1、1 炼钢基本原理 1 炼钢的基本任务 一般的钢和铁都是以铁元素为基本成分的铁碳合金。生铁和钢所以在性能上有较大的差异主要原因是由于含碳量的不同使铁碳合金的组织结构不同而造成的。生铁含碳高，硬而脆，冷热加工性能差因而 90的高炉生铁须经再次冶炼成为具有良好金属特性的钢，才能加工成各种类型的钢材而使用。 生铁除含有较高的碳外，还含有一定量的其它杂质。所谓炼钢，就是通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害杂质，再根据对钢性能的要求加入适量的合金元素，使其成为具有高的强度、韧性或其它特殊性能的钢。因此炼钢的基本任务 可纳为： (1)脱碳并将其含量调整到一定范围。碳含量的不同不但是引起生铁和钢性能差异的决定性因
2、素，同样也是控制钢性能的最主要元素。钢中含碳量增加，则硬度、强度、脆性都将提高，而延展性能将下降；反之，含碳量减少，则硬度、 强度下降而延展性提高。所以，炼钢过程必须按钢种规格将碳氧化至一定范围。 (2)去除杂质，主要包括： 1)脱磷、脱硫：对绝大多数钢种来说，P、S 均为有害杂质。P 可引起钢的冷脆，而 S 则引起钢的热脆，因此，要求在炼钢过程中尽量除之。2)脱氧：由于在氧化精炼过程中，向熔他输入大量氧以氧化杂质，至使钢液中洁入一定量的氧它将大大影响钢的质量。因此，需降低钢中的含氧量。一般是向钢液中加入比铁有更大亲合力的元素来完成(如A1、Si、Mn 等合金)。 3)去除气体和非金属夹杂物；
3、钢中气体主要指镕解在钢中的氢和氮。非金属夹杂物包括氧化物、硫化物、磷化物、氮化物以及它们所形成的复杂化台物。在一般炼钢方法中，主要靠碳氧反应时产生 CO 气泡的逸出，所引起的熔池沸腾来降低钢中气体和非金属夹杂物。 (3)调整钢液成分和温度。为保证钢的各种物理、化学性能，除控制钢液的碳含量和降低杂质含量外，还应加入适量的合金元素使其含量达到钢种规格范围。 为完成上述各项任务并保证钢液能顺利浇注，必须将钢液加热并保持在一定的高温范围内，同时根据冶炼过程的要求不断将钢液温度调整到合适的范围。(4)将钢液浇注成质量好的钢锭或钢坯。通过模铸或连续铸钢方法，将钢液浇注成各种不同形状和不同断面尺寸的、质量良
4、好的钢锭或钢坯。2 炼钢炉渣的作用 炉渣是炼钢过程中的必然产物，又是实现一系列重要冶金反应的基本条件。它直接参与炼钢过程的物理化学反应和传热、传质过程。其具体作用如下： 1)通过对炉渣成分、件能及数量的调整，可以控制金属中各元素的氧化和还原过程，如调整渣的碱度及渣中 FeO 含量来去除 P、S 等。 2)向钢中输送氧以氧化各种杂质。如平炉、电炉炉气中和矿石中的氧，均通过炉渣传入钢液。 3)吸收钢液中的非金属夹杂物并防止钢液吸气(H 和 N)。 4)其它作用：电弧炉炉渣可起稳弧作用；电渣炉炉渣是电阻发热体，可重熔和精炼金属；浇注过程中采用保护渣可改善钢锭质量等。 除上述有利作用外，炉渣也有不利的
5、一面，那就是炉渣能侵蚀炉衬，降低炉衬寿命。同时因渣中央带金属小珠及术还原的金属氧化物，因而使金属回收率低。因此，我们要选用适当成分的炉渣并控制适当的温度，使炉渣具有合适的物理化学性质，从而在冶炼过程中发挥其有利的作用而尽量抑制其不利的作用。2.1 炼钢炉渣的来源及其主要组成 炼钢炉渣的来源有： 1) 废钢带入的泥沙和铁锈等：氧化物或冷却剂(矿石、烧结矿等)带入的脉石。 2) 2)加入的各种造渣材料( 石灰、萤石、粘土砖等)以及被侵蚀的炉衬耐火材料。 3) 3)炼钢过程中化学反应的产物，即金属炉料、脱氧剂及合金中的各元素被氧化后所生成的氧化物(SiO2、MnO、P2O5、FeO、Al2O3 、F
