第3章 基本理論

河北聯(lián)合大學(xué)鋼鐵冶金學(xué)

煉鋼部分第三章基本理論脫碳反應(yīng)脫磷反應(yīng)脫硫反應(yīng)鋼液中的氣體夾雜物去除3.1脫碳反應(yīng)煉鋼熔池主要元素的氧化次序

Si→Mn→Cr→C→Fe→P→S（[Si]、[Mn]含量祥差不多或[%Si]＞[%Mn]時(shí)）碳焰上升的溫度決定于Si-C轉(zhuǎn)化溫度Tsi，T＜Tsi，C氧化的產(chǎn)物CO將被[Si]還原，發(fā)生下面反應(yīng)：[Si]+2CO=（SiO2）+2[C]T＞Tsi時(shí)，生成的CO才能穩(wěn)定存在而不被還原。C在溶鐵中的溶解溶解性高溫下不熔化：3500℃升華在鋼水中溶解：Cs→[C]ΔG<0(1300~1800℃，1%C)溶解度Fe-C二元系：1500℃，5.15%多元系：其它元素的影響Si、S、P降低C的溶解度：FeSi不含CP25表2-16Cr、Mn、V提高C的溶解度：FeMn6%CFeCr7%C熱效應(yīng)

碳溶解吸熱：Cs→[C]ΔGθ=5400?10.1Tcal·mol-1理論計(jì)算：0.10%2.8℃經(jīng)驗(yàn)值：0.10%5~10℃三．脫碳反應(yīng)熱力學(xué)

碳與氣體氧：[C]+1/2{O}={CO}（一）ΔG=-139394-41.274TJ/molΔG1873=-216697J/mol碳與溶解氧：[C]+[O]={CO}（二）ΔG=-22186-38.386TJ/molΔG1873=-94082J/mol[C]+2[O]={CO2}（三）熔池含碳量高，CO2也是碳的氧化劑[C]+{CO2}=2{CO}（四）ΔG=-144758-129.577ΔG1873=-97909J/mol在煉鋼溫度下，只有當(dāng)碳低于0.1時(shí)，氣相中CO2方能達(dá)到1%以上，所以推斷在煉鋼熔池中碳的氧化產(chǎn)物絕大多數(shù)為CO。平衡常數(shù)[C]+[O]={CO}

溫度℃150016001700K454419390lgKC=1160/T+2.003(1)lgKC=811/T+2.205

(2)lgKC=1860/T+1.643(3)

K隨溫度變化較小

脫碳是弱放熱反應(yīng)碳氧積

K=PCO/(ac·ao)=PCO/([%C]·[%O])fC、

fO≈1

PCO≈1atm，K隨溫度變化小

碳氧積：m≈[%C]·[%O]≈1/K≈常數(shù)

一般來(lái)講，m值也具有化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)的性質(zhì)，在一定溫度和壓力下應(yīng)是一個(gè)常數(shù)，而與反應(yīng)物和生成物的濃度無(wú)關(guān)系。如上所述因[C]+[O]={CO}反應(yīng)的平衡常數(shù)隨溫度變化不大，所以在煉鋼過(guò)程中的溫度范圍內(nèi)，熔池中[%O]和[%C]之間具有等邊雙曲線函數(shù)的關(guān)系。定義：在平衡條件下，鋼液中〔％C〕和〔％O〕的乘積

