炼钢原理与工艺课件

炼钢原理与工艺炼钢原理与工艺第一章炼钢学概述第一节概述

第二节炼钢的任务及钢的分类

炼钢原理与工艺第一节概述

钢与生铁的区别：首先是碳的含量，理论上一般把碳含量＜2.11%称之钢，它的熔点一般在1450-1500℃，而生铁的熔点一般在1150-1250℃。炼钢原理与工艺

钢的应用前景钢具有很好的物理化学性能与力学性能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，其用途十分广泛；用途不同对钢的性能要求也不同，从而对钢的生产也提出了不同的要求。炼钢原理与工艺

石油、化工、航天航空、交通运输、农业、国防等许多重要的领域均需要各种类型的大量钢材，我们的日常生活更离不开钢。

总之，钢材仍将是21世纪用途最广的结构材料和最主要功能材料。炼钢原理与工艺

新中国成立后，特别是改革开放以来，我国的钢铁事业得到迅速发展，1980年钢产量达到3712万吨，1990年达到6500万吨，1996年首次突破1亿吨大关，成为世界第一产钢大国，2005年产量达到3.4亿吨，占世界产量的1/3。

可以这样讲，我国的钢铁工业对世界产生了重要影响，我国不仅是产钢大国，而且已经开始迈入钢铁强国的行列。

炼钢原理与工艺第二节炼钢的任务及钢的分类

炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱氧，去除有害气体和非金属夹杂物，提高温度和调整成分。归纳为：“四脱”（碳、氧、磷和硫）“二去”（去气和去夹杂）“二调整”（成分和温度）采用的主要技术手段为：供氧，造渣，升温，加脱氧剂和合金化操作。炼钢原理与工艺一、钢中的磷

对于绝大多数钢种来说磷是有害元素。钢中磷的含量高会引起钢的“冷脆”，即从高温降到0℃以下，钢的塑性和冲击韧性降低，并使钢的焊接性能与冷弯性能变差。磷是降低钢的表面张力的元素，随着磷含量的增加，钢液的表面张力降低显著，从而降低了钢的抗裂性能。炼钢原理与工艺

不同用途的钢对磷的含量有严格要求：非合金钢中普通质量级钢[P]≤0.045%；优质级钢[P]≤0.035%；特殊质量级钢[P]≤0.025%；有的甚至要求[P]≤0.010%。有些钢种:炮弹钢，耐腐蚀钢需加P元素。炼钢原理与工艺二、钢中的硫

硫对钢的性能会造成不良影响，钢中硫含量高，会使钢的热加工性能变坏，即造成钢的“热脆”性。

炼钢原理与工艺当钢中的[S]＞0.020%时，发生“热脆”现象。如果钢中的氧含量较高，更加剧了钢的“热脆”现象的发生。炼钢原理与工艺

硫还会明显降低钢的焊接性能，引起高温龟裂，并在焊缝中产生气孔和疏松，从而降低焊缝的强度。硫含量超过0.06%时，会显著恶化钢的耐蚀性。炼钢原理与工艺不同钢种对硫含量有严格的规定：非合金钢中普通质量级钢[S]≤0.045%

优质级钢[S]≤0.035%，特殊质量级钢

[S]≤0.025%

炼钢原理与工艺三、钢中的氧在吹炼过程中，向熔池供入了大量的氧气，到吹炼终点时，钢水中含有过量的氧，即钢中实际氧含量高于平均值。如不脱氧，在出钢、浇铸中，温度降低，氧溶解度降低，促使碳氧反应，钢液剧烈沸腾，使浇铸困难，得不到正确凝固组织结构的连铸坯。

炼钢原理与工艺钢中氧含量高，还会产生皮下气泡，疏松等缺陷，并加剧硫的热脆作用。在钢的凝固过程中，氧将会以氧化物的形式大量析出，会降低钢的塑性，冲击韧性等加工性能。炼钢原理与工艺

四、钢中的气体

钢液中的气体会显著降低钢的性能，而且容易造成钢的许多缺陷。钢中气体主要是指氢与氮，它们可以溶解于液态和固态纯铁和钢中。氢在固态钢中溶解度很小，在钢水凝固和冷却过程中，氢会和CO、N2等气体一起析出，形成皮下气泡中心缩孔、疏松、造成白点和发纹。

炼钢原理与工艺钢热加工过程中，钢中含有氢气的气孔会沿加工方向被拉长形成发裂，进而引起钢材的强度、塑性、冲击韧性的降低，即发生“氢脆”现象。在钢材的纵向断面上，呈现出圆形或椭圆形的银白色斑点称之为“白点”，实为交错的细小裂纹。主要原因是钢中的氢在小孔隙中析出的压力和钢相变时产生的组织应力的综合力超过了钢的强度，产生了“白点”。一般白点产生的温度低于2000C。

炼钢原理与工艺钢中的氮是以氮化物的形式存在，它对钢质量的影响体现出双重性。氮含量高的钢种长时间放置，将会变脆，这一现象称为“老化”或“时效”。原因是钢中氮化物的析出速度很慢，逐渐改变着钢的性能。低碳钢产生的脆性比磷还严重。钢中氮含量高时，在250-4500C温度范围，其表面发蓝，钢的强度升高，冲击韧性降低，称之为“蓝脆”。氮含量增加，钢的焊接性能变坏。炼钢原理与工艺五、钢中的成分(碳)从钢的性质可看出碳也是重要的合金元素，它可以增加钢的强度和硬度，但对韧性产生不利影响。碳能显著改变钢的液态和凝固性质，在16000C，[C]≤0.8%时，每增0.1%的碳◆钢的熔点降低6.50C

◆密度减少4kg/m3

◆黏度降低0.7%炼钢原理与工艺七、钢的分类

按化学成分分类按是否加入合金元素可钢分为把碳素钢和合金钢两大类。碳素钢是指钢中除含有一定量为了脱氧而加入硅（一般≤0.40%）和锰（一般≤0.80%）等合金元素外，不含其他合金元素的钢。根据碳含量的高低又可分成低碳钢（[C]≤0.25%）中碳钢(0.25%≤[C]≤0.60%)

高碳钢([C]>0.60%)。炼钢原理与工艺

合金钢是指钢中除含有硅和锰作为合金元素或脱氧元素外，还含有其他合金元素如铬、镍、钼、钛、钒、铜、钨、铝、钴、铌、锆和稀土元素等，有的还含有某些非金属元素如硼、氮等的钢。根据钢中合金元素含量的多少，又可分为低合金钢，中合金钢和高合金钢。一般合金元素总含量小于3%的为普通低合金钢，总含量为3%～5%的为低合金钢，大于10%的叫高合金钢，总含量介于5%～10%之间为中合金钢。炼钢原理与工艺按冶炼方法和质量水平分类按炼钢炉设备不同可分为转炉钢、电炉钢、平炉钢。其中电炉钢包括电弧炉钢、感应炉钢、电渣钢、电子束熔炼及有关的真空熔炼钢等。按脱氧程度不同可分为沸腾钢（不经脱氧或微弱脱氧）、镇静钢（脱氧充分）和半镇静钢（脱氧不完全，介于镇静钢和沸腾钢之间）。按质量水平不同可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。

炼钢原理与工艺按用途分类

分为三大类：结构钢，工具钢，特殊性能钢。

结构钢是目前生产最多、使用最广的钢种，它包括碳素结构钢和合金结构钢，主要用于制造机器和结构的零件及建筑工程用的金属结构等。炼钢原理与工艺

工具钢包括碳素工具钢和合金工具钢及高速钢。碳素工具钢的硬度主要以含碳量的高低来调整（0.65%≤[C]≤1.30%），为了提高钢的综合性能，有的钢中加入0.35%～0.60%的锰。合金工具钢不仅含有很高碳，有的高达2.30%，而且含有较高的铬，铬的含量可达到13%、钨（达9%）、钼、钒等合金元素，这类钢主要用于各式模具。高速工具钢除含有较高的碳（1%左右）外，还含有很高的钨（有的高达19%）和铬、钒、钼等合金元素，具有较好的赤热硬性。炼钢原理与工艺

