冶金物理化学-第5章

第4章熔渣与冶金熔体反应热力学4.9钢液脱氧反应热力学补充知识C<0.2%熟铁/锻铁0.2%<C<1.7%钢C>1.7%生铁氧气顶吹转炉的结构见图3，它是一个用厚钢板制成的容器，炉内衬有耐火材料，用轴把它支持在转动架上，使之可以转动。炼钢时，先把转炉倾斜装入石灰、萤石等熔剂。然后兑入钢水，最后插入氧气水冷喷枪进行吹炼。吹入的氧气纯度为98%～99％，因此吹炼时间短，生产能力大，且设备简单，成本低，但金属吹损较大。

转炉炼钢氧化:

用氧氧化铁水中的碳、锰、硅、磷、硫等元素,反应生成的2FeO·SiO2，MnO·SiO2，4CaO·P2O5及CaS等不溶于钢水而进入渣中。炼钢的主要过程现代炼钢主要有氧气顶吹转炉炼钢、电炉和平炉3种方法。还原:

即进行钢液脱氧、脱硫，将其他化学成分调整到规定的含量范围。一、沉淀脱氧原理设M为脱氧元素，M溶入钢液后，与钢中的氧发生沉淀脱氧反应：

x[M]+y[O]=MxOy(s或l)[4-9-1]脱氧反应[4-9-1]的平衡常数是异相都称为脱氧常数。和近似地看成是常数。实际上，是表观脱氧常数。它与脱氧元素的浓度有关，只能在[M]浓度一定时，钢中平衡的[O]越低（残余溶解氧），则[M]的脱氧能力越强。

对上式取对数，得对下式取对数，得：W[O]很小下面推导过程中暂以[O]代替，[M]代）在定温下，K是常数，上式对[M]求导数，在极值处，

根据活度系数与交互作用系数间关系，则二阶交互作用系数即

命,

得在a,b值确定时，方程式（7-3-11）对[M*]来说，有两个根，相当于[O]～[M]曲线上有两个极值点，一个是极小值，另一个是极大值。（4-9-2）例题1对于Al脱氧反应，在1600℃时2[Al]+3[O]=Al2O3(s)

根据G·K·Sigworth和J·F·Elliott的数据：代入后，可算得a

=7.82，b

=-8.90。

再代入式（7-3-11）解出：当[Al]=0.081%时，有极小值;在[Al]=1.06%处，有极大值。

二、脱氧产物组成

研究脱氧反应的平衡(即Fe-M-O))，常用两种方法：直接法和间接法。将脱氧元素直接加入含氧铁液中，在惰性气体保护下，使脱氧反应在定温下达平衡，取样分析金属中平衡的[M],用物相分析手段确定脱氧产物的组成。

直接法间接法间接法用H2～H2O混合气体（其中还加入氩气以减弱热扩散的作用），在给定温下含有[M]、[O]的钢液建立平衡。实验过程中，缓慢地增加的比值，使氧势逐渐增加，当观察到铁液表面有氧化物（即脱氧产物MxOy）膜出现时，对应的值即作为平衡气相组成，此时，下列反应达到平衡

x[M]+yH2O(g)=MxOy(s,l)+yH2(1)又由

H2+[O]=H2O(g)(2)(1)+y×(2)得

x[M]+y[O]=MxOy=y+(3)x[M]+yH2O(g)=MxOy(s,l)+yH2~0~0~0~0例题在1873K，当铁中w[V]含＜0.3%时，得到

直线的斜率为－1/2，表明[V]脱氧产物中x：y=1：2。此产物可能是VO2或FeO·V2O3。对氧化物膜进行X射线结构分析，确认是FeO·V2O3。故在w[V]＜0.3%范围内，[V]与气相的反应是～[V]+2H2O(g)+1/2Fe=1/2(FeO·V2O3)(s)+2H2(6)x[M]+yH2O(g)=MxOy(s,l)+yH2以钒脱氧为例(6)+2×(7)得的脱氧反应为：[V]+2[O]+1/2Fe(l)=1/2(FeO·V2O3)(s)(8)时H2+[O]=H2O(g)(7)在铁中含w[V]＞0.3%范围，得到直线的斜率x/y=－2/3，即x：y=2：3，表明脱氧产物是V2O3。X射线结构分析亦可确认脱氧产物是V2O3。故在w[V]＞0.3%时，与气相的反应是～

