炼钢基础知识 -炼钢基本反应

炼钢工艺与操作炼钢基础知识-炼钢基本反应2.炼钢基本反应一、炼钢传氧一）熔池内氧的来源炼钢要完成脱碳、脱磷、硅锰氧化等反应，必须供氧。

炼钢熔池内氧的来源有两种：一种是气体，如氧气顶吹转炉吹入的高压氧流和炉气中的各种氧化性气体，以O2、CO2、H2O等形式存在；另一种是固体，如矿石及废钢中的铁锈，以Fe3O4、Fe2O3等形式存在。2.1硅锰氧化2.炼钢基本反应

在炉内氧的存在是以气态氧{O2}，渣中氧(Fe2O3）、(FeO)，钢中溶解氧[O]或[FeO]三种形态存在。这三种形态的氧，分解压按气态氧、渣中氧、钢中氧排列顺序逐渐降低，造成氧从气态向熔渣，再向钢液发生传递。

在炼钢温度下，常见氧化物的分解压排列顺序如下：P{O2}(Fe2O3)＞P{O2}(FeO)＞P{O2}{CO}＞P{O2}(MnO)＞P{O2}(P2O5)＞P{O2}(SiO2)＞P{O2}(Al2O3)＞P{O2}(MgO)＞P{O2}(CaO)

氧化物分解压力越小元素越先氧化，即氧化顺序为：Ca、Mg、Al、Si、P、Mn、C、Fe、FeO，但转炉内为多相反应，因此铁水中元素的氧化顺序还与其浓度有关，所以吹炼开始元素氧化顺序为Fe、Si、Mn、P、C等。2.炼钢基本反应

二）元素氧化反应的类型在氧化气氛下的炼钢熔池其铁水中的元素可通过三种反应进行氧化。（1）溶解元素被直接氧化

（Ⅰ）

这称为直接氧化反应。但即使溶解元素[M]与氧有较大的亲和力，但由于元素的氧化顺序与其浓度和温度有关，熔池表面铁的浓度远远大于其它被氧化的杂质元素的浓度，形成的FeO，一方面，作为氧化剂，去氧化从金属熔池中扩散到渣-钢界面上的其它杂质元素；即发生（Ⅱ）反应。（2）溶解元素被熔渣中的(FeO)所氧化。

（Ⅱ）2.炼钢基本反应

另一方面，又按分配定律，以溶解氧原子的形式进入金属液中，去氧化其它元素，即（Ⅲ）反应。（3）溶解元素被溶解于金属液中的[O]所氧化。

（Ⅲ）

二、硅的氧化

吹炼开始首先是Fe、Si被大量氧化，并放出热量，反应式为：[Si]+{O2}=(SiO2)△GΘ=-827.13+0.228TkJ•mol-1[Fe]+1/2{O2}=(FeO)[Si]+2(FeO)=(SiO2)+2[Fe]△GΘ=-351.71+0.128TkJ•mol-12.炼钢基本反应三、锰的氧化与硅相似，锰也很容易被氧化，反应式为：[Mn]+1/2{O2}=（MnO）△GΘ=-361.65+0.107TkJ•mol-1[Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe]△GΘ=-123.35+0.056TkJ•mol-1[Mn]+[O]=(MnO)△GΘ=-244.35+0.109TkJ•mol-12.炼钢基本反应一、碳氧反应的作用炼钢的一个主要任务是脱碳，但炼钢过程中碳氧反应不仅完成脱碳任务，还有：(1)加大钢渣界面，加速物理化学反应的进行。(2)搅动熔池，均匀成分和温度。(3)有利于非金属夹杂的上浮和有害气体的排出。(4)有利于熔渣的形成。(5)放热升温。(6)爆发性的碳氧反应会造成喷溅。可见碳氧反应对炼钢任务的完成起到非常重要的作用。2.2碳氧反应2.炼钢基本反应二、碳氧反应一）碳氧反应转炉中的碳氧反应产物90％是CO，也有少量的CO2。转炉内主要的碳氧反应式如下：[C]+1/2{O2}={CO}△GΘ=-136.9-0.044TkJ•mol-1[C]+(FeO)={CO}+[Fe]△GΘ=98.8-0.091TkJ•mol-1[C]+[O]={CO}

△GΘ=-22.36-0.039kJ•mol-12.炼钢基本反应

钢中磷对于大部分钢种而言是有害元素，随着磷的增加，使钢塑性、韧性降低，特别是低温冲击韧性降低，引起钢的“冷脆”；并使钢的焊接性能与冷弯性能变差；磷对钢的这种影响常随着氧、氮含量的增高而加剧。另外，磷在铸坯(锭)中的偏析度仅次于硫，不容易均匀化，因而磷的偏析很难消除。对不同用途的钢，磷含量做了严格规定，如非合金钢中：

