炼钢基本原理

第三章炼钢基本原理2024/7/25/14:23:532主要内容3.1炼钢的基本任务3.2炼钢炉渣3.3炼钢过程的基本反应2024/7/25/14:23:5333.1炼钢的基本任务四脱：C、S、P、O；二去：气体、夹杂；二调整：温度、成分。浇注。4C：控制钢材强度、硬度的重要元素，每1％[C]

可增加抗拉强度约980MPa。Si：也是增大强度、硬度的元素，每1％[Si]可增加抗拉强度约98MPa。Mn：增加淬透性，提高韧性，降低S的危害等。Al：细化钢材组织，控制冷轧钢板退火织构。Nb：细化钢材组织，增加强度、韧性等。V：细化钢材组织，增加强度、韧性等。Cr：增加强度、硬度、耐腐蚀性能。各元素作用2024/7/25/14:23:5353.2炼钢炉渣3.2.1炼钢炉渣的作用3.2.2炼钢炉渣的来源及其组成3.2.3炼钢炉渣的主要性质2024/7/25/14:23:5363.2.1炼钢炉渣的作用作用：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；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，并防止钢液吸气（H、N）。其它作用。如：稳定电弧，保护渣。副作用：侵蚀炉衬；降低金属收得率。2024/7/25/14:23:5373.2.2炼钢炉渣的来源及其组成炼钢炉渣的来源：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；废钢带入得泥沙和铁锈；氧化物或冷却剂带入的脉石。炉渣的组成以各种金属氧化物为主，并含有少量硫化物和氟化物。炼钢炉渣的基本体系是CaO-SiO2-FeO。2024/7/25/14:23:5383.2.3炼钢炉渣的主要性质碱度：

R＝1.3～1.5，低碱度渣；

R＝1.8～2.0，中碱度渣；

R≥2.5，高碱度渣；氧化性——炉渣向金属熔池传氧的能力，一般以渣中氧化铁（％∑FeO）含量来表示。把Fe2O3折合成FeO有两种计算方法：全氧法和全铁法。全铁法较合理。炉渣的氧化能力是个综合的概念，其传氧能力还受炉渣粘度、熔池搅拌强度、供氧速度等因素的影响。2024/7/25/14:23:5393.3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3.3.2炼钢熔池中元素的氧化次序3.3.3脱碳反应3.3.4硅的氧化3.3.5锰的氧化与还原3.3.6脱磷反应3.3.7脱硫反应3.3.8钢的脱氧3.3.9脱气3.3.10去除钢中夹杂物2024/7/25/14:23:53103.3.1炼钢熔池中氧的来源及铁液中元素的氧化方式氧的来源：直接向熔池中吹入工业纯氧（>98％）；向熔池中加入富铁矿；炉气中的氧传入熔池。铁液中元素的氧化方式有两种：直接氧化和间接氧化。11氧流对金属熔池的作用

顶吹氧枪O2出口速度通常可达300～350m/s；氧流与熔池作用，将动量传递给金属液；金属熔池产生循环运动。2024/7/25/14:23:5312直接氧化方式直接氧化是指氧气直接与铁液中的元素产生氧化反应。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[Si]﹑[Mn]﹑[C],虽有大量的铁原子存在，但根据元素的氧化次序[Si]﹑[Mn]﹑[C]将优先于铁而被氧化。反应可写为：[C]+1／2｛O｝=｛CO｝

[Si]+｛O2}=（SiO2）

[Mn]+1／2｛O2｝＝（MnO）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，易产生元素的直接氧化。2024/7/25/14:23:5313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FeO进入炉渣同时使铁液中溶解氧[O]。炉渣中的（FeO）和溶解在铁液中的[O]再与元素发生间接氧化。其反应为：｛O2｝+Fe=(FeO)(FeO)=Fe+［O］如：2［O］+[Si]=(SiO2)

或2(FeO)+［Si］=2Fe+(SiO2)在渣-金界面上往往产生元素的间接氧化反应。间接氧化方式14多数意见认为氧气转炉炼钢以间接氧化为主

氧流是集中于作用区附近而不是高度分散在熔池中；氧流直接作用区附近温度高，Si和Mn对氧的亲和力减弱从反应动力学角度来看，C向氧气泡表面传质的速度比反应速度慢，在氧气同熔池接触的表面上大量存在的是铁原子，所以首先应当同Fe

