煉鋼基礎(chǔ)知識(shí) -煉鋼基本反應(yīng)

煉鋼工藝與操作煉鋼基礎(chǔ)知識(shí)-煉鋼基本反應(yīng)2.煉鋼基本反應(yīng)一、煉鋼傳氧一）熔池內(nèi)氧的來(lái)源煉鋼要完成脫碳、脫磷、硅錳氧化等反應(yīng)，必須供氧。

煉鋼熔池內(nèi)氧的來(lái)源有兩種：一種是氣體，如氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐吹入的高壓氧流和爐氣中的各種氧化性氣體，以O(shè)2、CO2、H2O等形式存在；另一種是固體，如礦石及廢鋼中的鐵銹，以Fe3O4、Fe2O3等形式存在。2.1硅錳氧化2.煉鋼基本反應(yīng)

在爐內(nèi)氧的存在是以氣態(tài)氧{O2}，渣中氧(Fe2O3）、(FeO)，鋼中溶解氧[O]或[FeO]三種形態(tài)存在。這三種形態(tài)的氧，分解壓按氣態(tài)氧、渣中氧、鋼中氧排列順序逐漸降低，造成氧從氣態(tài)向熔渣，再向鋼液發(fā)生傳遞。

在煉鋼溫度下，常見氧化物的分解壓排列順序如下：P{O2}(Fe2O3)＞P{O2}(FeO)＞P{O2}{CO}＞P{O2}(MnO)＞P{O2}(P2O5)＞P{O2}(SiO2)＞P{O2}(Al2O3)＞P{O2}(MgO)＞P{O2}(CaO)

氧化物分解壓力越小元素越先氧化，即氧化順序?yàn)椋篊a、Mg、Al、Si、P、Mn、C、Fe、FeO，但轉(zhuǎn)爐內(nèi)為多相反應(yīng)，因此鐵水中元素的氧化順序還與其濃度有關(guān)，所以吹煉開始元素氧化順序?yàn)镕e、Si、Mn、P、C等。2.煉鋼基本反應(yīng)

二）元素氧化反應(yīng)的類型在氧化氣氛下的煉鋼熔池其鐵水中的元素可通過(guò)三種反應(yīng)進(jìn)行氧化。（1）溶解元素被直接氧化

（Ⅰ）

這稱為直接氧化反應(yīng)。但即使溶解元素[M]與氧有較大的親和力，但由于元素的氧化順序與其濃度和溫度有關(guān)，熔池表面鐵的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它被氧化的雜質(zhì)元素的濃度，形成的FeO，一方面，作為氧化劑，去氧化從金屬熔池中擴(kuò)散到渣-鋼界面上的其它雜質(zhì)元素；即發(fā)生（Ⅱ）反應(yīng)。（2）溶解元素被熔渣中的(FeO)所氧化。

（Ⅱ）2.煉鋼基本反應(yīng)

另一方面，又按分配定律，以溶解氧原子的形式進(jìn)入金屬液中，去氧化其它元素，即（Ⅲ）反應(yīng)。（3）溶解元素被溶解于金屬液中的[O]所氧化。

（Ⅲ）

二、硅的氧化

吹煉開始首先是Fe、Si被大量氧化，并放出熱量，反應(yīng)式為：[Si]+{O2}=(SiO2)△GΘ=-827.13+0.228TkJ?mol-1[Fe]+1/2{O2}=(FeO)[Si]+2(FeO)=(SiO2)+2[Fe]△GΘ=-351.71+0.128TkJ?mol-12.煉鋼基本反應(yīng)三、錳的氧化與硅相似，錳也很容易被氧化，反應(yīng)式為：[Mn]+1/2{O2}=（MnO）△GΘ=-361.65+0.107TkJ?mol-1[Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe]△GΘ=-123.35+0.056TkJ?mol-1[Mn]+[O]=(MnO)△GΘ=-244.35+0.109TkJ?mol-12.煉鋼基本反應(yīng)一、碳氧反應(yīng)的作用煉鋼的一個(gè)主要任務(wù)是脫碳，但煉鋼過(guò)程中碳氧反應(yīng)不僅完成脫碳任務(wù)，還有：(1)加大鋼渣界面，加速物理化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。(2)攪動(dòng)熔池，均勻成分和溫度。(3)有利于非金屬夾雜的上浮和有害氣體的排出。(4)有利于熔渣的形成。(5)放熱升溫。(6)爆發(fā)性的碳氧反應(yīng)會(huì)造成噴濺?？梢娞佳醴磻?yīng)對(duì)煉鋼任務(wù)的完成起到非常重要的作用。2.2碳氧反應(yīng)2.煉鋼基本反應(yīng)二、碳氧反應(yīng)一）碳氧反應(yīng)轉(zhuǎn)爐中的碳氧反應(yīng)產(chǎn)物90％是CO，也有少量的CO2。轉(zhuǎn)爐內(nèi)主要的碳氧反應(yīng)式如下：[C]+1/2{O2}={CO}△GΘ=-136.9-0.044TkJ?mol-1[C]+(FeO)={CO}+[Fe]△GΘ=98.8-0.091TkJ?mol-1[C]+[O]={CO}