普通质量级钢：[P]≤0.040%；

优质碳素钢：[P]≤0.035%；

特殊质量钢：[P]≤0.025%，有的如对低温贮罐钢甚至还低于0.020%。2.3脱磷反应2.炼钢基本反应炼钢用铁水的磷含量变化很大，炼铁原料中磷的氧化物在高炉内几乎100％还原到铁水中，一般为0.1～1.0％，特殊的可高达2.0％以上。所以脱磷是炼钢过程中的重要任务之一。在特定的条件下，磷可以作为合金元素使用。如炮弹钢中加磷，钢的脆性可使炮弹炸时碎片增多；易切削钢中磷含量高可降低钢的塑性改善钢的切削性能；薄板钢中加入磷使薄板在叠轧时彼此不易粘合；耐腐蚀钢中加磷可以提高钢的耐腐蚀性能等。一、脱磷反应一）脱磷反应式炼钢过程的脱磷反应是在金属液与熔渣界面进行的。反应式如下：2[P]+8(FeO)=(3FeO•P2O5)+5[Fe]2.炼钢基本反应由于在炼钢温度下，[P]与[Fe]同时氧化，因而形成(3FeO•P2O5)产物。但是(3FeO•P2O5)的稳定性较差，随着炼钢熔池温度的上升，在1500℃以上，难于稳定存在。必须将它转变成高温下稳定存在的复杂化合物溶解于渣中。所以脱磷需要氧化剂和固定剂，常用的固定剂是CaO。加入CaO，生成稳定的(4CaO•P2O5)或(3CaO•P2O5)，以(4CaO•P2O5)为主。(P2O5)+4(CaO)=(4CaO•P2O5)碱性氧化渣脱磷综合反应式：2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO•P2O5)+5[Fe]

△GΘ=-678.002-0.275TkJ•mol-12.炼钢基本反应二）磷的分配系数与脱磷效率当反应达到平衡时，其平衡常数可以写成：

在炼钢条件下，若渣中(FeO)、(CaO)成分一定，则脱磷效果可用磷的分配系数LP表示，LP=渣中磷含量/钢中磷含量，即熔渣与金属中磷浓度的比值。其表达式如下：

2.炼钢基本反应

可见，磷的分配系数大小表明了熔渣的脱磷能力，分配系数越大说明渣中磷相对含量高，钢中[P]低，脱磷能力越强，脱磷越完全。欲提高熔渣的脱磷能力必须增大KP、γCaO、f[P]和降低γ4CaO•P2O5，因此，影响这些因素的有关工艺参数就是脱磷反应实际的热力学条件。二、脱磷的热力学条件从脱磷反应式可以看出，反应物(FeO)和(CaO)浓度升高、生成物(CaO•P2O5)浓度降低，对于放热反应适当低温条件下，平衡向右移动，终点[P]含量才会降低。故脱磷条件是：2.炼钢基本反应

一）熔渣的氧化性从脱磷反应平衡分析可知，钢渣面与(FeO)反应，(FeO)作为氧化剂氧化磷，且能加速石灰的溶解，高(FeO)是脱磷反应必要条件，但渣中(FeO)过多，势必造成渣中(CaO)浓度的下降，进而影响脱磷效果；生产上碱度在2.5以下，增加（FeO）对脱磷的影响最大；碱度在2.5～4.0之间，增加（FeO）对脱磷有利，但过高的（FeO）反而使渣的脱磷能力下降。二）熔渣碱度(CaO)与渣中(P2O5)结合成(4CaO•P2O5)或(3CaO•P2O5)，(CaO)是脱磷的充分条件。提高碱度是增加(CaO)的有效浓度，有利于提高脱磷效率，但碱度不是越高越好，加入过多的石灰，渣化不好，影响熔渣的流动性，反而对脱磷不利。2.炼钢基本反应

三）渣中其它成分渣中(MnO)、(MgO)也是碱性氧化物，但其脱磷效果不如(CaO)，少量的(MnO)、(MgO)有利于帮助石灰渣化，但它们在渣中浓度增加，降低了渣中(CaO)的浓度，反而对脱磷不利。且渣中(MgO)含量增加会使渣粘度增大，降低脱磷反应速度。四）温度脱磷反应是强放热反应，因而升高温度，对脱磷不利。但炉温过低，不利于石灰的渣化，且使熔渣粘度升高，也阻碍脱磷反应的进行。为加速石灰溶解，合适温度范围是1450～1550℃。2.炼钢基本反应

