鋼鐵冶金學(xué)(煉鋼學(xué))

煉鋼學(xué)

朱苗勇教授2021/5/91內(nèi)容提要煉鋼學(xué)概述煉鋼的基礎(chǔ)理論煉鋼原料頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法底吹氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法鋼的連續(xù)澆鑄2021/5/92第一章緒論

煉鋼的發(fā)展歷程

我國鋼鐵工業(yè)的狀況

煉鋼的基本任務(wù)

鋼的分類

2021/5/931.1煉鋼的發(fā)展歷程

鋼與生鐵的區(qū)別：首先是碳的含量，理論上一般把碳含量小于2.11%稱之鋼，它的熔點(diǎn)在1450-1500℃，而生鐵的熔點(diǎn)在1100-1200℃。在鋼中碳元素和鐵元素形成Fe3C固熔體，隨著碳含量的增加，其強(qiáng)度、硬度增加，而塑性和沖擊韌性降低。

2021/5/94鋼的應(yīng)用前景

鋼具有很好的物理化學(xué)性能與力學(xué)性能，可進(jìn)行拉、壓、軋、沖、拔等深加工，其用途十分廣泛；用途不同對鋼的性能要求也不同，從而對鋼的生產(chǎn)也提出了不同的要求。

2021/5/95

石油、化工、航天航空、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)、國防等許多重要的領(lǐng)域均需要各種類型的大量鋼材，我們的日常生活更離不開鋼。

總之，鋼材仍將是21世紀(jì)用途最廣的結(jié)構(gòu)材料和最主要功能材料。2021/5/96煉鋼方法（1）最早出現(xiàn)的煉鋼方法是1740年出現(xiàn)的坩堝法，它是將生鐵和廢鐵裝入由石墨和粘土制成的坩堝內(nèi)，用火焰加熱熔化爐料，之后將熔化的爐料澆成鋼錠。此法幾乎無雜質(zhì)元素的氧化反應(yīng)。2021/5/97煉鋼方法（2）1856年英國人亨利·貝塞麥發(fā)明了酸性空氣底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法，也稱為貝塞麥法，第一次解決了用鐵水直接冶煉鋼水的難題，從而使煉鋼的質(zhì)量得到提高，但此法要求鐵水的硅含量大于0.8%，而且不能脫硫。目前已淘汰。2021/5/98煉鋼方法（3）1865年德國人馬丁利用蓄熱室原理發(fā)明了以鐵水、廢鋼為原料的酸性平爐煉鋼法，即馬丁爐法。1880年出現(xiàn)了第一座堿性平爐。由于其成本低、爐容大，鋼水質(zhì)量優(yōu)于轉(zhuǎn)爐，同時(shí)原料的適應(yīng)性強(qiáng)，平爐煉鋼法仍一時(shí)成為的主要的煉鋼法。2021/5/99煉鋼方法（4）1878年英國人托馬斯發(fā)明了堿性爐襯的底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法，即托馬斯法。他是在吹煉過程中加石灰造堿性渣，從而解決了高磷鐵水的脫磷問題。當(dāng)時(shí)，對西歐的一些國家特別適用，因?yàn)槲鳉W的礦石普遍磷含量高。但托馬斯法的缺點(diǎn)是爐子壽命底，鋼水中氮的含量高。2021/5/910煉鋼方法（5）1899年出現(xiàn)了完全依靠廢鋼為原料的電弧爐煉鋼法(EAF)，解決了充分利用廢鋼煉鋼的問題，此煉鋼法自問世以來，一直在不斷發(fā)展，是當(dāng)前主要的煉鋼法之一，由電爐冶煉的鋼目前占世界總的鋼的產(chǎn)量的30-40%。2021/5/911煉鋼方法（6）瑞典人羅伯特·杜勒首先進(jìn)行了氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的試驗(yàn)，并獲得了成功。1952年奧地利的林茨城(Linz)和多納維茲城(Donawitz)先后建成了30噸的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐車間并投入生產(chǎn)，所以此法也稱為LD法。美國稱為BOF法（BasicOxygenFurnace）或BOP法。2021/5/912LD/BOF/BOP2021/5/913煉鋼方法（7）1965年加拿大液化氣公司研制成雙層管氧氣噴嘴，1967年西德馬克西米利安鋼鐵公司引進(jìn)此技術(shù)并成功開發(fā)了底吹氧轉(zhuǎn)爐煉鋼法，即OBM法(OxygenBottomMaxhuette)

。1971年美國鋼鐵公司引進(jìn)OBM法，1972年建設(shè)了3座200噸底吹轉(zhuǎn)爐，命名為Q-BOP(QuietBOP)。2021/5/914OBM/Q-BOP2021/5/915煉鋼方法（8）在頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼發(fā)展的同時(shí)，1978-1979年成功開發(fā)了轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉工藝，即從轉(zhuǎn)爐上方供給氧氣（頂吹氧），從轉(zhuǎn)爐底部供給惰性氣體或氧氣，它不僅提高鋼的質(zhì)量，降低了消耗和噸鋼成本，更適合供給連鑄優(yōu)質(zhì)鋼水。2021/5/916LD-Q-BOP2021/5/917煉鋼方法（9）我國首先在1972-1973年在沈陽第一煉鋼廠成功開發(fā)了全氧側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝。并在唐鋼等企業(yè)推廣應(yīng)用。

2021/5/918

總之，煉鋼技術(shù)經(jīng)過200多年的發(fā)展，技術(shù)水平、自動(dòng)化程度得到了很大的提高，21世紀(jì)煉鋼技術(shù)會(huì)面臨更大的挑戰(zhàn)，相信會(huì)有不斷的新技術(shù)涌現(xiàn)。2021/5/9191.2我國鋼鐵工業(yè)的狀況

我國很早就掌握了煉鐵的冶煉技術(shù)，東漢時(shí)就出現(xiàn)了冶煉和鍛造技術(shù)，南北朝時(shí)期就掌握了灌鋼法，曾在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位。但舊中國鋼鐵工業(yè)非常落后，產(chǎn)量很低，從1890年建設(shè)的漢陽鋼鐵廠至1948年的半個(gè)世紀(jì)中，鋼產(chǎn)量累計(jì)到200萬噸，1949年只有15.8萬噸。

2021/5/920

新中國成立后，特別是改革開放以來，我國的鋼鐵事業(yè)得到迅速發(fā)展，1980年鋼產(chǎn)量達(dá)到3712萬噸，1990年達(dá)到6500萬噸，1996年首次突破1億噸大關(guān)，成為世界第一產(chǎn)鋼大國，2005年產(chǎn)量達(dá)到3.4億噸，占世界產(chǎn)量的1/3。

可以這樣講，我國的鋼鐵工業(yè)對世界產(chǎn)生了重要影響，我國不僅是產(chǎn)鋼大國，而且已經(jīng)開始邁入鋼鐵強(qiáng)國的行列。

2021/5/921

我國粗鋼產(chǎn)量的變化情況2021/5/9221.3煉鋼的基本任務(wù)

煉鋼的基本任務(wù)是脫碳、脫磷、脫硫、脫氧，去除有害氣體和非金屬夾雜物，提高溫度和調(diào)整成分。歸納為：“四脫”（碳、氧、磷和硫），“二去”（去氣和去夾雜），“二調(diào)整”（成分和溫度）。采用的主要技術(shù)手段為：供氧，造渣，升溫，加脫氧劑和合金化操作。2021/5/9231.3.1鋼中的磷

對于絕大多數(shù)鋼種來說磷是有害元素。鋼中磷的含量高會(huì)引起鋼的“冷脆”，即從高溫降到0℃以下，鋼的塑性和沖擊韌性降低，并使鋼的焊接性能與冷彎性能變差。磷是降低鋼的表面張力的元素，隨著磷含量的增加，鋼液的表面張力降低顯著，從而降低了鋼的抗裂性能。2021/5/924磷是僅次于硫在鋼的連鑄坯中偏析度高的元素，而且在鐵固熔體中擴(kuò)散速率很小，因而磷的偏析很難消除，從而嚴(yán)重影響鋼的性能，所以脫磷是煉鋼過程的重要任務(wù)之一。

