第三章++煉鋼生產(chǎn)的理論基礎

1、第三章第三章 煉鋼生產(chǎn)的理論基礎煉鋼生產(chǎn)的理論基礎3.1 煉鋼熔體的結構和性質煉鋼熔體的結構和性質3.2 鋼液中元素氧化反應的一般規(guī)律鋼液中元素氧化反應的一般規(guī)律3.3 硅、錳的氧化反應硅、錳的氧化反應3.4 鋼液的脫碳鋼液的脫碳3.5 鋼液的脫磷鋼液的脫磷3.6 鋼液的脫硫鋼液的脫硫3.7 其它元素的氧化其它元素的氧化3.8 鋼液的脫氧和合金化鋼液的脫氧和合金化3.9 鋼中的氣體和非金屬夾雜物鋼中的氣體和非金屬夾雜物3.10 鋼液攪拌鋼液攪拌3.1 煉鋼熔體的結構和性質煉鋼熔體的結構和性質一、鋼液的密度一、鋼液的密度 單位體積鋼液所具有的質量，常用符號單位體積鋼液所具有的質量，常用符號表示，

2、表示，單位通常用單位通常用kg/mkg/m3 3。影響鋼液密度的因素主要有溫。影響鋼液密度的因素主要有溫度和鋼液的化學成分。度和鋼液的化學成分。 總的來講，溫度升高，鋼液密度降低，原因總的來講，溫度升高，鋼液密度降低，原因在于原子間距增大。固體純在于原子間距增大。固體純鐵密度為鐵密度為7880kg/m7880kg/m3 3，15501550時液態(tài)的密度為時液態(tài)的密度為7040kg/m7040kg/m3 3，鋼的變化與純，鋼的變化與純鐵類似。鐵類似。 鋼液密度隨溫度的變化鋼液密度隨溫度的變化： =8523-0.8358(T+273) 成分對鋼液密度的影響成分對鋼液密度的影響： 1600=0160

3、0-210%C-164%Al- 60%Si-550%Cr-7.5%Mn + 43%W+6%Ni 鋼液的密度鋼液的密度 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

4、.826.836.706.576.506.476.43鐵碳熔體的密度（鐵碳熔體的密度（kg/mkg/m3 3） 二、鋼的熔點二、鋼的熔點 指鋼完全轉變成均一液體狀態(tài)時的溫度，或是冷凝時指鋼完全轉變成均一液體狀態(tài)時的溫度，或是冷凝時開始析出固體的溫度。鋼的熔點是確定冶煉和澆鑄溫度的開始析出固體的溫度。鋼的熔點是確定冶煉和澆鑄溫度的重要參數(shù)，重要參數(shù)，純鐵的熔點約為純鐵的熔點約為15381538，當某元素溶入后，純，當某元素溶入后，純鐵原子之間的作用力減弱，鐵的熔點就降低。降低的程度鐵原子之間的作用力減弱，鐵的熔點就降低。降低的程度取決于加入元素的濃度、原子量和凝固時該元素在熔體與取決于加入元素的

5、濃度、原子量和凝固時該元素在熔體與析出的固體之間的分配。析出的固體之間的分配。 3.1 煉鋼熔體的結構和性質煉鋼熔體的結構和性質各元素使各元素使純鐵熔點的降低純鐵熔點的降低可表示為：可表示為： M Mi i為溶質元素為溶質元素i i的原子量；的原子量； %i%i液為元素液為元素i i在液態(tài)鐵中的質量百分數(shù)；在液態(tài)鐵中的質量百分數(shù)； K K為分配系數(shù)，而為分配系數(shù)，而K=%iK=%i固固/%i/%i液液，（，（1-K1-K）則）則 稱為偏析系數(shù)。稱為偏析系數(shù)。液%)1 (1020iMi計算鋼的計算鋼的熔點經(jīng)驗式熔點經(jīng)驗式：T T熔熔=1538-90%C-28%P-40%S-17%Ti- 6.2%

6、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 計算鋼的計算鋼的熔點經(jīng)驗式熔點經(jīng)驗式：三、鋼液的黏度三、鋼液的黏度 黏度是鋼液的一個重要性質，它對冶煉溫度參黏度是鋼液的一個重要性質，它對冶煉溫度參數(shù)的制定、元素的擴散、非金屬夾雜物的上浮和數(shù)的制定、元素的擴散、

