第三章煉鋼基本原理2024/7/25/14:23:532主要內容3.1煉鋼的基本任務3.2煉鋼爐渣3.3煉鋼過程的基本反應2024/7/25/14:23:5333.1煉鋼的基本任務四脫：C、S、P、O；二去：氣體、夾雜；二調整：溫度、成分。澆注。4C：控制鋼材強度、硬度的重要元素，每1％[C]

可增加抗拉強度約980MPa。Si：也是增大強度、硬度的元素，每1％[Si]可增加抗拉強度約98MPa。Mn：增加淬透性，提高韌性，降低S的危害等。Al：細化鋼材組織，控制冷軋鋼板退火織構。Nb：細化鋼材組織，增加強度、韌性等。V：細化鋼材組織，增加強度、韌性等。Cr：增加強度、硬度、耐腐蝕性能。各元素作用2024/7/25/14:23:5353.2煉鋼爐渣3.2.1煉鋼爐渣的作用3.2.2煉鋼爐渣的來源及其組成3.2.3煉鋼爐渣的主要性質2024/7/25/14:23:5363.2.1煉鋼爐渣的作用作用：通過對爐渣成分、性能及數量的調整，可以控制金屬中各元素的氧化和還原過程；向鋼中輸送氧以氧化各種雜質；吸收鋼液中的非金屬夾雜物，并防止鋼液吸氣（H、N）。其它作用。如：穩定電弧，保護渣。副作用：侵蝕爐襯；降低金屬收得率。2024/7/25/14:23:5373.2.2煉鋼爐渣的來源及其組成煉鋼爐渣的來源：加入的各種造渣材料及被侵蝕爐襯；煉鋼中化學反應的產物：氧化物和硫化物；廢鋼帶入得泥沙和鐵銹；氧化物或冷卻劑帶入的脈石。爐渣的組成以各種金屬氧化物為主，并含有少量硫化物和氟化物。煉鋼爐渣的基本體系是CaO-SiO2-FeO。2024/7/25/14:23:5383.2.3煉鋼爐渣的主要性質堿度：

R＝1.3～1.5，低堿度渣；

R＝1.8～2.0，中堿度渣；

R≥2.5，高堿度渣；氧化性——爐渣向金屬熔池傳氧的能力，一般以渣中氧化鐵（％∑FeO）含量來表示。把Fe2O3折合成FeO有兩種計算方法：全氧法和全鐵法。全鐵法較合理。爐渣的氧化能力是個綜合的概念，其傳氧能力還受爐渣粘度、熔池攪拌強度、供氧速度等因素的影響。2024/7/25/14:23:5393.3煉鋼過程的基本反應3.3.1煉鋼熔池中氧的來源及鐵液中元素的氧化方式3.3.2煉鋼熔池中元素的氧化次序3.3.3脫碳反應3.3.4硅的氧化3.3.5錳的氧化與還原3.3.6脫磷反應3.3.7脫硫反應3.3.8鋼的脫氧3.3.9脫氣3.3.10去除鋼中夾雜物2024/7/25/14:23:53103.3.1煉鋼熔池中氧的來源及鐵液中元素的氧化方式氧的來源：直接向熔池中吹入工業純氧（>98％）；向熔池中加入富鐵礦；爐氣中的氧傳入熔池。鐵液中元素的氧化方式有兩種：直接氧化和間接氧化。11氧流對金屬熔池的作用

頂吹氧槍O2出口速度通常可達300～350m/s；氧流與熔池作用，將動量傳遞給金屬液；金屬熔池產生循環運動。2024/7/25/14:23:5312直接氧化方式直接氧化是指氧氣直接與鐵液中的元素產生氧化反應。當向鐵液中吹入氧氣時，如果在鐵液與氣相界面有被溶解的元素如[Si]﹑[Mn]﹑[C],雖有大量的鐵原子存在，但根據元素的氧化次序[Si]﹑[Mn]﹑[C]將優先于鐵而被氧化。反應可寫為：[C]+1／2｛O｝=｛CO｝

[Si]+｛O2}=（SiO2）

[Mn]+1／2｛O2｝＝（MnO）在氧氣轉爐煉鋼時氧氣流股沖擊鐵液形成一個沖擊坑，氧氣與鐵液直接接觸，易產生元素的直接氧化。2024/7/25/14:23:5313吹入的氧氣由于動力學的原因首先與鐵液中的Fe原子反應形成FeO進入爐渣同時使鐵液中溶解氧[O]。爐渣中的（FeO）和溶解在鐵液中的[O]再與元素發生間接氧化。其反應為：｛O2｝+Fe=(FeO)(FeO)=Fe+［O］如：2［O］+[Si]=(SiO2)

