炼钢生产的理论基础课件

第三章第三章 炼钢生产的理论基础炼钢生产的理论基础3.1 炼钢熔体的结构和性质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钢液中元素氧化反应的一般规律3.3 硅、锰的氧化反应硅、锰的氧化反应3.4 钢液的脱碳钢液的脱碳3.5 钢液的脱磷钢液的脱磷3.6 钢液的脱硫钢液的脱硫3.7 其它元素的氧化其它元素的氧化3.8 钢液的脱氧和合金化钢液的脱氧和合金化3.9 钢中的气体和非金属夹杂物钢中的气体和非金属夹杂物3.10 钢液搅拌钢液搅拌3.1 炼钢熔体的结构和性质炼钢熔体的结构和性质一、钢液的密度一、钢液的密度 单位体积钢液所具有的质量，常用符号单位体积钢液所具有的质量，常用符号表示，表示，单位通常用单位通常用kg/mkg/m3 3。影响钢液密度的因素主要有温。影响钢液密度的因素主要有温度和钢液的化学成分。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。固体纯在于原子间距增大。固体纯铁密度为铁密度为7880kg/m7880kg/m3 3，15501550时液态的密度为时液态的密度为7040kg/m7040kg/m3 3，钢的变化与纯，钢的变化与纯铁类似。铁类似。钢液密度随温度的变化钢液密度随温度的变化：=8523-0.8358(T+273)成分对钢液密度的影响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 钢液的密度钢液的密度 C（%）密度密度150015501600165017000.000.100.200.300.400.600.801.001.201.607.466.987.067.147.146.976.866.786.726.677.046.967.017.067.056.896.786.706.646.577.036.956.977.017.016.846.736.656.616.547.006.896.936.986.976.806.676.596.556.526.936.816.816.826.836.706.576.506.476.43铁碳熔体的密度（铁碳熔体的密度（kg/mkg/m3 3）二、钢的熔点二、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，重要参数，纯铁的熔点约为纯铁的熔点约为15381538，当某元素溶入后，纯，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。析出的固体之间的分配。3.1 炼钢熔体的结构和性质炼钢熔体的结构和性质各元素使各元素使纯铁熔点的降低纯铁熔点的降低可表示为：可表示为：M Mi i为溶质元素为溶质元素i i的原子量；的原子量；%i%i液为元素液为元素i i在液态铁中的质量百分数；在液态铁中的质量百分数；K K为分配系数，而为分配系数，而K=%iK=%i固固/%i/%i液液，（，（1-K1-K）则）则 称为偏析系数。称为偏析系数。液%)1(1020iMi计算钢的计算钢的熔点经验式熔点经验式：T T熔熔=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 或或T T熔熔=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 计算钢的计算钢的熔点经验式熔点经验式：三、钢液的黏度三、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。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产生的内摩擦力。通常将内摩擦系数或黏度系数称为黏度。称为黏度。3.1 炼钢熔体的结构和性质炼钢熔体的结构和性质 黏黏度表示形式度表示形式 动力动力黏黏度度，用符号，用符号表示；单位为表示；单位为PaPas s(N(Ns/ms/m2 2，1 1泊泊=0.1Pa=0.1Pas)s)；运动运动黏黏度度，常用符号，常用符号表示，即：表示，即：m m2 2/s/s 钢液的钢液的黏黏度比正常熔渣的要小得多，度比正常熔渣的要小得多，16001600时时其值在其值在0.0020.0020.003Pa0.003Pas;s;纯铁液纯铁液16001600时时黏黏度为度为0.0005Pa0.0005Pas s。影响钢液影响钢液粘粘度因素主要是度因素主要是温度温度和和成分成分。温度温度升高，升高，粘粘度降低度降低。