特殊性能钢指的是具有特殊化学性能或力学性能的钢，如轴承钢、不锈钢、弹簧钢、高温合金钢等。轴承钢是指用于制造各种环境中工作的各类轴承圈和滚动体的钢，这类钢含碳1%左右，含铬最高不超过1.65%，要求具有高而均匀的硬度和耐磨性，内部组织和化学成分均匀，夹杂物和炭化物的数量及分布要求高。炼钢原理与工艺不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液，或其他腐蚀介质中具有一定化学稳定性的钢的总称。耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的称为不锈钢，耐酸、碱和盐等强介质腐蚀的钢称为耐腐蚀钢。不锈钢具有不锈性，但不一定耐腐蚀，而耐腐蚀钢则一般都具有较好的不锈性。炼钢原理与工艺弹簧钢主要含有硅、锰、铬合金元素，具有高的弹性极限、高的疲劳强度以及高的冲击韧性和塑性，专门用于制造螺旋簧及其他形状弹簧，对钢的表面性能及脱碳性能的要求比一般钢较为严格。炼钢原理与工艺作业题1、炼钢的基本任务是什么，通过哪些手段实现？2、磷和硫对钢产生哪些危害？3、氢和氮对钢产生哪些危害？

？炼钢原理与工艺第二章炼钢基础理论第一节装料2.1.1转炉炼钢原料转炉炼钢的主要原料是铁水，其次还配有部分废钢。2.1.1.1铁水铁水是氧气顶吹转炉的主原料，一般占装入量的70%以上。铁水的物理热和化学热是氧气顶吹转炉炼钢过程中的唯一热源。因此，铁水的温度和化学成分应符合一定要求，以简化和稳定冶炼操作，并获得良好的技术经济指标。2.1.1.1.1对铁水温度的要求铁水温度的高低，标志这铁水物理热的多少。较高的铁水温度可以保证转炉吹炼的顺利进行，同时还能增加废钢的配加量，降低转炉的生产技术。因此，希望铁水的温度尽量高些，另外还需要入炉铁水温度相对稳定。炼钢原理与工艺2.1.1.1.2对铁水成分的要求转炉炼钢的适应性较强，可将各种成分的铁水吹炼成钢。但是，为了方便转炉炼钢操作及降低生产成本，铁水的成分应该合适和稳定。1、铁水的含硅量铁水中的硅是转炉炼钢的主要发热元素之一。根据转炉炼钢的热平衡计算，铁水中的含硅量每增加0.1%，废钢比可增加1.3%-1.5%。若含硅量低于0.5%时，铁水的化学热不足，会导致废钢比下降，小容量转炉甚至不能正常吹炼。另外，铁水含硅量过低时，石灰溶解困难，这不仅不利于硫和磷的去除，同时还会因渣量少而对钢液的覆盖效果差，吹炼时金属飞溅严重，导致冶炼收得率下降。反之，如果铁水含硅量高于0.8%，不仅增加造渣材料的消耗，而且使炉内的渣量偏大。理论计算表明，铁炼钢原理与工艺水的含硅量每增加0.1%，吹炼1t铁水要增加2kg多的二氧化硅，同时还需要多加6kg的石灰，渣量则增加8kg。过多的渣量容易引起喷溅，增加金属损失。另外，铁水含硅量高时，初期渣子的碱度低，对炉衬的侵蚀作用加剧；同时，初期渣中的二氧化硅含量高，会使渣中的FeO、MnO含量相对较低，容易在石灰块表面生成一层熔点为2130℃的2COSO外壳，阻碍石灰熔化，降低成渣速度，不利于早期的去磷。2、铁水含的锰量铁水中的锰是一种有益元素，主要体现在锰氧化后生成的氧化锰能促进石灰溶解，促进初渣形成而减少萤石的用量，有利于提高炉龄和减轻氧枪粘钢。有资料表明，如果铁水中的锰含量从0.3%提高到0.9%，萤石的用量可以减少82%。但是当锰含量超过1%时，炉渣太稀，不利于转炉的吹炼。炼钢原理与工艺3、铁水的含磷量磷会使钢产生“冷脆”现象，是钢中的有害元素之一。转炉单渣法吹炼时脱磷效率一般为85%-90%，考虑到出钢后回磷及废钢中带入的磷，希望入炉铁水的含磷量小于0.15%—0.20%，最高不能超过0.4%。若铁水含磷量过高，转炉吹炼需采用双渣法操作，这将会恶化转炉生产的技术经济指标。

4、铁水的含硫量硫会使钢产生“热脆”现象，也是钢中的有害原审。LD转炉脱硫效果差，单渣法冶炼时的脱硫效率仅为30%—35%，而通常要求钢液含硫量在0.03%以下，因此希望铁水含硫量低于0.04%—0.05%。2.1.1.2废钢废钢是转炉炼钢的另一种原料，不过在此它是作为冷却剂使用的。LD炼钢中，铁水的物理热和化学热足以把炼钢原理与工艺熔池的温度从1250—1300℃加热到1600℃左右的炼钢温度，且有富余热量，废钢就是用来消耗这些富余热量，以控制熔池温度的。2.1.2转炉的装入制度转炉的装入制度包括装入量、废钢比及装料顺序三个问题。2.1.2.1装入量的确定转炉的装入量是指每炉装入铁水和废钢两种金属炉料的总量。生产时间表明，对于不同容积的转炉以及同一转炉在不同冶炼条件下，都有其不同而合理的装入量。装入量过大，会导致吹炼过程中的喷溅加剧而被迫降低供氧强度，从而使氧射流对熔池的搅拌力下降，成渣变慢，炉衬寿命缩短；反之，装入量过小，不仅使转炉生产能力得不到充分发挥，产量低，而且由于熔池过浅，使炉底容易被氧气射流冲蚀而过早损坏。目前控制LD转炼钢原理与工艺炉装入量的方法有以下三种。1、定量装入法所谓定量装入，是指在整个炉役期内，每炉的装入量保持不变的装料方法。这种方法的优点是，生产组织简单、便于实现吹炼过程中的计算机自动控制。其问题是，容易造成炉役前期的装入量偏大而熔池较深，炉役后期的装入量偏小而熔池较浅。转炉容量越小，炉役前后期的这种差别越大。因此，定量装入法适用于大转炉。

2、定深装入法所谓定深装入，是指在一个炉役期间，随着炉衬的侵蚀，炉子实际有效容积不断扩大，从而逐渐增加装入量，以保证熔池深度不变的装料方法。该法优点是，氧枪操作稳定，有利于提高供氧强度并减轻喷溅。其问题是，定深装入法的装入量和出钢量变化频繁，生产组织难度大。

炼钢原理与工艺3、分阶段定量装入法。该法是根据炉衬的侵蚀规律和炉膛的扩大程度，将一个炉役期划分为3—5个阶段，每个阶段实行定量装入，装入量逐段递增。分阶段定量装入法大体上保持了适当的熔池深度，可以满足吹炼工艺的要求，又保证了装入量的相对稳定，便于组织生产。中小转炉普遍使用此法。在确定各阶段的装入量时应考虑下列因素：（1）熔池深度要合理。生产实践证明，熔池的深度H为氧气射流对熔池的最大冲击深度h的1.5—2.0倍时较为合理。既能防止氧气射流冲蚀炉底，同时又能保证氧气射流对熔池有良好的搅拌。（2）炉容比（V/T）要合适。转炉的工作容积，也称有效容积，以“V”表示，公称吨位用“T”表示，两者之比值“V／T”称之为炉容比，单位为(m3／t)。转炉生产率的高低以及吹炼中的喷溅情况都和炉容比的大小密切相关。炼钢原理与工艺炉容比过大，会增加设备重量、厂房高度和耐火材料消耗量，因而使整个车间的费用增加，成本提高，对钢的质量也有不良影响；而炉容比过小，炉内没有足够的反应空间，势必引起喷溅，对炉衬的冲刷加剧，操作恶化，导致金属消耗增高，炉衬寿命降低，不利于提高生产率。目前，国内外转炉的炉容比通常为0.8—1.0。一般说来，转炉容量小、铁水含硅或含磷高、供氧强度大及用氧化铁皮做冷却剂时，炉容比取上限；反之，则取下限。2.1.2.2废钢比废钢的加入量占金属料装入量的百分比称为废钢比。提高废钢比，可以减少铁水的用量，从而有助于降低转炉的生产成本；同时可减少石灰的用量和渣量，有利于减轻吹炼中的喷溅，提高了金属收得率；还可以缩短吹炼时间、减少氧气消耗和增加产量。