在實(shí)際熔池中，C、O未達(dá)到平衡

[％C]和[％O]的乘積必定大于碳氧積m

唐鋼實(shí)測(cè)：低碳區(qū)0.0032~0.0035（平衡值m=0.0025）碳氧積應(yīng)用

C與O含量的關(guān)系：實(shí)際生產(chǎn)中基本規(guī)律保持不變

★C低O高★C高O低脫碳結(jié)果：鋼水中O含量上升兌鐵噴濺：[C]+[O]={CO}鐵水中C含量高過(guò)剩氧定義：與熔池中C平衡的氧含量和熔池內(nèi)實(shí)際氧含量之差高碳區(qū)：O擴(kuò)散為反應(yīng)的限制條件，O富集少，過(guò)剩氧少低碳區(qū)：C擴(kuò)散為反應(yīng)的限制條件，O富集多，過(guò)剩氧多唐鋼150t轉(zhuǎn)爐測(cè)量結(jié)果碳含量%實(shí)測(cè)氧含量ppm平衡氧含量ppm過(guò)剩氧ppm0.080.04400800300600100200過(guò)剩氧過(guò)剩氧△[%O]的大小與脫碳反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有關(guān)。脫碳速度大，則反應(yīng)接近平衡，過(guò)剩氧值較小，反之，過(guò)剩氧就更大。且爐渣中的aFeO越高，實(shí)際[%O]也越高。過(guò)剩氧△[%O]隨含碳量而有不同，碳越低，[%O]越靠近平衡線。底吹轉(zhuǎn)爐在[C]≈0.03%時(shí)接近Pco=1atm的平衡曲線。底吹轉(zhuǎn)爐熔池氣泡中會(huì)有冷卻劑分解產(chǎn)物。按Pco=0.4atm考慮，而實(shí)際[%O]和平衡曲線更近，這是由于底吹法對(duì)熔池?cái)嚢韪鼮閺?qiáng)烈的緣故。正因?yàn)槿鄢刂衃%C]和[%O]基本上保持著平衡的關(guān)系。[%C]高時(shí)，[%O]低。在[%C]高時(shí)增加供氧量只能提高脫碳速度，而不會(huì)增加熔池的[%O]；但是要使[%C]降低到很低的數(shù)值（<0.15—0.20）必須維持熔池中高的[%O]。[%C]低時(shí)，[%O]還與渣中aFeO，熔池溫度等有關(guān)。壓力對(duì)脫碳反應(yīng)的影響

[C]·[O]=mPco[O]=Pco/[C]一定[C]下，Pco越高，[O]越低。因C—O反應(yīng)產(chǎn)物為氣體CO和CO2，所以當(dāng)溫度一定時(shí)，C—O平衡關(guān)系還要受Pco或總壓的影響。當(dāng)Pco≠1時(shí)，C—O平衡關(guān)系如圖所示綜上所述，從熱力學(xué)條件考慮，影響脫碳反應(yīng)的因素是：（１）大fc有利于脫碳；（２）增大fo和[%O]有利于脫碳；（３）降低氣相中CO的分壓能使脫碳反應(yīng)順利進(jìn)行；（４）溫度對(duì)脫碳反應(yīng)的影響不大。三、Mn的氧化Mn的氧化與渣中FeO的關(guān)系Mn的氧化特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)關(guān)系？操作好，終點(diǎn)Mn剩的多，加入的MnFe礦就少C、O關(guān)系：終點(diǎn)C高O低FeO多，利于化渣第二節(jié)脫磷反應(yīng)一．冶煉脫磷的必要性P是有害元素：冷脆、塑性差★鋼種有P含量要求降低含量是消除其危害的唯一方式：Mn能控制S精煉不能脫磷：精煉為還原氣氛，無(wú)法脫磷出鋼及精煉回磷導(dǎo)致磷超標(biāo)：要求進(jìn)一步降低終點(diǎn)磷含量二．脫磷方式氧化脫磷：轉(zhuǎn)爐、電爐、鐵水預(yù)處理的主要方式還原脫磷：成本太高，處于研究階段（P110自學(xué)）三．造渣在脫磷中的必要性鐵水中P無(wú)法氧化成P2O5

1600℃，平衡常數(shù):4.4×10-8和2.8×10-10即使a[O]=0.23（飽和），在P2O5活度為1時(shí)，a[P]=3.6×106在常見(jiàn)P含量（0.100%）情況下，不會(huì)產(chǎn)生上述反應(yīng)脫磷唯一方法：降低P2O5活度四．脫磷熱力學(xué)兩種理論離子理論

反映了脫磷實(shí)質(zhì)：鋼中[O]使P氧化，渣中(O-2)降低P2O5活度生產(chǎn)應(yīng)用不方便：不太直觀分子理論應(yīng)用較多：方便直觀磷在鋼中是以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在，為方便起見(jiàn)，均用[P]表示。煉鋼過(guò)程的脫磷反應(yīng)是在金屬液與熔渣界面進(jìn)行的，首先是[P]被氧化成（P2O5），而后與（CaO）結(jié)合成穩(wěn)定的磷酸鈣，其反應(yīng)式可表示為：2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3CaO·P2O5)+5[Fe]

從CaO-P2O5相圖中可以看出3CaO·P2O5為最穩(wěn)定，4CaO·P2O5次之?？梢哉J(rèn)為存在于堿性渣中的應(yīng)是3CaO·P2O5

。由于3CaO·P2O5和4CaO·P2O5的反應(yīng)生成自由能值很相近，在熱力學(xué)分析時(shí)，有兩種磷酸鹽得出的結(jié)論基本上是一致的。在實(shí)驗(yàn)室條件下，達(dá)到平衡時(shí)的反應(yīng)產(chǎn)物通常是4CaO·P2O5

