第7章煉鋼的基本原理煉鋼任務(wù)四脫，二去除，合金化和升溫。澆注§8.1煉鋼的基本任務(wù)（包括冶煉和澆注兩個環(huán)節(jié)）脫C：通過氧化脫除原料中多余的炭脫P、S：通過造渣把有害元素P、S去除到鋼料允許的限度以下。升溫：依靠鐵水物理熱和化學(xué)熱源或外加熱源不斷將鋼液溫度調(diào)整到合適范圍。脫氧和合金化：加入脫氧劑和合金元素，脫除鋼中多余的氧和調(diào)整金屬成分。鋼中氣體和非金屬雜質(zhì)（H2、N2、氧化物、硫化物、磷化物、氮化物）

煉鋼是在高溫下有多相參與的復(fù)雜的物理化學(xué)過程，以氧化為主，爐內(nèi)主要物相金屬、爐渣、爐氣。物理變化（熔化、溶解、氣化、凝固、傳熱、流體傳輸）化學(xué)變化（氧化、還原、分解）澆注：將鋼液澆注成鋼錠或鋼坯煉鋼任務(wù)§8.2爐渣一、爐渣來源（1）金屬料內(nèi)雜質(zhì)氧化的產(chǎn)物（2）被侵蝕或機械碰撞的爐襯耐火材料。（3）裝料時帶入的泥土，砂石等雜質(zhì)。（4）加入造渣材料。二、爐渣組成（以氧化物為主）堿性氧化物：CaO、MgO、MnO、FeO、NaO等酸性氧化物：SiO2、P2O5、TiO2兩性氧化物：Al2O3、Fe2O3還有CaF2、CaS、FeO堿性中性酸性CaOMgOMnOFeOCaF2Fe2O3Al2O3TiO2SiO2P2O5氧化物CaOMgOSiO2FeOFe2O3MnOAl2O3熔點K2843307319831643173020532333表1不同氧化物的熔點化合物硅酸鈣CaO·SiO2硅酸鐵2FeO·SiO2

硅酸錳MnO·SiO2鐵酸鈣CaO·Fe2O3

熔點K1813

149015581493表2形成的復(fù)合化合物的熔點煉鋼爐的一般溫度為1573~1973K，在此溫度下相互化合成低熔點化合物達到熔化的目的。三、爐渣分類堿性渣（都有脫S、P）酸性渣氧化性（轉(zhuǎn)爐、平爐）還原性（電爐還原期）渣的酸堿性渣的氧化性四、煉鋼爐渣的作用（1）去除有害雜質(zhì)P、S（2）向鋼中傳輸送氧并氧化鋼中C和其他雜質(zhì)。（3）保存熔化熱量和減浸金屬吸收有害氣體H2、N2。（4）洗滌金屬，吸附金屬中的非金屬雜質(zhì)。不利作用：侵蝕爐襯、夾帶金屬、降低金屬回收率。所以煉鋼經(jīng)造渣，在某種意義上講煉鋼就是“造渣”，只有造好渣才能煉好鋼。五、煉鋼爐渣的主要性質(zhì)煉鋼爐渣的主要性質(zhì)：熔化性、堿度、穩(wěn)定性、表面性，氧化性。1、堿度P低時R=CaO%/SiO2%(P<30%)P高時R=CaO%/(SiO2%+P2O5%)R=1.3~1.5低堿性渣R=1.8~2.0中性堿渣R≥2.5高堿性渣2、爐渣的氧化性爐渣向金屬熔池傳氧的能力，以渣中FeO含量表示%ΣFeO渣中氧化鐵形式：FeO和Fe2O3。將Fe2O3折合成FeO全氧法：%ΣFeO=%FeO+1.35×%Fe2O3全鐵法：%ΣFeO=%FeO+0.9×%Fe2O3§8.2煉鋼過程的基本反應(yīng)一、供氧及熔池中傳氧方式1、供氧方式直接供氧（氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐）間接供氧（電爐氧化期爐氣，轉(zhuǎn)爐）礦石供氧（平爐、電爐、礦石作冷卻劑時）2、傳氧方式

