钢铁冶金原理01-(6)

1第七章氧化熔炼反应氧化熔炼反应的物理化学原理前言锰、硅、铬、钒、铌、钨的氧化反应脱碳反应脱硫反应脱磷反应脱氧反应1234506吸气及脱气反应72前言铁水炼钢过程的任务：●降碳：使碳降低到钢种所需的碳量，但碳氧化之前，硅锰都大量氧化。●脱S、P：高炉炉料中P全部进入铁水中，S部分进入。●脱氧：以免造成浇注时二次沸腾及钢锭疏松、皮下气泡等缺陷。●脱气：[H]、[N]●合金化：加入合金元素。●去除夹杂：去除各类氧化物。●去除有害元素：Cu、Cd、As、Sb、Bi。031.1元素氧化的类型●[M]被吹入金属液中气态氧直接氧化。●[M]在钢渣界面被(FeO)氧化。●[M]被溶解于金属液的[O]所氧化。yxOMyOMyx2][22FeFeMOFeOMl或)()()(][)(][][MOOMCOOC][][1氧化熔炼反应的物理化学原理41.2熔池中元素氧化的ΔGO－T图1.2.1ΔGO－T图的作法)(2][2][2MOOMG由以下反应组合：ssMOOM2221G][22MMs2GlsMM熔G][MMlMGMGGG熔22][22OOOGG23321GGGG51.2.2ΔGO－T图的应用●比较铁液中元素在标准状态下氧化的顺序。●以2[Fe]+2[O]=2FeO(l)的ΔGO－T为分界线，可将铁液中元素的氧化分为两类：aΔGO－T线之上的元素在炼钢过程中不会氧化bΔGO－T线之下的元素在炼钢过程中全部或大部分氧化●炼钢过程中，合金元素加入的时间及有害元素去除的办法：a．在炼钢过程中不被氧化的有害元素，应在选择时加以剔除，如Pb、Sn、Cu。b．在炼钢过程中不被氧化的、是炼钢过程所需的元素，可在入炉原料中加入，如W、Mo、Ni。c．Cr、Mn、Nb、V等在电炉中部分氧化，还原期加入。d．Si、Ti、Al等基本上能完全氧化，脱氧时引入，出钢时加。61.2.3铁熔体中氧的氧势][22OOOG22OOPaK2lnln2OOOaRTGPRTsMOOM2][2][2MG)1ln(ln22OMMaaRTKRTG22lnlnMMOaRTGaRT2lnln2MMOOaRTGGPRT71.3熔体中元素氧化的热力学条件－由等温方程判断][)()(][FeMOFeOMFeOMFeMOaaaaRTGGlnMoFeOMOMaKMxL%8例题：(P193)元素氧化的热力学条件及影响因素：●温度MLKTH，，，0大多数元素的氧化程度均减少，但碳是例外。●熔渣组成：a碱性渣的氧化性大于酸性渣的氧化性。MFeOLa，b熔渣碱度及元素氧化物的性质。形成碱性氧化物的元素在酸性渣下易氧化。●多中元素同时存在时，出现了选择性氧化。ΔG最小的元素最先氧化。92.1MnMnfxxaaaKMnFeOFeOMnOMnOMnFeOMnO%FeOMnOxxFeOMnO%%MnFeOMnOKFeOMnO%%%主要在钢渣界面上反应：][][)(OFeFeO)(][][MnOOMn———————][)()(][FeMnOFeOMn锰硅铬钒铌钨的氧化反应210FeOKMnMnOLMnOFeOMn%%%影响LMn的因素：●温度][%0MnKTH，，，炼钢后期温度高，碳强烈氧化，(FeO)降低，出现回锰现象。●熔渣组成aFeO-MnO二元渣系，理想氧化物熔体。1FeOMnOb酸性渣中41FeOMnOc实际的碱性渣,R21FeOMnO112.2SiSifxxaaaKSiFeOFeOSiOSiOSiFeOSiO%222222SixaKLSiOFeOSiOSi%1222主要在钢渣界面上反应：———————][2)()(2][2FeSiOFeOSi][2][2)(2OFeFeO)(][2][2SiOOSi12影响LSi的因素：●温度][%0SiKTH，，，强放热反应,出现回硅现象。●熔渣组成痕迹，回硅不明显。大，小，碱性渣中，][%2SiLSiSiO，回硅明显。小，大，酸性渣中，2.0~1.0][%2SiLSiSiO平，，][%SiLaSiFeOSixaKLSiOFeOSiOSi%1222132.3Cr铬氧化形成氧化铬的组成与铬含量有关。14用控制温度及体系压力的方法，控制金属熔体中元素的氧化，达到保留某些元素或者氧化富集某些元素的目的，这种方法称为选择性氧化。2.3.1炼钢熔池中元素的选择性氧化选择性氧化的定义注意点：●目的：保留、富集●方法：控制温度、压力★152.3.2以去碳保铬分析选择性氧化的温度条件●标准状态下选择性氧化转换(化)温度的计算4321][2][23OCrOCr1GCOOC2][2][22G————————————COCrCOCr2][23][22143123GGG共轭反应转下的转换温度对应的温度为标准状态TG0316已知条件：atmPCO110][%CrCOCrCOCr2][23][221433G0ln22/333CCraaRTGG143OCra●非标准态下选择性氧化的转换温度的计算————————————20.1][%10][%1TTCCratmPCO转，，，35.0][%10][%1TTCCratmPCO转，，，41.0][%10][%1TTCCratmPCO转，，，不被氧化。