冶金概论 炼钢基本原理

1、第三章第三章 炼钢基本原理炼钢基本原理22022-5-11/23:07:052主要内容主要内容3.1 炼钢的基本任务炼钢的基本任务3.2 炼钢炉渣炼钢炉渣3.3 炼钢过程的基本反应炼钢过程的基本反应32022-5-11/23:07:0533.1 炼钢的基本任务炼钢的基本任务p四脱：四脱：C、S、P、O；p二去：气体、夹杂；二去：气体、夹杂；p二调整：温度、成分。二调整：温度、成分。p浇注。浇注。42022-5-11/23:07:0543.2 炼钢炉渣炼钢炉渣3.2.1 炼钢炉渣的作用炼钢炉渣的作用3.2.2 炼钢炉渣的来源及其组成炼钢炉渣的来源及其组成3.2.3 炼钢炉渣的主要性质炼钢炉渣的主

2、要性质52022-5-11/23:07:0553.2.1 炼钢炉渣的作用炼钢炉渣的作用p 作用作用： 通过对炉渣成分、性能及数量的调整，可通过对炉渣成分、性能及数量的调整，可以控制金属中各元素的氧化和还原过程；以控制金属中各元素的氧化和还原过程； 向钢中输送氧以氧化各种杂质；向钢中输送氧以氧化各种杂质； 吸收钢液中的非金属夹杂物，并防止钢液吸收钢液中的非金属夹杂物，并防止钢液吸气（吸气（H、N）。）。 其它作用。如：稳定电弧，保护渣。其它作用。如：稳定电弧，保护渣。p 副作用：侵蚀炉衬；降低金属收得率。副作用：侵蚀炉衬；降低金属收得率。62022-5-11/23:07:0563.2.2 炼钢炉

3、渣的来源及其组成炼钢炉渣的来源及其组成p 炼钢炉渣的来源：炼钢炉渣的来源： 加入的各种造渣材料及被侵蚀炉衬；加入的各种造渣材料及被侵蚀炉衬； 炼钢中化学反应的产物：氧化物和硫化物；炼钢中化学反应的产物：氧化物和硫化物； 废钢带入得泥沙和铁锈；氧化物或冷却剂废钢带入得泥沙和铁锈；氧化物或冷却剂带入的脉石。带入的脉石。p 炉渣的组成以各种炉渣的组成以各种金属氧化物金属氧化物为主，并含为主，并含有少量有少量硫化物硫化物和和氟化物氟化物。p 炼钢炉渣的基本体系是炼钢炉渣的基本体系是CaO-SiO2-FeO。72022-5-11/23:07:0573.2.3 炼钢炉渣的主要性质炼钢炉渣的主要性质p 碱度

4、：碱度： R1.31.5，低碱度渣；，低碱度渣； R1.82.0，中碱度渣；，中碱度渣； R2.5， 高碱度渣；高碱度渣；p 氧化性氧化性炉渣向金属熔池传氧的能力炉渣向金属熔池传氧的能力，一般以，一般以渣中氧化铁（渣中氧化铁（ FeO）含量来表示。）含量来表示。p 把把Fe2O3折合成折合成FeO有两种计算方法：有两种计算方法：全氧法全氧法和和全铁法全铁法。全铁法较合理。全铁法较合理。p 炉渣的氧化能力是个综合的概念，其传氧能力还炉渣的氧化能力是个综合的概念，其传氧能力还受受炉渣粘度炉渣粘度、熔池搅拌强度熔池搅拌强度、供氧速度供氧速度等因素的等因素的影响。影响。82022-5-11/23:07

5、:0583.3 炼钢过程的基本反应炼钢过程的基本反应3.3.1 炼钢熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式炼钢熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式3.3.2 炼钢熔池中元素的氧化次序炼钢熔池中元素的氧化次序3.3.3 脱碳反应脱碳反应3.3.4 硅的氧化硅的氧化3.3.5 锰的氧化与还原锰的氧化与还原3.3.6 脱磷反应脱磷反应3.3.7 脱硫反应脱硫反应3.3.8 钢的脱氧钢的脱氧3.3.9 脱气脱气3.3.10 去除钢中夹杂物去除钢中夹杂物92022-5-11/23:07:0593.3.1 炼钢熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式炼钢熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式p 氧的来源：氧的来源

