二电炉炼钢基本知识

第二章 电炉炼钢原理基本知识第一节 炼钢有关的物理化学基本概念31. 为什么要学习电炉炼钢有关的物理化学基本概念？将生铁废钢炼成钢，必须进行氧化熔炼。使生铁废钢中的某些元素杂质去 除到一定程度。它们是怎样进行精炼的，以及如何使它们达到需要的程度，这 些都是炼钢生产过程中极重要问题。应用化学热力学能够揭示炼钢过程中种种元素杂质氧化去除的可能性，去 除的程度以及决定去除程度的各种因素；应用化学动力学可以揭示元素杂质氧 化反应进行的机理、进行的速度以及决定速度的各种因素。掌握了这些规律， 就可以找出炼钢所需要的合理条件，确定过程成效。这对产品质量提高，能耗 下降有根本性意义，这些原理是炼钢生产有力工具，是节能的理论依据。32. 什么是系和相的概念？ 用来研究化学变化的一组物质通称为系，例如电炉中的钢液、炉渣、炉气 就是一个系。如果一个系中的所有组份的物理性质是一致的，没有分界面，这 个系就称为均一系，例如水与酒精的混合物是均一系。如果一系中各个组成部 份是不相同的，则称为不均一系。电炉中的钢液、炉渣、炉气就属不均一系。不均一系中的均一部分称相，它以显著的分界面与其他部分分开，而且它的性质也与其他部份不同。例由铁、碳、硅、猛等元素组成的钢液是一个 相，因为它在物理性质上是一致的。33. 什么是溶液？怎么来表示液态溶液的浓度？ 由两种或两种以上的物质构成的，其成份可变的均匀混合物称为溶液。例 如炉渣就是有各物氧化物及其相互间形成的化合物组成的溶液。液态溶液的浓度常用重量百分数来表示。 气体溶液的浓度通常以容积百分数表示。根据道尔顿定律在同等条件下容 积、温度、气体混合物的总压力则等于各气体的分压总和。例纯空气由21氧； 78氮； 1的其化气体构成。则在标准大气压下，这三者分压为：氧0.21大气压；氮 0.78 大气压；其他气体 0.01大气压。因此气体溶液的浓度也可用不 同气体组成物的分压来表示。34. 什么是反应的热效应？反应的热效应怎么表示？化学反应的进行的同时，有放热或吸热现象。反应所放出的热量或吸收热 量叫做热效应。热效应通常应以“焦耳”J表示，但冶金热力学中，为方便查阅传统冶金手册中的对应相关参数，也用“卡”cal来表示。其换算关系是：1 卡 veal) =4.1868 焦耳 h2 H = H1 + H2 = -x 卡有时反应过程中，以所能获得的最大热量Q来表示热效应大小，在这种情况下Q与厶H的符号正好相反。CO+4-Ot -CO,例： H = -67640 卡C0+=(Q为IE号)35. 什么是溶液的分配定律？倘若某一物质溶解于两种不相溶的液体中，则在一定的温度条件下，这一 物质在两种液体内的浓度比为一常数，贝式中N1与N2该物质在第一种与第二种溶液中的平衡浓度；Lt分配常数，它是温度的函数。冶炼过程中，炉渣与钢液是两种互不相溶的液体，而S、P、O则均按分配定律在炉渣与钢液中进行分配。如在还原期的扩散脱氧操作，就是以分配 定律为根据的。在电炉炼钢中，钢渣中的氧以 FeO的形式进入渣中。实际上在还原期整个 扩散脱氧过程中，钢、渣两相中FeO始终没有达到平衡。假如渣中的FeO在渣、钢中的存在方达到平衡。则在一定温度下，FeO）与FeO它的分配常数为：f FeO根据上式可说明当FeO）减少时，FeO就向渣中扩散，LFeO将不变。36. 什么是化学平衡？什么是化学平衡常数？大多数化学反应都具有可逆性。在一定条件下，若正向反应速度和逆向反 应速度相等，反应双方物质的浓度长时间保持不变，当物质系统达到了这一状 态时，即为化学平衡。平衡常数表示方法：平衡常数的表示方法很多。在相反应中，对固体及液体溶液，平衡常数可 用质量摩尔浓度或重量百分数表示的浓度求得。