煉鋼理論基礎(chǔ)(煉鋼工藝)

第二章煉鋼的基本反應(yīng)一、鋼與生鐵的區(qū)別

C<2.11%的Fe-C

合金為鋼；

C>1.2%的鋼很少實(shí)用；

還含Si、Mn等合金元素及雜質(zhì)。11)脫碳；2)脫磷；3)脫硫。煉鋼任務(wù)：2伴隨脫碳反應(yīng)，鋼的熔點(diǎn)提高。煉鋼任務(wù)：4)升溫1200℃1700℃3伴隨脫碳反應(yīng)，鋼液[O]含量增加。C(石墨)+1/2O2=COG＝－116204－83.62T[1]C(石墨)=[C]G＝21318－41.8T[2]1/2O2=[O]G＝－117040－2.88T[2]

[C]+[O]=COG＝－20482－38.94T4煉鋼任務(wù)：5)脫氧0.3%0.0003%5煉鋼任務(wù)：6)合金化伴隨脫碳反應(yīng)，鋼液[Si]和部分[Mn]被氧化。6C：

控制鋼材強(qiáng)度、硬度的重要元素，每1％[C]

可增加抗拉強(qiáng)度約980MPa。Si：也是增大強(qiáng)度、硬度的元素，每1％[Si]可增加抗拉強(qiáng)度約98MPa。Mn：增加淬透性，提高韌性，降低S的危害等。Al：細(xì)化鋼材組織，控制冷軋鋼板退火織構(gòu)。Nb：細(xì)化鋼材組織，增加強(qiáng)度、韌性等。V：

細(xì)化鋼材組織，增加強(qiáng)度、韌性等。Cr：增加強(qiáng)度、硬度、耐腐蝕性能。7煉鋼任務(wù)：7)去除[N]、[H]等氣體雜質(zhì)元素陳家祥，煉鋼常用圖表數(shù)據(jù)手冊(cè)，冶金工業(yè)出版社，19848煉鋼任務(wù)：8)去除非金屬夾雜物9氧化物系非金屬夾雜物脫氧產(chǎn)物二次氧化生成物外來(lái)性?shī)A雜物渣卷入耐火材料融損及卷入爐渣造成的氧化空氣造成的氧化爐襯造成的氧化鋼水包襯中間包襯爐渣中間包覆蓋渣結(jié)晶器保護(hù)渣鋼中非金屬夾雜物來(lái)源10煉鋼任務(wù)：9)凝固成型11煉鋼的基本任務(wù)：1、脫碳；2、脫磷；3、脫硫；4、脫氧；5、脫氮、氫等；6、去除非金屬夾雜物；7、合金化；8、升溫；9、凝固成型。12主要煉鋼工藝：

鐵水預(yù)處理；轉(zhuǎn)爐或電弧爐煉鋼；爐外精煉（二次精煉）；連鑄。1314鐵水預(yù)處理

脫硫預(yù)處理；三脫(脫硅、脫磷、脫硫)預(yù)處理。鐵水脫硫預(yù)處理：[S]＋{Mg}＝(MgS)脫硫劑：CaC2,

CaO、Mg等脫硫率：40-80％[S]可脫除到90～30ppm。KR法脫硫噴粉脫硫[S]＋(CaO)＋[C]＝(CaS)＋CO15三脫(脫硅、脫磷、脫硫)預(yù)處理16脫硅反應(yīng)：[Si]＋2/3Fe2O3＝(SiO2)＋4/3Fe2[P]＋3(CaO)＋5/3Fe2O3＝(3CaOP2O5)＋5/3Fe脫磷反應(yīng)：17氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼18主原料： 鐵水、廢鋼輔助原料： 石灰、螢石、鐵礦石等噸位：

25～300t頂吹O2：

3～3.5m3/min.t吹煉時(shí)間：

15～25min爐齡：

2000～20000次19鐵水溫度： 1200～1300℃鋼水溫度： 1640～1720℃主要化學(xué)反應(yīng)：[C]＋1/2O2＝CO[C]＋O2＝CO2[Si]＋O2＝(SiO2)[Mn]＋1/2O2＝(MnO)2[P]＋5/2O2＋3(CaO)＝(3CaOP2O5)Fe＋1/2O2＝(FeO)[S]＋(CaO)＝(CaS)＋[O]不需外供熱源2021電弧爐煉鋼22主原料： 廢鋼、DRI、

HBI輔助原料： 石灰、螢石、鐵礦石等噸位： 25～150t功率： 500～1500kVA/t冶煉時(shí)間： 45min～1.5h供熱： 電弧加熱類(lèi)型： 交流、直流23主要化學(xué)反應(yīng)：[C]＋1/2O2＝CO[C]＋O2＝CO2[Si]＋O2＝(SiO2)[Mn]＋1/2O2＝(MnO)2[P]＋5/2O2＋3(CaO)＝(3CaOP2O5)Fe＋1/2O2＝(FeO)[S]＋(CaO)＝(CaS)＋[O]24煉鋼工序功能的演變1)脫碳；2)升溫；3)脫磷；4)脫硫；4)脫氧、氮、氫等；5)合金化。基本任務(wù)}}爐外精煉{25爐外精煉26作業(yè)：1、煉鋼的基本任務(wù)是什么，通過(guò)哪些手段實(shí)現(xiàn)？27第二章煉鋼的基本反應(yīng)第一節(jié)、鐵的氧化和熔池傳氧方式1、氧流對(duì)金屬熔池的作用

頂吹氧槍O2出口速度通常可達(dá)300～350m/s；

氧流與熔池作用，將動(dòng)量傳遞給金屬液；金屬熔池產(chǎn)生循環(huán)運(yùn)動(dòng)。28

作用區(qū)溫度2200

～2700℃；光亮較強(qiáng)的中心

(區(qū)域I)；

光亮較弱的外圍

(區(qū)域II)。氧流穿入熔池某一深度并構(gòu)成火焰狀作用區(qū)(火點(diǎn)區(qū))29氧氣煉鋼中還存在乳化和泡沫現(xiàn)象在氧流強(qiáng)沖擊和熔池沸騰作用下，部分金屬微小液滴彌散在熔渣中；乳化的程度與熔渣粘度、表面張力等性質(zhì)有關(guān)；乳化可以極大地增加渣－鐵間接觸面積，因而可以加快渣－鐵間反應(yīng)。乳化造成的渣－鐵間接觸面積可達(dá)0.6～1.5m2/kg。30熔池在氧流作用下形成的強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)和高度彌散的氣體－熔渣－金屬乳化相，是吹氧煉鋼的特點(diǎn)。1－氧槍2－乳化相3－CO氣泡4－金屬熔池5－火點(diǎn)6－金屬液滴7－作用區(qū)釋放出的

CO氣泡8－濺出的金屬液滴9－煙塵312、鐵的氧化和還原向熔池吹氧時(shí)第二步，吸附的氧溶解于鐵液中：t[Fe]＋[O]＝FetO第一步，氣體氧分子分解并吸附在鐵的表面：1/2{O2}＝[O]吸附第三步，由于氧勢(shì)高，F(xiàn)e與[O]反應(yīng)，生成鐵氧化物。[O]吸附＝[O]32煉鋼條件下鐵氧化物穩(wěn)定性比較Fe＋[O]＝FeO

G＝－112442＋46.56T[1,2]2/3Fe+[O]=1/3Fe2O3

G＝－152988＋87.94T[1,2]3/4Fe+[O]=Fe3O4

G＝－177232＋92.96T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley196333

Fe3O4可以看作為FeOFe2O3；

FeO最穩(wěn)定；

Fe2O3/FeO平均為0.8。34爐渣的氧化作用

爐渣中FeO與氧化性氣氛接觸，被氧化成高價(jià)氧化物Fe2O3；

渣－鐵界面，高價(jià)Fe2O3被還原成低價(jià)FeO；

氣相中的氧因此被傳遞給金屬熔池。35當(dāng)傳氧過(guò)程達(dá)到平衡時(shí)，鐵液中[O]達(dá)到飽和，[O]飽和含量由爐渣的氧化性所確定。Fe＋[O]＝FeO