。脫磷反應(yīng)平衡常數(shù)可表示為:

脫磷熱力學(xué)條件

溫度：低溫有利于脫磷

脫磷是放熱反應(yīng)堿度：高堿度有利于脫磷增加渣中CaO含量堿度過(guò)高，導(dǎo)致?tīng)t渣變粘，不利于脫P(yáng)★控制范圍：2.5~4.0磷分配系數(shù)Lp的試驗(yàn)測(cè)定值影響脫磷反應(yīng)的因素

煉鋼溫度的影響。脫磷反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，如熔池溫度降低，脫磷反應(yīng)的平衡常數(shù)KP增大，LP增大，因此，從熱力學(xué)觀點(diǎn)，低溫脫磷比較有利。但是，低溫不利于獲得流動(dòng)性良好的高堿度爐渣。爐渣成分的影響。主要表現(xiàn)為爐渣堿度和爐渣氧化性的影響。P2O5屬于酸性氧化物，CaO、MgO等堿性氧化物能降低它的活度，堿度越高，渣中CaO的有效濃度越高，LP越大，脫磷越完全。但是，堿度并非越高越好，加入過(guò)多的石灰，化渣不好，爐渣變粘，影響流動(dòng)性，對(duì)脫磷反而不利。

終點(diǎn)熔渣堿度與[P]的關(guān)系

熔渣中(FeO)含量對(duì)脫磷反應(yīng)具有重要作用，渣中(FeO)是脫磷的首要因素。因?yàn)榱资紫妊趸蒔2O5，然后再與CaO作用生成3CaO·P2O5或4CaO·P2O5。作為磷的氧化劑，(FeO)可增大aFeO，而作為堿性氧化物可降低γP2O5，因此，隨著爐渣(FeO)含量增加，LP增大，促進(jìn)了脫磷，但作為爐渣中的堿性氧化物(FeO)脫磷能力遠(yuǎn)不及(CaO)，當(dāng)爐渣中的(FeO)含量高到一定程度后，相當(dāng)于稀釋了爐渣中(CaO)的濃度，這樣會(huì)使?fàn)t渣的脫磷能力下降。終點(diǎn)熔渣（TFe）和[P]的關(guān)系

金屬成分的影響。首先鋼液中應(yīng)有較高的[O]，如果鋼液中[Si]、[Mn]、[Cr]、[C]含量高，則不利于脫磷，因此，只有與氧結(jié)合能力高的元素含量降低時(shí)，脫磷才能順利進(jìn)行。此外，鋼液中各元素含量對(duì)[P]的活度有影響，但通常影響不太大。采用濺渣護(hù)爐技術(shù)，渣中MgO含量較高，要注意調(diào)整好熔渣流動(dòng)性，否則對(duì)脫磷產(chǎn)生不利影響。

脫磷的條件：高堿度、高氧化鐵含量（氧化性）、良好流動(dòng)性熔渣、充分的熔池?cái)噭?dòng)、適當(dāng)?shù)臏囟群痛笤?。脫磷熱力學(xué)條件

FeO：存在最佳值

FeO對(duì)脫磷影響比較復(fù)雜FeO是脫磷的必要條件：P必須氧化脫除FeO有利于石灰熔化：促進(jìn)堿度提高FeO稀釋CaO濃度：FeO和CaO都是渣中組成部分★綜合考慮：在R=2.5~4.0時(shí)，F(xiàn)eO15~20%磷分配系數(shù)Lp的試驗(yàn)測(cè)定值脫磷熱力學(xué)條件

渣量：大渣量有利于脫磷在不降低CaO和FeO的前提下，降低了4CaO·P2O5濃度增加渣量措施：提高鐵水Si含量強(qiáng)化脫磷措施：多次造渣三高一低：

高堿度（2.5~4）

高氧化鐵（15～20%）

大渣量

低熔池溫度磷分配系數(shù)Lp的試驗(yàn)測(cè)定值冶煉低P鋼注意的問(wèn)題（1）盡量少下渣：冶煉時(shí)P脫到渣中，鋼包內(nèi)加脫氧劑，鋼包渣中酸性氧化物增多,堿度變了；渣中的氧也必須脫除。擋渣操作—1t鋼3公斤渣（2）盡量清理上一爐的鋼包鋼包自開(kāi)---鋼包內(nèi)倒入引流砂，在鋼包水口呈二層結(jié)構(gòu)，靠近鋼水為燒結(jié)層，下層原始層。鋼包下有滑動(dòng)水口（通過(guò)上下兩個(gè)滑板，帶動(dòng)流鋼口的開(kāi)閉調(diào)節(jié)鋼水流量），側(cè)面有一個(gè)液壓線，滑板有一定使用壽命，多5、6次，少2、3次。（3）減少回P引起回P的原因有熔渣堿度或氧化鐵含量降低；石灰化渣不好；溫度過(guò)高都會(huì)引起回P。出鋼過(guò)程中由于脫氧合金加入不當(dāng)，或出鋼下渣，或合金中P含量較高也會(huì)導(dǎo)致成品鋼P(yáng)含量高。

