炼钢生产的理论基础

1、第三章 炼钢消费的实际根底3.1 炼钢熔体的构造和性质3.2 钢液中元素氧化反响的普通规律3.3 硅、锰的氧化反响3.4 钢液的脱碳3.5 钢液的脱磷3.6 钢液的脱硫3.7 其它元素的氧化3.8 钢液的脱氧和合金化3.9 钢中的气体和非金属夹杂物3.10 钢液搅拌.3.1 炼钢熔体的构造和性质一、钢液的密度 单位体积钢液所具有的质量，常用符号表示，单位通常用kg/m3。影响钢液密度的要素主要有温度和钢液的化学成分。 总的来讲，温度升高，钢液密度降低，缘由在于原子间距增大。固体纯铁密度为7880kg/m3，1550时液态的密度为7040kg/m3，钢的变化与纯铁类似。 .钢液密度随温度的变化：

2、 =8523-0.8358(T+273) 成分对钢液密度的影响： 1600=01600-210%C-164%Al- 60%Si-550%Cr-7.5%Mn + 43%W+6%Ni 钢液的密度.C%密度150015501600165017000.000.100.200.300.400.600.801.001.201.607.466.987.067.147.146.976.866.786.726.677.046.967.017.067.056.896.786.706.646.577.036.956.977.017.016.846.736.656.616.547.006.896.936.986.97

3、6.806.676.596.556.526.936.816.816.826.836.706.576.506.476.43铁碳熔体的密度kg/m3 .二、钢的熔点 指钢完全转变成均一液体形状时的温度，或是冷凝时开场析出固体的温度。钢的熔点是确定冶炼和浇铸温度的重要参数，纯铁的熔点约为1538，当某元素溶入后，纯铁原子之间的作用力减弱，铁的熔点就降低。降低的程度取决于参与元素的浓度、原子量和凝固时该元素在熔体与析出的固体之间的分配。 3.1 炼钢熔体的构造和性质.各元素使纯铁熔点的降低可表示为： Mi为溶质元素i的原子量； %i液为元素i在液态铁中的质量百分数； K为分配系数，而K=%i固/%i液

4、，1-K那么 称为偏析系数。.计算钢的熔点阅历式：T熔=1538-90%C-28%P-40%S-17%Ti- 6.2%Si-2.6%Cu-1.7%Mn-2.9%Ni- 5.1%Al-1.3%V-1.5%Mo-1.8%Cr -1.7%Co-1.0%W-1300%H-90%N- 100%B-65%O-5%Cl-14%As .或T熔=1536-78%C-7.6%Si-4.9%Mn- 34%P-30%S-5.0%Cu -3.1%Ni- 1.3%Cr-3.6%Al-2.0%Mo-2.0%V -18%Ti 计算钢的熔点阅历式：.三、钢液的黏度 黏度是钢液的一个重要性质，它对冶炼温度参数的制定、元素的分散、

5、非金属夹杂物的上浮和气体的去除以及钢的凝固结晶都有很大影响。 黏度是指各种不同速度运动的液体各层之间所产生的内摩擦力。通常将内摩擦系数或黏度系数称为黏度。 3.1 炼钢熔体的构造和性质. 黏度表示方式 动力黏度，用符号表示；单位为Pas (Ns/m2，1泊=0.1Pas)； 运动黏度，常用符号表示，即： m2/s 钢液的黏度比正常熔渣的要小得多，1600时其值在0.0020.003Pas; 纯铁液1600时黏度为0.0005Pas。 . 影响钢液粘度要素主要是温度和成分。温度升高，粘度降低。钢液中的碳对粘度的影响非常大，这主要是由于碳含量使钢的密度和熔点发生变化，从而引起粘度的变化。 消费实际