G＝－112442＋46.56T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley1963361650℃下鋼液中最高[O]含量aFeO＝1，溫度 1500℃1550℃1600℃1700℃[%O]飽和

0.13%0.16%0.20%0.29%37雜質(zhì)的氧化方式－直接氧化和間接氧化間接氧化：氣體氧直接同鐵液中的雜質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。直接氧化：氣體氧優(yōu)先同鐵發(fā)生反應(yīng)，待生成FetO以后再同其它雜質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。38直接氧化在氧流－金屬表面處進(jìn)行：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；

作用區(qū)周?chē)难鯕馀莸谋砻嫔希?/p>

凡是氧氣能直接同金屬液接觸的表面。{O2}＋2[Fe]＝2(FeO){O2}＋2[Mn]＝2(MnO){O2}＋[Si]＝(SiO2)5{O2}＋4[P]＝2(P2O5){O2}＋2[C]＝2{CO}{O2}＋[C]＝{CO2}39間接氧化方式

－在氧氣泡直接同鐵液接觸的表面上，氧首先同鐵結(jié)合，然后FeO擴(kuò)散到熔池內(nèi)部并溶于金屬液中。(FeO)＝[O]＋[Fe]C、Si、Mn、P等同[O]反應(yīng)[O]＋[Mn]＝(MnO)2[O]＋[Si]＝(SiO2)5[O]＋2[P]＝(P2O5)[O]＋[C]＝{CO}2[O]＋[C]＝{CO2}40(FeO)＋[Mn]＝(MnO)＋(Fe)2(FeO)＋[Si]＝(SiO2)＋2(Fe)5(FeO)＋2[P]＝(P2O5)＋5(Fe)(FeO)＋[C]＝{CO}＋(Fe)2(FeO)＋[C]＝{CO2}＋2(Fe)也可以表示為：41多數(shù)意見(jiàn)認(rèn)為氧氣轉(zhuǎn)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池中；氧流直接作用區(qū)附近溫度高，Si和Mn對(duì)氧的親和力減弱從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，C向氧氣泡表面?zhèn)髻|(zhì)的速度比反應(yīng)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(yīng)當(dāng)同F(xiàn)e

結(jié)合成FeO。42第二節(jié)、脫碳反應(yīng)鐵液中碳的飽和溶解度：[%C]＝1.30＋2.57×10-3

×(T－273)

Si、P、S降低碳的溶解度；

Mn、V、Cr增加碳溶解度；碳增加鋼材強(qiáng)度、硬度；碳降低鋼材焊接、耐腐蝕、冷加工性能。43脫碳反應(yīng)是貫穿于煉鋼過(guò)程始終的一個(gè)主要反應(yīng)。反應(yīng)熱升溫鋼水；影響生產(chǎn)率；影響爐渣氧化性；影響鋼中[O]含量。44脫碳反應(yīng)的產(chǎn)物－CO在煉鋼過(guò)程中也具有多方面的作用。

從熔池排出CO氣體產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，使熔池受到激烈地?cái)噭?dòng)，起到均勻熔池成分和溫度的作用；大量的CO氣體通過(guò)渣層是產(chǎn)生泡沫渣和氣一渣一金屬三相乳化的重要原因；上浮的CO氣體有利于清除鋼中氣體和夾雜物；在氧氣轉(zhuǎn)爐中，排出CO氣體的不均勻性和由它造成的熔池上漲往往是產(chǎn)生噴濺的主要原因。45一、脫碳反應(yīng)的熱力學(xué)條件{O2}＋2[C]＝2{CO}{O2}＋[C]＝{CO2}G＝－416328＋41.8T[1,2]直接氧化：G＝－275044－83.64T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley196346間接氧化：2[O]＋2[C]＝2{CO}2[O]＋[C]＝{CO2}G＝－182248＋47.56T[1,2]G＝－40964－77.88T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley196347[C]的氧化產(chǎn)物絕大多數(shù)是CO而不是CO2。[C]含量高時(shí)，CO2也是脫碳反應(yīng)的氧化劑:[C]＋{CO2}＝2{CO}48與Fe-O-C熔體平衡氣相中CO2，％PCO+CO2＝1atm

[C]含量愈高，CO愈穩(wěn)定；溫度愈高，CO愈穩(wěn)定。49[C][O]乘積：[C]+[O]={CO}G＝－20482－38.94T[1,2]取PCO＝1atm,[1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley19635051實(shí)際煉鋼過(guò)程熔池[O]高于理論[O]含量52實(shí)際熔池的[O]含量與碳－氧化學(xué)平衡的[O]含量之差稱(chēng)為過(guò)剩氧

[O]:

[O]＝[O]實(shí)際－[O]平衡

脫碳速度快，

[O]低；熔池?cái)嚢鑿?qiáng)，

[O]低；底吹、頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼

[O]低。過(guò)剩氧

[O]的大小與脫碳反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有關(guān)53[C]+[O]={CO}G＝－20482－38.94T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley1963氣相壓力對(duì)脫碳反應(yīng)的影響5455通過(guò)減少PCO促進(jìn)脫碳反應(yīng)56脫碳反應(yīng)的熱力學(xué)條件增大fC有利于脫碳；2)增加[O]有利于脫碳；3)降低氣相PCO有利于脫碳；4)提高溫度有利于脫碳。57脫碳反應(yīng)的熱效應(yīng)1/2{O2}＝[O](1)[C]＋[O]＝{CO}(2)[C]+{O2}＝{CO2}(4)H＝－34830kJ/kg[C][C]+1/2{O2}＝{CO}(3)H＝－11637kJ/kg[C]58例題：氧化1％[C]可使鋼水升溫多少℃？?。?0％碳氧化為CO，10％氧化為CO2，渣量為10kg/t，鋼水比熱為840J/kg/℃，爐渣比熱為1250J/kg/℃，爐氣比熱為1140J/kg/℃。碳氧化為CO放熱：1000×0.01×0.9×11637＝104580kJ碳氧化為CO2放熱：1000×0.01×0.1×34830＝34830kJ每氧化1％[C]可使鋼水升溫：(104580＋34780)/880.601＝158℃1000×0.01×0.9×28.01/12.01＋1000×0.01×0.1×44.01/12.01＝24.65kg氧化1％碳生成反應(yīng)氣體量為：鋼水、爐渣、爐氣每升溫1℃所需要熱量為：1000×840＋10×1250＋24.65×1140＝880.601kJ59二、脫碳反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件1．脫碳反應(yīng)的環(huán)節(jié)1)反應(yīng)物[C]和[O]向反應(yīng)區(qū)擴(kuò)散;2)[C]和[O]進(jìn)行化學(xué)反應(yīng);3)反應(yīng)界面氣泡生成；4)反應(yīng)產(chǎn)物CO或CO2離開(kāi)反應(yīng)區(qū)域。碳的氧化反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的多相反應(yīng)，包括擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)和氣泡生成等幾個(gè)環(huán)節(jié)。60第三節(jié)、硅的氧化