例在反应C + FeO = Fe + CO 以后我们用括号表示金 属相中的物质， ）括号表示炉渣相中的各物质， 为气相物质）。其平衡常 数可写为：“_ n 昏 * t yvco谨氏上蚪CO或岸卫卫空agy FeO对于气体之间反应常用分压力来表示平衡常数，例2H2+O2 = 2H2O其平衡常数则为在某些有固体 液体）与气体同进存在的反应中，平衡常数也可用蒸汽压来表示。例：CaCO3=Ca+CO2其平衡常数则为:“PciO* /COiKi Pco；对于同一反应来说，各种表示方法所得出平衡常数值是不相等的。37. 化学平衡常数与温度、压力、浓度的关系是怎样的？1）在物理化学我们知道，当参与反应的物质处于标准状态时，一个反应 的自由能变化与其平衡常数之间具有下列的关系： F =-RTIgKz = -4.575TlgKN式中 F 标准状态下的自由能变化R气体常数，等于1.987。4.575 R与2.303之乘积2.303是普通对数与自然对数之比）。由此lgKN” F /-4.575T因为 F= H -T Si *占HjjS贝U:从上式可看出，因为H及4S在很小的温度变化范围内与温度关系很 小。因此对炼钢过程中一定温度范围内，H及4S可假定不变，这种情况下，上式可简化为：AhK +P38. 什么是拉乌尔定律？什么是享利定律？钢液和炉渣都可以看作是一溶液，假如把钢液近似地看作是一无限稀的溶 液 以Fe为基含有少量的合金元素和杂质）将炉渣近似地认为是完全溶液，则 它们将服从享利定律和拉乌尔定律，通过这两个定律，能研究合金元素在钢中 溶解和气体在钢中存在的规律。溶液中任何一种挥发性的组元都要挥发，对稳定溶液来说，与该组元平衡 的蒸汽压力总比它在纯粹状态时同温度下的蒸汽压小，因为液体中每一单位容 积中这组元的分子数目减少了。当性质非常相似的物质组成溶液时，在一定温 度下，气液相平衡时，溶液上方气相中任意组分所具有的分压，等于该组分在 相同温度下的饱和蒸汽乘以该组分在液相中的分子分数。用数学式表示为：pA=PA XA式中pA气相中A组分的分压；PA纯组分A在该温度下的饱和蒸汽压；XA液相中A组分的分子分数。由此可见，A组分在气相中所具有的分压pA的数值只与该组分的饱和蒸汽 压（或说成温度 及它在液相中的浓度有关。当温度固定时，饱和蒸汽压数值固 定，气相中组分的分压与该组分在液相的浓度（分子分数 成正比；当浓度固定时，气相中组分的分压与饱和蒸汽压，也就是温度成正比。这就是拉乌尔定 律，服从拉乌尔定律和溶液叫做理想溶液。享利定律认为：在一定温度下，气体在液体中的饱和浓度与液面上该气体 的平衡分压成正比。它是英国的 W.亨利于1803年在实验基础上发现的经验规 律。实验表明，只有当气体在液体中的溶解度不很高时该定律才是正确的，此 时的气体实际上是稀溶液中的挥发性溶质，气体压力则是溶质的蒸气压。所以 亨利定律还可表述为：在一定温度下，稀薄溶液中溶质的蒸气分压与溶液浓度 成正比气体H2，N2, 02等溶解钢中，可以认为是形成一种无限稀的溶液，因为 气体的溶解是呈单原子的形式存在于铁中，所以气体的溶解度与相平衡的压力 的平方根成正比。C?V D Kx/ Pnj,平方根定律可以看作是享利定律，在这样一个特殊条件下的具体应用。39. 什么是活度与活度系数？活度是较为重要的热力学量，为了要使实际溶液能服从由理想溶液所得的 规律 如拉乌尔定律、享利定律、质量作用定律、分配定律），一定要用活 度代替浓度，所以也可以把活度理介为该物质的有效浓度。活度也可理解为一个较正系数，所以有a = 丫N浓度单位），丫为活度系数。