冶金学第七章氧化熔炼反应

*,第七章 氧化熔炼反响,氧化熔炼反响的物理化学原理,前言,锰、硅、铬、钒、铌、钨的氧化反响,脱碳反响,脱硫反响,脱磷反响,脱氧反响,1,2,3,4,5,0,6,吸气及脱气反响,7,1,前 言,铁水炼钢过程的任务：,降碳：,使碳降低到钢种所需的碳量，,但碳氧化之前，硅锰都大量氧化。,脱S、P：高炉炉料中P全部进入铁水中，S局部进入。,脱氧：,以免造成浇注时二次沸腾及钢锭疏松、,皮下气泡等缺陷。,脱气：,H、N,合金化：参加合金元素。,去除夹杂：,去除各类氧化物。,去除有害元素,：,Cu、Cd、As、Sb、Bi,。,0,2,1.1 元素氧化的类型,M,被吹入金属液中气态氧直接氧化。,M,在钢渣界面被,(,FeO),氧化。,M,被溶解于金属液的,O,所氧化。,1,氧化熔炼反响的物理化学原理,3,1.2 熔池中元素氧化的,G,O,T,图,1.2.1,G,O,T,图的作法,由以下反响组合：,4,1.2.2,G,O,T,图的应用,比较铁液中元素在标准状态下氧化的顺序。,以2Fe+2O=2FeO(l)的GOT为分界线，,可将铁液中元素的氧化分为两类：,a GOT线之上的元素在炼钢过程中不会氧化,b GOT线之下的元素在炼钢过程中全部或大局部氧化,炼钢过程中，合金元素参加的时间及有害元素去除的方法：,a在炼钢过程中不被氧化的有害元素，应在选择时加以剔除，,如Pb、Sn、Cu。,b在炼钢过程中不被氧化的、是炼钢过程所需的元素，,可在入炉原料中参加，如W、Mo、Ni。,cCr、Mn、Nb、V等在电炉中局部氧化，复原期参加。,dSi、Ti、Al等根本上能完全氧化，脱氧时引入，出钢时加。,5,1.2.3 铁熔体中氧的氧势,6,1.3 熔体中元素氧化的热力学条件,由等温方程判断,7,例题：(,P193),元素氧化的热力学条件及影响因素：,温度,大多数元素的氧化程度均减少，但碳是例外。,熔渣组成：,a,碱性渣的氧化性大于酸性渣的氧化性。,b,熔渣碱度及元素氧化物的性质。,形成碱性氧化物的元素在酸性渣下易氧化。,多中元素同时存在时，出现了选择性氧化。,G,最小的元素最先氧化。,8,2.1,Mn,主要在钢渣界面上反响：,锰硅铬钒铌钨的氧化反响,2,9,影响,L,Mn,的因素：,温度,炼钢后期温度高，碳强烈氧化，(,FeO),降低，,出现回锰现象。,熔渣组成,a,FeO-MnO,二元渣系，理想氧化物熔体。,b,酸性渣中,c,实际的碱性渣,R2,10,2.2,Si,主要在钢渣界面上反响：,11,影响,L,Si,的因素：,温度,强放热反响,出现回硅现象。,熔渣组成,12,2.,3 Cr,铬氧化形成氧化铬的组成与铬含量有关。,13,用控制温度及体系压力的方法，控制金属熔体中元素的氧化，到达保存某些元素或者氧化富集某些元素的目的，这种方法称为选择性氧化。,2.3.1,炼钢熔池中元素的选择性氧化,选择性氧化的定义,注意点：,目的：保存、富集,方法：控制温度、压力,14,2.3.2,以去碳保铬分析选择性氧化的温度条件,标准状态下选择性氧化转换(化)温度的计算,共轭反响,15,条件：,非标准态下选择性氧化的转换温度的计算,计算要点：,金属熔池中元素活度的计算,16,转换(化)温度与反响各物质的化学计量数无关,转换(化)温度与钢液元素氧化的方式无关,例：吹氧,元素的氧化反响是吹氧进行，共轭反响不变，转换温度不变。但是，元素氧化反响的热效应不一样，反响速度不同。,选择性氧化转换(化)温度T转的本卷须知,17,当形成的氧化物溶解于熔渣时，,需要计算熔渣中氧化物的活度。,计算要点：,反响的标准吉布斯自由能计算,金属熔池中元素活度的计算,熔渣中组元活度的计算,18,2.3.3,选择性氧化的压力条件的计算,温度T一定时(通常是冶炼所能到达的温度条件)，,可以计算出所需要的压力条件，即CO的分压：PCO,计算要点：,反响的标准吉布斯自由能计算,金属熔池中元素活度的计算,熔渣中组元活度的计算,19,2.3.4,选择性氧化在冶金中的应用,去碳保铬Cr,去碳保锰(Mn),去钒V保碳铁水提钒,去(Nb)保碳,2.,4 V,2.,5 Nb,20,脱碳反响,3.1 碳氧化反响对炼钢的作用,熔池传热，均匀成分。强烈的搅拌作用，,促进热量及物质传递。,去除H、N有害气体，去除夹杂。,扩大渣金反响面积。