内科大炼钢工艺学课件03炼钢生产的理论基础

第三章炼钢生产的理论基础3.1炼钢熔体的结构和性质3.2钢液中元素氧化反应的一般规律3.3硅、锰的氧化反应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炼钢熔体的结构与性质一、钢液的密度二、钢的熔点三、钢液的粘度四、钢液的表面张力五、钢的导热能力钢液密度随温度的变化：

ρ=8523-0.8358(T+273)

成分对钢液密度的影响：

ρ1600℃=ρ01600℃-210[%C]-164[%Al]-60[%Si]-550[%Cr]-7.5[%Mn]+43[%W]+6[%Ni]钢液的密度

[C]（%）密度1500℃1550℃1600℃1650℃1700℃0.000.100.200.300.400.600.801.001.201.607.466.987.067.147.146.976.866.786.726.677.046.967.017.067.056.896.786.706.646.577.036.956.977.017.016.846.736.656.616.547.006.896.936.986.976.806.676.596.556.526.936.816.816.826.836.706.576.506.476.43铁碳熔体的密度（kg/m3）

元素可使纯铁熔点的降低

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，（1-K）则称为偏析系数。计算钢的熔点经验公式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]

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]计算钢的熔点经验公式

黏度表示形式

动力黏度，用符号µ表示；单位为Pa•s(N•s/m2，1泊=0.1Pa•s)；

运动黏度，常用符号ν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0.002～0.003Pa•s;

纯铁液1600℃时黏度为0.0005Pa•s。

温度高于液相线50℃时，碳含量对钢液粘度的影响

当[%C]<0.15时，粘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当0.15≤[%C]＜0.40时，粘度随碳含量的增加而增加，原因是此时钢液中同时存在δ-Fe和γ-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；当[%C]≥0.40时，钢液的结构近似于γ-Fe排列，钢液密度下降，钢的熔点也下降，故钢液的粘度随着碳含量的增加继续下降。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

液相线以上50℃，碳对铁碳熔体表面张力的影响

导热系数与碳含量的关系

温度对钢导热系数的影响3.2钢液中元素氧化反应的一般规律1、元素氧化反应类型2、元素氧化反应的△G0及氧势图3、元素氧化的热力学条件4、炉渣传氧示意图1、元素氧化反应类型2、元素氧化反应的△G0及氧势图

溶解于钢中的氧O2=2[O]△G0=-RTln([%O]2/PO2(平))

氧势RTlnPO2=△G0+2RTln[%O]

金属液中氧浓度越大，则熔池的氧势越高。钢液中元素氧化的△G0-T图

比较FeO和MO的△G0-T直线的相对位置，可确定氧化的可能性。

1）在FeO的△G0-T直线以上的元素，不能氧化；

2）在FeO的△G0-T直线以下的元素，均可氧化。

3）氧势图上[C]+[O]→CO的△G0-T直线与其它元素的△G0-T直线走向相反，有交点，交点以下温度，C难于氧化。T＜1400℃：Si、V、Mn、

C、P、FeT＝1400～1530℃：Si、C、V、Mn、P、FeT＞1530℃：

C、Si、V、Mn、P、Fe气

1/2O2

＋

2（Fe2＋）2（Fe3＋）＋（O2－）渣

Fe

2（Fe2＋）2（Fe3＋）＋（O2－）＋

[O]金属

[O]＋[C]

CO炉渣传氧示意图传氧途径及氧的作用{O2}→2O吸附

（直接氧化）{CO}

气体（间接氧化）（FeO）[O]{CO}[O]钢液（FeO）炉渣转炉冶炼过程中金属、炉渣成分的变化第三章炼钢生产的理论基础3.1炼钢熔体的结构和性质3.2钢液中元素氧化反应的一般规律3.3硅、锰的氧化反应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1、Mn的氧化和还原降低温度（KMn↑），aFeO↑，rMnO↓可促进Mn的氧化。2、Si的氧化和还原温度降低（K↑），R↑，rSiO2↓，LSi↑碱性渣中，Si氧化彻底。3.3硅、锰的氧化反应第三章炼钢生产的理论基础3.1炼钢熔体的结构和性质3.2钢液中元素氧化反应的一般规律3.3硅、锰的氧化反应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3.4钢液的脱碳1.碳氧反应和碳氧积2.碳氧化反应热效应3.脱碳过程中钢液的氧含量脱碳过程中钢液的氧含量[O%]→[C%]→1）3）2）1）与熔渣层平衡的[%O][%O]=LO·aFeO2）与炉底处CO气泡及[C]平衡的[%O][%O]平=mPCO/[%C]PCO≥P大气+（Hmρm+HSρS）+2σ/r3）熔池实际的[%O][%O]=[%O]平+△[%O]熔体上层到炉底的氧浓度差，也叫过氧化度转炉内碳氧反应速度变化与[Si]和温度有关与氧气流量有关与碳的传质有关顶吹转炉吹炼终点中碳和氧的关系增碳法拉碳法第三章炼钢生产的理论基础3.1炼钢熔体的结构和性质3.2钢液中元素氧化反应的一般规律3.3硅、锰的氧化反应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钢液搅拌终点熔渣碱度与[P]的关系终点熔渣（TFe）和[P]的关系3.7其它元素的氧化1、Cr1）Fe-O-Cr系平衡[%Cr]=0-3%[Fe]+2[Cr]+4[O]→FeCr2O4(s)[%Cr]=3-9%0.67[Fe]+2.33[Cr]+4[O]→Fe0.67Cr2.33O4(s)[%Cr]>9%3[Cr]+4[O]→Cr3O4(S)2)不同渣系下Cr的氧化①酸性渣：[Cr]+（FeO）→（CrO）+[Fe]②碱性渣：2[Cr]+3（FeO）→（Cr2O3）+3[Fe]3.7其它元素的氧化3）Cr和C的选择氧化去碳保铬的条件：①温度：T↑，K↑，[%Cr]↑②PCO↓，加强脱碳；③ac↑，有Ni的存在，fc↑，[%Cr]↑④[%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↑，LV↑3、Nb

与V一样，存在选择性氧化。

4/5[Nb]+2CO→2/5（Nb2O5）+2[C]氧化顺序：Si→Mn→Nb★提Nb：高炉还原→炼钢氧化→渣→富集→电炉还原→Nb-Fe3.7其它元素的氧化4、WWO3是不稳定化合物，易为Fe还原。在碱性渣中，生成CaO·WO3，rWO3↓，LW↑第三章炼钢生产的理论基础3.1炼钢熔体的结构和性质3.2钢液中元素氧化反应的一般规律3.3硅、锰的氧化反应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3.8钢液的脱氧和合金化脱氧常数元素脱氧能力1600℃时各种元素脱氧能力1600℃时，钢水中的脱氧元素Al和Ti含量若均为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％），说明Al比Ti的脱氧能力强。3.9钢中的气体和非金属夹杂物1.钢液的真空处理反应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)向相界面转移或依附气泡排出；(2)夹杂物发生分解或C还原去除。

MxOy→x[M]+y/2O2