由于脫氧，爐渣堿度、（FeO）含量降低，鋼包內(nèi)有回磷現(xiàn)象，反應(yīng)式如下：

2(FeO)+[Si]=(SiO2)+2[Fe](FeO)+[Mn]=(MnO)+[Fe]2(P2O5)+5[Si]=5(SiO2)+4[P](P2O5)+5[Mn]=5(MnO)+2[P]3(P2O5)+10[Al]=5(Al2O3)+6[P]避免鋼水回磷的措施：擋渣出鋼，盡量避免下渣；適當(dāng)提高脫氧前的爐渣堿度；出鋼后向鋼包渣面加一定量石灰，增加爐渣堿度；盡可能采取鋼包脫氧，而不采取爐內(nèi)脫氧；加入鋼包改質(zhì)劑。煉鋼過(guò)程的脫磷反應(yīng)是渣-金界面反應(yīng)，對(duì)于脫磷反應(yīng)的效果而言，除了磷容量、磷分配系數(shù)表述外，還有一個(gè)時(shí)間的概念，即脫磷速率。脫磷過(guò)程速率主要取決于[P]向反應(yīng)界面的傳質(zhì)和產(chǎn)物由界面向渣中的傳質(zhì)。

（4）冶煉一爐高碳（0.65-0.8）低P鋼--硬線鋼：終點(diǎn)鋼一般控制0.01以下。煉出廢品？定的終點(diǎn)C值較高，渣中FeO氧化C，渣中P回到鋼水中。降低終點(diǎn)C，根據(jù)鋼種要求在鋼包內(nèi)加C粉。2[P]+5[O]=(P2O5)(1)[C]+[O]=(CO)(2)2[P]+5(CO)=(P2O5)+5[C](3)由平衡常數(shù)公式得：lg[%P]=5lg[%C]+c有關(guān)操作的影響a，操作不當(dāng)：冶煉中期造成爐渣返干冶煉中期是C的氧化期，渣中FeO會(huì)參與反應(yīng)。爐渣返干？已融化的爐渣重新結(jié)塊的現(xiàn)象。如何看出？根據(jù)爐況即爐子跡象看爐口火焰：CO氣泡帶出金屬液，形成帶刺的火焰。b，爐溫不當(dāng).正常情況，溫度應(yīng)平穩(wěn)上升，從脫P(yáng)角度講，爐溫應(yīng)上升的慢些。爐溫如何控制？中期不可能測(cè)溫，通過(guò)觀察爐口火焰判斷爐溫是否正常。冷卻劑：含氧材料，如鐵礦石、燒結(jié)礦或氧化鐵皮；c，石灰條件不好.石灰指標(biāo)一般指石灰的活性，活性要在300以上。影響石灰活性的組織結(jié)構(gòu)包括：體積密度、氣孔率、比表面積和CaO礦石的晶粒尺寸。石灰質(zhì)量怎么看？大塊質(zhì)量不好；冶煉超低P鋼的問(wèn)題三脫裝置設(shè)備耗資較大轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)法--先在一個(gè)轉(zhuǎn)爐脫P(yáng)，再到另外轉(zhuǎn)爐正常冶煉。第三節(jié)脫硫反應(yīng)一．脫硫方式元素脫硫意義：向鐵水或鋼液中直接加入脫硫元素，與熔池中的S形成不溶于鐵液的硫化物，從鐵液中排出Mg脫硫：用于鐵水脫S★唐鋼、宣鋼

1550℃Ca脫硫：用于鋼水脫S使用前必須深脫氧成本高，應(yīng)用不多

普通鋼中加CaSi、BaCaSi用于深脫氧通常用于夾雜物變形，而非脫硫氧化物脫硫意義：在鋼水和鐵水中加入堿性氧化物直接脫硫

1550℃

Na2O應(yīng)用少：

污染大；

侵蝕耐火材料鋼水脫硫TN噴粉：鋼包內(nèi)★鞍鋼（已經(jīng)淘汰）Q?BOP：底吹轉(zhuǎn)爐噴吹CaO鐵水預(yù)處理KR法：武鋼、京唐鐵水溝內(nèi)加Na2O氣化脫硫意義：在爐氣中發(fā)現(xiàn)了S的氧化物SO2