7、非金屬夾雜物的上浮和氣體的去除以及鋼的凝固結晶都有很大影響。氣體的去除以及鋼的凝固結晶都有很大影響。 黏度是指各種不同速度運動的液體各層之間所黏度是指各種不同速度運動的液體各層之間所產(chǎn)生的內摩擦力。通常將內摩擦系數(shù)或黏度系數(shù)產(chǎn)生的內摩擦力。通常將內摩擦系數(shù)或黏度系數(shù)稱為黏度。稱為黏度。 3.1 煉鋼熔體的結構和性質煉鋼熔體的結構和性質 黏黏度表示形式度表示形式 動力動力黏黏度度，用符號，用符號表示；單位為表示；單位為PaPas (Ns (Ns/ms/m2 2，1 1泊泊=0.1Pa=0.1Pas)s)； 運動運動黏黏度度，常用符號，常用符號表示，即：表示，即： m m2 2/s/s 鋼液的鋼液

8、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時時其值在其值在0.0020.0020.003Pa0.003Pas;s; 純鐵液純鐵液16001600時時黏黏度為度為0.0005Pa0.0005Pas s。 影響鋼液影響鋼液粘粘度因素主要是度因素主要是溫度溫度和和成分成分。溫度溫度升高，升高，粘粘度降低度降低。鋼液中的碳對。鋼液中的碳對粘粘度的影響非常大，度的影響非常大，這主要是因為這主要是因為碳含量使鋼的密度和熔點發(fā)生變化碳含量使鋼的密度和熔點發(fā)生變化，從而引起從而引起粘粘度的變化。度的變化。 生產(chǎn)實踐也表明，同一溫度下，生產(chǎn)實踐也表明，同一溫度下，高碳鋼的流動高碳鋼的

9、流動性比低碳鋼鋼液的好性比低碳鋼鋼液的好。因此，一般在冶煉低碳鋼中，。因此，一般在冶煉低碳鋼中，溫度要控制得略高一些。碳含量對鋼液溫度要控制得略高一些。碳含量對鋼液粘粘度的影響度的影響見下圖。見下圖。鋼液的粘度 溫度高于液相線溫度高于液相線5050時，碳含量對鋼液時，碳含量對鋼液粘粘度的影響度的影響 當當%C1500；以3CaOP2O5存在。452%52CaOFeOOPPaaKPxL1）溫度：脫磷反應是放熱反應，低溫有利于脫磷。2）高堿度：R，aCaO3）高氧化性4）大渣量終點熔渣堿度與P的關系終點熔渣（終點熔渣（TFe）和）和P的關系的關系3.5 鋼液的脫磷RFeO% LP2、P和C的氧化關

10、系低溫下，P先氧化，隨溫度的升高，C氧化，（FeO），會使爐渣變粘。3、熔渣中磷的還原 熔渣堿度降低，其中的P會發(fā)生還原，進入鋼液，稱為“回磷”。 加入硅鐵，氧化形成的SiO2進入爐渣，熔渣侵蝕包襯，均可使爐渣堿度降低。3.5 鋼液的脫磷4、還原脫磷 在還原條件下，磷可還原，生成P3-： 1/2P2(g)+3/2(O2-)=(P3-)+3/4O2 實現(xiàn)還原脫磷，需要很低的氧勢或很高真空度，生產(chǎn)中很難實現(xiàn)。 目前采用Ca-CaF2，CaC2-CaF2渣系進行還原脫磷。P5+P3-lgPO2lgP3-,lgP5+,% 3CaC2+2P=Ca3P2+6C還原脫磷存在的問題:1）CaP2渣的處理很復雜

11、，與水汽作用，產(chǎn)生PH3劇毒氣體；2）C=0.5-1.8%，脫P率；C1.8%，CaC2分解困難，鋼液有“增C”的可能。3.6 鋼液的脫硫 1、爐渣脫硫反應 FeS+（CaO）=（CaS）+FeO S+（O2-）=（S2-）+OSSOOSSfrrOxKSSL222%)(%影響因素：1）R，LS，且Ca2+集中在S2-周圍，rs2-2）（FeO）， LS3）Si、C，fS，LS； S+Mn+(CaO)=(CaS)+(MnO) 發(fā)生共軛反應，進行沉淀脫硫。4）溫度升高，LS 3.6 鋼液的脫硫 2、氣化脫硫 轉爐煉鋼，氣化脫硫占總脫硫量的10-20%。氣化脫硫的主要反應：S+O2=SO2 但由于硫

