重庆大学冶金原理第七章ppt讲解课件

1 第七章氧化熔炼反应 氧化熔炼反应的物理化学原理 前言 锰 硅 铬 钒 铌 钨的氧化反应 脱碳反应 脱硫反应 脱磷反应 脱氧反应 1 2 3 4 5 0 6 吸气及脱气反应 7 2 前言 铁水炼钢过程的任务 降碳 使碳降低到钢种所需的碳量 但碳氧化之前 硅锰都大量氧化 脱S P 高炉炉料中P全部进入铁水中 S部分进入 脱氧 以免造成浇注时二次沸腾及钢锭疏松 皮下气泡等缺陷 脱气 H N 合金化 加入合金元素 去除夹杂 去除各类氧化物 去除有害元素 Cu Cd As Sb Bi 0 3 1 1元素氧化的类型 M 被吹入金属液中气态氧直接氧化 M 在钢渣界面被 FeO 氧化 M 被溶解于金属液的 O 所氧化 1 氧化熔炼反应的物理化学原理 渣金界面 Fe2O3 Fe l FeO 4 1 氧化熔炼反应的物理化学原理 氧射流 氧流流股 钢水运动 喷溅 5 1 2熔池中元素氧化的 GO T图 1 2 1 GO T图的作法 由以下反应组合 6 1 2 2 GO T图的应用 比较铁液中元素在标准状态下氧化的顺序 以2 Fe 2 O 2FeO l 的 GO T为分界线 可将铁液中元素的氧化分为两类 a GO T线之上的元素在炼钢过程中不会氧化b GO T线之下的元素在炼钢过程中全部或大部分氧化 炼钢过程中 合金元素加入的时间及有害元素去除的办法 a 在炼钢过程中不被氧化的有害元素 应在选择时加以剔除 如Pb Sn Cu b 在炼钢过程中不被氧化的 是炼钢过程所需的元素 可在入炉原料中加入 如W Mo Ni c Cr Mn Nb V等在电炉中部分氧化 还原期加入 d Si Ti Al等基本上能完全氧化 脱氧时引入 出钢时加 7 例题 例题 用空气吹炼成分为1 Si 4 5 C的铁水 生成的熔渣成分为55 CaO30 SiO2 15 FeO 与熔池接触的气压为100KPa 试求C开始大量氧化的温度 Si O SiO2 s 8 例题 例题 用空气吹炼成分为1 Si 4 5 C的铁水 生成的熔渣成分为55 CaO30 SiO2 15 FeO 与熔池接触的气压为100KPa 试求C开始大量氧化的温度 9 例题 10 1 2 2 GO T图的应用 3类氧化剂中 以直接氧化最容易进行 氧化反应达到平衡时 所有元素氧化物的氧势相等 11 1 2 3铁熔体中氧的氧势 12 1 3熔体中元素氧化的热力学条件 由等温方程判断 13 元素氧化的热力学条件及影响因素 温度 大多数元素的氧化程度均减少 但碳是例外 熔渣组成 a碱性渣的氧化性大于酸性渣的氧化性 b熔渣碱度及元素氧化物的性质 形成碱性氧化物的元素在酸性渣下易氧化 多中元素同时存在时 出现了选择性氧化 G最小的元素最先氧化 14 元素氧化过程动力学 元素M氧化过程的组成环节及浓度分布 15 元素氧化过程动力学 一般认为 当元素的浓度不高时 它的扩散是限制性环节 比如M为Si Mn P 而其浓度高时 FeO 是限制性环节 比如M C 16 M MO 为主的反应过程动力学的微分式 双膜理论 17 M MO 为主的反应过程动力学的微分式 18 M MO 为主的反应过程动力学的微分式 19 M MO 为主的反应过程动力学的积分式 20 M MO 为主的反应过程动力学的积分式 21 M MO 为主的反应过程动力学的积分式 22 M MO 为主的反应过程动力学的积分式 23 锰硅铬钒铌钨的氧化反应 2 Si C Mn 24 2 1Mn 锰硅铬钒铌钨的氧化反应 2 25 2 1Mn 主要在钢渣界面上反应 锰硅铬钒铌钨的氧化反应 2 26 影响LMn的因素 温度 熔渣组成 aFeO MnO二元渣系 理想氧化物熔体 b酸性渣中 c实际的碱性渣 R 2 27 28 Mn