1、第二章 煉鋼的基礎(chǔ)理論第一節(jié) 鋼液的物理性質(zhì)第二節(jié) 熔渣的物理化學(xué)性質(zhì)第三節(jié) 硅、錳的氧化和還原反應(yīng)第四節(jié) 碳的氧化反應(yīng)第五節(jié) 鋼液的脫硫第六節(jié) 鋼液的脫磷第七節(jié) 鋼液的去氣 、去夾雜第一節(jié) 鋼液的物理性質(zhì)一、鋼的密度 單位體積鋼液所具有的質(zhì)量，常用符號表示，單位通常用kg/m3。影響鋼液密度的因素主要有溫度和鋼液的化學(xué)成分。 總的來講，溫度升高，鋼液密度降低，原因在于原子間距增大。固體純鐵密度為7880kg/m3，1550時液態(tài)的密度為7040kg/m3，鋼的變化與純鐵類似。 鋼液密度隨溫度的變化： =8523-0.8358(T+273) 成分對鋼液密度的影響： 1600=01600-210

2、%C-164%Al- 60%Si-550%Cr-7.5%Mn + 43%W+6%Ni C（%）密度150015501600165017000.000.100.200.300.400.600.801.001.201.607.466.987.067.147.146.976.866.786.726.677.046.967.017.067.056.896.786.706.646.577.036.956.977.017.016.846.736.656.616.547.006.896.936.986.976.806.676.596.556.526.936.816.816.826.836.706.576.5

3、06.476.43鐵碳熔體的密度（kg/m3） 二、鋼的熔點(diǎn) 指鋼完全轉(zhuǎn)變成均一液體狀態(tài)時的溫度，或是冷凝時開始析出固體的溫度。鋼的熔點(diǎn)是確定冶煉和澆鑄溫度的重要參數(shù)，純鐵的熔點(diǎn)約為1538，當(dāng)某元素溶入后，純鐵原子之間的作用力減弱，鐵的熔點(diǎn)就降低。降低的程度取決于加入元素的濃度、原子量和凝固時該元素在熔體與析出的固體之間的分配。 各元素使純鐵熔點(diǎn)的降低可表示為： Mi為溶質(zhì)元素i的原子量； %i液為元素i在液態(tài)鐵中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)； K為分配系數(shù)，而K=%i固/%i液，（1-K）則 稱為偏析系數(shù)。計(jì)算鋼的熔點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)式：T熔=1538-90%C-28%P-40%S-17%Ti- 6.2%Si-2.6

4、%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 三、鋼液的黏度 黏度是鋼液的一個重要性質(zhì)，它對冶煉溫度參數(shù)的制定、元素的擴(kuò)散、非金屬夾雜物的上浮和氣體的去除以及鋼的凝固結(jié)晶都有很大影響。 黏度是指各種不同速度運(yùn)動的液體各層之間所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力。通常將內(nèi)摩擦系數(shù)或黏度系數(shù)稱為黏度。

5、 黏度表示形式 動力黏度，用符號表示；單位為Pas (Ns/m2，1泊=0.1Pas)； 運(yùn)動黏度，常用符號表示，即： m2/s 鋼液的黏度比正常熔渣的要小得多，1600時其值在0.0020.003Pas; 純鐵液1600時黏度為0.0005Pas。 影響鋼液黏度因素主要是溫度和成分。溫度升高，黏度降低。鋼液中的碳對黏度的影響非常大，這主要是因?yàn)樘己渴逛摰拿芏群腿埸c(diǎn)發(fā)生變化，從而引起黏度的變化。 生產(chǎn)實(shí)踐也表明，同一溫度下，高碳鋼的流動性比低碳鋼鋼液的好。因此，一般在冶煉低碳鋼中，溫度要控制得略高一些。碳含量對鋼液黏度的影響見下圖。 溫度高于液相線50時，碳含量對鋼液黏度的影響 當(dāng)%C0.1

6、5時，黏度隨著碳含量的增加而大幅度下降，主要原因是鋼的密度隨碳含量的增加而降低；當(dāng)0.15%C0.40時，黏度隨碳含量的增加而增加，原因是此時鋼液中同時存在-Fe和-Fe兩種結(jié)構(gòu)，密度是隨碳含量的增加而增加，而且鋼液中生成的Fe3C體積較大；當(dāng)%C0.40時，鋼液的結(jié)構(gòu)近似于-Fe排列，鋼液密度下降，鋼的熔點(diǎn)也下降，故鋼液的黏度隨著碳含量的增加繼續(xù)下降。 Si、Mn、Ni使鋼的熔點(diǎn)降低，Si、Mn、Ni含量增加，鋼液黏度降低，尤其含量很高時，降低更顯著。但Ti、W、V、Mo、Cr含量增加則使鋼液的黏度增加，這些元素易生成高熔點(diǎn)、體積大的各種碳化物。鋼液中非金屬夾雜物含量增加，鋼液黏度增加，流動

7、性變差。 初期脫氧產(chǎn)物生成，夾雜物含量高，黏度增大，夾雜物不斷上浮或形成低熔點(diǎn)夾雜物，黏度又下降。脫氧不良，鋼液流動性一般不好。常用流動性來表示鋼液的黏稠狀況，黏度的倒數(shù)即為流體的流動性。四、鋼液的表面張力 鋼液因原子或分子間距非常小，其間的吸引力較強(qiáng)，而且鋼液表面層和內(nèi)部所引起的這種吸引力的變化是不同的。 內(nèi)部每一質(zhì)點(diǎn)所受到的吸引力的合力等于零，質(zhì)點(diǎn)保持平衡狀態(tài)； 而表面層質(zhì)點(diǎn)受內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的吸引力大于氣體分子對表面層質(zhì)點(diǎn)的吸引力，這樣表面層質(zhì)點(diǎn)所受的吸引力不等于零，且方向指向鋼液內(nèi)部。這種使鋼液表面產(chǎn)生自發(fā)縮小傾向的力稱為鋼液的表面張力，用符號表示，單位為N/m。實(shí)際上，鋼液的表面張力就是指鋼