12、和氧的親和力比碳、硅與氧的親和力小的多，所以鋼中有C、Si存在時，上面的氣化反應很難發(fā)生。主要通過爐渣氣化脫硫，即： （CaS）+3（Fe2O3）=SO2+（CaO）+6（FeO） （CaS）+3/2O2=SO2+（CaO） 反應取決rs2-和Po2或aFeO,堿度升高， rs2-，高堿度對氣化脫硫不利；但對渣脫硫有利。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+（Fe

13、O）（CrO）+FeCrOFeOCrCrCrrrKKFeOKCrCrO，）（，）（ %堿性渣：2Cr+3（FeO）（Cr2O3）+3FeCrOFeOCrCrCrrrKKFeOKCrOCr33232 %，）（，）（3.7 其它元素的氧化3）Cr和C的選擇氧化3443242%4 3 4 %9%4 2 4 %9%）（）（）（）（COCSCOCSPaKCrCOCrOCrCCrPaKCrFeCOCrOFeCrCCr去碳保鉻的條件： 溫度：T，K，%Cr PCO，加強脫碳； 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）（）（）（）

14、（，F(xiàn)eOKVaFeOVFeOVCOVCOVOV選擇氧化，去V保CT，供氧強度，LV3、Nb 與V一樣，存在選擇性氧化。 4/5Nb+2CO2/5（Nb2O5）+2C氧化順序：SiMnNb提Nb：高爐還原煉鋼氧化渣富集電爐還原Nb-Fe3.7 其它元素的氧化4、W3333% 33WOWFeOffaKWWOFeWOFeOW）（）（）（WO3是不穩(wěn)定化合物，易為Fe還原。在堿性渣中，生成CaOWO3，rWO3，LW3.8 鋼液的脫氧和合金化1、脫氧反應熱力學1）脫氧常數(shù)及脫氧能力%/11%1)(1,1,OMffOMKKffOMaaaKOMyOMyxyxoyxMyxoyxMyxyxMOyOMyxyx

15、K，與M平衡的O,M的脫氧能力增強，K衡量元素的脫氧能力。與氧結合的順序：CeZrAlTiBSiCVMnCr脫氧常數(shù)元素脫氧能力元素脫氧能力1600時各種元素脫氧能力時各種元素脫氧能力 1600 1600時，鋼水中的時，鋼水中的脫氧元素脫氧元素Al Al 和和Ti Ti 含量若含量若均為均為0.010.01時，與時，與AlAl相平相平衡的氧含量（衡的氧含量（0.00050.0005）低于與低于與TiTi平衡的氧含量平衡的氧含量（0.010.01），說明），說明Al Al 比比Ti Ti 的脫氧能力強。的脫氧能力強。3.8 鋼液的脫氧和合金化2）脫氧產(chǎn)物的組成及形態(tài) 脫氧產(chǎn)物的組成及形態(tài)是變化的

16、，決定于元素的脫氧能力及用量。 如Si脫氧：2FeOSiO2 2FeOSiO2SiO2 SiO2的加入量增加，產(chǎn)物的熔點提高。 生成復雜化合物，aMxOy,O平，脫氧能力3）脫氧產(chǎn)物的排出和鋼中夾雜物 靠自身浮力排出，上浮速度由Stokes公式計算：夾夾mmgrVVrgr23926)(34r，V，有利于夾雜物排出3.8 鋼液的脫氧和合金化增大r的方法固體質點彼此凝聚兩液相質點的聚結固體質點為液體質點所粘附或潤濕2、Mn、Si、Al的脫氧1）Mn Mn+（FeO）=（MnO）+FeFeO+MnO形成液溶體或固溶體，MnO/FeO，T熔，易形成固溶體。Mn的脫氧能力，隨溫度降低而增強（后期沸騰）。

17、2）Si Si+2O=SiO2(S) KSi=%Si%O2 溫度，KSi，O平，也會后期沸騰3.8 鋼液的脫氧和合金化3）Al 2Al+3O=Al2O3(S) KAl=%Al2%O3 Al2O3細小質點不易被鋼液潤濕，Al是強脫氧劑，可使鋼液鎮(zhèn)靜，而Si、Mn不能使鋼液鎮(zhèn)靜。3、復合脫氧 用兩種或以上元素脫氧的過程。 復合脫氧提高各自的脫氧能力，易獲得低熔點、易聚合的液相脫氧產(chǎn)物。 Si+2(MnO)=(SiO2)+2Mn %Mn/%Si4，可獲得液態(tài)產(chǎn)物。4、熔渣脫氧（擴散脫氧） (FeO)，O向渣中擴散脫除。渣中加入Si-Fe粉、C粉、CaC2粉、Al粉、Si-Ca粉等，使(FeO)=0.

