第三章++炼钢生产的理论基础.ppt

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炼钢生产的理论基础,3.1,炼钢熔体的结构和性质,3.2,钢液中元素氧化反应的一般规律,3.3,硅、锰的氧化反应,3.4,钢液的脱碳,3.5,钢液的脱磷,3.6,钢液的脱硫,3.7,其它元素的氧化,3.8,钢液的脱氧和合金化,3.9,钢中的气体和非金属夹杂物,3.10,钢液搅拌,3.1,炼钢熔体的结构和性质,一、钢液的密度,单位体积钢液所具有的质量，常用符号,表示，单位通常用,kg/m,3,。影响钢液密度的因素主要有温度和钢液的化学成分。,总的来讲，温度升高，钢液密度降低，原因在于原子间距增大。固体纯,铁密度为,7880kg/m,3,，,1550,时液态的密度为,7040kg/m,3,，钢的变化与纯铁类似。,钢液密度随温度的变化,：,=8523-0.8358(T+273),成分对钢液密度的影响,：,1600,=,0,1600,-210%C-164%Al-,60%Si-550%Cr-7.5%Mn,+43%W+6%Ni,钢液的密度,C,（,%,）,密度,1500,1550,1600,1650,1700,0.00,0.10,0.20,0.30,0.40,0.60,0.80,1.00,1.20,1.60,7.46,6.98,7.06,7.14,7.14,6.97,6.86,6.78,6.72,6.67,7.04,6.96,7.01,7.06,7.05,6.89,6.78,6.70,6.64,6.57,7.03,6.95,6.97,7.01,7.01,6.84,6.73,6.65,6.61,6.54,7.00,6.89,6.93,6.98,6.97,6.80,6.67,6.59,6.55,6.52,6.93,6.81,6.81,6.82,6.83,6.70,6.57,6.50,6.47,6.43,铁碳熔体的密度（,kg/m,3,）,二、钢的熔点,指钢完全转变成均一液体状态时的温度，或是冷凝时开始析出固体的温度。钢的熔点是确定冶炼和浇铸温度的重要参数，,纯铁的熔点约为,1538,，当某元素溶入后，纯铁原子之间的作用力减弱，铁的熔点就降低。降低的程度取决于加入元素的浓度、原子量和凝固时该元素在熔体与析出的固体之间的分配。,3.1,炼钢熔体的结构和性质,各元素使,纯铁熔点的降低,可表示为：,M,i,为溶质元素,i,的原子量；,%i,液为元素,i,在液态铁中的质量百分数；,K,为分配系数，而,K=%i,固,/%i,液,，（,1-K,）则,称为偏析系数。,计算钢的,熔点经验式,：,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,计算钢的,熔点经验式,：,三、钢液的黏度,黏度是钢液的一个重要性质，它对冶炼温度参数的制定、元素的扩散、非金属夹杂物的上浮和气体的去除以及钢的凝固结晶都有很大影响。,黏度是指各种不同速度运动的液体各层之间所产生的内摩擦力。通常将内摩擦系数或黏度系数称为黏度。,3.1,炼钢熔体的结构和性质,黏,度表示形式,动力,黏,度,，用符号,表示；单位为,Pa,s,(N,s/m,2,，,1,泊,=0.1Pa,s),；,运动,黏,度,，常用符号,表示，即：,m,2,/s,钢液的,黏,度比正常熔渣的要小得多，,1600,时其值在,0.002,0.003Pa,s;,纯铁液,1600,时,黏,度为,0.0005Pa,s,。,影响钢液,粘,度因素主要是,温度,和,成分,。,温度升高，,粘,度降低,。钢液中的碳对,粘,度的影响非常大，这主要是因为,碳含量使钢的密度和熔点发生变化,，从而引起,粘,度的变化。,生产实践也表明，同一温度下，,高碳钢的流动性比低碳钢钢液的好,。因此，一般在冶炼低碳钢中，温度要控制得略高一些。碳含量对钢液,粘,度的影响见下图。,钢液的粘度,温度高于液相线,50,时，碳含量对钢液,粘,度的影响,当,%C1500,；以,3CaOP,2,O,5,存在。,1,）温度：脱磷反应是放热反应，低温有利于脱磷。,2,）高碱度：,R,，,a,CaO,3,）高氧化性,4,）大渣量,终点熔渣碱度与,P,的关系,终点熔渣（,TFe,）和,P,的关系,3.5,钢液的脱磷,R,FeO,%,L,P,2,、,P,和,C,的氧化关系,低温下，,P,先氧化，随温度的升高，,C,氧化，（,FeO,），会使炉渣变粘。,3,、熔渣中磷的还原,熔渣碱度降低，其中的,P,会发生还原，进入钢液，称为,“,回磷,”,。,加入硅铁，氧化形成的,SiO,2,进入炉渣，熔渣侵蚀包衬，均可使炉渣碱度降低。,3.5,钢液的脱磷,4,、还原脱磷,在还原条件下，磷可还原，生成,P,3-,：,1/2P,2(g),+,3/2(O,2-,)=(P,3-,)+3/4O,2,实现还原脱磷，需要很低的氧势或很高真空度，生产中很难实现。,目前采用,Ca-CaF,2,，,CaC,2,-CaF,2,渣系进行还原脱磷。