8、液和它的飽和蒸氣或空氣界面之間的一種力。鋼液的表面張力 對新相的生成如CO氣泡的產(chǎn)生，鋼液凝固過程中結(jié)晶核心的形成等有影響; 對相間反應(yīng)，如脫氧產(chǎn)物的、夾雜物和氣體從鋼液中排除，渣鋼分離，鋼液對耐火材料的侵蝕等也有影響。 影響鋼液表面張力的因素很多，但主要有溫度、鋼液成分及鋼液的接觸物。 鋼液的表面張力是隨著溫度的升高而增大，原因之一是溫度升高時表面活性物質(zhì)如C、O等熱運(yùn)動增強(qiáng)，使鋼液表面過剩濃度減少或濃度均勻化，從而引起表面張力增大。1550時，純鐵液的表面張力約為1.71.9N/m。溶質(zhì)元素對純鐵液表面張力的影響程度取決于它的性質(zhì)與鐵的差別的大小。 合金元素對熔鐵表面張力的影響 硫和氧對鐵

9、液表面張力的影響 液相線以上50，碳對鐵碳熔體表面張力的影響 五、鋼的導(dǎo)熱能力鋼的導(dǎo)熱能力可用導(dǎo)熱系數(shù)來表示，即當(dāng)體系內(nèi)維持單位溫度梯度時，在單位時間內(nèi)流經(jīng)單位面積的熱量。鋼的導(dǎo)熱系數(shù)用符號表示，單位為W/（m）。影響鋼導(dǎo)熱系數(shù)的因素主要有鋼液的成分、組織、溫度、非金屬夾雜物含量以及鋼中晶粒的細(xì)化程度等。 通常鋼中合金元素越多，鋼的導(dǎo)熱能力就越低。各種合金元素對鋼的導(dǎo)熱能力影響的次序?yàn)椋篊、Ni、Cr最大，Al、Si、Mn、W次之，Zr最小。合金鋼的導(dǎo)熱能力一般比碳鋼差，高碳鋼的導(dǎo)熱能力比低碳鋼差。 具有珠光體、鐵素體和馬氏體組織的鋼，導(dǎo)熱能力加熱時都降低，但在臨界點(diǎn)AC3以上加熱將增加。 各

10、種鋼的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化規(guī)律不一樣，800以下碳鋼隨溫度的升高而下降，800以上則略有升高。 導(dǎo)熱系數(shù)與碳含量的關(guān)系 溫度對鋼導(dǎo)熱系數(shù)的影響第二節(jié) 熔渣的物理化學(xué)性質(zhì) 煉好鋼首先要煉好渣，所有煉鋼任務(wù)的完成幾乎都與熔渣有關(guān)。熔渣的結(jié)構(gòu)決定著熔渣的物理化學(xué)性質(zhì)，而熔渣的物理化學(xué)性質(zhì)又影響著煉鋼的化學(xué)反應(yīng)平衡及反應(yīng)速率。因此，在煉鋼過程中必須控制和調(diào)整好爐內(nèi)熔渣的物理化學(xué)性質(zhì)。 一、熔渣的作用、來源、分類與組成 去除鐵水和鋼水中的磷、硫等有害元素，同時能將鐵和其他有用元素的損失控制最低； 保護(hù)鋼液不過度氧化、不吸收有害氣體、保溫、減少有益元素?zé)龘p； 防止熱量散失，以保證鋼的冶煉溫度； 吸收鋼液中上

11、浮的夾雜物及反應(yīng)產(chǎn)物。 熔渣在煉鋼過程也有不利作用: 侵蝕耐火材料，降低爐襯壽命，特別是低堿度熔渣對爐襯的侵蝕更為嚴(yán)重；熔渣中夾帶小顆粒金屬及未被還原的金屬氧化物，降低了金屬的回收率。 造好渣是煉鋼的重要條件，造出成分合適、溫度適當(dāng)并具有適宜于某種精煉目的的爐渣，發(fā)揮其積極作用，抑制其不利作用。 熔渣的來源 煉鋼過程有目的加入的造渣材料，如石灰、石灰石、螢石、硅石、鐵礬土及火磚塊。鋼鐵材料中Si、Mn、P、Fe等元素的氧化產(chǎn)物。冶煉過程被侵蝕的爐襯耐火材料。熔渣的分類與組成 不同煉鋼方法采用不同的渣系進(jìn)行冶煉，造不同成分的爐渣，可達(dá)到不同的冶煉目的。 轉(zhuǎn)爐煉鋼造堿性氧化渣，而電爐煉鋼造堿性還原

12、渣，它們在物理化學(xué)性質(zhì)和冶金反應(yīng)特點(diǎn)上有明顯的差別。 堿性氧化渣因堿性氧化物CaO和FeO含量較高，具有脫磷、脫硫能力，堿性還原渣因含有CaC2，不僅具有脫硫能力，而且有脫氧能力。 轉(zhuǎn)爐和電爐的爐渣成分和性質(zhì) 類別化學(xué)成分轉(zhuǎn)爐中組成%電爐中組成%冶金反應(yīng)特點(diǎn)酸性氧化渣CaO+FeO+MnOSiO2P2O55050145050C,Si,Mn氧化緩慢不能脫P(yáng)、脫S；鋼水中O較低 堿性氧化渣CaO/SiO2CaOFeOMnOMgO3.04.53555730282122.53.540-5010-255-105-10C,Si,Mn迅速氧化能較好脫P(yáng)；能脫去50%的S；鋼水中O較高。堿性還原渣（白渣）Ca