FeO 29 例题2 P486新版版 利用正规离子溶液模型 例题1 30 2 2Si 31 2 2Si 主要在钢渣界面上反应 32 影响LSi的因素 温度 强放热反应 出现回硅现象 熔渣组成 33 Si 34 2 3Cr 铬是不锈钢中最基本的合金元素 其含量一般均在12 以上 它的主要作用是提高钢的耐蚀性 在氧化性介质中 有使钢表面形成一层牢固而致密的铬的氧化物 使钢受到保护 铬溶于钢中能显著提高钢的电极电位 降低了因电极电位不同形成的电化学腐蚀 35 2 3Cr 铬氧化形成氧化铬的组成与铬含量有关 36 2 3Cr 铬氧化形成氧化铬的组成与铬含量有关 酸性条件下 碱性条件下 37 2 3Cr 铁液元素氧化的氧势图 38 用控制温度及体系压力的方法 控制金属熔体中元素的氧化 达到保留某些元素或者氧化富集某些元素的目的 这种方法称为选择性氧化 2 3 1炼钢熔池中元素的选择性氧化 选择性氧化的定义 注意点 目的 保留 富集 方法 控制温度 压力 熔体组元活度 39 2 3 2以去碳保铬分析选择性氧化的温度条件 标准状态下选择性氧化转换 化 温度的计算 共轭反应 40 已知条件 非标准态下选择性氧化的转换温度的计算 计算要点 金属熔池中元素活度的计算 41 转换 化 温度与反应各物质的化学计量数无关 转换 化 温度与钢液元素氧化的方式无关 例 吹氧 元素的氧化反应是吹氧进行 共轭反应不变 转换温度不变 但是 元素氧化反应的热效应不一样 反应速度不同 选择性氧化转换 化 温度T转的注意事项 42 当形成的氧化物溶解于熔渣时 需要计算熔渣中氧化物的活度 计算要点 反应的标准吉布斯自由能计算 金属熔池中元素活度的计算 熔渣中组元活度的计算 43 2 3 3选择性氧化的压力条件的计算 温度T一定时 通常是冶炼所能达到的温度条件 可以计算出所需要的压力条件 即CO的分压 PCO 计算要点 反应的标准吉布斯自由能计算 金属熔池中元素活度的计算 熔渣中组元活度的计算 44 例题 45 例题 PCO 46 Ni 0 Ni 10 47 2 3 4选择性氧化在冶金中的应用 去碳保铬 Cr 去碳保锰 Mn 去钒 V 保碳 铁水提钒 去 Nb 保碳 2 4V 2 5Nb 48 脱碳反应 3 1碳氧化反应对炼钢的作用 强烈的搅拌作用能扩大渣金反应面积 促进热量及物质传递 均匀成分和温度 去除 H N 有害气体 选择性氧化 3 2碳氧化的反应及碳氧积 3 2 1碳氧化反应分类 3 49 氧气直接氧化碳 溶解氧间接氧化碳 冷矿石氧化碳 熔渣中的 FeO 氧化碳 50 3 2 2碳氧积 51 3 3脱碳过程中钢液的碳氧积 例题新版500页计算平衡C的浓度 52 3 4脱碳过程中钢液的含氧量 与熔渣层平衡的 O 熔池实际的 O 53 C 54 脱磷反应 4 1脱磷的原理 4 1 1磷在钢中的危害 危害 冷脆 铁中含磷量要求 低磷生铁 P 0 3 中磷生铁 P 0 3 1 0 高磷生铁 P 1 0 2 0 钢中最大允许的磷量是0 02 0 05 某些特殊钢要求 0 008 0 0015 4 1 2脱磷原理 P2O5的 G T线在FeO之下 P2O5能与渣中其他氧化物生成复杂化合物而稳定存在 4 55 4 2分子假说的脱磷反应 温度 影响因素 强放热反应 中温 1400 1500 脱磷 56 4 2分子假说的脱磷反应 熔渣组成 碱度 FeO 高FeO有助于石灰的熔化 57 4 3离子理论的脱磷反应 58 4 3离子理论的脱磷反应 影响因素 温度 熔渣组成 碱度 FeO 脱磷热力学条件 59 4 3离子理论的脱磷反应 例1 例2 60 转炉炼钢脱磷成渣路线 61 4 4炼钢过程中磷与碳氧化的关系 平炉 电炉前期 利用加铁矿石 造FeO高的渣 以3FeO