電爐煉鋼原理基本知識

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)有力工具，是節(jié)能的

2、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。例如爐渣就是有各物氧化物及

3、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?jǐn)?shù)來表示。氣體溶液的濃度通常以容積百分?jǐn)?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(biāo)準(zhǔn)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，為方便查閱傳統(tǒng)冶金手冊中的對應(yīng)相關(guān)參數(shù)，也用“卡”ca

4、l來表示。其換算關(guān)系是：1卡（cal）=4.1868焦耳（J）大多數(shù)冶金反應(yīng)都是在恒壓下進行的?；瘜W(xué)熱力學(xué)認(rèn)為，在恒壓下所進行的反應(yīng)的熱效應(yīng)是一個變量，這個變量稱為該系的熱函變化，以字母H來表示。通常某一系的熱函，在反應(yīng)前用H1來表示，在反應(yīng)后用H2表示，則熱函的變化為：H=H2-H1如果這化學(xué)反應(yīng)為放熱反應(yīng)則H1>H2HH1H2-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H的符號正好相反。例：H-67640卡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)，則：式中N1與N2

5、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，（FeO）與FeO它的分配常數(shù)為：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

6、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)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?jǐn)?shù)表示的濃度求得。例在反應(yīng)CFeOFe+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：對于氣體之間反應(yīng)常用分壓力來表示平衡常數(shù)，例2H2+O22H2O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：對于同一反應(yīng)來說，各種表示方法所得出平衡常數(shù)值是不相等的。3

7、7. 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(biāo)準(zhǔn)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°=-RTlgKN = -4.575TlgKN式中F°標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的自由能變化R氣體常數(shù)，等于1.987。4.575R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°-TS°則： 從上式可看出，由于H°及S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S可假定不變，這種情

8、況下，上式可簡化為：38. 什么是拉烏爾定律？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(rèn)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

9、分子分?jǐn)?shù)。用數(shù)學(xué)式表示為：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?jǐn)?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?jǐn)?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(rèn)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

10、有當(dāng)氣體在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，O2等溶解鋼中，可以認(rèn)為是形成一種無限稀的溶液，由于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。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），一定要用活度代替濃度，所以也可以把活度理介

11、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=·N（濃度單位），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)用表示，即i=i·Ni，當(dāng)濃度用重量百分?jǐn)?shù)表示時，活度系數(shù)用fi來表示，即i=fi·Ci，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?jǐn)?shù)表示，因鋼液中各組元活度系數(shù)一般用fi表示，如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i表示，MnO，CaO，F(xiàn)eO40. 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，提高擴散速度就會加速反應(yīng)，縮短冶煉時間，所以很有必要了解擴散的實

12、質(zhì)，影響擴散的因素。擴散是由于系統(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； 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（單位：厘米2/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

13、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?fù)p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（例鋼鐵料中Si、Mn、P等氧化后生成SiO2、MnO、P2O5等

14、）、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、 Na2O 、K2OSiO2、P2O5、TiO2、V2O5Al2O3、Fe2O3、Cr2O8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SiO2CaOFeOMnOP2O5MgOAl2O3S氧化渣8-1540-5012-305-70.5-28101-2還原渣10-1555-658-102-3爐渣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

15、可以形成各種不同的復(fù)雜化合物（見表2-3），例：表2-3 爐渣中的復(fù)雜化合物硅酸鹽磷酸鹽鋁酸鹽鐵酸鹽2FeO·SiO23FeO·P2O5FeO·Al2O3FeO·Fe2O3Mn·SiO23Mn·P2O53CaO·5Al2O3CaO·Fe2O32MnO·SiO23CaO·P2O55CaO·3Al2O33CaO·Fe2O3CaO·SiO23MgO·P2O53CaO·Al2O343. 什么是爐渣的堿度？通常怎么表示爐渣的堿度？爐渣的組成是各類氧化物及帶

16、入的土泥及爐襯的脫落部份，堿度是爐渣的一項重要性質(zhì)。爐渣堿度常以下式表示：當(dāng)R1時叫做堿性渣，R<1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?jǐn)?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P2O5多時，經(jīng)常采用下述方法來表示堿度。例如渣中含有40CaO，18SiO2，2P2O5，則堿度分別為：44. 什么是爐渣的熔點？CaO，Al2O3，MgO，SiO2它們的熔點分別為：2570、2050、2800、1710，而我們冶煉過程溫度一般處于1300°1700，因此以上爐渣各種組成物熔點遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過冶金過程中一般的溫度，它

17、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·SiO2 1544 MgO·SiO2 1557 MaO·SiO2 1285 2FeO·SiO2 1205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。45. 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/厘米2）為單位。粘度的倒數(shù)=1/n稱為

18、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，Cr2O3）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SiO2FeO系，CaOSiO2Al2O3二元、三元狀態(tài)圖作簡單介紹。CaOSiO2Al2O3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1557的鈣斜長石CaO·Al2O3·2SiO2及熔點為1598的彈性地蠟2CaO·Al2O3·SiO2，同時在圖上還有三個三重

19、共晶體；成份為42SiO2，38CaO，20Al2O3的共晶體，其熔點為1266；成份為61SiO2，49CaO，11%Al2O3的共晶體，其熔點為1311圖2-1 CaOSiO2Al2O3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，爐渣理論中的分子學(xué)說認(rèn)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）

20、（2）（%FeO）+1.35（Fe2O3）（FeO）（3）1.287×%（FeO）=%（FeO）（4）NFeO摩爾濃度表示（5）NFeO+NFe2O3=N（FeO）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（FeO)。在1600時純的氧化鐵爐渣下鋼液溶解的氧為0.23，那么它們的分配系數(shù)Lo可以用下式表示；純氧化鐵渣的活度a°（FeO)1O°：1600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

21、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(rèn)為氧是以FeO的形態(tài)溶于鋼液中的。隨著冶煉條件的變化，F(xiàn)eO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：酸性爐渣LFeO在1600時的平均值為，而按經(jīng)驗數(shù)據(jù)所計算的堿性爐渣的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（FeO）

22、則以自由狀態(tài)存在。氧在液體鐵中的溶解度與溫度關(guān)系是：溫度越高、它的溶解度也越大。在煉鋼過程中，當(dāng)FeO/(FeO)>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）<LFeO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？由于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，由于渣表面層Fe2O3濃度提高

23、，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)eOFe2O3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（FeO）=（MnO）+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

24、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，但由于膜的阻抑，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.

25、 冶煉過程中的有哪幾個常見的煉鋼反應(yīng)？（1）脫碳反應(yīng)：(FeO)+C=Fe+CO反應(yīng)生成的一氧化碳?xì)怏w的逸出，使溶池產(chǎn)生沸騰，造成強烈攪拌，因而加速了各種煉鋼反應(yīng)的進行，也有利于去除鋼液中的氣體和非金屬夾雜物，并可促使鋼液成份和溫度的均勻。提高供氧強度，改善爐渣流動性，升高溫度等均可促進脫碳反應(yīng)的進行。（2）硅、錳的氧化2(FeO)Si=2Fe+（SiO2）硅很容易氧化，在冶煉初期就幾乎全部被氧化掉。氧化的結(jié)果是放出大量的熱量，可顯著升高鋼液的溫度。由于二氧化硅是強酸性氧化物，進入爐渣后對爐渣的堿度影響較大。(FeO)+Mn=Fe+(MnO)錳也很容易被氧化，是放熱反應(yīng)。（3）去磷2Fe2P+5(FeO)=(P2O5)+P