炉渣的作用

第一节炼钢炉渣一、炉渣的来源、组成和作用1．炉渣的来源炉渣又叫熔渣，是炼钢过程中产生的。炉渣的主要来源有：1)由造渣材料或炉料带入的物质。如加入石灰、白云石、萤石等，金属材料中的泥沙或铁锈，也将使炉渣中含有（FeO）、（SiO2）等。这是炉渣的主要来源。2)元素的氧化产物。含铁原料中的部分元素如Si、Mn、P、Fe等氧化后生成的氧化物，如Si02、Mn0、Fe0、P205等。3)炉衬的侵蚀和剥落材料。由于高温、化学侵蚀、机械冲刷等方面原因使炉衬剥落，则耐火材料进入渣中。4）合金元素脱氧产物及炉渣脱硫产物。如用Al脱氧化生成的（Al2O3），用Si脱氧生成的（SiO2），以及脱硫产物（CaS）等。2．炉渣的组成化学分析表明，炼钢炉渣的主要成分是：Ca0、Si02、Fe203、Fe0、Mg0、P205、Mn0、CaS等，这些物质在炉渣中能以多种形式存在，除了上面所说的简单分子化合物以外，还能形成复杂的复合化合物，如2Fe0·Si02、2Ca0·Si02、4Ca0·P205等。3．炉渣的作用炼钢过程中熔渣的主要作用可归纳成如下几点：1)通过调整炉渣的成分、性质和数量，来控制钢液中各元素的氧化还原反应过程，如脱碳、脱磷、脱氧、脱硫等；2)吸收金属液中的非金属夹杂物；3)覆盖在钢液上面，可减少热损失，防止钢液吸收气体；4)能吸收铁的蒸发物，能吸收转炉氧流下的反射铁粒，可稳定电弧炉的电弧；5)冲刷和侵蚀炉衬，好的炉渣能减轻这种不良影响，延长炉衬寿命。由此可以看出：造好渣是实现炼钢生产优质、高产、低消耗的重要保证。因此实际生产中常讲：炼钢就是炼渣。二、炉渣的化学性质和物理性质熔渣的化学性质主要是指熔渣的碱度、氧化性和还原性。熔渣的物理性质主要是指炉渣的熔点和黏度。为了准确描述反应物和产物所处的环境，规定用“[]”表示其中的物质在金属液中，“()”表示在渣液中，“{}”表示在气相中。1．炉渣的化学性质(1)熔渣的碱度炉渣中常见的氧化物有酸、碱性之分，其分类如下：碱度是指炉渣中碱性氧化物与酸性氧化物浓度的比值，用“R”来表示。碱度是判断熔渣碱性强弱的指标。去磷、去硫以及防止金属液吸收气体等都和熔渣的碱度有关，因此碱度是影响渣、钢反应的重要因素。由于熔渣中Ca0和Si02的数量最多，约为渣量的60％以上，所以在熔渣含磷不高时，常以Ca0与Si02浓度之比表示熔渣的碱度，即：R若炉渣中含磷量较高，也可以表示为：R根据碱度高低，熔渣可分为三类：1)R1酸性渣2)R=1中性渣R1．5低碱度渣3)R1碱性渣R=1．8～2．2中碱度渣R2．5高碱度渣(2)熔渣的氧化性炉渣的氧化性是指熔渣所具备的氧化能力的大小。它对炼钢过程中的成渣速度、去磷、去硫、喷溅、金属收得率和终点钢水含氧量等均有重大影响。根据炉渣的分子理论，Fe0能同时存在于渣—钢之中，并在渣—钢之间建立一种平衡(FeO)/[FeO]，所以一般认为渣中的氧是通过Fe0传递到钢液中的。因而熔渣中的FeO含量便可代表熔渣所具备的氧化能力的大小，即熔渣的氧化性通常用渣中氧化亚铁总量乏(Fe0)表示。渣中氧化铁含量即渣的氧化性，它对熔渣的反应能力及物理性能有重要的影响。转炉熔渣Fe0过低，造渣困难，炉渣的反应能力低。熔渣Fe0过高，又会造成喷溅，增加金属损失及炉衬侵蚀。因此，渣中氧化铁的含量应适当，在转炉冶炼过程中，一般控制在10％～20％为好。(3)熔渣的还原性熔渣的还原性和氧化性是炉渣的同一种化学性质的两种不同说法。在碱性电弧炉还原期操作中，要求炉渣具有高碱度、低氧化性、流动性好的特点，以达到钢液脱氧、去硫和减少合金元素烧损的目的。所以应降低渣中的Fe0，提高渣的还原性。电弧炉还原期出钢时，一般要求渣中的Fe0质量分数应小于0．5％，以满足出钢时对渣还原性的要求。2．熔渣的物理性质(1)熔渣的黏度黏度是表示熔渣内部各部分质点间移动时的内摩擦力的大小。黏度的单位是泊(P)，1P=0．1Pa·S(帕·秒)。黏度与流动性正好相反，黏度低则流动性好。