按一般习惯，当浓度用质量摩尔浓度表示时，活度系数用丫表示，即ai=Y i Nj，当浓度用重量百分数表示时，活度系数用fj来表示，即a j=fj Cj，对炼钢过程来说，钢液中各元素的浓度很低，而浓度用重量百分数表示，因钢 液中各组元活度系数一般用fj表示，女口 fsi，fo，fc。炉渣浓度用质量摩尔浓度表示，因此，炉渣中各组元活度系数一般用丫 i表示， 丫 MnO , 丫 CaO,丫 FeO40. 什么叫扩散？在冶金化学过程中，通常扩散决定了化学反应的速度，提高扩散速度就会 加速反应，缩短冶炼时间，所以很有必要了解扩散的实质，影响扩散的因素。扩散是因为系统中各部份浓度不同而引起的自发过程。在稳定状态下，系 统内各点的浓度随时间的变化的扩散现象服从菲克第一定律，即在稳定条件 下，单位时间内通过单位面积的扩散物质和它的浓度梯度成正比。式中：扩散速度；A界面积；de浓度梯度，表示单位距离内浓度的降低率。D扩散系数，其物理意义就是单位面积单位浓度梯度时的扩散速度单2位：厘M /秒）。在一定的界面面积和浓度梯度下，扩散速度由扩散系数所决定。扩散系数 与扩散物质、介质的性质和温度有关。当温度越高，介质粘度越低，扩散物质 质点越小时，扩散系数就越大，扩散就越快。所以改善炉渣的流动性，对促进 冶金反应的进行有着积极的意义。第二节冶金炉渣理论基础41. 炉渣在冶炼中起什么作用？炉渣在炼钢过程中，具有极为重要的作用，“炼钢就是炼渣”，“三分炼 钢、七分炼渣”是炼钢工人多年积累的实践生产经验。炉渣在冶炼过程中有下述的作用：1）有良好的导热性，保证炉料顺利熔化。2）能起保护层作用，防止钢液散热，防止炉气中气体进入钢液，有良好 吸收从钢液中上浮的夹杂物。3）调整不同炉渣成份，能去除钢中的硫、磷，保证炼钢过程按一定方向来进行。4）炉渣就最大限度地保证操作过程中Fe、W、V、Ti、Mo有价值元素损失为最小。42. 炼钢炉渣有哪些物质组成？炉渣来源，有炉料组成元素的氧化物 例钢铁料中Si、Mn、P等氧化后生 成SiO2、Mn0、P2C5等）、熔剂 萤石、石灰）及矿石、炉底和炉体砌砖，炉料 中的砂土等等。炼钢中炉渣主要由氧化物组成。根据化学性质不同，基本可分为下列数类见表2-1）：表2-1炉渣主要由氧化物组成类别碱性氧化物酸性氧化物双性氧化物组成CaO MgO FeO、 NO、K20Si02、巳05、Ti02、V2C5Al 2Q、Fe2C3、Cr2C8碱性电炉炉渣主要化学成份如表2-2：表2-2渣的成份%）项目Si02CaOFeOMnOP2O5MgOAl 2O3S氧化渣8-1540-5012-305-70.5-28101-2一还原渣10-1555-658-102-3炉渣中的这些氧化物并非都是以自由状态存在的，它们彼此还可以形成各种不同的复杂化合物 1时叫做碱性渣，R1时叫酸性渣。1）表示碱度最常用的是 CaO与SiO2含量的比例，以重量百分数或质量摩尔浓度表示2）以上的表示方法对含 P2O5少的少的炉渣很方便，当渣中 P2Q多时，经常采用下述方法来表示碱度。CaO_SiOt +0#634PiOCaOCaO 1,18P*O&slo2 + p2o& JsTo：CaO例如渣中含有40% CaO, 18%SiO2, 2%P2O5，则碱度分别为:SiO, -2-23)Sio一_乜狗CaO预*+PQ严44什么是炉渣的熔点？CaO AI2Q, MgO SiO2 它们的熔点分别为：2570C、2050C、2800C、 1710C，而我们冶炼过程温度一般处于 13001700C，因此以上炉渣各种组 成物熔点远远超过冶金过程中一般的温度，它们不可能以液态状态存在，但实 际上炉渣并非由一个组成物组成，而有很多组成物构成。这样炉渣熔点要比原 组成物熔点低得多。