6、： 直接向熔池中吹入工业纯氧（直接向熔池中吹入工业纯氧（98）；）； 向熔池中加入富铁矿；向熔池中加入富铁矿； 炉气中的氧传入熔池。炉气中的氧传入熔池。p 铁液中元素的氧化方式有两种：铁液中元素的氧化方式有两种：直接氧化直接氧化和和间间接氧化接氧化。102022-5-11/23:07:0510直接氧化方式直接氧化方式p 直接氧化是指氧气直接与铁液中的元素产生氧化直接氧化是指氧气直接与铁液中的元素产生氧化反应反应。p 当向铁液中吹入氧气时，如果在铁液与气相界面当向铁液中吹入氧气时，如果在铁液与气相界面有被溶解的元素如有被溶解的元素如SiMnC,虽有大量虽有大量的铁原子存在，但根据元素的氧化次序的

7、铁原子存在，但根据元素的氧化次序SiMnC将优先于铁而被氧化。将优先于铁而被氧化。p 反应可写为：反应可写为：C+12O=CO Si+O2=（SiO2） Mn+12O2（MnO） 在氧气转炉炼钢时氧气流股冲击铁液形成一个冲在氧气转炉炼钢时氧气流股冲击铁液形成一个冲击坑，氧气与铁液直接接触，易产生元素的直接击坑，氧气与铁液直接接触，易产生元素的直接氧化。氧化。112022-5-11/23:07:0511p 吹入的氧气由于动力学的原因首先与铁液中的吹入的氧气由于动力学的原因首先与铁液中的Fe原子反应形成原子反应形成FeO进入炉渣同时使铁液中溶解氧进入炉渣同时使铁液中溶解氧O。炉渣中的（。炉渣中的（

8、FeO）和溶解在铁液中的）和溶解在铁液中的O再与元素发生再与元素发生间接氧化间接氧化。p 其反应为：其反应为：O2+Fe=(FeO) (FeO)=Fe+O 如：如： 2O+Si=(SiO2) 或或 2(FeO)+Si=2Fe+(SiO2)在渣在渣-金界面上往往产生元素的间接氧化反应。金界面上往往产生元素的间接氧化反应。间接氧化方式间接氧化方式122022-5-11/23:07:05123.3.2 炼钢熔池中元素的氧化次序炼钢熔池中元素的氧化次序p 溶解在铁液中的元素的氧化次序可以通过与溶解在铁液中的元素的氧化次序可以通过与1molO2的氧化反应的的氧化反应的标准吉布斯自由能变化标准吉布斯自由能

9、变化来判断。来判断。p 在标准状态下，反应的在标准状态下，反应的Go负值越多，该元素负值越多，该元素被氧化的趋势就越大，则该元素就优先被大量被氧化的趋势就越大，则该元素就优先被大量氧化。氧化。p 铁液中常规元素与氧反应的标准吉布斯自由能铁液中常规元素与氧反应的标准吉布斯自由能变化与温度的关系绘制成图。变化与温度的关系绘制成图。 1.CuNiMoW等元素氧化等元素氧化的的Go线都在线都在Fe氧化氧化Go线之上。线之上。从热力学角度来说，在炼钢吹氧过从热力学角度来说，在炼钢吹氧过程中这些元素将受到程中这些元素将受到Fe的保护而不的保护而不氧化。氧化。2.CrMnVNb等元素的氧等元素的氧化程度随冶

10、炼温度而定。化程度随冶炼温度而定。3.AlTiSiB等元素氧化的等元素氧化的Go线在图中位于较低的位置，它线在图中位于较低的位置，它们最易氧化。在实际生产中，这些们最易氧化。在实际生产中，这些元素作为强脱氧剂使用。元素作为强脱氧剂使用。注意：虽然在炼钢温度下，注意：虽然在炼钢温度下，Fe氧化的氧化的Go线高于其它元素氧化的线高于其它元素氧化的Go线，但由于铁液中大多数为线，但由于铁液中大多数为Fe原子，氧与原子，氧与Fe原子接触机会多，故原子接触机会多，故在实际上在实际上Fe还是会氧化。还是会氧化。142022-5-11/23:07:05143.3.3 脱碳反应脱碳反应p 炼钢的一个重要任务是