2021/5/925

磷在鋼中是以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在，但通常是以[P]來表達(dá)。煉鋼過程的脫磷反應(yīng)是在金屬液與熔渣界面進(jìn)行的。不同用途的鋼對磷的含量有嚴(yán)格要求：非合金鋼中普通質(zhì)量級(jí)鋼[P]≤0.045%；優(yōu)質(zhì)級(jí)鋼[P]≤0.035%；特殊質(zhì)量級(jí)鋼[P]≤0.025%；有的甚至要求[P]≤0.010%。有些鋼種:炮彈鋼，耐腐蝕鋼需加P元素。2021/5/9261.3.2鋼中的硫

硫?qū)︿摰男阅軙?huì)造成不良影響，鋼中硫含量高，會(huì)使鋼的熱加工性能變壞，即造成鋼的“熱脆”性。硫在鋼中以FeS的形式存在，F(xiàn)eS的熔點(diǎn)為1193℃，F(xiàn)e與FeS組成的共晶體的熔點(diǎn)只有985℃。液態(tài)Fe與FeS雖可以無限互溶，但在固熔體中的溶解度很小，僅為0.015%-0.020%。

2021/5/927當(dāng)鋼中的[S]＞0.020%時(shí)，由于凝固偏析，F(xiàn)e-FeS共晶體分布于晶界處，在1150-1200℃的熱加工過程中，晶界處的共晶體熔化，鋼受壓時(shí)造成晶界破裂，即發(fā)生“熱脆”現(xiàn)象。如果鋼中的氧含量較高，F(xiàn)eS與FeO形成的共晶體熔點(diǎn)更低（940℃），更加劇了鋼的“熱脆”現(xiàn)象的發(fā)生。2021/5/928錳可在鋼凝固范圍內(nèi)生成MnS和少量的FeS，純MnS的熔點(diǎn)為1610℃，共晶體FeS-MnS（占93.5%）的熔點(diǎn)為1164℃，它們能有效的防止鋼熱加工過程的“熱脆”。

2021/5/929

冶煉一般鋼種時(shí)要求將[Mn]控制在0.4%-0.8%。在實(shí)際生產(chǎn)中還將[Mn]/[S]比作為一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行控制，[Mn]/[S]對鋼的熱塑性影響很大。從低碳鋼高溫下的拉伸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)提高[Mn]/[S]比可以提高鋼的熱延展性。一般[Mn]/[S]≥7時(shí)不產(chǎn)生熱脆。2021/5/930圖1-2[Mn]/[S]比對低碳鋼熱延展性的影響

2021/5/931

硫還會(huì)明顯降低鋼的焊接性能，引起高溫龜裂，并在焊縫中產(chǎn)生氣孔和疏松，從而降低焊縫的強(qiáng)度。硫含量超過0.06%時(shí)，會(huì)顯著惡化鋼的耐蝕性。硫還是連鑄坯中偏析最為嚴(yán)重的元素。2021/5/932不同鋼種對硫含量有嚴(yán)格的規(guī)定：非合金鋼中普通質(zhì)量級(jí)鋼[S]≤0.045%

優(yōu)質(zhì)級(jí)鋼[S]≤0.035%，特殊質(zhì)量級(jí)鋼

[S]≤0.025%

有的鋼種要求如管線鋼[S]≤0.005%,甚至更低。有些鋼種，如易切削鋼硫則作為合金元素加入，要求[S]=0.08%-0.20%。2021/5/9331.3.3鋼中的氧在吹煉過程中，向熔池供入了大量的氧氣，到吹煉終點(diǎn)時(shí)，鋼水中含有過量的氧，即鋼中實(shí)際氧含量高于平均值。如不脫氧，在出鋼、澆鑄中，溫度降低，氧溶解度降低，促使碳氧反應(yīng)，鋼液劇烈沸騰，使?jié)茶T困難，得不到正確凝固組織結(jié)構(gòu)的連鑄坯。

2021/5/934鋼中氧含量高，還會(huì)產(chǎn)生皮下氣泡，疏松等缺陷，并加劇硫的熱脆作用。在鋼的凝固過程中，氧將會(huì)以氧化物的形式大量析出，會(huì)降低鋼的塑性，沖擊韌性等加工性能。一般測定的是鋼中的全氧，即氧化物中的氧和溶解的氧之和，在使用濃差法定氧時(shí)才是測定鋼液中溶解的氧，在鑄坯或鋼材中取樣時(shí)是全氧樣。

2021/5/935脫氧的任務(wù)根據(jù)具體的鋼種，將鋼中的氧含量降低到所需的水平，以保證鋼水在凝固時(shí)得到合理的凝固組織結(jié)構(gòu)；使成品鋼中非金屬夾雜物含量最少，分布合適，形態(tài)適宜，以保證鋼的各項(xiàng)性能指標(biāo)；得到細(xì)晶結(jié)構(gòu)組織。常用的脫氧劑有Fe-Mn，F(xiàn)e-Si，Mn-Si，Ca-Si等合金。2021/5/936

1.3.4鋼中的氣體

鋼液中的氣體會(huì)顯著降低鋼的性能，而且容易造成鋼的許多缺陷。鋼中氣體主要是指氫與氮，它們可以溶解于液態(tài)和固態(tài)純鐵和鋼中。氫在固態(tài)鋼中溶解度很小，在鋼水凝固和冷卻過程中，氫會(huì)和CO、N2等氣體一起析出，形成皮下氣泡中心縮孔、疏松、造成白點(diǎn)和發(fā)紋。

2021/5/937鋼熱加工過程中，鋼中含有氫氣的氣孔會(huì)沿加工方向被拉長形成發(fā)裂，進(jìn)而引起鋼材的強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性的降低，即發(fā)生“氫脆”現(xiàn)象。在鋼材的縱向斷面上，呈現(xiàn)出圓形或橢圓形的銀白色斑點(diǎn)稱之為“白點(diǎn)”，實(shí)為交錯(cuò)的細(xì)小裂紋。主要原因是鋼中的氫在小孔隙中析出的壓力和鋼相變時(shí)產(chǎn)生的組織應(yīng)力的綜合力超過了鋼的強(qiáng)度，產(chǎn)生了“白點(diǎn)”。一般白點(diǎn)產(chǎn)生的溫度低于2000C。

2021/5/938鋼中的氮是以氮化物的形式存在，它對鋼質(zhì)量的影響體現(xiàn)出雙重性。氮含量高的鋼種長時(shí)間放置，將會(huì)變脆，這一現(xiàn)象稱為“老化”或“時(shí)效”。原因是鋼中氮化物的析出速度很慢，逐漸改變著鋼的性能。低碳鋼產(chǎn)生的脆性比磷還嚴(yán)重。鋼中氮含量高時(shí)，在250-4500C溫度范圍，其表面發(fā)藍(lán)，鋼的強(qiáng)度升高，沖擊韌性降低，稱之為“藍(lán)脆”。氮含量增加，鋼的焊接性能變壞。2021/5/939鋼中加入適量的鋁，可生成穩(wěn)定的AlN，能夠壓抑Fe4N生成和析出，不僅改善鋼的時(shí)效性，還可以阻止奧氏體晶粒的長大。氮可以作為合金元素起到細(xì)化晶粒的作用.在冶煉鉻鋼，鎳鉻系鋼或鉻錳系等高合金鋼時(shí)，加入適量的氮，能夠改善塑性和高溫加工性能。2021/5/940

1.3.5鋼中的夾雜

鋼中非金屬夾雜按來源分可以分成外來夾雜和內(nèi)生夾雜。外來夾雜是指冶煉和澆鑄過程中，帶入鋼液中的爐渣和耐火材料以及鋼液被大氣氧化所形成的氧化物。2021/5/941內(nèi)生夾雜包括：脫氧時(shí)的脫氧產(chǎn)物；鋼液溫度下降時(shí)，硫、氧、氮等雜質(zhì)元素溶解度下降而以非金屬夾雜形式出現(xiàn)的生成物；凝固過程中因溶解度降低、偏析而發(fā)生反應(yīng)的產(chǎn)物；固態(tài)鋼相變?nèi)芙舛茸兓傻漠a(chǎn)物。

鋼中大部分內(nèi)生夾雜是在脫氧和凝固過程中產(chǎn)生的。2021/5/942根據(jù)成分不同，夾雜物可分為氧化物夾雜，即FeO、MnO、SiO2、Al2O3、Cr2O3等簡單的氧化物；FeO-Fe2O3

、FeO-Al2O3、MgO-Al2O3等尖晶石類和各種鈣鋁的復(fù)雜氧化物；2FeO-SiO2，、2MnO-SiO2、3MnO-Al2O3-2SiO2等硅酸鹽；硫化物夾雜，如FeS、MnS、CaS等；氮化物夾雜，如AlN、TiN、ZrN、VN、BN等。