或2(FeO)+［Si］=2Fe+(SiO2)在渣-金界面上往往產生元素的間接氧化反應。間接氧化方式14多數意見認為氧氣轉爐煉鋼以間接氧化為主

氧流是集中于作用區附近而不是高度分散在熔池中；氧流直接作用區附近溫度高，Si和Mn對氧的親和力減弱從反應動力學角度來看，C向氧氣泡表面傳質的速度比反應速度慢，在氧氣同熔池接觸的表面上大量存在的是鐵原子，所以首先應當同Fe

結合成FeO。2024/7/25/14:23:53153.3.2煉鋼熔池中元素的氧化次序溶解在鐵液中的元素的氧化次序可以通過與1molO2的氧化反應的標準吉布斯自由能變化來判斷。在標準狀態下，反應的ΔGo負值越多，該元素被氧化的趨勢就越大，則該元素就優先被大量氧化。鐵液中常規元素與氧反應的標準吉布斯自由能變化與溫度的關系繪制成圖。

1.Cu﹑Ni﹑Mo﹑W等元素氧化的ΔGo線都在Fe氧化ΔGo線之上。從熱力學角度來說，在煉鋼吹氧過程中這些元素將受到Fe的保護而不氧化。

2.Cr﹑Mn﹑V﹑Nb等元素的氧化程度隨冶煉溫度而定。

3.Al﹑Ti﹑Si﹑B等元素氧化的ΔGo線在圖中位于較低的位置，它們最易氧化。在實際生產中，這些元素作為強脫氧劑使用。

注意：雖然在煉鋼溫度下，Fe氧化的ΔGo線高于其它元素氧化的ΔGo線，但由于鐵液中大多數為Fe原子，氧與Fe原子接觸機會多，故在實際上Fe還是會氧化。2024/7/25/14:23:53173.3.3脫碳反應煉鋼的一個重要任務是利用氧化方法將鐵液中過多的碳去除，稱為脫碳。脫碳反應是貫穿于冶煉過程。在高溫下[C]主要氧化成為CO。[C]與氧的反應有：在渣-金界面上：［C］+（FeO）=｛CO｝+Fe

［C］+［O］=｛CO｝在氣-金界面上：［C］+1／2｛O2｝=｛CO｝2024/7/25/14:23:5318脫碳反應的作用脫碳反應除了調整鋼液碳含量的作用外，其反應產物CO氣體的上浮排除使得脫碳反應給煉鋼帶來獨特的作用。促進熔池成分﹑溫度均勻；

提高化學反應速度；降低鋼液中的氣體含量和夾雜物數量：在氧氣轉爐中，排出CO氣體的不均勻性和由它造成的熔池上漲往往是產生噴濺的主要原因2024/7/25/14:23:53193.3.4硅的氧化硅的直接氧化和間接氧化反應式在氣-金界面上

［Si］+O2=（SiO2）在渣-金界面上

［Si］+2［O］=（SiO2）

［Si］+2（FeO）=（SiO2）+2Fe

2024/7/25/14:23:5320硅的氧化對煉鋼的影響[Si]氧化產生大量的化學熱，是轉爐煉鋼的主要熱量來源之一，它可使吹煉初期熔池溫度能夠較快升高，有利于轉爐廢鋼加入量增加和初期渣熔化成渣。[Si]氧化反應產物SiO2是酸性很強的氧化物，它影響到煉鋼的爐渣堿度和石灰加入量。爐渣中的SiO2易侵蝕堿性爐襯，降低煉鋼爐的爐齡。2024/7/25/14:23:53213.3.5錳的氧化與還原鐵液中的錳反應，形成在高溫下是穩定的MnO。[Mn]的氧化反應式為：

