1、钢包渣中的氧化物与氮反应的热力学研究（一） 王世俊， 黄小东， 王海川， 王如萌， 李元（安徽工业大学 冶金与资源学院，安徽 马鞍山 243002）摘要: 通过对钢包渣中的 Al2O3，B 2O3, TiO2 等氧化物与氮的反应的理论计算可知：还原性的钢包渣的氧化物在低压的情况下可以与氮反应，对钢液脱氮有利；钢液在深脱氧的情况下，熔渣中的氧化物能较好的脱出钢液中的氮；其中 B2O3, TiO2 两种氧化物对钢液脱氮的促进作用比 Al2O3 强。关键词: 氧化物，钢包渣，钢液中图分类号：TF769.2 文献标识码： AThermodynamic Research of Nitrogen Reac
2、tion with Oxides in the Ladle Slag (1)WANG Shi-jun , HUANG Xiao-dong , WANG Hai-chuan, Wang Ru-MENG , Li-yuan(School of Metallurgy Under the condition of the liquid steel that is deeply oxidized, the oxides in the molten slag can better denitrogenate from the molten steel. The effects of oxides of B
3、2O3 and TiO2 on removal nitrogen from the liquid steel are a little stronger than those of Al2O3. Key words: oxide; ladle slag; liquid steel随着对钢铁材料纯净度的要求日益提高，迫切需要改进现有的钢铁冶炼工艺，以提高钢液的质量和生产率。近十年来冶金技术的改进大大降低了钢液中 C，P，S 和 H 的含量，但脱氮技术远远没有达到去除其它杂质的技术水平。现有的真空去气技术虽然在热力学方面并不存在问题；但操作实践表明，仅在低S 条件下，才有 2030脱氮效果 1。所
4、以寻求新的高效的脱氮方法已成为冶金工作者首要任务。有些研究者尝试着用熔渣脱氮,熔渣对钢液不仅能起保护作用，也可以脱出钢液中的氮，因此采用高氮化能力的熔剂进行钢包处理除氮的可行性研究成为众多冶金研究者探索的课题，目前有关这方面的报道不多 2；同时,关于熔渣中的氧化物与氮的反应的热力学理论计算的几乎没有报道，本论文对钢包渣中的 Al2O3，B 2O3, TiO2 等氧化物与氮的反应进行了热力学计算，目的在于为冶金工作者提供理论参考。计算中假设渣中熔解的氧化物为纯物质，即 为 1。23232,TiOBAla1 Al2O3与氮反应的热力学计算（1） 3sl OAl3224G.4081(2) 3sl N
5、1 T5213276收稿日期：20050525 国家自然科学基金资助项目（50374002） ；安徽省教育厅自然科学研究资助项目（2004kj073）作者简介：王世俊（1963） ，男，安徽合肥人，安徽钢液大学冶金与资源学院教授。由 3/2（1）式2（2）式得：（3） ssAlNOAlN23 TG29.016543在炼钢温度 1600时 =857480.83（J） 。根据 ,求得 为3GlnKRT31.2181024 ，由 ，取 ，可求得平衡氧分压pKNO/)(233 pN12=1.141016 。所以只有在氧分压低于 1.441016 的还原气氛中，空气标准压2Opp力下的氮气才能和渣中 A
6、l2O3 发生反应。Al2O3 与钢液中的氮反应（4） 3N21 TG8.23604由（3）式2（4）式得：（5） ss AlAl32 9.175在炼钢温度 1600时， =761126.03 (J)。 根据 ，求得平衡常数5G5lnKRT=5.9261022 。由 ，当反应平衡时，由5K NOapRTK2355lnl 推出 。假设氮在钢液中服从亨利定律，即 ,且05GNOap235 Nwa取 6103 ,求得平衡氧分压 为 7.6921018 ，即只有在氧分压低于Nw2Op7.6921018 的还原气氛时，钢液中的氮才有可能与渣中 Al2O3 的发生反应。p钢液在深脱氧时，覆盖剂脱去部分钢液
7、中的氮的反应（6） 321 TG89.17506由（5）式3（6）式得：（7） ss AlNOAl3326.47在炼钢温度 1600时， 393437.12（J） 。根据 ,求得平衡常数7G7lnKRT1.06510 11 。根据 ， 当反应平衡时由7K 2377lnlNOaKRT推出 。假设氮和氧在钢液中服从亨利定律，即 ,07GNOa237 Nwa,且 取 6103 ，求得平衡氧量 =7.265106 ，即 7.265106 。所以OwaNOw当钢液氧浓度低于 7.265106 时，钢液中的氮就可以和渣中 Al2O3 的发生反应。2 B2O3 与氮反应的热力学计算（1） 3ssB3224