炼钢原理与工艺2.1.2.3装料顺序

LD转炉的装料顺序，一般情况下是先加废钢后兑铁水，以避免废钢表面有水或炉内渣未倒净装料时引起爆炸。炉役后期，为使其免受废钢的直接冲击，在确认废钢干燥及渣已倒净或已加石灰稠化的条件下，可先兑铁水后加废钢。

炼钢原理与工艺第二节供氧

炼钢的基本任务是靠向熔池供氧，造碱性渣，去除原料中的杂质，得到成分和温度合格的钢水。因此可以说供氧是炼钢过程进行的中心环节。

2.2.1熔池中氧的来源熔池内氧的主要来源于直接吹氧、加矿分解和炉气供氧三个方面。

2.2.1.1直接吹氧直接吹入氧气是炼钢生产中向熔池供氧的最主要方法。目前炼钢所用的氧都是由工业制氧机分离空气所得。通常要求氧气的含氧量不低于98.5%，水分不能超过3g/m3，而且具有一定的压力。

LD转炉为了获得较高的脱碳速度，缩短冶炼时间，采炼钢原理与工艺用高压氧气经水冷氧枪从熔池上方垂直向下吹入的方式供氧，而且氧枪的喷头是拉瓦尔型的，工作氧压0.5—1.1Mpa，氧气流股的出口速度高达450—500m/s，即属于超音速射流。超音速氧流有足够的动能去冲击、搅拌熔池，改善脱碳反应的动力学条件，加速反应的进行。在转炉内超音速射流向前流动，与周围介质进行物质和能量交换，其流速逐渐变慢，断面积逐渐增大，温度逐渐升高。2.2.1.2加入铁矿石和氧化铁皮

铁矿石和氧化铁皮是作为冷却剂加入的，因为它们主要都是以铁的氧化物形式存在的，加入熔池后，随着升温、熔化并溶解，可提高渣中（FeO）的含量，从而会向熔池中供氧。

2.2.1.3炉气传氧如果炼钢炉内炉气中氧的分压大于渣中氧化亚铁的分解压，同时又大于钢液中氧化亚铁的分解压时，气相中的炼钢原理与工艺氧就会不断地传入熔池。有研究表明，在炼钢温度下，氧化性熔渣中（FeO）的分解压约为10-2Pa，钢液中〔FeO〕分解压约为10-4—10-5Pa，而LD转炉炉气中氧的分压接近于1atm。可见，在氧化精炼过程中，炼钢炉内具备了炉气向熔池传氧的条件，气相中的氧会不断地传入熔渣和钢液。2.2.2转炉的供氧制度如何合理的向熔池供氧以便得到最佳的冶炼条件，在生产上也称供氧制度。包括两个方面：根据原料，炉子吨位，设计好的氧枪；制定合理的氧枪操作制度。因此，选定氧枪后，要确定供氧制度，只需要制定合理的氧枪操作制度，它包括：确定恰当的供氧强度，确定供氧压力，确定合理的枪位及在吹炼过程中如何调节枪位。炼钢原理与工艺2.2.2.1供氧强度所谓供氧强度，是指单位时间内向每吨金属供给的标准状态氧气量的多少，即：供氧强度（m³/（t·min））=每吨金属需氧量（m³/t）/供养时间（min）。生产实践表明，容量为30—50吨的转炉，供氧强度为2.8—4.0m³/（t·min）,120—150吨的转炉，供氧强度为2.5—3.5m³/（t·min）。国外大型转炉的供氧强度一般为2.5—4.0m³/（t·min）。2.2.2.2供氧压力氧气的压力是转炉炼钢中供氧操作的一个重要参数。对于同一氧枪来说，提高氧气压力可以增加供氧强度而缩短冶炼时间。但是枪位一定时，过分增大氧压会引起严重喷溅，同时氧气射流对熔池的冲击深度也会增加，从而有冲蚀炉底的危险。合适的供氧压力，一般是先经验选定，然后在使用中修正。转炉中涉及的氧气压力主要是喷头前的绝对压力p0和使用压力p用（表压）。炼钢原理与工艺

喷头前的氧压p0是设计喷头和确定吹炼制度时的原始参数。根据经验，小型转炉的p0一般为0.4—0.7Mpa，大型转炉的p0则为0.8—1.1Mpa。通常所说的供氧压力，是指转炉车间内氧气压力测定点的表压值，又称使用压力，常以p用表示。使用压力p用与喷头前压力p0间的关系为：

p用=p0-0.1+（0.15—0.25）MPa

实际供氧压力允许有约45%的正偏差，特别是在采用分阶段定量装入法时，随着装入量的递增，要相应提高供氧压力，以增大供氧量。2.2.2.3枪位及其控制转炉炼钢中的枪位，通常定义为氧枪喷头至平静熔池液面的距离。这一距离较大时，称高枪位，反之称低枪位。枪位高低是转炉吹炼过程中的一个重要参数，它不仅与熔池内钢液环流运动的强弱有直接关系，而且对转炉内的传氧情况有重大影响。

炼钢原理与工艺一、枪位与熔池内钢液环流的关系转炉炼钢中，氧气流股不断冲击熔池，在熔池中央冲出一个“凹”坑，该坑的深度常被叫做氧气射流的冲击深度，坑口的面积被称为氧气射流的冲击面积；与此同时，到达坑底后的氧气射流形成反射流股，通过与钢液的摩擦力引起熔池内的钢液进行环流运动，改善了炉内化学反应的动力学条件，对加速冶炼有重要意义。在吹炼过程中，采用低枪位或高氧压的吹氧操作称为“硬吹”。（如图2-1）硬吹时，氧气射流与熔池接触时的速度较快，断面积较小，因而熔池中央呗冲出一个面积较小而深度较大的作用区。该区内温度高达2200—2700℃，而且钢液被粉碎成细小的液滴，从坑的内壁的切线方向溅出，形成很强的反射流股，从而带动钢液进行剧烈的循环流动，几乎使整个熔池都得到了强有力的搅拌。

炼钢原理与工艺炼钢原理与工艺

采用高枪位或低氧压的吹氧操作称为“软吹”。（如图2-1）软吹时，与熔池接触的氧气射流速度较慢、断面积较大，因而其冲击深度较小而冲击面积较大，同时产生的反射流股也较弱，钢液因此而形成的环流也就相对较弱，氧气对熔池的搅拌效果较差。转炉的吹氧操作有三种类型，即恒氧压变枪位操作、恒枪位变氧压操作和变枪位变氧压操作。所谓恒氧压变枪位操作，是指在一炉钢的吹炼过程中的氧气的压力保持不变，而通过变枪位来调节氧气射流对熔池的冲击深度和冲击面积，以控制冶炼过程顺利进行的吹氧方法。生产实践证明，这种方法能根据一炉钢冶炼过程中各阶段的特点灵活地控制炉内的反应，吹炼平稳、金属损失少，去磷硫效果好，国内外各厂普遍采用这种方法。恒枪位变氧压的操作比较简单，但是吹炼效果不太理想，而且要求铁水成分和温度波动范围较小。变枪位变氧压操作，不但可以化渣迅速，而且可以提高吹炼前期和后期的供氧强度，缩短冶炼钢原理与工艺炼时间。但是这种方法要求技术水平高，不容易掌握。如今，国内外炼钢厂普遍采用的是分阶段恒氧压变枪位操作。二、枪位对炉内传氧的影响

