炼钢学授课教案

第一章炼钢学概述

基本要求：理解炼钢的任务；了解对原材料的要求；了解耐火材

料的分类和各自用途。

重点与难点：炼钢的任务；原材料主要质量指标；炼钢用耐火材

料。

第一节概述

一、钢与生铁的区别及发展历程：

首先是碳的含量，理论上一般把碳含量小于2.11%称之钢，

它的熔点在1450-1500C,而生铁的熔点在U00-1200C。

在钢中碳元素和铁元素形成Fe3c固熔体,随着碳含量的增加,

其强度、硬度增加，而塑性和冲击韧性降低。

钢的应用前景：钢具有很好的物理、化学性能与力学性能，可

进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，其用途十分广泛。

用途不同对钢的性能要求也不同，从而对钢的生产也提出了不

同的要求。石油、化工、航天航空、交通运输、农业、国防等许多

重要的领域均需要各种类型的大量钢材，我们的日常生活更离不开

钢。总之，钢材仍将是21世纪用途最广的结构材料和最主要功能

材料。

炼钢方法（1）

最早出现的炼钢方法是1740年出现的用烟法，它是将生铁和

废铁装入由石墨和粘土制成的用烟内，用火焰加热熔化炉料，之后

将熔化的炉料浇成钢锭。此法几乎无杂质元素的氧化反应。

炼钢方法（2）

1856年英国人亨利•贝塞麦发明了酸性空气底吹转炉炼钢法，

也称为贝塞麦法，第一次解决了用铁水直接冶炼钢水的难题，从而

使炼钢的质量得到提高，但此法要求铁水的硅含量大于0.8%,而

且不能脱硫。目前已淘汰。

炼钢方法(3)

1865年德国人马丁利用蓄热室原理发明了以铁水、废钢为原料

的酸性平炉炼钢法，即马丁炉法。1880年出现了第一座碱性平炉。

由于其成本低、炉容大，钢水质量优于转炉，同时原料的适应性强,

平炉炼钢法一时成为主要的炼钢法。

炼钢方法(4)

1878年英国人托马斯发明了碱性炉衬的底吹转炉炼钢法，即托

马斯法。他是在吹炼过程中加石灰造碱性渣，从而解决了高磷铁水

的脱磷问题。当时，对西欧的一些国家特别适用，因为西欧的矿石

普遍磷含量高。但托马斯法的缺点是炉子寿命底，钢水中氮的含量

高。

炼钢方法(5)

1899年出现了完全依靠废钢为原料的电弧炉炼钢法(EAF),解

决了充分利用废钢炼钢的问题，此炼钢法自问世以来，一直在不断

发展，是当前主要的炼钢法之一，由电炉冶炼的钢目前占世界总的

钢的产量的30-40%。

炼钢方法(6)

瑞典人罗伯特•杜勒首先进行了氧气顶吹转炉炼钢的试验，并获

得了成功。1952年奥地利的林茨城(Linz)和多纳维兹城(Donawitz)