液態(tài)無(wú)限互溶；常溫下固態(tài)鋼中溶解度很高；增加鋼的強(qiáng)度。碳鋼中每增加0.1%Si,熱軋鋼材

s大約增加3.9～4.9MPa，b增加7.8～8.8MPa。61[Si]的氧化反應(yīng)[Si]＋{O2}＝(SiO2)G＝－827640＋224.4T[1,2][Si]＋2[O]＝(SiO2)G＝－593560＋230.2T[1,2][Si]＋2(FeO)＝(SiO2)＋2[Fe]G＝－368676＋137.06T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley196362當(dāng)有過(guò)量(FeO)存在時(shí)，[Si]的氧化產(chǎn)物與(FeO)結(jié)合：[Si]＋2(FeO)＋2(CaO)＝(Ca2SiO4)＋2[Fe]隨著爐渣中(CaO)含量增加，(2FeOSiO2)逐漸向(2CaOSiO2)轉(zhuǎn)化：(SiO2)＋(FeO)＝(2FeOSiO2)[Si]的氧化反應(yīng)也可表示為：2(CaO)＋(SiO2)＝(Ca2SiO4)63[Si]的氧化反應(yīng)可以更方便地表示為：[Si]＋2[O]＝SiO2(l)G＝－593560＋230.2T[1,2]有利于[Si]氧化反應(yīng)因素：

提高[Si]的活度；降低渣中(SiO2)的活度；較低溫度。64脫硅反應(yīng)的熱效應(yīng)[Si]+{O2}＝(SiO2)H＝－29176kJ/kg例題：氧化0.1％[Si]可使鋼水升溫多少℃？取：渣量為10kg/t，鋼水比熱為840J/kg/℃，爐渣比熱為

1250J/kg/℃。[Si]氧化放熱：1000×0.001×29176＝29176kJ鋼水、爐渣每升溫1℃所需要熱量為：1000×840＋10×1250＝852.5kJ每氧化0.1％[Si]可使鋼水升溫：29176/852.5＝34.2℃65[Si]的氧化在煉鋼吹煉初期即可完成66國(guó)內(nèi)某鋼廠(chǎng)300噸BOF轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程熔池成分變化第一爐第二爐67[Si]的氧化反應(yīng)對(duì)煉鋼過(guò)程的影響

熱效應(yīng)；影響脫碳、脫磷反應(yīng)；影響渣量?，F(xiàn)代化煉鋼廠(chǎng)采用了鐵水脫硅預(yù)處理工藝68作業(yè)：1、氧氣射流對(duì)熔池的物理作用？2、比較煉鋼條件下鐵氧化物的穩(wěn)定性。3、爐渣是如何發(fā)揮傳氧作用的？4、什么是直接氧化和間接氧化？5、脫碳反應(yīng)的產(chǎn)物－CO在煉鋼過(guò)程中具有什么作用？6、什么是過(guò)剩氧

[O]？其主要影響因素是什么？7、有利于[Si]氧化反應(yīng)因素是什么？[Si]的氧化反應(yīng)對(duì)煉鋼過(guò)程有何影響？69

液態(tài)無(wú)限互溶；常溫下鋼中溶解度很高；提高鋼的強(qiáng)度。碳鋼中每增加0.1%Mn,熱軋鋼材

s大約增加7.8～9.8MPa，b增加7.8～12.7MPa。第四節(jié)、錳的氧化與還原70[Mn]的氧化反應(yīng)[Mn]＋1/2{O2}＝(MnO)G＝－402065＋83.62T[1,2][Mn]＋[O]＝(MnO)G＝－285025＋86.5T[1,2][Mn]＋(FeO)＝(MnO)＋[Fe]G＝－172583＋39.94T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley196371如以下式代表錳的氧化反應(yīng)：有利于[Mn]氧化反應(yīng)因素：

提高[Mn]的活度；提高渣中(FeO)的活度；降低渣中(MnO)的活度；較低溫度。[Mn]＋(FeO)＝(MnO)＋[Fe]G＝－172583＋39.94T[1,2]72錳氧化反應(yīng)的熱效應(yīng)[Mn]+1/2{O2}＝(MnO)H＝－6593kJ/kg例題：氧化0.1％[Mn]可使鋼水升溫多少℃？取：渣量為10kg/t，鋼水比熱為840J/kg/℃，爐渣比熱為

1250J/kg/℃。[Mn]氧化放熱：1000×0.001×6593＝6593kJ鋼水、爐渣每升溫1℃所需要熱量為：1000×840＋10×1250＝852.5kJ每氧化0.1％[Mn]可使鋼水升溫：6593/852.5＝7.7℃73[Mn]＋(FeO)＝(MnO)＋[Fe]G＝－172583＋39.94T煉鋼過(guò)程Mn的氧化與還原

初期溫度低，渣中MnO

活度低，大量Mn氧化；中后期溫度升高、渣中

FeO含量降低，堿度提高，爐渣中部分MnO被還原；末期爐渣FeO含量增高，

Mn重新被氧化。74第五節(jié)、脫磷反應(yīng)對(duì)絕大多數(shù)鋼種，磷是有害的雜質(zhì)?！隼浯?；■調(diào)質(zhì)鋼的回火脆性；■熱加工性；■焊接性能等。

某些鋼種，例如高Ni合金鋼、低溫液態(tài)氣體儲(chǔ)罐、奧氏體不銹鋼等，要求盡量降低[P]含量。[P]對(duì)9％Ni鋼低溫韌性的影響75一、鐵水中[P]的氧化反應(yīng)2[P]＋5/2{O2}＝(P2O5)G＝－938080＋258.7T[1,2]2[P]＋5[O]＝(P2O5)G＝－352880＋273.1T[1,2]2[P]＋5(FeO)＝(P2O5)＋5[Fe]G＝－209327＋40.3T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley1963762[P]＋5[O]＝(P2O5)G＝－352880＋273.1T計(jì)算：1650℃時(shí)脫磷反應(yīng)所需P2O5活度1650℃時(shí)鋼液最高[O]為0.28%，目標(biāo)[P]含量為0.01%，即：爐渣中P2O5活度必須低于3.62×10-12，脫磷反應(yīng)才能進(jìn)行。77P2O5的穩(wěn)定性—造渣的必要性2[P]＋5[O]＝(P2O5)G＝－352880＋273.1T1650℃時(shí)鋼液最高[O]為0.28%，目標(biāo)[P]含量為0.01%，取渣中NP2O5＝0.015(相當(dāng)于3.5%)，78通過(guò)造堿性爐渣降低P2O5的活度系數(shù)。Turkdogan經(jīng)驗(yàn)公式[1]：降低P2O5活度系數(shù)的措施：

提高爐渣堿度CaO/SiO2；

提高爐渣MgO、MnO、FeO含量；降低溫度。[1]JournalofIronandSteelInstitute,1953,Vol.175,p.39879煉鋼爐渣成分范圍：MnOP2O5

FetOCaO/SiO245～55%12～20%4～13％2~4％CaOSiO2MgOAl2O3

2～6%1~5%12～28%3~4.580二、脫磷反應(yīng)的熱力學(xué)條件脫磷反應(yīng)的反應(yīng)式：2[P]＋5[O]＝(P2O5)(1)2[P]＋5(FeO)＋3(CaO)＝(Ca3P2O8)＋5[Fe](2)2[P]＋5(FeO)＋4(CaO)＝(Ca4P2O9)＋5[Fe](3)按照爐渣離子模型2[P]＋5[O]＋3(O2-)＝2(PO43-)(5)2[P]＋5(Fe2+)＋8(O2-)＝2(PO43-)＋5[Fe](4)81脫磷反應(yīng)平衡的研究Healy等研究2[P]＋5[O]＝(P2O5)松下幸雄等研究82有利于脫磷的工藝條件

降低溫度有利于脫磷反應(yīng)；提高爐渣堿度有利于脫磷反應(yīng)；增加爐渣氧化鐵活度有利于脫磷反應(yīng)；增加渣量有利于脫磷反應(yīng)；增加[P]活度系數(shù)有利于脫磷反應(yīng)。83渣量對(duì)脫磷反應(yīng)的影響例題：對(duì)金屬和爐渣做磷的衡算。84回磷：300噸BOF轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程金屬成分變化煉鋼過(guò)程回磷；脫氧過(guò)程回磷。煉鋼過(guò)程回磷原因：