△GΘ=-22.36-0.039kJ?mol-12.煉鋼基本反應(yīng)

鋼中磷對(duì)于大部分鋼種而言是有害元素，隨著磷的增加，使鋼塑性、韌性降低，特別是低溫沖擊韌性降低，引起鋼的“冷脆”；并使鋼的焊接性能與冷彎性能變差；磷對(duì)鋼的這種影響常隨著氧、氮含量的增高而加劇。另外，磷在鑄坯(錠)中的偏析度僅次于硫，不容易均勻化，因而磷的偏析很難消除。對(duì)不同用途的鋼，磷含量做了嚴(yán)格規(guī)定，如非合金鋼中：

普通質(zhì)量級(jí)鋼：[P]≤0.040%；

優(yōu)質(zhì)碳素鋼：[P]≤0.035%；

特殊質(zhì)量鋼：[P]≤0.025%，有的如對(duì)低溫貯罐鋼甚至還低于0.020%。2.3脫磷反應(yīng)2.煉鋼基本反應(yīng)煉鋼用鐵水的磷含量變化很大，煉鐵原料中磷的氧化物在高爐內(nèi)幾乎100％還原到鐵水中，一般為0.1～1.0％，特殊的可高達(dá)2.0％以上。所以脫磷是煉鋼過(guò)程中的重要任務(wù)之一。在特定的條件下，磷可以作為合金元素使用。如炮彈鋼中加磷，鋼的脆性可使炮彈炸時(shí)碎片增多；易切削鋼中磷含量高可降低鋼的塑性改善鋼的切削性能；薄板鋼中加入磷使薄板在疊軋時(shí)彼此不易粘合；耐腐蝕鋼中加磷可以提高鋼的耐腐蝕性能等。一、脫磷反應(yīng)一）脫磷反應(yīng)式煉鋼過(guò)程的脫磷反應(yīng)是在金屬液與熔渣界面進(jìn)行的。反應(yīng)式如下：2[P]+8(FeO)=(3FeO?P2O5)+5[Fe]2.煉鋼基本反應(yīng)由于在煉鋼溫度下，[P]與[Fe]同時(shí)氧化，因而形成(3FeO?P2O5)產(chǎn)物。但是(3FeO?P2O5)的穩(wěn)定性較差，隨著煉鋼熔池溫度的上升，在1500℃以上，難于穩(wěn)定存在。必須將它轉(zhuǎn)變成高溫下穩(wěn)定存在的復(fù)雜化合物溶解于渣中。所以脫磷需要氧化劑和固定劑，常用的固定劑是CaO。加入CaO，生成穩(wěn)定的(4CaO?P2O5)或(3CaO?P2O5)，以(4CaO?P2O5)為主。(P2O5)+4(CaO)=(4CaO?P2O5)堿性氧化渣脫磷綜合反應(yīng)式：2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO?P2O5)+5[Fe]

△GΘ=-678.002-0.275TkJ?mol-12.煉鋼基本反應(yīng)二）磷的分配系數(shù)與脫磷效率當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，其平衡常數(shù)可以寫成：

在煉鋼條件下，若渣中(FeO)、(CaO)成分一定，則脫磷效果可用磷的分配系數(shù)LP表示，LP=渣中磷含量/鋼中磷含量，即熔渣與金屬中磷濃度的比值。其表達(dá)式如下：

2.煉鋼基本反應(yīng)

