6炼钢的基本原理

6炼钢的基本原理

6.1炼钢熔渣

6.1.1炼钢熔渣的来源和组成

6.1.1.1炼钢熔渣的来源

熔渣又叫炉渣，炼钢炉渣的主要来源有：

(1)含铁原料中的部分元素如Si、Mn、P、Fe等氧化生成的氧化物，如SQ2、MnO、P2O5、FeO 等；

(2)加入的氧化剂和造渣材料等，如铁矿、烧结矿、石灰、萤石和氧化铁皮等；

(3)被侵蚀的炉衬耐火材料；

(4)各种原材料带入的泥沙和铁锈等。

6.1.1.2熔渣的组成

化学分析表明，炼钢炉渣的主要成分是：CaO、Si。?、MnO、MgO、FeO、Fe2O3、AI2O3、P2O5、CaS 等，这些物质在渣中以多种形式存在，除了上面所说的简单分子化合物外，还能形成复杂的复合化合物，如

2FeO?SiO2、2CaOSiO2、4CaORO5等。

6.1.2炼钢熔渣的作用

炼钢过程中熔渣的主要作用可归纳为如下几点：

(1)通过调整熔渣成分来氧化或还原钢液并去除钢中的有害元素如S、P、O等；

(2)覆盖钢液，减少散热和防止吸收H N等气体；

(3)吸收钢液中的非金属夹杂物；

(4)防止炉衬过分侵蚀。

由此可以看出要想炼好钢，必须造好渣，炼钢就是炼渣。

6.1.3熔渣的化学性质

熔渣的化学性质主要指熔渣的碱度、氧化性和还原性。

为了准确描述反应物和产物所处的环境，规定用“[]”表示物质在金属液中，“()”

表示在渣液中，“ { } ”表示在气相中。

6.1.3.1熔渣的碱度

炉渣中常见的氧化物按期化学性质有酸性、中性和碱性之分，酸性氧化物酸性由强到弱的顺序是

SiO2、P2O5，中性氧化物是AI2O3、Fe2O3、Cr2O3,碱性氧化物碱性由弱到强的顺序是FeO、MnO、MgO、CaO。

碱度是指熔渣中的碱性组元量之总和与酸性组元量之总和的比值，用“ B'来表示。

碱度是判断熔渣碱性强弱的指标，是影响渣、钢反应的重要因素。

由于熔渣中的CaO和SiO2的数量最多，约为渣量的60%以上，所以通常炉渣碱度表示为：

(CaO%)

(SiO2%)

若渣中含磷量较高，则表示为:

B =

(SiO2% ) (P2O5%)

6.1.3. 2熔渣的氧化性

炉渣的氧化性是指熔渣氧化金属熔池中杂质元素的能力。

FeO能同时存在于炉渣和钢液中，并在渣一钢之间建立一种平衡（FeO）=[ FeO],所以认为渣中的氧通过FeO传递到钢液中。

(FeO) = [ FeO]

,=(FeO)

[FeO]

在一定温度下L o唯一常数，称为氧在熔渣和金属液中的分配系数。

因此渣中FeO的含量可代表炉渣所具备的氧化能力的大小，渣中FeO的含量越高，炉

渣氧化性越强。另外，炉渣碱度对炉渣的氧化性影响也很大，当渣中FeO的含量相同时，

炉渣碱度等于约等于2时，炉渣氧化性最强。

渣中FeO的含量多少对造渣过程影响也很大。渣中FeO的含量过低过低时，造渣困难,

炉渣的反应能力低。渣中FeO的含量过高时，转炉易造成喷溅，增加金属损失和炉衬侵蚀。因此，渣中氧化铁的含量应适当，在转炉冶炼过程中，一般控制在10?20%。

6.1.3.3熔渣的还原性

熔渣的还原性与氧化性是炉渣同一种化学性质的两种不同说法，即炉渣从金属熔池中夺取氧的能力。

在碱性电弧炉还原期操作中，要求炉渣具有高碱度、低氧化铁、好的流动性，以达到钢液脱氧、脱硫和减少合金元素烧损的目的。炉外精炼造渣也往往如此。

6.1.4熔渣的物理性质

6.1.4. 1熔渣的粘度

粘度是表示炉渣内部相对运动时各层之间的内摩擦力的大小。粘度与流动性正好相反，粘度低则流动性好。

冶炼时，若熔渣粘度过大，质点在熔渣中的移动缓慢，不利于钢、渣之间快速反应；但若粘度过小，又会加剧炉衬的侵蚀。所以在炼钢时希望炉渣粘度适当。

影响炉渣粘度的主要因素是炉渣成分、温度及未熔质点。凡能降低炉渣熔点的成分均可以改变熔渣的流动性，降低渣的粘度；熔池温度越高，渣的粘度越小，流动性越好；渣中未熔质点越多，渣的粘度越大。实际操作中，炉渣粘度主要靠控制渣中的FeO含量、碱度及