11、炼钢的一个重要任务是利用氧化方法将铁液中过多利用氧化方法将铁液中过多的碳去除，称为脱碳的碳去除，称为脱碳。脱碳反应是贯穿于冶炼过程。脱碳反应是贯穿于冶炼过程。p 在高温下在高温下C主要氧化成为主要氧化成为CO。p C与氧的反应有：与氧的反应有： 在渣在渣-金界面上：金界面上： C+（FeO）=CO+Fe C+O=CO 在气在气-金界面上：金界面上： C+12O2=CO152022-5-11/23:07:0515脱碳反应的作用脱碳反应的作用p 脱碳反应除了脱碳反应除了调整钢液碳含量调整钢液碳含量的作用外，的作用外，其反应产物其反应产物CO气体的上浮排除气体的上浮排除使得脱碳使得脱碳反应给炼钢带来

12、独特的作用。反应给炼钢带来独特的作用。 促进熔池成分温度均匀；促进熔池成分温度均匀； 提高化学反应速度；提高化学反应速度； 降低钢液中的气体含量和夹杂物数量：降低钢液中的气体含量和夹杂物数量： 造成喷溅和溢出：造成喷溅和溢出：162022-5-11/23:07:05163.3.4 硅的氧化硅的氧化p 硅的直接氧化和间接氧化反应式硅的直接氧化和间接氧化反应式 在气在气-金界面上金界面上Si+O2=（SiO2） 在渣在渣-金界面上金界面上 Si+2O=（SiO2）Si+2（FeO）=（SiO2）+2Fe172022-5-11/23:07:0517硅的氧化对炼钢的影响硅的氧化对炼钢的影响p Si氧化

13、产生大量的化学热，是转炉炼钢的主氧化产生大量的化学热，是转炉炼钢的主要热量来源之一，它可使吹炼初期熔池温度能要热量来源之一，它可使吹炼初期熔池温度能够较快升高，有利于转炉废钢加入量增加和初够较快升高，有利于转炉废钢加入量增加和初期渣熔化成渣。期渣熔化成渣。p Si氧化反应产物氧化反应产物SiO2是酸性很强的氧化物，是酸性很强的氧化物，它影响到炼钢的炉渣碱度和石灰加入量。它影响到炼钢的炉渣碱度和石灰加入量。p 炉渣中的炉渣中的SiO2易侵蚀碱性炉衬，降低炼钢炉的易侵蚀碱性炉衬，降低炼钢炉的炉龄。炉龄。 182022-5-11/23:07:05183.3.5 锰的氧化与还原锰的氧化与还原p 铁液中

14、的锰反应，形成在高温下是稳定的铁液中的锰反应，形成在高温下是稳定的MnO。p Mn的氧化反应式为：的氧化反应式为： 在气在气-金界面上金界面上Mn+1/2O2=（MnO） 在渣在渣-金界面上金界面上Mn+O=（MnO）Mn+（FeO）=（MnO）+Fe192022-5-11/23:07:0519Mn氧化还原对炼钢的影响氧化还原对炼钢的影响p Mn氧化产生的化学热是转炉炼钢的氧化产生的化学热是转炉炼钢的热源热源之一。之一。p Mn氧化产物氧化产物MnO为碱性氧化物，在冶炼初期为碱性氧化物，在冶炼初期MnO与与CaOSiO2FeO等形成多元系炉渣，等形成多元系炉渣，MnO具有具有降低炉渣熔化性温度

15、降低炉渣熔化性温度，帮助化渣帮助化渣的作用。的作用。p 在碱性法炼钢中，在碱性法炼钢中，MnO的还原有利于的还原有利于提高钢水中提高钢水中的残余锰量的残余锰量，钢中锰可提高钢的品质，降低钢的脆，钢中锰可提高钢的品质，降低钢的脆性，对钢有强化作用。性，对钢有强化作用。 202022-5-11/23:07:05203.3.6 脱磷反应脱磷反应p 氧化脱磷：氧化脱磷： 在炼钢温度下，在炼钢温度下，气化脱磷反应是不能进行气化脱磷反应是不能进行的的。由于。由于Fe优先于优先于P氧化，通过氧化，通过直接直接氧化反应的气化脱磷也是难以进行的氧化反应的气化脱磷也是难以进行的。 通过加入石灰通过加入石灰造碱性渣

