钢铁冶金学(炼钢部分)

1钢铁冶金（炼钢部分）参考教材：《炼钢学原理》,曲英,冶金工业出版社《钢铁冶金学》(炼钢部分)，陈家祥，冶金工业出版社《钢铁冶炼》，万谷志郎，冶金工业出版社2第一章、炼钢的基本任务一、钢与生铁的区别C2.11%的Fe-C合金为钢；C1.2%的钢很少实用；还含Si、Mn等合金元素及杂质。3元素生铁或铸铁钢C2.5％～4.5％0.002％～1.2％Si0.3％～4.0％0.01％～3.0％Mn0.4％～2.0％0.3％～2.0％P0.015％～0.5％0.01％～0.05％S0.01％～0.1％0.0005％～0.04％1)脱碳；2)脱磷；3)脱硫。炼钢任务：4伴随脱碳反应，钢的熔点提高。炼钢任务：4)升温1200℃1700℃5伴随脱碳反应，钢液[O]含量增加。C(石墨)+1/2O2=COG＝－116204－83.62T[1]C(石墨)=[C]G＝21318－41.8T[2]1/2O2=[O]G＝－117040－2.88T[2][C]+[O]=COG＝－20482－38.94T[1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley1963600.10.20.30.40.50.600.20.40.60.81[C]，wt%[O]，wt%1650℃炼钢任务：5)脱氧0.3%0.0003%7炼钢任务：6)合金化伴随脱碳反应，钢液[Si]和部分[Mn]被氧化。8C：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。9炼钢任务：7)去除[N]、[H]等气体杂质元素陈家祥，炼钢常用图表数据手册，冶金工业出版社，198410炼钢任务：8)去除非金属夹杂物11氧化物系非金属夹杂物脱氧产物二次氧化生成物外来性夹杂物渣卷入耐火材料融损及卷入炉渣造成的氧化空气造成的氧化炉衬造成的氧化钢水包衬中间包衬炉渣中间包覆盖渣结晶器保护渣钢中非金属夹杂物来源12炼钢任务：9)凝固成型13炼钢的基本任务：1、脱碳；2、脱磷；3、脱硫；4、脱氧；5、脱氮、氢等；6、去除非金属夹杂物；7、合金化；8、升温；9、凝固成型。14主要炼钢工艺：铁水预处理；转炉或电弧炉炼钢；炉外精炼（二次精炼）；连铸。1516铁水预处理脱硫预处理；三脱(脱硅、脱磷、脱硫)预处理。铁水脱硫预处理：[S]＋{Mg}＝(MgS)脱硫剂：CaC2,CaO、Mg等脱硫率：40-80％[S]可脱除到90～30ppm。KR法脱硫喷粉脱硫[S]＋(CaO)＋[C]＝(CaS)＋CO17三脱(脱硅、脱磷、脱硫)预处理18脱硅反应：[Si]＋2/3Fe2O3＝(SiO2)＋4/3Fe2[P]＋3(CaO)＋5/3Fe2O3＝(3CaOP2O5)＋5/3Fe脱磷反应：19氧气转炉炼钢20主原料：铁水、废钢辅助原料：石灰、萤石、铁矿石等吨位：25～300t顶吹O2：3～3.5m3/min.t吹炼时间：15～25min炉龄：2000～20000次21铁水温度：1200～1300℃钢水温度：1640～1720℃主要化学反应：[C]＋1/2O2＝CO[C]＋O2＝CO2[Si]＋O2＝(SiO2)[Mn]＋1/2O2＝(MnO)2[P]＋5/2O2＋3(CaO)＝(3CaOP2O5)Fe＋1/2O2＝(FeO)[S]＋(CaO)＝(CaS)＋[O]不需外供热源2223电弧炉炼钢24主原料：废钢、DRI、HBI辅助原料：石灰、萤石、铁矿石等吨位：25～150t功率：500～1500kVA/t冶炼时间：45min～1.5h供热：电弧加热类型：交流、直流25主要化学反应：[C]＋1/2O2＝CO[C]＋O2＝CO2[Si]＋O2＝(SiO2)[Mn]＋1/2O2＝(MnO)2[P]＋5/2O2＋3(CaO)＝(3CaOP2O5)Fe＋1/2O2＝(FeO)[S]＋(CaO)＝(CaS)＋[O]26炼钢工序功能的演变1)脱碳；2)升温；3)脱磷；4)脱硫；4)脱氧、氮、氢等；5)合金化。基本任务}}炉外精炼{27炉外精炼28第二章、炼钢的基本反应第一节、铁的氧化和熔池传氧方式1、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。29作用区温度2200～2700℃；光亮较强的中心(区域I)；光亮较弱的外围(区域II)。氧流穿入熔池某一深度并构成火焰状作用区(火点区)30氧气炼钢中还存在乳化和泡沫现象在氧流强冲击和熔池沸腾作用下，部分金属微小液滴弥散在熔渣中；乳化的程度与熔渣粘度、表面张力等性质有关；乳化可以极大地增加渣－铁间接触面积，因而可以加快渣－铁间反应。乳化造成的渣－铁间接触面积可达0.6～1.5m2/kg。31熔池在氧流作用下形成的强烈运动和高度弥散的气体－熔渣－金属乳化相，是吹氧炼钢的特点。1－氧枪2－乳化相3－CO气泡4－金属熔池5－火点6－金属液滴7－作用区释放出的CO气泡8－溅出的金属液滴9－烟尘322、铁的氧化和还原向熔池吹氧时第二步，吸附的氧溶解于铁液中：t[Fe]＋[O]＝FetO第一步，气体氧分子分解并吸附在铁的表面：1/2{O2}＝[O]吸附由于氧势高，Fe与[O]反应，生成铁氧化物。