可見，磷的分配系數(shù)大小表明了熔渣的脫磷能力，分配系數(shù)越大說(shuō)明渣中磷相對(duì)含量高，鋼中[P]低，脫磷能力越強(qiáng)，脫磷越完全。欲提高熔渣的脫磷能力必須增大KP、γCaO、f[P]和降低γ4CaO?P2O5，因此，影響這些因素的有關(guān)工藝參數(shù)就是脫磷反應(yīng)實(shí)際的熱力學(xué)條件。二、脫磷的熱力學(xué)條件從脫磷反應(yīng)式可以看出，反應(yīng)物(FeO)和(CaO)濃度升高、生成物(CaO?P2O5)濃度降低，對(duì)于放熱反應(yīng)適當(dāng)?shù)蜏貤l件下，平衡向右移動(dòng)，終點(diǎn)[P]含量才會(huì)降低。故脫磷條件是：2.煉鋼基本反應(yīng)

一）熔渣的氧化性從脫磷反應(yīng)平衡分析可知，鋼渣面與(FeO)反應(yīng)，(FeO)作為氧化劑氧化磷，且能加速石灰的溶解，高(FeO)是脫磷反應(yīng)必要條件，但渣中(FeO)過(guò)多，勢(shì)必造成渣中(CaO)濃度的下降，進(jìn)而影響脫磷效果；生產(chǎn)上堿度在2.5以下，增加（FeO）對(duì)脫磷的影響最大；堿度在2.5～4.0之間，增加（FeO）對(duì)脫磷有利，但過(guò)高的（FeO）反而使渣的脫磷能力下降。二）熔渣堿度(CaO)與渣中(P2O5)結(jié)合成(4CaO?P2O5)或(3CaO?P2O5)，(CaO)是脫磷的充分條件。提高堿度是增加(CaO)的有效濃度，有利于提高脫磷效率，但堿度不是越高越好，加入過(guò)多的石灰，渣化不好，影響熔渣的流動(dòng)性，反而對(duì)脫磷不利。2.煉鋼基本反應(yīng)

三）渣中其它成分渣中(MnO)、(MgO)也是堿性氧化物，但其脫磷效果不如(CaO)，少量的(MnO)、(MgO)有利于幫助石灰渣化，但它們?cè)谠袧舛仍黾?，降低了渣?CaO)的濃度，反而對(duì)脫磷不利。且渣中(MgO)含量增加會(huì)使渣粘度增大，降低脫磷反應(yīng)速度。四）溫度脫磷反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，因而升高溫度，對(duì)脫磷不利。但爐溫過(guò)低，不利于石灰的渣化，且使熔渣粘度升高，也阻礙脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。為加速石灰溶解，合適溫度范圍是1450～1550℃。2.煉鋼基本反應(yīng)

五）金屬成分的影響金屬中存在的雜質(zhì)元素將對(duì)f[P]起一定的影響，通常在含磷熔鐵中，增加[C]、[O]、[N]、[Si]和[S]等的含量可使f[P]增大，增加[Cr]的含量使f[P]減小，[Mn[和[Ni]對(duì)f[P]的影響不大。錳高使渣中(MnO)增高，有利于化渣而促進(jìn)脫磷。因?yàn)閒[P]隨[P]的降低而減小，所以金屬中[P]越低脫磷的效率也越低。六）爐料磷含量及渣量轉(zhuǎn)爐內(nèi)可以去除原料中80～90％的磷，原料磷含量增多，鋼中磷含量也會(huì)增多。只有采用鐵水預(yù)脫磷、降低爐料中的磷含量，才能保證將鋼種磷含量控制在更嚴(yán)格的范圍。增加渣量可以在LP一定時(shí)使金屬中[P]降低。因?yàn)樵黾釉恳馕吨♂專≒2O5）的濃度，從而使(4CaO?P2O5)濃度也相應(yīng)地降低，反應(yīng)可向右進(jìn)行，對(duì)脫磷有利?？刹捎枚啻螕Q渣操作，或適當(dāng)?shù)拇笤俊?.煉鋼基本反應(yīng)