2021/5/943按加工性能，夾雜物可分為：塑性夾雜，它是在熱加工時(shí)，沿加工方向延伸成條帶狀；脆性夾雜，它是完全不具有塑性的夾雜物，如尖晶石類型夾雜物，熔點(diǎn)高的氮化物；點(diǎn)狀不變性夾雜，如SiO2超過70%的硅酸鹽，CaS、鈣的鋁硅酸鹽等。

由于非金屬夾雜對鋼的性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此在煉鋼、精煉和連鑄過程應(yīng)最大限度地降低鋼液中夾雜物的含量，控制其形狀、尺寸。

2021/5/9441.3.6鋼中的成分(碳)煉鋼的重要任務(wù)之一就是要把熔池中的碳氧化脫除至所煉鋼鐘的要求。從鋼的性質(zhì)可看出碳也是重要的合金元素，它可以增加鋼的強(qiáng)度和硬度，但對韌性產(chǎn)生不利影響。鋼中的碳決定了冶煉、軋制和熱處理的溫度制度。2021/5/945碳能顯著改變鋼的液態(tài)和凝固性質(zhì)，在16000C，[C]≤0.8%時(shí)，每增0.1%的碳◆鋼的熔點(diǎn)降低6.50C

◆密度減少4kg/m3

◆黏度降低0.7%

◆[N]的溶解度降低0.001%

◆[H]的溶解度降低0.4cm3/100g

◆增大凝固區(qū)間17.790C

。2021/5/946錳(Mn)

錳的作用是消除鋼中硫的熱脆傾向，改變硫化物的形態(tài)和分布以提高鋼質(zhì)；錳是一種非常弱的脫氧劑，在碳含量非常低、氧含量很高時(shí)，可以顯示出脫氧作用，協(xié)助脫氧，提高他們的脫氧能力；錳還可以略微提高鋼的強(qiáng)度，并可提高鋼的淬透性能，穩(wěn)定并擴(kuò)大奧氏體區(qū)，常作為合金元素生成奧氏體不銹鋼、耐熱鋼等。2021/5/947硅(Si)

硅是鋼中最基本的脫氧劑。普通鋼中含硅在0.17%-0.37%，14500C鋼凝固時(shí)，能保證鋼中與其平衡的氧小于與碳平衡的量，抑制凝固過程中CO氣泡的產(chǎn)生。生產(chǎn)沸騰鋼時(shí)，[Si]為0.03%-0.07%，[Mn]為0.25%-0.70%，它只能微弱控制C-O反應(yīng)。硅能提高鋼的機(jī)械性能，增加了鋼的電阻和導(dǎo)磁性。2021/5/948

硅對鋼液的性質(zhì)影響較大，16000C純鐵中每增加1%的硅：

◆碳的飽和溶解度降低了0.294%

◆鐵的熔點(diǎn)降低80C

◆密度降低80kg/m3

◆[N]的飽和溶解度降低0.003%

◆[H]降低1.4cm3/100g◆鋼的凝固區(qū)間增加100C，鋼液的收縮率提高2.05%。2021/5/949鋁(Al)

鋁是終脫氧劑，生產(chǎn)鎮(zhèn)靜鋼時(shí)，[Al]多在0.005%-0.05%，通常為0.01%-0.03%。鋼中鋁的加入量因氧量而異，對高碳鋼應(yīng)少加些，而低碳鋼則應(yīng)多加，加入量一般為:0.3-1.0kg/t鋼。鋁加到鋼中將與氧發(fā)生反應(yīng)生成Al2O3，在出鋼、鎮(zhèn)靜和澆鑄時(shí)生成的Al2O3大部分上浮排除，在凝固過程中大量細(xì)小分散的Al2O3還能促進(jìn)形成細(xì)晶粒鋼。鋁是調(diào)整鋼的晶粒度的有效元素，它能使鋼的晶粒開始長大并保持到較高的溫度。2021/5/9501.4鋼的分類

按化學(xué)成分分類

按是否加入合金元素可鋼分為把碳素鋼和合金鋼兩大類。碳素鋼是指鋼中除含有一定量為了脫氧而加入硅（一般≤0.40%）和錳（一般≤0.80%）等合金元素外，不含其他合金元素的鋼。根據(jù)碳含量的高低又可分成低碳鋼（[C]≤0.25%），中碳鋼(0.25%≤[C]≤0.60%)和高碳鋼([C]>0.60%)。2021/5/951

合金鋼是指鋼中除含有硅和錳作為合金元素或脫氧元素外，還含有其他合金元素如鉻、鎳、鉬、鈦、釩、銅、鎢、鋁、鈷、鈮、鋯和稀土元素等，有的還含有某些非金屬元素如硼、氮等的鋼。根據(jù)鋼中合金元素含量的多少，又可分為低合金鋼，中合金鋼和高合金鋼。一般合金元素總含量小于3%的為普通低合金鋼，總含量為3%～5%的為低合金鋼，大于10%的叫高合金鋼，總含量介于5%～10%之間為中合金鋼。按鋼中所含有的主要合金元素不同可分為錳鋼、硅鋼、硼鋼、鉻鎳鎢鋼、鉻錳硅鋼等。

2021/5/952按冶煉方法和質(zhì)量水平分類按煉鋼爐設(shè)備不同可分為轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼、平爐鋼。其中電爐鋼包括電弧爐鋼、感應(yīng)爐鋼、電渣鋼、電子束熔煉及有關(guān)的真空熔煉鋼等。按脫氧程度不同可分為沸騰鋼（不經(jīng)脫氧或微弱脫氧）、鎮(zhèn)靜鋼（脫氧充分）和半鎮(zhèn)靜鋼（脫氧不完全，介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間）。按質(zhì)量水平不同可分為普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。

2021/5/953按用途分類

分為三大類：結(jié)構(gòu)鋼，工具鋼，特殊性能鋼。

結(jié)構(gòu)鋼是目前生產(chǎn)最多、使用最廣的鋼種，它包括碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼，主要用于制造機(jī)器和結(jié)構(gòu)的零件及建筑工程用的金屬結(jié)構(gòu)等。碳素結(jié)構(gòu)鋼是指用來制造工程結(jié)構(gòu)件和機(jī)械零件用的鋼，其硫、磷等雜質(zhì)含量比優(yōu)質(zhì)鋼高些，一般[S]≤0.055%，[P]≤0.045%，優(yōu)質(zhì)碳素鋼[S]和[P]均≤0.040%。碳素結(jié)構(gòu)鋼的價(jià)格最低，工藝性能良好，產(chǎn)量最大，用途最廣。2021/5/954

合金結(jié)構(gòu)鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)丶尤胍环N或數(shù)種合金元素，用來提高鋼的強(qiáng)度、韌性和淬透性。合金結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)化學(xué)成分（主要指含碳量）熱處理工藝和用途的不同，又可分為滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼和氮化鋼。2021/5/955合金結(jié)構(gòu)鋼

滲碳鋼指用低碳結(jié)構(gòu)鋼制成零部件，經(jīng)表面化學(xué)處理，淬火并低溫回火后，使零件表面硬度高而心部韌性好，既耐磨又能承受高的交變負(fù)荷或沖擊負(fù)荷。

調(diào)質(zhì)鋼的含碳量大于0.25%，所制成的零件經(jīng)淬火和高溫回火調(diào)質(zhì)處理后，可得到適當(dāng)?shù)母邚?qiáng)度與良好的韌性。

氮化鋼一般是指以中碳合金結(jié)構(gòu)鋼制成零件，先經(jīng)過調(diào)質(zhì)或表面火焰淬火、高頻淬火處理，獲得所需要的力學(xué)性能，最后再進(jìn)行氮化處理，以進(jìn)一步改善鋼的表面耐磨性能。2021/5/956工具鋼

包括碳素工具鋼和合金工具鋼及高速鋼。碳素工具鋼的硬度主要以含碳量的高低來調(diào)整（0.65%≤[C]≤1.30%），為了提高鋼的綜合性能，有的鋼中加入0.35%～0.60%的錳。合金工具鋼不僅含有很高碳，有的高達(dá)2.30%，而且含有較高的鉻，鉻的含量可達(dá)到13%、鎢（達(dá)9%）、鉬、釩等合金元素，這類鋼主要用于各式模具。高速工具鋼除含有較高的碳（1%左右）外，還含有很高的鎢（有的高達(dá)19%）和鉻、釩、鉬等合金元素，具有較好的赤熱硬性。2021/5/957特殊性能鋼