6、e 2O3)；还有少量硫化物(CaS、MnS)。 由上可见，炉渣的组成以各种金属氧化物为主，并含有少量硫化物和氟化物。炼钢炉渣的基本体系是 CaOSiO2FeO，渣中各成分的酸碱性强弱顺序为： CaO MgO MnO FeO CaF2 Fe2O3 A12O3 TiO2 SiO2 P2O5 碱性中性酸性 2.2 炼钢炉渣的主要性质 (1)炉渣的碱度。炼钢炉渣碱度常用的表示方法有： 1)当沪料含 P 较低时(铁水 P0.3%)，用渣中碱性最强的 CaO 和酸性最强的 SiO2 含量之比表示。即：RCaO/ SiO2。 2)当炉料中含 P 量较高时，则要考虑渣中 P2O5 对碱度的影响，此时的表示方
7、法有多种，其中最简单的人法是将 P2O5 与 SiO2 的作用视为等值的表示方法。即：R CaO/ SiO2+ P2O5。 炼钢碱性渣按其碱度大小。一般可分为三类：R1.3-1.5 为低碱度；R 1.8-2.0 为中碱度渣； R2.5 为高碱度渣。 (2)炉渣的氧化性。炉渣的氧化性是指炉渣向金属熔他传氧的能力，一般以渣中氧化铁含量来表示。 炉渣中的氧化铁有两种形式，即 FeO 和 Fe2O3。化学分析时经常确定总铁量(即 Fe量)及 FeO 量，通过计算即可得出 Fe2O3 量。通常用%FeO 表示炉渣氧化性。把 Fe2O3 折合为 FeO 有两种计算方法： 1)全氧法：%FeO Feo 十
8、1.35Fe 2O3 式中 1.35372/160 表示各氧化铁中全部的氧为 FeO，1 摩尔 Fe2O3可生成 3 摩尔的 FeO。 2)全铁法：%FeO FeO 十 0.9Fe 2O3 式中 0.9272/160 表示各氧化铁中全部的铁为 FeO，1 摩尔 Fe2O3 可生成 2 摩尔的 FeO。 全铁法比较合理。因为在渣样冷却过程中，有少量低价氧化铁被氧化成高价氧化铁，使全氧法计算结果偏高，而全铁法则可避免这种误差。 实际炉渣的氧化能力是个综合的概念，其传氧能力还受炉渣粘度、熔池搅拌强度、供氧速度等因素的影响。 3 炼钢过程的基本反应 在炼钢的氧化精炼过程中，各种炼钢方法去除杂质的基本过
9、程都是一样的。其主要手段是向熔池吹入氧气(或加入矿石)并加入造渣剂形成熔渣来去除原材料中的杂质。因此只有 了解炼钢过程中熔池传氧和各种元素的反应规律，才能认识炼钢工艺操作的本质。 熔池中氧的来源主要有三种形式：一是直接向熔池中吹入工业纯氧(含O298)；二是向熔池中加入富铁矿；三是炉气中的氧传入熔池。 氧在钢液中存在的形式，目前，常看作为氧原子、氧化亚铁分子 FeO或氧离子 O-2。当书写熔池中化学反应时，钢液中的氧常以O 来表示。铁液中元素的氧化方式大致有两种，即直接氧化与间接氧化。 其总反应式可写成： O2+2Me2MeO，可看作是元素 Me 的直接氧化，而O+2Me2MeO，可看作是元素
10、 Me 的间接氧化。 由于熔池中 Fe 原子数远大于其它元素的原子数，所以在氧流作用区，氧首先与铁结合成 FeO，表面生成 FeO 薄膜的金属液滴随氧气射流急速前进，参与熔池的循环运动，将氧传给金属，并氧化杂质，起到了间接氧化的作用，即： FeO Fe +O Si +2OSiO2 Mn +OMnO 2P +5OP2O5 C +OCO C +OC O2 从上可知，吹入熔池中的气体氧，一部分溶入金属，一部分与杂质元素反应，一部分则以 FeO 形式进入炉渣。 实际熔池中的传氧过程，很难区分是直接氧化还是间接氧化，两者几乎同时存在，只是随供氧条件不同各自所占比例不同而已。目前，大多数人认为，在氧气顶吹