吹煉中期爐渣返干，

FetO含量減少；溫度偏高。85脫氧過(guò)程回磷原因：

出鋼帶渣量多；爐渣堿度降低；

[O]含量降低。3(P2O5)＋10[Al]＝6[P]＋5(Al2O3)2(P2O5)＋5[Si]＝4[P]＋5(SiO2)2[Al]＋3(FeO)＝(Al2O3)＋3[Fe][Si]＋2(FeO)＝(SiO2)＋2[Fe]86低磷鋼生產(chǎn)1、低磷鋼生產(chǎn)(鐵水預(yù)處理、氧氣煉鋼)；2、超低磷鋼(P<20ppm)生產(chǎn)(鐵水預(yù)處理

＋二次精煉脫磷)鐵水脫磷預(yù)處理1、鐵水運(yùn)送容器中噴粉脫磷；2、利用轉(zhuǎn)爐脫磷預(yù)處理(SRP、LD－ORP)。脫磷劑：CaO－CaF2－Fe2O3(O2)87鐵水魚(yú)雷罐中噴粉脫磷新日鐵君津廠(chǎng)脫磷工序流程示意圖88鐵水罐中噴粉脫磷NKK福山廠(chǎng)鐵水罐噴粉脫磷示意圖89利用轉(zhuǎn)爐作為容器進(jìn)行鐵水脫磷處理新日鐵名古屋廠(chǎng)轉(zhuǎn)爐脫磷處理流程圖90各種鐵水脫磷方法的比較91對(duì)于[P]<20ppm超低磷鋼，必須采用二次精煉脫磷方法NKK福山廠(chǎng)生產(chǎn)9％Ni超低磷鋼工藝流程圖92還原脫磷

在還原條件下，磷可還原，生成P3-：

1/2P2(g)+3/2(O2-)=(P3-)+3/4O2

實(shí)現(xiàn)還原脫磷，需要很低的氧勢(shì)或很高真空度，生產(chǎn)中很難實(shí)現(xiàn)。目前采用Ca-CaF2，CaC2-CaF2渣系進(jìn)行還原脫磷。

3CaC2+2[P]=Ca3P2+6[C]還原脫磷存在的問(wèn)題:1）CaP2渣的處理很復(fù)雜，與水汽作用，產(chǎn)生PH3劇毒氣體；2）[C]=0.5-1.8%，脫P(yáng)率↑；[C]<0.5%，CaC2分解速度快，Ca損增加；3）[C]>1.8%，CaC2分解困難，鋼液有“增C”的可能。P5+P3-lgPO2lgP3-,lgP5+,%93作業(yè)：1、有利于[Mn]氧化反應(yīng)因素是什么？2、有利于脫磷的工藝條件有哪些？3、煉鋼爐渣成分范圍是怎樣的？4、什么是回磷？造成煉鋼過(guò)程和脫氧過(guò)程回磷的原因是什么？5、如何生產(chǎn)低磷鋼？6、有利于脫硫的因素有哪些？94第六節(jié)、脫硫反應(yīng)硫?qū)︿摬男阅艿挠绊懀?/p>

■熱加工性(紅脆);■降低低溫韌性；

■焊接性能；

■抗氫致裂紋性能；

■各向異性959697

鋼中[S]含量范圍：0.0002～0.040%；鐵液中S能無(wú)限溶解；固態(tài)鋼中[S]的溶解度降低，絕大多數(shù)以硫化物形式存在于鋼的奧氏體晶界處。球狀MnS夾雜網(wǎng)狀硫化物夾雜

98一、脫硫反應(yīng)[S]＋(CaO)＝(CaS)＋[O]G＝89036－18.46T[1,2][S]＋(MnO)＝(MnS)＋[O]G＝119222－33.95T[1,2][S]＋(MgO)＝(MgS)＋[O]G＝167524－14.9T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley1963[S]＋(O2+)＝[O]＋(S2+)99堿性氧化渣與鋼液間的脫硫反應(yīng)[S]＋(CaO)＝(CaS)＋[O]G＝89036－18.46T[1,2]離子反應(yīng)式[S]＋(O2-)＝(S2-)＋[O]logK＝－4650/T＋0.964100有利于脫硫的因素：

提高溫度；提高[S]的活度系數(shù)；提高爐渣(O2-)活度；降低爐渣(S2-)活度系數(shù)；降低[O]活度。[S]＋(O2-)＝(S2-)＋[O]101硫容量(SulfideCapacity)[S]＋(O2-)＝(S2-)＋[O]硫容量代表爐渣脫硫能力，溫度一定時(shí)，只與爐渣組成有關(guān)。102高堿度爐渣有利于脫硫103爐渣高的FeO含量不利于脫硫1041550℃105氣相脫硫(S2-)＋3/2{O2}＝(O2-)＋{SO2}6(Fe3+)＋(S2-)＋2(O2-)＝6(Fe2+)＋{SO2}[S]＋[O]＝{SO}G＝146594－24.40T[1,2][S]＋2[O]＝{SO2}G＝3851＋55.72T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley1963氣相脫硫約占總脫硫量的10％。106金屬的脫硫反應(yīng)[Mn]+[S]=(MnS)G＝－131357＋80.95T[1,2]{Ca}+[S]=(CaS)G＝－572980＋169.4T[1,2]{Mg}+[S]=(MgS)G＝－430028＋181.8T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley1963107108低硫鋼生產(chǎn)技術(shù)■低硫鋼(S<100ppm)，采用鐵水預(yù)處理■超低硫鋼(S<50ppm)，鐵水預(yù)處理＋二次精煉脫硫鐵水脫硫預(yù)處理：KR法脫硫噴粉脫硫脫硫劑：CaC2,CaO、

CaF2等脫硫率：40-80％[S]可脫除到90－50ppm。109經(jīng)脫硫處理過(guò)的鐵水(S<90ppm)在氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程基本不能夠脫硫，由于廢鋼、殘?jiān)?、耐火材料等帶入硫，煉鋼過(guò)程回硫可達(dá)10～30ppm。僅具有鐵水脫硫預(yù)處理很難經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)超低硫鋼，煉鋼后的二次精煉脫硫?qū)τ谏a(chǎn)超低硫鋼是不可缺少的工序。110國(guó)內(nèi)某轉(zhuǎn)爐鋼廠(chǎng)低硫鐵水煉鋼過(guò)程回硫分析

鐵水： [S]：0.005%廢鋼： [S]：0.04%生鐵塊： [S]：0.03%石灰： [S]：0.011%輕燒白云石： [S]：0.025%生白云石： [S]：0.015%鐵水渣： [S]：1.0～2.2%鐵水帶渣量： 0.5～1.0噸111吹煉開(kāi)始后回硫進(jìn)行得很快，在開(kāi)吹后10min里，[S]幾乎呈直線(xiàn)上升第一爐第二爐112爐渣堿度對(duì)回硫有重要的影響第一爐第二爐113帶入硫量分析：煉鋼爐料中的硫主要來(lái)自廢鋼、鐵水渣和鐵水，石灰等帶入的硫很少。114由此可知：1)回硫主要發(fā)生在吹煉的前半期；2)吹煉前半期爐渣堿度低是促使回硫的重要原因，如能在吹煉前期快速將堿度提高到2.3以上，將能夠減輕回硫；3)爐料中的硫主要來(lái)自廢鋼和脫硫渣，減少帶渣對(duì)抑制回硫十分重要。4)冶煉超低硫鋼時(shí)應(yīng)采用減少?gòu)U鋼用量或使用低硫優(yōu)質(zhì)廢鋼、盡可能減少鐵水帶渣方法。115二次精煉鋼液脫硫技術(shù)1、鋼包噴粉脫硫(TN、KIP等)TN法脫硫示意圖噴吹CaO-CaF2-Al2O3、CaSi等進(jìn)行脫硫,脫硫效率60～90％，處理后鋼液[S]可脫除至10ppm以下。優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)速度快、效率高；缺點(diǎn)：鋼水翻騰大，氧化和吸氮較嚴(yán)重。116鋼包爐(LF)鋼水脫硫技術(shù)LF爐精煉非常適合于低硫、超低硫鋼生產(chǎn)：■高堿度還原渣，渣量可達(dá)25kg/t；