直接和間接直接{O2}+2[Me]=2MeO間接FeO參與傳氧(FeO)=[O]+Fe2[O]+[Si]=SiO22FeO+Si=2Fe+SiO2[O]+[Mn]=MnOFeO+Mn=Fe+MnO5[O]+2[P]=[P2O5][O]+[C]={CO}2[O]+[C]={CO2

3、氧的分布①熔入金屬液②與雜質(zhì)反應(yīng)③FeO形式入爐渣二、煉鋼熔池中的氧化次序1、純物質(zhì)的氧化順序僅與溫度有關(guān)①t<1400℃時Si→V→Mn→C→P→Fe②1400℃<t<1530℃Si→C→V→Mn→P→Fe③t>1530℃時C→Si→V→Mn→P→Fe純氧化物分解壓與溫度關(guān)系2、煉鋼實際熔池中元素氧化順序

非純物質(zhì)：除與溫度有關(guān)外，還與濃度有關(guān)Fe、Si、Mn大量氧化，Si、Mn基本氧化完了，溫度升高之后，C被大量氧化（P在冶煉前期被大量氧化，因有FeO，且鋼液有一定堿度）三、硅、錳的氧化和還原（冶煉前期Si、Mn，只需3~5分鐘）1、硅、錳的氧化反應(yīng)（1）鋼、渣界面反應(yīng)

2(FeO)+[Si]=(SiO2)+2[Fe]+Q[Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe]+Q（2）直接氧化

O2+Si=SiO2SiO2+2FeO=2FeO·SiO2+Q2FeO·SiO2+2CaO=2CaO·SiO2+2FeOO2+Mn=2MnO在堿性環(huán)境下Si幾乎全部被氧化，而不會再被還原。2、硅、錳的還原反應(yīng)(SiO2)+2[C]=[Si]+2{CO}[Mn]+(FeO)=[Fe]+(MnO)3、錳的氧化還原與硅的氧化還原比較（1）Si、Mn在初期均被大量氧化，Mn氧化程度低于Si（2）Mn在酸性渣中氧化比較完全，Si在堿性渣中氧化比較完全。（3）升高溫度有利于Mn的還原，冶煉后期有余錳。四、脫碳反應(yīng)1、脫C的作用①將C氧化脫除至鋼種的要求（煉鋼的基本任務(wù)之一）②脫C反應(yīng)產(chǎn)物——CO氣體，劇烈攪動金屬液與爐渣產(chǎn)生“沸騰”現(xiàn)象。加速了傳質(zhì)和傳熱的過程，使熔化成分及溫度均勻，有利于物理化學(xué)反應(yīng)速率。③CO的劇烈攪動、沸騰有利于熔池中有害氣體和非金屬雜質(zhì)的剔除。2、脫C反應(yīng)式

2[C]+{O2}=2{CO}（直接，少量）…①(FeO)+[C]=CO+[Fe]（間接，主要）…②[C]+[O]={CO}（主要形式，微弱的放熱反應(yīng)）…③當(dāng)C<0.05%時，[C]+2[O]={CO2}…④3、脫碳反應(yīng)的條件（碳氧濃度積）[O]爐渣>[O]實際>[O]平衡（？）4、脫C反應(yīng)速度的決定因素（1）反應(yīng)產(chǎn)物CO氣泡的形成，長大和排除轉(zhuǎn)爐：氧流在反應(yīng)區(qū)與金屬液直接接觸，有大量氣泡彌散于金屬熔池內(nèi)，

[C]—[O]反應(yīng)在氣泡表面進行，生產(chǎn)CO分子立即進入氣相。平爐與電爐：CO氣泡在粗糙的爐底和爐壁的耐火材料表面的形成，長大、上升、沸騰、熔化、排出。（不利于CO氣泡的形成）（2）[C]、[O]向反應(yīng)區(qū)的擴散速度實踐證明：鋼液含C量存在一個臨界值[%C]臨，0.10~0.07%