11、转炉中，是以间接氧化方式为主。理由是：氧气顶吹转炉供氧速度大，氧气射流又集中于作用区附近，而不是高度分散在熔池中，因此当其它元素还未来得及到达氧气泡表面时，氧巳和接触表面上大量存在的铁原子首先结合成 FeO 了。同时，由于氧气泡表面温度很高(2200以上)，使 Si、Mn 对O 的亲和力减弱。 另方面，当金属液不与炉气中的气态氧直接接触或接触很少时，如在平炉、氧气顶吹转炉高枪位操作时的情况。这时气态氧主要通过炉渣以下列方式传入金属：首先气渣界面上的(FeO)被氧化成高价氧化铁； (FeO)+1/2 O2(Fe2O3) 由于熔池的对流作用，当含 Fe2O3 高的炉渣与金属液接触时，又被还原 (F
12、e2O3) +Fe3(FeO) 3.1 炼钢熔池中元素的氧化次序 (1)纯氧化物的分解压 熔池中元素被大量氧化的先后次序，取决于它们与氧的亲和力的大小。一般用该元素氧化物的分解压来表示该元素与氧的亲和力的强弱。纯氧化物的分解 反应可用下式表示： K PO2 此 PO2 即称为该氧化物的分解压。通过实验测得不同温度下的分解压，即可绘出 PO2-t的关系曲线图 1。图 1 曲线的位置愈低，表明该氧化物的分解压愈小，该氧化物愈稳定，即该元素易被氧化。3.1 脱碳反应 (1)脱碳反应的作用。碳氧反应是炼钢过程中的一个主要反应。将熔池中的碳氧化脱除至所炼钢种的要求，是炼钢的基本任务之一。而脱 C反应的产
13、物CO 气体从熔池中排出时，剧烈地搅动金属液与炉渣而产生“沸腾”现象，加速了传质和传热过程，均匀了熔池的成分和温度并有利于冶金物化反应的进行。同时，也有利于熔池中有害气体和非金属夹杂物的排除。因此，脱 C 反应实质上是完成炼钢任务的重要手段。 (2)脱碳反应式。溶解于金属液中的 C，通常以C表示。 在氧气炼钢中，一部分 C 可在反应区同气体 O2 接触而被氧化 C+ O2CO C也同溶于金属中的O 发生反应而氧化去除，其反应式为： C+ OCO C+ 2OCO2 在通常的熔池中，C 大多数按式C+ OCO 发生反应，即 C 的氧化产物绝大多数是 CO 而不是 CO2。因为当熔池中 C 高时，C
14、O2 也是 C 的氧化剂，将发生下列反应： C+ CO2 2CO 当反应达平衡时，其平衡常数可写为： = %(3)炼钢熔池中C+和O浓度的关系。 为便于分析，常 Pco 取为一个大气压，可简化为： = 1%=1由于 Kc 随温度的变化不大，在炼钢温度范围内 Kc 为一定值，用 m 代表则可写出=%m 称为碳氧浓度积，它具有化学反应平衡常数的性质，在定温度和压力下应是一个常数，而且与反应物和生成物的浓度无关。据此可作出在一定温度下的C-O平衡曲线，如图 2 所示。由图 2 可看出熔池中平衡时碳和氧的浓度间具有等边双曲线函数的关系。这种关系显示了熔池中碳和氧的浓度是相互制约的，即熔池中含氧量主要决
15、定于含碳量，碳越低氧含量就越高。 实验测得在 1600时、Pco=1.0132510 5Pa 时，m0.0025，这是炼钢文献上常用的理论上的碳氧浓度积数值。在实际炼钢熔池中，%C与%O 的数值与平衡值偏离较大。各种炼钢方法中实际的熔池含氧量都高于相应的理论含量，即O实际O 平衡。这说明熔池中存在着若干过剩氧，即O O实际一O平衡。虽然如此，从图 3 中仍可看出 ,实际熔池中的碳、氧含量之间仍保持有近似等边双曲线的关系。由此可知，熔池中实际含氧量仍主要决定于含碳量，即C高，则O 低，C低，则O高。3.2 硅的氧化和还原 在炼钢金属料铁水和废钢中，均含有一定数量的 Si。Si 在铁液中有无限溶解