8、TG48.1568091（2） 3SsN272由（2）式3/2（1）式得：（3） ssON232 T9.51380在炼钢温度 1600时 =641263.84（J）,根据 ,求得 为3G3lnKRTG31.3051018 。由 ，取 ，可求得氧的平衡分压pKNO/)(23pN12=1.1941012 。所以只有在氧分压低于 1.1941012 的还原气氛中，标准压力2Opp 下的氮气才能和渣中的 B2O3 发生反应。B2O3 与钢液中的氮反应（4） 3N21 TG8.23604由（3）式2（4）式得：（5） ss B32 5.9715在炼钢温度 1600时， =544909.04 (J)。 根
9、据 ，求得平衡常数5GlnKRT=6.3521016 。由 ，当反应平衡时由5KNOapRTK2355 2lnl推出 。假设氮在钢液中服从亨利定律，即 ,且 取05G2352NOap Nwa6103 ,求得氧的平衡分压 为 8.0561014 ，即只有在氧分压低于 8.05610142Op的还原气氛时，钢液中的氮才有可能与渣中 B2O3 发生反应。p钢液在深脱氧时，覆盖剂脱去部分钢液中的氮的反应（6） 321 TG89.217506由（5）式3式（6）得：（7） ss BNOB23232 TG19.08376在炼钢温度 1600时， 177220.13（J） 。根据 ,求得平衡常数7G7lnK
10、RT1.14110 5 。根据 ， 当反应平衡时由7K 2377lnlNOaKRT推出 。假设氮和氧在钢液中服从亨利定律，即 ,07GNOa237 Nwa,且本实验中 取 6103 ，求得平衡氧量 =7.435104 。所以当钢液氧Owa Ow浓度低于 7.435104 时，钢液中的氮就可以和渣中的 B2O3 发生反应。3 TiO2 与氮反应的热力学计算（1） 3ssTii2 TG08.17941（2） 3SsN652由（2）式2（1）式得：（3） ssTiOTiN22 T26.170483在炼钢温 1600时 (J)。根据 ，求得 为0.89653G3lnKRTG39.8851026 。由
11、，取 ，可求得氧的平衡分压pKNO/)(23 pN12=3.1441013 。所以只有在氧分压低于 3.1441013 的还原气氛中，标准压力2Opp 下的氮气才能和渣中的 TiO2 发生反应。TiO2 与钢液中的氮反应（4） 3N21 TG8.23604由 1/2（3）式（4）式得：（5） ssTiOTi22 9.15在炼钢温度 1600时， =400114.11 (J)。根据 ，求得平衡常数5G5lnKRT=6.9361012 。由 ，当反应平衡时，由5KNOapRTK2lnl55推出 。假设氮在钢液中服从亨利定律，即 ,且 取05G5/2NOapK Nwa6103 ,求得氧的平衡分压为
12、4.1621014 ，即只有在氧分压低于 4.1621014 的pp还原气氛时，钢液中的氮才有可能与渣中 TiO2 的发生反应。钢液在深脱氧时，覆盖剂脱去部分钢液中的氮的反应（6） 3O21 TG89.217506由（5）式2式（6）得：（7） ssTiNTi2 1.437在炼钢温度 1600时， 154988.17（J） 。根据 ,求得平衡常数7G7lnKRT4.75910 5 。根据 ， 当反应平衡时，由7K277lnlNOaKR推出 。假设氮和氧在钢液中服从亨利定律，即 ,07GNOa27 Nwa,且 取 6103 ，求得平衡氧量 =5.343104 。所以当钢液氧浓度低于Owa Ow5
13、.343104 时，钢液中的氮就可以和渣中的 TiO2 发生反应。4. 结论（1）通过计算可知：渣中 Al2O3、B 2O3、TiO 2 等三种氧化物在氧分压低于7.6921018 时，渣中这些氧化物都能与钢液中的氮反应，对于钢液脱氮有利；其中pB2O3 在低压下较易与钢液中的氮反应，Al 2O3 不易与钢液中的氮反应；所以在精炼过程中，只要把氧分压控制在较低的情况下，向渣中加入氧化物，能促进钢液脱氮。（2）计算表明：B 2O3 和 TiO2 氧化物在钢液氧含量低于 5.343104 时，都能与钢液中的氮反应，而目前冶金工业中，钢液中的氧含量可以用铝钙合金降低到 1104 左右，所以钢液在深脱氧的情况下，向渣中加入 B2O3 和 TiO2 氧化物能够促进钢液脱氮；而Al2O3 在钢液深脱氧的情况下，对促进钢液脱氮的作用不如 B2O3 和 TiO2 氧化物。参考文献：1 陈启文，徐匡迪，蒋国昌 .钢液熔剂脱氮技术的研究 J. 上海工业大学学报，1994，15（5）：449-456.2 Utochkin Yu, Pavlov A V, Hocking M G,高海伟译.利用高氮化能力的容积精炼钢除氮J.山东冶金，1996，18（6）：26-31.3 李文超.冶金与材料物理化学M. 北京,冶金工业出版社， 2001，516521.