鋼水直接氧化脫硫：不可行1400℃、3.0%C、0.07%S、PCO=1atm：平衡PSO2=3.82×10-12atm爐渣氣化脫硫渣中的S2-被氧氣氧化，形成氣態(tài)的硫化物而脫出(S2-)+3/2{O2}=(O2-)+{SO2}在轉(zhuǎn)爐中，氣化脫硫所占比例<10%爐渣脫硫：冶煉和精煉工序的主要手段二．爐渣脫硫能夠反映出脫硫本質(zhì)：脫硫反應(yīng)是電極反應(yīng)能夠解釋純FeO能脫硫的現(xiàn)象：FeO能夠提供O2-

LS=0.5～1.5

最早：目前：(FeO)與[O]達(dá)到平衡時(shí)，兩式意義相同實(shí)際生產(chǎn)中FeO與O并未達(dá)到平衡一般認(rèn)為，[O]直接參與脫硫反應(yīng)（與離子理論一致）離子理論脫硫理論分子理論脫硫熱力學(xué)條件

溫度：

實(shí)際生產(chǎn)中高溫有利于脫硫脫硫反應(yīng)是弱吸熱反應(yīng)：108.2～128.0KJ/mol高溫改善了S的傳質(zhì)：即動(dòng)力學(xué)作用更顯著堿度：提高爐渣堿度有利于脫硫

高堿度提高了O2-Ca2+降低了S2-的活度[O]與(FeO)脫硫必須先脫氧：

鋼水脫氧是脫硫的前提條件從總體來(lái)看，高（%FeO）不利于脫硫★FeO對(duì)脫硫的影響取決于其含量FeO含量低：對(duì)脫硫影響顯著

高爐、LF及電爐還原期：FeO<1%FeO含量高：對(duì)脫硫幾乎沒(méi)有影響

轉(zhuǎn)爐、平爐、電爐氧化期：FeO>10%★FeO對(duì)脫硫具有雙重作用：FeO即能提供[O]，也能提供O2-FeO含量低：CaO提供O2-，F(xiàn)eO提供[O]FeO不利于脫硫FeO含量高：FeO同時(shí)提供O2-和

[O]FeO影響相互抵消渣量：增加渣量有利于脫硫增加渣量，降低S2-的活度合金成分：影響S的活度系數(shù)

★C、Si提供fs，Mn降低fs鐵水：C、Si含量高，

fs≈5，鐵水脫硫比鋼水脫硫容易★鐵水預(yù)脫硫具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)：C及Si含量低，

fs≈1，脫硫困難LF處理：高碳鋼容易脫硫低碳低硅鋼脫硫困難鐵水預(yù)脫硫的意義a，鐵水預(yù)脫硫可達(dá)95%以上，成本低，效率高。b，高爐內(nèi)脫S率較高，因?yàn)樗沁€原性氣氛，經(jīng)濟(jì)上不太合適，高爐內(nèi)堿度在1.1左右，如果提高堿度，焦比提高，生產(chǎn)率下降。c，提高鋼的質(zhì)量d，改善連鑄坯質(zhì)量e，穩(wěn)定轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)。鐵水預(yù)脫S方法（1）噴吹法—用噴槍插入鐵水罐噴脫S粉劑。

70%-90%爐次達(dá)標(biāo)。寶鋼缺點(diǎn)：噴吹太多容易噴濺優(yōu)點(diǎn)：投資少，成本低粉劑有三類：石灰基---便宜，100/t

Mg基---貴，20w/tCaC2基—較貴，2000/t攪拌法—用外部包有耐火材料的鋼結(jié)構(gòu)攪拌棒一邊攪拌鐵水，一邊往里撒脫S劑。裝置大，比噴吹法裝置貴效率穩(wěn)定—90%以上爐次達(dá)標(biāo)成本上：設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)和維修費(fèi)，攪拌法貴一些脫S劑本身的價(jià)格，Mg基比石灰基貴很多

脫S渣中鐵珠的損失—這部分成本很大，Ca基比Mg基多很多三項(xiàng)加起來(lái)，Mg基最便宜，推廣的也最多扒渣裝置蓄渣劑—讓渣體積膨脹發(fā)泡劑—正在研究轉(zhuǎn)爐：氧化渣，LS=3~10，最高脫硫率40%，通常值25%

