二電爐煉鋼基本知識

1、第二章 電爐煉鋼原理基本知識第一節(jié) 煉鋼有關(guān)的物理化學(xué)基本概念31. 為什么要學(xué)習(xí)電爐煉鋼有關(guān)的物理化學(xué)基本概念？將生鐵廢鋼煉成鋼，必須進行氧化熔煉。使生鐵廢鋼中的某些元素雜質(zhì)去 除到一定程度。它們是怎樣進行精煉的，以及如何使它們達到需要的程度，這 些都是煉鋼生產(chǎn)過程中極重要問題。應(yīng)用化學(xué)熱力學(xué)能夠揭示煉鋼過程中種種元素雜質(zhì)氧化去除的可能性，去 除的程度以及決定去除程度的各種因素；應(yīng)用化學(xué)動力學(xué)可以揭示元素雜質(zhì)氧 化反應(yīng)進行的機理、進行的速度以及決定速度的各種因素。掌握了這些規(guī)律， 就可以找出煉鋼所需要的合理條件，確定過程成效。這對產(chǎn)品質(zhì)量提高，能耗 下降有根本性意義，這些原理是煉鋼生產(chǎn)有力工

2、具，是節(jié)能的理論依據(jù)。32. 什么是系和相的概念？ 用來研究化學(xué)變化的一組物質(zhì)通稱為系，例如電爐中的鋼液、爐渣、爐氣 就是一個系。如果一個系中的所有組份的物理性質(zhì)是一致的，沒有分界面，這 個系就稱為均一系，例如水與酒精的混合物是均一系。如果一系中各個組成部 份是不相同的，則稱為不均一系。電爐中的鋼液、爐渣、爐氣就屬不均一系。不均一系中的均一部分稱相，它以顯著的分界面與其他部分分開，而且它的性質(zhì)也與其他部份不同。例由鐵、碳、硅、猛等元素組成的鋼液是一個 相，因為它在物理性質(zhì)上是一致的。33. 什么是溶液？怎么來表示液態(tài)溶液的濃度？ 由兩種或兩種以上的物質(zhì)構(gòu)成的，其成份可變的均勻混合物稱為溶液。例

3、 如爐渣就是有各物氧化物及其相互間形成的化合物組成的溶液。液態(tài)溶液的濃度常用重量百分數(shù)來表示。 氣體溶液的濃度通常以容積百分數(shù)表示。根據(jù)道爾頓定律在同等條件下容 積、溫度、氣體混合物的總壓力則等于各氣體的分壓總和。例純空氣由21氧； 78氮； 1的其化氣體構(gòu)成。則在標準大氣壓下，這三者分壓為：氧0.21大氣壓；氮 0.78 大氣壓；其他氣體 0.01大氣壓。因此氣體溶液的濃度也可用不 同氣體組成物的分壓來表示。34. 什么是反應(yīng)的熱效應(yīng)？反應(yīng)的熱效應(yīng)怎么表示？化學(xué)反應(yīng)的進行的同時，有放熱或吸熱現(xiàn)象。反應(yīng)所放出的熱量或吸收熱 量叫做熱效應(yīng)。熱效應(yīng)通常應(yīng)以“焦耳”J表示，但冶金熱力學(xué)中，為方便查閱

4、傳統(tǒng)冶金手冊中的對應(yīng)相關(guān)參數(shù)，也用“卡”cal來表示。其換算關(guān)系是：1 卡 veal) =4.1868 焦耳 h2 H = H1 + H2 = -x 卡有時反應(yīng)過程中，以所能獲得的最大熱量Q來表示熱效應(yīng)大小，在這種情況下Q與厶H的符號正好相反。CO+4-Ot -CO,例： H = -67640 卡C0+=(Q為IE號)35. 什么是溶液的分配定律？倘若某一物質(zhì)溶解于兩種不相溶的液體中，則在一定的溫度條件下，這一 物質(zhì)在兩種液體內(nèi)的濃度比為一常數(shù)，貝式中N1與N2該物質(zhì)在第一種與第二種溶液中的平衡濃度；Lt分配常數(shù)，它是溫度的函數(shù)。冶煉過程中，爐渣與鋼液是兩種互不相溶的液體，而S、P、O則均按分