■電弧加熱，爐渣溫度高；■可以較強(qiáng)烈攪拌鋼水；■過(guò)程穩(wěn)定，易于控制。117新日鐵八幡廠(chǎng)60tLF爐生產(chǎn)低硫鋼工藝11880kg級(jí)優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度鋼生產(chǎn)工藝流程

119NKK福山廠(chǎng)250噸LF爐生產(chǎn)極低硫鋼([S]<5ppm)工藝3(CaO)+2[Al]+3[S]=3(CaS)+(Al2O3)（1）120因?yàn)?，?）代入（2）式，得到（3）定義：121要獲得高的(S)/[S]由（3）式得到：

[Al]含量要高；溫度要高；爐渣(S.P.)值要低。122在60％CaO－10％SiO2－30％Al2O3處，爐渣的(S.P.)值最低(0.1左右)。123124第七節(jié)、鋼液的脫氧反應(yīng)脫氧的必要性在氧氣煉鋼過(guò)程均采用向金屬熔池供氧以氧化去除鐵液中碳、硅、磷等雜質(zhì)；

為獲得高的反應(yīng)效率，必須供入充足的氧；

在冶煉臨近結(jié)束時(shí)，鋼液實(shí)際上處于“過(guò)度氧化”狀態(tài)。1650C時(shí)，[O]飽和＝0.238％125實(shí)際煉鋼生產(chǎn)中鋼液的溶解氧含量[O]低于[O]飽和；

鋼液[O]含量除與溫度有關(guān)外，還與鋼液其它組元含量、爐渣氧化性、氧氣煉鋼供氧參數(shù)等有關(guān)；冶煉結(jié)束時(shí)[O]含量存在一波動(dòng)范圍；以氧氣底吹轉(zhuǎn)爐為例，當(dāng)終點(diǎn)[C]含量在0.02％～

0.10％之間時(shí)，[O]含量在

0.08％～0.1％之間。126固體鋼中氧的溶解度變化鐵凝固后氧在固體鐵中的溶解度顯著降低；

鐵中氧的溶解度最大約為80ppm；

鐵中氧的溶解度最多為25ppm；

鐵中氧的溶解度僅約為3～4ppm。這意味著在凝固以及隨后的冷卻過(guò)程，鐵液中的溶解氧幾乎全部均要由Fe中析出。127氧對(duì)鋼性能的影響氧是在鋼的凝固過(guò)程偏析傾向最嚴(yán)重的元素之一，氧的偏析系數(shù)（1－[O]固體鋼/[O]鋼液）為0.98。在鋼凝固和隨后的冷卻過(guò)程，由于溶解度急劇降低，鋼中原溶解的絕大部分氧以鐵氧化物、氧硫化物等微細(xì)夾雜物形式在奧氏體或鐵素體晶界處富集存在；氧化物、氧硫化物等微細(xì)夾雜物會(huì)造成晶界脆化，在鋼的加工和使用過(guò)程容易成為晶界開(kāi)裂的起點(diǎn)，導(dǎo)致鋼材發(fā)生脆性破壞；鋼中氧含量增加會(huì)降低鋼材的延性、沖擊韌性和抗疲勞破壞性能，提高鋼材的韌－脆轉(zhuǎn)換溫度，降低鋼材的耐腐蝕性能等。128鋼液的脫氧在氧化冶煉完成后，必須對(duì)鋼液進(jìn)行脫氧，將鋼液的氧含量降低到較低的水平。對(duì)鋼液進(jìn)行脫氧目前主要有三種方法：（1）直接（沉淀）脫氧法；（2）擴(kuò)散脫氧法；（3）真空脫氧法。129直接（沉淀）脫氧是用與氧親和力較鐵與氧親和力強(qiáng)的元素作脫氧劑，脫氧劑與鋼液中的氧直接作用，發(fā)生脫氧反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物由鋼液上浮排除，從而達(dá)到脫氧目的。其中，[M]：脫氧元素；

[O]：鋼液氧含量。沉淀脫氧是目前廣為采用的脫氧方法。脫氧時(shí)將脫氧劑以鐵合金形式直接加入到鋼液中，某些比重較輕或較易氣化的脫氧劑（例如鋁、鈣、鎂等）則多采用向鋼液喂絲或喂包芯線(xiàn)方法加入至鋼液中。沉淀脫氧反應(yīng)速度快，操作簡(jiǎn)便，成本較低，但由于部分脫氧產(chǎn)物會(huì)滯留在鋼中。130擴(kuò)散脫氧是向爐渣中加入碳粉、硅鐵粉、鋁粉等脫氧劑，降低爐渣的FeO含量。由氧在渣－鋼之間的分配平衡關(guān)系式可知，當(dāng)渣中FeO含量不斷降低時(shí)，鋼中的氧即會(huì)向爐渣中擴(kuò)散，以維持氧在渣－鋼間的分配平衡，從而達(dá)到鋼液脫氧的目的。擴(kuò)散脫氧方法目前主要應(yīng)用于鋼水爐外精煉。擴(kuò)散脫氧的優(yōu)點(diǎn)是脫氧產(chǎn)物不玷污鋼液，缺點(diǎn)是脫氧速度較慢。131真空脫氧是指將鋼液至于真空條件下，通過(guò)降低CO氣體分壓，促使鋼液內(nèi)[C]－[O]反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，利用[C]－[O]反應(yīng)達(dá)到脫氧的目的。真空脫氧方法的最大特點(diǎn)是脫氧產(chǎn)物CO幾乎全部可有鋼液排除，不玷污鋼液。缺點(diǎn)是鋼液溫度損失較大，且投資和生產(chǎn)成本較高。

[C]＋[O]＝CO132133元素的脫氧能力脫氧反應(yīng)式：平衡常數(shù)式：當(dāng)脫氧產(chǎn)物為純氧化物或呈飽和態(tài)時(shí)，aMxOy＝1，鋼液中[M]、[O]活度系數(shù)取為1，134取Km的倒數(shù)，K稱(chēng)為脫氧常數(shù)，用以判斷元素的脫氧能力。元素的脫氧能力：一定溫度下與一定濃度的脫氧元素相平衡的氧含量的高低。135

脫氧常數(shù)K值愈大，與一定濃度脫氧元素[M]相平衡的鋼液[O]含量愈高，元素的脫氧能力愈弱。

反之，脫氧常數(shù)K值愈低，則元素的脫氧能力愈強(qiáng)。136137G＝A＋B×T(KJ/mol)138139單獨(dú)元素的脫氧脫氧產(chǎn)物活度為1的條件下，元素脫氧能力：Ca>Al>Ti>C>Si>V>Cr>Mn140脫氧產(chǎn)物與脫氧元素含量的關(guān)系在脫氧元素含量低，[O]含量高時(shí)，發(fā)生以下反應(yīng)：脫氧產(chǎn)物有：FeOMnO、FeOAl2O3、FeOSiO2、FeOV2O3、FeOCr2O3等。141脫氧元素不同含量下的脫氧產(chǎn)物組成142三次脫氧產(chǎn)物：鋼液凝固時(shí)，在固－液兩相區(qū)仍可以繼續(xù)進(jìn)行脫氧反應(yīng)，由此生成的脫氧產(chǎn)物。一次脫氧產(chǎn)物：加入脫氧元素，立即發(fā)生脫氧反應(yīng)生成的脫氧產(chǎn)物。二次脫氧產(chǎn)物：隨著溫度下降，平衡發(fā)生移動(dòng)，脫氧反應(yīng)得以繼續(xù)進(jìn)行，由此生成的脫氧產(chǎn)物。143錳的脫氧[Mn]+[O]=MnO(l)G=－285025＋126.84T脫氧能力很低；局部錳含量高，可局部脫氧；隨溫度降低，錳脫氧能力增強(qiáng)；