轉(zhuǎn)爐脫硫能力很差高爐：還原渣，

LS=30~80，通常值90%電爐：還原渣，

LS=30~50，通常值70%LF：還原渣，

LS=30~50，通常值70%三．爐渣脫硫計(jì)算

（P118自學(xué)）脫硫過(guò)程是屬于化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散混合控制過(guò)程在煉鋼過(guò)程中，脫硫反應(yīng)和脫磷反應(yīng)相同，都是渣、鋼界面反應(yīng)，脫硫反應(yīng)的速率方程可表示為：1）當(dāng)鋼水中硫的傳質(zhì)系數(shù)km

很大，，此時(shí)硫的傳質(zhì)阻力集中于爐渣:四．脫硫動(dòng)力學(xué)2）如Ls一定，ks很大，即硫的傳質(zhì)阻力集中于鋼水時(shí)，即，則脫硫速率方程為：硫在金屬液中的擴(kuò)散為限制環(huán)節(jié)。提高脫硫速率的措施

反應(yīng)界面積越大，脫硫速率就越快。熔池沸騰程度，渣鋼間的乳化狀況，噴吹攪拌的程度等均對(duì)渣、鋼界面的大小產(chǎn)生影響。爐渣粘度低、熔池活躍、鋼水和爐渣的含硫量差值大時(shí)，km、ks大，脫硫速率快。（提高熔池溫度將降低熔渣和鋼液粘度，增加S的擴(kuò)散系數(shù)）爐渣堿度、爐渣氧化性和熔池溫度等操作工藝條件均對(duì)Ls產(chǎn)生影響，一切旨在提高Ls的措施均可促進(jìn)脫硫反應(yīng)。（高溫、高堿度、低氧化性）脫氧良好的鋼渣，使Ls增加，有利于改善脫硫。實(shí)際上，必須在深脫氧的基礎(chǔ)上，才能達(dá)到脫硫。生產(chǎn)中，鋼水的脫硫和脫氧是同時(shí)進(jìn)行的，只是脫硫是界面反應(yīng)，其速度比脫氧速度低一些。

第四節(jié)鋼液中的氣體一．氣體對(duì)鋼質(zhì)量影響（自學(xué)）鋼中氣體：N、H存在形式：原子溶解二．N在鋼中溶解

溶解熱力學(xué)熱效應(yīng)：吸熱反應(yīng)高溫促進(jìn)N溶解溶解度：服從西華特定律溶解度與N2及溫度分壓有關(guān)1600℃、N2分壓1atm，溶解度400ppm西華特定律忽略了合金元素的影響合金元素的影響★P91公式描述了各元素的影響與N親和力強(qiáng)的元素增加N溶解度：V、Nb、Cr、Zr、Ti間隙原子及與鋼液親和力強(qiáng)的元素降低N溶解度：C、Si、O、S