先后建成了30吨的氧气顶吹转炉车间并投入生产，所以此法也称

为LD法。美国称为BOF法(BasicOxygenFurnace)或BOP法,

如图1所示。

图1BOF法

炼钢方法（7）

1965年加拿大液化气公司研制成双层管氧气喷嘴，1967年西

德马克西米利安钢铁公司引进此技术并成功开发了底吹氧转炉炼

钢法，即OBM法（OxygenBottomMaxhuette）。1971年美国钢铁

公司引进OBM法，1972年建设了3座200吨底吹转炉，命名为

Q-BOP（QuietBOP），如图2所示。

图2Q-BOP法

炼钢方法（8）

在顶吹氧气转炉炼钢发展的同时，1978-1979年成功开发了转

炉顶底复合吹炼工艺，即从转炉上方供给氧气（顶吹氧），从转炉

底部供给惰性气体或氧气，它不仅提高钢的质量，而且降低了炼钢

消耗和吨钢成本，更适合供给连铸优质钢水，如图3所示。

图3转炉顶底复合吹炼法

炼钢方法（9）

我国首先在1972-1973年在沈阳第一炼钢厂成功开发了全氧侧

吹转炉炼钢工艺。并在唐钢等企业推广应用，如图4所示。

图4全氧侧吹转炉炼钢法

总之，炼钢技术经过200多年的发展，技术水平、自动化程度

得到了很大的提高，21世纪炼钢技术会面临更大的挑战，相信会有

不断的新技术涌现。

二、我国钢铁工业的状况

我国很早就掌握了炼铁的冶炼技术，东汉时就出现了冶炼和锻

造技术，南北朝时期就掌握了灌钢法，曾在世界范围内处于领先地

位。但旧中国钢铁工业非常落后，产量很低，从1890年建设的汉

阳钢铁厂至1948年的半个世纪中，钢产量累计到200万吨，1949

年只有15.8万吨。

新中国成立后，特别是改革开放以来，我国的钢铁事业得到迅

速发展，1980年钢产量达到3712万吨，1990年达到6500万吨，

1996年首次突破1亿吨大关，成为世界第一产钢大国，20XX年产

量达到3.4亿吨，占世界产量的1/3。

可以这样讲，我国的钢铁工业对世界产生了重要影响，我国不

仅是产钢大国，而且已经开始迈入钢铁强国的行列，如图5所示。

2

^

幅

150

也100

不

亳

195019651960196519701975198019851990199520002005

年份/a

图5我国粗钢产量的变化情况

第二节炼钢的任务及钢的分类

一、炼钢的任务

炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱氧，去除有害气体和

非金属夹杂物，提高温度和调整成分。归纳为：“四脱”（碳、氧、

磷和硫），“二去”（去气和去夹杂），“二调整”（成分和温度）。采

用的主要技术手段为：供氧，造渣，升温，加脱氧剂和合金化操作。

（-）钢中的磷

对于绝大多数钢种来说磷是有害元素。钢中磷的含量高会引起

钢的“冷脆”，即从高温降到0℃以下，钢的塑性和冲击韧性降低，

并使钢的焊接性能与冷弯性能变差。

磷是降低钢的表面张力的元素，随着磷含量的增加，钢液的表

面张力降低显著，从而降低了钢的抗裂性能。

磷是仅次于硫在钢的连铸坯中偏析度高的元素，而且在铁固熔

体中扩散速率很小，因而磷的偏析很难消除，从而严重影响钢的性

能，所以脱磷是炼钢过程的重要任务之一。磷在钢中是以［FesP］或

［FezP］形式存在，但通常是以［P］来表达。炼钢过程的脱磷反应是在

金属液与熔渣界面进行的。

不同用途的钢对磷的含量有严格要求：

非合金钢中普通质量级钢［P］W0.045%；

优质级钢[P]W0.035%；

特殊质量级钢[P]W0.025%；

有的甚至要求[P]W0.010%。

但对于某些钢种，如炮弹钢，耐腐蚀钢则需添加一定的P元素。

（二）钢中的硫

硫对钢的性能会造成不良影响，钢中硫含量高，会使钢的热加

工性能变坏，即造成钢的“热脆”性。

硫在钢中以FeS的形式存在，FeS的熔点为1193℃,Fe与FeS

组成的共晶体的熔点只有985℃O液态Fe与FeS虽可以无限互溶,

但在固熔体中的溶解度很小，仅为0.015%-0.020%。

当钢中的[S]>0.020%时，由于凝固偏析，Fe-FeS共晶体分布

于晶界处，在1150」200℃的热加工过程中，晶界处的共晶体熔化,

钢受压时造成晶界破裂，即发生“热脆”现象。

如果钢中的氧含量较高，FeS与FeO形成的共晶体熔点更低

（940℃）,更加剧了钢的“热脆”现象的发生。

镐可在钢凝固范围内生成MnS和少量的FeS,纯MnS的熔点

为1610℃,共晶体FeS-MnS（占93.5%）的熔点为1164℃,它们

能有效地防止钢热加工过程的“热脆

冶炼一般钢种时要求将[Mn]控制在0.4%-0.8%。在实际生产中

还将[Mn]/[S]比作为一个指标进行控制，[Mn]/[S]对钢的热塑性影响

很大。从低碳钢高温下的拉伸实验发现提高比可以提高钢

的热延展性。一般[Mn]/[S]N7时不产生热脆，如图6所示。

图6[Mn]/[S]比对低碳钢热延展性的影响

硫还会明显降低钢的焊接性能，引起高温龟裂，并在焊缝中产

生气孔和疏松，从而降低焊缝的强度。硫含量超过0.06%时，会显

著恶化钢的耐蚀性。硫还是连铸坯中偏析最为严重的元素。

不同钢种对硫含量有严格的规定：

非合金钢中普通质量级钢[S]W0.045%

优质级钢[S]W0.035%,

特殊质量级钢[S]W0.025%

有的钢种要求如管线钢[S]W0.005%,甚至更低。

对于某些钢种，如易切削钢，硫则作为合金元素加入，要求