16、可以将铁液中的磷造碱性渣可以将铁液中的磷脱出到炉渣中脱出到炉渣中。这是由于。这是由于P2O5时是酸性时是酸性氧化物，遇到碱性氧化物如氧化物，遇到碱性氧化物如CaO能生成能生成稳定的化合物而进入炉渣。稳定的化合物而进入炉渣。212022-5-11/23:07:0521p 用碱性炉渣进行脱磷的反应为：用碱性炉渣进行脱磷的反应为： 在渣在渣-金界面金界面 3(CaO)+2P+5O=(3CaOP2O5) 3(CaO)+2P+5(FeO)=(3CaOP2O5)+5Fe 在渣在渣-金金-气界面气界面 3(CaO)+2P+5/2O2=(3CaOP2O5)脱磷反应式脱磷反应式222022-5-11/23:07

17、:05223.3.7 脱硫反应脱硫反应p 反应热力学反应热力学 炉渣分子理论认为，脱硫反应为：炉渣分子理论认为，脱硫反应为：S+（CaO）=（CaS）+O 分子理论解释不了纯分子理论解释不了纯FeO渣也能脱硫的现渣也能脱硫的现象，故炉渣离子理论认为，脱硫反应属于象，故炉渣离子理论认为，脱硫反应属于电化学反应：电化学反应：S+（O2-）=（S2-）+O 232022-5-11/23:07:0523炉渣脱硫原理炉渣脱硫原理242022-5-11/23:07:0524气化脱硫气化脱硫p 气化脱硫主要通过炉渣中硫的气化来实现气化脱硫主要通过炉渣中硫的气化来实现，即：，即：(S2-)+3/2O2=SO2

18、+(O2-)或写为：或写为：6(Fe3+)+(S2-)+2(O2-)=6(Fe2+)+SO26(Fe2+)+3/2O2=6(Fe3+)+3(O2-) 两个反应式表明，渣中的铁离子充当气化脱硫所需两个反应式表明，渣中的铁离子充当气化脱硫所需氧的媒介。氧的媒介。 需要明确的是，气化脱硫是以炉渣脱硫为基础的，需要明确的是，气化脱硫是以炉渣脱硫为基础的，首先硫从金属液被脱除到炉渣中，然后炉渣中的硫首先硫从金属液被脱除到炉渣中，然后炉渣中的硫再被气化脱除进入炉气中。在转炉炼钢中，有约三再被气化脱除进入炉气中。在转炉炼钢中，有约三分之一的硫是以气化脱硫的方式去除的。分之一的硫是以气化脱硫的方式去除的。 2

19、52022-5-11/23:07:05253.3.8 钢的脱氧钢的脱氧p 脱氧是向炼钢熔池或钢水中加入脱氧剂，脱脱氧是向炼钢熔池或钢水中加入脱氧剂，脱氧元素与氧反应，生成的脱氧产物或进入渣氧元素与氧反应，生成的脱氧产物或进入渣中或成为气相排出。中或成为气相排出。p 脱氧剂应具有脱氧元素与氧的亲和力大、脱脱氧剂应具有脱氧元素与氧的亲和力大、脱氧产物易排除、成本低和来源广等的特点。氧产物易排除、成本低和来源广等的特点。p 根据脱氧反应发生的地点不同，脱氧方法分根据脱氧反应发生的地点不同，脱氧方法分为为沉淀脱氧沉淀脱氧扩散脱氧扩散脱氧和和真空脱氧真空脱氧。钢种钢种轿车面板轿车面板不锈钢板不锈钢板轴承

20、钢轴承钢管线钢管线钢轮胎钢丝轮胎钢丝O/0.0030.0040.00050.0020.003262022-5-11/23:07:0526沉淀脱氧沉淀脱氧p 又叫又叫直接脱氧直接脱氧。把块状脱氧剂加入到钢把块状脱氧剂加入到钢液中，脱氧元素在钢液内部与钢中氧直液中，脱氧元素在钢液内部与钢中氧直接反应，生成的脱氧产物上浮进入渣中接反应，生成的脱氧产物上浮进入渣中的脱氧方法称为沉淀脱氧的脱氧方法称为沉淀脱氧。p 出钢时向钢包中加入硅铁锰铁铝铁出钢时向钢包中加入硅铁锰铁铝铁或铝块脱氧就是沉淀脱氧。或铝块脱氧就是沉淀脱氧。p 这种脱氧方法由于脱氧反应在钢液内部这种脱氧方法由于脱氧反应在钢液内部进行，进行，