钢液中的碳对。钢液中的碳对粘粘度的影响非常大，度的影响非常大，这主要是因为这主要是因为碳含量使钢的密度和熔点发生变化碳含量使钢的密度和熔点发生变化，从而引起从而引起粘粘度的变化。度的变化。生产实践也表明，同一温度下，生产实践也表明，同一温度下，高碳钢的流动高碳钢的流动性比低碳钢钢液的好性比低碳钢钢液的好。因此，一般在冶炼低碳钢中，。因此，一般在冶炼低碳钢中，温度要控制得略高一些。碳含量对钢液温度要控制得略高一些。碳含量对钢液粘粘度的影响度的影响见下图。见下图。钢液的粘度 温度高于液相线温度高于液相线5050时，碳含量对钢液时，碳含量对钢液粘粘度的影响度的影响 当当%C1500；以3CaOP2O5存在。452%52CaOFeOOPPaaKPxL1）温度：脱磷反应是放热反应，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（终点熔渣（TFe）和）和P的关系的关系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、熔渣中磷的还原 熔渣碱度降低，其中的P会发生还原，进入钢液，称为“回磷”。加入硅铁，氧化形成的SiO2进入炉渣，熔渣侵蚀包衬，均可使炉渣碱度降低。3.5 钢液的脱磷4、还原脱磷 在还原条件下，磷可还原，生成P3-：1/2P2(g)+3/2(O2-)=(P3-)+3/4O2 实现还原脱磷，需要很低的氧势或很高真空度，生产中很难实现。目前采用Ca-CaF2，CaC2-CaF2渣系进行还原脱磷。P5+P3-lgPO2lgP3-,lgP5+,%3CaC2+2P=Ca3P2+6C还原脱磷存在的问题:1）CaP2渣的处理很复杂，与水汽作用，产生PH3剧毒气体；2）C=0.5-1.8%，脱P率；C1.8%，CaC2分解困难，钢液有“增C”的可能。3.6 钢液的脱硫 1、炉渣脱硫反应 FeS+（CaO）=（CaS）+FeO S+（O2-）=（S2-）+OSSOOSSfrrOxKSSL222%)(%影响因素：1）R，LS，且Ca2+集中在S2-周围，rs2-2）（FeO），LS3）Si、C，fS，LS；S+Mn+(CaO)=(CaS)+(MnO)发生共轭反应，进行沉淀脱硫。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%。气化脱硫的主要反应：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，上面的气化反应很难发生。主要通过炉渣气化脱硫，即：（CaS）+3（Fe2O3）=SO2+（CaO）+6（FeO）（CaS）+3/2O2=SO2+（CaO）反应取决rs2-和Po2或aFeO,碱度升高，rs2-，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、Cr1）Fe-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+（FeO）（CrO）+FeCrOFeOCrCrCrrrKKFeOKCrCrO，）（，）（%碱性渣：2Cr+3（FeO）（Cr2O3）+3FeCrOFeOCrCrCrrrKKFeOKCrOCr33232%，）（，）（3.7 其它元素的氧化3）Cr和C的选择氧化3443242%4 3 4%9%4 2 4%9%）（）（）（）（COCSCOCSPaKCrCOCrOCrCCrPaKCrFeCOCrOFeCrCCr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、V333232%33 2 23223432）（）（）（）（，FeOKVaFeOVFeOVCOVCOVOV选择氧化，去V保CT，供氧强度，LV3、Nb 与V一样，存在选择性氧化。4/5Nb+2CO2/5（Nb2O5）+2C氧化顺序：SiMnNb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、W3333%33WOWFeOffaKWWOFeWOFeOW）（）（）（WO3是不稳定化合物，易为Fe还原。在碱性渣中，生成CaOWO3，rWO3，LW3.8 钢液的脱氧和合金化1、脱氧反应热力学1）脱氧常数及脱氧能力%/11%1)(1,1,OMffOMKKffOMaaaKOMyOMyxyxoyxMyxoyxMyxyxMOyOMyxyxK，与M平衡的O,M的脱氧能力增强，K衡量元素的脱氧能力。