與硅、鋁同時(shí)使用，增強(qiáng)硅、錳的脫氧能力。144硅的脫氧[Si]+2[O]=SiO2(s)G=－585700＋226.86T具有較強(qiáng)的脫氧能力；隨溫度降低，脫氧能力增強(qiáng)；

為絕大多數(shù)鋼種采用。145鋁的脫氧2[Al]+3[O]=Al2O3(s)G=－1243660＋394.7T

非常非常強(qiáng)的脫氧能力；隨溫度降低，脫氧能力增強(qiáng)；

為大多數(shù)鋼種采用。146復(fù)合脫氧劑的脫氧1、硅－錳復(fù)合脫氧硅比錳的脫氧能力強(qiáng)，但是用硅－錳同時(shí)脫氧，可以降低SiO2的活度，得到更低的殘余氧含量。147148149錳同樣能提高鋁的脫氧能力，錳硅同時(shí)存在時(shí)可進(jìn)一步提高鋁的脫氧能力。1502、鈣－硅復(fù)合脫氧[Ca]+[O]=CaO(s)G=－628696＋227.25T非常強(qiáng)的脫氧能力；煉鋼溫度下Ca的蒸汽壓很高(1.6～3.7大氣壓);Ca在鋼液中溶解度很低

(0.15～0.16%)；僅用Ca脫氧損耗很大。151為了提高Ca的脫氧效率，需要同時(shí)加入第三元素，提高Ca在鋼液中的溶解度。碳、硅、鋁能夠顯著提高Ca的溶解度；每加入1％的C、Si、Al，Ca的溶解度分別增加90％、25％、20％；

硅－鈣合金、鋁－鈣合金被廣泛采用。152擴(kuò)散脫氧鋼液中[O]向爐渣擴(kuò)散傳遞，與加入到爐渣中脫氧元素進(jìn)行的脫氧反應(yīng)稱(chēng)為擴(kuò)散脫氧。第二步：在渣－鋼界面發(fā)生脫氧反應(yīng)。第一步：鋼液中[O]向渣－鋼界面?zhèn)鬟f，擴(kuò)散脫氧產(chǎn)物不會(huì)污染鋼液，但擴(kuò)散脫氧的反應(yīng)速度較低。153[C]+[O]={CO}G＝－20482－38.94T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley1963真空碳脫氧154155真空精煉工藝156沉淀脫氧的動(dòng)力學(xué)沉淀脫氧包括以下環(huán)節(jié)：脫氧元素的溶解和均勻化；脫氧化學(xué)反應(yīng)；脫氧產(chǎn)物的形核；脫氧產(chǎn)物的長(zhǎng)大；脫氧產(chǎn)物的去除。157Al2O3夾雜物上浮快的原因：與鋼液之間界面張力大；生成簇群狀?yuàn)A雜物。158159鋼中非金屬夾雜物的種類(lèi)及其形態(tài)一、按化學(xué)成分分類(lèi)1、氧化物系夾雜物簡(jiǎn)單氧化物－FeO、MnO、SiO2、Al2O3、

Cr2O3、TiO2等。2)復(fù)雜氧化物－尖晶石類(lèi)夾雜物和各種硅酸鹽、鋁酸鹽類(lèi)夾雜物。尖晶石類(lèi)夾雜物－FeOFe2O3、FeOAl2O3、

MnOAl2O3、FeOCr2O3、

MgOAl2O3等。160硅酸鹽類(lèi)夾雜物－

xFeOyMnOzSiO2鋁酸鹽類(lèi)夾雜物－xFeOyMnOzAl2O3脫氧生成的夾雜物多為Al2O3、SiO2、Mn-Al硅酸鹽、

Mn-Si鋁酸鹽等。簇群狀A(yù)l2O3夾雜物161162塊狀A(yù)l2O3非金屬夾雜物163164FeO-MnO-SiO2-Al2O3系夾雜物FeO-MnO-Al2O3系夾雜物165FeO-CaO-Al2O3-SiO2系夾雜物FeO-CaO-Al2O3-SiO2系夾雜物1662、硫化物系夾雜物MnS鈣處理鋼中復(fù)雜硫化物硫化物按照形態(tài)通常分為三類(lèi)第I類(lèi)硫化物：形狀為球形，尺寸可在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變動(dòng)，可以是單純的硫化物，也可以是硫化物(MnS)與氧化物(FeO、MnO等)結(jié)合形成的硫氧化物167第III類(lèi)硫化物：晶界處存在的排成鏈狀的球狀?yuàn)A雜或者是在晶界形成的共晶式的薄膜。第II類(lèi)硫化物：此類(lèi)夾雜物呈塊狀、外形不規(guī)則，多少呈任意狀態(tài)分布。168二、按夾雜物形態(tài)分類(lèi)1、塑性?shī)A雜物FeO、MnO、(Fe、Mn)O、部分Fe-Mn硅酸鹽、部分Ca-Mn硅酸鹽、Ca-Al硅酸鹽、MnS等。1691703、不變形夾雜物在熱加工時(shí)保持原來(lái)的球、點(diǎn)狀(SiO2、含較高SiO2的硅酸鹽、鈣的鋁酸鹽等)。2、脆性?shī)A雜物在熱加工時(shí)不變形，但沿加工方向破裂成串狀(Al2O3、尖晶石類(lèi)夾雜物)。171內(nèi)生夾雜物外來(lái)夾雜物三、按夾雜物的來(lái)源分類(lèi)172連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣卷入生成的非金屬夾雜物173174夾雜物對(duì)鋼材性能的影響

疲勞壽命；

延性、韌性；

焊接性能；

HIC性能；

各向異性(鏈狀A(yù)l2O3)；

耐蝕性；

表面質(zhì)量；

加工性能。175減少鋼中非金屬夾雜物的途徑減少脫氧產(chǎn)物對(duì)鋼液的污染采用合適的脫氧制度吹氬或電磁攪拌真空脫氧確保足夠的鎮(zhèn)靜時(shí)間防止鋼液的二次氧化減少外來(lái)雜質(zhì)的污染176第八節(jié)、鋼液中的氣體和去除鋼中的氣體:

氮?dú)?/p>

氫氣177氣體在鋼液中的溶解：空氣（N2、H2O）；爐料（石灰、廢鋼、合金、耐火材料等）。鋼中氣體的來(lái)源：J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley，1963178179[H]的另一來(lái)源：水蒸氣H2O＋CO＝CO2＋H2?G

＝－29500＋26.8TH2O＝1/2O2＋H2?G

＝249570－57.10T空氣、爐料中水分均為鋼液[H]的重要來(lái)源！電弧爐冶煉過(guò)程，電弧溫度高達(dá)4000～7000C，高溫加速了H2、N2、H2O的解離和溶解。電弧爐煉鋼鋼液[N]、[H]含量高于氧氣轉(zhuǎn)爐。180鋼液的脫氮和脫氫（3）鋼水真空精煉脫除[N]、[H]脫碳可以強(qiáng)烈攪拌熔池，加速[N]、[H]向液－氣反應(yīng)界面的傳遞；脫碳反應(yīng)生成大量CO氣泡，在CO氣泡內(nèi)氮、氫的分壓近似為零；