在氣-金界面上

［Mn］+1/2O2=（MnO）

在渣-金界面上

［Mn］+［O］=（MnO）

［Mn］+（FeO）=（MnO）+Fe

2024/7/25/14:23:5322[Mn]氧化還原對煉鋼的影響[Mn]氧化產生的化學熱是轉爐煉鋼的熱源之一。[Mn]氧化產物MnO為堿性氧化物，在冶煉初期MnO與CaO﹑SiO2﹑FeO等形成多元系爐渣，MnO具有降低爐渣熔化性溫度，幫助化渣的作用。在堿性法煉鋼中，MnO的還原有利于提高鋼水中的殘余錳量，鋼中錳可提高鋼的品質，降低鋼的脆性，對鋼有強化作用。23對絕大多數鋼種，磷是有害的雜質。■冷脆；■調質鋼的回火脆性；■熱加工性；■焊接性能等。

某些鋼種，例如高Ni合金鋼、低溫液態氣體儲罐、奧氏體不銹鋼等，要求盡量降低[P]含量。[P]對9％Ni鋼低溫韌性的影響3.3.6脫磷反應2024/7/25/14:23:5324脫磷反應氧化脫磷：在煉鋼溫度下，氣化脫磷反應是不能進行的。由于Fe優先于[P]氧化，通過直接氧化反應的氣化脫磷也是難以進行的。通過加入石灰造堿性渣可以將鐵液中的磷脫出到爐渣中。這是由于P2O5時是酸性氧化物，遇到堿性氧化物如CaO能生成穩定的化合物而進入爐渣。2024/7/25/14:23:5325用堿性爐渣進行脫磷的反應為：在渣-金界面

3(CaO)+2[P]+5[O]=(3CaO·P2O5)

3(CaO)+2[P]+5(FeO)=(3CaO·P2O5)+5Fe

在渣-金-氣界面

3(CaO)+2[P]+5/2O2=(3CaO·P2O5)

脫磷反應式2024/7/25/14:23:53263.3.7脫硫反應反應熱力學爐渣分子理論認為，脫硫反應為：

［S］+（CaO）=（CaS）+［O］分子理論解釋不了純FeO渣也能脫硫的現象，故爐渣離子理論認為，脫硫反應屬于電化學反應：

［S］+（O2-）=（S2-）+［O］

2024/7/25/14:23:5327爐渣脫硫原理2024/7/25/14:23:5328氣化脫硫氣化脫硫主要通過爐渣中硫的氣化來實現，即：

(S2-)+3/2{O2}={SO2}+(O2-)或寫為：

6(Fe3+)+(S2-)+2(O2-)=6(Fe2+)+{SO2}

6(Fe2+)+3/2O2=6(Fe3+)+3(O2-)

兩個反應式表明，渣中的鐵離子充當氣化脫硫所需氧的媒介。需要明確的是，氣化脫硫是以爐渣脫硫為基礎的，首先硫從金屬液被脫除到爐渣中，然后爐渣中的硫再被氣化脫除進入爐氣中。在轉爐煉鋼中，有約三分之一的硫是以氣化脫硫的方式去除的。29氧對鋼性能的影響鋼中原溶解的絕大部分氧以鐵氧化物、氧硫化物等微細夾雜物形式在奧氏體或鐵素體晶界處富集存在;在鋼的加工和使用過程容易成為晶界開裂的起點，導致鋼材發生脆性破壞;鋼中氧含量增加降低鋼材的延性、沖擊韌性和抗疲勞破壞性能，提高鋼材的韌－脆轉換溫度，降低鋼材的耐腐蝕性能等。3.3.8鋼的脫氧2024/7/25/14:23:5330鋼的脫氧脫氧是向煉鋼熔池或鋼水中加入脫氧劑，脫氧元素與氧反應，生成的脫氧產物或進入渣中或成為氣相排出。脫氧劑應具有脫氧元素與氧的親和力大、脫氧產物易排除、成本低和來源廣等的特點。根據脫氧反應發生的地點不同，脫氧方法分為沉淀脫氧﹑擴散脫氧和真空脫氧。鋼種轎車面板不銹鋼板軸承鋼管線鋼輪胎鋼絲[O]/％0.0030.0040.00050.0020.0032024/7/25/14:23:5331沉淀脫氧又叫直接脫氧。把塊狀脫氧劑加入到鋼液中，脫氧元素在鋼液內部與鋼中氧直接反應，生成的脫氧產物上浮進入渣中的脫氧方法稱為沉淀脫氧。出鋼時向鋼包中加入硅鐵﹑錳鐵﹑鋁鐵或鋁塊脫氧就是沉淀脫氧。這種脫氧方法由于脫氧反應在鋼液內部進行，脫氧速度快。但生成的脫氧產物有可能難以完全上浮而成為鋼中非金屬夾雜。2024/7/25/14:23:5332擴散脫氧又叫間接脫氧。它是將粉狀的脫氧劑如C粉﹑Fe-Si粉﹑CaSi粉﹑Al粉加到爐渣中，降低爐渣中的氧含量，使鋼液中的氧向爐渣中擴散，從而達到降低鋼液中氧含量的一種脫氧方法。在電爐煉鋼的還原期和爐外精煉過程向渣中加入粉狀脫氧劑進行脫氧操作就是擴散脫氧。其特點是：由于脫氧反應在渣中進行，鋼液中的氧需要向渣中轉移，故脫氧速度慢，脫氧時間長。但脫氧產物在渣相內形成，不在鋼中生成非金屬夾雜物。33鋼液中[O]向爐渣擴散傳遞，與加入到爐渣中脫氧元素進行反應：第二步：在渣－鋼界面發生脫氧反應。第一步：鋼液中[O]向渣－鋼界面傳遞，2024/7/25/14:23:5334是利用降低系統的壓力來降低鋼液中氧含量的脫氧方法。它只適用于脫氧產物為氣體的脫氧反應如[C]-[O]反應。這種脫氧方法常用于爐外精煉中，如RH真空處理﹑VAD﹑VD等精煉方法都可實現鋼液的真空脫氧。真空脫氧因脫氧產物為氣體，易于排除，不會對鋼造成非金屬夾雜的污染，故這種脫氧方法的鋼液潔凈度高。但需要有專門的真空設備。真空脫氧2024/7/25/14:23:5335元素的脫氧能力元素的脫氧能力可用同一條件下與相同含量的脫氧元素相平衡的殘余氧量來表示。常用的脫氧元素有Mn﹑Si﹑Al,而Mn﹑Si常以Fe-Mn﹑Fe-Si鐵合金的形式作為脫氧劑來使用。