五）金属成分的影响金属中存在的杂质元素将对f[P]起一定的影响，通常在含磷熔铁中，增加[C]、[O]、[N]、[Si]和[S]等的含量可使f[P]增大，增加[Cr]的含量使f[P]减小，[Mn[和[Ni]对f[P]的影响不大。锰高使渣中(MnO)增高，有利于化渣而促进脱磷。因为f[P]随[P]的降低而减小，所以金属中[P]越低脱磷的效率也越低。六）炉料磷含量及渣量转炉内可以去除原料中80～90％的磷，原料磷含量增多，钢中磷含量也会增多。只有采用铁水预脱磷、降低炉料中的磷含量，才能保证将钢种磷含量控制在更严格的范围。增加渣量可以在LP一定时使金属中[P]降低。因为增加渣量意味着稀释（P2O5）的浓度，从而使(4CaO•P2O5)浓度也相应地降低，反应可向右进行，对脱磷有利。可采用多次换渣操作，或适当的大渣量。2.炼钢基本反应

三、脱磷反应的动力学条件脱磷反应是典型的钢渣界面反应，首先渣的形成速率对脱磷有关键性影响。因此，炉渣流动性良好，充分的熔池搅动可以改善熔渣及钢液的流动状态，加快界面两侧磷的传质；同时加快脱磷反应速率。四、回磷反应及影响因素转炉炼钢脱磷效率较高，但在炼钢炉出钢或往钢包内加合金时控制不当，磷也有出格现象，这是由于发生了回磷反应，出现了回磷现象。一）回磷的原因所谓回磷现象，就是磷从渣中直接返回钢液的现象。回磷反应是脱磷反应的逆反应。即凡是不利于脱磷反应的条件都会造成回磷现象。

2.炼钢基本反应熔渣的碱度或氧化铁含量降低、或石灰渣化不好，冶炼前期熔渣粘、或后期炉温过高等均会造成回磷现象；在炼钢过程中，出钢、脱氧、浇注时操作不当都会出现回磷现象。其原因可以是：炉内炉渣返干，渣中（FeO）低；温度过高，（FeO）过高，使炉渣碱度降低；在氧化渣下向熔池加了脱氧剂。使金属中[O]量降低；钢水脱氧后在钢包镇静时，炉渣溶解酸性氧化物（SiO2）而降低碱度。2.炼钢基本反应

硫是活泼的非金属元素之一，在炼钢温度下能够同很多金属和非金属元素结合成化合物，为发展各种脱硫方法创造了有利条件。各种脱硫方法的实质都是将溶解在钢液中的硫转变为不溶于钢液的硫化物，使其进入熔渣或经熔渣再逸出至炉气中。因此，在炼钢过程中，脱硫主要是通过熔渣进行的。一、硫的存在形式分子理论认为在碱性渣中硫的存在形式为CaS、FeS、MnS等形式的硫化物，离子理论则认为溶解在渣中的硫的存在形式为S2－。通常以附加不同标记的[FeS](或[S])和S2－[或(CaS)]分别代表炼钢反应中金属液和熔渣中的硫。在有金属液和熔渣的炼钢温度下，硫以单原子形式参加反应。2.4脱硫反应2.炼钢基本反应二、熔渣脱硫熔渣脱硫是钢液中硫与熔渣中碱性氧化物CaO、MgO、MnO结合成稳定的、只溶于熔渣的CaS、MgS或MnS。由于这些硫化物在金属液中溶解度很小，因此要保证硫不断地由金属液转入熔渣。

首先，在金属液-熔渣界面上，金属液中的[FeS]按分配定律由金属液向熔渣转移：[FeS]=(FeS)

然后，在熔渣中(FeS)与碱性氧化物作用，转变为稳定的硫化物：(FeS)+(CaO)=(CaS)+(FeO)(FeS)+(MnO)=(MnS)+(FeO)(FeS)+(MgO)=(MgS)+(FeO)2.炼钢基本反应

把上述两个步骤合并，就得到脱硫的总反应式：[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)[FeS]+(MnO)=(MnS)+(FeO)[FeS]+(MgO)=(MgS)+(FeO)以上脱硫反应式均为吸热反应。三、脱硫热力学条件一）熔渣碱度由于(CaO)提供(O2－)的能力很强，故加石灰造流动性良好的碱性渣，是炼钢过程保证去硫的重要措施。根据脱硫反应式分析平衡移动条件可知，增加反应物(CaO