P2O5形式脱磷达90 氧气顶吹转炉 前期形成高FeO高R渣 磷大部分脱去 后期FeO降低 炉渣返干 温度升高 出现回磷现象 62 P 63 S 脱硫反应 5 64 6 吸气及脱气反应 见炉外精炼课程 钢液中的气体会显著降低钢的性能 而且容易造成钢的许多缺陷 钢中气体主要是指氢与氮 它们可以溶解于液态和固态纯铁和钢中 氢在固态钢中溶解度很小 在钢水凝固和冷却过程中 氢会和CO N2等气体一起析出 形成皮下气泡中心缩孔 疏松 造成白点和发纹 氮含量高的钢种长时间放置 将会变脆 这一现象称为 老化 或 时效 65 脱氧反应 7 吹炼 出钢 使 O 实降低到 O C之下一定程度 使钢液在浇注及凝固过程中 C O CO不再进行或有限进行 保证钢锭或连铸坯组织及结构的紧密结晶时 晶界上不形成FeO FeS共熔体 避免热脆 66 脱氧反应 脱氧的方式 7 沉淀脱氧 扩散脱氧 真空脱氧 铁液元素氧化的氧势图 67 脱氧反应 7 2沉淀脱氧 7 2 1方法及原理 将MnFe SiFe Al等加入钢水中 生成在钢中不溶解的氧化物 上浮至渣中 从而达到脱氧的目的 7 68 7 2 2脱氧常数 脱氧常数 69 1 图中曲线位置愈低的元素 脱氧产物愈稳定 而该元素的脱氧能力愈强 与相同量的各元素平衡的氧浓度就愈低 或为了达到同样的氧浓度 强脱氧元素的平衡浓度就愈低 2 脱氧产物的组成与温度及脱氧元素的平衡浓度有关 3 脱氧反应是强放热的 随着温度的降低 脱氧入素的脱氧能力增强 所以在钢液冷却及凝固过程中 就不断有脱氧反应继续进行 lg O M 1600 钢液中元素的脱氧平衡曲线 70 Dissolved O and Al ofsteelinequilibriumwithsolidAl2O3at1873K 1600 ShengpingHe GujunChen etal MetallurgicalandMaterialsTransactionsB 2015 46 2 585 594 71 Mn的脱氧 lg O M 1600 钢液中元素的脱氧平衡曲线 72 Mn的脱氧 73 Mn的脱氧 钢液中氧含量和锰含量的关系 74 Si的脱氧 lg O M 1600 钢液中元素的脱氧平衡曲线 75 Si的脱氧 Si O 平衡图 76 Al的脱氧 Al Mn Si 77 Si Mn Al的脱氧能力比较 78 7 2 4复合脱氧 定义 用脱氧元素的合金进行沉淀脱氧 如SiCa SiMn CaAl 脱氧产物 两种氧化物同时产生 生成氧化物的液熔体 优点 a降低了单一氧化物活度 脱氧反应更易进行 O 平更低 b生成氧化物熔体一般是液态 可以合并为直径更大的夹杂上浮进入渣中 79 Si Mn复合脱氧 液态锰硅酸盐夹杂物 固态SiO2 80 Si Mn复合脱氧 81 弱脱氧剂能够提高强脱氧剂的脱氧能力 82 83 Si Mn复合脱氧 84 Si Mn复合脱氧 85 7 2 6脱氧剂用量的计算 7 2 5沉淀脱氧的优缺点 优点 脱氧速度快 成本较低 操作简便 缺点 易产生氧化物夹杂 例题1 例题2 例题3 86 7 3扩散脱氧 7 3 1方法及原理 将C粉 CaC2粉 SiFe粉 SiCa粉等加入炉内 置于熔渣上部 将熔渣中的 FeO 还还原 使钢液中氧向渣中扩散 降低钢液中的含氧量 7 3 1扩散脱氧的优缺点 优点 不产生氧化物夹杂 缺点 a脱氧不完全 出钢时还需要沉淀脱氧 b造渣之后 要封闭炉门 只有电炉采用 87 7 4真空脱氧 7 4 1方法及原理 将盛钢桶置于真空室 抽真空 降低PCO 使反应 C O CO继续向右进行 从而降低钢液的含氧量 7 4 2真空脱氧的优缺点 优点 a不需加其他脱氧剂 b不产生夹杂 c同时除去 H N d使沉淀脱氧的夹杂上浮的速