13、O/SiO2CaOCaF2Al2O3FeOMgOCaC22.0-3.550-555-82-30.5101脫S能力強(qiáng)；脫氧能力強(qiáng)；鋼水易增碳鋼水易回磷鋼水中H增加鋼水中N增加二、 熔渣的化學(xué)性質(zhì)熔渣的堿度 熔渣中堿性氧化物濃度總和與酸性氧化物濃度總和之比稱之為熔渣堿度，常用符號R表示。熔渣堿度的大小直接對渣鋼間的物理化學(xué)反應(yīng)如脫磷、脫硫、去氣等產(chǎn)生影響。 爐料中wP0.30%時 0.30%wP0.60%時 熔渣R1.0為堿性渣，稱之短渣。煉鋼熔渣R3.0。煉鋼熔渣中含有不同數(shù)量的堿性、中性和酸性氧化物，它們酸、堿性的強(qiáng)弱可排列如下：CaOMnOFeOMgOCaF2Fe2O3Al2O3TiO2Si

14、O2P2O5 堿性 中性 酸性 可用過剩堿的概念來表示熔渣的堿度，即堿性氧化物全都是等價(jià)地確定出酸性氧化物對堿性氧化物的強(qiáng)度，并假定兩者是按比例結(jié)合，結(jié)合以外的堿性氧化物的量為過剩堿，表示方法如下: 過剩堿=NCaONMgONMnO2NSiO23NP2O5 NFe2O3NAl2O3 實(shí)際上上式是用O2-的摩爾數(shù)來表示熔渣的堿度 ，堿性氧化物離解產(chǎn)生O2- ，酸性氧化物則消耗O2- 。如：SiO2與2O2-結(jié)合成SiO44-， P2O5 與3O2-結(jié)合成2PO43-。 熔渣的氧化性 熔渣的氧化性也稱熔渣的氧化能力，它是熔渣的一個重要的化學(xué)性質(zhì)。 熔渣的氧化性是指在一定的溫度下，單位時間內(nèi)熔渣向鋼

15、液供氧的數(shù)量。 在其他一定的情況下，熔渣的氧化性決定了脫磷、脫碳以及夾雜物的去除等。由于氧化物分解后不同，只有(FeO)和(Fe2O3)才能向鋼中傳氧，而(Al2O3)、(SiO2)、(MgO)、(CaO)等不能傳氧。 熔渣的氧化性通常是用(%FeO) 表示， 包括（FeO）本身和Fe2O3折合成（FeO）兩部分。將Fe2O3折合成FeO有兩種方法： 全氧折合法： 全鐵折合法： 通常按全鐵法將Fe2O3折算成FeO，原因是取出的渣樣在冷卻的過程中，渣樣表面的低價(jià)鐵有一部分被空氣氧化成高價(jià)鐵，即FeO氧化成Fe3O4，因而使分析得出的Fe2O3量偏高，用全鐵法折算，可抵消此誤差。 (*) 在16

16、00下，由實(shí)驗(yàn)測定在純FeO渣中，金屬鐵液中溶解的 。 %O飽和與溫度間有著下列關(guān)系： 熔渣的氧化性用氧化鐵的活度來表示顯得更精確。部分氧化鐵會以復(fù)雜分子形式存在，不能直接參與反應(yīng)，氧化鐵的濃度反映不出實(shí)際參加反應(yīng)的有效濃度。 設(shè) L0就是氧在渣鐵間的平衡分配系數(shù)。在一定溫度下，熔渣中 aFeO升高，鐵液中%O含量也相應(yīng)增高;當(dāng)aFeO一定時，鐵液中%O也是隨著溫度升高而提高。 式（*）只適用于鐵液中除氧外而無其他的雜質(zhì)元素的情況，對于鋼液而言，熔渣對鋼液的氧化能力用鋼液中與熔渣相平衡的氧含量和鋼液中實(shí)際氧含量之差來表示，即： %O0，渣中氧能向鋼液擴(kuò)散，稱氧化渣； %O1.4），aFeO隨溫

17、度的升高而減少;從反應(yīng)動力學(xué)看，當(dāng)熔渣堿度和(%FeO)濃度一定時，溫度越高，則熔渣的流動性越好，熔渣中（FeO）反應(yīng)能力增強(qiáng)，熔渣的氧化性增強(qiáng)。 熔渣氧化性在煉鋼過程中的作用體現(xiàn)在對熔渣自身、對鋼水和對煉鋼操作工藝影響三個方面。影響化渣速度，渣中FeO能促進(jìn)石灰溶解，加速化渣，改善煉鋼反應(yīng)動力學(xué)條件，加速傳質(zhì)過程；影響熔渣粘度，渣中Fe2O3和堿性氧化物反應(yīng)生成鐵酸鹽，降低熔渣熔點(diǎn)和粘度，避免煉鋼渣“返干”；影響熔渣向熔池傳氧。 影響鋼水含氧量O，低碳鋼水含氧量明顯受熔渣氧化性的影響，當(dāng)鋼水含碳量相同時，熔渣氧化性強(qiáng)，則鋼水含氧量高；影響鋼水脫磷，熔渣氧化性強(qiáng)，有利于脫磷。 影響鐵合金收得率

18、，氧化性強(qiáng)，降低鐵合金收得率；影響爐襯壽命，熔渣氧化性強(qiáng)，爐襯壽命降低；影響金屬收得率，熔渣氧化性越強(qiáng)，金屬收得率越低。 三、熔渣的物理性質(zhì) 煉鋼過程要求熔渣的熔點(diǎn)低于所煉鋼的熔點(diǎn)50-200。除FeO和CaF2外，其他簡單氧化物的熔點(diǎn)都很高，它們在煉鋼溫度下難以單獨(dú)形成熔渣，實(shí)際上它們是形成多種低熔點(diǎn)的復(fù)雜化合物。熔渣的熔化溫度是固態(tài)渣完全轉(zhuǎn)化為均勻液態(tài)時的溫度；同理，液態(tài)熔渣開始析出固體成分時的溫度為熔渣的凝固溫度。熔渣的熔化溫度與熔渣的成分有關(guān)，一般說來，熔渣中高熔點(diǎn)組元越多，熔化溫度越高。 熔渣中常見的氧化物的熔點(diǎn) 化合物熔點(diǎn)/化合物熔點(diǎn)/CaO2600MgO. SiO21557MgO

