钢铁冶金---第3周

钢铁冶金：炼钢学,冶金原理与工艺基础徐勇2011,主要包括Si、Mn、C、P、S、O、Cr、V、Nb、H、N等元素之间的关系。,炼钢的主要炉内反应,炼钢过程实质上使许多非常复杂的高温物理化学转变的综合过程，涉及多种以不同聚集态存在的组元，如固态（炉料、辅助材料及炉衬等）、液态（液态金属及炉渣）及气态（炉气、吹入金属内的空气或氧气等）。在冶金反应过程中，应用冶金反应热力学计算一定条件下反应变化的方向和限度以及将得到的最终产物问题，选择浓度、温度和压力等作为计算参数；应用冶金反应动力学研究反应过程中的机理、速率以及它与各种因素的关系，确定强化冶金过程的措施。,炼钢的主要炉内反应,主要影响因素：渣钢反应平衡常数随着渣的成分和反应过程不同而不同，依赖于反应的类型。对于一些反应来说，渣的碱度是主要影响因素，而对于另外一些反应来说，其主要影响因素可能为渣中酸性或碱性氧化物的质量百分含量。,炼钢的主要炉内反应,氧流对金属熔池的作用：顶吹氧枪O2出口速度通常可达300350m/s；氧流与熔池作用，将动量传递给金属液；金属熔池产生循环运动。,熔池传氧方式,氧流穿入熔池某一深度并构成火焰状作用区(火点区)。作用区温度22002700；光亮较强的中心(区域I)；光亮较弱的外围(区域II)。,熔池传氧方式,氧气炼钢中的乳化和泡沫现象。在氧流强冲击和熔池沸腾作用下，部分金属微小液滴弥散在熔渣中，这一现象就是乳化；可以极大地增加渣钢间接触面积，可达0.61.5m2/kg，因而可以加快渣铁间反应；乳化的程度与熔渣粘度、表面张力等性质有关。,熔池传氧方式,熔池传氧方式,强烈运动和高度弥散的气体熔渣金属乳化相：熔池在氧流作用下形成的强烈运动和高度弥散的气体熔渣金属乳化相，是吹氧炼钢的特点,铁的氧化和还原,炼钢条件下铁氧化物稳定性比较：铁氧化合物化学反应式：FeOFeOG10975045.97T12/3FeO1/3Fe2O3G15561788.2T13/4FeO1/4Fe3O4G15851079.73T11E.T.Turkdogan,FoundamentalsofSteelmaking,TheInstituteofMaterials,1996,London,铁的氧化和还原,对于Fe3O4来说，可以看作为FeOFe2O3形式，因此熔体中的铁氧化物可以看为是FeO和Fe2O3两种类型；根据图可知，FeO最稳定，在各种冶炼温度下都具有低的自由能；一般来说，钢中的Fe2O3/FeO值平均为0.8。,铁的氧化和还原,炼钢过程中氧的传递炉渣中FeO与氧化性气氛接触，被氧化成高价氧化物Fe2O3；渣铁界面，高价Fe2O3被还原成低价FeO；气相中的氧因此被传递给金属熔池。,铁的氧化和还原,对于氧气来说，1mol氧熔于铁液中放出117.2KJ的热量，且氧的溶解度随温度的升高而降低。在吹氧时氧气的溶解是放热过程，能节约冶炼所消耗的热量。在和氧生成FeO炉渣时，熔体中溶解的氧浓度达到饱和，其反应式和溶解度的表达式为：FeOFeOG10975045.97Tlg%O饱和5732/T2.400,铁的氧化和还原,表2-4不同温度下的氧饱和溶解度,不同温度下的氧饱和溶解度,直接氧化：气体氧直接同铁液中的杂质进行反应。直接氧化在气体氧金属表面处进行，包括：氧流同熔池作用区的表面；悬浮于作用区的金属液滴的表面；作用区周围的氧气泡的表面上；凡是氧气能直接同金属液接触的表面。熔体中氧与各种元素的反应式：,杂质的氧化方式,间接氧化：气体氧优先同铁发生反应，生成FetO以后再同其它杂质进行反应。与钢中的溶解氧反应：,杂质的氧化方式,与炉渣中的FeO反应：,杂质的氧化方式,一般认为氧气转炉炼钢以间接氧化为主：氧流是集中于作用区附近而不是高度分散在熔池中；氧流直接作用区附近温度高，Si和Mn对氧的亲和力减弱；从反应动力学角度来看，C向氧气泡表面传质的速度比反应速度慢，在氧气同熔池接触的表面上大量存在的是铁原子，所以首先应当同Fe结合成FeO。,杂质的氧化方式,钢铁中的碳能够增加钢材强度、硬度，但却会降低钢材焊接、耐腐蚀、冷加工性能。炼钢铁水是铁和碳以及其他一些杂质元素的合金溶液，一般炼钢用生铁中碳的含量为4左右，高磷生铁中的含碳量则在3.6左右，因此脱碳反应的研究是炼钢过程中的中心课题。脱碳反应贯穿于炼钢始终，是炼钢的主要任务之一，是促进气体和夹杂物去除的有效手段之一。,钢液的脱碳反应,对于脱碳反应来说，其对炼钢过程的主要影响有：反应热升温钢水；影响生产率；影响炉渣氧化性；影响钢中O含量。,钢液的脱碳反应,而对于脱碳反应生成的CO来说，也炼钢过程中具有重要的作用，表现为：从熔池排出CO气体产生沸腾现象，使熔池受到激烈地搅动，起到均匀熔池成分和温度的作用；大量的CO气体通过渣层，是产生泡沫渣和气一渣一金属三相乳化的重要原因；上浮的CO气体有利于去除钢中气体和夹杂物；在氧气转炉中，排出CO气体的不均匀性和由它造成的熔池上涨往往是产生喷溅的主要原因。