[S]=0.08%-0.20%o

（三）钢中的氧

在吹炼过程中，向熔池供入了大量的氧气，到吹炼终点时，钢

水中含有过量的氧，即钢中实际氧含量高于平均值。

若不脱氧，在出钢、浇铸中，温度降低，氧溶解度降低，促使

碳氧反应，钢液剧烈沸腾，使浇铸困难，得不到正确凝固组织结构

的连铸坯。

钢中氧含量高，还会产生皮下气泡，疏松等缺陷，并加剧硫的

热脆作用。在钢的凝固过程中，氧将会以氧化物的形式大量析出，

会降低钢的塑性，冲击韧性等加工性能。

一般测定的是钢中的全氧，即氧化物中的氧和溶解的氧之和，

在使用浓差法定氧时才是测定钢液中溶解的氧，在铸坯或钢材中取

样时是全氧样。

脱氧的任务：

根据具体的钢种，将钢中的氧含量降低到所需的水平，以保证

钢水在凝固时得到合理的凝固组织结构；

使成品钢中非金属夹杂物含量最少，分布合适，形态适宜，以

保证钢的各项性能指标，得到细晶结构组织。

常用的脱氧剂有Fe-Mn,Fe-Si,Mn-Si,Ca-Si等合金。

（四）钢中的气体

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。

钢热加工过程中，钢中含有氢气的气孔会沿加工方向被拉长形

成微裂纹，进而引起钢材的强度、塑性、冲击韧性的降低，即发生

“氢脆”现象。

在钢材的纵向断面上，呈现出圆形或椭圆形的银白色斑点称之

为“白点”，实为交错的细小裂纹。主要原因是钢中的氢在小孔隙中

析出的压力和钢相变时产生的组织应力的综合力超过了钢的强度，

产生了“白点”。一般白点产生的温度低于2000℃。

钢中的氮是以氮化物的形式存在，它对钢质量的影响体现出双

重性。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”。原因是钢中氮化物的析出速度很慢，逐渐改变着钢

的性能。低碳钢产生的脆性比磷还严重。

钢中氮含量高时，在250-4500C温度范围，其表面发蓝，钢的

强度升高，冲击韧性降低，称之为“蓝脆”。氮含量增加，钢的焊接

性能变坏。

钢中加入适量的铝，可生成稳定的A1N,能够压抑Fe4N生成

和析出，不仅改善钢的时效性，还可以阻止奥氏体晶粒的长大。氮

可以作为合金元素起到细化晶粒的作用。在冶炼铭钢，银铭系钢或

铭镒系等高合金钢时，加入适量的氮，能够改善塑性和高温加工性

能。

（五）钢中的夹杂

钢中非金属夹杂按来源分可以分成外来夹杂和内生夹杂。

外来夹杂是指冶炼和浇铸过程中，带入钢液中的炉渣和耐火材

料以及钢液被大气氧化所形成的氧化物。内生夹杂包括：脱氧时的

脱氧产物；钢液温度下降时，硫、氧、氮等杂质元素溶解度下降而

以非金属夹杂形式出现的生成物；凝固过程中因溶解度降低、偏析

而发生反应的产物；固态钢相变溶解度变化生成的产物。

钢中大部分内生夹杂是在脱氧和凝固过程中产生的。根据成分

不同，夹杂物可分为：

氧化物夹杂，即FeO、MnO、SiCh、AI2O3、O2O3等简单的

氧化物；

FeO-Fe2O3>FeO-Al2O3^MgO-ALCh等尖晶石类和各种钙铝的

复杂氧化物；

2FeO-SiO2>2MnO-SiO2>3MnO-AbO3-2SiO2等硅酸盐；

硫化物夹杂，如FeS、MnS^CaS等；

氮化物夹杂，如AIN、TiN、ZrN、VN、BN等。

按加工性能，夹杂物可分为：塑性夹杂，它是在热加工时，沿

加工方向延伸成条带状；脆性夹杂，它是完全不具有塑性的夹杂物,

如尖晶石类型夹杂物，熔点高的氮化物；点状不变性夹杂，如SiO2

超过70%的硅酸盐，CaS、钙的铝硅酸盐等。

由于非金属夹杂对钢的性能产生严重的影响，因此在炼钢、精

炼和连铸过程应最大限度地降低钢液中夹杂物的含量，控制其形

状、尺寸。

(六)钢中的合金成分

碳(C)

炼钢的重要任务之一就是要把熔池中的碳氧化脱除至所炼钢

钟的要求。从钢的性质可看出碳也是重要的合金元素，它可以增加

钢的强度和硬度，但对韧性产生不利影响。

钢中的碳决定了冶炼、轧制和热处理的温度制度。

碳能显著改变钢的液态和凝固性质，在1600C,[0WO.8%时,

每增0.1%的碳

♦钢的熔点降低6.50C

♦密度减少4kg/m3

♦黏度降低0.7%

♦[N]的溶解度降低0.001%

♦［H］的溶解度降低0.4cm3/100g

♦增大凝固区间17.79C。

镒(Mn)

镐的作用是消除钢中硫的热脆倾向，改变硫化物的形态和分布

以提高钢质；

镒是一种非常弱的脱氧剂，在碳含量非常低、氧含量很高时，

可以显示出脱氧作用，协助脱氧，提高他们的脱氧能力；

镒还可以略微提高钢的强度，并可提高钢的淬透性能，稳定并

扩大奥氏体区，常作为合金元素生成奥氏体不锈钢、耐热钢等。

硅(Si)

硅是钢中最基本的脱氧剂。普通钢中含硅在0.17%-0.37%,

1450℃钢凝固时，能保证钢中与其平衡的氧小于与碳平衡的量，抑

制凝固过程中CO气泡的产生。

生产沸腾钢时，［Si］为0.03%-0.07%,［Mn］为0.为％-0.70%,

它只能微弱控制C-O反应。

硅能提高钢的机械性能，增加了钢的电阻和导磁性。

硅对钢液的性质影响较大，1600C纯铁中每增加1%的硅：

♦碳的饱和溶解度降低0.294%

♦铁的熔点降低8C

♦密度降低80kg/m3

♦［N］的饱和溶解度降低0.003%

♦［H］降低1.4cm3/100g

♦钢的凝固区间增加10C,钢液的收缩率提高2.05%。

铝(A1)