指的是具有特殊化學(xué)性能或力學(xué)性能的鋼，如軸承鋼、不銹鋼、彈簧鋼、高溫合金鋼等。軸承鋼是指用于制造各種環(huán)境中工作的各類軸承圈和滾動(dòng)體的鋼，這類鋼含碳1%左右，含鉻最高不超過1.65%，要求具有高而均勻的硬度和耐磨性，內(nèi)部組織和化學(xué)成分均勻，夾雜物和炭化物的數(shù)量及分布要求高。2021/5/958不銹鋼是指在大氣、水、酸、堿和鹽等溶液，或其他腐蝕介質(zhì)中具有一定化學(xué)穩(wěn)定性的鋼的總稱。耐大氣、蒸汽和水等弱介質(zhì)腐蝕的稱為不銹鋼，耐酸、堿和鹽等強(qiáng)介質(zhì)腐蝕的鋼稱為耐腐蝕鋼。不銹鋼具有不銹性，但不一定耐腐蝕，而耐腐蝕鋼則一般都具有較好的不銹性。根據(jù)化學(xué)成分不同，可分為馬氏體不銹鋼(13%Cr鋼為代表)，鐵素體不銹鋼(18%Cr鋼為代表)，奧氏體不銹鋼(18%Cr-8%Ni鋼代表)和雙相不銹鋼。2021/5/959彈簧鋼主要含有硅、錳、鉻合金元素，具有高的彈性極限、高的疲勞強(qiáng)度以及高的沖擊韌性和塑性，專門用于制造螺旋簧及其他形狀彈簧，對鋼的表面性能及脫碳性能的要求比一般鋼較為嚴(yán)格。高溫合金指的是在應(yīng)力及高溫同時(shí)作用下，具有長時(shí)間抗蠕變能力與高的持久強(qiáng)度和高的抗蝕性的金屬材料，常用的有鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金，還有鉻基合金、鉬基合金及其他合金等。高溫合金主要用于制造燃汽輪機(jī)、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫下工作零部件。2021/5/960思考題1、煉鋼的基本任務(wù)是什么，通過哪些手段實(shí)現(xiàn)？2、磷和硫?qū)︿摦a(chǎn)生哪些危害？3、實(shí)際生產(chǎn)中為什么要將[Mn]/[S]比作為一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行控制？4、氫和氮對鋼產(chǎn)生哪些危害？5、外來夾雜和內(nèi)生夾雜的含義是什么？

2021/5/961第二章煉鋼的基礎(chǔ)理論鋼液的物理性質(zhì)熔渣的物理化學(xué)性質(zhì)硅、錳的氧化和還原反應(yīng)碳氧化反應(yīng)鋼液的脫磷鋼液的脫硫鋼液的脫氧鉻、釩、鈮的氧化氫、氮的反應(yīng)2021/5/9622.1鋼液的物理性質(zhì)鋼的密度

單位體積鋼液所具有的質(zhì)量，常用符號(hào)ρ表示，單位通常用kg/m3。影響鋼液密度的因素主要有溫度和鋼液的化學(xué)成分?？偟膩碇v，溫度升高，鋼液密度降低，原因在于原子間距增大。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。

2021/5/963鋼液密度隨溫度的變化：

ρ=8523-0.8358(T+273)

成分對鋼液密度的影響：

ρ1600℃=ρ01600℃-210[%C]-164[%Al]-60[%Si]-550[%Cr]-7.5[%Mn]+43[%W]+6[%Ni]2021/5/964

[C]（%）密度1500℃1550℃1600℃1650℃1700℃0.000.100.200.300.400.600.801.001.201.607.466.987.067.147.146.976.866.786.726.677.046.967.017.067.056.896.786.706.646.577.036.956.977.017.016.846.736.656.616.547.006.896.936.986.976.806.676.596.556.526.936.816.816.826.836.706.576.506.476.43鐵碳熔體的密度（kg/m3）

2021/5/965鋼的熔點(diǎn)指鋼完全轉(zhuǎn)變成均一液體狀態(tài)時(shí)的溫度，或是冷凝時(shí)開始析出固體的溫度。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。降低的程度取決于加入元素的濃度、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。2021/5/966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，（1-K）則稱為偏析系數(shù)。2021/5/967計(jì)算鋼的熔點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)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]

2021/5/968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]2021/5/969

鋼液的黏度

黏度是鋼液的一個(gè)重要性質(zhì)，它對冶煉溫度參數(shù)的制定、元素的擴(kuò)散、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。

2021/5/970

黏度表示形式

動(dòng)力黏度，用符號(hào)μ表示；單位為Pa?s(N?s/m2，1泊=0.1Pa?s)；

運(yùn)動(dòng)黏度，常用符號(hào)ν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0.002～0.003Pa?s;

純鐵液1600℃時(shí)黏度為0.0005Pa?s。

2021/5/971

影響鋼液黏度因素主要是溫度和成分。溫度升高，黏度降低。鋼液中的碳對黏度的影響非常大，這主要是因?yàn)樘己渴逛摰拿芏群腿埸c(diǎn)發(fā)生變化，從而引起黏度的變化。生產(chǎn)實(shí)踐也表明，同一溫度下，高碳鋼的流動(dòng)性比低碳鋼鋼液的好。因此，一般在冶煉低碳鋼中，溫度要控制得略高一些。碳含量對鋼液黏度的影響見圖2-1。2021/5/972

溫度高于液相線50℃時(shí)，碳含量對鋼液黏度的影響

2021/5/973當(dāng)[%C]<0.15時(shí)，黏度隨著碳含量的增加而大幅度下降，主要原因是鋼的密度隨碳含量的增加而降低；當(dāng)0.15≤[%C]＜0.40時(shí)，黏度隨碳含量的增加而增加，原因是此時(shí)鋼液中同時(shí)存在δ-Fe和γ-Fe兩種結(jié)構(gòu)，密度是隨碳含量的增加而增加，而且鋼液中生成的Fe3C體積較大；當(dāng)[%C]≥0.40時(shí)，鋼液的結(jié)構(gòu)近似于γ-Fe排列，鋼液密度下降，鋼的熔點(diǎn)也下降，故鋼液的黏度隨著碳含量的增加繼續(xù)下降。2021/5/974Si、Mn、Ni使鋼的熔點(diǎn)降低，Si、Mn、Ni含量增加，鋼液黏度降低，尤其含量很高時(shí)，降低更顯著。但Ti、W、V、Mo、Cr含量增加則使鋼液的黏度增加，這些元素易生成高熔點(diǎn)、體積大的各種碳化物。2021/5/975鋼液中非金屬夾雜物含量增加，鋼液黏度增加，流動(dòng)性變差。初期脫氧產(chǎn)物生成，夾雜物含量高，黏度增大，夾雜物不斷上浮或形成低熔點(diǎn)夾雜物，黏度又下降。脫氧不良，鋼液流動(dòng)性一般不好。常用流動(dòng)性來表示鋼液的黏稠狀況，黏度的倒數(shù)即為流體的流動(dòng)性。2021/5/976

鋼液的表面張力

鋼液因原子或分子間距非常小，其間的吸引力較強(qiáng)，而且鋼液表面層和內(nèi)部所引起的這種吸引力的變化是不同的。內(nèi)部每一質(zhì)點(diǎn)所受到的吸引力的合力等于零，質(zhì)點(diǎn)保持平衡狀態(tài)；而表面層質(zhì)點(diǎn)受內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的吸引力大于氣體分子對表面層質(zhì)點(diǎn)的吸引力，這樣表面層質(zhì)點(diǎn)所受的吸引力不等于零，且方向指向鋼液內(nèi)部。2021/5/977這種使鋼液表面產(chǎn)生自發(fā)縮小傾向的力稱為鋼液的表面張力，用符號(hào)σ表示，單位為N/m。實(shí)際上，鋼液的表面張力就是指鋼液和它的飽和蒸氣或空氣界面之間的一種力。2021/5/978鋼液的表面張力對新相的生成如CO氣泡的產(chǎn)生，鋼液凝固過程中結(jié)晶核心的形成等有影響;

對相間反應(yīng)，如脫氧產(chǎn)物的、夾雜物和氣體從鋼液中排除，渣鋼分離，鋼液對耐火材料的侵蝕等也有影響。影響鋼液表面張力的因素很多，但主要有溫度、鋼液成分及鋼液的接觸物。