三、脫磷反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件脫磷反應(yīng)是典型的鋼渣界面反應(yīng)，首先渣的形成速率對(duì)脫磷有關(guān)鍵性影響。因此，爐渣流動(dòng)性良好，充分的熔池?cái)噭?dòng)可以改善熔渣及鋼液的流動(dòng)狀態(tài)，加快界面兩側(cè)磷的傳質(zhì)；同時(shí)加快脫磷反應(yīng)速率。四、回磷反應(yīng)及影響因素轉(zhuǎn)爐煉鋼脫磷效率較高，但在煉鋼爐出鋼或往鋼包內(nèi)加合金時(shí)控制不當(dāng)，磷也有出格現(xiàn)象，這是由于發(fā)生了回磷反應(yīng)，出現(xiàn)了回磷現(xiàn)象。一）回磷的原因所謂回磷現(xiàn)象，就是磷從渣中直接返回鋼液的現(xiàn)象?；亓追磻?yīng)是脫磷反應(yīng)的逆反應(yīng)。即凡是不利于脫磷反應(yīng)的條件都會(huì)造成回磷現(xiàn)象。

2.煉鋼基本反應(yīng)熔渣的堿度或氧化鐵含量降低、或石灰渣化不好，冶煉前期熔渣粘、或后期爐溫過(guò)高等均會(huì)造成回磷現(xiàn)象；在煉鋼過(guò)程中，出鋼、脫氧、澆注時(shí)操作不當(dāng)都會(huì)出現(xiàn)回磷現(xiàn)象。其原因可以是：爐內(nèi)爐渣返干，渣中（FeO）低；溫度過(guò)高，（FeO）過(guò)高，使?fàn)t渣堿度降低；在氧化渣下向熔池加了脫氧劑。使金屬中[O]量降低；鋼水脫氧后在鋼包鎮(zhèn)靜時(shí)，爐渣溶解酸性氧化物（SiO2）而降低堿度。2.煉鋼基本反應(yīng)

硫是活潑的非金屬元素之一，在煉鋼溫度下能夠同很多金屬和非金屬元素結(jié)合成化合物，為發(fā)展各種脫硫方法創(chuàng)造了有利條件。各種脫硫方法的實(shí)質(zhì)都是將溶解在鋼液中的硫轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苡阡撘旱牧蚧?，使其進(jìn)入熔渣或經(jīng)熔渣再逸出至爐氣中。因此，在煉鋼過(guò)程中，脫硫主要是通過(guò)熔渣進(jìn)行的。一、硫的存在形式分子理論認(rèn)為在堿性渣中硫的存在形式為CaS、FeS、MnS等形式的硫化物，離子理論則認(rèn)為溶解在渣中的硫的存在形式為S2－。通常以附加不同標(biāo)記的[FeS](或[S])和S2－[或(CaS)]分別代表煉鋼反應(yīng)中金屬液和熔渣中的硫。在有金屬液和熔渣的煉鋼溫度下，硫以單原子形式參加反應(yīng)。2.4脫硫反應(yīng)2.煉鋼基本反應(yīng)二、熔渣脫硫熔渣脫硫是鋼液中硫與熔渣中堿性氧化物CaO、MgO、MnO結(jié)合成穩(wěn)定的、只溶于熔渣的CaS、MgS或MnS。由于這些硫化物在金屬液中溶解度很小，因此要保證硫不斷地由金屬液轉(zhuǎn)入熔渣。

首先，在金屬液-熔渣界面上，金屬液中的[FeS]按分配定律由金屬液向熔渣轉(zhuǎn)移：[FeS]=(FeS)

然后，在熔渣中(FeS)與堿性氧化物作用，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的硫化物：(FeS)+(CaO)=(CaS)+(FeO)(FeS)+(MnO)=(MnS)+(FeO)(FeS)+(MgO)=(MgS)+(FeO)2.煉鋼基本反應(yīng)

把上述兩個(gè)步驟合并，就得到脫硫的總反應(yīng)式：[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)[FeS]+(MnO)=(MnS)+(FeO)[FeS]+(MgO)=(MgS)+(FeO)以上脫硫反應(yīng)式均為吸熱反應(yīng)。三、脫硫熱力學(xué)條件一）熔渣堿度由于(CaO)提供(O2－)的能力很強(qiáng)，故加石灰造流動(dòng)性良好的堿性渣，是煉鋼過(guò)程保證去硫的重要措施。根據(jù)脫硫反應(yīng)式分析平衡移動(dòng)條件可知，增加反應(yīng)物(CaO