19、28002MgO. SiO21890SiO21713CaO.MgO. SiO21390FeO13703CaO.MgO. 2SiO21550Fe2O314572CaO.MgO. 2SiO21450MnO17832FeO. SiO21205Al2O32050MnO. SiO21285CaF214182MnO. SiO21345CaO. SiO21550CaO. MnO. SiO217002CaO. SiO221303CaO. P2O518003CaO. SiO22065CaO. Fe 2O312203CaO. 2SiO214852CaO. Fe 2O31420CaO. FeO .SiO21205C

20、aO. 2Fe 2O31240Fe2O3. SiO21217CaO. 2FeO .SiO21205MgO. Al2O32135CaO. CaF214001、 熔渣的黏度 黏度是熔渣重要的物理性質(zhì)，對元素的擴(kuò)散、渣鋼間反應(yīng)、氣體逸出、熱量傳遞，鐵損及爐襯壽命等均有很大的影響。影響熔渣黏度的因素主要有：熔渣的成分，熔渣中的固體熔點(diǎn)，溫度。一般來講，在一定的溫度下，凡是能降低熔渣熔點(diǎn)成分，在一定范圍內(nèi)增加其濃度，可使熔渣黏度降低；反之, 則使熔渣黏度增大。在酸性渣中提高SiO2含量時，導(dǎo)致熔渣黏度升高；相反，在酸性渣中提高CaO 含量，會使黏度降低 。 堿性渣中，CaO超過40-50%后，黏度隨Ca

21、O增加。SiO2在一定范圍內(nèi)增加，能降低堿性渣的黏度，但SiO2含量超過一定值形成2CaOSiO2時，則使熔渣變稠，原因是2CaOSiO2的熔點(diǎn)高達(dá)2130。FeO(熔點(diǎn)1370)和Fe2O3(1457)有明顯降低渣熔點(diǎn)的作用，增加FeO含量，渣黏度顯著降低。MgO 在堿性渣中對黏度影響很大，當(dāng)MgO 濃度超過9%-10%時，會破壞渣的均勻性，使熔渣變黏。Al2O3能降低渣的熔點(diǎn)，從而具有稀釋堿性渣的作用。CaF2本身熔點(diǎn)較低，它能降低熔渣的黏度。煉鋼過程中，希望造渣材料完全溶解，形成均勻相的熔渣。但實(shí)際上爐渣中往往懸浮著石灰顆粒，MgO 質(zhì)顆粒，熔渣自身析出的2CaO SiO2、3CaOP2

22、O5固體顆粒以及Cr2O3等。這些固體顆粒的狀態(tài)對熔渣的黏度產(chǎn)生不同影響。少量尺寸大的顆粒（直徑達(dá)幾毫米），對熔渣黏度影響不大，尺寸較?。?0-3-10-2mm）數(shù)量多的固體顆粒呈乳濁液狀態(tài)，使熔渣黏度增加。 對酸性渣，溫度升高，聚合的Si-O離子鍵易破壞，黏度下降；對堿性渣而言，溫度升高，有利于消除沒有熔化的固體顆粒，因而黏度下降，總之，溫度升高，熔渣的黏度降低。 1600煉鋼溫度下，熔渣黏度在0.02-0.1 Pas之間。 熔渣和鋼水的黏度 物質(zhì)溫度（）黏度（Pas）水250.00089鐵水14250.0015鋼水15950.0025稀熔渣15950.0020黏度中等渣15950.020稠

23、熔渣15950.20FeO14000.030CaO接近熔點(diǎn)1.0，則不利于錳的氧化。爐渣氧化性強(qiáng)，則有利于錳的氧化；能增加Mn元素活度的元素，其含量增加，有利于錳的氧化；爐氣氧分壓越高，越有利于錳的氧化。在堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，當(dāng)脫碳反應(yīng)激烈進(jìn)行時，爐渣中(FeO)大量減少，溫度升高，這樣使鋼液中Mn回升，這就是產(chǎn)生所謂的錳還原。在酸性渣中，錳的氧化較為完全。錳的氧化也是吹氧煉鋼熱源之一，但不是主要的。在轉(zhuǎn)爐吹煉初期，錳氧化生成MnO可幫助化渣，并減輕初期渣中SiO2對爐襯耐火材料的侵蝕。在煉鋼過程中，應(yīng)盡量控制錳的氧化，以提高鋼水殘（余）錳量，發(fā)揮殘錳的作用。 鋼液中殘Mn的作用: 防止鋼水的

24、過氧化，或避免鋼水中含過多的過剩氧，以提高脫氧合金的收得率，降低鋼中氧化物夾雜； 可作為鋼液溫度高低的標(biāo)態(tài)，爐溫高有利于（MnO）的還原，殘錳含量高； 能確定脫氧后鋼水的含錳量達(dá)到所煉鋼種的規(guī)格，并節(jié)約Fe-Mn用量。第四節(jié) 碳的氧化反應(yīng) 碳氧化反應(yīng)是煉鋼過程中極其重要的反應(yīng)，煉鋼過程中的碳氧反應(yīng)不僅完成脫碳任務(wù)，而且還具有以下作用： 加大鋼渣界面，加速反應(yīng)的進(jìn)行； 均勻熔池中成分和溫度； 有利于熔渣的形成； 有利于非金屬夾雜的上浮和有害氣體的排出； 放熱升溫。碳氧反應(yīng)的三種基本形式: 在吹氧煉鋼過程中，金屬液中的一部分碳在反應(yīng)區(qū)被氣體氧化，一部分碳與溶解在金屬液中氧進(jìn)行氧化反應(yīng)，還有一部分碳