5、配定律在爐渣與鋼液中進行分配。如在還原期的擴散脫氧操作，就是以分配 定律為根據(jù)的。在電爐煉鋼中，鋼渣中的氧以 FeO的形式進入渣中。實際上在還原期整個 擴散脫氧過程中，鋼、渣兩相中FeO始終沒有達到平衡。假如渣中的FeO在渣、鋼中的存在方達到平衡。則在一定溫度下，F(xiàn)eO）與FeO它的分配常數(shù)為：f FeO根據(jù)上式可說明當(dāng)FeO）減少時，F(xiàn)eO就向渣中擴散，LFeO將不變。36. 什么是化學(xué)平衡？什么是化學(xué)平衡常數(shù)？大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)都具有可逆性。在一定條件下，若正向反應(yīng)速度和逆向反 應(yīng)速度相等，反應(yīng)雙方物質(zhì)的濃度長時間保持不變，當(dāng)物質(zhì)系統(tǒng)達到了這一狀 態(tài)時，即為化學(xué)平衡。平衡常數(shù)表示方法：平衡常數(shù)

6、的表示方法很多。在相反應(yīng)中，對固體及液體溶液，平衡常數(shù)可 用質(zhì)量摩爾濃度或重量百分數(shù)表示的濃度求得。例在反應(yīng)C + FeO = Fe + CO 以后我們用括號表示金 屬相中的物質(zhì)， ）括號表示爐渣相中的各物質(zhì)， 為氣相物質(zhì)）。其平衡常 數(shù)可寫為：“_ n 昏 * t yvco謹氏上蚪CO或岸衛(wèi)衛(wèi)空agy FeO對于氣體之間反應(yīng)常用分壓力來表示平衡常數(shù)，例2H2+O2 = 2H2O其平衡常數(shù)則為在某些有固體 液體）與氣體同進存在的反應(yīng)中，平衡常數(shù)也可用蒸汽壓來表示。例：CaCO3=Ca+CO2其平衡常數(shù)則為:“PciO* /COiKi Pco；對于同一反應(yīng)來說，各種表示方法所得出平衡常數(shù)值是不相

7、等的。37. 化學(xué)平衡常數(shù)與溫度、壓力、濃度的關(guān)系是怎樣的？1）在物理化學(xué)我們知道，當(dāng)參與反應(yīng)的物質(zhì)處于標準狀態(tài)時，一個反應(yīng) 的自由能變化與其平衡常數(shù)之間具有下列的關(guān)系： F =-RTIgKz = -4.575TlgKN式中 F 標準狀態(tài)下的自由能變化R氣體常數(shù)，等于1.987。4.575 R與2.303之乘積2.303是普通對數(shù)與自然對數(shù)之比）。由此lgKN” F /-4.575T因為 F= H -T Si *占HjjS貝U:從上式可看出，因為H及4S在很小的溫度變化范圍內(nèi)與溫度關(guān)系很 小。因此對煉鋼過程中一定溫度范圍內(nèi)，H及4S可假定不變，這種情況下，上式可簡化為：AhK +P38. 什么

8、是拉烏爾定律？什么是享利定律？鋼液和爐渣都可以看作是一溶液，假如把鋼液近似地看作是一無限稀的溶 液 以Fe為基含有少量的合金元素和雜質(zhì)）將爐渣近似地認為是完全溶液，則 它們將服從享利定律和拉烏爾定律，通過這兩個定律，能研究合金元素在鋼中 溶解和氣體在鋼中存在的規(guī)律。溶液中任何一種揮發(fā)性的組元都要揮發(fā)，對穩(wěn)定溶液來說，與該組元平衡 的蒸汽壓力總比它在純粹狀態(tài)時同溫度下的蒸汽壓小，因為液體中每一單位容 積中這組元的分子數(shù)目減少了。當(dāng)性質(zhì)非常相似的物質(zhì)組成溶液時，在一定溫 度下，氣液相平衡時，溶液上方氣相中任意組分所具有的分壓，等于該組分在 相同溫度下的飽和蒸汽乘以該組分在液相中的分子分數(shù)。用數(shù)學(xué)式

