改钢包渣中的氧化物与氮反应的热力学研究(一).doc

钢包渣中的氧化物与氮反应的热力学研究（一）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。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，B2O3, 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 Reaction with Oxides in the Ladle Slag (1)WANG Shi-jun , HUANG Xiao-dong , WANG Hai-chuan, Wang Ru-MENG , Li-yuan(School of Metallurgy & Resources, Anhui University of Technology, Maanshan 243002, China )Abstract: From the theoretical calculation of nitrogen reaction with oxides (Al2O3，B2O3, TiO2 ) in the ladle slag, at the low pressure, the oxides in the reducing ladle slag may react with nitrogen in the molten steel, which is benefit for the nitrogen removal from the liquid steel; 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 B2O3 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，B2O3, 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。1 Al2O3与氮反应的热力学计算 （1） 3 (2) 3由3/2（1）式2（2）式得： （3） 在炼钢温度1600时=857480.83（J）。根据,求得为1.2181024，由，取，可求得平衡氧分压=1.141016。所以只有在氧分压低于1.441016的还原气氛中，空气标准压力下的氮气才能和渣中Al2O3发生反应。Al2O3与钢液中的氮反应 （4） 3由（3）式2（4）式得： （5） 在炼钢温度1600时，=761126.03 (J)。 根据，求得平衡常数=5.9261022。由，当反应平衡时，由推出。假设氮在钢液中服从亨利定律，即,且取6103,求得平衡氧分压为7.6921018，即只有在氧分压低于7.6921018的还原气氛时，钢液中的氮才有可能与渣中Al2O3的发生反应。钢液在深脱氧时，覆盖剂脱去部分钢液中的氮的反应 （6） 3由（5）式3（6）式得： （7） 在炼钢温度1600时，393437.12（J）。根据,求得平衡常数1.0651011。根据， 当反应平衡时由推出。假设氮和氧在钢液中服从亨利定律，即,且取6103，求得平衡氧量=7.265106，即7.265106。所以当钢液氧浓度低于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） 3 （2） 3由（2）式3/2（1）式得： （3） 在炼钢温度1600时=641263.84（J）,根据,求得为1.3051018 。由，取，可求得氧的平衡分压=1.1941012。所以只有在氧分压低于1.1941012的还原气氛中，标准压力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） 3由（3）式2（4）式得： （5） 在炼钢温度1600时，=544909.04 (J)。 根据，求得平衡常数=6.3521016。由，当反应平衡时由推出。假设氮在钢液中服从亨利定律，即,且取6103,求得氧的平衡分压为8.0561014，即只有在氧分压低于8.0561014的还原气氛时，钢液中的氮才有可能与渣中B2O3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） 3由（5）式3式（6）得： （7） 在炼钢温度1600时，177220.13（J）。根据,求得平衡常数1.141105。根据， 当反应平衡时由推出。假设氮和氧在钢液中服从亨利定律，即,且本实验中取6103，求得平衡氧量=7.435104。所以当钢液氧浓度低于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） 3 （2） 3由（2）式2（1）式得： （3） 在炼钢温1600时(J)。根据，求得为9.8851026 。由，取，可求得氧的平衡分压=3.1441013。所以只有在氧分压低于3.1441013的还原气氛中，标准压力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） 3由1/2（3）式（4）式得： （5） 在炼钢温度1600时，=400114.11 (J)。根据，求得平衡常数=6.9361012。由，当反应平衡时，由推出。假设氮在钢液中服从亨利定律，即,且取6103,求得氧的平衡分压为4.1621014，即只有在氧分压低于4.1621014的还原气氛时，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） 3由（5）式2式（6）得： （7） 在炼钢温度1600时，154988.17（J）。根据,求得平衡常数4.759105。根据， 当反应平衡时，由推出。假设氮和氧在钢液中服从亨利定律，即,且取6103，求得平衡氧量=5.343104。所以当钢液氧浓度低于5.343104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、B2O3、TiO2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B2O3在低压下较易与钢液中的氮反应，Al2O3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：B2O3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