与氧结合的顺序：CeZrAlTiBSiCVMnCr脱氧常数元素脱氧能力元素脱氧能力1600时各种元素脱氧能力时各种元素脱氧能力 1600 1600时，钢水中的时，钢水中的脱氧元素脱氧元素Al Al 和和Ti Ti 含量若含量若均为均为0.010.01时，与时，与AlAl相平相平衡的氧含量（衡的氧含量（0.00050.0005）低于与低于与TiTi平衡的氧含量平衡的氧含量（0.010.01），说明），说明Al Al 比比Ti Ti 的脱氧能力强。的脱氧能力强。3.8 钢液的脱氧和合金化2）脱氧产物的组成及形态 脱氧产物的组成及形态是变化的，决定于元素的脱氧能力及用量。如Si脱氧：2FeOSiO2 2FeOSiO2SiO2 SiO2的加入量增加，产物的熔点提高。生成复杂化合物，aMxOy,O平，脱氧能力3）脱氧产物的排出和钢中夹杂物 靠自身浮力排出，上浮速度由Stokes公式计算：夹夹mmgrVVrgr23926)(34r，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1）Mn Mn+（FeO）=（MnO）+FeFeO+MnO形成液溶体或固溶体，MnO/FeO，T熔，易形成固溶体。Mn的脱氧能力，随温度降低而增强（后期沸腾）。2）Si 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3）Al 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能力，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（扩散脱氧）(FeO)，O向渣中扩散脱除。渣中加入Si-Fe粉、C粉、CaC2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、脱氧剂用量的计算末末初%)%-(%16MOOx6、合金化 脱氧和合金化操作不能截然分开，而是紧密相联，合金化脱氧和合金化操作不能截然分开，而是紧密相联，合金化操作的关键问题是合金化元素的加入次序，一般的原则：操作的关键问题是合金化元素的加入次序，一般的原则：脱氧元素先加，合金化元素后加；脱氧元素先加，合金化元素后加；脱氧能力比较强，而且比较贵重的合金，应在钢水脱氧脱氧能力比较强，而且比较贵重的合金，应在钢水脱氧良好的情况下加入；良好的情况下加入；熔点高，不易氧化的元素，可加在炉内。熔点高，不易氧化的元素，可加在炉内。%MMM规格中限终点残余脱氧剂出钢量脱氧剂加入量脱氧剂加入量=l冶炼一般合金钢和低合金钢时，合金加入量的计算方法冶炼一般合金钢和低合金钢时，合金加入量的计算方法和脱氧剂基本相同，即和脱氧剂基本相同，即 合金加入量合金加入量=冶炼高合金钢时，合金加入量大，必须考虑加入的合金冶炼高合金钢时，合金加入量大，必须考虑加入的合金量对钢水重量和钢水终点成分的影响量对钢水重量和钢水终点成分的影响。%MMMM规格中限残余其它合金带入合金出钢量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2222,%NHNHPKNH3.9 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：iiPRTMCV2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。MxOyxM+y/2O2 MxOy+yCxM+yCO 6)钢液和耐火材料的反应 在真空下，钢液中的C能还原与其接触的耐火材料。2、影响氢和氮在钢中溶解度的因素 气体在钢中的溶解度取决于温度、相变、金属成分以及与气体在钢中的溶解度取决于温度、相变、金属成分以及与金属相平衡的气相中该气体的分压金属相平衡的气相中该气体的分压:1)1)氢和氮在液态纯铁中溶解度随温度升高而增加；氢和氮在液态纯铁中溶解度随温度升高而增加；2)2)固态纯铁中气体的溶解度低于液态；固态纯铁中气体的溶解度低于液态；3)3)氮在固态纯铁中的溶解度随温度的升高降低，原因是氮在固态纯铁中的溶解度随温度的升高降低，原因是 有氮化物析出。有氮化物析出。4)4)在在910910发生发生-Fe-Fe向向-Fe-Fe转变，转变，1400 1400 时发生时发生-Fe-Fe 向向-Fe-Fe转变，溶解度也发生突变。在奥氏体中因晶格转变，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。常数大能溶解更多的气体。