，可以保证冶炼过程中，始终保证转炉CrTT★计算要点：金属熔池中元素活度的计算][%lgjefjii17●转换(化)温度与反应各物质的化学计量数无关COCrCOCr4][3][443342GG不变。解出的由转TG04●转换(化)温度与钢液元素氧化的方式无关例：吹氧元素的氧化反应是吹氧进行，共轭反应不变，转换温度不变。但是，元素氧化反应的热效应不一样，反应速度不同。●选择性氧化转换(化)温度T转的注意事项43221][23OCrOCr1GCOOC2][222G————————COCrCOCr2][23][22143123GGG18●当形成的氧化物溶解于熔渣时，需要计算熔渣中氧化物的活度。COCrCOCr2][23][2)(21435G0ln22/1)(2/35543COCrCraaaRTGG计算要点：▲反应的标准吉布斯自由能计算▲金属熔池中元素活度的计算▲熔渣中组元活度的计算192.3.3选择性氧化的压力条件的计算COCrCOCr2][23][2)(2143G0ln22/1)(22/343COCrCOCraaPaRTGG温度T一定时(通常是冶炼所能达到的温度条件)，可以计算出所需要的压力条件，即CO的分压：PCO计算要点：▲反应的标准吉布斯自由能计算▲金属熔池中元素活度的计算▲熔渣中组元活度的计算202.3.4选择性氧化在冶金中的应用●去碳保铬（Cr）●去碳保锰(Mn)●去钒（V）保碳（铁水提钒）●去(Nb)保碳2.4V2.5Nb21脱碳反应3.1碳氧化反应对炼钢的作用●熔池传热，均匀成分。强烈的搅拌作用，促进热量及物质传递。●去除[H]、[N]有害气体，去除夹杂。●扩大渣金反应面积。3.2碳氧化的反应及碳氧积3.2.1碳氧化反应分类COOC2][22COFeFeOC][)(][COOC][][3223.2.2碳氧积COOC][][TG63.3922363TTK07.21168lgOCCOffOCPK1]][%[%OCCOfKfPOC]][%[%atmPCO1]][%[%OCmC16000025.0m1OCff233.3碳氧化的热效应●氧气直接氧化碳●溶解氧间接氧化碳●冷矿石氧化碳●熔渣中的(FeO)氧化碳COOC221][KJH70.139COOC][][KJH40.22][3231][32FeCOOFeCKJH79.210COFeFeOC][)(][KJH51.98243.4脱氧过程中钢液的含氧量●与熔渣层平衡的[%O]●与炉底处CO气泡及[C]平衡的[%O]●熔池实际的[%O]][][)(OFeFeOFeOOaLO][%FeOaTOlg734.26320]lg[%COOC][][0025.0~002.0]][%[%mOC][%][%][%OOO平金属熔池的过氧化度][%O25脱磷反应4.1脱磷的原理4.1.1磷在钢中的危害危害：冷脆。铁中含磷量要求：低磷生铁：P0.3%中磷生铁：P0.3~1.0%高磷生铁：P1.0~2.0%钢中最大允许的磷量是0.02~0.05%某些特殊钢要求：0.008~0.0015%4.1.2脱磷原理P2O5的ΔG－T线在FeO之上。P2O5能与渣中其他氧化物生成复杂化合物而稳定存在。去磷、、生成525252343OPFeOOPCaOOPCaO4264.2分子假说的脱磷反应][5][5)(5FeOFeO)(][5][252OPOP)4()(4)(5252OPCaOCaOOP———————————●温度影响因素：KT，强放热反应，中温（1400～1500℃）脱磷。●熔渣组成碱度：FeO：PLR，高FeO有助于石灰的熔化。][5)4()(4)(5][252FeOPCaOCaOFeOP274.3离子理论的脱磷反应ePOOP10)(2)(8][2342][510)(52FeeFe][5)(2)(8)(5][23422FePOOFeP3422223445.245.2'][%POOFeOFePOPxxKPxL———————————影响因素：●温度PLKT，，●熔渣组成碱度：FeO：PPOLCaOCaO，，，，3422PLOFeFeO，，，22284.4炼钢过程中磷与碳氧化的关系●平炉、电炉前期，利用加铁矿石，造FeO高的渣，以3FeO.P2O5形式脱磷达90%。●氧气顶吹转炉，前期形成高FeO高R渣，磷大部分脱去，后期FeO降低，炉渣返干，温度升高，出现回磷现象。294.5.3尚未推广的原因●操作上较麻烦。处理前、处理后、氧化吹炼后需出渣。●需很低的氧势或很高的真空度，生成中难以达到。●存在有害反应CaOPHOHPCa32332234.5还原脱磷4.5.1原理llPCaPCa2331][324.5.2共轭反应][61441893152223POPCaOOPCa30脱硫反应5.1炉渣脱硫5.1.1硫在钢中的危害结晶时生成FeS，在晶界析出，产生热脆。5.1.2脱硫反应及条件][)()(][FeOCaSCaOFeS][)()(][22OSOSSSOOSSfOxKSSL222][%][%)(%531SSOOSSfOxKSSL222][%][%)(%影响因素：●温度KT，●熔渣组成高温下可造高碱度，流动性好的渣。碱度：FeO：SLR,促进CaO溶解●金属熔体组成SSjSLfe,,0SSjSLfe,,032脱氧反应7.1脱氧的目的使[O]实降低到[O