结合成FeO。2024/7/25/14:23:53153.3.2炼钢熔池中元素的氧化次序溶解在铁液中的元素的氧化次序可以通过与1molO2的氧化反应的标准吉布斯自由能变化来判断。在标准状态下，反应的ΔGo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氧化。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。

1.Cu﹑Ni﹑Mo﹑W等元素氧化的ΔGo线都在Fe氧化ΔGo线之上。从热力学角度来说，在炼钢吹氧过程中这些元素将受到Fe的保护而不氧化。

2.Cr﹑Mn﹑V﹑Nb等元素的氧化程度随冶炼温度而定。

3.Al﹑Ti﹑Si﹑B等元素氧化的ΔGo线在图中位于较低的位置，它们最易氧化。在实际生产中，这些元素作为强脱氧剂使用。

注意：虽然在炼钢温度下，Fe氧化的ΔGo线高于其它元素氧化的ΔGo线，但由于铁液中大多数为Fe原子，氧与Fe原子接触机会多，故在实际上Fe还是会氧化。2024/7/25/14:23:53173.3.3脱碳反应炼钢的一个重要任务是利用氧化方法将铁液中过多的碳去除，称为脱碳。脱碳反应是贯穿于冶炼过程。在高温下[C]主要氧化成为CO。[C]与氧的反应有：在渣-金界面上：［C］+（FeO）=｛CO｝+Fe

［C］+［O］=｛CO｝在气-金界面上：［C］+1／2｛O2｝=｛CO｝2024/7/25/14:23:5318脱碳反应的作用脱碳反应除了调整钢液碳含量的作用外，其反应产物CO气体的上浮排除使得脱碳反应给炼钢带来独特的作用。促进熔池成分﹑温度均匀；

提高化学反应速度；降低钢液中的气体含量和夹杂物数量：在氧气转炉中，排出CO气体的不均匀性和由它造成的熔池上涨往往是产生喷溅的主要原因2024/7/25/14:23:53193.3.4硅的氧化硅的直接氧化和间接氧化反应式在气-金界面上

［Si］+O2=（SiO2）在渣-金界面上

［Si］+2［O］=（SiO2）

［Si］+2（FeO）=（SiO2）+2Fe

2024/7/25/14:23:5320硅的氧化对炼钢的影响[Si]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。[Si]氧化反应产物SiO2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。炉渣中的SiO2易侵蚀碱性炉衬，降低炼钢炉的炉龄。2024/7/25/14:23:53213.3.5锰的氧化与还原铁液中的锰反应，形成在高温下是稳定的MnO。[Mn]的氧化反应式为：

在气-金界面上

［Mn］+1/2O2=（MnO）

在渣-金界面上

［Mn］+［O］=（MnO）

［Mn］+（FeO）=（MnO）+Fe

2024/7/25/14:23:5322[Mn]氧化还原对炼钢的影响[Mn]氧化产生的化学热是转炉炼钢的热源之一。[Mn]氧化产物MnO为碱性氧化物，在冶炼初期MnO与CaO﹑SiO2﹑FeO等形成多元系炉渣，MnO具有降低炉渣熔化性温度，帮助化渣的作用。在碱性法炼钢中，MnO的还原有利于提高钢水中的残余锰量，钢中锰可提高钢的品质，降低钢的脆性，对钢有强化作用。23对绝大多数钢种，磷是有害的杂质。■冷脆；■调质钢的回火脆性；■热加工性；■焊接性能等。

某些钢种，例如高Ni合金钢、低温液态气体储罐、奥氏体不锈钢等，要求尽量降低[P]含量。[P]对9％Ni钢低温韧性的影响3.3.6脱磷反应2024/7/25/14:23:5324脱磷反应氧化脱磷：在炼钢温度下，气化脱磷反应是不能进行的。由于Fe优先于[P]氧化，通过直接氧化反应的气化脱磷也是难以进行的。通过加入石灰造碱性渣可以将铁液中的磷脱出到炉渣中。这是由于P2O5时是酸性氧化物，遇到碱性氧化物如CaO能生成稳定的化合物而进入炉渣。2024/7/25/14:23:5325用碱性炉渣进行脱磷的反应为：在渣-金界面

3(CaO)+2[P]+5[O]=(3CaO·P2O5)

3(CaO)+2[P]+5(FeO)=(3CaO·P2O5)+5Fe

在渣-金-气界面

3(CaO)+2[P]+5/2O2=(3CaO·P2O5)