氢和氮分压为氢和氮分压为100kPa100kPa时在纯铁中的溶解度时在纯铁中的溶解度 3、钢中非金属夹杂物的种类及其形态1 1）按夹杂物的化学成分分类）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、Fe4N、Fe2N等2）按夹杂物的形态分类）按夹杂物的形态分类塑性夹杂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态示意图(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 3、钢中非金属夹杂物的种类及其形态、钢中非金属夹杂物的种类及其形态3 3）按夹杂物的来源分类）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 4）按夹杂物尺寸分类）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（100m）4 4、夹杂物对钢的性能的影响、夹杂物对钢的性能的影响1）夹杂物和裂纹的形成及应力集中）夹杂物和裂纹的形成及应力集中（1）夹杂物与裂纹的形成作为显微裂纹的发源地。（2）夹杂物与应力集中材料中有夹杂物的地方，则出现应力集中现象。4 4、夹杂物对钢的性能的影响、夹杂物对钢的性能的影响2 2）夹杂物对钢的塑性和韧性的影响）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）夹杂物与韧性如果材料中有非金属夹杂物，则钢的韧性下降。3 3）夹杂物对钢的疲劳性能的影响）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发展。（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，随其含量增加疲劳极限下降。当其他条件相同时，夹杂物颗粒越大，则不利的影响越大，多角形夹杂物的影响大于球状夹杂物的影响。在表面或靠近表面存在的夹杂物，尺寸虽小但也有害。而在深部存在的夹杂物，超过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 4、夹杂物对钢的性能的影响、夹杂物对钢的性能的影响4 4）夹杂物对钢的加工性能的影响）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）夹杂物对焊接结构件层状撕裂的影响（4）夹杂物对钢的切削性能的影响 硫化物增加钢材的脆性，钢的切屑容易断裂。5 5）夹杂物对钢的物理化学性能的影响）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，破坏了金属基体的连续性；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，因而基体磁化不均匀、磁性下降。（2）夹杂物对钢的点腐蚀的影响点蚀起源于硫化物夹杂和与硫化物复合的某些氧化物夹杂（主要是铝酸钙和氧化铝）上，而单独氧化物则没有这种作用。5、夹杂物形态控制1 1）硫化物形态控制）硫化物形态控制（1）脱氧元素与硫的反应 向钢中加入脱氧元素除进行脱氧反应外，还可能发生脱硫反应。对于不同元素的脱氧和脱硫能力有以下规律：和氧结合的能力：CaA1SiMn；和硫结合的能力：CaMnAl，和钙结合的能力：OS；和锰结合的能力：SO（2）加稀土控制硫化物形态 稀土元素RE能降低钢液中氧和硫的溶解度，并以生成球状小颗粒夹杂方式改善第类MnS夹杂。5、夹杂物形态控制2 2）氧化物形态控制）氧化物形态控制（1）铝酸钙的类型及物性 铝镇静钢用钙处理的主要目的是将A12O3夹杂变性为铝酸钙。其中的关键是控制铝酸钙的生成类型。铝酸钙随CaO含量的增加，其熔点趋于下降，当 CaO含量达到48%时熔点最低。从在钢液中易于凝聚排除，而残留于钢中呈球状考虑，以生成12CaO7 A12O3为好。（2）加钙处理方式 使用喂丝和钢包喷粉工艺。3.10 钢液搅拌l搅拌可促进钢、渣、气及耐火材料之间的反应。l电磁搅拌l气体搅拌l脱碳反应电炉l吹氧+脱碳转炉l吹氩搅拌l利用真空搅拌l出钢过程渣洗思考题1、炉渣在炼钢中的作用？炉渣在炼钢中的作用？2、脱碳反应在炼钢过程中的作用？、脱碳反应在炼钢过程中的作用？3、影响炼钢氧化脱磷的因素有哪些？、影响炼钢氧化脱磷的因素有哪些？4、如何防止钢水、如何防止钢水“回磷回磷”？5、常用脱氧方法的热力学原理是什么？、常用脱氧方法的热力学原理是什么？6、如何减少钢中夹杂物？、如何减少钢中夹杂物？7、如何减少钢中的气体含量？、如何减少钢中的气体含量？8、渣中、渣中(FeO)在炼钢中的作用？在炼钢中的作用？