當(dāng)[%C]實<[%C]臨由碳的擴散速度決定脫C反應(yīng)速度當(dāng)[%C]實>[%C]臨由氧的擴散速度決定脫C反應(yīng)速度而煉鋼過程中[%C]實是大于[%C]臨，所以煉鋼過程中脫C反應(yīng)速度，主要由供氧速度決定。五、脫磷反應(yīng)1、脫P反應(yīng)的意義（P的危害）（1）鋼中含P量的增加，鋼的脆性斷裂傾向增大，塑形和韌性下降，特別在低溫下更加嚴(yán)重，成為鋼的“冷脆”（2）P對鋼的焊接性能有不良作用。（3）P造成鋼的偏析（P在鐵中偏析小數(shù)為0.94）2、鋼對P的要求普通≤0.045%優(yōu)質(zhì)：<0.030%非優(yōu)質(zhì)≤0.020%3、脫P反應(yīng)（P的氧化在爐渣—金屬液界面進行）2[P]+5(FeO)=(P2O5)+5Fe(P2O5)+3(FeO)=(3FeO·P2O5)（高溫下不穩(wěn)定，分解產(chǎn)生P2O5，而P2O5也易分解）有效脫P:(3FeO·P2O5)+3(CaO)=(3CaO·P2O5)+3(FeO)或(3FeO·P2O5)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+3(FeO)脫P總反應(yīng)式：2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]+1034139KJ4、脫P的熱力學(xué)條件較高的爐渣堿度（3~4）；氧化鐵較高（15~20%）；較低的熔池溫度；渣量要大，可利用多次放渣或造渣來去P。5、回磷及抑制回磷的方法（1）回磷回磷:在冶煉或出鋼過程中，如果爐溫度過高，堿度，ΣFeO過低，往往會使已脫除到渣中的磷又返回到鋼液中去。（2）抑制回磷的方法出鋼前向爐內(nèi)加入石灰，使終渣變稠以防出鋼時下渣；或用擋渣球等機械方法防止下渣；出鋼時向鋼包渣面上加入小粒石灰以減弱爐渣的反應(yīng)能力；盡可能縮短鋼液在鋼包內(nèi)的停留時間。六、脫硫反應(yīng)1、硫?qū)︿撔阅艿挠绊懯逛摮霈F(xiàn)熱脆性（主要）；降低焊接性能、抗腐性能，延展性及韌性；硫是易偏析元素，富集于鋼錠最后凝固部分。普通級：S≤0.055%；優(yōu)質(zhì)級：S≤0.04%；高級優(yōu)質(zhì)級≤0.030~0.020%2、鋼材對硫含量的要求3、脫S反應(yīng)及其影響因素脫S實質(zhì)：將溶解于金屬液中的硫轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苡诮饘僖旱奈镔|(zhì)，使其進入爐渣或經(jīng)爐渣再成氣相逸出。主要通過爐渣脫S，氣化去硫占的比例很小。（1）爐渣脫S硫在渣中存在的三種形態(tài)：CaS、FeS、MnS。CaS最穩(wěn)定將鋼中FeS→渣中穩(wěn)定存在的CaS達到去硫的目的。煉鋼時的脫硫反應(yīng)：（FeS)+(CaO)=(FeO)+(CaS)-QLs=(%S)/[%S]—脫硫指數(shù)（硫的分配系數(shù)），Ls表示爐渣的脫硫能力。（2）影響爐渣脫硫的因素①堿度從熱力學(xué)：增加CaO，減少S；從動力學(xué)：R過高，爐渣粘性大，擴散速度降低，不利于脫硫。②渣中FeO含量FeO含量低，有利于脫S③溫度Ks=lgKs=－+1.79T↑Ls↑；高溫能促進石灰的渣化和提高爐渣的流動性，Ls↑。