16、度，它与铁的稳定化合物为 FeSi，在炼钢温度下 Si 可氧化成稳定的化合物 SiO2。 (1) 硅的氧化。在任何一种炼钢操作中，由于 SiO2 的分解压低，所以在熔炼初期即被迅速氧化，并放出大量的热。其氧化反应式为：2(FeO)+Si=SiO2+2Fe+341224KJ由于 Si 的氧化为强烈的放热反应，故温度低有利于 Si 的氧化。 Si 氧化时产生的 SiO2 起初与(FeO)结合成硅酸铁，即：在碱性操作法中，随着石灰的逐渐熔化，(FeO)被强碱性的氧化钙所置换：硅酸钙很稳定，故在碱性渣中，冶炼前期 Si 几乎全部被氧化而不会再被还原。 (2) 硅的还原。在酸性操作中，酸性渣中的(SiO
17、 2)经常是过饱和的(SiO2=50) ，而且炉底、炉衬均含有 SiO2，这些都是 Si 还原的有利条件。因此、当熔池温度升高到一定程度后，将发生 Si 的还原反应。一般认为 Si 的还原按以下反应方程式进行，即：(SiO2)+2C=Si+2CO由反应式可知，当有产生 CO 气泡核心的条件时，就有可能发生 Si 的还原反应。因此，在加矿期，熔渣与金属界面上有末熔的矿石颗粒时，其上的孔隙可成为 CO 气泡的核心，故渣中的(SiO 2)可被还原；在酸性炉底有很多小孔隙，也可成为 CO 气泡的核心，所以炉底的 SiO2 也可被还原。另外，酸性炉衬中的 SiO2 也可被分解而进入金属。3.3 锰的氧化
18、和还原 与硅相同。炼钢熔池中总合有一定量的锰。锰也能无限溶于铁液中。锰的氧化产物为 MnO，其氧化反应式为：Mn+FeO=MnO+Fe+123511KJ在有过量(FeO) 存在时， (MnO)、(SiO 2)、(FeO)将结合为(Fe 、Mn) 2SiO2，随着(CaO)的增加，(Fe、Mn) 2SiO2 逐渐向 Ca2SiO4 转变，即：Mn 的氧化还原与 Si 的氧化还原相比，有以下基本特点： 1)在冶炼初期 Mn 和 Si 一样被迅速大量氧化但 Mn 的氧化程度要低些，这是由于 Si 与氧的结合能力大于 Mn 与氧的结合能力。 2) MnO 为弱碱性氧化物，在酸性渣中大部分(MnO) 将
19、生成较稳定故硅酸盐，因此，酸性渣下 Mn 的氧化较完全，不易被还原。在碱性渣中的(MnO),则大部分里自由状态存在。因此，在一定条件下可以被还原。由于 Mn 的氧化反应是放热反应，故温度升高有利于 Mn 的还原，所以在冶炼后期，将有一定量的“余锰”存在。3.4 脱磷反应 (1)磷对钢性能的影响。在液体铁中，磷以元素磷的形式。也能以磷化铁(Fe3P 和 Fe2P) 的形式存在。 (2)脱磷的基本反应。在碱性炼钢法中，P 的氧化是在炉渣金属液界面进行的，其反应式为：生成的磷酸铁在高温下很不稳定，可重新分解出 P2O5。而 P2O5 的分解压较大，是个不稳定的氧化物。因此，仅靠生成 P2O5 是不能
20、把磷去除的。但 P2O5 是酸性氧化物，若用碱性氧化物与其结合成稳定化合物则可去除。一般认为，在碱性渣中 P2O5 与 CaO 形成稳定的化合物。因此，碱性操作中需加入石灰使 P2O5 形成稳定的 3CaO. P2O5 或 4CaO. P2O5 存在于渣中，才能有效地脱磷，即(3)脱磷基本条件的分析。影响脱磷过程的因素较多，主要是炉渣成分和温度，而炉渣成分又主要体现在炉渣的碱度和氧化性(氧化铁含量)上。此外，钢液其它成分、炉料含磷量、渣量和炉渣粘度等，也对脱磷过程有一定程度的影响。 1)炉渣成分的影响：由脱磷的基本反应式可知，高碱度、高氧化铁炉渣有利于去磷。 2)温度的影响：脱磷是强放热反应，
