炼钢的基础理论

第二章炼钢的基础理论第一节钢液的物理性质第二节熔渣的物理化学性质第三节硅、锰的氧化和还原反应第四节碳的氧化反应第五节钢液的脱硫第六节钢液的脱磷第七节钢液的去气、去夹杂第一节钢液的物理性质一、钢的密度单位体积钢液所具有的质量，常用符号ρ表示，单位通常用kg/m3。影响钢液密度的因素主要有温度和钢液的化学成分。总的来讲，温度升高，钢液密度降低，原因在于原子间距增大。固体纯铁密度为7880kg/m3，1550℃时液态的密度为7040kg/m3，钢的变化与纯铁类似。钢液密度随温度的变化：ρ=8523-0.8358(T+273)成分对钢液密度的影响：ρ1600℃=ρ01600℃-210[%C]-164[%Al]-60[%Si]-550[%Cr]-7.5[%Mn]+43[%W]+6[%Ni][C]（%）密度1500℃1550℃1600℃1650℃1700℃0.000.100.200.300.400.600.801.001.201.607.466.987.067.147.146.976.866.786.726.677.046.967.017.067.056.896.786.706.646.577.036.956.977.017.016.846.736.656.616.547.006.896.936.986.976.806.676.596.556.526.936.816.816.826.836.706.576.506.476.43铁碳熔体的密度（kg/m3）二、钢的熔点指钢完全转变成均一液体状态时的温度，或是冷凝时开始析出固体的温度。钢的熔点是确定冶炼和浇铸温度的重要参数，纯铁的熔点约为1538℃，当某元素溶入后，纯铁原子之间的作用力减弱，铁的熔点就降低。降低的程度取决于加入元素的浓度、原子量和凝固时该元素在熔体与析出的固体之间的分配。各元素使纯铁熔点的降低可表示为：Mi为溶质元素i的原子量；[%i]液为元素i在液态铁中的质量百分数；K为分配系数，而K=[%i]固/[%i]液，（1-K）则称为偏析系数。液][%)1(1020iMi计算钢的熔点经验式：T熔=1538-90[%C]-28[%P]-40[%S]-17[%Ti]-6.2[%Si]-2.6[%Cu]-1.7[%Mn]-2.9[%Ni]-5.1[%Al]-1.3[%V]-1.5[%Mo]-1.8[%Cr]-1.7[%Co]-1.0[%W]-1300[%H]-90[%N]-100[%B]-65[%O]-5[%Cl]-14[%As]或T熔=1536-78[%C]-7.6[%Si]-4.9[%Mn]-34[%P]-30[%S]-5.0[%Cu]-3.1[%Ni]-1.3[%Cr]-3.6[%Al]-2.0[%Mo]-2.0[%V]-18[%Ti]三、钢液的黏度黏度是钢液的一个重要性质，它对冶炼温度参数的制定、元素的扩散、非金属夹杂物的上浮和气体的去除以及钢的凝固结晶都有很大影响。黏度是指各种不同速度运动的液体各层之间所产生的内摩擦力。通常将内摩擦系数或黏度系数称为黏度。黏度表示形式动力黏度，用符号µ表示；单位为Pa•s(N•s/m2，1泊=0.1Pa•s)；运动黏度，常用符号ν表示，即：m2/s钢液的黏度比正常熔渣的要小得多，1600℃时其值在0.002～0.003Pa•s;纯铁液1600℃时黏度为0.0005Pa•s。影响钢液黏度因素主要是温度和成分。温度升高，黏度降低。钢液中的碳对黏度的影响非常大，这主要是因为碳含量使钢的密度和熔点发生变化，从而引起黏度的变化。生产实践也表明，同一温度下，高碳钢的流动性比低碳钢钢液的好。因此，一般在冶炼低碳钢中，温度要控制得略高一些。碳含量对钢液黏度的影响见下图。