,3.2 碳氧化的反响及碳氧积,3.2.1 碳氧化反响分类,3,21,3.2.,2,碳氧积,22,3.3 碳氧化的热效应,氧气直接氧化碳,溶解氧间接氧化碳,冷矿石氧化碳,熔渣中的(,FeO,),氧化碳,23,3.4 脱氧过程中钢液的含氧量,与熔渣层平衡的,%,O,与炉底处,CO,气泡及,C,平衡的,%,O,熔池实际的,%,O,24,脱磷反响,4.1,脱磷的原理,4.1.1,磷在钢中的危害,危害：,冷脆。,铁中含磷量要求：,低磷生铁：,P0.3%,中磷生铁：,P0.31.0%,高磷生铁：,P1.02.0%,钢中最大允许的磷量是0.020.05%,某些特殊钢要求：0.0080.0015%,4.1.2,脱磷原理,P,2,O,5,的,G,T,线在,FeO,之上。,P,2,O,5,能与渣中其他氧化物生成复杂化合物而稳定存在。,4,25,4.2 分子假说的脱磷反响,温度,影响因素：,强放热反响，中温14001500脱磷。,熔渣组成,碱度：,FeO,：,高,FeO,有助于石灰的熔化。,26,4.3 离子理论的脱磷反响,影响因素：,温度,熔渣组成,碱度：,FeO,：,27,4.4,炼钢过程中磷与碳氧化的关系,平炉、电炉前期，利用加铁矿石，造FeO高的渣，,以3FeO.P2O5形式脱磷达90%。,氧气顶吹转炉，前期形成高FeO高R渣，磷大局部,脱去，后期FeO降低，炉渣返干，温度升高，出现,回磷现象。,28,4.5.3,尚未推广的原因,操作上较麻烦。处理前、处理后、氧化吹炼后需出渣。,需很低的氧势或很高的真空度，生成中难以到达。,存在有害反响,4.5 复原脱磷,4.5.1,原理,4.5.2 共轭反响,29,脱硫反响,5.1,炉渣脱硫,5.1.1,硫在钢中的危害,结晶时生成,FeS,，,在晶界析出，产生热脆。,5.1.2 脱硫反响及条件,5,30,影响因素：,温度,熔渣组成,高温下可造高碱度，流动性好的渣。,碱度：,FeO,：,促进,CaO,溶解,金属熔体组成,31,脱氧反响,7.1 脱氧的目的,使O实降低到OC之下一定程度，使钢液在浇注及凝固,过程中C+O=CO不再进行或有限进行，保证钢锭组,织及结构的紧密。,结晶时，晶界上不行成FeO-FeS共熔体，防止热脆。,7.2 沉淀脱氧,7.2.1 方法及原理,将MnFe、SiFe、Al等参加钢水中，生成在钢中不溶解的氧化物，上浮至渣中，从而到达脱氧的目的。,7,32,7.2.2 脱氧常数,33,1图中曲线位置愈低的元素，脱氧产物愈稳定，而该元素的脱氧能力愈强，与相同量的各元素平衡的氧浓度就愈低，或为了到达同样的氧浓度，强脱氧元素的平衡浓度就愈低。,2脱氧产物的组成与温度及脱氧元素的平衡浓度有关,3脱氧反响是强放热的，随着温度的降低，脱氧入素的脱氧能力增强，所以在钢液冷却及凝固过程中，就不断有脱氧反响继续进行。,34,7.2.4 复合脱氧,定义：用脱氧元素的合金进行沉淀脱氧，,如SiCa、SiMn、CaAl。,脱氧产物：两种氧化物同时产生，生成氧化物的液熔体。,优点：,a 降低了单一氧化物活度，脱氧反响更易进行，O平更低。,b 生成氧化物熔体一般是液态，可以和并为直径更大的,夹杂上浮进入渣中。,7.2.,6,脱氧剂用量的计算,7.2.,5,沉淀脱氧的优缺点,优点：脱氧速度快，本钱较低，操作简便。,缺点：易产生氧化物夹杂。,例题：,35,7.3 扩散脱氧,7.3.1 方法及原理,只适用于电炉。电炉复原期将C粉、CaC2粉、SiFe粉、SiCa粉等参加炉内，置于熔渣上部，将熔渣中的(FeO)复原，使钢液中氧向渣中扩散，降低钢液中的含氧量。,7.3.1 扩散脱氧的优缺点,优点：,不产生氧化物夹杂。,缺点：,a,脱氧不完全，出钢时还需要沉淀脱氧。,b,造渣之后，要封闭炉门，只有电炉采用。,36,7.4 真空脱氧,7.4.1 方法及原理,将盛钢桶置于真空室，抽真空，降低PCO，,使反响C+O=CO继续向右进行，,从而降低钢液的含氧量。,7.4.2 真空脱氧的优缺点,优点：,a 不需加其他脱氧剂；,b 不产生夹杂；,c 同时除去H、N,d 使沉淀脱氧的夹杂上浮的速度增快，,钢液再沸腾有利于夹杂物去除。,缺点：,本钱高,37,熔池中元素氧化的,G,O,T,图,38,熔池中元素间接氧化的标准吉布斯自由能温度图,39,熔池中元素间接氧化的标准吉布斯自由能温度图,40,如果钢液中原来含氧量为,O,初,，用,M,沉淀脱氧后，含氧量为,O,平,。,问：需要多少,M,？,M,总的消耗量为：,41,钢液脱碳过程中碳与氧的关系,42,