例如：CaO - SiO2l544C MgO SiO2 1557EMaO SiO2l285C 2FeO SiO2l205C从一定温度开始，为使炉渣加热至熔点所需的热量，加上炉渣本身熔化所 需的热量及熔化过热到其实有温度所需的热量的总和称热容量。炉渣的熔化热和热容量越小，则达到必需温度所消耗的热能 电能）也就越少。45什么是炉渣的粘度和流动性？各液体层间发生的内摩擦叫粘度 n）。粘度以泊 达因秒/厘M2）为单 位。粘度的倒数（|=1/n称为流动性。增加炉渣的流动性，可使物质在炉渣与钢 液之间的扩散反应加速。通常在一定的温度下，当炉渣中高熔点组成氧化物 特别MgO Cr2Q）的成份增加时，将会大大提高炉渣的粘度。46. 炉渣的化学成份与炉渣性质有什么样的关系？炉渣的化学成份与炉渣性质的关系，常用状态图表示，我们对SiO2 FeO系，CaO-SiO2AI2C3二元、三元状态图作简单介绍。CaOSQ2 AI2Q系状态图如图2-1所示。由图可以看出，有两个三重化合 物：熔点为1557E的钙斜长石CaO - Al 2O3 2SiO2及熔点为1598E的弹性地蜡 2CaO AI2O3 SiO2，同时在图上还有三个三重共晶体；成份为 42% SiO2， 38CaO, 20% Al 2O3的共晶体，其熔点为1266E ；成份为 61% SiO2，49%CaO，11%AI 2O3的共晶体，其熔点为1311C图 1 1 ChOSiOA11Oj 4.态圉图 2-1 CaO-SiO2 AI2Q 系状态图47. 炉渣的氧化能力？怎么表示炉渣的氧化能力？炉渣的氧化能力是炉渣的一很重要的性质。电炉冶炼的氧化过程就是依靠 炉渣的强氧化能力作保证的。所谓炉渣的氧化能力，就是炉渣在单位时间内自炉渣向熔池供氧的能量， 炉渣理论中的分子学说认为渣中只有自由氧化铁才能向金属中扩散。所以炉渣 中的氧化能力既取决于氧化铁的浓度，又取决于炉渣的粘度。炉渣的氧化能力 常以渣中氧化铁的浓度来表示。有这几种表示方法：1) %FeO)2) %FeO) +1.35% FqO)=% 2FeO)3) 1.287X %2FeO) =% 2FeO)4) NFeO摩尔浓度表示5) NFeO+N层Q=NV FeQ用氧化铁浓度表示炉渣氧化能力的方法是不够精确的。因为炉渣的氧化能 力不仅取决于氧化铁的浓度，炉渣的碱度对其也有很大的影响，因此表示炉渣 氧化能力的最好方法是用渣中氧化铁的活度 a。在1600C时纯的氧化铁炉渣下钢液溶解的氧为0.23%，那么它们的分配系数Lo可以用下式表示；F 町 fF*O) _1= 一f可* 023%纯氧化铁渣的活度a0 = 1O: 1600C纯氧化铁渣下氧在钢中的溶解度。当炉渣中存在CaO、MgO、SiO2时，钢液和炉渣间氧的分配系数不变，即 在非纯氧化铁炉渣的情况下，渣中的氧化铁的活度为：48. 氧在金属与炉渣之间的分布情况是怎样的？目前普遍认为氧是以 FeO的形态溶于钢液中的。随着冶炼条件的变化， FeO可由FeO) FeO,亦可从FeO- FeO)。在达到平衡状态的情 况下，FeO在金属与炉渣间浓度根据分配定律有一定的比值即：-_ (FeO)1酸性炉渣LFeO在1600C时的平均值为，而按经验数据所计算的碱性炉渣的LFeO值则较大。这就是说若酸性炉与碱性炉中 FeO的浓度相等，则碱 性炉O高于酸性炉O，可见碱性炉渣的氧化力大于酸性炉渣氧化能力。因为酸性渣中FeO）都以结合状态 铁橄榄石FeO SiO2）存在，而在碱性渣 中LFeo时，FeO转入炉渣，钢液中氧的浓度减少， 我们通常叫脱氧过程；反之% FeO/% FeO） vL/eO时炉渣中的FeO转入钢 液，我们通常叫氧化。49. 氧自炉气转入钢液的传递情况是怎样的？ 因为炉渣覆盖于钢液面之上，所以金属直接氧化的发生很困难，但是在炉 气炉渣液态金属体系中，氧的传递工作能很好地进行。