25、與爐渣中(FeO)反應(yīng)，生成CO。 溫度一定，KP是定值，若令m=%C %O， fC.fO=1，則 , 1600時，KP=400，m=0.0025，m 即為碳氧濃度積。當(dāng)達(dá)到平衡時，m為一常數(shù). 常壓下碳氧濃度之間的關(guān)系 實(shí)際上m不是真正的平衡，因?yàn)樘己脱醯臐舛炔⒉坏扔谒鼈兊幕疃取?只有當(dāng)%C0時，fC.fO=1，此時m才接近平衡態(tài)。 %C提高時，因fC.fO減小，m值增加： %C=1時，m=0.0036， %C=2時，m=0.0064。 由于碳氧反應(yīng)是放熱反應(yīng)，因此，隨溫度升高，m值升高，曲線向右角移動。 由于在煉鋼過程中存在著Fe+O=FeO，鋼中實(shí)際氧含量比碳氧平衡時氧含量高。 如果與（

26、FeO）平衡的氧含量記作wO,FeO，則鋼中氧含量高于C-O平衡的氧，但低于wO,FeO 。 將煉鋼熔池中實(shí)際的含氧量與碳氧平衡的理論含氧量之間的差距，稱之為過剩氧。出現(xiàn)過剩氧,m值高于理論值的原因： 與脫碳速度有關(guān)，脫碳速度大，過剩氧小; 理論含氧量的條件為Pco=1atm，而實(shí)際爐中Pco大于或 小于1atm。如LD爐Pco約為1.2atm，而頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐中 Pco約為0.7atm。 含碳量處于低碳時，%O實(shí)還受aFeO和溫度的影響。當(dāng) 鋼水中含碳量一定時，含氧量隨溫度的增加而略有增 加。如果熔池中脫碳反應(yīng)是 C+O=CO，用下式計(jì)算熔池中的氧，即與CO氣泡相平衡的濃度：氣泡中CO分壓后可

27、近似等于外界壓力，可用下式計(jì)算：熔體和爐渣相平衡時，%O取決于爐渣中的aFeO和分配常數(shù)LFeO，可表示為： (%FeO)- 渣中氧化鐵的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)； fFeO -渣中氧化鐵的活度系數(shù)； LFeO-分配系數(shù)， %O飽和-純氧化鐵渣在鐵中的最大溶解度，1600時為0.23。若熔體中氧的平衡濃度為已知，則可以用下式來計(jì)算渣與鋼間的濃度差：脫碳速率的確定 根據(jù)單位時間內(nèi)氧的消耗來確立脫碳速率的計(jì)算式。單位時間內(nèi)氧的消耗與供氧速度vO2、碳含量%C、氧含量%O以及渣中的氧量（%O）存在著以下關(guān)系： 忽略過剩氧O的變化，熔體中氧含量的變化值可確定: 在dt時間內(nèi)渣中氧的變化值與(FeO)、QS之間存在以

28、下關(guān)系式： Qs為渣量與金屬質(zhì)量之比； 而%O=（%FeO）fFeOLFeO 則將d%O和d(%O)的表達(dá)式帶入氧量平衡式可得 上述的脫碳速率方程只適用含碳比較高的情形，氧向熔池中的傳輸速度是控制性環(huán)節(jié)，但隨著脫碳進(jìn)行，機(jī)理將逐漸發(fā)生改變，當(dāng)碳降到0.2%-0.4%時，脫碳速率受C由鋼液內(nèi)到達(dá)反應(yīng)界面的傳質(zhì)所控制： 式中kc為碳的傳質(zhì)系數(shù)，頂吹氧時約為0.015s-1，底吹氧時為0.017s-1。 第五節(jié) 鋼液的脫硫 鋼液的脫硫主要是通過兩種途徑來實(shí)現(xiàn)，即爐渣脫硫和氣化脫硫。在一般煉鋼操作條件下，爐渣脫硫占主導(dǎo)。從氧氣轉(zhuǎn)爐硫的衡算可以得出，氧化渣脫硫占總脫硫量的90%，氣化脫硫占10%左右。1

29、、渣鋼間的脫硫反應(yīng) S+(CaO)=(CaS)+O G0=98474-22.82T S+(MnO)=(MnS)+O G0=133224-33.49T S+(MgO)=(MgS)+O G0=191462-32.70T 硫在金屬液中存在三種形式:即FeS、S和S2-。FeS它既溶于鋼液，也溶于熔渣。渣鋼間的脫硫反應(yīng)：首先鋼液中硫擴(kuò)散至熔渣中即FeS(FeS)，進(jìn)入熔渣中的（FeS）與游離的CaO(或MnO)結(jié)合成穩(wěn)定的CaS或MnS。 根據(jù)熔渣的離子理論，脫硫反應(yīng)為： S+（O2-）=（S2-）+O 在酸性渣中幾乎沒有自由的O2-，因此酸性渣脫硫作用很小，而堿性渣則不同，具有較強(qiáng)的脫硫能力。上式反

30、應(yīng)的平衡常數(shù)可寫為：里查森（Richardson )定義硫容 表達(dá)了爐渣容納硫的能力。將硫分配比定義為：影響鋼渣間脫硫反應(yīng)的因素?zé)掍摐囟鹊挠绊?。鋼渣間的脫硫反應(yīng)屬于吸熱反應(yīng)，吸熱在108.2-128kJ/mol之間，因此，高溫有利于脫硫反應(yīng)進(jìn)行。溫度的重要影響主要體現(xiàn)在高溫能促進(jìn)石灰溶解和提高爐渣流動性。爐渣堿度的影響。爐渣堿度高，游離CaO多，或（O2-）增大，有利于脫硫。但過高的堿度，常出現(xiàn)爐渣粘度增加，反而降低脫硫效果。爐渣中(FeO)的影響。從熱力學(xué)角度可以看出，(FeO)高不利于脫硫。當(dāng)爐渣堿度高時、流動性差時，爐渣中有一定量的(FeO)，可助熔化渣。金屬液成分的影響。金屬液中C、S