LD转炉的传氧方式有两种：直接传氧和间接传氧。它们分别发生在不同的冶炼条件即枪位下。1、直接传氧

所谓直接传氧，是指吹入熔池的氧气被钢液直接吸收的传氧方式。硬吹时，转炉内的传氧方式主要是直接传氧。其传氧途径主要有一下两个：（1）通过金属液滴直接传氧硬吹时，氧气射流强烈冲击熔池而溅起来的那些金属液滴被气相中的氧气氧化，其表面形成一层富氧的FeO渣膜。这种带有FeO渣膜的金属液滴很快落入熔池，并随其中的钢液一起进行环流而成为氧的主要传递者。其传氧过程如下：炼钢原理与工艺a、吹入的氧与溅起的金属液滴接触，气态的氧呗金属液滴表面吸附并分解成原子态的氧。

b、被吸附的原子态的氧使金属液滴表面氧化，产生FeO渣膜；同时，有一部分原子态的氧进入金属液滴中。

c、进行环流运动过程中，金属液滴表面的FeO渣膜大量消耗于沿途的杂质元素的间接氧化，余者则进入渣中；与此同时，溶于金属液滴内的氧也将周围的杂质元素氧化。（2）通过乳浊液直接传氧高压氧气射流自上而下吹入熔池，将熔池冲出一个凹坑的同时，射流末端也被碎裂成许多小气泡。这些小氧气泡与氧气射流击碎的金属液和熔渣一起形成了三相乳浊液，其中的金属液滴可将小气泡中的氧直接吸收。熔池的乳化极大地增加了钢液、熔渣、氧气三者之间的接触面积，一般情况可达0.6～1.5㎡/㎏，从而大大加快炉内的传氧速度。这也是氧气转炉比电弧炉的冶炼速度快许多的主要原因。炼钢原理与工艺炼钢原理与工艺(2)间接传氧

所谓间接传氧，是指吹入炉内的氧气经熔渣传入钢液的传氧方式。软吹时，因为氧气射流对金属熔池的冲击相对较弱而冲击深度较小，因而生成的金属液滴和小气泡数量较少，熔池的乳化程度也较低，直接传氧作用大为减弱。但是，此时氧气射流与熔池的作用面积相对较大，因此，“熔渣先被氧气射流氧化，继而再将氧传给钢液”的间接传氧作用则会明显加强。具体传氧过程如下：a、炉渣中的低价氧化铁被氧气射流氧化成高价氧化铁。b、含有高价氧化铁的熔渣被吹离作用区，在与别处的钢液接触时被还原成低价氧化物。c、当渣中的（FeO）含量较高时，按分配定律部分地转入钢液。软吹时间接传氧作用强，渣中（FeO）含量较高，化渣能力较强；但由于直接传氧作用很弱，杂质元素的氧化速度较慢。炼钢原理与工艺三、枪位控制转炉炼钢中枪位控制的基本原则是，根据吹炼中出现的具体情况及时进行相应的调整，力争做到既不出现“喷溅”，又不产生“返干”，使冶炼过程顺利到达终点。1一炉钢吹炼过程中枪位的变化一炉钢吹炼的不同阶段，转炉内的熔渣组成、钢液成分、熔池温度及所进行的化学反应等均不相同，因此向炉内供氧的条件也不同。在目前的供氧压力0.5～1.1MPa情况下，三孔拉瓦尔喷头氧枪的枪位（H，mm）在吹炼中的变化范围与喷头喉口直径（d，mm）的经验关系式为：H=（35～55）d而枪位的变化规律通常是：高→低→高→低。吹炼前期，炉内反应的主要特点是，铁水的硅迅速氧化，渣中的酸性氧化物（SiO2）快速增加，同时熔池温度尚低。此时要加入大量石灰尽快形成碱度不低于1.5～1.7炼钢原理与工艺的熔渣，缩短酸性渣的过度时间，以减轻炉衬损失和增加前期的去磷量。所以，吹炼前期应采用较高的枪位，使渣中的氧化铁稳定在25%左右，迅速在所加入的石灰表面形成熔点仅为1205℃的CaO·FeO·SiO2，加速石灰的溶解。若枪位过低，将会导致渣中的（FeO）不足而在石灰块的表面生成熔点高达2130℃的2CaO·SiO2，阻碍石灰的熔化.但枪位也不可过高，否则渣中（FeO）过多引起炉渣严重泡沫化而产生喷溅。最佳的枪位应控制在使炉内熔渣适当泡沫化又不产生喷溅。吹炼中期，炉内渣子已化好，硅、锰的氧化已近结束，熔池温度也较高，碳氧反应开始加速。此时应适当降低枪位，以防喷溅，同时配合脱碳反应所需的供氧条件。激烈的碳氧反应也会消耗大量渣中（FeO）。如果渣中（∑FeO）降低过多，会使炉渣熔点升高甚至出现高熔点的硅酸钙固态颗粒使炉渣黏度增大，这种现象称为炉渣“返干”；同时也会因钢液表面裸露出现金属飞溅的情况。为此，中期的枪位也不宜过低，应使渣中（∑FeO）保持在10%～15%的范围内。炼钢原理与工艺

吹炼后期，炉内的碳氧反应已较弱，因炉渣严重泡沫化而产生喷溅的可能性较小，此时主要任务是调整好炉渣的氧化性和流动性，继续去磷；同时，通过高温、高碱度的炉渣去除钢液中的硫；准确控制终点。所以此阶段应先提枪化渣，接近终点时再适当降枪，以加强对熔池的搅拌，均匀钢液成分和温度，同时降低终渣中（∑FeO）含量，提高金属和合金的收得率，并减轻熔渣对炉衬的侵蚀。2生产条件改变时调节氧枪的基本原则影响枪位的因素主要是熔池深度、铁水温度和成分、石灰的质量及用量和供氧压力等。渣量一定时，熔池越深，渣层就越厚，也越难化渣，同时吹炼中熔池液面上涨也越多。因此在不引起喷溅前提下枪位应高些，以免化渣困难。生产中，凡是影响熔池深度的因素发生变化时，均需相应调整枪位。例如，铁水配比高时，冶炼中渣量大，熔池深度增加，枪位应相应提高；炉役后期，熔池变浅，枪位应相应低些。炼钢原理与工艺

铁水温度低时，开吹后应先低枪提温，再提枪化渣；铁水含硅量高时，渣量大，吹炼前期枪位不宜过高，以免发生严重喷溅。石灰的质量低劣或因铁水含磷高而加入量较大时，冶炼中化渣较困难，枪位应相应提高；反之，化渣的枪位可降低些。就氧气射流对熔池的作用而言，提高氧压与降低枪位的效果相同。因此在供氧压力不足时，枪位应相应低些，反之高些。另外，氧枪喷头的结构有单孔和多孔之分。单孔喷头的化渣能力差，枪位应控制的高些；而采用多孔喷头时，枪位应相对低些。生产中喷头已确定，不必考虑。2.2.2.4复吹转炉原理及工艺一、简介二、原理及工艺三、冶金效果炼钢原理与工艺思考题1、炼钢熔池内氧的来源？2、何谓供氧强度？熔渣“返干”？3、转炉吹氧操作有哪几种？各有何特点？4、何谓直接传氧？间接传氧？5、简述转炉吹炼前、中、后期炉内的冶炼环境及枪位的控制？6、转炉生产中影响氧枪枪位的因素有哪些？炼钢原理与工艺第三节造渣2.3.1造氧化渣的目的及要求目前的炼钢渣主要有氧化渣和还原渣两种，为了强化去磷和去硫过程，两者均为碱性渣，不同的是，它们对渣中（FeO）的含量要求不同。