2[V]+3H2O(g)=V2O3(s)+3H2(9)再与

H2+[O]=H2O(g)结合，得[V

]脱氧反应为：2[V]+3[O]==V2O3(s)(10)

在铁液含w[V]在铁液含w[V]0.3%时，脱氧产物是FeO·V2O3与V2O3的混合相此时，反应（6）、（7）、（8）、（9）、（10）同时平衡。但只有三个反应是独立的。

体系物种数n=7，组分数

k=n－R=7－3=4。

根据相律f=k－φ＋2=4－4＋2=2当温度和总压确定后，自由度为0

此时，无论是气相或金属相的平衡组成都是严格一定。这正是图6-7(H2，H2O(g)、[V]、[O]、Fe(l)、FeO·V2O3(s)、V2O3(s))总结

在w[V]为0.3%，脱氧产物是FeO·V2O3

和V2O3金属中w[V]>0.3%，脱氧产物是V2O3

金属中w[V]<0.3%，产物是FeO·V2O3

实验表明，此阈值与温度有关。

T/K1823187319231973W[V]/wo

0.200.300.470.75选择性氧化—奥氏体不锈钢去碳保铬问题4.10

从金相学角度分析，因为不锈钢含有铬而使表面形成很薄的铬膜，这个膜隔离开与钢内侵入的氧气起耐腐蚀的作用。

1.不锈钢定义

在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢，不锈钢是具有美观的表面和耐腐蚀性能好，不必经过镀色等表面处理，而发挥不锈钢所固有的表面性能,使用于多方面的钢铁的一种，通常称为不锈钢。代表性能的有13铬钢，18-铬镍钢等高合金钢。为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀性，钢必须含有12%以上的铬。2.不锈钢的发明现代工业用不锈钢是在第一次世界大战时由英国科学家亨利·布里尔利发明的。当时，士兵用的步枪枪膛极易磨损，布里尔利想发明一种不易磨损的合金钢。在研究中，他向钢中加入了各种各样的元素。进行了好多次试验，但都没有成功。他失望地把这些试验品扔进了垃圾堆。过了很久，奇怪的现象出现了：垃圾堆里大部分废钢铁器件都锈蚀了，只有几块含铬的钢仍旧是亮晶晶的。布里尔利喜出望外，他把含铬的钢捡出来详细研究，发现它们是含碳0.24%、含铬12.8%的铬钢。这种钢任凭日晒雨淋也不易生锈，而且又不像一般钢铁那样怕酸碱腐蚀。但由于铬钢太贵和较松软，不能用来造枪，于是布里尔利开办了一个餐刀厂，生产不锈钢餐刀，轰动了欧洲，并被人们誉为“不锈钢之父”。其共同特点是，含铬高，含碳低。一般要求w[C]低于0.12%。超低碳不锈钢要求w[C]低于0.02%。2.不锈钢的种类不锈钢有两类一类是含w[Cr]=3%的铁素体不锈钢一类是含w[Cr]=18%，w[Ni]=（9～10）%的奥氏体不锈钢“去碳保铬”问题保证去碳达到要求，同时铬又不致氧化或尽量少氧化，从而减少补加碳铬铁的量？

3.[C]和[Cr]氧化的热力学分析[Cr]的氧化反应是2[Cr]+3[O]=Cr2O3(s)

(1)[C]+[O]=CO(2)[C]的氧化反应是(b)PCO=0.2Po,ac=0.2这就是说，需要提高温度，才能降[C]到更低的水平，否则，[Cr]就会氧化。但是，温度过高，对炉衬寿命很不利。高温低温由图可见，在PCO/P=1时，欲使w[C]降到0.15%，熔池温度必须高于1750℃才可以使[Cr]不致氧化。但若用氩气与氧气混合吹入，使气泡中PCO/P稀释到0.2，则在1750℃下，就可使w[C]降到0.05%而避免[Cr]氧化。降低另一个办法是将氩气与氧气混合吹入熔池脱碳，氩气不参加反应，但却起到稀释作用，使脱碳反应产生的气泡中相对减少。这就达到了既可以去[C]保