31、i能增加硫的活度系數(shù)fS，降低氧活度，有利于脫硫。 脫硫的有利條件：高溫，高堿度，低（FeO），好流動性。2、 氣化脫硫 氣化脫硫是指金屬液中S以氣態(tài)SO2的方式被去除，反應(yīng)式可表示為 在煉鋼溫度下，從熱力學(xué)角度上述反應(yīng)理應(yīng)能進(jìn)行。但在鋼水中含有C、Si、Mn的條件下，則要直接氣化脫硫是不可能實(shí)現(xiàn)。鋼水氣化脫硫的最大可能是鋼水中S進(jìn)入爐渣后，再被氣化去除. 在頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐熔池的氧流沖擊區(qū)，由于溫度很高，硫以S、S2、SO和COS的形態(tài)揮發(fā)是可能的。在電弧爐爐氣中已證明有COS存在，所以發(fā)生下列的脫硫反應(yīng)是可能的，即 S2+2CO=2COS SO2+3CO=2CO2+COS 3、脫硫反應(yīng)動力學(xué)

32、在煉鋼過程中，脫硫反應(yīng)和脫磷反應(yīng)相同，都是渣、鋼界面反應(yīng)，脫硫反應(yīng)的速率方程可表示為：當(dāng)鋼水中硫的傳質(zhì)系數(shù)km很大時 ，此時硫的傳質(zhì)阻力集中于爐渣: 如Ls一定，ks很大，即硫的傳質(zhì)阻力集中于鋼水時，即 ，則脫硫速率方程為：4、提高脫硫速率的措施 反應(yīng)界面積A越大，脫硫速率就越快。熔池沸騰程度，渣鋼間的乳化狀況，噴吹攪拌的程度等均對渣、鋼界面的大小產(chǎn)生影響。爐渣粘度低、熔池活躍、鋼水和爐渣的含硫量差值大時，km、ks大，脫硫速率快。爐渣堿度、爐渣氧化性和熔池溫度等操作工藝條件均在Ls產(chǎn)生影響，一切旨在提高Ls的措施均可促進(jìn)脫硫反應(yīng)。第六節(jié) 鋼液的脫磷 磷在鋼中是以Fe3P或Fe2P形式存在，為

33、方便起見，均用P表示。煉鋼過程的脫磷反應(yīng)是在金屬液與熔渣界面進(jìn)行的，首先是P被氧化成（P2O5），而后與（CaO）結(jié)合成穩(wěn)定的磷酸鈣，其反應(yīng)式可表示為： 2P+5(FeO)+4(CaO)=(4CaOP2O5)+5Fe 2P+5(FeO)+3(CaO)=(3CaOP2O5)+5Fe 從CaO-P2O5相圖中可以看出3CaOP2O5為最穩(wěn)定，4CaOP2O5次之?？梢哉J(rèn)為存在于堿性渣中的應(yīng)是3CaOP2O5 。 由于3CaOP2O5和4CaOP2O5的反應(yīng)生成自由能值很相近，在熱力學(xué)分析時，有兩種磷酸鹽得出的結(jié)論基本上是一致的。在實(shí)驗(yàn)室條件下，達(dá)到平衡時的反應(yīng)產(chǎn)物通常是4CaOP2O5 。脫磷反應(yīng)

34、平衡常數(shù)可表示為: 表示的是爐渣中某成分的摩爾分?jǐn)?shù)。將%P，%O分別代替 、 , 可得 磷的分配系數(shù) LP主要取決于熔渣成分和溫度。不管LP采用何種表達(dá)，均表明了熔渣的脫磷能力，LP越大說明脫磷能力越強(qiáng)，脫磷越完全。 Wagner的爐渣磷容 2P+5O+3(O2-)=2(PO43-) 取樣分析爐渣和鋼水中的含磷量，可得到LP，應(yīng)用氧濃度電池直接測定aO，再根據(jù)鋼水成分和相互作用系數(shù) ，可求出fP，從而最終得到CP，這樣就簡化了熱力學(xué)的計(jì)算，用CP進(jìn)行定量討論。因此，CP也可以理解為爐渣容納磷的能力。影響脫磷反應(yīng)的因素 煉鋼溫度的影響。脫磷反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，如熔池溫度降低，脫磷反應(yīng)的平衡常數(shù)KP

35、增大，LP增大，因此，從熱力學(xué)觀點(diǎn)，低溫脫磷比較有利。但是，低溫不利于獲得流動性良好的高堿度爐渣 。爐渣成分的影響。主要表現(xiàn)為爐渣堿度和爐渣氧化性的影響。P2O5屬于酸性氧化物，CaO、MgO等堿性氧化物能降低它的活度，堿度越高，渣中CaO的有效濃度越高，LP越大，脫磷越完全。但是，堿度并非越高越好，加入過多的石灰，化渣不好，爐渣變粘，影響流動性，對脫磷反而不利。 終點(diǎn)熔渣堿度與P的關(guān)系 熔渣中(FeO)含量對脫磷反應(yīng)具有重要作用，渣中(FeO)是脫磷的首要因素。因?yàn)榱资紫妊趸蒔2O5，然后再與CaO作用生成3CaOP2O5或4CaOP2O5。 作為磷的氧化劑，(FeO)可增大aFeO，而

36、作為堿性氧化物可降低P2O5，因此，隨著爐渣(FeO)含量增加，LP增大，促進(jìn)了脫磷，但作為爐渣中的堿性氧化物(FeO)脫磷能力遠(yuǎn)不及(CaO)，當(dāng)爐渣中的(FeO)含量高到一定程度后，相當(dāng)于稀釋了爐渣中(CaO)的濃度，這樣會使?fàn)t渣的脫磷能力下降。 終點(diǎn)熔渣（TFe）和P的關(guān)系 金屬成分的影響。首先鋼液中應(yīng)有較高的O，如果鋼液中Si、Mn、Cr、C含量高，則不利于脫磷，因此，只有與氧結(jié)合能力高的元素含量降低時，脫磷才能順利進(jìn)行。此外，鋼液中各元素含量對P的活度有影響，但通常影響不太大。 采用濺渣護(hù)爐技術(shù)，渣中MgO含量較高，要注意調(diào)整好熔渣流動性，否則對脫磷產(chǎn)生不利影響。 脫磷的條件：高堿度