2021/5/979鋼液的表面張力是隨著溫度的升高而增大，原因之一是溫度升高時(shí)表面活性物質(zhì)如C、O等熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，使鋼液表面過剩濃度減少或濃度均勻化，從而引起表面張力增大。1550℃時(shí)，純鐵液的表面張力約為1.7～1.9N/m。溶質(zhì)元素對純鐵液表面張力的影響程度取決于它的性質(zhì)與鐵的差別的大小。

2021/5/980合金元素對熔鐵表面張力的影響

2021/5/981硫和氧對鐵液表面張力的影響

2021/5/982液相線以上50℃，碳對鐵碳熔體表面張力的影響

2021/5/983

鋼的導(dǎo)熱能力

鋼的導(dǎo)熱能力可用導(dǎo)熱系數(shù)來表示，即當(dāng)體系內(nèi)維持單位溫度梯度時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)單位面積的熱量。鋼的導(dǎo)熱系數(shù)用符號(hào)λ表示，單位為W/（m·℃）。影響鋼導(dǎo)熱系數(shù)的因素主要有鋼液的成分、組織、溫度、非金屬夾雜物含量以及鋼中晶粒的細(xì)化程度等。

2021/5/984通常鋼中合金元素越多，鋼的導(dǎo)熱能力就越低。各種合金元素對鋼的導(dǎo)熱能力影響的次序?yàn)椋篊、Ni、Cr最大，Al、Si、Mn、W次之，Zr最小。合金鋼的導(dǎo)熱能力一般比碳鋼差，高碳鋼的導(dǎo)熱能力比低碳鋼差。具有珠光體、鐵素體和馬氏體組織的鋼，導(dǎo)熱能力加熱時(shí)都降低，但在臨界點(diǎn)AC3以上加熱將增加。各種鋼的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化規(guī)律不一樣，800℃以下碳鋼隨溫度的升高而下降，800℃以上則略有升高。

2021/5/985導(dǎo)熱系數(shù)與碳含量的關(guān)系

2021/5/986溫度對鋼導(dǎo)熱系數(shù)的影響2021/5/9872.2熔渣的物理化學(xué)性質(zhì)

煉好鋼首先要煉好渣，所有煉鋼任務(wù)的完成幾乎都與熔渣有關(guān)。熔渣的結(jié)構(gòu)決定著熔渣的物理化學(xué)性質(zhì)，而熔渣的物理化學(xué)性質(zhì)又影響著煉鋼的化學(xué)反應(yīng)平衡及反應(yīng)速率。因此，在煉鋼過程中必須控制和調(diào)整好爐內(nèi)熔渣的物理化學(xué)性質(zhì)。

2021/5/9882.2.1熔渣的作用、來源、分類與組成

去除鐵水和鋼水中的磷、硫等有害元素，同時(shí)能將鐵和其他有用元素的損失控制最低；保護(hù)鋼液不過度氧化、不吸收有害氣體、保溫、減少有益元素?zé)龘p；防止熱量散失，以保證鋼的冶煉溫度；吸收鋼液中上浮的夾雜物及反應(yīng)產(chǎn)物。

2021/5/989熔渣在煉鋼過程也有不利作用:

侵蝕耐火材料，降低爐襯壽命，特別是低堿度熔渣對爐襯的侵蝕更為嚴(yán)重；熔渣中夾帶小顆粒金屬及未被還原的金屬氧化物，降低了金屬的回收率。

造好渣是煉鋼的重要條件，造出成分合適、溫度適當(dāng)并具有適宜于某種精煉目的的爐渣，發(fā)揮其積極作用，抑制其不利作用。

2021/5/990熔渣的來源

煉鋼過程有目的加入的造渣材料，如石灰、石灰石、螢石、硅石、鐵礬土及火磚塊。鋼鐵材料中Si、Mn、P、Fe等元素的氧化產(chǎn)物。冶煉過程被侵蝕的爐襯耐火材料。2021/5/991熔渣的分類與組成

不同煉鋼方法采用不同的渣系進(jìn)行冶煉，造不同成分的爐渣，可達(dá)到不同的冶煉目的。轉(zhuǎn)爐煉鋼造堿性氧化渣，而電爐煉鋼造堿性還原渣，它們在物理化學(xué)性質(zhì)和冶金反應(yīng)特點(diǎn)上有明顯的差別。

堿性氧化渣因堿性氧化物CaO和FeO含量較高，具有脫磷、脫硫能力，堿性還原渣因含有CaC2，不僅具有脫硫能力，而且有脫氧能力。

2021/5/992轉(zhuǎn)爐和電爐的爐渣成分和性質(zhì)

類別化學(xué)成分轉(zhuǎn)爐中組成%電爐中組成%冶金反應(yīng)特點(diǎn)酸性氧化渣CaO+FeO+MnOSiO2P2O550501－45050[C],[Si],[Mn]氧化緩慢不能脫P(yáng)、脫S；鋼水中[O]較低堿性氧化渣CaO/SiO2CaOFeOMnOMgO3.0－4.535－557－302－82－122.5－3.540-5010-255-105-10[C],[Si],[Mn]迅速氧化能較好脫P(yáng)；能脫去50%的S；鋼水中[O]較高。堿性還原渣（白渣）CaO/SiO2CaOCaF2Al2O3FeOMgOCaC22.0-3.550-555-82-3<0.5<10<1脫S能力強(qiáng)；脫氧能力強(qiáng)；鋼水易增碳鋼水易回磷鋼水中[H]增加鋼水中[N]增加2021/5/9932.2.2熔渣的化學(xué)性質(zhì)熔渣的堿度

熔渣中堿性氧化物濃度總和與酸性氧化物濃度總和之比稱之為熔渣堿度，常用符號(hào)R表示。熔渣堿度的大小直接對渣鋼間的物理化學(xué)反應(yīng)如脫磷、脫硫、去氣等產(chǎn)生影響。

2021/5/994爐料中w[P]<0.30%時(shí)

0.30%≤w[P]＜0.60%時(shí)

2021/5/995熔渣R<1.0時(shí)為酸性渣，由于SiO2含量高，高溫下可拉成細(xì)絲，稱為長渣，冷卻后呈黑亮色玻璃狀。R>1.0為堿性渣，稱之短渣。煉鋼熔渣R≥3.0。煉鋼熔渣中含有不同數(shù)量的堿性、中性和酸性氧化物，它們酸、堿性的強(qiáng)弱可排列如下：CaO＞MnO＞FeO＞MgO＞CaF2＞Fe2O3＞Al2O3＞TiO2＞SiO2＞P2O5

堿性

中性酸性

2021/5/996

可用過剩堿的概念來表示熔渣的堿度，即堿性氧化物全都是等價(jià)地確定出酸性氧化物對堿性氧化物的強(qiáng)度，并假定兩者是按比例結(jié)合，結(jié)合以外的堿性氧化物的量為過剩堿，表示方法如下:

過剩堿=NCaO＋NMgO＋NMnO－2NSiO2－3NP2O5

－NFe2O3－NAl2O3

實(shí)際上上式是用O2-的摩爾數(shù)來表示熔渣的堿度，堿性氧化物離解產(chǎn)生O2-

，酸性氧化物則消耗O2-

。如：SiO2與2O2-結(jié)合成SiO44-，P2O5

與3O2-結(jié)合成2PO43-。

2021/5/997熔渣的氧化性

熔渣的氧化性也稱熔渣的氧化能力，它是熔渣的一個(gè)重要的化學(xué)性質(zhì)。熔渣的氧化性是指在一定的溫度下，單位時(shí)間內(nèi)熔渣向鋼液供氧的數(shù)量。在其他一定的情況下，熔渣的氧化性決定了脫磷、脫碳以及夾雜物的去除等。由于氧化物分解后不同，只有(FeO)和(Fe2O3)才能向鋼中傳氧，而(Al2O3)、(SiO2)、(MgO)、(CaO)等不能傳氧。

2021/5/998

熔渣的氧化性通常是用∑(%FeO)

表示，包括（FeO）本身和Fe2O3折合成（FeO）兩部分。將Fe2O3折合成FeO有兩種方法：

全氧折合法：

全鐵折合法：

2021/5/999通常按全鐵法將Fe2O3折算成FeO，原因是取出的渣樣在冷卻的過程中，渣樣表面的低價(jià)鐵有一部分被空氣氧化成高價(jià)鐵，即FeO氧化成Fe3O4，因而使分析得出的Fe2O3量偏高，用全鐵法折算，可抵消此誤差。2021/5/9100

