第三章炼钢生产的理论基础

第三章炼钢生产的理论基础3.1炼钢熔体的结构和性质3.2钢液中元素氧化反应的一般规律3.3硅、锰的氧化反应3.4钢液的脱碳3.5钢液的脱磷3.6钢液的脱硫3.7其它元素的氧化3.8钢液的脱氧和合金化3.9钢中的气体和非金属夹杂物3.10钢液搅拌3.1炼钢熔体的结构和性质一、钢液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]钢液的密度[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。3.1炼钢熔体的结构和性质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]计算钢的熔点经验式：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。3.1炼钢熔体的结构和性质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。影响钢液粘度因素主要是温度和成分。温度升高，粘度降低。钢液中的碳对粘度的影响非常大，这主要是因为碳含量使钢的密度和熔点发生变化，从而引起粘度的变化。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。碳含量对钢液粘度的影响见下图。钢液的粘度温度高于液相线50℃时，碳含量对钢液粘度的影响当[%C]0.15时，粘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，粘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，故钢液的粘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，钢液粘度降低，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粘度增加，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，钢液粘度增加，流动性变差。初期脱氧产物生成，夹杂物含量高，粘度增大，夹杂物不断上浮或形成低熔点夹杂物，粘度又下降。脱氧不良，钢液流动性一般也不好。常用流动性来表示钢液的粘稠状况，粘度的倒数即为流体的流动性。钢液粘度的影响因素四、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。3.1炼钢熔体的结构和性质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。凡能降低表面张力的元素，便会自发地移到溶液表面，使表面浓度大于内部浓度，这时称为正吸附，该元素称为表面活性物质；反之，为表面非活性物质。钢液表面张力的作用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。影响钢液表面张力的因素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。3.1炼钢熔体的结构和性质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。影响钢导热能力的因素导热系数与碳含量的关系温度对钢导热系数的影响3.2钢液中元素氧化反应的一般规律1、元素氧化反应类型2、元素氧化反应的△G0及氧势图3、元素氧化的热力学条件4、炉渣传氧示意图1、元素氧化反应类型)(][][)3][)()(][)2)(2][2)12yxyxyxOMOyMxFeyOMFeOyMxOMyOMyx2、元素氧化反应的△G0及氧势图溶解于钢中的氧O2=2[O]△G0=-RTln([%O]2/PO2(平))氧势RTlnPO2=△G0+2RTln[%O]金属液中氧浓度越大，则熔池的氧势越高。钢液中元素氧化的△G0-T图比较FeO和MO的△G0-T直线的相对位置，可确定氧化的可能性。1）在FeO的△G0-T直线以上的元素，不能氧化；2）在FeO的△G0-T直线以下的元素，均可氧化。3）氧势图上[C]+[O]→CO的△G0-T直线与其它元素的△G0-T直线走向相反，有交点，交点以下温度，C难于氧化。T＜1400℃：Si、V、Mn、C、P、FeT＝1400～1530℃：Si、C、V、Mn、P、FeT＞1530℃：C、Si、V、Mn、P、Fe3、元素氧化的热力学条件MOFeOMOMraKMxLFeMOFeOM][%][)()(][1）温度：元素氧化是放热的，T↑，K↓，LM↓；C例外2）渣氧化能力：aFeO↑，LM↑3）碱度及氧化物性质：rMO↓，LM↑；但rMO和MO的化学性质有关，形成酸性氧化物的元素，在碱性渣中易氧化；形成碱性氧化物的元素，在酸性渣中易氧化。4）多种元素的选择氧化：△G最小的元素先氧化。气1/2O2＋2（Fe2＋）2（Fe3＋）＋（O2－）渣Fe2（Fe2＋）2（Fe3＋）＋（O2－）＋[O]金属[O]＋[C]CO炉渣传氧示意图传氧途径及氧的作用{O2}→2O吸附（直接氧化）{CO}气体（间接氧化）（FeO）[O]{CO}[O]钢液（FeO）炉渣转炉冶炼过程中金属、炉渣成分的变化1、Mn的氧化和还原MnOFeOMnFeOMnOraKMnMnOLrFeOMnrMnOKFeMnOFeOMn][%)(%)(%][%)(%][)()(][降低温度（KMn↑），aFeO↑，rMnO↓可促进Mn的氧化。2、Si的氧化和还原22222222][%)(%][%][2)()(2][SiOFeOSiOSiFeOSiOSiOraKSixLrFeOSirxKFeSiOFeOSi温度降低（K↑），R↑，rSiO2↓，LSi↑碱性渣中，Si氧化彻底。3.3硅、锰的氧化反应1、碳氧化反应和碳氧积COOCCOCOPOCfKfmffOCPKCOOC]][%[%11]][%[%][][PCO=1，m=[%C][%O]称为碳氧积。在一定温度下，m=常数[%C][%O]=mPCO，PCO↓，[%C][%O]↓2、碳氧化反应的热效应1）直接氧化[C]+1/2O2→CO△H0=-139.70kJ放热2）间接氧化[C]+[O]→CO△H0=-22.40kJ放热3.4钢液的脱碳碳的氧化反应3）矿石氧化碳[C]+1/3Fe2O3(S)→CO+2/3Fe△H0=210.79kJ吸热4）渣中（FeO）氧化碳[C]+（FeO）→CO+[Fe]△H0=98.51kJ吸热3、脱碳过程中钢液的氧含量[O%]→[C%]→1）3）2）1）与熔渣层平衡的[%O][%O]=LO·aFeO2）与炉底处CO气泡及[C]平衡的[%O][%O]平=mPCO/[%C]PCO≥P大气+（Hmρm+HSρS）+2σ/r3）熔池实际的[%O][%O]=[%O]平+△[%O]熔体上层到炉底的氧浓度差，也叫过氧化度转炉内碳氧反应速度变化tkdtcd1][2][Kdtcd][][3ckdtcd与[Si]和温度有关与氧气流量有关与碳的传质有关顶吹转炉吹炼终点中碳和氧的关系增碳法拉碳法3.5钢液的脱磷P2O5不稳定，与碱性氧化物形成磷酸盐，固定于渣中。2[P]+8（FeO）→3FeO·P2O5+5[Fe]1、分子理论脱磷反应2[P]+5（FeO）+4（CaO）→（4CaO·P2O5）+5[Fe]在低温下（1400-1500℃才能稳定存在；1500℃；以3CaO·P2O5存在。452][%52CaOFeOOPPaaKPxL1）温度：脱磷反应是放热反应，低温有利于脱磷。2）高碱度：R↑，aCaO↑3）高氧化性4）大渣量终点熔渣碱度与[P]的关系终点熔渣（TFe）和[P]的关系3.5钢液的脱磷R↑FeO%→↑LP2、P和C的氧化关系低温下，P先氧化，随温度的升高，C氧化，（FeO）↓，会使