铝是终脱氧剂，生产镇静钢时，［A1］多在0.005%-0.05%,通常

为0.01%-0.03%»钢中铝的加入量因氧量而异，对高碳钢应少加些,

而低碳钢则应多加，加入量一般为：0.310kg/t钢。

铝加到钢中将与氧发生反应生成A12O3,在出钢、镇静和浇铸

时生成的A12O3大部分上浮排除，在凝固过程中大量细小分散的

A12O3还能促进形成细晶粒钢。铝是调整钢的晶粒度的有效元素，

它能使钢的晶粒开始长大并保持到较高的温度。

二、钢的分类

按化学成分分类：按是否加入合金元素可钢分为把碳素钢和合

金钢两大类。

碳素钢是指钢中除含有一定量为了脱氧而加入硅（一般W

0.40%）和镒（一般W0.80%）等合金元素外，不含其他合金元素

的钢。根据碳含量的高低又可分成低碳钢（[0WO.25%）,中碳钢

（0.25%&[C]<0.60%）和高碳钢（[C]>0.60%）o

合金钢是指钢中除含有硅和镒作为合金元素或脱氧元素外，还

含有其他合金元素如铭、银、铝、钛、帆、铜、鸨、铝、钻、锯、

错和稀土元素等，有的还含有某些非金属元素如硼、氮等的钢。

根据钢中合金元素含量的多少，又可分为低合金钢，中合金钢

和高合金钢。一般合金元素总含量小于3%的为普通低合金钢，总

含量为3%〜5%的为低合金钢，大于10%的叫高合金钢，总含量

介于5%〜10%之间为中合金钢。

按钢中所含有的主要合金元素不同可分为镒钢、硅钢、硼钢、

铭银鸨钢、铭镒硅钢等。

按冶炼方法和质量水平分类：

按炼钢炉设备不同可分为转炉钢、电炉钢、平炉钢。其中电炉

钢包括电弧炉钢、感应炉钢、电渣钢、电子束熔炼及有关的真空熔

炼钢等。

按脱氧程度不同可分为沸腾钢（不经脱氧或微弱脱氧）、镇静

钢（脱氧充分）和半镇静钢（脱氧不完全，介于镇静钢和沸腾钢之

间）。

按质量水平不同可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。

按用途分类，分为三大类：结构钢，工具钢，特殊性能钢。

结构钢是目前生产最多、使用最广的钢种，它包括碳素结构钢

和合金结构钢，主要用于制造机器和结构的零件及建筑工程用的金

属结构等。碳素结构钢是指用来制造工程结构件和机械零件用的

钢，其硫、磷等杂质含量比优质钢高些，一般[S]/0.055%,[P]4

0.045%,优质碳素钢［S］和［P］均W0.040%。碳素结构钢的价格最低,

工艺性能良好，产量最大，用途最广。

合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上，适当地加入一种或

数种合金元素，用来提高钢的强度、韧性和淬透性。合金结构钢根

据化学成分（主要指含碳量）热处理工艺和用途的不同，又可分为

渗碳钢、调质钢和氮化钢。

渗碳钢指用低碳结构钢制成零部件，经表面化学处理，淬火并

低温回火后，使零件表面硬度高而心部韧性好，既耐磨又能承受高

的交变负荷或冲击负荷。

调质钢的含碳量大于0.25%,所制成的零件经淬火和高温回火

调质处理后，可得到适当的高强度与良好的韧性。

氮化钢一般是指以中碳合金结构钢制成零件，先经过调质或表

面火焰淬火、高频淬火处理，获得所需要的力学性能，最后再进行

氮化处理，以进一步改善钢的表面耐磨性能。

工具钢，包括碳素工具钢和合金工具钢及高速钢。

碳素工具钢的硬度主要以含碳量的高低来调整（0.65%W［C］

WL30%）,为了提高钢的综合性能，有的钢中加入0.35%〜0.60%

的镒。

合金工具钢不仅含有很高碳，有的高达2.30%,而且含有较高

的铭（达13%）、鸨（达9%）、铝、机等合金元素，这类钢主要用

于各式模具。

高速工具钢除含有较高的碳（1%左右）夕卜，还含有很高的鸨

（有的高达19%）和铭、乳、铝等合金元素，具有较好的赤热硬性。

特殊性能钢，指的是具有特殊化学性能或力学性能的钢，如轴

承钢、不锈钢、弹簧钢、高温合金钢等。

轴承钢是指用于制造各种环境中工作的各类轴承圈和滚动体

的钢，这类钢含碳1%左右，含铝最高不超过1.65%,要求具有高

而均匀的硬度和耐磨性，内部组织和化学成分均匀，夹杂物和碳化

物的数量及分布要求高。

不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液，或其他腐蚀介质

中具有一定化学稳定性的钢的总称。耐大气、蒸汽和水等弱介质腐

蚀的称为不锈钢，耐酸、碱和盐等强介质腐蚀的钢称为耐腐蚀钢。

不锈钢具有不锈性，但不一定耐腐蚀，而耐腐蚀钢则一般都具有较

好的不锈性。

根据化学成分不同，可分为马氏体不锈钢（13%Cr钢为代表），铁素

体不锈钢（18%Cr钢为代表），奥氏体不锈钢（18%Cr-8%Ni钢代表）

和双相不锈钢。

弹簧钢主要含有硅、镐、铭合金元素，具有高的弹性极限、高

的疲劳强度以及高的冲击韧性和塑性，专门用于制造螺旋簧及其他

形状弹簧，对钢的表面性能及脱碳性能的要求比一般钢更为严格。

高温合金指的是在应力及高温同时作用下，具有长时间抗蠕变

能力与高的持久强度和高的抗蚀性的金属材料，常用的有铁基合

金、银基合金、钻基合金，还有铝基合金、铝基合金及其他合金等。

高温合金主要用于制造燃汽轮机、喷气式发动机等高温下工作零部

件。

思考题：

1、炼钢的基本任务是什么，通过哪些手段实现？

2、磷和硫对钢产生哪些危害？

3、实际生产中为什么要将[Mn]/[S]比作为一个指标进行控制？

4、氢和氮对钢产生哪些危害？

5、外来夹杂和内生夹杂的含义是什么？

第二章炼钢的基础理论

基本要求：掌握炼钢反应的原理；掌握渣钢间的氧化还原反应

及其他反应；掌握钢液的搅拌及钢中夹杂。

重点与难点：炼钢反应的原理；渣钢间的氧化还原反应；钢包

吹氧搅拌与夹杂物去除。

第一节钢液的物理性质

一、钢的密度

单位体积钢液所具有的质量，常用符号P表示，单位通常用

3

kg/mo影响钢液密度的因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，原因在于原子间距增大。

固体纯铁密度为7880kg/n?,1550C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：P=8523-0.8358(T+273),如表1所

zKo

成分对钢液密度的影响：

P1600℃=Pol6OO℃

-210[%C]-164[%A1]-60[%Si]-550E%Cr]-7.5[%Mn]+43[%W]+6[%Ni]

