煉鋼生產(chǎn)的理論基礎(chǔ)

1、第三章 煉鋼消費(fèi)的實(shí)際根底3.1 煉鋼熔體的構(gòu)造和性質(zhì)3.2 鋼液中元素氧化反響的普通規(guī)律3.3 硅、錳的氧化反響3.4 鋼液的脫碳3.5 鋼液的脫磷3.6 鋼液的脫硫3.7 其它元素的氧化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3.10 鋼液攪拌.3.1 煉鋼熔體的構(gòu)造和性質(zhì)一、鋼液的密度 單位體積鋼液所具有的質(zhì)量，常用符號(hào)表示，單位通常用kg/m3。影響鋼液密度的要素主要有溫度和鋼液的化學(xué)成分。 總的來講，溫度升高，鋼液密度降低，緣由在于原子間距增大。固體純鐵密度為7880kg/m3，1550時(shí)液態(tài)的密度為7040kg/m3，鋼的變化與純鐵類似。 .鋼液密度隨溫度的變化：

2、 =8523-0.8358(T+273) 成分對(duì)鋼液密度的影響： 1600=01600-210%C-164%Al- 60%Si-550%Cr-7.5%Mn + 43%W+6%Ni 鋼液的密度.C%密度150015501600165017000.000.100.200.300.400.600.801.001.201.607.466.987.067.147.146.976.866.786.726.677.046.967.017.067.056.896.786.706.646.577.036.956.977.017.016.846.736.656.616.547.006.896.936.986.97

3、6.806.676.596.556.526.936.816.816.826.836.706.576.506.476.43鐵碳熔體的密度kg/m3 .二、鋼的熔點(diǎn) 指鋼完全轉(zhuǎn)變成均一液體形狀時(shí)的溫度，或是冷凝時(shí)開場析出固體的溫度。鋼的熔點(diǎn)是確定冶煉和澆鑄溫度的重要參數(shù)，純鐵的熔點(diǎn)約為1538，當(dāng)某元素溶入后，純鐵原子之間的作用力減弱，鐵的熔點(diǎn)就降低。降低的程度取決于參與元素的濃度、原子量和凝固時(shí)該元素在熔體與析出的固體之間的分配。 3.1 煉鋼熔體的構(gòu)造和性質(zhì).各元素使純鐵熔點(diǎn)的降低可表示為： Mi為溶質(zhì)元素i的原子量； %i液為元素i在液態(tài)鐵中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)； K為分配系數(shù)，而K=%i固/%i液

4、，1-K那么 稱為偏析系數(shù)。.計(jì)算鋼的熔點(diǎn)閱歷式：T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T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(jì)算鋼的熔點(diǎn)閱歷式：.三、鋼液的黏度 黏度是鋼液的一個(gè)重要性質(zhì)，它對(duì)冶煉溫度參數(shù)的制定、元素的分散、

5、非金屬夾雜物的上浮和氣體的去除以及鋼的凝固結(jié)晶都有很大影響。 黏度是指各種不同速度運(yùn)動(dòng)的液體各層之間所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力。通常將內(nèi)摩擦系數(shù)或黏度系數(shù)稱為黏度。 3.1 煉鋼熔體的構(gòu)造和性質(zhì). 黏度表示方式 動(dòng)力黏度，用符號(hào)表示；單位為Pas (Ns/m2，1泊=0.1Pas)； 運(yùn)動(dòng)黏度，常用符號(hào)表示，即： m2/s 鋼液的黏度比正常熔渣的要小得多，1600時(shí)其值在0.0020.003Pas; 純鐵液1600時(shí)黏度為0.0005Pas。 . 影響鋼液粘度要素主要是溫度和成分。溫度升高，粘度降低。鋼液中的碳對(duì)粘度的影響非常大，這主要是由于碳含量使鋼的密度和熔點(diǎn)發(fā)生變化，從而引起粘度的變化。 消費(fèi)實(shí)際