6、也阐明，同一温度下，高碳钢的流动性比低碳钢钢液的好。因此，普通在冶炼低碳钢中，温度要控制得略高一些。碳含量对钢液粘度的影响见以下图。钢液的粘度. 温度高于液相线50时，碳含量对钢液粘度的影响 当%C1500；以3CaOP2O5存在。1温度：脱磷反响是放热反响，低温有利于脱磷。2高碱度：R，aCaO3高氧化性4大渣量.终点熔渣碱度与P的关系终点熔渣TFe和P的关系.3.5 钢液的脱磷RFeO% LP2、P和C的氧化关系低温下，P先氧化，随温度的升高，C氧化，FeO，会使炉渣变粘。3、熔渣中磷的复原 熔渣碱度降低，其中的P会发生复原，进入钢液，称为“回磷。 参与硅铁，氧化构成的SiO2进入炉渣，熔

7、渣侵蚀包衬，均可使炉渣碱度降低。.3.5 钢液的脱磷4、复原脱磷 在复原条件下，磷可复原，生成P3-： 1/2P2(g)+3/2(O2-)=(P3-)+3/4O2 实现复原脱磷，需求很低的氧势或很高真空度，消费中很难实现。 目前采用Ca-CaF2，CaC2-CaF2渣系进展复原脱磷。P5+P3-lgPO2lgP3-,lgP5+,% 3CaC2+2P=Ca3P2+6C复原脱磷存在的问题:1CaP2渣的处置很复杂，与水汽作用，产生PH3剧毒气体；2C=0.5-1.8%，脱P率；C1.8%，CaC2分解困难，钢液有“增C的能够。.3.6 钢液的脱硫 1、炉渣脱硫反响 FeS+CaO=CaS+FeO

8、S+O2-=S2-+O影响要素：1R，LS，且Ca2+集中在S2-周围，rs2-2FeO， LS3Si、C，fS，LS； S+Mn+(CaO)=(CaS)+(MnO) 发生共轭反响，进展沉淀脱硫。4温度升高，LS .3.6 钢液的脱硫 2、气化脱硫 转炉炼钢，气化脱硫占总脱硫量的10-20%。气化脱硫的主要反响：S+O2=SO2 但由于硫和氧的亲和力比碳、硅与氧的亲和力小的多，所以钢中有C、Si存在时，上面的气化反响很难发生。主要经过炉渣气化脱硫，即： CaS+3Fe2O3=SO2+CaO+6FeO CaS+3/2O2=SO2+CaO 反响取决rs2-和Po2或aFeO,碱度升高， rs2-，

9、高碱度对气化脱硫不利；但对渣脱硫有利。.3.7 其它元素的氧化1、Cr1Fe-O-Cr系平衡%Cr=0-3% Fe+2Cr+4OFeCr2O4(s)%Cr=3-9% 0.67Fe+2.33Cr+4OFe0.67Cr2.33O4(s)%Cr9% 3Cr+4OCr3O4(S)2)不同渣系下Cr的氧化酸性渣：Cr+FeOCrO+Fe碱性渣：2Cr+3FeOCr2O3+3Fe.3.7 其它元素的氧化3Cr和C的选择氧化去碳保铬的条件： 温度：T，K，%Cr PCO，加强脱碳； ac，有Ni的存在，fc，%Cr %Cr，%C平.3.7 其它元素的氧化2、V选择氧化，去V保CT，供氧强度，LV3、Nb 与

10、V一样，存在选择性氧化。 4/5Nb+2CO2/5Nb2O5+2C氧化顺序：SiMnNb提Nb：高炉复原炼钢氧化渣富集电炉复原Nb-Fe.3.7 其它元素的氧化4、WWO3是不稳定化合物，易为Fe复原。在碱性渣中，生成CaOWO3，rWO3，LW.3.8 钢液的脱氧和合金化1、脱氧反响热力学1脱氧常数及脱氧才干K，与M平衡的O,M的脱氧才干加强，K衡量元素的脱氧才干。与氧结合的顺序：CeZrAlTiBSiCVMnCr脱氧常数.元素脱氧才干1600时各种元素脱氧才干 1600时，钢水中的脱氧元素Al 和Ti 含量假设均为0.01时，与Al相平衡的氧含量0.0005低于与Ti平衡的氧含量0.01，