LD转炉的炉渣均为氧化渣。造氧化渣的主要目的是为了去除钢中的磷，并通过氧化渣向熔池传氧。造氧化渣就是要使熔渣具有适于脱磷反应的理化性质，同时精心控制造渣过程，以充分去除钢中的磷，并减少对炉衬的侵蚀。炼钢过程对氧化渣的要求是：较高的碱度、较强的氧化性、适量的渣量、良好的流动性及适当的泡沫化。1、碱度的控制。碱度是炉渣酸碱性的衡量指标，是有效去磷的必须条件，常用二元碱度表示，即R=ω（CaO）/ω（SiO2）。理论研究表明，渣中（∑FeO）含量相同的条件下，R=1.87时其活度最大，炉渣氧化性最强。LD转炼钢原理与工艺炉炼钢中，通常碱度控制在2.4～2.8的范围内；对于含磷较高或冶炼低硫钢种的情况，碱度则控制在3.0以上。2、渣中的（∑FeO）含量。渣中（∑FeO）含量的高低，标志着炉渣氧化性的强弱及去磷能力的大小。碱度一定时，炉渣的氧化性随着渣中（∑FeO）含量的增加而增强。但过高的（∑FeO）含量使得炉渣过稀易产生喷溅，同时会加速炉衬的侵蚀及铁的损耗。生产中通常将渣中（∑FeO）含量控制在10%～20%之间，有时高达30%，但要求终渣中的（∑FeO）在满足石灰完全溶解的条件下尽量低。3、渣量的控制。其他条件不变的情况下，增大渣量可增加冶炼过程中的去磷量。但增大渣量会增加造渣材料的消耗和铁损，还会给冶炼带来诸多不便，如喷溅、粘枪等。因此，生产中控制渣量的原则是，在保证完成脱磷、脱硫条件下，采用最小渣量操作。LD转炉一般情况下适宜的渣量约为钢液量的10%～12%。炼钢原理与工艺4、炉渣的流动性。对于去磷、去硫这些双相界面反应来说，物质的扩散是限制性环节，保证熔渣具有良好的流动性十分重要。影响炉渣流动性的主要因素是温度和成分。但去磷反应是放热反应，不希望温度太高，因此生产中应适当增加渣中（FeO）和（CaF2）等稀渣成分的含量，使碱性氧化渣在温度不高的情况下也具有良好的流动性。5、炉渣的泡沫化。泡沫化的炉渣，使钢-渣两相界面积大为增加，改善了去磷、去硫等两相反应的动力学的条件。但应避免炉渣严重的泡沫化，以防喷溅。2.3.2造渣材料及其用量2.3.2.1造渣材料炼钢用造渣材料，主要有石灰、萤石及其代用品、合成渣料和白云石等。1、石灰石灰主要成分为CaO，是由主要成分为CaCO3的石灰炼钢原理与工艺石煅烧而成。对炼钢石灰的基本要求是：CaO含量尽量高、SiO2及S等杂质尽量少、活性要好、新鲜干燥、块度合适。（1）石灰的有效熔剂性。所谓石灰的有效熔剂性，是指根据炉渣碱度要求，除去自身酸性氧化物（SiO2）造渣消耗的CaO，剩余CaO的含量，即:

ω（CaO）有效=ω（CaO）石灰－R×ω（SiO2）石灰（2）石灰的活性。所谓“活性”，是指石灰与熔渣的反应能力，它是衡量石灰在渣中溶解速度的指标。石灰的“活性”与生产石灰时的煅烧温度有关。石灰石的分解温度为880～910℃，如果煅烧温度控制在1050～1150℃，烧成的石灰晶粒细小（1μm左右）、气孔率高（可达40%以上），呈海绵状，活性很好，称为软烧石灰或轻烧石灰。这种石灰加入熔池成渣快，利于前期脱磷，而且冶炼过程顺利。如果煅烧温度远高于石灰石的分解温度，烧成的石灰晶粒粗大（10μm左右）、气孔率低（仅20%左右），甚至表面还包有一层熔融物，称为硬烧石灰或过烧石灰。

炼钢原理与工艺这种石灰加入熔池后，化渣慢，不利于冶炼和前期脱磷。如果煅烧温度低于900℃，由于烧成温度低，石灰烧不透，称为生烧石灰。这种石灰入炉后，内部残留的石灰石要继续分解而吸热，不仅成渣慢，对熔池升温也不利。（3）石灰的块度。转炉炼钢一般要求石灰的块度为5～40㎜。块度过大，熔化慢，成渣晚；块度过小，尤其是含有粉末的，说明吸收了大量水分，应禁止使用。2、萤石及其代用品萤石在炼钢中是作为熔剂加入的，目的是化渣和稀渣。其主要成分是CaF2

，熔点仅1400℃左右，并能与CaO及2CaO·SiO2结合成低熔点化合物，因而可以加速石灰熔化和消除炉渣“返干”，且作用迅速。此外，萤石能与硫反应生成挥发性的化合物，因而还具有一定的脱硫作用。对炼钢萤石要求CaF2不低于85%，SiO2不超过4%，CaO不超过5%，S小于0.2%，块度10～80㎜，且保持清洁、干燥、不混杂。

炼钢原理与工艺3、合成渣料合成渣料是转炉炼钢中新型造渣材料。它是将石灰和熔剂按一定比例混合制成的低熔点、高碱度的复合造渣材料，即把炉内的造渣过程部分地，甚至全部移到炉外进行。显然，这是一个提高成渣速度、改善冶炼效果的有效措施。目前国内使用较多的合成渣料是冷固结球团。它是用主要成分为FeO（67%左右）和Fe2O3（16%左右）的转炉炉尘配加一定的石灰粉、生白云石粉和氧化铁皮，在造球盘上造球，尔后在200～250℃下烘干固结而成。该合成渣成分均匀、碱度高（5～13）、熔点低（1180～1360℃），且遇高温自动暴裂，因而加入后极易熔化，能很快形成高碱度、强氧化性和良好流动性的熔渣。国外有种黑皮石灰（煅烧石灰时配加氧化铁皮），成渣快，去磷效果好。4、白云石白云石是CaCO3和MgCO3的复合矿物，高温下分解后的主要成分是氧化钙CaO和MgO氧化镁，还有一些SiO2、炼钢原理与工艺Al2O3和Fe2O3。采用白云石造渣工艺主要是延长炉衬寿命，其基本原理是根据氧化镁在渣中有一定溶解度的特点，向炉内加入一定量的白云石，使渣中（MgO）将近饱和，从而减弱熔渣对镁质炉衬的侵蚀；另一方面，冶炼中随着炉渣碱度的提高，渣中（MgO）达到过饱和而有少量固态MgO析出，使后期炉渣黏度升高，出钢后利用溅渣护炉技术将炉渣挂在炉衬表面，形成保护层，可减轻冶炼前期低碱度渣对炉衬的侵蚀。对转炉炼钢用白云石，一般要求其MgO含量在20%以上，CaO含量不低于30%，硫、磷杂质元素含量要低，块度以5～40㎜为宜。白云石入炉会分解吸热，因此采用轻烧白云石较好。2.3.2.2各种渣料的用量——石灰计算石灰加入量的基本方法是，先根据金属炉料的含硅量计算出渣中（SiO2）的质量，再根据炉渣的碱度求得石灰的质量。电炉及转炉吹炼含磷量小于0.3%的低磷铁水时，炉渣碱度R用（CaO/SiO2）二元碱度表示，石灰加入量公式如下：炼钢原理与工艺石灰加入量（㎏/t）=（1000×ω〔Si〕×X×60/28×R）/ω（CaO）有效式中ω〔Si〕-炉料（铁水）中硅的质量分数；X-炉料中硅被氧化的百分数，转炉吹炼取100%，电炉炼钢取90%；60/28-1千克硅氧化可生成60/28的二氧化硅。例1电炉冶炼45钢，炉料含硅量为0.5%，炉渣碱度按2.0控制，所用石灰主要成分为CaO-90%,SiO2-2.0%。计算1000㎏炉料应加多少千克的石灰？解：石灰加入量=（1000×0.5%×90%×60/28×2.0）÷（90%－2.0×2.0%）=22.4㎏例2转炉吹炼20钢，铁水含硅0.7%，含磷0.25%，终渣碱度要求3.0，石灰的有效熔剂性为80%。试求1000㎏铁水需加石灰多少千克？解：石灰加入量=（1000×0.7%×100%×60/28×3.0）÷80%=56.25㎏炼钢原理与工艺转炉炼钢中使用部分矿石作冷却剂时，由于铁矿石中含有一定数量的二氧化硅，为保证炉渣的碱度不变应补加适量的石灰。每千克矿石的石灰补加量可按下式计算：补加石灰量=ω（SiO2）矿石×R/ω（CaO）石灰例3铁矿石中SiO含量为8%，碱度按3.0控制，石灰的有效熔剂性为80%。试计算每加入1㎏的矿石应补加石灰多少千克？解：补加石灰量=8%×3.0÷80%=0.3（㎏）2.3.2.3炉渣组成对石灰溶解的影响影响石灰在熔渣中的溶解速度的因素主要是石灰的质量、熔池温度及熔渣的组成。1、（CaO）和（SiO2）渣中（CaO）的含量小于30%～35%时，石灰的溶解速度随其增大而增大，这是因为石灰溶解过程的限制性因素是物质的扩散，当（CaO）含量小于30%时，渣中炼钢原理与工艺存在大量的复合阴离子，增加（CaO）的含量会使这些复合阴离子解体，引起炉渣黏度下降，从而改善石灰溶解的动力学条件，加速石灰的溶解。当渣中（CaO）含量大于35%时，随着（CaO）的进一步增加，会使炉渣的平均熔点不断升高，黏度不断上升，从而影响石灰的溶解速度。渣中（SiO2）低时，随着其含量的增加，石灰的溶解速度增加，这是因为该条件下增加（SiO2）会使炉渣熔点降低，黏度下降。同时它可与（FeO）一起促进石灰的溶解，反应产物是熔点只有1205℃的CaO·FeO·SiO2