6、也闡明，同一溫度下，高碳鋼的流動(dòng)性比低碳鋼鋼液的好。因此，普通在冶煉低碳鋼中，溫度要控制得略高一些。碳含量對(duì)鋼液粘度的影響見以下圖。鋼液的粘度. 溫度高于液相線50時(shí)，碳含量對(duì)鋼液粘度的影響 當(dāng)%C1500；以3CaOP2O5存在。1溫度：脫磷反響是放熱反響，低溫有利于脫磷。2高堿度：R，aCaO3高氧化性4大渣量.終點(diǎn)熔渣堿度與P的關(guān)系終點(diǎn)熔渣TFe和P的關(guān)系.3.5 鋼液的脫磷R(shí)FeO% LP2、P和C的氧化關(guān)系低溫下，P先氧化，隨溫度的升高，C氧化，F(xiàn)eO，會(huì)使?fàn)t渣變粘。3、熔渣中磷的復(fù)原 熔渣堿度降低，其中的P會(huì)發(fā)生復(fù)原，進(jìn)入鋼液，稱為“回磷。 參與硅鐵，氧化構(gòu)成的SiO2進(jìn)入爐渣，熔

7、渣侵蝕包襯，均可使?fàn)t渣堿度降低。.3.5 鋼液的脫磷4、復(fù)原脫磷 在復(fù)原條件下，磷可復(fù)原，生成P3-： 1/2P2(g)+3/2(O2-)=(P3-)+3/4O2 實(shí)現(xiàn)復(fù)原脫磷，需求很低的氧勢(shì)或很高真空度，消費(fèi)中很難實(shí)現(xiàn)。 目前采用Ca-CaF2，CaC2-CaF2渣系進(jìn)展復(fù)原脫磷。P5+P3-lgPO2lgP3-,lgP5+,% 3CaC2+2P=Ca3P2+6C復(fù)原脫磷存在的問題:1CaP2渣的處置很復(fù)雜，與水汽作用，產(chǎn)生PH3劇毒氣體；2C=0.5-1.8%，脫P(yáng)率；C1.8%，CaC2分解困難，鋼液有“增C的能夠。.3.6 鋼液的脫硫 1、爐渣脫硫反響 FeS+CaO=CaS+FeO

8、S+O2-=S2-+O影響要素：1R，LS，且Ca2+集中在S2-周圍，rs2-2FeO， LS3Si、C，fS，LS； S+Mn+(CaO)=(CaS)+(MnO) 發(fā)生共軛反響，進(jìn)展沉淀脫硫。4溫度升高，LS .3.6 鋼液的脫硫 2、氣化脫硫 轉(zhuǎn)爐煉鋼，氣化脫硫占總脫硫量的10-20%。氣化脫硫的主要反響：S+O2=SO2 但由于硫和氧的親和力比碳、硅與氧的親和力小的多，所以鋼中有C、Si存在時(shí)，上面的氣化反響很難發(fā)生。主要經(jīng)過爐渣氣化脫硫，即： CaS+3Fe2O3=SO2+CaO+6FeO CaS+3/2O2=SO2+CaO 反響取決rs2-和Po2或aFeO,堿度升高， rs2-，

9、高堿度對(duì)氣化脫硫不利；但對(duì)渣脫硫有利。.3.7 其它元素的氧化1、Cr1Fe-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+FeOCrO+Fe堿性渣：2Cr+3FeOCr2O3+3Fe.3.7 其它元素的氧化3Cr和C的選擇氧化去碳保鉻的條件： 溫度：T，K，%Cr PCO，加強(qiáng)脫碳； ac，有Ni的存在，fc，%Cr %Cr，%C平.3.7 其它元素的氧化2、V選擇氧化，去V保CT，供氧強(qiáng)度，LV3、Nb 與

10、V一樣，存在選擇性氧化。 4/5Nb+2CO2/5Nb2O5+2C氧化順序：SiMnNb提Nb：高爐復(fù)原煉鋼氧化渣富集電爐復(fù)原Nb-Fe.3.7 其它元素的氧化4、WWO3是不穩(wěn)定化合物，易為Fe復(fù)原。在堿性渣中，生成CaOWO3，rWO3，LW.3.8 鋼液的脫氧和合金化1、脫氧反響熱力學(xué)1脫氧常數(shù)及脫氧才干K，與M平衡的O,M的脫氧才干加強(qiáng)，K衡量元素的脫氧才干。與氧結(jié)合的順序：CeZrAlTiBSiCVMnCr脫氧常數(shù).元素脫氧才干1600時(shí)各種元素脫氧才干 1600時(shí)，鋼水中的脫氧元素Al 和Ti 含量假設(shè)均為0.01時(shí)，與Al相平衡的氧含量0.0005低于與Ti平衡的氧含量0.01，