④渣量[S]=―爐料含S量；b-渣量；Ls-脫硫指數(shù)T↑，S↓但過分提高堿度或增大渣量及多次放渣造渣等，是不經(jīng)濟的，不適合的。降低鋼中含硫量的主要途徑是控制原料的含硫量。七、脫氧1、氧對鋼質(zhì)量的影響（為什么需脫氧）——有害元素①氧以FeO形式從液相中析出，分布于晶界上，降低鋼的機械性能②C與O的偏析，富集于液相，發(fā)生反應(yīng)生成CO，部分氣泡滯留引起鋼錠氣孔、疏松③FeO與FeS生成低熔點共晶，加劇硫的“熱脆”危害鎮(zhèn)靜鋼：完全脫氧鋼≤0.002～0.007%沸騰鋼：不完全脫氧鋼0.01～0.045%半鎮(zhèn)靜鋼：其脫氧程度介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間0.005～0.02%2、脫氧的任務(wù)①把鋼中含氧量脫除到鋼種要求的范圍，按脫氧程度鋼可以分為鎮(zhèn)靜鋼、沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼三種②排除脫氧產(chǎn)物，減少鋼中非金屬夾雜物數(shù)量，并改善存在于鋼中夾雜物的分布和形態(tài)，保證鋼的性能③細(xì)化鋼的晶粒3、脫氧方法(沉淀脫氧、擴散脫氧（鋼渣界面脫氧）和真空脫氧)（1）沉淀脫氧（直接脫氧）特點：直接與溶解于鋼中的氧反應(yīng)生成不溶解于鋼錠的脫氧產(chǎn)物大部分上浮缺點：部分脫氧產(chǎn)物殘留在鋼液中，成為非金屬夾雜物危害鋼的質(zhì)量x[Me]+y[O]=MexOy（用于轉(zhuǎn)爐和平爐）脫氧劑：塊狀的硅鐵、錳鐵、鋁（2）擴散脫氧（鋼渣界面脫氧）（間接脫氧）（渣中脫氧）脫氧劑：粉狀的硅鐵、錳鐵、鋁①脫除渣中的氧（在鋼渣界面去除渣中不穩(wěn)定氧化物）x[Me]+→②脫除鋼液中的氧：在鋼渣界面去除鋼液中的氧，x[Me]+y[O]=(MexOy)此法特點：鋼液中不會產(chǎn)生殘存的氧化物夾雜，脫氧速度決定于鋼渣界面積。（3）渣中脫氧法（碳粉、硅粉、碳硅粉）直接脫除渣中不穩(wěn)定氧化物里的氧，增強還原能力，充分發(fā)揮爐渣界面脫氧作用，并有提高合金元素吸收率等優(yōu)點用于電爐還原期（4）真空脫氧2C+O2=2CO4、脫氧劑及脫氧能力（1）脫氧劑：Mn、Si、Al（2）脫氧能力對脫氧元素的基本要求

①錳是一種弱脫氧劑用于沸騰鋼錳可與硫形成MnS。熔點（1620℃）比FeS高，減少S的有害作用∴一般鋼中加入錳②Si較強脫氧劑，用于鎮(zhèn)靜鋼[Si]+[O]=SiO2T↓脫氧能力↑③Al強脫氧劑2[Al]+3[O]=Al2O3可細(xì)化晶粒④復(fù)合脫氧劑：以便生成低熔點復(fù)合氧化物。比例：Mn/Si在4～7（6最佳）且大于Al量，每一種脫氧產(chǎn)物的熔點都高于鋼液溫度，而且脫氧能力越強的元素，其脫氧產(chǎn)物的熔點也越高，但復(fù)合脫氧產(chǎn)物的熔點卻較低，多元復(fù)合氧化物熔點較二元更低，按先弱后強的順序加。5、脫氧產(chǎn)物的排除取決于非金屬夾雜物的上浮速度V—非金屬夾雜物的上浮速度ρFe－鋼液密度㎏/m3ρi—夾雜物密度㎏/m3r—非金屬夾雜物密度η—鋼液粘度

g—重力加速度在煉鋼溫度下鋼液的粘度，鋼液與夾雜物的密度差不會有很大改變，因此，主要靠增大夾雜物的半徑來有效去除夾雜。是脫氧產(chǎn)物呈液態(tài)，彼此容易聚合長大。措施：①多種脫氧劑脫氧，以便生成多種脫氧產(chǎn)物相互生成低熔點的復(fù)合氧化物，脫氧劑按“先弱后強”的順序加入。②脫氧劑的比例適當(dāng)Mn/Si=4～7（6為最佳）使用Mn、Si、Al時，Mn、Si量大于Al量，形成3MnO、Al2O3、SiO2八、氣體排除（氣體：H2、N2、O2）（一）影響氣體在鋼水中溶解度的因素①溫度升高，溶解度增大②與氫、氮分壓有關(guān)（西華爾特定律：平方根定律）③與鐵液中合金元素有關(guān)C、B