。随着（SiO2）大于25%时，进一步增加其含量，不仅在石灰表面形成2CaO·SiO2硬壳，而且会增加渣中复合阴离子的数量，导致炉渣黏度上升。2、（FeO）和（MnO）随着（FeO）含量增加，石灰溶解速度直线增大。其原因有三，一是（FeO）可与渣中其他组元生成低熔点的炼钢原理与工艺化合物，有效降低炉渣黏度；二是因（FeO）是炉渣的表面活性物质，可以增强炉渣对石灰的润湿和渗透；三是（FeO）可与CaO及2CaO·SiO2作用生成低熔点化合物而使它们熔化。（MnO）对石灰熔化速度与（FeO）类似，但不如其作用大。3、（MgO）少量的（MgO）含量，可以降低炉渣的黏度；当含量超过6%时，渣中的（MgO）处于过饱和状态，会析出固态的氧化镁颗粒，使炉渣黏度增大。2.3.2.4转炉的造渣制度一、转炉的造渣方法及选用目前，转炉炼钢的造渣方法有四种：单渣法、双渣法、双渣留渣法及喷吹石灰粉法，选择的依据是原材料的成分和所炼钢中。炼钢原理与工艺1、单渣法。在冶炼中只造一次渣，中途不倒渣、不扒渣，直到终点出钢的造渣方法称为单渣法。单渣法操作的工艺简单，冶炼时间短，生产率高。但其去硫、磷效率低，一般情况下去硫率为30%-40%，去磷率为90%左右。2、双渣法。是指在吹炼中途倒出部分炉渣，然后补加渣料再次造渣的操作方法。双渣操作的特点是，炉内始终保持较小的渣量，吹炼中可以避免因渣量大造成的喷溅，且渣少易化，同时又能获得较高的脱硫、脱磷效率。双渣法去硫率可达50%-60%，去磷率达92%-95%。该法的倒渣时机不易掌握。3、双渣留渣法。是指上一炉的高碱度、高温度和较高（FeO）含量的终渣部分地留在炉内，以便加速下一炉钢初渣的形成并在吹炼中途倒出部分炉渣再造新渣的操作方法。由于留渣，初渣早成，去硫率达60%-70%，总去磷率高达95%左右。采用双渣留渣法时，对铁水前应先加一批石灰稠化所留炉渣，而且对铁水时要缓慢进行，以防发炼钢原理与工艺生爆发式碳氧反应而引起严重喷溅，若上一炉终点碳过低，一般不宜留渣。4、喷吹石灰粉法。是指在冶炼的中后期以氧气为载体，用氧枪将粒度为1㎜以下的石灰粉喷入熔池且在中途倒渣一次的操作方法。该法成渣速度快，前期去硫磷率高，但该法需要破碎设备，且粉尘量大，石灰粉又容易吸收空气中的水分，制备运输较困难。单渣法生产稳定，操作简单，便于实现计算机控制。因此，对于含硅、硫及磷较高的铁水，入炉前应进行预处理使之达到单渣法操作的要求，合理又经济。单渣法操作时，渣料应分两批加入，否则会造成熔池温度下降过多，导致渣料结团且石灰块表面形成一层金属凝壳而推迟成渣，加速炉衬侵蚀并影响去硫和去磷。正常情况下，第一批料应在开吹的同时加入，其组成是：石灰为全部的1/2～2/3，萤石为全部的1/3～½。其余为第二批渣料,一般在硅锰氧化基本结束，头批渣料已经化好。反之如果加炼钢原理与工艺入过晚，正值碳的激烈氧化期，渣中（FeO）较低，二批料难化，容易产生金属飞溅；同时，由于渣料的加入使炉温降低，碳氧反应将被抑制，导致渣中的氧化铁积聚，一旦温度上升，必会发生爆发式碳氧反应而引起严重喷溅。二次渣料可视炉内情况一次加入或小批多次加入，但是，最后一小批料必须在终点前3-4分钟加入，否则所加渣料尚未熔化就出钢了。二、转炉炼钢的渣况判断炉内渣况良好有两个基本条件，一是不出现“返干”现象，二是不发生喷溅，尤其是严重喷溅。一旦出现均会严重影响炉内化学反应，甚至酿成事故。预测判断的方法有两种：

1、经验预测。通常情况，渣料化好、渣况正常的标志是：炉口的火焰比较柔软，炉内传出的声音也比较柔和、均匀。如果炉口的火焰由柔软逐渐向硬直方向发展，炉内炼钢原理与工艺传出的声音也由柔和逐渐变得刺耳，说明炉渣将要出现“返干”。如果炉内传出的声音渐渐变闷，炉口处的火焰也逐渐转暗且飘忽无力，同时，还不时地从炉口溅出片状泡沫渣，说明炉渣正在被严重泡沫化。一般二批料加入过晚易出现这种现象。

2、声纳控渣仪预测。其基本原理是：在炉口附近安装定向取声装置和声纳仪采集炉口噪音，为其进行信号转换、选频、滤波、放大、整形后输入计算机，由计算机在显示器上的音强化渣图中绘制冶炼过程中的噪声强度曲线，间接地反映渣层厚度或渣面的高低，同时对吹炼过程中可能发生的喷溅或“返干”进行预报，并由报警装置发出声、光信号。（两线一区）炼钢原理与工艺

第四节硅、锰的氧化

一、硅的氧化[Si]+2[O]=(SiO2)，

炼钢原理与工艺

上式的反应式表明，硅的氧化的影响因素有温度、炉渣成分、金属液成分和炉气氧分压。

◆温度低有利于硅的氧化；

◆炉渣中降低SiO2的成分含量如增加CaO、FeO含量，有利于硅的氧化，炉渣氧化能力越强，越有利硅的氧化；

◆金属液中增加硅元素含量，有利于硅的氧化；

◆炉气氧分压越高，越有利于硅的氧化。炼钢原理与工艺硅氧化是用氧炼钢的主要热源之一。在转炉吹炼初期，由于硅大量氧化，熔池温度升高，进入碳氧化期。在钢液脱氧过程中，由于含硅脱氧剂的氧化，可补偿一些钢包的散热损失。总之，硅的氧化有利于保持或提高钢液的温度。

硅氧化反应受炉渣成分影响，同样硅氧化反应产物影响炉渣成分，如SiO2降低炉渣碱度，不利于钢液脱磷、脱硫，侵蚀炉衬耐火材料，降低炉渣氧化性，增加造渣消耗。

炼钢原理与工艺二、锰的氧化

[Mn]+[O]=(MnO)[Mn]+（FeO）=(MnO)+[Fe]

炼钢原理与工艺与硅的氧化和还原一样，影响锰的氧化和还原反应的因素有

◆温度

◆炉渣成分

◆金属液成分

◆炉气氧分压。炼钢原理与工艺温度低有利于锰的氧化；炉渣碱度高，使(MnO)的活度提高，在大多数情况下，（MnO）基本以游离态存在；如果a(MnO)>1.0，则不利于锰的氧化。炉渣氧化性强，则有利于锰的氧化；能增加Mn元素活度的元素，其含量增加，有利于锰的氧化；炉气氧分压越高，越有利于锰的氧化。炼钢原理与工艺在碱性转炉炼钢过程中，当脱碳反应激烈进行时，炉渣中(FeO)大量减少，温度升高，这样使钢液中[Mn]回升，这就是产生所谓的锰还原。在酸性渣中，锰的氧化较为完全。锰的氧化也是吹氧炼钢热源之一，但不是主要的。在转炉吹炼初期，锰氧化生成MnO可帮助化渣，并减轻初期渣中SiO2对炉衬耐火材料的侵蚀。在炼钢过程中，应尽量控制锰的氧化，以提高钢水残（余）锰量，发挥残锰的作用。