表1铁碳熔体的密度(kg/mD

密度

[C]

(%)1500℃1550℃1600℃1650℃1700℃

0.007.467.047.037.006.93

0.106.986.966.956.896.81

0.207.067.016.976.936.81

0.307.147.067.016.986.82

0.407.147.057.016.976.83

0.606.976.896.846.806.70

0.806.866.786.736.676.57

1.006.786.706.656.596.50

1.206.726.646.616.556.47

1.606.676.576.546.526.43

二、钢的熔点

指钢完全转变成均一液体状态时的温度，或是冷凝时开始析出

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。降低的程度取决于加入元素的浓度、原子量和凝

固时该元素在熔体与析出的固体之间的分配。

各元素使纯铁熔点的降低可表示为：

10200

Mi为溶质元素i的原子量；

国]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，(1TO则称为偏析系数。

计算钢的熔点经验式：

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[%A1]-1.3[%V]-1.5[%Mo]-l.8[%Cr]-1.7[%Co]

-1.0[%W]-1300[%H]-90[%N]-100[%B]-65[%0]-5[%Cl]-14[%As]

或

T熔

=1536-78[%C]-7.6[%Si]-4.9L%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]

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

的扩散、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。

黏度表示形式：

动力黏度，用符号以表示；单位为Pa・s(N，s/m2,1泊=0.lPa・

s)；

运动黏度，常用符号v(m2/s)表示，即：

v_Z£

p

钢液的黏度比正常熔渣的要小得多，1600C时其值在0.002〜

0.003Pa«s；纯铁液1600C时黏度为0.0005Pa«so

影响钢液黏度因素主要是温度和成分。温度升高，黏度降低。

钢液中的碳对黏度的影响非常大，这主要是因为碳含量使钢的密度

和熔点发生变化，从而引起黏度的变化。

生产实践也表明，同一温度下，高碳钢的流动性比低碳钢钢液

的好。因此，一般在冶炼低碳钢中，温度要控制得略高一些。碳含

量对钢液黏度的影响如图1所示。

图1碳含量对钢液黏度的影响

温度高于液相线50C时，碳含量对钢液黏度的影响：

M当[%C]<0.15时，黏度随着碳含量的增加而大幅度下降，主要原

因是钢的密度随碳含量的增加而降低；

口当0.15W[%C]<0.40时，黏度随碳含量的增加而增加，原因是此

时钢液中同时存在6-Fe和y-Fe两种结构，密度是随碳含量的增

加而增加，而且钢液中生成的Fe3c体积较大；

口当[%C]20.40时，钢液的结构近似于y-Fe排列，钢液密度下降,

钢的熔点也下降，故钢液的黏度随着碳含量的增加继续下降。

Si、Mn、Ni使钢的熔点降低，Si、Mn、Ni含量增加，钢液黏

度降低，尤其含量很高时，降低更显著。但Ti、W、V、Mo、Cr含

量增加则使钢液的黏度增加，这些元素易生成高熔点、体积大的各

种碳化物。

钢液中非金属夹杂物含量增加，钢液黏度增加，流动性变差。

初期脱氧产物生成，夹杂物含量高，黏度增大，夹杂物不断上浮或

形成低熔点夹杂物，黏度又下降。脱氧不良，钢液流动性一般不好。

常用流动性来表示钢液的黏稠状况，黏度的倒数即为流体的流动

性。

四、钢液的表面张力

钢液因原子或分子间距非常小，其间的吸引力较强，而且钢液

表面层和内部所引起的这种吸引力的变化是不同的。内部每一质点

所受到的吸引力的合力等于零，质点保持平衡状态。而表面层质点

受内部质点的吸引力大于气体分子对表面层质点的吸引力，这样表

面层质点所受的吸引力不等于零，且方向指向钢液内部。这种使钢

液表面产生自发缩小倾向的力称为钢液的表面张力，用符号。表

示，单位为N/mo实际上，钢液的表面张力就是指钢液和它的饱和

蒸气或空气界面之间的一种力。

钢液的表面张力的影响：

对新相的生成如CO气泡的产生，钢液凝固过程中结晶核心的

形成等有影响；对相间反应，如脱氧产物的、夹杂物和气体从钢液

中排除，渣钢分离，钢液对耐火材料的侵蚀等也有影响。

影响钢液表面张力的因素很多，但主要有温度、钢液成分及钢

液的接触物。

tt钢液的表面张力是随着温度的升高而增大，原因之一是温度升高

时表面活性物质如C、0等热运动增强，使钢液表面过剩浓度减少

或浓度均匀化，从而引起表面张力增大。

口1550℃时，纯铁液的表面张力约为1.7〜1.9N/m。溶质元素对纯

铁液表面张力的影响程度取决于它的性质与铁的差别的大小。

合金元素对熔铁表面张力的影响如图2所示:

Fe^TiFe-Ni

1.8

L6

1.4

I.2

1.0

0.8

加入元素/%

图2合金元素对熔铁表面张力的影响

硫和氧对铁液表面张力的影响如图3所示：

、71

》

*、1

兴o

阳

率O

0.