冶炼时，若熔渣的黏度过大，则物质在钢液及熔渣之间的传递缓慢，不利于炼钢反应的迅速进行；但若黏度过小，又会加剧炉衬的侵蚀。所以在炼钢时，希望获得适当黏度的炉渣。影响熔渣黏度的主要因素是熔渣成分和温度。凡是能降低炉渣熔点的成分均可以改善熔渣的流动性，降低渣的黏度；熔池温度越高，渣的黏度越小，流动性越好。实际操作中，黏度的调节主要是靠控制渣中的Fe0、碱度和加入萤石等来实现的。(2)熔渣的熔点熔渣是多元组成物，成分复杂，当它由固相转变成液相时，是逐渐进行的，不存在明显的熔点，其熔化过程有一个温度范围。通常熔渣的熔点是指炉渣完全转变成均匀液体状态时的温度。不同的氧化物和复合氧化物的熔点是不同的，炉渣中各种氧化物的熔点见表8—1。表8—1炉渣中各种氧化物的熔点炉渣中最常见的氧化物大部分都有很高的熔点。炼钢温度下，这些氧化物很难熔化。但实际上，它们相互作用生成了各种复杂化合物，这些化合物的熔点低于原氧化物的熔点，从而降低了熔渣的熔点。降低炉渣熔点的主要措施是：加入一定的助熔剂，如矿石(Fe203)、萤石(CaF2)等，以便形成低熔点的多元系化合物。第二节铁、硅、锰的氧化在炼钢过程中，氧供入金属熔池后，元素随即开始氧化。无论是氧气顶吹转炉或是其它炼钢方法，元素的氧化速度可以不同，但都是按一定的次序进行的。一般地讲，硅、锰最先被大量氧化，而碳随后被迅速氧化，磷的氧化基本上可与碳同时进行。元素氧化具有不同次序的原因，是由于各元素与氧的亲和力不同，与氧亲和力强的元素可以夺取更多的氧，首先开始大量氧化；反之，与氧亲和力弱的元素则夺得较小的氧，它的氧化就慢些。1、当温度T＜1400℃时，元素的氧化顺序是：SiMnCPFe2、当1400℃＜T＜1530℃时元素的氧化顺序是：SiCMnPFe3、当T＞1530℃时，元素的氧化顺序是：CSiMnPFe铁和氧的亲和力小于Si、Mn、P与氧的亲和力，但由于金属液中铁的浓度最大，质量分数为90％以上，所以铁最先被氧化，生成大量的Fe0，并通过Fe0使其与氧亲和力大的Si、Mn、P等被迅速氧化。在转炉中，Si、Mn、P、Fe在冶炼初期的大量氧化，使熔池温度迅速上升，为碳的迅速氧化提供了有利条件；同时也对炉渣的碱度和流动性等产生了较大的影响。一、铁的氧化铁的氧化反应是一个极其重要的氧化反应，它是其他元素进行氧化反应的基础。向金属液供氧的方式有两种：一是直接供氧，即吹入氧气；二是间接供氧，且加入矿石。因此铁的氧化方式也有两种：直接氧化和间接氧化。直接氧化是指钢液中的元素直接和氧分子进行接触，而被氧化的反应，如：间接氧化反应是指金属液中的元素直接和氧原子或Fe0接触而被氧化的反应，如：[Fe]+[O]=[FeO](放热)铁被氧化后，其反应产物Fe0一部分进入炉渣，一部分继续存留在金属液中，并在金属液—熔渣之间建立动态平衡，它应服从分配定律，即在一定温度下，为一常数，称为氧在炉渣和金属液中的分配系数。二、硅的氧化1．硅的氧化反应式在碱性炼钢法中，Si的氧化对成渣过程、炉衬的侵蚀等都有重要的影响。理论上Si的氧化反应也有直接氧化和间接氧化之分，但实际上，金属液中的Si、Mn元素很难直接与气态氧反应，所以金属液中Si、Mn、P元素的氧化均以间接氧化反应为主。硅的间接氧化反应式如下：Si的氧化产物只溶于渣，不溶于钢液。2．Si氧化反应的主要特点Si氧化反应的主要特点如下：1)由于Si与氧的亲和力很强，所以在冶炼初期，金属液中的Si便已基本氧化完毕。例如：转炉吹氧3min后，Si基本上全被氧化。同时，由于Si的氧化产物Si02，在炉渣中完全被碱性氧化物如Ca0等结合，无法被还原出来，因此硅的氧化是十分完全彻底的，最后只有微量的硅残留在钢液中。2)Si氧化反应是一个强烈的放热反应，低温有利于Si氧化反应的迅速进行。Si是转炉吹炼过程中重要的发热元素。目前在转炉生产中，为了减少渣量，降低热损失，并提高金属收得率，已在广泛推广使用低Si铁水(叫[Si]0．