Al的脫氧能力最大，Si的脫氧能力次之，常用于終脫氧和鎮靜鋼脫氧。Mn的脫氧能力最小，常用于預脫氧和沸騰鋼脫氧。2024/7/25/14:23:5336脫氧產物的特性Mn的脫氧產物為MnO，屬于堿性氧化物，與酸性氧化物如SiO2相遇時，可以結合成復合的氧化物，使MnO的活度降低，從而提高了Mn的脫氧能力。由于Si的脫氧產物為SiO2，屬于酸性氧化物，易與堿性氧化物結合成硅酸鹽之類的復雜氧化物，使SiO2的活度降低，使Si的脫氧能力增加。Al的脫氧產物Al2O3是中性氧化物，它既可與酸性氧化物結合也可與堿性氧化物相結合，因此，不論是與堿性氧化物還是與酸性氧化物相遇，均可降低Al2O3的活度，從而使Al的脫氧能力提高。正因為脫氧產物具有這樣的特性，所以，對氧含量要求嚴格的鋼常采用復合脫氧劑來進行脫氧。2024/7/25/14:23:53373.3.9脫氣鋼中氣體（H、N）的來源：金屬料如廢鋼和鐵合金中含有的一定量的氫和氮。潮濕的造渣劑，加入爐內后分解，也使鋼中氣體增加。耐火材料用粘結劑含有8%～9%的氫。暴露在空氣中的鋼液，會從空氣中吸收氫和氮。如果煉鋼采用的氧氣不純，也能造成鋼的增氮。氣體的溶解反應為：

?{H2}=[H]

?{N2}=[N]2024/7/25/14:23:5338降低鋼中氣體的措施提高煉鋼原材料質量。如使用含氣體量低的廢鋼和鐵合金；對含水分的原材料進行烘烤干燥，采用高純度的氧氣等。盡量降低出鋼溫度，減小氣體在鋼中的溶解度。在冶煉過程，應充分利用脫碳反應產生的溶池沸騰來降低鋼水中的氣體含量。用爐外精煉技術，降低鋼水中的氣體含量。如采用鋼包吹氬攪拌，真空精煉脫氣，微氣泡脫氣等方法對鋼水進行脫氣處理。采用保護澆注技術，防止鋼水從大氣中吸收氣體。2024/7/25/14:23:53393.3.10去除鋼中夾雜物鋼中夾雜物的來源鋼中存在著硫﹑磷﹑氧﹑氮等雜質元素，這些元素與鋼中的合金元素如硅﹑錳﹑鋁﹑鈦﹑釩等形成非金屬化合