21、所以高温不利于去磷。同时，高温促使脱碳反应速度增加，使渣中(FeO)含量显著降低，也不利于去磷。但熔池温度的提高，将加速石灰的熔化，加强钢渣界面的反应。所以从动力学角度来看，过低的温度也不利于磷的去除。 3)金属成分的影响：钢液中其它元素和杂质对脱磷反应也有一定影响。一般说来，某元素与氧的亲和力大于磷与氧的亲相力时，则该元素将阻碍磷的氧化。这个影响主要在炼一炉钢的初期有一定作用，而更主要的作用是它们的氧化产物影响炉渣的性质。如铁水中含 Si 过高，影响炉渣碱度而不利于去磷，Mn 高则使渣中(MnO)增高，有利于化渣而促进脱磷等。 4)渣量的影响：增加渣量可以促进脱磷。因增加渣量意味着稀释，多次
22、换渣操作是脱磷的有效措施，但金属和热量的损失较大。 (4)回磷。在冶炼或出钢过程中，如果炉温过高，碱度、(FeO)过低，往往会使已脱除到渣中的磷又返回到钢液中去，这个现象就叫做“回磷” 。冶炼过程中的回磷现象，一般开始于炉内预脱氧期，直至出钢。其后，在盛钢桶中的回磷延续到浇注完毕。在脱磷过程中，如果操作不当，也会出现含磷量回升的现象例如，氧气转炉发生炉渣返干现象，渣中(FeO)低；或熔池温度过高，都将发生回磷。熔炼末期向炉内或出钢过程向钢包内的钢水中加入脱氧剂，将使钢中氧及渣中(FeO) 下降，发生下列反应：钢中硅和铝的含量越高则回磷现象越严重。出钢后，钢液在钥包内镇静和浇注延续时间较长，由于
23、炉渣溶解酸性包衬而降低了碱度，使浇注末期金属含磷量升高。 为了抑制回磷现象，在生产中常用的办法是：出钢前向炉内加入石灰，使终渣变稠以防出钢时下渣；或用挡渣球等机械方法防止下渣；出钢时向钢包渣而上加入小粒石灰以减弱炉渣的反应能力；尽可能缩短钢液在钢包内的停留时间。3.5 脱硫反应 硫在铁液中以 FeS 形式存在，1600 下硫在钢中能无限溶解，但其溶解度随温度的降低而减小，在固态铁中的溶解度很小。因此在钢液凝固过程中，低熔点(1193 )的 FeS 将浓聚于液相中，并将与 Fe 形成低熔点共晶(988 )，最后凝固时形成网状组织分布于铁晶粒周界上。当钢在热加工的加热过程中，温度超过 1100左有
24、时，富集于晶界的低熔点硫化物将使晶界成脆性或熔融状态，在轧制或锻造时，即出现断裂，这种现象称为“热脆” 。 脱硫反应一般在还原期进行，其反应如下： (CaO)+ FeS= (CaS) + FeO影响炉渣脱硫的因素： A 炉渣碱度的影响 高碱度渣有利于脱硫。但脱硫是在钢渣界面进行的反应，在炼钢温度下，若炉渣碱度过高，炉渣粘度增大，从而增加了反应物FeS通过钢渣界面的阻力，亦降低了脱硫产物(CaS)离开反应区的扩散速度。因此，在提高碱度的同时，必须保证护渣具有良好的流动性。渣碱度与脱硫分配比的大致关系如图所示。B 渣中氧化铁含量的影响 渣中(Fe0)含量对脱硫的影响比较复杂。从脱硫反应方程式知，(
25、Fe0) 越低，则 Ls(Ls=(%S)/%S)越大如图 3，故降低氧化铁有利于脱硫反应的进行。C 温度的影响 提高温度有利于脱硫。因脱硫是吸热量较小的反应，温度对反应影响不大。更重要的影响是高温能促进石灰的渣化和提高护渣的流动性，从而增加脱硫效果。 D 渣量的影响 增大渣量对脱硫有利。但渣量要适当，以避免渣层过厚，使脱硫反而不活跃。另外。还应加强钢渣搅拌扩大反应界面，以利于脱硫反应的进行。如电炉出钢时采用钢渣混出的方式，使渣钢强烈搅拌，反应界面大大增加有利于脱硫。 应该指出，过分提高碱度或增大渣量及多次放渣、造渣等，不仅给操作带来困难，而且影响技术经济指标。因此，降低钢中含硫量的主要途径是控制原料的含硫量。