37、、高氧化鐵含量（氧化性）、良好流動性熔渣、充分的熔池?cái)噭印⑦m當(dāng)?shù)臏囟群痛笤??；?磷 現(xiàn) 象 要保證鋼水脫磷效果，必須防止回磷現(xiàn)象?；亓赚F(xiàn)象就是磷從熔渣中又返回到鋼中。成品鋼中磷含量高于終點(diǎn)磷含量也屬回磷現(xiàn)象。熔渣的堿度或氧化鐵含量降低，或石灰化渣不好，或溫度過高等均會引起回磷現(xiàn)象。出鋼過程中由于脫氧合金加入不當(dāng)，或出鋼下渣，或合金中磷含量較高等因素，也會導(dǎo)致成品鋼中磷高于終點(diǎn)P含量。 由于脫氧，爐渣堿度、（FeO）含量降低，鋼包內(nèi)有回磷現(xiàn)象，反應(yīng)式如下： 2(FeO)+Si=(SiO2)+2Fe (FeO)+Mn=(MnO)+Fe 2(P2O5)+5Si=5(SiO2)+4P (P2O5)+

38、5Mn=5(MnO)+2P 3(P2O5)+10Al=5(Al2O3)+6P避免鋼水回磷的措施：擋渣出鋼，盡量避免下渣；適當(dāng)提高脫氧前的爐渣堿度；出鋼后向鋼包渣面加一定量石灰，增加爐渣堿度；盡可能采取鋼包脫氧，而不采取爐內(nèi)脫氧；加入鋼包改質(zhì)劑。煉鋼過程的脫磷反應(yīng)是渣-金界面反應(yīng)，對于脫磷反應(yīng)的效果而言，除了磷容量、磷分配系數(shù)表述外，還有一個時間的概念，即脫磷速率。脫磷過程速率主要取決于P向反應(yīng)界面的傳質(zhì)和產(chǎn)物由界面向渣中的傳質(zhì)。 雙膜傳質(zhì)理論表示脫磷速率方程 km和ks分別是磷在金屬和熔渣中的傳質(zhì)系數(shù)， Oeter計(jì)算出 km=3.9010-5m.s-1，ks=1.1510-5 m.s-1;A

39、是反應(yīng)界面積; Vm為鋼液體積; K以物質(zhì)的量濃度表示的磷分配比; LP以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示的磷分配比。 若取K=300，則 ，則上式可簡化為： 在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼初期，用統(tǒng)計(jì)方法分析脫磷過程得到的脫磷速率方程: 還原脫磷 要實(shí)現(xiàn)還原脫磷，必須加入比鋁更強(qiáng)的脫氧劑，使鋼液達(dá)到深度還原。通常加入Ca，Ba或CaC2等強(qiáng)還原劑。 3Ca+2P=3（Ca2+）+2（P3-） 3Ba+2P=3(Ba2+)+2(P3-) 3CaC2(s)+2P=3(Ca2+)+2(P3-)+6C 還原脫磷加入強(qiáng)還原劑的同時，還需加入CaF2，CaO等熔劑造渣。還原脫磷一般是在金屬不宜用氧化脫磷的情況下才使用，如含鉻高的不銹

40、鋼，采用氧化脫磷會引起鉻的大量氧化。還原脫磷后的渣應(yīng)立即去除，否則渣中的P3-又會重新氧化成PO43-而造成回磷。 第七節(jié) 鋼液的去氣去夾雜 不管是哪種煉鋼方法，都需要在熔池中供氧去除C、Si、Mn、P等雜質(zhì)元素，氧化精煉結(jié)束后，鋼液達(dá)到了一定成分和溫度，其含量一般超過C-O平衡線。 如果鋼水不進(jìn)行脫氧，連鑄坯就得不到正確的凝固組織結(jié)構(gòu)。鋼中氧含量高，還會產(chǎn)生皮下氣泡、疏松等缺陷，并加劇硫的危害作用。而且還會生成過多的氧化物夾雜，降低鋼的塑性、沖擊韌性等力學(xué)性能。因此，必須除去鋼中的過剩氧。 在出鋼或澆鑄過程中，加脫氧劑適當(dāng)減少鋼液含氧量的操作稱之為脫氧。頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)中碳和氧的關(guān)系 一、

41、脫氧的方式 按脫氧原理分：脫氧方法有三種，即沉淀脫氧法，擴(kuò)散脫氧法和真空脫氧法。 沉淀脫氧法是指將脫氧劑加到鋼液中，它直接與鋼液中的氧反應(yīng)生成穩(wěn)定的氧化物，即直接脫氧。沉淀脫氧效率高，操作簡單，成本低，對冶煉時間無影響，但沉淀脫氧的脫氧程度取決于脫氧劑能力和脫氧產(chǎn)物的排出條件。擴(kuò)散脫氧是根據(jù)氧分配定律建立起來，一般用于電爐還原期，或鋼水爐外精煉。隨著鋼水中氧向爐渣中擴(kuò)散，爐渣中(FeO)逐漸增多，為了使(FeO)保持在低水平，需在渣中加脫氧劑，還原渣中的(FeO)，這樣可以保證鋼水中的氧不斷向渣中擴(kuò)散。擴(kuò)散脫氧的產(chǎn)物存在于熔渣中，這樣有利于提高鋼水的潔凈度，但擴(kuò)散脫氧的速度慢，時間長，可以通過