9、表示為：pA=PA XA式中pA氣相中A組分的分壓；PA純組分A在該溫度下的飽和蒸汽壓；XA液相中A組分的分子分數(shù)。由此可見，A組分在氣相中所具有的分壓pA的數(shù)值只與該組分的飽和蒸汽 壓（或說成溫度 及它在液相中的濃度有關(guān)。當(dāng)溫度固定時，飽和蒸汽壓數(shù)值固 定，氣相中組分的分壓與該組分在液相的濃度（分子分數(shù) 成正比；當(dāng)濃度固定時，氣相中組分的分壓與飽和蒸汽壓，也就是溫度成正比。這就是拉烏爾定 律，服從拉烏爾定律和溶液叫做理想溶液。享利定律認為：在一定溫度下，氣體在液體中的飽和濃度與液面上該氣體 的平衡分壓成正比。它是英國的 W.亨利于1803年在實驗基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)的經(jīng)驗規(guī) 律。實驗表明，只有當(dāng)氣體在

10、液體中的溶解度不很高時該定律才是正確的，此 時的氣體實際上是稀溶液中的揮發(fā)性溶質(zhì)，氣體壓力則是溶質(zhì)的蒸氣壓。所以 亨利定律還可表述為：在一定溫度下，稀薄溶液中溶質(zhì)的蒸氣分壓與溶液濃度 成正比氣體H2，N2, 02等溶解鋼中，可以認為是形成一種無限稀的溶液，因為 氣體的溶解是呈單原子的形式存在于鐵中，所以氣體的溶解度與相平衡的壓力 的平方根成正比。C?V D Kx/ Pnj,平方根定律可以看作是享利定律，在這樣一個特殊條件下的具體應(yīng)用。39. 什么是活度與活度系數(shù)？活度是較為重要的熱力學(xué)量，為了要使實際溶液能服從由理想溶液所得的 規(guī)律 如拉烏爾定律、享利定律、質(zhì)量作用定律、分配定律），一定要用活

11、 度代替濃度，所以也可以把活度理介為該物質(zhì)的有效濃度?；疃纫部衫斫鉃橐粋€較正系數(shù)，所以有a = 丫N濃度單位），丫為活度系數(shù)。按一般習(xí)慣，當(dāng)濃度用質(zhì)量摩爾濃度表示時，活度系數(shù)用丫表示，即ai=Y i Nj，當(dāng)濃度用重量百分數(shù)表示時，活度系數(shù)用fj來表示，即a j=fj Cj，對煉鋼過程來說，鋼液中各元素的濃度很低，而濃度用重量百分數(shù)表示，因鋼 液中各組元活度系數(shù)一般用fj表示，女口 fsi，fo，fc。爐渣濃度用質(zhì)量摩爾濃度表示，因此，爐渣中各組元活度系數(shù)一般用丫 i表示， 丫 MnO , 丫 CaO,丫 FeO40. 什么叫擴散？在冶金化學(xué)過程中，通常擴散決定了化學(xué)反應(yīng)的速度，提高擴散速度就

