O5 FetO CaO/SiO24555% 1220% 413 24CaO SiO2 MgO Al2O3 26% 15% 1228% 34.5二、脫磷反應的熱力學條件二、脫磷反應的熱力學條件 脫磷反應的反應式：脫磷反應的反應式：2P5O(P2O5) (1)2P5(FeO)3(CaO)(Ca3P2O8)5Fe (2)2P5(FeO)4(CaO)(Ca4P2O9)5Fe (3) 按照爐渣離子模型按照爐渣離子模型2P5O3(O2-)2(PO43-) (5)2P5(Fe2+)8(O2-)2(PO43-)5Fe (4)脫磷反應平衡的研究脫磷反應平衡的研究 Healy等研究等研究

59、2P5O(P2O5)42.9T96600%O%Palogaaalog52(P2O5)5O2P(P2O5)松下幸雄等研究松下幸雄等研究Fe)2.5log(%(%CaO)0.0816.0T23350P(P)log有利于脫磷的工藝條件有利于脫磷的工藝條件降低溫度有利于脫磷反應；降低溫度有利于脫磷反應；提高爐渣堿度有利于脫磷反應；提高爐渣堿度有利于脫磷反應；增加爐渣氧化鐵活度有利于脫磷反應；增加爐渣氧化鐵活度有利于脫磷反應；增加渣量有利于脫磷反應；增加渣量有利于脫磷反應；增加增加P活度系數有利于脫磷反應?；疃认禂涤欣诿摿追磻?。42.9T96600%O%Palogaaalog52(P2O5)5O2P(

60、P2O5)Fe)2.5log(%(%CaO)0.0816.0T23350P(P)log渣量對脫磷反應的影響渣量對脫磷反應的影響%P%PLP例題：對金屬和爐渣做磷的衡算。例題：對金屬和爐渣做磷的衡算。%P/100WLWPPT渣鐵渣鐵WLWP100%PPT回磷：回磷： 00.0050.010.0150.020.02505101520吹煉時間，minSi、P、S，00.511.522.533.5SiPSCMnC、Mn，300噸噸BOF轉爐吹煉過程金屬成分變化轉爐吹煉過程金屬成分變化煉鋼過程回磷；煉鋼過程回磷；脫氧過程回磷。脫氧過程回磷。煉鋼過程回磷原因：煉鋼過程回磷原因：吹煉中期爐渣返干，吹煉中期爐