(*)

在1600℃下，由實(shí)驗(yàn)測定在純FeO渣中，金屬鐵液中溶解的。

[%O]飽和與溫度間有著下列關(guān)系：

熔渣的氧化性用氧化鐵的活度來表示顯得更精確。部分氧化鐵會(huì)以復(fù)雜分子形式存在，不能直接參與反應(yīng)，氧化鐵的濃度反映不出實(shí)際參加反應(yīng)的有效濃度。2021/5/9101

設(shè)

L0就是氧在渣鐵間的平衡分配系數(shù)。在一定溫度下，熔渣中aFeO升高，鐵液中[%O]含量也相應(yīng)增高;當(dāng)aFeO一定時(shí)，鐵液中[%O]也是隨著溫度升高而提高。

2021/5/9102

式（*）只適用于鐵液中除氧外而無其他的雜質(zhì)元素的情況，對于鋼液而言，熔渣對鋼液的氧化能力用鋼液中與熔渣相平衡的氧含量和鋼液中實(shí)際氧含量之差來表示，即：

△[%O]>0，渣中氧能向鋼液擴(kuò)散，稱氧化渣；

△[%O]<0，鋼液中的氧向渣中轉(zhuǎn)移，熔渣具有脫氧能力，稱為還原渣;△[%O]=0，此時(shí)的渣稱為中性渣。2021/5/9103

[%O]實(shí)在氧化末期主要與碳含量有關(guān)，可以得出以下關(guān)系式:

即△[%O]是熔渣FeO的總量、堿度、鋼液中的碳含量及溫度的函數(shù)。2021/5/9104從1600℃多元系爐渣FeO等活度圖可以看出，當(dāng)熔渣堿度CaO／SiO2=2.0時(shí)，aFeO最大，熔渣的氧化性最強(qiáng)。

CaO／SiO2比值過高或過低，都會(huì)使aFeO下降，即降低熔渣的氧化性。2021/5/9105從分子理論看，當(dāng)CaO／SiO2＜2.0時(shí)，aFeO隨堿度的增加而增大。堿度增加，渣中CaO含量增加，CaO將取代硅酸鐵（FeO·SiO2）中FeO，aFeO增加；

CaO／SiO2＞2.0，aFeO隨堿度增加而降低，堿度的增加，渣中CaO含量增多，除和SiO2結(jié)合消耗一部分CaO外，多余的CaO將與Fe2O3結(jié)合生成鐵酸鈣（CaO·Fe2O3），使aFeO降低。2021/5/9106

從離子理論來看，熔渣中aFeO有下列關(guān)系

堿度較低的熔渣中，O2-濃度比較低，aFeO也比較低，隨著堿度的增加，O2-濃度增加，因而aFeO增大。當(dāng)繼續(xù)提高堿度時(shí)，則生成鐵酸根離子:

表明Fe2+和O2-的濃度都降低，使aFeO下降。

2021/5/9107當(dāng)渣中∑(%FeO)一定時(shí)，堿度低時(shí)，aFeO隨溫度的升高而略有減少；堿度低時(shí)，溫度對aFeO幾乎沒有影響；在堿度較高時(shí)（CaO/SiO2>1.4），aFeO隨溫度的升高而減少;從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)看，當(dāng)熔渣堿度和∑(%FeO)濃度一定時(shí)，溫度越高，則熔渣的流動(dòng)性越好，熔渣中（FeO）反應(yīng)能力增強(qiáng)，熔渣的氧化性增強(qiáng)。2021/5/9108

熔渣氧化性在煉鋼過程中的作用體現(xiàn)在對熔渣自身、對鋼水和對煉鋼操作工藝影響三個(gè)方面。影響化渣速度，渣中FeO能促進(jìn)石灰溶解，加速化渣，改善煉鋼反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件，加速傳質(zhì)過程；影響熔渣粘度，渣中Fe2O3和堿性氧化物反應(yīng)生成鐵酸鹽，降低熔渣熔點(diǎn)和粘度，避免煉鋼渣“返干”；影響熔渣向熔池傳氧。2021/5/9109影響鋼水含氧量[O]，低碳鋼水含氧量明顯受熔渣氧化性的影響，當(dāng)鋼水含碳量相同時(shí)，熔渣氧化性強(qiáng)，則鋼水含氧量高；影響鋼水脫磷，熔渣氧化性強(qiáng)，有利于脫磷。影響鐵合金收得率，氧化性強(qiáng)，降低鐵合金收得率；影響爐襯壽命，熔渣氧化性強(qiáng)，爐襯壽命降低；影響金屬收得率，熔渣氧化性越強(qiáng)，金屬收得率越低。

2021/5/91102.2.3熔渣的物理性質(zhì)

煉鋼過程要求熔渣的熔點(diǎn)低于所煉鋼的熔點(diǎn)50℃-200℃。除FeO和CaF2外，其他簡單氧化物的熔點(diǎn)都很高，它們在煉鋼溫度下難以單獨(dú)形成熔渣，實(shí)際上它們是形成多種低熔點(diǎn)的復(fù)雜化合物。熔渣的熔化溫度是固態(tài)渣完全轉(zhuǎn)化為均勻液態(tài)時(shí)的溫度；同理，液態(tài)熔渣開始析出固體成分時(shí)的溫度為熔渣的凝固溫度。熔渣的熔化溫度與熔渣的成分有關(guān)，一般說來，熔渣中高熔點(diǎn)組元越多，熔化溫度越高。

2021/5/9111熔渣中常見的氧化物的熔點(diǎn)

化合物熔點(diǎn)/℃化合物熔點(diǎn)/℃CaO2600MgO.SiO21557MgO28002MgO.SiO21890SiO21713CaO.MgO.SiO21390FeO13703CaO.MgO.2SiO21550Fe2O314572CaO.MgO.2SiO21450MnO17832FeO.SiO21205Al2O32050MnO.SiO21285CaF214182MnO.SiO21345CaO.SiO21550CaO.MnO.SiO2>17002CaO.SiO221303CaO.P2O518003CaO.SiO2>2065CaO.Fe2O312203CaO.2SiO214852CaO.Fe2O31420CaO.FeO.SiO21205CaO.2Fe2O31240Fe2O3.SiO21217CaO.2FeO.SiO21205MgO.Al2O32135CaO.CaF214002021/5/91122.熔渣的黏度

黏度是熔渣重要的物理性質(zhì)，對元素的擴(kuò)散、渣鋼間反應(yīng)、氣體逸出、熱量傳遞，鐵損及爐襯壽命等均有很大的影響。影響熔渣黏度的因素主要有：熔渣的成分，熔渣中的固體熔點(diǎn)，溫度。一般來講，在一定的溫度下，凡是能降低熔渣熔點(diǎn)成分，在一定范圍內(nèi)增加其濃度，可使熔渣黏度降低；反之,則使熔渣黏度增大。在酸性渣中提高SiO2含量時(shí)，導(dǎo)致熔渣黏度升高；相反，在酸性渣中提高CaO含量，會(huì)使黏度降低。

2021/5/9113堿性渣中，CaO超過40-50%后，黏度隨CaO增加。SiO2在一定范圍內(nèi)增加，能降低堿性渣的黏度，但SiO2含量超過一定值形成2CaO·SiO2時(shí)，則使熔渣變稠，原因是2CaO·SiO2的熔點(diǎn)高達(dá)2130℃。FeO(熔點(diǎn)1370℃)和Fe2O3(1457℃)有明顯降低渣熔點(diǎn)的作用，增加FeO含量，渣黏度顯著降低。MgO

在堿性渣中對黏度影響很大，當(dāng)MgO濃度超過9%-10%時(shí)，會(huì)破壞渣的均勻性，使熔渣變黏。Al2O3能降低渣的熔點(diǎn)，從而具有稀釋堿性渣的作用。CaF2本身熔點(diǎn)較低，它能降低熔渣的黏度。2021/5/9114煉鋼過程中，希望造渣材料完全溶解，形成均勻相的熔渣。但實(shí)際上爐渣中往往懸浮著石灰顆粒，MgO質(zhì)顆粒，熔渣自身析出的2CaO·SiO2、3CaO·P2O5固體顆粒以及Cr2O3等。這些固體顆粒的狀態(tài)對熔渣的黏度產(chǎn)生不同影響。少量尺寸大的顆粒（直徑達(dá)幾毫米），對熔渣黏度影響不大，尺寸較?。?0-3-10-2mm）數(shù)量多的固體顆粒呈乳濁液狀態(tài)，使熔渣黏度增加。