炼钢原理与工艺钢液中残[Mn]的作用:

◆防止钢水的过氧化，或避免钢水中含过多的过剩氧，以提高脱氧合金的收得率，降低钢中氧化物夹杂；◆可作为钢液温度高低的标态，炉温高有利于（MnO）的还原，残锰含量高；◆能确定脱氧后钢水的含锰量达到所炼钢种的规格，并节约Fe-Mn用量。炼钢原理与工艺第五节碳的氧化反应

碳氧化反应是炼钢过程中极其重要的反应，炼钢过程中的碳氧反应不仅完成脱碳任务，而且还具有以下作用：

◆加大钢—渣界面，加速反应的进行；

◆均匀熔池中成分和温度；

◆有利于熔渣的形成；

◆有利于非金属夹杂的上浮和有害气体的排出；

◆放热升温。炼钢原理与工艺碳氧反应的三种基本形式:

在吹氧炼钢过程中，金属液中的一部分碳在反应区被气体氧化，一部分碳与溶解在金属液中氧进行氧化反应，还有一部分碳与炉渣中(FeO)反应，生成CO。炼钢原理与工艺

温度一定，KP是定值，若令m=[%C]·[%O]，fC.fO=1，则,1600℃时，KP=400，m=0.0025，m

即为碳氧浓度积。当达到平衡时，m为一常数.

炼钢原理与工艺常压下碳氧浓度之间的关系

炼钢原理与工艺

实际上m不是真正的平衡，因为碳和氧的浓度并不等于它们的活度。只有当[%C]→0时，fC.fO=1，此时m才接近平衡态。

[%C]提高时，因fC.fO减小，m值增加：

[%C]=1时，m=0.0036，

[%C]=2时，m=0.0064。

炼钢原理与工艺

由于碳氧反应是放热反应，因此，随温度升高，m值升高，曲线向右角移动。由于在炼钢过程中存在着[Fe]+[O]=[FeO]，钢中实际氧含量比碳氧平衡时氧含量高。如果与（FeO）平衡的氧含量记作w[O],FeO，则钢中氧含量高于C-O平衡的氧，但低于w[O],FeO

。炼钢原理与工艺

将炼钢熔池中实际的含氧量与碳氧平衡的理论含氧量之间的差距，称之为过剩氧。出现过剩氧,m值高于理论值的原因：

◆与脱碳速度有关，脱碳速度大，过剩氧小;◆理论含氧量的条件为Pco=1atm，而实际炉中Pco大于或小于1atm。如LD炉Pco约为1.2atm，而顶底复吹转炉中Pco约为0.7atm。◆含碳量处于低碳时，[%O]实还受aFeO和温度的影响。当钢水中含碳量一定时，含氧量随温度的增加而略有增加。炼钢原理与工艺如果熔池中脱碳反应是[C]+[O]=CO，用下式计算熔池中的氧，即与CO气泡相平衡的浓度：气泡中CO分压后可近似等于外界压力，可用下式计算：炼钢原理与工艺熔体和炉渣相平衡时，[%O]取决于炉渣中的aFeO和分配常数LFeO，可表示为：

(%FeO)-渣中氧化铁的质量百分数；

fFeO-渣中氧化铁的活度系数；

LFeO-分配系数，

[%O]饱和-纯氧化铁渣在铁中的最大溶解度，1600℃时为0.23。炼钢原理与工艺若熔体中氧的平衡浓度为已知，则可以用下式来计算渣与钢间的浓度差：炼钢原理与工艺脱碳速率的确定

根据单位时间内氧的消耗来确立脱碳速率的计算式。单位时间内氧的消耗与供氧速度vO2、碳含量[%C]、氧含量[%O]以及渣中的氧量（%O）存在着以下关系：

忽略过剩氧△[O]的变化，熔体中氧含量的变化值可确定:炼钢原理与工艺

在dt时间内渣中氧的变化值与(FeO)、QS之间存在以下关系式：

Qs为渣量与金属质量之比；而[%O]=（%FeO）·fFeO·LFeO

则炼钢原理与工艺

在dt时间内渣中氧的变化值与(FeO)、QS之间存在以下关系式：

Qs为渣量与金属质量之比；而[%O]=（%FeO）·fFeO·LFeO

则炼钢原理与工艺将d[%O]和d(%O)的表达式带入氧量平衡式可得

炼钢原理与工艺

上述的脱碳速率方程只适用含碳比较高的情形，氧向熔池中的传输速度是控制性环节，但随着脱碳进行，机理将逐渐发生改变，当碳降到0.2%-0.4%时，脱碳速率受[C]由钢液内到达反应界面的传质所控制：式中kc为碳的传质系数，顶吹氧时约为0.015s-1，底吹氧时为0.017s-1。炼钢原理与工艺第六节钢液的脱硫

钢液的脱硫主要是通过两种途径来实现，即炉渣脱硫和气化脱硫。在一般炼钢操作条件下，炉渣脱硫占主导。从氧气转炉硫的衡算可以得出，氧化渣脱硫占总脱硫量的90%，气化脱硫占10%左右。炼钢原理与工艺1、渣钢间的脱硫反应[S]+(CaO)=(CaS)+[O]△G0=98474-22.82T[S]+(MnO)=(MnS)+[O]△G0=133224-33.49T[S]+(MgO)=(MgS)+[O]△G0=191462-32.70T

硫在金属液中存在三种形式:即[FeS]、[S]和S2-。FeS它既溶于钢液，也溶于熔渣。渣钢间的脱硫反应：首先钢液中硫扩散至熔渣中即[FeS]→(FeS)，进入熔渣中的（FeS）与游离的CaO(或MnO)结合成稳定的CaS或MnS。炼钢原理与工艺

根据熔渣的离子理论，脱硫反应为：

[S]+（O2-）=（S2-）+[O]

在酸性渣中几乎没有自由的O2-，因此酸性渣脱硫作用很小，而碱性渣则不同，具有较强的脱硫能力。上式反应的平衡常数可写为：炼钢原理与工艺里查森（Richardson)定义硫容

表达了炉渣容纳硫的能力。将硫分配比定义为：炼钢原理与工艺影响钢渣间脱硫反应的因素炼钢温度的影响。钢渣间的脱硫反应属于吸热反应，吸热在108.2-128kJ/mol之间，因此，高温有利于脱硫反应进行。温度的重要影响主要体现在高温能促进石灰溶解和提高炉渣流动性。炉渣碱度的影响。炉渣碱度高，游离CaO多，或（O2-）增大，有利于脱硫。但过高的碱度，常出现炉渣粘度增加，反而降低脱硫效果。炼钢原理与工艺炉渣中(FeO)的影响。从热力学角度可以看出，(FeO)高不利于脱硫。当炉渣碱度高时、流动性差时，炉渣中有一定量的(FeO)，可助熔化渣。金属液成分的影响。金属液中[C]、[Si]能增加硫的活度系数f[S]，降低氧活度，有利于脱硫。

脱硫的有利条件：高温，高碱度，低（FeO），好流动性。炼钢原理与工艺2、气化脱硫

气化脱硫是指金属液中[S]以气态SO2的方式被去除，反应式可表示为

在炼钢温度下，从热力学角度上述反应理应能进行。但在钢水中含有[C]、[Si]、[Mn]的条件下，则要直接气化脱硫是不可能实现。钢水气化脱硫的最大可能是钢水中[S]进入炉渣后，再被气化去除.