21、脱氧速度快脱氧速度快。但生成的。但生成的脱氧产物脱氧产物有可能难以完全上浮有可能难以完全上浮而成为钢中非金属而成为钢中非金属夹杂。夹杂。272022-5-11/23:07:0527扩散脱氧扩散脱氧p 又叫间接脱氧。又叫间接脱氧。它是将粉状的脱氧剂如它是将粉状的脱氧剂如C粉粉Fe-Si粉粉CaSi粉粉Al粉加到炉渣中，降低粉加到炉渣中，降低炉渣中的氧含量，使钢液中的氧向炉渣中扩散，炉渣中的氧含量，使钢液中的氧向炉渣中扩散，从而达到降低钢液中氧含量的一种脱氧方法。从而达到降低钢液中氧含量的一种脱氧方法。p 在电炉炼钢的还原期和炉外精炼过程向渣中加在电炉炼钢的还原期和炉外精炼过程向渣中加入粉状脱氧剂

22、进行脱氧操作就是扩散脱氧。入粉状脱氧剂进行脱氧操作就是扩散脱氧。p 其特点是：由于脱氧反应在渣中进行，钢液中其特点是：由于脱氧反应在渣中进行，钢液中的氧需要向渣中转移，故的氧需要向渣中转移，故脱氧速度慢脱氧速度慢，脱氧时，脱氧时间长。但脱氧产物在渣相内形成，间长。但脱氧产物在渣相内形成，不在钢中生不在钢中生成非金属夹杂物成非金属夹杂物。282022-5-11/23:07:0528p 是利用降低系统的压力来降低钢液中氧含是利用降低系统的压力来降低钢液中氧含量的脱氧方法量的脱氧方法。它只适用于脱氧产物为气。它只适用于脱氧产物为气体的脱氧反应如体的脱氧反应如C-O反应。反应。p 这种脱氧方法常用于炉

23、外精炼中，如这种脱氧方法常用于炉外精炼中，如RH真真空处理空处理VADVD等精炼方法都可实现等精炼方法都可实现钢液的真空脱氧。钢液的真空脱氧。p 真空脱氧因脱氧产物为气体，真空脱氧因脱氧产物为气体，易于排除易于排除，不会对钢造成非金属夹杂的污染，故这种不会对钢造成非金属夹杂的污染，故这种脱氧方法的钢液洁净度高。但脱氧方法的钢液洁净度高。但需要有专门需要有专门的真空设备的真空设备。真空脱氧真空脱氧292022-5-11/23:07:0529元素的脱氧能力元素的脱氧能力p 元素的脱氧能力可用同一条件下与相同含量的脱元素的脱氧能力可用同一条件下与相同含量的脱氧元素相平衡的残余氧量来表示。氧元素相平衡

24、的残余氧量来表示。p 常用的脱氧元素有常用的脱氧元素有MnSiAl,而而MnSi常以常以Fe-MnFe-Si铁合金的形式作为脱氧剂来使铁合金的形式作为脱氧剂来使用。用。 p Al的脱氧能力最大，的脱氧能力最大，Si的脱氧能力次之，常用于的脱氧能力次之，常用于终脱氧和镇静钢脱氧。终脱氧和镇静钢脱氧。Mn的脱氧能力最小，常的脱氧能力最小，常用于预脱氧和沸腾钢脱氧。用于预脱氧和沸腾钢脱氧。302022-5-11/23:07:0530脱氧产物的特性脱氧产物的特性p Mn的脱氧产物为的脱氧产物为MnO，属于碱性氧化物，与酸性，属于碱性氧化物，与酸性氧化物如氧化物如SiO2相遇时，可以结合成复合的氧化物，