CO氣泡可成為N2、H2核心。（1）利用脫碳反應(yīng)脫除[N]、[H]（2）鋼水包內(nèi)吹氬脫除[N]、[H]181低[N]鋼液的脫氮是尚未解決的難題RH處理前后鋼中[N]的變化V-KIP處理前后[N]的變化182生產(chǎn)低[N]鋼采用：■鐵水預(yù)處理；■頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐；■不脫氧出鋼；■嚴(yán)格保護(hù)澆鑄。不同工序鋼中[N]含量的變化脫氮困難的原因：■鋼液中氮的溶解度高；■空氣氮分壓高；■液態(tài)鋼溫度下很難利用化學(xué)反應(yīng)脫氮；■氧、硫表面活性元素影響。183作業(yè)：1、什么是回硫？造成回硫的原因是什么？2、對(duì)鋼液進(jìn)行脫氧的方法有哪些？3、沉淀脫氧與擴(kuò)散脫氧相比有何優(yōu)缺點(diǎn)？4、1650℃下，元素脫氧能力的強(qiáng)弱順序如何？5、為何要采用復(fù)合脫氧劑？6、非金屬夾雜物對(duì)鋼有什么危害，如何減少鋼中非金屬夾雜物？7、鋼中氣體的來(lái)源有哪些？通過(guò)哪些方法可以脫除？184第九節(jié)鋼液的物理化學(xué)性質(zhì)一、鋼液的密度

單位體積鋼液所具有的質(zhì)量，常用符號(hào)ρ表示，單位通常用kg/m3。影響鋼液密度的因素主要有溫度和鋼液的化學(xué)成分?？偟膩?lái)講，溫度升高，鋼液密度降低，原因在于原子間距增大。固體純鐵密度為7880kg/m3，1550℃時(shí)液態(tài)的密度為7040kg/m3，鋼的變化與純鐵類(lèi)似。

185鋼液密度隨溫度的變化：

ρ=8523-0.8358(T+273)

成分對(duì)鋼液密度的影響：

ρ1600℃=ρ01600℃-210[%C]-164[%Al]-60[%Si]-550[%Cr]-7.5[%Mn]+43[%W]+6[%Ni]鋼液的密度186

[C]（%）密度1500℃1550℃1600℃1650℃1700℃0.000.100.200.300.400.600.801.001.201.607.466.987.067.147.146.976.866.786.726.677.046.967.017.067.056.896.786.706.646.577.036.956.977.017.016.846.736.656.616.547.006.896.936.986.976.806.676.596.556.526.936.816.816.826.836.706.576.506.476.43鐵碳熔體的密度（kg/m3）

187二、鋼的熔點(diǎn)指鋼完全轉(zhuǎn)變成均一液體狀態(tài)時(shí)的溫度，或是冷凝時(shí)開(kāi)始析出固體的溫度。鋼的熔點(diǎn)是確定冶煉和澆鑄溫度的重要參數(shù)，純鐵的熔點(diǎn)約為1538℃，當(dāng)某元素溶入后，純鐵原子之間的作用力減弱，鐵的熔點(diǎn)就降低。降低的程度取決于加入元素的濃度、原子量和凝固時(shí)該元素在熔體與析出的固體之間的分配。第九節(jié)鋼液的物理化學(xué)性質(zhì)188各元素使純鐵熔點(diǎn)的降低可表示為：

Mi為溶質(zhì)元素i的原子量；

[%i]液為元素i在液態(tài)鐵中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；

K為分配系數(shù)，而K=[%i]固/[%i]液，（1-K）則稱(chēng)為偏析系數(shù)。189計(jì)算鋼的熔點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)式：T熔=1538-90[%C]-28[%P]-40[%S]-17[%Ti]-6.2[%Si]-2.6[%Cu]-1.7[%Mn]-2.9[%Ni]-5.1[%Al]-1.3[%V]-1.5[%Mo]-1.8[%Cr]-1.7[%Co]-1.0[%W]-1300[%H]-90[%N]-100[%B]-65[%O]-5[%Cl]-14[%As]

190或T熔=1536-78[%C]-7.6[%Si]-4.9[%Mn]-34[%P]-30[%S]-5.0[%Cu]-3.1[%Ni]-1.3[%Cr]-3.6[%Al]-2.0[%Mo]-2.0[%V]-18[%Ti]計(jì)算鋼的熔點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)式：191三、鋼液的黏度

黏度是鋼液的一個(gè)重要性質(zhì)，它對(duì)冶煉溫度參數(shù)的制定、元素的擴(kuò)散、非金屬夾雜物的上浮和氣體的去除以及鋼的凝固結(jié)晶都有很大影響。黏度是指各種不同速度運(yùn)動(dòng)的液體各層之間所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力。通常將內(nèi)摩擦系數(shù)或黏度系數(shù)稱(chēng)為黏度。

第九節(jié)鋼液的物理化學(xué)性質(zhì)192黏度表示形式

動(dòng)力黏度，用符號(hào)μ表示；單位為Pa?s(N?s/m2，1泊=0.1Pa?s)；

運(yùn)動(dòng)黏度，常用符號(hào)ν表示，即：

m2/s

鋼液的黏度比正常熔渣的要小得多，1600℃時(shí)其值在0.002～0.003Pa?s;

純鐵液1600℃時(shí)黏度為0.0005Pa?s。

193

影響鋼液粘度因素主要是溫度和成分。溫度升高，粘度降低。鋼液中的碳對(duì)粘度的影響非常大，這主要是因?yàn)樘己渴逛摰拿芏群腿埸c(diǎn)發(fā)生變化，從而引起粘度的變化。生產(chǎn)實(shí)踐也表明，同一溫度下，高碳鋼的流動(dòng)性比低碳鋼鋼液的好。因此，一般在冶煉低碳鋼中，溫度要控制得略高一些。碳含量對(duì)鋼液粘度的影響見(jiàn)下圖。鋼液的粘度194

溫度高于液相線(xiàn)50℃時(shí)，碳含量對(duì)鋼液粘度的影響

當(dāng)[%C]<0.15時(shí)，粘度隨著碳含量的增加而大幅度下降，主要原因是鋼的密度隨碳含量的增加而降低當(dāng)0.15≤[%C]＜0.40時(shí)，粘度隨碳含量的增加而增加，原因是此時(shí)鋼液中同時(shí)存在δ-Fe和γ-Fe兩種結(jié)構(gòu)，密度是隨碳含量的增加而增加，而且鋼液中生成的Fe3C體積較大；當(dāng)[%C]≥0.40時(shí)，鋼液的結(jié)構(gòu)近似于γ-Fe排列，鋼液密度下降，鋼的熔點(diǎn)也下降，故鋼液的粘度隨著碳含量的增加繼續(xù)下降。195Si、Mn、Ni使鋼的熔點(diǎn)降低，Si、Mn、Ni含量增加，鋼液粘度降低，尤其含量很高時(shí)，降低更顯著。但Ti、W、V、Mo、Cr含量增加則使鋼液的粘度增加，這些元素易生成高熔點(diǎn)、體積大的各種碳化物。鋼液中非金屬夾雜物含量增加，鋼液粘度增加，流動(dòng)性變差。初期脫氧產(chǎn)物生成，夾雜物含量高，粘度增大，夾雜物不斷上浮或形成低熔點(diǎn)夾雜物，粘度又下降。脫氧不良，鋼液流動(dòng)性一般也不好。常用流動(dòng)性來(lái)表示鋼液的粘稠狀況，粘度的倒數(shù)即為流體的流動(dòng)性。鋼液粘度的影響因素196四、鋼液的表面張力

鋼液因原子或分子間距非常小，其間的吸引力較強(qiáng)，而且鋼液表面層和內(nèi)部所引起的這種吸引力的變化是不同的。內(nèi)部每一質(zhì)點(diǎn)所受到的吸引力的合力等于零，質(zhì)點(diǎn)保持平衡狀態(tài)；而表面層質(zhì)點(diǎn)受內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的吸引力大于氣體分子對(duì)表面層質(zhì)點(diǎn)的吸引力，這樣表面層質(zhì)點(diǎn)所受的吸引力不等于零，且方向指向鋼液內(nèi)部。