11、闡明Al 比Ti 的脫氧才干強(qiáng)。.3.8 鋼液的脫氧和合金化2脫氧產(chǎn)物的組成及形狀 脫氧產(chǎn)物的組成及形狀是變化的，決議于元素的脫氧才干及用量。 如Si脫氧：2FeOSiO2 2FeOSiO2SiO2 SiO2的參與量添加，產(chǎn)物的熔點(diǎn)提高。 生成復(fù)雜化合物，aMxOy,O平，脫氧才干3脫氧產(chǎn)物的排出和鋼中夾雜物 靠本身浮力排出，上浮速度由Stokes公式計(jì)算：r，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(zhì)點(diǎn)彼此凝聚兩液相質(zhì)點(diǎn)的聚結(jié)固體質(zhì)點(diǎn)為液體質(zhì)點(diǎn)所粘附或潤濕2、Mn、Si、Al的脫氧1Mn Mn+FeO=MnO+FeFeO+MnO構(gòu)成液溶體或固溶體，MnO/FeO，T熔

12、，易構(gòu)成固溶體。Mn的脫氧才干，隨溫度降低而加強(qiáng)后期沸騰。2Si Si+2O=SiO2(S) KSi=%Si%O2 溫度，KSi，O平，也會(huì)后期沸騰.3.8 鋼液的脫氧和合金化3Al 2Al+3O=Al2O3(S) KAl=%Al2%O3 Al2O3細(xì)小質(zhì)點(diǎn)不易被鋼液潤濕，Al是強(qiáng)脫氧劑，可使鋼液鎮(zhèn)靜，而Si、Mn不能使鋼液鎮(zhèn)靜。3、復(fù)合脫氧 用兩種或以上元素脫氧的過程。 復(fù)合脫氧提高各自的脫氧才干，易獲得低熔點(diǎn)、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、熔渣脫氧分散脫氧 (FeO)，O向渣中分散脫除。渣中參與Si-Fe粉、C粉、C

13、aC2粉、Al粉、Si-Ca粉等，使(FeO)=0.5-1.0%。.3.8 鋼液的脫氧和合金化5、脫氧劑用量的計(jì)算6、合金化 脫氧和合金化操作不能截然分開，而是嚴(yán)密相聯(lián)，合金化操作的關(guān)鍵問題是合金化元素的參與次序，普通的原那么：脫氧元素先加，合金化元素后加；脫氧才干比較強(qiáng)，而且比較貴重的合金，應(yīng)在鋼水脫氧良好的情況下參與；熔點(diǎn)高，不易氧化的元素，可加在爐內(nèi)。脫氧劑參與量=.冶煉普通合金鋼和低合金鋼時(shí)，合金參與量的計(jì)算方法和脫氧劑根本一樣，即 合金參與量= 冶煉高合金鋼時(shí)，合金參與量大，必需思索參與的合金量對(duì)鋼水分量和鋼水終點(diǎn)成分的影響。 3.8 鋼液的脫氧和合金化.3.9 鋼中的氣體和非金屬夾

14、雜物1. 鋼液的真空處置反響1) 真空脫氧 C+O=CO %C%O=Mpco2) 真空脫硫 S+C+CaO=CaS+CO S+Si=SiS(g)3) 真空脫氣.3.9 鋼中的氣體和非金屬夾雜物4) 揮發(fā)性雜質(zhì)的去除 Pb、Cu、As、Sn、Bi等元素的揮發(fā)速度：揮發(fā)組元的蒸汽壓揮發(fā)組元的mol質(zhì)量5) 夾雜物的去除(1) 向相界面轉(zhuǎn)移或依靠氣泡排出；(2) 夾雜物發(fā)生分解或C復(fù)原去除。 MxOyxM+y/2O2 MxOy+yCxM+yCO 6) 鋼液和耐火資料的反響 在真空下，鋼液中的C能復(fù)原與其接觸的耐火資料。.2、影響氫和氮在鋼中溶解度的要素 氣體在鋼中的溶解度取決于溫度、相變、金屬成分以