12、會 加速反應(yīng)，縮短冶煉時間，所以很有必要了解擴散的實質(zhì)，影響擴散的因素。擴散是因為系統(tǒng)中各部份濃度不同而引起的自發(fā)過程。在穩(wěn)定狀態(tài)下，系 統(tǒng)內(nèi)各點的濃度隨時間的變化的擴散現(xiàn)象服從菲克第一定律，即在穩(wěn)定條件 下，單位時間內(nèi)通過單位面積的擴散物質(zhì)和它的濃度梯度成正比。式中：擴散速度；A界面積；de濃度梯度，表示單位距離內(nèi)濃度的降低率。D擴散系數(shù)，其物理意義就是單位面積單位濃度梯度時的擴散速度單2位：厘M /秒）。在一定的界面面積和濃度梯度下，擴散速度由擴散系數(shù)所決定。擴散系數(shù) 與擴散物質(zhì)、介質(zhì)的性質(zhì)和溫度有關(guān)。當(dāng)溫度越高，介質(zhì)粘度越低，擴散物質(zhì) 質(zhì)點越小時，擴散系數(shù)就越大，擴散就越快。所以改善爐渣

13、的流動性，對促進 冶金反應(yīng)的進行有著積極的意義。第二節(jié)冶金爐渣理論基礎(chǔ)41. 爐渣在冶煉中起什么作用？爐渣在煉鋼過程中，具有極為重要的作用，“煉鋼就是煉渣”，“三分煉 鋼、七分煉渣”是煉鋼工人多年積累的實踐生產(chǎn)經(jīng)驗。爐渣在冶煉過程中有下述的作用：1）有良好的導(dǎo)熱性，保證爐料順利熔化。2）能起保護層作用，防止鋼液散熱，防止?fàn)t氣中氣體進入鋼液，有良好 吸收從鋼液中上浮的夾雜物。3）調(diào)整不同爐渣成份，能去除鋼中的硫、磷，保證煉鋼過程按一定方向來進行。4）爐渣就最大限度地保證操作過程中Fe、W、V、Ti、Mo有價值元素損失為最小。42. 煉鋼爐渣有哪些物質(zhì)組成？爐渣來源，有爐料組成元素的氧化物 例鋼鐵

14、料中Si、Mn、P等氧化后生 成SiO2、Mn0、P2C5等）、熔劑 螢石、石灰）及礦石、爐底和爐體砌磚，爐料 中的砂土等等。煉鋼中爐渣主要由氧化物組成。根據(jù)化學(xué)性質(zhì)不同，基本可分為下列數(shù)類見表2-1）：表2-1爐渣主要由氧化物組成類別堿性氧化物酸性氧化物雙性氧化物組成CaO MgO FeO、 NO、K20Si02、巳05、Ti02、V2C5Al 2Q、Fe2C3、Cr2C8堿性電爐爐渣主要化學(xué)成份如表2-2：表2-2渣的成份%）項目Si02CaOFeOMnOP2O5MgOAl 2O3S氧化渣8-1540-5012-305-70.5-28101-2一還原渣10-1555-658-102-3爐渣

15、中的這些氧化物并非都是以自由狀態(tài)存在的，它們彼此還可以形成各種不同的復(fù)雜化合物 1時叫做堿性渣，R1時叫酸性渣。1）表示堿度最常用的是 CaO與SiO2含量的比例，以重量百分數(shù)或質(zhì)量摩爾濃度表示2）以上的表示方法對含 P2O5少的少的爐渣很方便，當(dāng)渣中 P2Q多時，經(jīng)常采用下述方法來表示堿度。CaO_SiOt +0#634PiOCaOCaO 1,18P*O&slo2 + p2o& JsTo：CaO例如渣中含有40% CaO, 18%SiO2, 2%P2O5，則堿度分別為:SiO, -2-23)Sio一_乜狗CaO預(yù)*+PQ嚴44什么是爐渣的熔點？CaO AI2Q, MgO SiO2 它們的熔點

16、分別為：2570C、2050C、2800C、 1710C，而我們冶煉過程溫度一般處于 13001700C，因此以上爐渣各種組 成物熔點遠遠超過冶金過程中一般的溫度，它們不可能以液態(tài)狀態(tài)存在，但實 際上爐渣并非由一個組成物組成，而有很多組成物構(gòu)成。這樣爐渣熔點要比原 組成物熔點低得多。例如：CaO - SiO2l544C MgO SiO2 1557EMaO SiO2l285C 2FeO SiO2l205C從一定溫度開始，為使?fàn)t渣加熱至熔點所需的熱量，加上爐渣本身熔化所 需的熱量及熔化過熱到其實有溫度所需的熱量的總和稱熱容量。爐渣的熔化熱和熱容量越小，則達到必需溫度所消耗的熱能 電能）也就越少。4