炉气中的氧、H2O和CO2高温下H2O和CO2易分解，故它们的氧化能力 很大）与炉渣反应时，在炉渣与炉气交界面处将渣中的FeO氧化成Fe2O3，因为渣表面层 Fe2O3 浓度提高，故 Fe2O3 经炉渣扩散至下层，并在炉渣与钢液的 交界面上与Fe起反应，被还原为FeO。这样，炉渣钢液交界面上的 FeO 平衡状态与炉气炉渣交界界面上的情 况完全相反。因此就形成一个不断的循环。炉渣表面上因炉气作用，FeO-Fe2O3是氧化反应，而在炉渣与钢液接触界面 Fe2O3则被还原成FeO。炉渣与钢液交界处重新形成的 FeO 部份返回炉渣上层再被氧化，另一部份 则与钢液中 C、 Mn、 S 等元素起反应，生成 CO 或氧化夹杂物上浮于渣中。以上所述我们称双膜理论。因为在冶金反应中，很多是熔渣和钢液之间的 反应，它们属于液液相反应。例如：Mn vFeO） =vMnO） +Fe液液相反应一般包括下述几个环节：1）两相中的反应相分别由相的内部向界面传质；2）在界面上发生化学反应。3）反应产物由相界面分别向两相内部扩散。 液液相反应的控制环节一般有两类：一是扩散速度，一类是界面反应速 度。在炼钢的高温下，化学反应的速度大多是很快的，但是大多数冶金反应的 传质速度比高温下化学反应速度低得多。因此在液液相反应中，扩散是控制环节。在研究扩散为控制环节的动力学中，应用最多的是双膜理论，双膜理论把 两相传质过程的阻力看作是集中在相界面两侧的两层膜上，这两层膜是相对稳 定的，不管两相内部湍流如何激烈，但因为膜的阻抑，湍流不能达到界面。虽 然实际上过程并非完全如此，但双膜的概念却构成了一个极易理解的简化模 型。这个模型至今仍被广泛应用。50. 冶炼过程中的有哪几个常见的炼钢反应？+C=Fe+CO T反应生成的一氧化碳气体的逸出，使溶池产生沸腾，造成强烈搅拌，因而 加速了各种炼钢反应的进行，也有利于去除钢液中的气体和非金属夹杂物，并 可促使钢液成份和温度的均匀。提高供氧强度，改善炉渣流动性，升高温度等 均可促进脱碳反应的进行。Si=2Fe+Mn=Fe+(MnO锰也很容易被氧化，是放热反应。=(P2O5+PFe(P2O5+4(CaO=4(CaO P2O5磷在钢中是有害的，应在炼钢过程中尽量去除。磷在铁中以Fe2P 形式存在，它先与渣中的FeO作用，生成P2O5，然后P2O5再与所加入的石灰化合成 稳 定的磷酸钙。整个反应是放热反应。较低的温度，合适的碱度，良好的炉渣流动性是去 磷的基本条件。4)去硫FeS+（CaO=（CaS+（FeO硫在钢中以 FeS 的形式存在， FeS 先从钢液中转入炉渣，然后再与渣中的 CaO反应，生成稳定CaS存于渣中。整个反应是吸热的，高温、高碱度、流动性良好的炉渣是去硫的基本条 件。FeO+Mn=Fe+MnO3FeO+2Al=3Fe+（Al 2O3此法脱氧速度较快，但脱氧产物容易沾污钢液。 扩散脱氧：向炉渣中加入 Al粉，C粉，Si粉，Si-Ca粉等脱氧剂，降低 渣中FeO的含量，破坏渣钢间FeO的平衡，使钢液中的FeO转入炉渣中而达到 脱氧目的。此法时间长，但能获得较纯净的钢液。51. 电弧炉进行热平衡的计算有什么作用？电弧炉的热平衡是根据能量守恒而建立的热量平衡关系式，具体地表达电 弧炉的输入热、有用热及各项热损失的能量平衡。电弧炉进行热平衡工作的主 要目的是：1）评价电弧炉运行的优劣；2）测算电弧炉的效率 如：电效率、热效率和总效率） ；3）测算各项热损失的大小，提供研究节能技术的方向及提高效率的途 径；4）对冶炼工艺的改革、电弧炉设备的改造运行如：制定合理供电制度等）提供依据；5）为现场确定各项能耗指标 如：电耗等的确定）提供依据。