内科大钢铁冶金原理课件04碳的氧化反应

第四章碳的氧化反应第四章碳的氧化反应

钢和铁都是铁-碳合金，钢铁冶炼工艺是和碳紧密联系在一起的。对于炼铁碳是还原剂和发热剂，对炼钢脱碳反应涉及到熔池的各种化学反应。碳可增加钢的强度、硬度、改变钢的组织，影响钢材性能。不论炼钢、炼铁发生的均是碳的氧化反应。

高炉风口前发生的主要是煤粉及焦炭的燃烧反应，煤粉的燃烧过程由煤的热分解和碳的氧化两个过程组成，焦炭在炼焦过程中已完成了热分解，只发生碳的氧化一个次过程。§4.1高炉风口前回旋区内碳的氧化⑴层状燃烧：当风速较小时，焦炭相对静止，类似于炉蓖上的燃烧，具有典型的层状燃烧的燃烧带的特点。风口前焦炭的燃烧分两种状态：这在冶炼强度低的中小高炉上出现，沿风口中心线煤气成分变化如图所示：⑵回旋燃烧：当风速较大时，鼓风吹动风口前的焦炭，形成一个疏松而近似球形的回旋区，焦炭随鼓风作高速回旋运动。这在强化冶炼的中小高炉和大高炉上出现。沿风口中心线燃烧带内气相成分变化如图所示。§4.2.1CO-CO2气体对铁的渗C反应§4.2生铁的渗碳

生铁的渗C作用开始于固态海绵铁的渗C，大量发生则是当铁滴落的过程中溶解碳素而形成。：海绵铁中的C以纯石墨为标准态的活度系数。P313解释已知：（1）

（2）当海绵铁渗C饱和时：(3)(4)(3)、(4)带入（2）中：当铁液中渗碳量较低时（〔%C〕<1）时：§4.2.2铁液的渗C海绵铁渗C后熔点不断降低熔化成为铁液，下落过程中会进一步溶解渗C使[%C]升高。铁中碳的溶解度计算式：铁液中其它元素对碳的溶解度的影响：①Nb、V、Cr、Mn等能形成比Fe3C稳定的碳化物，使[%C]↑②Si、P、S等能形成比Fe3C稳定的含铁化合物，使[%C]↓

（℃）§4.3炼钢过程的脱碳

炼钢过程的主要反应是脱C，需要从铁水中去掉较多的C量，冶炼时间与C氧化速率有关，由于碳氧化形成了大量的CO气泡，促进了熔池内其它化学反应的进行，加强了熔池的传热与传质。§4.3.1碳氧化反应的热力学1、C氧化反应的类型⑵铁液中[O]的脱C：此反应主要发生在铁水与炉底耐火材料的接触面上及铁水中的CO气泡表面上。⑴气体O2的脱C：⑶熔渣中(FeO)的脱C：,钢水中的脱C：由于平衡时，钢液中的、很低，可以认为2、碳氧浓度积,T=1873K,m=0.0025当（称为碳氧浓度积），，3、钢液不同部位的碳氧浓度积由于钢液不同部位的PCO不同，故有不同的碳氧浓度积。⑴熔池内部：只有钢水内部CO气泡内PCO满足下列条件时，气泡才能形成：气泡内CO的压力，Pa；：炉气压力，Pa；：钢夜的静压力，Pa；（钢夜的深度，m,钢夜的密度，）：炉渣的静压力，Pa；：气体的附加压力，Pa；（：；r半径，m）故：钢夜深度↑→↑→↑→↑→钢夜-熔渣界面：，

↑。⑵钢液表面：钢液表面形成的CO气泡为平展气泡，，附加压力，，值较小，故：⑶悬浮的金属液滴：当金属液滴进入熔渣或炉气中时,液滴表面的碳氧化形成

CO气泡。，(r<0)，铁滴位于气泡内部,在铁液内产生CO气泡则：铁在铁液内部：CO气泡在铁液内：采用真空操作，减小可使，加速脱碳。，随着CO气泡的长大，当内压大于外压时液滴爆炸，脱碳加速。1、过程机理§4.3.2脱C反应的动力学⑴氧从炉气向钢液中传递：（经过熔渣）向渣中传递（渣气界面）（钢渣界面）⑵氧从炉渣中向钢液中传递：

钢-渣界面的[O]向钢水中传递，[O]、[C]向CO气泡表面或炉底耐火材表面传质并吸附。钢渣界面⑶吸附的[O]、[C]发生界面化学反应

因此过程的限制性环节可能是钢水中[O]、[C]向CO气泡表面或炉底耐火材料表面的扩散，也可能是CO气泡的形核与长大。由于有非均相形核条件，往往[O]、[C]的扩散成为限制性环节。[O]、[C]传质系数为同一数量级，因而：⑷CO气泡成核并长大，经钢、渣排入炉气。[%C]>[%C]临，[O]的扩散为限制性环节。[%C]<[%C]临，[C]的扩散为限制性环节。2、[%C]>[%C]临时的脱C速率（[O]的扩散为限制性环节）

（1）渣中向渣钢水界面的扩散（2）界面反应：（3）渣钢界面的向钢水中的扩散：；的扩散由以下的环节组成：；；根据双膜理论，高温下界面化学反应速率很快，过程由（1）、（3）混合限制：式中:，；，可求出。，即可求出讨论：、钢液中[%C]