11、阐明Al 比Ti 的脱氧才干强。.3.8 钢液的脱氧和合金化2脱氧产物的组成及形状 脱氧产物的组成及形状是变化的，决议于元素的脱氧才干及用量。 如Si脱氧：2FeOSiO2 2FeOSiO2SiO2 SiO2的参与量添加，产物的熔点提高。 生成复杂化合物，aMxOy,O平，脱氧才干3脱氧产物的排出和钢中夹杂物 靠本身浮力排出，上浮速度由Stokes公式计算：r，V，有利于夹杂物排出.3.8 钢液的脱氧和合金化增大r的方法固体质点彼此凝聚两液相质点的聚结固体质点为液体质点所粘附或润湿2、Mn、Si、Al的脱氧1Mn Mn+FeO=MnO+FeFeO+MnO构成液溶体或固溶体，MnO/FeO，T熔

12、，易构成固溶体。Mn的脱氧才干，随温度降低而加强后期沸腾。2Si Si+2O=SiO2(S) KSi=%Si%O2 温度，KSi，O平，也会后期沸腾.3.8 钢液的脱氧和合金化3Al 2Al+3O=Al2O3(S) KAl=%Al2%O3 Al2O3细小质点不易被钢液润湿，Al是强脱氧剂，可使钢液镇静，而Si、Mn不能使钢液镇静。3、复合脱氧 用两种或以上元素脱氧的过程。 复合脱氧提高各自的脱氧才干，易获得低熔点、易聚合的液相脱氧产物。 Si+2(MnO)=(SiO2)+2Mn %Mn/%Si4，可获得液态产物。4、熔渣脱氧分散脱氧 (FeO)，O向渣中分散脱除。渣中参与Si-Fe粉、C粉、C

13、aC2粉、Al粉、Si-Ca粉等，使(FeO)=0.5-1.0%。.3.8 钢液的脱氧和合金化5、脱氧剂用量的计算6、合金化 脱氧和合金化操作不能截然分开，而是严密相联，合金化操作的关键问题是合金化元素的参与次序，普通的原那么：脱氧元素先加，合金化元素后加；脱氧才干比较强，而且比较贵重的合金，应在钢水脱氧良好的情况下参与；熔点高，不易氧化的元素，可加在炉内。脱氧剂参与量=.冶炼普通合金钢和低合金钢时，合金参与量的计算方法和脱氧剂根本一样，即 合金参与量= 冶炼高合金钢时，合金参与量大，必需思索参与的合金量对钢水分量和钢水终点成分的影响。 3.8 钢液的脱氧和合金化.3.9 钢中的气体和非金属夹

14、杂物1. 钢液的真空处置反响1) 真空脱氧 C+O=CO %C%O=Mpco2) 真空脱硫 S+C+CaO=CaS+CO S+Si=SiS(g)3) 真空脱气.3.9 钢中的气体和非金属夹杂物4) 挥发性杂质的去除 Pb、Cu、As、Sn、Bi等元素的挥发速度：挥发组元的蒸汽压挥发组元的mol质量5) 夹杂物的去除(1) 向相界面转移或依靠气泡排出；(2) 夹杂物发生分解或C复原去除。 MxOyxM+y/2O2 MxOy+yCxM+yCO 6) 钢液和耐火资料的反响 在真空下，钢液中的C能复原与其接触的耐火资料。.2、影响氢和氮在钢中溶解度的要素 气体在钢中的溶解度取决于温度、相变、金属成分以