3％)，由降低铁水[Si]所失去的部分化学热，正在靠其他方法来解决，如提高铁水温度等。三、锰的氧化1．Mn的间接氧化反应式[Mn]+(FeO)=(MnO)+(Fe)放热[Mn]+[FeO]=(MnO)+[Fe]放热Mn的氧化产物只溶于渣，不溶于钢液。2．Mn氧化的特点Mn氧化有以下特点：1)Mn的氧化反应是放热反应，低温有利于Mn的氧化，故Mn的氧化主要在冶炼前期进行。2)由于氧化产物Mn0是碱性氧化物，故碱性渣中不利于Mn的氧化。因此Mn不可能向Si那样完全被氧化。3)当熔池温度升高后，Mn的氧化反应会逆向进行，发生Mn的还原，即产生“回锰”现象，使钢液中的“余锰”增加。第二节碳的氧化碳的氧化反应是贯穿整个炼钢过程的一个最重要的反应，它是完成诸多炼钢任务的一个重要手段。一、碳的氧化反应1.氧气流股与金属液间的C—O反应该反应放出大量的热，是转炉炼钢的重要热源。在转炉炼钢的氧流冲击区及电炉、平炉炼钢采用氧管插入钢液吹氧脱碳时，氧气流股直接作用于钢液，均会发生此类反应。脱碳示意图分别如图8—1和图8—2所示。流股中的气体氧{02}与钢液中的碳原子[C]直接接触，反应生成气体产物一氧化碳{CO}，脱碳速度受供氧强度的直接影响，供氧强度越大，脱碳速度越快。图8—1熔池吹氧示意图(吹氧脱碳操作)图8—2氧气顶吹转炉氧射流与熔池相互作用示意图2．金属熔池内部的C—O反应[C]+[FeO]={CO}+[Fe]+7600J该反应为弱放热反应，温度降低有利于反应的进行。在转炉和电炉炼钢吹氧脱碳时，气体氧{02}会使金属熔池内铁原子[Fe]大量氧化成[FeO]，金属液中的[C]与[FeO]接触反应，从而起到间接脱碳的作用。3．金属液与渣液界面的C—O反应在转炉泡沫渣和采用矿石脱碳的电炉渣内均含有大量的(Fe0)，渣中的(FeO)通过渣—钢接触界面向钢液中扩散，然后与钢液中的碳原子反应生成一氧化碳气体。反应式如下：[C]+(FeO)={CO}+[Fe]-75100J所谓泡沫渣是转炉炼钢吹氧脱碳时钢液—熔渣—炉气三相物质混合乳化而形成的乳浊液。在泡沫渣中，钢液被粉碎成很细小的小液滴，使钢—渣的接触界面积大大增加，这是泡沫渣中脱碳速度很快的原因。电炉采用矿石脱碳的基本条件是：1)Fe0要多，以满足氧化性要求。即必须保证一定的矿石加入量；2)熔池温度要高，因为矿石熔化及(FeO)进入钢液中是强吸热反应；3)炉渣流动性要好，以满足扩散要求；4)炉底要经常维护，以便于C0气泡在粗糙的炉底和炉壁处形成。二、碳氧反应在炼钢过程中的作用把钢液中的碳含量氧化降低到所炼钢号的规格内。这是炼钢的任务之一。碳氧反应时产生大量的C0气泡，这些气泡从钢液中排出时，对熔池有一种强烈的搅拌作用，它均匀了钢液的成分和温度，改善了各种化学反应的动力学条件，有利于炼钢中各种化学反应的进行。碳氧反应产物C0气泡，对于钢液中的N、H相当于一个小真空室，钢液中的气体很容易扩散到这些上浮的C0气泡中，并随之排除到大气之中，所以脱碳反应是去除钢中气体所必需的手段之一。非金属夹杂物上浮的速度主要取决于非金属夹杂物的大小。碳氧反应对熔池的搅拌作用促进了非金属夹杂物的碰撞长大，从而显著地提高了上浮速度。另外，C0气泡表面也可粘附一部分非金属夹杂物使其上浮入渣。所以，碳氧反应是去除钢中夹杂物所必需的手段之一。碳的氧化反应放出大量的热，是氧气转炉炼钢的重要热源。同时，由于C0气泡的大量产生，使转炉内产生大量的泡沫渣，增加了钢—渣接触面积，有助于反应速度的提高。第四节脱磷一、磷对钢性能的影响磷在钢中以磷化铁的形式存在，一般用[P]表示。它对钢性能的具体影响是：1)能恶化钢的焊接性能；2)降低钢的塑性和韧性，使钢产生冷脆性，即在低温条件下钢的冲击韧性明显降低；3)能提高易切削钢的切削性能；4)能改善钢液的流动性，提高钢液的铸造性能；5)能提高合金钢耐大气和海水的腐蚀能力；6)能提高电工用硅钢的导磁率。对绝大多数钢种而言，[P]是一种有害元素。二、脱磷反应的基本条件和方法将钢中的