0.00050.0010.010.11

⑸/%

图3硫和氧对铁液表面张力的影响

液相线以上50℃,碳对铁碳熔体表面张力的影响如图4所示:

©/%

1.8

©/%

b

图4碳对铁碳熔体表面张力的影响

五、钢的导热能力

口钢的导热能力可用导热系数来表示，即当体系内维持单位温度梯

度时，在单位时间内流经单位面积的热量。钢的导热系数用符号人

表示，单位为W/(m-℃)»

口影响钢导热系数的因素主要有钢液的成分、组织、温度、非金属

夹杂物含量以及钢中晶粒的细化程度等。

口通常钢中合金元素越多，钢的导热能力就越低。各种合金元素对

钢的导热能力影响的次序为：C、Ni、Cr最大，Al、Si、Mn、W次

之，Zr最小。合金钢的导热能力一般比碳钢差，高碳钢的导热能力

比低碳钢差。

口具有珠光体、铁素体和马氏体组织的钢，导热能力加热时都降低,

但在临界点AC3以上加热将增加。

维各种钢的导热系数随温度变化规律不一样,800℃以下碳钢随温度

的升高而下降，800C以上则略有升高。

导热系数与碳含量的关系如图5所示:

X4.18

•

w

-r

三

)

、

图5导热系数与碳含量的关系

温度对钢导热系数的影响如图6所示：

X4.18

0.15

0,

02(i(i40060G8001000120U

温度/C

图6温度对钢导热系数的影响

第二节熔渣的物理化学性质

炼好钢首先要炼好渣，所有炼钢任务的完成几乎都与熔渣有

关。熔渣的结构决定着熔渣的物理化学性质，而熔渣的物理化学性

质又影响着炼钢的化学反应平衡及反应速率。因此，在炼钢过程中

必须控制和调整好炉内熔渣的物理化学性质。

一、熔渣的作用、来源、分类与组成

炉渣在炼钢中的有利作用：

it去除铁水和钢水中的磷、硫等有害元素，同时能将铁和其他有用

元素的损失控制最低；

口保护钢液不过度氧化、不吸收有害气体、保温、减少有益元素烧

损；

tt防止热量散失，以保证钢的冶炼温度；

it吸收钢液中上浮的夹杂物及反应产物。

熔渣在炼钢过程中不利作用：

it侵蚀耐火材料，降低炉衬寿命，特别是低碱度熔渣对炉衬的侵蚀

更为严重；

■熔渣中夹带小颗粒金属及未被还原的金属氧化物，降低了金属的

回收率。

造好渣是炼钢的重要条件，造出成分合适、温度适当并具有适

宜于某种精炼目的的炉渣，发挥其积极作用，抑制其不利作用。

熔渣的来源：

口炼钢过程有目的加入的造渣材料，如石灰、石灰石、萤石、硅石、

铁矶土及火砖块。

口钢铁材料中Si、Mn、P、Fe等元素的氧化产物。

口冶炼过程被侵蚀的炉衬耐火材料。

熔渣的分类与组成：

不同炼钢方法采用不同的渣系进行冶炼，造不同成分的炉渣，

可达到不同的冶炼目的。转炉炼钢造碱性氧化渣，而电炉炼钢造碱

性还原渣，它们在物理化学性质和冶金反应特点上有明显的差别，

如表2所示。

碱性氧化渣因碱性氧化物CaO和FeO含量较高，具有脱磷、脱

硫能力，碱性还原渣因含有CaC2,不仅具有脱硫能力，而且有脱氧

能力。

表2转炉和电炉的炉渣成分和性质

类别化学成分转炉中组成％电炉中组成%冶金反应特点

CaO+FeO+MnO5050[C],[Si],[Mn]氧化缓慢不

酸性氧化渣

Si025050能脱P、脱S；

P2051—4钢水中［0］较低，

CaO/SiO23.0—4.52.5-3.5[C],[Si],[Mn]迅速氧化；

CaO35-5540-50能较好脱P;