15、及與金屬相平衡的氣相中該氣體的分壓: 1) 氫和氮在液態(tài)純鐵中溶解度隨溫度升高而添加； 2) 固態(tài)純鐵中氣體的溶解度低于液態(tài)； 3) 氮在固態(tài)純鐵中的溶解度隨溫度的升高降低，緣由是 有氮化物析出。 4) 在910發(fā)生-Fe向-Fe轉(zhuǎn)變，1400 時(shí)發(fā)生-Fe 向-Fe轉(zhuǎn)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。.氫和氮分壓為100kPa時(shí)在純鐵中的溶解度 .3、鋼中非金屬夾雜物的種類及其形狀1按夾雜物的化學(xué)成分分類氧化物系夾雜物簡單氧化物復(fù)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

16、、Fe4N、Fe2N等2按夾雜物的形狀分類塑性夾雜FeS、MnS、低熔點(diǎn)硅酸鹽脆性夾雜Al2O3和尖晶石型、氮化物等高熔點(diǎn)、高硬度夾雜不變形夾雜SiO2、鈣鋁酸鹽及高熔點(diǎn)硫化物.變形前后鋼種夾雜物形狀表示圖(a)塑性夾雜軋制后延伸成條狀；(b)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、鋼中非金屬夾雜物的種類及其形狀3按夾雜物的來源分類 1外來夾雜物； 2內(nèi)生夾雜物一次夾雜二次夾雜三次夾雜4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100m4、夾雜物對(duì)鋼的性能的影響1夾雜物和裂紋

17、的構(gòu)成及應(yīng)力集中1夾雜物與裂紋的構(gòu)成作為顯微裂紋的發(fā)源地。2夾雜物與應(yīng)力集中資料中有夾雜物的地方，那么出現(xiàn)應(yīng)力集中景象。.4、夾雜物對(duì)鋼的性能的影響2夾雜物對(duì)鋼的塑性和韌性的影響1夾雜物與塑性夾雜物對(duì)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(duì)鋼材的縱向塑性影響不大，而對(duì)橫向塑性的影響卻較顯著。2夾雜物與韌性假設(shè)資料中有非金屬夾雜物，那么鋼的韌性下降。3夾雜物對(duì)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(jìn)了疲勞裂紋的發(fā)生和開展。2夾雜物的大小、分布與疲勞壽命 對(duì)于同一種類型的A12O3夾雜物來說，隨其含量添加疲勞極限下降。當(dāng)其他條件一樣時(shí)，夾雜物顆粒越

18、大，那么不利的影響越大，多角形夾雜物的影響大于球狀?yuàn)A雜物的影響。 在外表或接近外表存在的夾雜物，尺寸雖小但也有害。而在深部存在的夾雜物，超越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、夾雜物對(duì)鋼的性能的影響4夾雜物對(duì)鋼的加工性能的影響1夾雜物對(duì)熱加工性能的影響使鋼的熱加工性能變壞。2夾雜物對(duì)彎曲性能的影響 鋼中長條狀?yuàn)A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(duì)焊接構(gòu)造件層狀撕裂的影響 4夾雜物對(duì)鋼的切削性能的影響 硫化物添加鋼材的脆性，鋼的切屑容易斷裂。5夾雜物對(duì)鋼的物理化學(xué)性能的影響1夾雜物對(duì)鋼的電磁性能的影響非金屬夾雜物不是鐵磁性物質(zhì)，它的存在減少了鐵磁性基體的體積，破壞了金屬基體的延續(xù)性；其次，夾雜物的存在在晶界上或晶粒內(nèi)使基體變形產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，因此基體磁化不均勻、磁性下降。2夾雜物對(duì)鋼的點(diǎn)腐蝕的影響點(diǎn)蝕