25、相遇时，可以结合成复合的氧化物，使使MnO的活度降低，从而提高了的活度降低，从而提高了Mn的脱氧能力。的脱氧能力。p 由于由于Si的脱氧产物为的脱氧产物为SiO2，属于酸性氧化物，易与，属于酸性氧化物，易与碱性氧化物结合成硅酸盐之类的复杂氧化物，使碱性氧化物结合成硅酸盐之类的复杂氧化物，使SiO2的活度降低，使的活度降低，使Si的脱氧能力增加。的脱氧能力增加。p Al的脱氧产物的脱氧产物Al2O3是中性氧化物，它既可与酸性氧是中性氧化物，它既可与酸性氧化物结合也可与碱性氧化物相结合，因此，不论是与化物结合也可与碱性氧化物相结合，因此，不论是与碱性氧化物还是与酸性氧化物相遇，均可降低碱性氧化物还

26、是与酸性氧化物相遇，均可降低Al2O3的活度，从而使的活度，从而使Al的脱氧能力提高。的脱氧能力提高。p 正因为脱氧产物具有这样的特性，所以，对氧含量要正因为脱氧产物具有这样的特性，所以，对氧含量要求严格的钢常采用复合脱氧剂来进行脱氧。求严格的钢常采用复合脱氧剂来进行脱氧。312022-5-11/23:07:05313.3.9 脱气脱气p 钢中气体（钢中气体（H、N）的来源：）的来源： 金属料如废钢和铁合金中含有的一定量的氢和氮。金属料如废钢和铁合金中含有的一定量的氢和氮。 潮湿的造渣剂，加入炉内后分解，也使钢中气体增加。潮湿的造渣剂，加入炉内后分解，也使钢中气体增加。 耐火材料用粘结剂含有耐

27、火材料用粘结剂含有8%9%的氢。的氢。 暴露在空气中的钢液，会从空气中吸收氢和氮。暴露在空气中的钢液，会从空气中吸收氢和氮。 如果炼钢采用的氧气不纯，也能造成钢的增氮。如果炼钢采用的氧气不纯，也能造成钢的增氮。p 气体的溶解反应为：气体的溶解反应为：H2=H N2=N 322022-5-11/23:07:0532降低钢中气体的措施降低钢中气体的措施p 提高炼钢原材料质量。如使用含气体量低的废钢提高炼钢原材料质量。如使用含气体量低的废钢和铁合金；对含水分的原材料进行烘烤干燥，采和铁合金；对含水分的原材料进行烘烤干燥，采用高纯度的氧气等。用高纯度的氧气等。 p 尽量降低出钢温度，减小气体在钢中的溶

28、解度。尽量降低出钢温度，减小气体在钢中的溶解度。 p 在冶炼过程，应充分利用脱碳反应产生的溶池沸在冶炼过程，应充分利用脱碳反应产生的溶池沸腾来降低钢水中的气体含量。腾来降低钢水中的气体含量。 p 用炉外精炼技术，降低钢水中的气体含量。如采用炉外精炼技术，降低钢水中的气体含量。如采用钢包吹氩搅拌，真空精炼脱气，微气泡脱气等用钢包吹氩搅拌，真空精炼脱气，微气泡脱气等方法对钢水进行脱气处理。方法对钢水进行脱气处理。 p 采用保护浇注技术，防止钢水从大气中吸收气体。采用保护浇注技术，防止钢水从大气中吸收气体。332022-5-11/23:07:05333.3.10 去除钢中夹杂物去除钢中夹杂物p 钢中夹杂物的来源钢中夹杂物的来源 钢中存在着硫磷氧氮等杂质元素，这些钢中存在着硫磷氧氮等杂质元素，这些元素与钢中的合金元素如硅锰铝钛钒元素与钢中的合金元素如硅锰铝钛钒等形成非金属化合物，如氧化物硫化物氮等形成非金属化合物，如氧化物硫化物氮化物等。钢中的这些非金属化合物，统称为化物等。钢中的这些非金属化合物，统称为非非金属夹杂物，也称为内生夹杂金属夹杂物，也称为内生夹杂。 在炼钢过程中，钢水与炉渣和炉衬接触，炉渣在炼钢过程中，钢水与炉渣和炉衬接触，炉渣炉衬中的化合物被卷入到钢水中，也会造成非炉衬中的化合物被卷入到