18、5-1.0%。3.8 鋼液的脫氧和合金化5、脫氧劑用量的計算末末初%)%-(%16MOOx6、合金化 脫氧和合金化操作不能截然分開，而是緊密相聯(lián)，合金化脫氧和合金化操作不能截然分開，而是緊密相聯(lián)，合金化操作的關鍵問題是合金化元素的加入次序，一般的原則：操作的關鍵問題是合金化元素的加入次序，一般的原則：脫氧元素先加，合金化元素后加；脫氧元素先加，合金化元素后加；脫氧能力比較強，而且比較貴重的合金，應在鋼水脫氧脫氧能力比較強，而且比較貴重的合金，應在鋼水脫氧良好的情況下加入；良好的情況下加入；熔點高，不易氧化的元素，可加在爐內。熔點高，不易氧化的元素，可加在爐內。%MMM規(guī)格中限終點殘余脫氧劑出鋼

19、量脫氧劑加入量脫氧劑加入量=l冶煉一般合金鋼和低合金鋼時，合金加入量的計算方法冶煉一般合金鋼和低合金鋼時，合金加入量的計算方法和脫氧劑基本相同，即和脫氧劑基本相同，即 合金加入量合金加入量= = 冶煉高合金鋼時，合金加入量大，必須考慮加入的合金冶煉高合金鋼時，合金加入量大，必須考慮加入的合金量對鋼水重量和鋼水終點成分的影響量對鋼水重量和鋼水終點成分的影響。 %MMMM規(guī)格中限殘余其它合金帶入合金出鋼量3.8 鋼液的脫氧和合金化3.9 鋼中的氣體和非金屬夾雜物1. 鋼液的真空處理反應1) 真空脫氧 C+O=CO %C%O=Mpco2) 真空脫硫 S+C+CaO=CaS+CO S+Si=SiS(g

20、)3) 真空脫氣2222,%NHNHPKNH3.9 鋼中的氣體和非金屬夾雜物4) 揮發(fā)性雜質的去除 Pb、Cu、As、Sn、Bi等元素的揮發(fā)速度：iiPRTMCV2揮發(fā)組元的蒸汽壓揮發(fā)組元的mol質量5) 夾雜物的去除(1) 向相界面轉移或依附氣泡排出；(2) 夾雜物發(fā)生分解或C還原去除。 MxOyxM+y/2O2 MxOy+yCxM+yCO 6) 鋼液和耐火材料的反應 在真空下，鋼液中的C能還原與其接觸的耐火材料。2、影響氫和氮在鋼中溶解度的因素 氣體在鋼中的溶解度取決于溫度、相變、金屬成分以及與氣體在鋼中的溶解度取決于溫度、相變、金屬成分以及與金屬相平衡的氣相中該氣體的分壓金屬相平衡的氣相

21、中該氣體的分壓: : 1) 1) 氫和氮在液態(tài)純鐵中溶解度隨溫度升高而增加；氫和氮在液態(tài)純鐵中溶解度隨溫度升高而增加； 2) 2) 固態(tài)純鐵中氣體的溶解度低于液態(tài)；固態(tài)純鐵中氣體的溶解度低于液態(tài)； 3) 3) 氮在固態(tài)純鐵中的溶解度隨溫度的升高降低，原因是氮在固態(tài)純鐵中的溶解度隨溫度的升高降低，原因是 有氮化物析出。有氮化物析出。 4) 4) 在在910910發(fā)生發(fā)生-Fe-Fe向向-Fe-Fe轉變，轉變，1400 1400 時發(fā)生時發(fā)生-Fe-Fe 向向-Fe-Fe轉變，溶解度也發(fā)生突變。在奧氏體中因晶格轉變，溶解度也發(fā)生突變。在奧氏體中因晶格 常數(shù)大能溶解更多的氣體。常數(shù)大能溶解更多的氣體