2021/5/9115對酸性渣，溫度升高，聚合的Si-O離子鍵易破壞，黏度下降；對堿性渣而言，溫度升高，有利于消除沒有熔化的固體顆粒，因而黏度下降，總之，溫度升高，熔渣的黏度降低。

1600℃煉鋼溫度下，熔渣黏度在0.02-0.1Pa·s之間。2021/5/9116熔渣和鋼水的黏度

物質(zhì)溫度（℃）黏度（Pa·s）水250.00089鐵水14250.0015鋼水15950.0025稀熔渣15950.0020黏度中等渣15950.020稠熔渣15950.20FeO14000.030CaO接近熔點(diǎn)<0.050SiO219421.5×104Al2O321000.052021/5/91173.熔渣的密度

熔渣的密度決定熔渣所占據(jù)的體積大小及鋼液液滴在渣中的沉降速度。固體爐渣的密度可近似用下式計(jì)算：

ρi為各化合物的密度；wi為渣中各化合物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%。

2021/5/9118熔渣中化合物的密度

化合物密度化合物密度化合物密度Al2O33.97MnO5.40V2O34.87Na2O2.27P2O52.39ZrO25.56CaO3.32Fe2O35.20CaF22.80CeO27.13FeO5.90FeS4.58Cr2O35.21SiO22.32CaS2.80MgO3.50TiO24.242021/5/91191400℃時(shí)熔渣的密度與組成的關(guān)系：

熔渣的溫度高于1400℃時(shí),可表示為:

一般液態(tài)堿性渣的密度為3.0g/cm3，固態(tài)堿性渣的密度為3.5g/cm3，F(xiàn)eO＞40%的高氧化性的密度為4.0g/cm3，酸性渣的密度一般為3.0g/cm3。

2021/5/91204.熔渣的表面張力熔渣的表面張力主要影響渣鋼間的物化反應(yīng)及熔渣對夾雜物的吸附等。熔渣的表面張力普遍低于鋼液，電爐熔渣的表面張力一般高于轉(zhuǎn)爐。

氧化渣（35%～45%CaO，10%～20%SiO2，3%～7%Al2O3，8%～30%FeO，2%～8%P2O5，4%～10%MnO，

7%～15%MgO）的表面張力為0.35～0.45N/m；

還原渣（55%～60%CaO，20%SiO2，2%～5%Al2O3，8%～10%MgO，4%～8%CaF2）的表面張力為0.35～0.45N/m；

2021/5/9121

鋼包處理的合成渣（55%CaO，20%～40%Al2O3，2%～15%SiO2，2%～10%MgO）的表面張力為0.4～0.5N/m。

影響熔渣表面張力的因素有溫度和成分。熔渣的表面張力一般是隨著溫度的升高而降低，但高溫冶煉時(shí)，溫度的變化范圍較小，因而影響也就不明顯。

SiO2和P2O5具有降低FeO熔體表面張力的功能，而Al2O3則相反。CaO一開始能降低熔渣的表面張力，但后來則是起到提高的作用，原因是復(fù)合陰離子在相界面的吸附量發(fā)生了變化。MnO的作用與CaO類似。2021/5/9122不同熔體的表面張力

熔體測定溫度℃表面張力N/m熔體測定溫度

℃表面張力N/mCaOFeOAl2O3SiO2P2O5MnO·SiO2CaO·SiO21500140020501500400157015700.5860.5840.6900.2950.0540.4150.400熔渣鋼液(.3%C)純鐵液銅鎳鉛150015001550118314703270.3-0.8～1.51.7-1.91.1031.6150.4732021/5/9123可以用表面張力因子近似計(jì)算熔渣體系的表面張力，即

式中-熔渣的表面張力，N/m；

-熔渣組元的摩爾分?jǐn)?shù)；

-熔渣組元的表面張力因子2021/5/9124常見的各種氧化物表面張力因子

氧化物表面張力因子1300℃1400℃1500℃1600℃K2ONa2OCaOMnOFeOMgOSiO2Al2O3TiO2B2O3PbOZnOZrO20.1680.3080.03360.1400.5500.1530.2970.6140.6530.5840.5120.2850.6400.3800.9600.1400.5400.4700.5860.6410.5600.5020.2860.6300.6610.2230.448-0.6022021/5/91252.3硅、錳的氧化和還原反應(yīng)

煉鋼用的鋼鐵料含有硅、錳，對成品鋼，硅、錳的含量也有要求。因此，很有必要了解硅、錳在煉鋼過程中的氧化和還原規(guī)律。2021/5/91262.3.1硅的氧化和還原

[Si]+2[O]=(SiO2)，[Si]+2[O]=(SiO2)飽和

2021/5/9127

上式的反應(yīng)式表明，硅的氧化和還原反應(yīng)的影響因素有溫度、爐渣成分、金屬液成分和爐氣氧分壓。

◆溫度低有利于硅的氧化；

◆爐渣中降低SiO2的成分含量如增加CaO、FeO含量，有利于硅的氧化，爐渣氧化能力越強(qiáng)，越有利硅的氧化；

◆金屬液中增加硅元素含量，有利于硅的氧化；

◆爐氣氧分壓越高，越有利于硅的氧化。2021/5/9128硅氧化是用氧煉鋼的主要熱源之一。在轉(zhuǎn)爐吹煉初期，由于硅大量氧化，熔池溫度升高，進(jìn)入碳氧化期。在鋼液脫氧過程中，由于含硅脫氧劑的氧化，可補(bǔ)償一些鋼包的散熱損失?？傊?，硅的氧化有利于保持或提高鋼液的溫度。

硅氧化反應(yīng)受爐渣成分影響，同樣硅氧化反應(yīng)產(chǎn)物影響爐渣成分，如SiO2降低爐渣堿度，不利于鋼液脫磷、脫硫，侵蝕爐襯耐火材料，降低爐渣氧化性，增加造渣消耗。

2021/5/9129

金屬液中硅氧化，使[Si]降低，從而影響金屬液中其它成分[C]、[Mn]、[P]、[S]等的活度及熱力學(xué)條件?？梢?，硅氧化反應(yīng)平衡是非穩(wěn)態(tài)。2021/5/91302.3.2錳的氧化和還原[Mn]+[O]=(MnO)[Mn[+（FeO）=(MnO)+[Fe]

2021/5/9131與硅的氧化和還原一樣，影響錳的氧化和還原反應(yīng)的因素有

◆溫度

◆爐渣成分

◆金屬液成分

◆爐氣氧分壓。2021/5/9132溫度低有利于錳的氧化；爐渣堿度高，使(MnO)的活度提高，在大多數(shù)情況下，（MnO）基本以游離態(tài)存在；如果a(MnO)>1.0，則不利于錳的氧化。爐渣氧化性強(qiáng)，則有利于錳的氧化；能增加Mn元素活度的元素，其含量增加，有利于錳的氧化；爐氣氧分壓越高，越有利于錳的氧化。2021/5/9133在堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，當(dāng)脫碳反應(yīng)激烈進(jìn)行時(shí)，爐渣中(FeO)大量減少，溫度升高，這樣使鋼液中[Mn]回升，這就是產(chǎn)生所謂的錳還原。在酸性渣中，錳的氧化較為完全。錳的氧化也是吹氧煉鋼熱源之一，但不是主要的。在轉(zhuǎn)爐吹煉初期，錳氧化生成MnO可幫助化渣，并減輕初期渣中SiO2對爐襯耐火材料的侵蝕。在煉鋼過程中，應(yīng)盡量控制錳的氧化，以提高鋼水殘（余）錳量，發(fā)揮殘錳的作用。

2021/5/9134鋼液中殘[Mn]的作用:

◆防止鋼水的過氧化，或避免鋼水中含過多的過剩氧，以提高脫氧合金的收得率，降低鋼中氧化物夾雜；◆可作為鋼液溫度高低的標(biāo)態(tài)，爐溫高有利于（MnO）的還原，殘錳含量高；◆能確定脫氧后鋼水的含錳量達(dá)到所煉鋼種的規(guī)格，并節(jié)約Fe-Mn用量。2021/5/91352.4碳氧化反應(yīng)

碳氧化反應(yīng)是煉鋼過程中極其重要的反應(yīng)，煉鋼過程中的碳氧反應(yīng)不僅完成脫碳任務(wù)，而且還具有以下作用：

◆加大鋼—渣界面，加速反應(yīng)的進(jìn)行；

◆均勻熔池中成分和溫度；

◆有利于熔渣的形成；

◆有利于非金屬夾雜的上浮和有害氣體的排出；

◆放熱升溫。2021/5/9136碳氧反應(yīng)的三種基本形式:

在吹氧煉鋼過程中，金屬液中的一部分碳在反應(yīng)區(qū)被氣體氧化，一部分碳與溶解在金屬液中氧進(jìn)行氧化反應(yīng)，還有一部分碳與爐渣中(FeO)反應(yīng)，生成CO。2021/5/9137

溫度一定，KP是定值，若令m=[%C]·[%O]，fC.fO=1，則,1600℃時(shí)，KP=400，m=0.0025，m

即為碳氧濃度積。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，m為一常數(shù).