碱性氧化渣FeO7-3010-25能脱去50%的S；

MnO2-85-10钢水中［0］较高

MgO2-125-10

CaO/SiO22.0-3.5脱S能力强；

CaO50-55脱氧能力强；

碱性还原渣钢水易增碳；

CaF25-8

(白渣)A12O32-3钢水易回磷；

FeO<0.5钢水中［H］增加

MgO<10钢水中［N］增加

CaC2<1

二、熔渣的化学性质

(-)熔渣的碱度

熔渣中碱性氧化物浓度总和与酸性氧化物浓度总和之比称之

为熔渣碱度，常用符号R表示。熔渣碱度的大小直接对渣钢间的物

理化学反应如脱磷、脱硫、去气等产生影响。

炉料中wtP］<0,30%时

0.曲%WWRVO.60%时

M熔渣R<1.0时为酸性渣，由于Si。2含量高，高温下可拉成细丝，

称为长渣，冷却后呈黑亮色玻璃状。R>1.0为碱性渣，称之短渣。

炼钢熔渣R23.0o

it炼钢熔渣中含有不同数量的碱性、中性和酸性氧化物，它们酸、

碱性的强弱可排列如下：

CaO>MnO>FeO>MgO>CaF2>Fe2O3>Al2O3>TiO2>SiO2>P2O5

碱性中性酸性

可用过剩碱的概念来表示熔渣的碱度，即碱性氧化物全都是等

价地确定出酸性氧化物对碱性氧化物的强度，并假定两者是按比例

结合，结合以外的碱性氧化物的量为过剩碱，表示方法如下：

过剩碱=取0+NugO+NunO—2NsiO2-3Np2O5—Npe2O3—NA12O3

实际上上式是用O'-的摩尔数来表示熔渣的碱度，碱性氧化物离

解产生0。酸性氧化物则消耗0：如：Si02与202结合成SiOj,

P2O5与302结合成2po/-0

(二)熔渣的氧化性

熔渣的氧化性也称熔渣的氧化能力，它是熔渣的一个重要的化

学性质。

熔渣的氧化性是指在一定的温度下，单位时间内熔渣向钢液供

氧的数量。

在其他一定的情况下，熔渣的氧化性决定了脱磷、脱碳以及夹

杂物的去除等。由于氧化物分解后不同，只有(FeO)和(FezOj才能

向钢中传氧，而(ALO3)、(SM(MgO)、(CaO)等不能传氧。

熔渣的氧化性通常是用E(%FeO)表示,包括(FeO)本身和Fe203

折合成(FeO)两部分。将FezOs折合成FeO有两种方法：

全氧折合法：

£(%beO)=(%30)+1.3$%电00

全铁折合法：

^(%FeCf)=(%"0)+0.90(%%q)

通常按全铁法将Fe?()3折算成FeO,原因是取出的渣样在冷却的

过程中，渣样表面的低价铁有一部分被空气氧化成高价铁，即FeO

氧化成FesO”因而使分析得出的FezOs量偏高，用全铁法折算，可

抵消此误差。

熔渣的氧化性用氧化铁的活度来表示显得更精确。部分氧化铁

会以复杂分子形式存在，不能直接参与反应，氧化铁的浓度反映不

出实际参加反应的有效浓度。

[%0]

S―[%0饱和

在1600C下，由实验测定在纯FeO渣中,金属铁液中溶解的[%0]

饱和与温度间有着下列关系：

设

lg[%0]饱和=2.734-塔

63200…

炮4=---------2.734

T(*)

Lo就是氧在渣铁间的平衡分配系数。在一定温度下，熔渣中

aFeO升高,铁液中[%0]含量也相应增高;当aFeO一定时，铁液中[%0]