17、5什么是爐渣的粘度和流動性？各液體層間發(fā)生的內(nèi)摩擦叫粘度 n）。粘度以泊 達因秒/厘M2）為單 位。粘度的倒數(shù)（|=1/n稱為流動性。增加爐渣的流動性，可使物質(zhì)在爐渣與鋼 液之間的擴散反應(yīng)加速。通常在一定的溫度下，當(dāng)爐渣中高熔點組成氧化物 特別MgO Cr2Q）的成份增加時，將會大大提高爐渣的粘度。46. 爐渣的化學(xué)成份與爐渣性質(zhì)有什么樣的關(guān)系？爐渣的化學(xué)成份與爐渣性質(zhì)的關(guān)系，常用狀態(tài)圖表示，我們對SiO2 FeO系，CaO-SiO2AI2C3二元、三元狀態(tài)圖作簡單介紹。CaOSQ2 AI2Q系狀態(tài)圖如圖2-1所示。由圖可以看出，有兩個三重化合 物：熔點為1557E的鈣斜長石CaO - Al

18、2O3 2SiO2及熔點為1598E的彈性地蠟 2CaO AI2O3 SiO2，同時在圖上還有三個三重共晶體；成份為 42% SiO2， 38CaO, 20% Al 2O3的共晶體，其熔點為1266E ；成份為 61% SiO2，49%CaO，11%AI 2O3的共晶體，其熔點為1311C圖 1 1 ChOSiOA11Oj 4.態(tài)圉圖 2-1 CaO-SiO2 AI2Q 系狀態(tài)圖47. 爐渣的氧化能力？怎么表示爐渣的氧化能力？爐渣的氧化能力是爐渣的一很重要的性質(zhì)。電爐冶煉的氧化過程就是依靠 爐渣的強氧化能力作保證的。所謂爐渣的氧化能力，就是爐渣在單位時間內(nèi)自爐渣向熔池供氧的能量， 爐渣理論中的

19、分子學(xué)說認為渣中只有自由氧化鐵才能向金屬中擴散。所以爐渣 中的氧化能力既取決于氧化鐵的濃度，又取決于爐渣的粘度。爐渣的氧化能力 常以渣中氧化鐵的濃度來表示。有這幾種表示方法：1) %FeO)2) %FeO) +1.35% FqO)=% 2FeO)3) 1.287X %2FeO) =% 2FeO)4) NFeO摩爾濃度表示5) NFeO+N層Q=NV FeQ用氧化鐵濃度表示爐渣氧化能力的方法是不夠精確的。因為爐渣的氧化能 力不僅取決于氧化鐵的濃度，爐渣的堿度對其也有很大的影響，因此表示爐渣 氧化能力的最好方法是用渣中氧化鐵的活度 a。在1600C時純的氧化鐵爐渣下鋼液溶解的氧為0.23%，那么它

20、們的分配系數(shù)Lo可以用下式表示；F 町 fF*O) _1= 一f可* 023%純氧化鐵渣的活度a0 = 1O: 1600C純氧化鐵渣下氧在鋼中的溶解度。當(dāng)爐渣中存在CaO、MgO、SiO2時，鋼液和爐渣間氧的分配系數(shù)不變，即 在非純氧化鐵爐渣的情況下，渣中的氧化鐵的活度為：48. 氧在金屬與爐渣之間的分布情況是怎樣的？目前普遍認為氧是以 FeO的形態(tài)溶于鋼液中的。隨著冶煉條件的變化， FeO可由FeO) FeO,亦可從FeO- FeO)。在達到平衡狀態(tài)的情 況下，F(xiàn)eO在金屬與爐渣間濃度根據(jù)分配定律有一定的比值即：-_ (FeO)1酸性爐渣LFeO在1600C時的平均值為，而按經(jīng)驗數(shù)據(jù)所計算的