這種使鋼液表面產(chǎn)生自發(fā)縮小傾向的力稱(chēng)為鋼液的表面張力，用符號(hào)σ表示，單位為N/m。實(shí)際上，鋼液的表面張力就是指鋼液和它的飽和蒸氣或空氣界面之間的一種力。第九節(jié)鋼液的物理化學(xué)性質(zhì)197對(duì)新相的生成如CO氣泡的產(chǎn)生，鋼液凝固過(guò)程中結(jié)晶核心的形成等有影響;對(duì)相間反應(yīng)，如脫氧產(chǎn)物的、夾雜物和氣體從鋼液中排除，渣鋼分離，鋼液對(duì)耐火材料的侵蝕等也有影響。影響鋼液表面張力的因素很多，但主要有溫度、鋼液成分及鋼液的接觸物。凡能降低表面張力的元素，便會(huì)自發(fā)地移到溶液表面，使表面濃度大于內(nèi)部濃度，這時(shí)稱(chēng)為正吸附，該元素稱(chēng)為表面活性物質(zhì)；反之，為表面非活性物質(zhì)。鋼液表面張力的作用198鋼液的表面張力是隨著溫度的升高而增大，原因之一是溫度升高時(shí)表面活性物質(zhì)如C、O等熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，使鋼液表面過(guò)剩濃度減少或濃度均勻化，從而引起表面張力增大。1550℃時(shí)，純鐵液的表面張力約為1.7～1.9N/m。溶質(zhì)元素對(duì)純鐵液表面張力的影響程度取決于它的性質(zhì)與鐵的差別的大小。

影響鋼液表面張力的因素199合金元素對(duì)熔鐵表面張力的影響

200硫和氧對(duì)鐵液表面張力的影響

201液相線(xiàn)以上50℃，碳對(duì)鐵碳熔體表面張力的影響

202五、鋼的導(dǎo)熱能力鋼的導(dǎo)熱能力可用導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)表示，即當(dāng)體系內(nèi)維持單位溫度梯度時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)單位面積的熱量。鋼的導(dǎo)熱系數(shù)用符號(hào)λ表示，單位為W/（m·℃）。影響鋼導(dǎo)熱系數(shù)的因素主要有鋼液的成分、組織、溫度、非金屬夾雜物含量以及鋼中晶粒的細(xì)化程度等。

第九節(jié)鋼液的物理化學(xué)性質(zhì)203鋼中合金元素越多，鋼的導(dǎo)熱能力就越低。各種合金元素對(duì)鋼的導(dǎo)熱能力影響的次序?yàn)椋篊、Ni、Cr最大，Al、Si、Mn、W次之，Zr最小。合金鋼的導(dǎo)熱能力一般比碳鋼差，高碳鋼的導(dǎo)熱能力比低碳鋼差。具有珠光體、鐵素體和馬氏體組織的鋼，導(dǎo)熱能力加熱時(shí)都降低，但在臨界點(diǎn)AC3以上加熱將增加。各種鋼的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化規(guī)律不一樣，800℃以下碳鋼隨溫度的升高而下降，800℃以上則略有升高。

影響鋼導(dǎo)熱能力的因素204導(dǎo)熱系數(shù)與碳含量的關(guān)系

205溫度對(duì)鋼導(dǎo)熱系數(shù)的影響206第十節(jié)熔渣的物理化學(xué)性質(zhì)

煉好鋼首先要煉好渣，所有煉鋼任務(wù)的完成幾乎都與熔渣有關(guān)。熔渣的結(jié)構(gòu)決定著熔渣的物理化學(xué)性質(zhì)，而熔渣的物理化學(xué)性質(zhì)又影響著煉鋼的化學(xué)反應(yīng)平衡及反應(yīng)速率。因此，在煉鋼過(guò)程中必須控制和調(diào)整好爐內(nèi)熔渣的物理化學(xué)性質(zhì)。造出成分合適、溫度適當(dāng)并具有適宜于某種精煉目的的爐渣是煉鋼的重要條件，發(fā)揮其積極作用，抑制其不利作用。

207熔渣的作用去除鐵水和鋼水中的磷、硫等有害元素，同時(shí)能將鐵和其他有用元素的損失控制最低；保護(hù)鋼液不過(guò)度氧化、不吸收有害氣體、保溫、減少有益元素?zé)龘p；防止熱量散失，以保證鋼的冶煉溫度；吸收鋼液中上浮的夾雜物及反應(yīng)產(chǎn)物。熔渣的不利作用侵蝕耐火材料，降低爐襯壽命，特別是低堿度熔渣對(duì)爐襯的侵蝕更為嚴(yán)重；熔渣中夾帶小顆粒金屬及未被還原的金屬氧化物，降低了金屬的回收率。208熔渣的來(lái)源

煉鋼過(guò)程有目的加入的造渣材料，如石灰、石灰石、螢石、硅石、鐵礬土及火磚塊。鋼鐵材料中Si、Mn、P、Fe等元素的氧化產(chǎn)物。冶煉過(guò)程被侵蝕的爐襯耐火材料。209熔渣的分類(lèi)與組成

不同煉鋼方法采用不同的渣系進(jìn)行冶煉，造不同成分的爐渣，可達(dá)到不同的冶煉目的。轉(zhuǎn)爐煉鋼造堿性氧化渣，而電爐煉鋼造堿性還原渣，它們?cè)谖锢砘瘜W(xué)性質(zhì)和冶金反應(yīng)特點(diǎn)上有明顯的差別。

堿性氧化渣因堿性氧化物CaO和FeO含量較高，具有脫磷、脫硫能力，堿性還原渣因含有CaC2，不僅具有脫硫能力，而且有脫氧能力。

210轉(zhuǎn)爐和電爐爐渣的成分和性質(zhì)

類(lèi)別化學(xué)成分轉(zhuǎn)爐中組成%電爐中組成%冶金反應(yīng)特點(diǎn)酸性氧化渣CaO+FeO+MnOSiO2P2O550501－450500.0[C],[Si],[Mn]氧化緩慢不能脫P(yáng)、脫S；鋼水中[O]較低堿性氧化渣CaO/SiO2CaOFeOMnOMgO3.0－4.535－557－302－82－122.5－3.540-5010-255-105-10[C],[Si],[Mn]迅速氧化能較好脫P(yáng)；能脫去50%的S；鋼水中[O]較高。堿性還原渣（白渣）CaO/SiO2CaOCaF2Al2O3FeOMgOCaC22.0-3.550-555-82-3＜0.5＜10＜1脫S能力強(qiáng)；脫氧能力強(qiáng)；鋼水易增碳鋼水易回磷鋼水中[H]增加鋼水中[N]增加211熔渣的化學(xué)性質(zhì)熔渣的堿度

熔渣中堿性氧化物濃度總和與酸性氧化物濃度總和之比稱(chēng)之為熔渣堿度，常用符號(hào)R表示。熔渣堿度的大小直接對(duì)渣鋼間的物理化學(xué)反應(yīng)如脫磷、脫硫、去氣等產(chǎn)生影響。

爐料中w[P]

＜

0.30%時(shí)0.30%≤w[P]＜0.60%時(shí)212熔渣R＜1.0時(shí)為酸性渣，由于SiO2含量高，高溫下可拉成細(xì)絲，稱(chēng)為長(zhǎng)渣，冷卻后呈黑亮色玻璃狀。R＞1.0為堿性渣，稱(chēng)之短渣。煉鋼熔渣R≥3.0。煉鋼熔渣中含有不同數(shù)量的堿性、中性和酸性氧化物，它們酸、堿性的強(qiáng)弱可排列如下：CaO＞MnO＞FeO＞MgO＞CaF2＞Fe2O3＞Al2O3＞TiO2＞SiO2＞P2O5

堿性