也是随着温度升高而提高。

式（*）只适用于铁液中除氧外而无其他的杂质元素的情况，

对于钢液而言，熔渣对钢液的氧化能力用钢液中与熔渣相平衡的氧

含量和钢液中实际氧含量之差来表示，即：

△[%O]=[%0渣一钢一[%0]实

△[%0]>0,渣中氧能向钢液扩散，称氧化渣；

△[%0]<0,钢液中的氧向渣中转移，熔渣具有脱氧能力，称为还原

渣；

△[%0]=0,此时的渣称为中性渣。

[%0]在氧化末期主要与碳含量有关，可以得出以下关系式：

A[%O]=f{Z（FeO）,R,[C],T}

即△[%（）]是熔渣FeO的总量、碱度、钢液中的碳含量及温度的函数。

II从1600C多元系炉渣FeO等活度图可以看出，当熔渣碱度CaO/

Si02=2.0时，aFeO最大，熔渣的氧化性最强。

CaO/SiO2比值过高或过低，都会使aFeO下降，即降低熔渣

的氧化性。

H从分子理论看,当CaO/SiO2<2.0时,aFeO随碱度的增加而增大。

碱度增加，渣中CaO含量增加，CaO将取代硅酸铁(FeO•SiO2)中

FeO,aFeO增加；

CaO/Si02>2.0,aFeO随碱度增加而降低，碱度的增加，

渣中CaO含量增多，除和SiOz结合消耗一部分CaO外，多余的CaO

将与FezOs结合生成铁酸钙(CaO•Fe2O3),使aFeO降低。

从离子理论来看，熔渣中aFeO有下列关系：

0FeO=aFe2+,-

碱度较低的熔渣中，O'-浓度比较低，aFeO也比较低，随着碱

度的增加，O'-浓度增加，因而aFeO增大。当继续提高碱度时，则

生成铁酸根离子：

3Fe2++302-+Ca2++02=Ca2++2Fe0+Fe

表明Fe"和O'-的浓度都降低，使aFeO下降。

口当渣中T(%FeO)一定时，碱度低时，aFeO随温度的升高而略有

减少；

豆碱度低时，温度对aFeO几乎没有影响；

M在碱度较高时(CaO/SiO2>1.4),aFeO随温度的升高而减少；

it从反应动力学看，当熔渣碱度和£(%FeO)浓度一定时，温度越高,

则熔渣的流动性越好，熔渣中(FeO)反应能力增强，熔渣的氧化

性增强。

熔渣氧化性在炼钢过程中的作用体现在对熔渣自身、对钢水和

对炼钢操作工艺影响三个方面。

口影响化渣速度，渣中FeO能促进石灰溶解，加速化渣，改善炼钢

反应动力学条件，加速传质过程；影响熔渣粘度，渣中FezOs和碱性

氧化物反应生成铁酸盐，降低熔渣熔点和粘度，避免炼钢渣“返干”；

影响熔渣向熔池传氧。

口影响钢水含氧量[0],低碳钢水含氧量明显受熔渣氧化性的影响，

当钢水含碳量相同时，熔渣氧化性强，则钢水含氧量高；影响钢水

脱磷，熔渣氧化性强，有利于脱磷。

H影响铁合金收得率，氧化性强，降低铁合金收得率；影响炉衬寿

命，熔渣氧化性强，炉衬寿命降低；影响金属收得率，熔渣氧化性

越强，金属收得率越低。

三、熔渣的物理性质

炼钢过程要求熔渣的熔点低于所炼钢的熔点50℃-200℃o除

FeO和CaFz外，其他简单氧化物的熔点都很高，它们在炼钢温度下

难以单独形成熔渣，实际上它们是形成多种低熔点的复杂化合物，

如表3所示。熔渣的熔化温度是固态渣完全转化为均匀液态时的温

度；同理，液态熔渣开始析出固体成分时的温度为熔渣的凝固温度。

熔渣的熔化温度与熔渣的成分有关，一般说来，熔渣中高熔点组元

越多，熔化温度越高。

表3熔渣中常见的氧化物的熔点

化合物熔点/℃化合物熔点/℃

CaO2600MgO.Si021557

MgO28002MgO.Si021890

SiO21713CaO.MgO.Si021390

FeO13703CaO.MgO.2Si021550

F62O3

14572CaO.MgO.2Si021450

MnO17832FeO.Si021205

A12O3

2050MnO.Si021285

CaF214182MnO.Si021345

CaO.Si021550CaO.MnO.Si02>1700

2CaO.SiO221303CaO.P2051800

3CaO.SiO2>2065CaO.Fe2031220

3CaO.2SiO214852CaO.Fe2031420

CaO.FeO.S1021205CaO.2Fe2O31240

Fe2O3.SiO21217CaO.2FeO.Si021205

MgO.AI2O32135CaO.CaF21400

（-）熔渣的黏度

黏度是熔渣重要的物理性质，对元素的扩散、渣钢间反应、气

体逸出、热量传递，铁损及炉衬寿命等均有很大的影响。影响熔渣

黏度的因素主要有：熔渣的成分，熔渣中的固体熔点，温度。

一般来讲，在一定的温度下，凡是能降低熔渣熔点成分，在一

定范围内增加其浓度，可使熔渣黏度降低；反之，则使熔渣黏度增

大。在酸性渣中提高SiOz含量时，导致熔渣黏度升高；相反，在酸

性渣中提高CaO含量，会使黏度降低。

口碱性渣中，CaO超过40-50%后，黏度随CaO增加。

tlSiOz在一定范围内增加，能降低碱性渣的黏度，但Si。?含量超过

一定值形成2CaO-SiO2时，则使熔渣变稠，原因是2CaO・SiO2的熔

点高达2130C。

ttFeO（熔点1370C）和Fe2（）3（1457C）有明显降低渣熔点的作用，增

加FeO含量，渣黏度显著降低。

MMgO在碱性渣中对黏度影响很大，当MgO浓度超过9%-10%时，会

破坏渣的均匀性，使熔渣变黏。

itAlD能降低渣的熔点，从而具有稀释碱性渣的作用。

■CaF?本身熔点较低，它能降低熔渣的黏度。

炼钢过程中，希望造渣材料完全溶解，形成均匀相的熔渣。但

实际上炉渣中往往悬浮着石灰颗粒，MgO质颗粒，熔渣自身析出的

2CaO・Si02.3CaO・P2O5固体颗粒以及Ce（）3等。这些固体颗粒的状

态对熔渣的黏度产生不同影响。少量尺寸大的颗粒（直径达几毫

米），对熔渣黏度影响不大，尺寸较小数量多的固体颗粒呈乳浊液

状态，使熔渣黏度增加。

对酸性渣，温度升高，聚合的Si-0离子键易破坏，黏度下降;

对碱性渣而言，温度升高，有利于消除没有熔化的固体颗粒，因而

黏度下降。总之，温度升高，熔渣的黏度降低。1600C炼钢温度下,

熔渣黏度在0.02-0.1Pa・s之间。

（二）熔渣和钢水的黏度如表4所示：

表4熔渣和钢水的黏度的关系

物质温度（°C）黏度（Pa・s）

水250.00089

铁水14250.0015

钢水15950.0025

稀熔渣15950.0020

黏度中等渣15950.020

稠熔渣15950.20

FeO14000.030

CaO接近熔点<0.050

Si0219421.5X104

A12O321000.05

（三）熔渣的密度

熔渣的密度决定熔渣所占据的体积大小及钢液液滴在渣中的

沉降速度。固体炉渣的密度可近似用下式计算：

夕渣=叱

Pi为各化合物的密度；Wi为渣中各化合物的质量百分数，％。

一些典型熔渣中化合物的密度如表5所示：

表5熔渣中化合物的密度

化合物密度化合物密度化合物密度

A12O33.97MnO5.40V2034.87

Na202.27P2O52.39ZrO25.56

CaO3.32Fe2（）35.20CaF22.80

CeO27.13FeO5.90FeS4.58

Cr2（）35.21Si022.32CaS2.80

MgO3.50Ti024.24

1400C时熔渣的密度与组成的关系:

—o=0.45(%5zO,)+0.286(%CaO)+0.20<%FeO)+0.35(%^03)+

Q渣

0.237(%MnO)+0.367(%MgO)+0.48(%^05)+0.402(%A403)

熔渣的温度高于1400C时,可表示为:

1400-7、

夕渣=P淹+°,0

1()0)

一般液态碱性渣的密度为3.0g/cm\固态碱性渣的密度为3.5

g/cm3,Fe0>40%的高氧化性的密度为4.Og/cm3,酸性渣的密度一般

3

为3.0g/cmo

(四)熔渣的表面张力

熔渣的表面张力主要影响渣钢间的物化反应及熔渣对夹杂物

的吸附等。熔渣的表面张力普遍低于钢液，电炉熔渣的表面张力一

般高于转炉。

氧化渣(35%~45%CaO,10%~20%Si02,