生產(chǎn)應(yīng)用：?鐵水中N含量?jī)H為40ppm

?高碳鋼、硅鋼含N較低：低碳鋼失效嚴(yán)重

?轉(zhuǎn)爐中前期底吹N2

?LF處理脫硫和脫氧后，鋼水容易吸氮三．H在鋼中溶解溶解熱力學(xué)熱效應(yīng)：吸熱反應(yīng)高溫促進(jìn)H溶解溶解度：服從西華特定律

1600℃、H2分壓1atm，溶解度27ppm合金元素影響★P91公式描述了各元素的影響容易形成氫化物的元素，提高H溶解度：Ti、Ni、Zr、稀土與鐵結(jié)合力強(qiáng)的元素，降低H溶解度：C、Si、Al與鐵性質(zhì)相近的元素，影響不大：Cr、Mn、MoN、H來(lái)源及對(duì)鋼性能的影響鋼中的氫主要來(lái)源于煉鋼用原材料，爐襯和澆注設(shè)備（如未烘干的爐襯，鋼包等）也是氫的來(lái)源之一。鋼中氫危害性極大，隨鋼中氫含量的增加，鋼的強(qiáng)度，特別是塑性和韌性顯著下降，使鋼變脆，稱為“氫脆”。氫還是鋼中“白點(diǎn)”產(chǎn)生的根本原因。所謂“白點(diǎn)”是存在于熱軋鋼坯和大鍛件內(nèi)部的小裂縫。因其在鋼試樣的縱向斷口上多呈圓形的銀白色粗晶斑上，故稱“白點(diǎn)”，但其在酸浸后的橫向切片上，卻呈細(xì)小裂縫，故又名“發(fā)裂”?！鞍c(diǎn)”對(duì)鋼的性能有極不利的影響，主要表現(xiàn)在降低鋼的機(jī)械性能，零件淬火使會(huì)開(kāi)裂?；蚴褂脮r(shí)裂紋發(fā)展造成嚴(yán)重事故，故白點(diǎn)是鋼材不允許存在的缺陷。鋼中的氮主要來(lái)源于氧氣、爐氣和所有加入金屬爐料（主要是含Cr、V、Ti等與氮有較強(qiáng)親和力的元素的廢鋼和鐵合金）。氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉的鋼，其含氮量主要受氧氣純度的影響。鋼中的氮能增加鋼的實(shí)效硬化性，即含氮高的鋼，在室溫下長(zhǎng)期放置，性能不斷變化，鋼的強(qiáng)度和硬度升高，塑性和沖擊性顯著下降。鋼中氮還是導(dǎo)致“藍(lán)脆”的主要原因。所謂“藍(lán)脆”是指在250～450℃這個(gè)溫度范圍內(nèi)鋼的強(qiáng)度升高，沖擊韌性下降。由于鋼在這個(gè)溫度下加熱時(shí)，表面發(fā)藍(lán)，因而叫“藍(lán)脆”在一定條件下，氮作為一種重要的合金元素來(lái)應(yīng)用。一般采用中間合金和滲氮方法加入鋼中。如高鉻鋼中加入氮，可提高其強(qiáng)度而不降低塑性；在不銹鋼中氮可增強(qiáng)其抗腐蝕的能力，對(duì)鋼部件進(jìn)行表面滲氮處理。則可提高其耐磨性，抗腐蝕性和疲勞性能。減少鋼中氣體的措施西華特定律指出減少氣體的方向：降低分壓真空可降低壓強(qiáng)、吹A(chǔ)r稀釋氣體a，原料要干燥、無(wú)油污。（石灰、廢鋼干燥，這點(diǎn)特別重要）b，耐火材料要干燥（澆注時(shí)，鋼包、中間包一低昂要干燥）c，減少容易吸氣的合金。（Ti、Ni、Nb、V等）注意：煉某些特殊鋼，恰恰可以利用合金元素吸氣的特點(diǎn)。d，盡量降低出鋼溫度。e，保護(hù)澆注（出鋼后盡量做到鋼液不與空氣接觸）轉(zhuǎn)爐鋼終點(diǎn)不用檢測(cè)氣體含量:CO氣泡是一個(gè)很好降低分壓的條件要檢測(cè)的是電爐鋼，因電爐的脫C量少出鋼時(shí)鋼液的吸氣量能滿足鋼種要求

f，強(qiáng)化脫氣：常壓下單純吹氬達(dá)不到要求，有效地脫氣裝置一定是真空+吹氬轉(zhuǎn)爐吹惰性氣體主要是均勻成分、均勻溫度H、O能有效控制在需要范圍可降到1ppmN還不行，經(jīng)計(jì)算，N由60ppm降到10ppm需Ar13m3,最好技術(shù)在日本，N控制在10-20ppm，我國(guó)25-30ppm。解決N是一個(gè)前沿問(wèn)題脫氣動(dòng)力學(xué)脫氣環(huán)節(jié)原子從液相向氣液界面的傳質(zhì)在氣液界面生產(chǎn)氣體分子氣體由氣液界面向氣相的溢出控制環(huán)節(jié)：原子在液相中的擴(kuò)散過(guò)程加強(qiáng)攪拌：VD底吹A(chǔ)r增加脫氣面積

第五節(jié)非金屬夾雜物一．概念定義：在鋼中以獨(dú)立相存在的非金屬化合物簡(jiǎn)稱“夾雜物”潔凈鋼：夾雜物含量很少的鋼

純凈鋼：雜質(zhì)含量很少的鋼（S、P、O、N、H、夾雜物）危害機(jī)理：破壞了鋼基體的連續(xù)性造成應(yīng)力集中形成裂紋源

危害

危害為主增加脆性：應(yīng)力集中降低韌性：裂紋源惡化疲勞性能：軸承損壞不利于冷加工：冷鐓鋼鐓裂擴(kuò)大各向異性：MnS延長(zhǎng)變形作用：通過(guò)有效控制，才能達(dá)到易切削鋼：MnS夾雜細(xì)化晶粒：AlN夾雜沉淀強(qiáng)化：VN夾雜促進(jìn)晶粒取向：取向硅鋼夾雜物對(duì)性能影響脫氧和脫硫產(chǎn)物：脫氧合金化操作元素相互反應(yīng)產(chǎn)物：澆注和凝固過(guò)程熔渣及耐火材料：卷渣和受侵蝕耐火材料鋼水元素的二次氧化產(chǎn)物：澆注過(guò)程二．夾雜物來(lái)源按化學(xué)成分分類氧化物固體鋼中的O以?shī)A雜物形式存在