脱磷反应式2024/7/25/14:23:53263.3.7脱硫反应反应热力学炉渣分子理论认为，脱硫反应为：

［S］+（CaO）=（CaS）+［O］分子理论解释不了纯FeO渣也能脱硫的现象，故炉渣离子理论认为，脱硫反应属于电化学反应：

［S］+（O2-）=（S2-）+［O］

2024/7/25/14:23:5327炉渣脱硫原理2024/7/25/14:23:5328气化脱硫气化脱硫主要通过炉渣中硫的气化来实现，即：

(S2-)+3/2{O2}={SO2}+(O2-)或写为：

6(Fe3+)+(S2-)+2(O2-)=6(Fe2+)+{SO2}

6(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氧的媒介。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。29氧对钢性能的影响钢中原溶解的绝大部分氧以铁氧化物、氧硫化物等微细夹杂物形式在奥氏体或铁素体晶界处富集存在;在钢的加工和使用过程容易成为晶界开裂的起点，导致钢材发生脆性破坏;钢中氧含量增加降低钢材的延性、冲击韧性和抗疲劳破坏性能，提高钢材的韧－脆转换温度，降低钢材的耐腐蚀性能等。3.3.8钢的脱氧2024/7/25/14:23:5330钢的脱氧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中或成为气相排出。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。根据脱氧反应发生的地点不同，脱氧方法分为沉淀脱氧﹑扩散脱氧和真空脱氧。钢种轿车面板不锈钢板轴承钢管线钢轮胎钢丝[O]/％0.0030.0040.00050.0020.0032024/7/25/14:23:5331沉淀脱氧又叫直接脱氧。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。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。这种脱氧方法由于脱氧反应在钢液内部进行，脱氧速度快。但生成的脱氧产物有可能难以完全上浮而成为钢中非金属夹杂。2024/7/25/14:23:5332扩散脱氧又叫间接脱氧。它是将粉状的脱氧剂如C粉﹑Fe-Si粉﹑CaSi粉﹑Al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，从而达到降低钢液中氧含量的一种脱氧方法。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进行脱氧操作就是扩散脱氧。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，故脱氧速度慢，脱氧时间长。但脱氧产物在渣相内形成，不在钢中生成非金属夹杂物。33钢液中[O]向炉渣扩散传递，与加入到炉渣中脱氧元素进行反应：第二步：在渣－钢界面发生脱氧反应。第一步：钢液中[O]向渣－钢界面传递，2024/7/25/14:23:5334是利用降低系统的压力来降低钢液中氧含量的脱氧方法。它只适用于脱氧产物为气体的脱氧反应如[C]-[O]反应。这种脱氧方法常用于炉外精炼中，如RH真空处理﹑VAD﹑VD等精炼方法都可实现钢液的真空脱氧。真空脱氧因脱氧产物为气体，易于排除，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。但需要有专门的真空设备。真空脱氧2024/7/25/14:23:5335元素的脱氧能力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。常用的脱氧元素有Mn﹑Si﹑Al,而Mn﹑Si常以Fe-Mn﹑Fe-Si铁合金的形式作为脱氧剂来使用。

Al的脱氧能力最大，Si的脱氧能力次之，常用于终脱氧和镇静钢脱氧。Mn的脱氧能力最小，常用于预脱氧和沸腾钢脱氧。2024/7/25/14:23:5336脱氧产物的特性Mn的脱氧产物为MnO，属于碱性氧化物，与酸性氧化物如SiO2相遇时，可以结合成复合的氧化物，使MnO的活度降低，从而提高了Mn的脱氧能力。由于Si的脱氧产物为SiO2，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SiO2的活度降低，使Si的脱氧能力增加。Al的脱氧产物Al2O3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，不论是与碱性氧化物还是与酸性氧化物相遇，均可降低Al2O3的活度，从而使Al的脱氧能力提高。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。2024/7/25/14:23:53373.3.9脱气钢中气体（H、N）的来源：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。耐火材料用粘结剂含有8%～9%的氢。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。气体的溶解反应为：

½{H2}=[H]

½{N2}=[N]2024/7/25/14:23:5338降低钢中气体的措施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，采用高纯度的氧气等。尽量降低出钢温度，减小气体在钢中的溶解度。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。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，微气泡脱气等方法对钢水进行脱气处理。采用保护浇注技术，防止钢水从大气中吸收气体。2024/7/25/14:23:53393.3.10去除钢中夹杂物钢中夹杂物的来源钢中存在着硫﹑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﹑钒等形成非金属化合