2021/5/9138常壓下碳氧濃度之間的關(guān)系

2021/5/9139

實(shí)際上m不是真正的平衡，因?yàn)樘己脱醯臐舛炔⒉坏扔谒鼈兊幕疃?。只有?dāng)[%C]→0時(shí)，fC.fO=1，此時(shí)m才接近平衡態(tài)。

[%C]提高時(shí)，因fC.fO減小，m值增加：

[%C]=1時(shí)，m=0.0036，

[%C]=2時(shí)，m=0.0064。

2021/5/9140

由于碳氧反應(yīng)是放熱反應(yīng)，因此，隨溫度升高，m值升高，曲線向右角移動(dòng)。由于在煉鋼過程中存在著[Fe]+[O]=[FeO]，鋼中實(shí)際氧含量比碳氧平衡時(shí)氧含量高。如果與（FeO）平衡的氧含量記作w[O],FeO，則鋼中氧含量高于C-O平衡的氧，但低于w[O],FeO

。2021/5/9141

將煉鋼熔池中實(shí)際的含氧量與碳氧平衡的理論含氧量之間的差距，稱之為過剩氧。出現(xiàn)過剩氧,m值高于理論值的原因：

◆與脫碳速度有關(guān)，脫碳速度大，過剩氧小;

◆理論含氧量的條件為Pco=1atm，而實(shí)際爐中Pco大于或小于1atm。如LD爐Pco約為1.2atm，而頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐中

Pco約為0.7atm。

◆含碳量處于低碳時(shí)，[%O]實(shí)還受aFeO和溫度的影響。當(dāng)鋼水中含碳量一定時(shí)，含氧量隨溫度的增加而略有增加。2021/5/9142如果熔池中脫碳反應(yīng)是[C]+[O]=CO，用下式計(jì)算熔池中的氧，即與CO氣泡相平衡的濃度：氣泡中CO分壓后可近似等于外界壓力，可用下式計(jì)算：2021/5/9143熔體和爐渣相平衡時(shí)，[%O]取決于爐渣中的aFeO和分配常數(shù)LFeO，可表示為：

(%FeO)-渣中氧化鐵的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；

fFeO-渣中氧化鐵的活度系數(shù)；

LFeO-分配系數(shù)，

[%O]飽和-純氧化鐵渣在鐵中的最大溶解度，1600℃時(shí)為0.23。2021/5/9144若熔體中氧的平衡濃度為已知，則可以用下式來計(jì)算渣與鋼間的濃度差：2021/5/9145脫碳速率的確定

根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)氧的消耗來確立脫碳速率的計(jì)算式。單位時(shí)間內(nèi)氧的消耗與供氧速度vO2、碳含量[%C]、氧含量[%O]以及渣中的氧量（%O）存在著以下關(guān)系：

忽略過剩氧△[O]的變化，熔體中氧含量的變化值可確定:2021/5/9146

在dt時(shí)間內(nèi)渣中氧的變化值與(FeO)、QS之間存在以下關(guān)系式：

Qs為渣量與金屬質(zhì)量之比；而[%O]=（%FeO）·fFeO·LFeO

則2021/5/9147將d[%O]和d(%O)的表達(dá)式帶入氧量平衡式可得

2021/5/9148

上述的脫碳速率方程只適用含碳比較高的情形，氧向熔池中的傳輸速度是控制性環(huán)節(jié)，但隨著脫碳進(jìn)行，機(jī)理將逐漸發(fā)生改變，當(dāng)碳降到0.2%-0.4%時(shí)，脫碳速率受[C]由鋼液內(nèi)到達(dá)反應(yīng)界面的傳質(zhì)所控制：式中kc為碳的傳質(zhì)系數(shù)，頂吹氧時(shí)約為0.015s-1，底吹氧時(shí)為0.017s-1。2021/5/91492.5鋼液的脫磷

磷在鋼中是以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在，為方便起見，均用[P]表示。煉鋼過程的脫磷反應(yīng)是在金屬液與熔渣界面進(jìn)行的，首先是[P]被氧化成（P2O5），而后與（CaO）結(jié)合成穩(wěn)定的磷酸鈣，其反應(yīng)式可表示為：

2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3CaO·P2O5)+5[Fe]

2021/5/9150

從CaO-P2O5相圖中可以看出3CaO·P2O5為最穩(wěn)定，4CaO·P2O5次之?？梢哉J(rèn)為存在于堿性渣中的應(yīng)是3CaO·P2O5

。由于3CaO·P2O5和4CaO·P2O5的反應(yīng)生成自由能值很相近，在熱力學(xué)分析時(shí)，有兩種磷酸鹽得出的結(jié)論基本上是一致的。在實(shí)驗(yàn)室條件下，達(dá)到平衡時(shí)的反應(yīng)產(chǎn)物通常是4CaO·P2O5

。2021/5/9151脫磷反應(yīng)平衡常數(shù)可表示為:

2021/5/91522021/5/9153

表示的是爐渣中某成分的摩爾分?jǐn)?shù)。將[%P]，[%O]分別代替、,可得2021/5/9154磷的分配系數(shù)

LP主要取決于熔渣成分和溫度。不管LP采用何種表達(dá)，均表明了熔渣的脫磷能力，LP越大說明脫磷能力越強(qiáng)，脫磷越完全。2021/5/9155Wagner的爐渣磷容

2[P]+5[O]+3(O2-)=2(PO43-)2021/5/9156

取樣分析爐渣和鋼水中的含磷量，可得到LP，應(yīng)用氧濃度電池直接測定a[O]，再根據(jù)鋼水成分和相互作用系數(shù)，可求出f[P]，從而最終得到CP，這樣就簡化了熱力學(xué)的計(jì)算，用CP進(jìn)行定量討論。因此，CP也可以理解為爐渣容納磷的能力。2021/5/9157影響脫磷反應(yīng)的因素

煉鋼溫度的影響。脫磷反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，如熔池溫度降低，脫磷反應(yīng)的平衡常數(shù)KP增大，LP增大，因此，從熱力學(xué)觀點(diǎn)，低溫脫磷比較有利。但是，低溫不利于獲得流動(dòng)性良好的高堿度爐渣。2021/5/9158爐渣成分的影響。主要表現(xiàn)為爐渣堿度和爐渣氧化性的影響。P2O5屬于酸性氧化物，CaO、MgO等堿性氧化物能降低它的活度，堿度越高，渣中CaO的有效濃度越高，LP越大，脫磷越完全。但是，堿度并非越高越好，加入過多的石灰，化渣不好，爐渣變粘，影響流動(dòng)性，對脫磷反而不利。

2021/5/9159終點(diǎn)熔渣堿度與[P]的關(guān)系

2021/5/9160

熔渣中(FeO)含量對脫磷反應(yīng)具有重要作用，渣中(FeO)是脫磷的首要因素。因?yàn)榱资紫妊趸蒔2O5，然后再與CaO作用生成3CaO·P2O5或4CaO·P2O5。作為磷的氧化劑，(FeO)可增大aFeO，而作為堿性氧化物可降低γP2O5，因此，隨著爐渣(FeO)含量增加，LP增大，促進(jìn)了脫磷，但作為爐渣中的堿性氧化物(FeO)脫磷能力遠(yuǎn)不及(CaO)，當(dāng)爐渣中的(FeO)含量高到一定程度后，相當(dāng)于稀釋了爐渣中(CaO)的濃度，這樣會(huì)使?fàn)t渣的脫磷能力下