温度高于液相线50℃时，碳含量对钢液黏度的影响当[%C]0.15时，黏度随着碳含量的增加而大幅度下降，主要原因是钢的密度随碳含量的增加而降低；当0.15≤[%C]＜0.40时，黏度随碳含量的增加而增加，原因是此时钢液中同时存在δ-Fe和γ-Fe两种结构，密度是随碳含量的增加而增加，而且钢液中生成的Fe3C体积较大；当[%C]≥0.40时，钢液的结构近似于γ-Fe排列，钢液密度下降，钢的熔点也下降，故钢液的黏度随着碳含量的增加继续下降。Si、Mn、Ni使钢的熔点降低，Si、Mn、Ni含量增加，钢液黏度降低，尤其含量很高时，降低更显著。但Ti、W、V、Mo、Cr含量增加则使钢液的黏度增加，这些元素易生成高熔点、体积大的各种碳化物。钢液中非金属夹杂物含量增加，钢液黏度增加，流动性变差。初期脱氧产物生成，夹杂物含量高，黏度增大，夹杂物不断上浮或形成低熔点夹杂物，黏度又下降。脱氧不良，钢液流动性一般不好。常用流动性来表示钢液的黏稠状况，黏度的倒数即为流体的流动性。四、钢液的表面张力钢液因原子或分子间距非常小，其间的吸引力较强，而且钢液表面层和内部所引起的这种吸引力的变化是不同的。内部每一质点所受到的吸引力的合力等于零，质点保持平衡状态；而表面层质点受内部质点的吸引力大于气体分子对表面层质点的吸引力，这样表面层质点所受的吸引力不等于零，且方向指向钢液内部。这种使钢液表面产生自发缩小倾向的力称为钢液的表面张力，用符号σ表示，单位为N/m。实际上，钢液的表面张力就是指钢液和它的饱和蒸气或空气界面之间的一种力。钢液的表面张力对新相的生成如CO气泡的产生，钢液凝固过程中结晶核心的形成等有影响;对相间反应，如脱氧产物的、夹杂物和气体从钢液中排除，渣钢分离，钢液对耐火材料的侵蚀等也有影响。影响钢液表面张力的因素很多，但主要有温度、钢液成分及钢液的接触物。钢液的表面张力是随着温度的升高而增大，原因之一是温度升高时表面活性物质如C、O等热运动增强，使钢液表面过剩浓度减少或浓度均匀化，从而引起表面张力增大。1550℃时，纯铁液的表面张力约为1.7～1.9N/m。溶质元素对纯铁液表面张力的影响程度取决于它的性质与铁的差别的大小。合金元素对熔铁表面张力的影响硫和氧对铁液表面张力的影响液相线以上50℃，碳对铁碳熔体表面张力的影响五、钢的导热能力钢的导热能力可用导热系数来表示，即当体系内维持单位温度梯度时，在单位时间内流经单位面积的热量。钢的导热系数用符号λ表示，单位为W/（m·℃）。影响钢导热系数的因素主要有钢液的成分、组织、温度、非金属夹杂物含量以及钢中晶粒的细化程度等。通常钢中合金元素越多，钢的导热能力就越低。各种合金元素对钢的导热能力影响的次序为：C、Ni、Cr最大，Al、Si、Mn、W次之，Zr最小。合金钢的导热能力一般比碳钢差，高碳钢的导热能力比低碳钢差。具有珠光体、铁素体和马氏体组织的钢，导热能力加热时都降低，但在临界点AC3以上加热将增加。各种钢的导热系数随温度变化规律不一样，800℃以下碳钢随温度的升高而下降，800℃以上则略有升高。导热系数与碳含量的关系温度对钢导热系数的影响第二节熔渣的物理化学性质炼好钢首先要炼好渣，所有炼钢任务的完成几乎都与熔渣有关。熔渣的结构决定着熔渣的物理化学性质，而熔渣的物理化学性质又影响着炼钢的化学反应平衡及反应速率。因此，在炼钢过程中必须控制和调整好炉内熔渣的物理化学性质。一、熔渣的作用、来源、分类与组成去除铁水和钢水中的磷、硫等有害元素，同时能将铁和其他有用元素的损失控制最低；保护钢液不过度氧化、不吸收有害气体、保温、减少有益元素烧损；防止热量散失，以保证钢的冶炼温度；吸收钢液中上浮的夹杂物及反应产物。熔渣在炼钢过程也有不利作用:侵蚀耐火材料，降低炉衬寿命，特别是低碱度熔渣对炉衬的侵蚀更为严重；熔渣中夹带小颗粒金属及未被还原的金属氧化物，降低了金属的回收率。造好渣是炼钢的重要条件，造出成分合适、温度适当并具有适宜于某种精炼目的的炉渣，发挥其积极作用，抑制其不利作用。熔渣的来源炼钢过程有目的加入的造渣材料，如石灰、石灰石、萤石、硅石、铁矾土及火砖块。钢铁材料中Si、Mn、P、Fe等元素的氧化产物。冶炼过程被侵蚀的炉衬耐火材料。