42、吹氬攪拌或鋼渣混沖等方式加速脫氧進(jìn)程。另外，進(jìn)行擴(kuò)散脫氧操作前，需換新渣，以防止回磷。 真空脫氧法：將鋼包內(nèi)鋼水置于真空條件下，通過抽真空打破原有的碳氧平衡，促使碳與氧的反應(yīng)，達(dá)到通過鋼中碳去除氧的目的。此法的優(yōu)點(diǎn)是脫氧比較徹底，脫氧產(chǎn)物為CO氣體，不污染鋼水，而且在排出CO氣體的同時，還具有脫氫、脫氮的作用。二、脫氧劑和脫氧能力煉鋼常用的脫氧元素有：Si、Mn、和Al。硅：硅的脫氧生成物為SiO2或硅酸鐵（FeO SiO2）。硅脫氧反應(yīng)為：在Si2%， 值接近1，于是可得 爐渣堿度越高，SiO2的活度越小，殘余氧量越低，硅的脫氧效果越好。各種牌號的Fe-Si是常用的脫氧劑。 錳：錳是弱脫氧劑

43、，常用于沸騰鋼脫氧，其脫氧產(chǎn)物并不是純MnO，而是MnO與FeO的熔體。 實(shí)驗(yàn)測得上述反應(yīng)的平衡常數(shù)為: 當(dāng)金屬含Mn增加時，與之平衡的脫氧產(chǎn)物中的 也是隨之增大。當(dāng) 增加到一定的濃度時，脫氧產(chǎn)物開始有固態(tài)的FeO-MnO出現(xiàn)。 鋁：鋁是強(qiáng)脫氧劑，常用于鎮(zhèn)靜鋼的終脫氧，鋁脫氧反應(yīng)為：復(fù)合脫氧劑：使用兩種或多種脫氧元素制成的脫氧劑,如硅錳、硅鈣、硅錳鋁等.其優(yōu)點(diǎn)： 1)可以提高脫氧元素的脫氧能力； 2)利于形成液態(tài)脫氧產(chǎn)物，便于分離與上??； 3)利于提高易揮發(fā)元素的溶解度，減少元素的損失，提高脫氧元素的脫氧效率。三、脫氧反應(yīng)動力學(xué) 脫氧反應(yīng)可分以下幾個步驟： 1)脫氧劑加熱熔化，溶解到鋼水； 2

44、)脫氧元素Mn和鋼水中O反應(yīng)生成脫氧產(chǎn)物，有時在渣，鋼界面和渣中（O）反應(yīng)生成； 3)脫氧產(chǎn)物上浮至渣中。 對于上述三個步驟對于脫氧過程來講是交錯進(jìn)行，并不能截然分開，但如果具體到一個脫氧元素質(zhì)點(diǎn)，則存在三個步驟。首先固體脫氧劑加入到鋼水中發(fā)生吸熱熔化。熔化時間與脫氧劑熔化的吸熱量和鋼水的供熱量有關(guān)。脫氧元素的熔解速度與擴(kuò)散元素有關(guān)，擴(kuò)散系數(shù)大，熔解速度快，出鋼過程中鋼水的攪動，能加速脫氧元素的熔解。 其次，在沉淀脫氧過程中，脫氧元素和鋼水中氧反應(yīng)生成脫氧產(chǎn)物，是一個在鋼水中產(chǎn)生新相的過程，脫氧產(chǎn)物的生成在實(shí)際生產(chǎn)中并未遇到困難，因?yàn)殇撍杏袏A雜物，未熔脫氧劑吸附耐材等現(xiàn)成表面，而且脫氧劑能在

45、局部達(dá)到飽和。 最后就是脫氧產(chǎn)物的聚合、長大和上浮。在煉鋼溫度下，脫氧產(chǎn)物為液態(tài)是其聚合長大的最基本條件。影響脫氧產(chǎn)物上浮速度的因素有：脫氧產(chǎn)物顆粒大小，鋼水粘度，鋼水和脫氧產(chǎn)物的密度差，鋼水與脫氧產(chǎn)物之間的界面張力等。四、脫氧合金化 目前冶煉和連鑄的鋼種主要是鎮(zhèn)靜鋼，各種牌號的合金鋼、高碳鋼、中碳鋼和低碳鋼優(yōu)質(zhì)鋼都屬于鎮(zhèn)靜鋼。鎮(zhèn)靜鋼脫氧比較完全，一般脫氧后的鋼水含氧量小于0.002%。鎮(zhèn)靜鋼的脫氧可分為兩種類型:鋼包內(nèi)脫氧；爐內(nèi)預(yù)脫氧，鋼包內(nèi)終脫氧。 脫氧和合金化操作不能截然分開，而是緊密相聯(lián)，合金化操作的關(guān)鍵問題是合金化元素的加入次序，一般的原則：脫氧元素先加，合金化元素后加；脫氧能力比較

46、強(qiáng)，而且比較貴重的合金，應(yīng)在鋼水脫氧良好的情況下加入；熔點(diǎn)高，不易氧化的元素，可加在爐內(nèi)。 脫氧元素被鋼水吸收的部分與加入總量之比，稱為脫氧元素收得率。在生產(chǎn)碳素鋼時，如知道終點(diǎn)鋼水成分、鋼水量、鋼合金成分及其收得率，可根據(jù)成品鋼成分，計(jì)算脫氧加入量。 脫氧劑加入量= 準(zhǔn)確判斷和控制脫氧元素收得率，是達(dá)到預(yù)期脫氧程度和提高成品鋼成分命中率的關(guān)鍵。冶煉一般合金鋼和低合金鋼時，合金加入量的計(jì)算方法和脫氧劑基本相同，而 合金加入量= 冶煉高合金鋼時，合金加入量大，必須考慮加入的合金量對鋼水重量和鋼水終點(diǎn)成分的影響。 五、鉻、釩、鈮的氧化 鉻是不銹鋼的主要元素，其氧化還原的影響因素有爐渣堿度、溫度和爐渣氧化性。 1、爐渣堿度的影響 研究表明在1600下，當(dāng)爐渣堿度1.0時，隨著堿度的增加，鉻氧化反應(yīng)平衡常數(shù)變化不大；當(dāng)爐渣堿度為1.0-2.0時