炼钢原理与工艺

在顶吹氧气转炉熔池的氧流冲击区，由于温度很高，硫以S、S2、SO和COS的形态挥发是可能的。在电弧炉炉气中已证明有COS存在，所以发生下列的脱硫反应是可能的，即

S2+2CO=2COSSO2+3CO=2CO2+COS

炼钢原理与工艺3、脱硫反应动力学

在炼钢过程中，脱硫反应和脱磷反应相同，都是渣、钢界面反应，脱硫反应的速率方程可表示为：当钢水中硫的传质系数km很大时，此时硫的传质阻力集中于炉渣:炼钢原理与工艺如Ls一定，ks很大，即硫的传质阻力集中于钢水时，即，则脱硫速率方程为：炼钢原理与工艺4、提高脱硫速率的措施

反应界面积A越大，脱硫速率就越快。熔池沸腾程度，渣钢间的乳化状况，喷吹搅拌的程度等均对渣、钢界面的大小产生影响。炉渣粘度低、熔池活跃、钢水和炉渣的含硫量差值大时，km、ks大，脱硫速率快。炉渣碱度、炉渣氧化性和熔池温度等操作工艺条件均在Ls产生影响，一切旨在提高Ls的措施均可促进脱硫反应。炼钢原理与工艺第七节钢液的脱磷

磷在钢中是以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在，为方便起见，均用[P]表示。炼钢过程的脱磷反应是在金属液与熔渣界面进行的，首先是[P]被氧化成（P2O5），而后与（CaO）结合成稳定的磷酸钙，其反应式可表示为：

2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3CaO·P2O5)+5[Fe]

炼钢原理与工艺

从CaO-P2O5相图中可以看出3CaO·P2O5为最稳定，4CaO·P2O5次之。可以认为存在于碱性渣中的应是3CaO·P2O5

。由于3CaO·P2O5和4CaO·P2O5的反应生成自由能值很相近，在热力学分析时，有两种磷酸盐得出的结论基本上是一致的。在实验室条件下，达到平衡时的反应产物通常是4CaO·P2O5

。炼钢原理与工艺脱磷反应平衡常数可表示为:

炼钢原理与工艺炼钢原理与工艺

表示的是炉渣中某成分的摩尔分数。将[%P]，[%O]分别代替、,可得炼钢原理与工艺磷的分配系数

LP主要取决于熔渣成分和温度。不管LP采用何种表达，均表明了熔渣的脱磷能力，LP越大说明脱磷能力越强，脱磷越完全。炼钢原理与工艺Wagner的炉渣磷容

2[P]+5[O]+3(O2-)=2(PO43-)炼钢原理与工艺

取样分析炉渣和钢水中的含磷量，可得到LP，应用氧浓度电池直接测定a[O]，再根据钢水成分和相互作用系数，可求出f[P]，从而最终得到CP，这样就简化了热力学的计算，用CP进行定量讨论。因此，CP也可以理解为炉渣容纳磷的能力。炼钢原理与工艺影响脱磷反应的因素

炼钢温度的影响。脱磷反应是强放热反应，如熔池温度降低，脱磷反应的平衡常数KP增大，LP增大，因此，从热力学观点，低温脱磷比较有利。但是，低温不利于获得流动性良好的高碱度炉渣。炼钢原理与工艺炉渣成分的影响。主要表现为炉渣碱度和炉渣氧化性的影响。P2O5属于酸性氧化物，CaO、MgO等碱性氧化物能降低它的活度，碱度越高，渣中CaO的有效浓度越高，LP越大，脱磷越完全。但是，碱度并非越高越好，加入过多的石灰，化渣不好，炉渣变粘，影响流动性，对脱磷反而不利。

炼钢原理与工艺

终点熔渣碱度与[P]的关系

炼钢原理与工艺

熔渣中(FeO)含量对脱磷反应具有重要作用，渣中(FeO)是脱磷的首要因素。因为磷首先氧化生成P2O5，然后再与CaO作用生成3CaO·P2O5或4CaO·P2O5。作为磷的氧化剂，(FeO)可增大aFeO，而作为碱性氧化物可降低γP2O5，因此，随着炉渣(FeO)含量增加，LP增大，促进了脱磷，但作为炉渣中的碱性氧化物(FeO)脱磷能力远不及(CaO)，当炉渣中的(FeO)含量高到一定程度后，相当于稀释了炉渣中(CaO)的浓度，这样会使炉渣的脱磷能力下降。炼钢原理与工艺终点熔渣（TFe）和[P]的关系

炼钢原理与工艺金属成分的影响。首先钢液中应有较高的[O]，如果钢液中[Si]、[Mn]、[Cr]、[C]含量高，则不利于脱磷，因此，只有与氧结合能力高的元素含量降低时，脱磷才能顺利进行。此外，钢液中各元素含量对[P]的活度有影响，但通常影响不太大。采用溅渣护炉技术，渣中MgO含量较高，要注意调整好熔渣流动性，否则对脱磷产生不利影响。

脱磷的条件：高碱度、高氧化铁含量（氧化性）、良好流动性熔渣、充分的熔池搅动、适当的温度和大渣量。炼钢原理与工艺回磷现象

要保证钢水脱磷效果，必须防止回磷现象。回磷现象就是磷从熔渣中又返回到钢中。成品钢中磷含量高于终点磷含量也属回磷现象。熔渣的碱度或氧化铁含量降低，或石灰化渣不好，或温度过高等均会引起回磷现象。出钢过程中由于脱氧合金加入不当，或出钢下渣，或合金中磷含量较高等因素，也会导致成品钢中磷高于终点[P]含量。

炼钢原理与工艺

由于脱氧，炉渣碱度、（FeO）含量降低，钢包内有回磷现象，反应式如下：

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]炼钢原理与工艺避免钢水回磷的措施：挡渣出钢，尽量避免下渣；适当提高脱氧前的炉渣碱度；出钢后向钢包渣面加一定量石灰，增加炉渣碱度；尽可能采取钢包脱氧，而不采取炉内脱氧；加入钢包改质剂。炼钢过程的脱磷反应是渣-金界面反应，对于脱磷反应的效果而言，除了磷容量、磷分配系数表述外，还有一个时间的概念，即脱磷速率。脱磷过程速率主要取决于[P]向反应界面的传质和产物由界面向渣中的传质。

炼钢原理与工艺双膜传质理论表示脱磷速率方程

km和ks分别是磷在金属和熔渣中的传质系数，Oeter计算出km=3.90×10-5m.s-1，ks=1.15×10-5m.s-1;A是反应界面积;Vm为钢液体积;K以物质的量浓度表示的磷分配比;LP以质量百分数表示的磷分配比。

炼钢原理与工艺

若取K=300，则，则上式可简化为：在氧气顶吹转炉炼钢初期，用统计方法分析脱磷过程得到的脱磷速率方程:炼钢原理与工艺还原脱磷要实现还原脱磷，必须加入比铝更强的脱氧剂，使钢液达到深度还原。通常加入Ca，Ba或CaC2等强还原剂。

3[Ca]+2[P]=3（Ca2+）+2（P3-）

3[Ba]+2[P]=3(Ba2+)+2(P3-)3CaC2(s)+2[P]=3(Ca2+)+2(P3-)+6[C]

炼钢原理与工艺

还原脱磷加入强还原剂的同时，还需加入CaF2，CaO等熔剂造渣。还原脱磷一般是在金属不宜用氧化脱磷的情况下才使用，如含铬高的不锈钢，采用氧化脱磷会引起铬的大量氧化。还原脱磷后的渣应立即去除，否则渣中的P3-又会重新氧化成PO43-而造成回磷。炼钢原理与工艺第八节钢液的脱氧

不管是哪种炼钢方法，都需要在熔池中供氧去除C、Si、Mn、P等杂质元素，氧化精炼结束后，钢液达到了一定成分和温度，其含量一般超过C-O平衡线。如果钢水不进行脱氧，连铸坯就得不到正确的凝固组织结构。钢中氧含量高，还会产生皮下气泡、疏松等缺陷，并加剧硫的危害作用。而且还会生成过多的氧化物夹杂，降低钢的塑性、冲击韧性等力学性能。因此，必须除去钢中的过剩氧。在出钢或浇铸过程中，加脱氧剂适当减少钢液含氧量的操作称之为脱氧。炼钢原理与工艺顶吹转炉吹炼终点中碳和氧的关系

炼钢原理与工艺一、脱氧的方式

按脱氧原理