21、堿性爐渣的LFeO值則較大。這就是說若酸性爐與堿性爐中 FeO的濃度相等，則堿 性爐O高于酸性爐O，可見堿性爐渣的氧化力大于酸性爐渣氧化能力。因為酸性渣中FeO）都以結(jié)合狀態(tài) 鐵橄欖石FeO SiO2）存在，而在堿性渣 中LFeo時，F(xiàn)eO轉(zhuǎn)入爐渣，鋼液中氧的濃度減少， 我們通常叫脫氧過程；反之% FeO/% FeO） vL/eO時爐渣中的FeO轉(zhuǎn)入鋼 液，我們通常叫氧化。49. 氧自爐氣轉(zhuǎn)入鋼液的傳遞情況是怎樣的？ 因為爐渣覆蓋于鋼液面之上，所以金屬直接氧化的發(fā)生很困難，但是在爐 氣爐渣液態(tài)金屬體系中，氧的傳遞工作能很好地進行。爐氣中的氧、H2O和CO2高溫下H2O和CO2易分解，故它們的氧

22、化能力 很大）與爐渣反應(yīng)時，在爐渣與爐氣交界面處將渣中的FeO氧化成Fe2O3，因為渣表面層 Fe2O3 濃度提高，故 Fe2O3 經(jīng)爐渣擴散至下層，并在爐渣與鋼液的 交界面上與Fe起反應(yīng)，被還原為FeO。這樣，爐渣鋼液交界面上的 FeO 平衡狀態(tài)與爐氣爐渣交界界面上的情 況完全相反。因此就形成一個不斷的循環(huán)。爐渣表面上因爐氣作用，F(xiàn)eO-Fe2O3是氧化反應(yīng)，而在爐渣與鋼液接觸界面 Fe2O3則被還原成FeO。爐渣與鋼液交界處重新形成的 FeO 部份返回爐渣上層再被氧化，另一部份 則與鋼液中 C、 Mn、 S 等元素起反應(yīng)，生成 CO 或氧化夾雜物上浮于渣中。以上所述我們稱雙膜理論。因為在冶

23、金反應(yīng)中，很多是熔渣和鋼液之間的 反應(yīng)，它們屬于液液相反應(yīng)。例如：Mn vFeO） =vMnO） +Fe液液相反應(yīng)一般包括下述幾個環(huán)節(jié)：1）兩相中的反應(yīng)相分別由相的內(nèi)部向界面?zhèn)髻|(zhì)；2）在界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。3）反應(yīng)產(chǎn)物由相界面分別向兩相內(nèi)部擴散。 液液相反應(yīng)的控制環(huán)節(jié)一般有兩類：一是擴散速度，一類是界面反應(yīng)速 度。在煉鋼的高溫下，化學(xué)反應(yīng)的速度大多是很快的，但是大多數(shù)冶金反應(yīng)的 傳質(zhì)速度比高溫下化學(xué)反應(yīng)速度低得多。因此在液液相反應(yīng)中，擴散是控制環(huán)節(jié)。在研究擴散為控制環(huán)節(jié)的動力學(xué)中，應(yīng)用最多的是雙膜理論，雙膜理論把 兩相傳質(zhì)過程的阻力看作是集中在相界面兩側(cè)的兩層膜上，這兩層膜是相對穩(wěn) 定的，不管兩相內(nèi)部湍流如何激烈，但因為膜的阻抑，湍流不能達到界面。雖 然實際上過程并非完全如此，但雙膜的概念卻構(gòu)成了一個極易理解的簡化模 型。這個模型至今仍被廣泛應(yīng)用。50. 冶煉過程中的有哪幾個常見的煉鋼反應(yīng)？+C=Fe+CO T反應(yīng)生成的一氧化碳氣體的逸出，使溶池