22、。氫和氮分壓為氫和氮分壓為100kPa100kPa時在純鐵中的溶解度時在純鐵中的溶解度 3、鋼中非金屬夾雜物的種類及其形態(tài)1 1）按夾雜物的化學成分分類）按夾雜物的化學成分分類氧化物系夾雜物簡單氧化物復雜氧化物硅酸鹽及硅酸鹽玻璃硫化物系夾雜物FeS、MnS、(Mn、Fe)S和CaS等氮化物 AlN、TiN、ZrN、VN、BN、Si3N4、Fe4N、Fe2N等2）按夾雜物的形態(tài)分類）按夾雜物的形態(tài)分類塑性夾雜FeS、MnS、低熔點硅酸鹽脆性夾雜Al2O3和尖晶石型、氮化物等高熔點、高硬度夾雜不變形夾雜SiO2、鈣鋁酸鹽及高熔點硫化物變形前后鋼種夾雜物形態(tài)示意圖(a)塑性夾雜軋制后延伸成條狀；(b

23、)半塑性夾雜在軋制過程中的變形情況；(c)大顆粒脆性夾雜在軋制中的破碎情況；(d)軋制中簇狀的脆性夾雜呈鏈狀；(e)軋制條件下的不變形夾雜3 3、鋼中非金屬夾雜物的種類及其形態(tài)、鋼中非金屬夾雜物的種類及其形態(tài)3 3）按夾雜物的來源分類）按夾雜物的來源分類 （1）外來夾雜物； （2）內生夾雜物一次夾雜二次夾雜三次夾雜4 4）按夾雜物尺寸分類）按夾雜物尺寸分類亞顯微夾雜（顆粒1m）顯微夾雜（1100m）大型夾雜（100m）4 4、夾雜物對鋼的性能的影響、夾雜物對鋼的性能的影響1）夾雜物和裂紋的形成及應力集中）夾雜物和裂紋的形成及應力集中（1）夾雜物與裂紋的形成作為顯微裂紋的發(fā)源地。（2）夾雜物與應

24、力集中材料中有夾雜物的地方，則出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。4 4、夾雜物對鋼的性能的影響、夾雜物對鋼的性能的影響2 2）夾雜物對鋼的塑性和韌性的影響）夾雜物對鋼的塑性和韌性的影響（1）夾雜物與塑性夾雜物對塑性的影響在斷面收縮率上比在延伸率上表現(xiàn)得更顯著。通常夾雜物對鋼材的縱向塑性影響不大，而對橫向塑性的影響卻較顯著。（2）夾雜物與韌性如果材料中有非金屬夾雜物，則鋼的韌性下降。3 3）夾雜物對鋼的疲勞性能的影響）夾雜物對鋼的疲勞性能的影響（1）夾雜物類型與疲勞壽命線膨脹系數(shù)小于鋼的夾雜，促進了疲勞裂紋的發(fā)生和發(fā)展。（2）夾雜物的大小、分布與疲勞壽命 對于同一種類型的A12O3夾雜物來說，隨其含量增加疲勞極

25、限下降。當其他條件相同時，夾雜物顆粒越大，則不利的影響越大，多角形夾雜物的影響大于球狀夾雜物的影響。 在表面或靠近表面存在的夾雜物，尺寸雖小但也有害。而在深部存在的夾雜物，超過一定臨界尺寸才帶來不利的影響。（3）氧含量與疲勞壽命 氧化物夾雜的總量與鋼中氧含量成正比。4 4、夾雜物對鋼的性能的影響、夾雜物對鋼的性能的影響4 4）夾雜物對鋼的加工性能的影響）夾雜物對鋼的加工性能的影響（1）夾雜物對熱加工性能的影響使鋼的熱加工性能變壞。（2）夾雜物對彎曲性能的影響 鋼中長條狀夾雜物往往使鋼的彎曲性能出現(xiàn)各向異性，且橫向性能變壞。（3）夾雜物對焊接結構件層狀撕裂的影響 （4）夾雜物對鋼的切削性能的影響 硫化物增加鋼材的脆性，鋼的切屑容易斷裂。5 5）夾雜物對鋼的物理化學性能的影響）夾雜物對鋼的物理化學性能的影響（1）夾雜物對鋼的電磁性能的影響非金屬夾雜物