[O]吸附＝[O]33炼钢条件下铁氧化物稳定性比较Fe＋[O]＝FeOG＝－112442＋46.56T[1,2]2/3Fe+[O]=1/3Fe2O3G＝－152988＋87.94T[1,2]3/4Fe+[O]=Fe3O4G＝－177232＋92.96T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley196334Fe3O4可以看作为FeOFe2O3；FeO最稳定；Fe2O3/FeO平均为0.8。35炉渣的氧化作用炉渣中FeO与氧化性气氛接触，被氧化成高价氧化物Fe2O3；渣－铁界面，高价Fe2O3被还原成低价FeO；气相中的氧因此被传递给金属熔池。36当传氧过程达到平衡时，铁液中[O]达到饱和，[O]饱和含量由炉渣的氧化性所确定。2.431T5870[O]alogFeOFe＋[O]＝FeOG＝－112442＋46.56T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley1963371650℃下钢液中最高[O]含量0.62132.431T5870log[%O]饱和aFeO＝1，＝0.239%[%O]饱和温度1500℃1550℃1600℃1700℃[%O]饱和0.13%0.16%0.20%0.29%2.431T5870[O]alogFeO38杂质的氧化方式－直接氧化和间接氧化间接氧化：气体氧直接同铁液中的杂质进行反应。直接氧化：气体氧优先同铁发生反应，待生成FetO以后再同其它杂质进行反应。39直接氧化在氧流－金属表面处进行：氧流同熔池作用区的表面；悬浮于作用区的金属液滴的表面；作用区周围的氧气泡的表面上；凡是氧气能直接同金属液接触的表面。{O2}＋2[Fe]＝2(FeO){O2}＋2[Mn]＝2(MnO){O2}＋[Si]＝(SiO2)5{O2}＋4[P]＝2(P2O5){O2}＋2[C]＝2{CO}{O2}＋[C]＝{CO2}40间接氧化方式－在氧气泡直接同铁液接触的表面上，氧首先同铁结合，然后FeO扩散到熔池内部并溶于金属液中。(FeO)＝[O]＋[Fe]C、Si、Mn、P等同[O]反应[O]＋[Mn]＝(MnO)2[O]＋[Si]＝(SiO2)5[O]＋2[P]＝(P2O5)[O]＋[C]＝{CO}2[O]＋[C]＝{CO2}41(FeO)＋[Mn]＝(MnO)＋(Fe)2(FeO)＋[Si]＝(SiO2)＋2(Fe)5(FeO)＋2[P]＝(P2O5)＋5(Fe)(FeO)＋[C]＝{CO}＋(Fe)2(FeO)＋[C]＝{CO2}＋2(Fe)也可以表示为：42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。43第二节、脱碳反应铁液中碳的饱和溶解度：[%C]＝1.30＋2.57×10-3×(T－273)Si、P、S降低碳的溶解度；Mn、V、Cr增加碳溶解度；碳增加钢材强度、硬度；碳降低钢材焊接、耐腐蚀、冷加工性能。44脱碳反应是贯穿于炼钢过程始终的一个主要反应。反应热升温钢水；影响生产率；影响炉渣氧化性；影响钢中[O]含量。45脱碳反应的产物－CO在炼钢过程中也具有多方面的作用。从熔池排出CO气体产生沸腾现象，使熔池受到激烈地搅动，起到均匀熔池成分和温度的作用；大量的CO气体通过渣层是产生泡沫渣和气一渣一金属三相乳化的重要原因；上浮的CO气体有利于清除钢中气体和夹杂物；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。46一、脱碳反应的热力学条件{O2}＋2[C]＝2{CO}{O2}＋[C]＝{CO2}G＝－416328＋41.8T[1,2]直接氧化：G＝－275044－83.64T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley196347间接氧化：2[O]＋2[C]＝2{CO}2[O]＋[C]＝{CO2}G＝－182248＋47.56T[1,2]G＝－40964－77.88T[1,2][1]ReedThomas,FreeEnergyofFormationofBinaryCompounds,MITPress,1971[2]J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley196348[C]的氧化产物绝大多数是CO而不是CO2。[C]含量高时，CO2也是脱碳反应的氧化剂:[C]＋{CO2}＝2{CO}49与Fe-O-C熔体平衡气相中CO2，％PCO+CO2＝1atm温度[%C]1500℃1550℃1600℃1650℃1700℃0.0120.116.713.811.59.50.055.64.33.32.72.10.102.82.21.71.31.10.50.440.340.260.210.161.000.160.120.0340.070.06[C]含量愈高，CO愈稳定；温度愈高，CO愈稳定。50[C][O]乘积：[C]+[O]={CO}G＝－20482－38.94T[1,2]036.21070][][loglogTOCPKCO取PCO＝1atm,036.2107010][][