,钢液的脱碳反应,钢液的脱碳反应,根据Fe-C合金相图，铁液中碳的饱和溶解度为：%C1.342.5710-3(T273)影响碳溶解度的元素：Si、P、S降低碳的溶解度；Mn、V、Cr增加碳溶解度。,钢液的脱碳反应,脱碳反应的热力学条件直接氧化：2CO22COG27398887.08T1CO2CO2G41789441.76T11E.T.Turkdogan,FoundamentalsofSteelmaking,TheInstituteofMaterials,1996,London,钢液的脱碳反应,脱碳反应的热力学条件间接氧化：2C2O2COG4248877.82T1C2OCO2G18639451.02T11E.T.Turkdogan,FoundamentalsofSteelmaking,TheInstituteofMaterials,1996,London,钢液的脱碳反应,在炼钢过程中，脱碳产物绝大多数是CO而不是CO2；在碳含量比较高时，CO2也是脱碳反应的氧化剂：CCO22CO。其中碳含量越高，CO越稳定；温度越高，CO越稳定。,钢液的脱碳反应,熔体中碳氧化物形成自由能与温度关系,在炼钢过程中，实际过程钢液O高于理论O含量：,钢液的脱碳反应,实际氧含量与理论氧含量比较,气相压力对脱碳反应的影响：COCOG2124438.91T1lgK=lgPCO/%C.%O=1110/T+2.032%C.%O=PCO.10-1110/T-2.0321E.T.Turkdogan,FoundamentalsofSteelmaking,TheInstituteofMaterials,1996,London,钢液的脱碳反应,根据上面公式可以知道，可以通过减少PCO促进脱碳反应，主要采用的方法如下图所示：,钢液的脱碳反应,通常采用的几种降低PCO的方法,脱碳反应的热力学条件：增大碳的活度系数fC有利于脱碳；增加O有利于脱碳；降低气相PCO有利于脱碳；提高温度有利于脱碳。脱碳反应的热效应：,钢液的脱碳反应,脱碳反应的动力学条件碳的氧化反应是一个复杂的多相反应，包括扩散、化学反应和气泡生成等几个环节：反应物C和O向反应区扩散;C和O进行化学反应；反应界面气泡生成；反应产物CO或CO2离开反应区域。,钢液的脱碳反应,化学反应：判断其是否能够成为脱碳反应的限制环节，可以根据以下情况来看。如化学反应表观活化能E1050kJ/mol，则化学反应是控制环节；如活化能E420kJ/mol，则过程受扩散控制；如活化能E在4201050kJ/mol之间，过程处于扩散与化学动力学混合控制领域。碳氧化反应的表观活化能在60150kJ/mol之间，远比上述活化能数值低得多，因此不是碳氧化反应的控制环节。,钢液的脱碳反应,反应界面气泡的生成：当在钢液中没有现成的气液相界面时，产生新的界面需要非常大的能量。新生成的气泡越小，需要的能量越大。取钢液表面张力m-g为1.5Nm-1，新生成的CO气泡核心半径为10-6m，则该气泡核心所受的毛细管压力为：,钢液的脱碳反应,反应界面气泡的生成：实际上CO气泡核心所受到的压力还包括钢液、炉渣和炉气的静压力。在钢液内生成一个很小的CO气泡核心，需要克服数十个大气压的压力，因而实际上不可能生成。因此，只有在钢液中有已经存在的气液界面时，才能减少生成气泡的压力，使碳氧反应顺利进行。,钢液的脱碳反应,CO气泡形成的实际过程：氧气炼钢过程大量气泡弥散存在于金属熔池内，CO气泡生成很顺利。,钢液的脱碳反应,CO气泡形成的实际过程：在炉底和炉壁的耐火材料表面上存在的凹坑处，能生成CO气泡萌芽。在粗糙的耐火材料表面，总是有不少微小的细缝和凹坑，当缝隙很小时，由于表面张力的作用，金属不能进入。在一定的金属液深度下，金属不能进入的最大凹坑半径为：取：m-g1.5N/m，m7000kg/m3，润湿角120，则h与r的关系为：,钢液的脱碳反应,钢液的脱碳反应,耐火材料表面凹坑或缝隙处气泡形成过程,反应物C和O向反应区的扩散反应界面扩散的形成：,钢液的脱碳反应,钢液的脱碳反应,钢液的脱碳反应,实际炼钢过程的脱碳速度变化：,钢液的脱碳反应,脱碳过程为三个阶段:吹炼初期以硅的氧化为主，脱碳速度较小；吹炼中期，脱碳速度几乎为定值；吹炼后期，随金属中含碳量的减少，脱碳速度降低。,钢液的脱碳反应,第一阶段：吹炼初期熔池温度低，硅和锰首先迅速地氧化，硅的氧化抑制了脱碳反应的进行。2C2O2CO(2)G4248877.82T1Si2OSiO2(s)(1)G589700230.3T1(2)(1)，得到：2CSiO2(s)Si2CO(3)G547212308.12T,钢液的脱碳反应,(3)式反应的G为：G547283338.0T若(3)式反应能够自发进行，则Temp.1346。这表明