15、及与金属相平衡的气相中该气体的分压: 1) 氢和氮在液态纯铁中溶解度随温度升高而添加； 2) 固态纯铁中气体的溶解度低于液态； 3) 氮在固态纯铁中的溶解度随温度的升高降低，缘由是 有氮化物析出。 4) 在910发生-Fe向-Fe转变，1400 时发生-Fe 向-Fe转变，溶解度也发生突变。在奥氏体中因晶格 常数大能溶解更多的气体。.氢和氮分压为100kPa时在纯铁中的溶解度 .3、钢中非金属夹杂物的种类及其形状1按夹杂物的化学成分分类氧化物系夹杂物简单氧化物复杂氧化物硅酸盐及硅酸盐玻璃硫化物系夹杂物FeS、MnS、(Mn、Fe)S和CaS等氮化物AlN、TiN、ZrN、VN、BN、Si3N4

16、、Fe4N、Fe2N等2按夹杂物的形状分类塑性夹杂FeS、MnS、低熔点硅酸盐脆性夹杂Al2O3和尖晶石型、氮化物等高熔点、高硬度夹杂不变形夹杂SiO2、钙铝酸盐及高熔点硫化物.变形前后钢种夹杂物形状表示图(a)塑性夹杂轧制后延伸成条状；(b)半塑性夹杂在轧制过程中的变形情况；(c)大颗粒脆性夹杂在轧制中的破碎情况；(d)轧制中簇状的脆性夹杂呈链状；(e)轧制条件下的不变形夹杂.3、钢中非金属夹杂物的种类及其形状3按夹杂物的来源分类 1外来夹杂物； 2内生夹杂物一次夹杂二次夹杂三次夹杂4按夹杂物尺寸分类亚显微夹杂颗粒1m显微夹杂1100m大型夹杂100m4、夹杂物对钢的性能的影响1夹杂物和裂纹

17、的构成及应力集中1夹杂物与裂纹的构成作为显微裂纹的发源地。2夹杂物与应力集中资料中有夹杂物的地方，那么出现应力集中景象。.4、夹杂物对钢的性能的影响2夹杂物对钢的塑性和韧性的影响1夹杂物与塑性夹杂物对塑性的影响在断面收缩率上比在延伸率上表现得更显著。通常夹杂物对钢材的纵向塑性影响不大，而对横向塑性的影响却较显著。2夹杂物与韧性假设资料中有非金属夹杂物，那么钢的韧性下降。3夹杂物对钢的疲劳性能的影响1夹杂物类型与疲劳寿命线膨胀系数小于钢的夹杂，促进了疲劳裂纹的发生和开展。2夹杂物的大小、分布与疲劳寿命 对于同一种类型的A12O3夹杂物来说，随其含量添加疲劳极限下降。当其他条件一样时，夹杂物颗粒越

18、大，那么不利的影响越大，多角形夹杂物的影响大于球状夹杂物的影响。 在外表或接近外表存在的夹杂物，尺寸虽小但也有害。而在深部存在的夹杂物，超越一定临界尺寸才带来不利的影响。3氧含量与疲劳寿命 氧化物夹杂的总量与钢中氧含量成正比。.4、夹杂物对钢的性能的影响4夹杂物对钢的加工性能的影响1夹杂物对热加工性能的影响使钢的热加工性能变坏。2夹杂物对弯曲性能的影响 钢中长条状夹杂物往往使钢的弯曲性能出现各向异性，且横向性能变坏。3夹杂物对焊接构造件层状撕裂的影响 4夹杂物对钢的切削性能的影响 硫化物添加钢材的脆性，钢的切屑容易断裂。5夹杂物对钢的物理化学性能的影响1夹杂物对钢的电磁性能的影响非金属夹杂物不是铁磁性物质，它的存在减少了铁磁性基体的体积，破坏了金属基体的延续性；其次，夹杂物的存在在晶界上或晶粒内使基体变形产生内应力，因此基体磁化不均匀、磁性下降。2夹杂物对钢的点腐蚀的影响点蚀