加入萤石的方法进行调节。

6.1.4.2熔渣的密度

密度是熔渣的重要性质之一，它影响着液滴和介质间的相对运动速度，也决定了熔渣所占的体积。液态熔渣的密度比钢液密度小得多，，一般只有3000kg/m3。

6.2铁、硅、锰的氧化

6.2.1熔池内氧的来源

熔池内氧的来源主要三个方面

第一，向熔池吹入氧气。它是炼钢过程最主要的供氧方式。氧气顶吹转炉炼钢，通过 炉口上方插入的水冷氧枪吹入高压纯氧。电炉通过炉门口吹氧管(或氧枪) 、炉壁氧枪插入

熔池供氧。

第二，向熔池中加入铁矿石和氧化铁皮。铁矿石的主要成分是 Fe 2O 3(赤铁矿)和Fe 3O 4

(磁铁矿)，氧化铁皮的主要成分是 FeO 。

第三，炉气向熔池供氧。

6.2.2铁的氧化和杂质的氧化方式

6.2.2.1铁的氧化

1

[Fe] + — {0 2} = （ FeO ）

2 1

2（ FeO ） +

{O 2} =（ Fe 2O 3）

6.2.2.2杂质氧化方式

炼钢熔池中除铁以外的各种元素的氧化方式有两种：直接氧化和间接氧化。 直接氧化是指气相中的氧与熔池中的除铁以外的各种元素直接发生氧化反应。如：

1

[Mn] +

{O 2} = (MnO )

2

间接氧化是指氧首先和铁发生反应，生成( FeO ),然后(FeO )扩散并溶解于钢中，钢

中其他元素与溶解的氧发生氧化反应。

[C] + ( FeO ) = {CO} + [Fe]

或 [C] + [O] = {CO}

各种元素的氧化以间接氧化为主。

6.2.3硅的氧化

6.2.3.1硅的氧化反应式

在碱性炼钢法中，Si 的氧化对成渣过程和炉衬的侵蚀有重要的影响。 直接氧化：

[Si] + {O 2} = ( SiO 2) 放热

间接氧化：

[Si] + 2 (FeO ) = (SiO 2) +[Fe]放热

Si 的氧化产物SiO 2只溶于炉渣，不溶于钢液。 6.2.3.2硅氧化反应的主要特点 Si 氧化反应的特点如下：

(1) 由于Si 与氧的亲和力很强，所以在冶炼初期，钢中的硅就能基本氧化完毕。同时

由于硅的氧化产物 SiO 2在碱性渣中完全与碱性氧化物如 CaO 结合，无法被还原出来，氧化

很完全彻底；

(2) 硅的氧化是一个强放热反应，低温有利于反应迅速进行。硅是转炉吹炼过程中重 要的发热元素，

铁和氧的亲和力小于 所以铁最先被氧化。 Si 、Mn 、P ,但由于金属液中铁的浓度最大(质量分数为 90%）,

但硅高会增加渣量，增大热损失。

6.2.4锰的氧化

6.241锰硅的氧化反应式

直接氧化：

间接氧化:

[Mn] + （ FeO ） = （ MnO ） + [Fe] 放热

Mn 的氧化产物只溶于炉渣，不溶于钢液。 6.2.3.2锰氧化反应的主要特点 Mn 氧化反应的特点如下：

（1） Mn 与氧的亲和力很强， 并且Mn 的氧化是强放热反应， 故Mn 的氧化也是在冶炼 初期进行； （2） 由于Mn 的氧化产物MnO 是碱性氧化物，故碱性渣不利于

Mn 的氧化，Mn 的氧 化不

象Si 的氧化那样完全；

（3） 当温度升高后，Mn 的氧化反应会逆向进行， 发生Mn 的还原，即发生 回锰现象”, 使钢中余

锰”增加。

6.3碳的氧化

6.3.1碳氧反应的意义

碳氧反应是炼钢过程中最重要的一个反应。一方面，把钢液中的碳含量降到了所炼钢 种的规格范围内。另一方面，碳氧反应时产生的大量

CO 气泡从熔池中逸出时，引起熔池的

剧烈沸腾和搅拌，对炼钢过程起到了极为重要的作用，具体如下：

（1） 加速了熔池内各种物理化学反应的进行； （2） 强化了传热过程；

（3） CO 气泡的上浮有利于钢中气体

[H]、[N]和非金属夹杂物的去除；

（4） 促进了钢液和熔渣温度和成分的均匀，并大大加速成渣过程； （5） 大量的CO 气泡通过渣层，有利于形成泡沫渣。

6.3.2碳的氧化反应

6.3.2.1氧气流股与金属液间的 C — O 反应

在氧气炼钢中，金属中一少部分碳可以受到直接氧化。

1

[C] + {O 2} = {CO}

+136000J

2

该反应放出大量的热，是转炉炼钢的重要热源。在氧射流的冲击区及电炉炼钢采用吹 氧管插入钢液吹氧脱碳时，

氧气流股直接作用于钢液，

均会发生此类反应。 脱碳示意图分别

如图6-1和图6-2所示。流股中的气体氧与钢液中的碳原子直接接触，反应生成气体产物一 氧化碳，脱碳速度受供氧强度的直接影响，供氧强度越大，脱碳速度越快。

[Mn] +

1

尹2}

=

(MnO )

放热