簡(jiǎn)單氧化物：SiO2、MnO、FeO、Al2O3復(fù)雜氧化物：C2S、C12A7復(fù)合硅酸鹽：lFeO·mMnO·nAl2O3·pSiO2硫化物固體鋼中的S以?shī)A雜物形式存在P111FeS、MnS、（Mn·Fe）S固熔體、CaS、稀土硫化物

Ⅰ類硫化物：圓球形，附著在氧化物表面（脫氧不良時(shí)）Ⅱ類硫化物：鏈狀，存在晶界MnS（凝固時(shí)產(chǎn)生）Ⅲ類硫化物：接近圓球形，單相硫化物CaS（Al脫氧良好）Ⅳ類硫化物：薄膜狀，晶界FeS膜（Mn含量低時(shí)）三．夾雜物種類

氮化物Fe4N、Fe2N、AlN、TiN（N及合金含量高時(shí)）特點(diǎn)：細(xì)小分散，含的絕對(duì)量比硫化物少。有兩方面影響，不完全是有害的，如微合金高強(qiáng)度化，其中一項(xiàng)為釩氮合金，N含量低可彌散于鋼中有助于細(xì)化晶粒。Nb也可細(xì)化晶粒，要求軋鋼裝備水平高。按來(lái)源分類外來(lái)夾雜：來(lái)自鋼水外部的物質(zhì)

來(lái)源：爐渣耐火材料保護(hù)渣特點(diǎn):

成分復(fù)雜：來(lái)源廣形狀不規(guī)則：容易區(qū)分顆粒大：危害大，多屬于大型夾雜含量少：與內(nèi)生夾雜相比分布無(wú)規(guī)律：隨機(jī)

內(nèi)生夾雜：鋼水內(nèi)部脫氧或澆注產(chǎn)生的夾雜物

一次夾雜：脫氧合金化時(shí)脫氧產(chǎn)物，“原生夾雜”二次夾雜：脫氧合金化后至凝固前的脫氧產(chǎn)物三次夾雜：兩相區(qū)內(nèi)因偏析而形成的夾雜，“凝固夾雜”四次夾雜：凝固后固相相變析出的夾雜特點(diǎn)：顆粒細(xì)?。何：^小分布均勻含量多：10~100個(gè)/mm2

形狀規(guī)律：與性質(zhì)有關(guān)FeS薄膜、CaS球狀位置有規(guī)律：凝固夾雜在晶界

三次夾雜：選份凝固：遵循固相中成分和液相中成分比值是一個(gè)定值，這也叫分配系數(shù)，一般不變。分配系數(shù)都小于1，偏析指數(shù)是分配系數(shù)倒數(shù)，分配系數(shù)遠(yuǎn)小于1不容易成分均勻，越接近于1越成分均勻。C的偏析是一個(gè)頭疼問(wèn)題。一次、三次夾雜多，二次、四次少。一次量多可控制，三次多較難控制，由凝固條件決定。降低原始氧含量是減少鋼中夾雜物的有效措施按形態(tài)分類塑性?shī)A雜：熱加工時(shí)沿加工方向延伸成條狀FeS、MnS、硅酸鹽（SiO2含量40~60%）脆性?shī)A雜：在熱加工時(shí)不變形，沿加工方向破碎成鏈狀A(yù)l2O3、尖晶石MA、氮化物VN不變形夾雜：在熱加工時(shí)保持原狀SiO2、CaS、鋁酸鈣、硅酸鹽（SiO2含量>70%）按粒度分類大型夾雜：直徑>50μm顯微夾雜：直徑<50μm超顯微夾雜：直徑<1μm

按夾雜物形態(tài)塑性?shī)A雜：加工時(shí)沿加工方向成條帶狀。如球形夾雜，MnSS對(duì)鋼材有害，普通鋼深脫S會(huì)增加成本；鋼材中Mn起固溶強(qiáng)化，可作為一種脫氧元素，還有生成MnS，避免危害。Mn/S大于20或25以上。Mn含量也不能太高，MnS熱加工時(shí)變成條狀，但這種危害比