熔渣的分类与组成不同炼钢方法采用不同的渣系进行冶炼，造不同成分的炉渣，可达到不同的冶炼目的。转炉炼钢造碱性氧化渣，而电炉炼钢造碱性还原渣，它们在物理化学性质和冶金反应特点上有明显的差别。碱性氧化渣因碱性氧化物CaO和FeO含量较高，具有脱磷、脱硫能力，碱性还原渣因含有CaC2，不仅具有脱硫能力，而且有脱氧能力。转炉和电炉的炉渣成分和性质类别化学成分转炉中组成%电炉中组成%冶金反应特点酸性氧化渣CaO+FeO+MnOSiO2P2O550501－45050[C],[Si],[Mn]氧化缓慢不能脱P、脱S；钢水中[O]较低碱性氧化渣CaO/SiO2CaOFeOMnOMgO3.0－4.535－557－302－82－122.5－3.540-5010-255-105-10[C],[Si],[Mn]迅速氧化能较好脱P；能脱去50%的S；钢水中[O]较高。碱性还原渣（白渣）CaO/SiO2CaOCaF2Al2O3FeOMgOCaC22.0-3.550-555-82-30.5101脱S能力强；脱氧能力强；钢水易增碳钢水易回磷钢水中[H]增加钢水中[N]增加二、熔渣的化学性质熔渣的碱度熔渣中碱性氧化物浓度总和与酸性氧化物浓度总和之比称之为熔渣碱度，常用符号R表示。熔渣碱度的大小直接对渣钢间的物理化学反应如脱磷、脱硫、去气等产生影响。炉料中w[P]0.30%时0.30%≤w[P]＜0.60%时2SiOCaOwwR)(522OPSiOCaO熔渣R1.0时为酸性渣，由于SiO2含量高，高温下可拉成细丝，称为长渣，冷却后呈黑亮色玻璃状。R1.0为碱性渣，称之短渣。炼钢熔渣R≥3.0。炼钢熔渣中含有不同数量的碱性、中性和酸性氧化物，它们酸、碱性的强弱可排列如下：CaO＞MnO＞FeO＞MgO＞CaF2＞Fe2O3＞Al2O3＞TiO2＞SiO2＞P2O5碱性中性酸性可用过剩碱的概念来表示熔渣的碱度，即碱性氧化物全都是等价地确定出酸性氧化物对碱性氧化物的强度，并假定两者是按比例结合，结合以外的碱性氧化物的量为过剩碱，表示方法如下:过剩碱=NCaO＋NMgO＋NMnO－2NSiO2－3NP2O5－NFe2O3－NAl2O3实际上上式是用O2-的摩尔数来表示熔渣的碱度，碱性氧化物离解产生O2-，酸性氧化物则消耗O2-。如：SiO2与2O2-结合成SiO44-，P2O5与3O2-结合成2PO43-。熔渣的氧化性熔渣的氧化性也称熔渣的氧化能力，它是熔渣的一个重要的化学性质。熔渣的氧化性是指在一定的温度下，单位时间内熔渣向钢液供氧的数量。在其他一定的情况下，熔渣的氧化性决定了脱磷、脱碳以及夹杂物的去除等。由于氧化物分解后不同，只有(FeO)和(Fe2O3)才能向钢中传氧，而(Al2O3)、(SiO2)、(MgO)、(CaO)等不能传氧。熔渣的氧化性通常是用∑(%FeO)表示，包括（FeO）本身和Fe2O3折合成（FeO）两部分。将Fe2O3折合成FeO有两种方法：全氧折合法：全铁折合法：32%35.1%)(%OFeFeOFeO32%90.0%)(%OFeFeOFeO通常按全铁法将Fe2O3折算成FeO，原因是取出的渣样在冷却的过程中，渣样表面的低价铁有一部分被空气氧化成高价铁，即FeO氧化成Fe3O4，因而使分析得出的Fe2O3量偏高，用全铁法折算，可抵消此误差。(*)在1600℃下，由实验测定在纯FeO渣中，金属铁液中溶解的。[%O]饱和与温度间有着下列关系：饱和][%][%OOaFeO23.0][%饱和OTO6320734.2%lg饱和熔渣的氧化性用氧化铁的活度来表示显得更精确。部分氧化铁会以复杂分子形式存在，不能直接参与反应，氧化铁的浓度反映不出实际参加反应的有效浓度。设L0就是氧在渣铁间的平衡分配系数。在一定温度下，熔渣中aFeO升高，铁液中[%O]含量也相应增高;当aFeO一定时，铁液中[%O]也是随着温度升高而提高。][%][%10OaOLFeO饱和734.26320lg0TL式（