,P,5+,P,3-,lgP,O2,lgP,3-,lgP,5+,%,3CaC,2,+2P=Ca,3,P,2,+6C,还原脱磷存在的问题,:,1,）,CaP,2,渣的处理很复杂，与水汽作用，产生,PH,3,剧毒气体；,2,）,C=0.5-1.8%,，脱,P,率；,C1.8%,，,CaC,2,分解困难，钢液有“增,C”,的可能。,3.6,钢液的脱硫,1,、炉渣脱硫反应,FeS,+,（,CaO,）,=,（,CaS,）,+,FeO,S+,（,O,2-,）,=,（,S,2-,）,+O,影响因素：,1,）,R,，,L,S,，且,Ca,2+,集中在,S,2-,周围，,r,s2-,2,）（,FeO,），,L,S,3,）,Si,、,C,，,f,S,，,L,S,；,S+Mn+(CaO,)=(,CaS)+(MnO,),发生共轭反应，进行沉淀脱硫。,4,）温度升高，,L,S,3.6,钢液的脱硫,2,、气化脱硫,转炉炼钢，气化脱硫占总脱硫量的,10-20%,。气化脱硫的主要反应：,S+O,2,=SO,2,但由于硫和氧的亲和力比碳、硅与氧的亲和力小的多，所以钢中有,C,、,Si,存在时，上面的气化反应很难发生。主要通过炉渣气化脱硫，即：,（,CaS,）,+3,（,Fe,2,O,3,）,=SO,2,+,（,CaO,）,+6,（,FeO,）,（,CaS,）,+3/2O,2,=SO,2,+,（,CaO,）,反应取决,r,s2-,和,P,o2,或,a,FeO,碱度升高，,r,s2-,，高碱度对气化脱硫不利；但对渣脱硫有利。,3.7,其它元素的氧化,1,、,Cr,1,）,Fe-O-Cr,系平衡,%Cr=0-3%Fe+2Cr+4OFeCr,2,O,4(s),%Cr=3-9%0.67Fe+2.33Cr+4OFe,0.67,Cr,2.33,O,4(s),%Cr9%3Cr+4OCr,3,O,4(S),2),不同渣系下,Cr,的氧化,酸性渣：,Cr+,（,FeO,）（,CrO,）,+Fe,碱性渣：,2Cr+3,（,FeO,）（,Cr,2,O,3,）,+3Fe,3.7,其它元素的氧化,3,）,Cr,和,C,的选择氧化,去碳保铬的条件：,温度：,T,，,K,，,%Cr,P,CO,，加强脱碳；,a,c,，有,Ni,的存在，,f,c,，,%Cr,%Cr,，,%C,平,3.7,其它元素的氧化,2,、,V,选择氧化，去,V,保,C,T,，供氧强度，,L,V,3,、,Nb,与,V,一样，存在选择性氧化。,4/5Nb+2CO2/5,（,Nb,2,O,5,）,+2C,氧化顺序：,SiMnNb,提,Nb,：高炉还原炼钢氧化渣富集电炉还原,Nb,-Fe,3.7,其它元素的氧化,4,、,W,WO,3,是不稳定化合物，易为,Fe,还原。在碱性渣中，生成,CaOWO,3,，,r,WO3,，,L,W,3.8,钢液的脱氧和合金化,1,、脱氧反应热力学,1,）脱氧常数及脱氧能力,K,，与,M,平衡的,O,M,的脱氧能力增强，,K,衡量元素的脱氧能力。,与氧结合的顺序：,Ce,Zr,AlTiBSiCV,Mn,Cr,脱氧常数,元素脱氧能力,1600,时各种元素脱氧能力,1600,时，钢水中的脱氧元素,Al,和,Ti,含量若均为,0.01,时，与,Al,相平衡的氧含量（,0.0005,）低于与,Ti,平衡的氧含量（,0.01,），说明,Al,比,Ti,的脱氧能力强。,3.8,钢液的脱氧和合金化,2,）脱氧产物的组成及形态,脱氧产物的组成及形态是变化的，决定于元素的脱氧能力及用量。,如,Si,脱氧：,2FeO,SiO,2,2FeO,SiO,2,SiO,2,SiO,2,的加入量增加，产物的熔点提高。,生成复杂化合物，,a,MxOy,O,平,，脱氧能力,3,）脱氧产物的排出和钢中夹杂物,靠自身浮力排出，上浮速度由,Stokes,公式计算：,r,，,V,，有利于夹杂物排出,3.8,钢液的脱氧和合金化,增大,r,的方法,固体质点彼此凝聚,两液相质点的聚结,固体质点为液体质点所粘附或润湿,2,、,Mn,、,Si,、,Al,的脱氧,1,）,Mn,Mn,+,（,FeO,）,=,（,MnO,）,+Fe,FeO+MnO,形成液溶体或固溶体，,MnO/FeO,，,T,熔,，易形成固溶体。,Mn,的脱氧能力，随温度降低而增强（后期沸腾）。,2,）,Si Si+2O=SiO,2(S),K,Si,=%Si%O,2,温度，,K,Si,，,O,平,，也会后期沸腾,3.8,钢液的脱氧和合金化,3,）,Al 2Al+3O=Al,2,O,3(S),K,Al,=%Al,2,%O,3,Al,2,O,3,细小质点不易被钢液润湿，,Al,是强脱氧剂，可使钢液镇静，而,Si,、,Mn,不能使钢液镇静。,3,、复合脱氧,用两种或以上元素脱氧的过程。,复合脱氧提高各自的脱氧能力，易获得低熔点、易聚合的液相脱氧产物。,Si+2(MnO)=(SiO,2,)+2Mn,%,Mn,/%Si4,，可获得液态产物。,4,、熔渣脱氧（扩散脱氧）,(,FeO,),，,O,向渣中扩散脱除。渣中加入,Si-Fe,粉、,C,粉、,CaC,2,粉、,Al,粉、,Si-Ca,粉等，使,(,FeO,)=0.5-1.0%,。,3.8,钢液的脱氧和合金化,5,、脱氧剂用量的计算,6,、合金化,脱氧和合金化操作不能截然分开，而是紧密相联，合金化操作的关键问题是合金化元素的加入次序，一般的原则：,脱氧元素先加，合金化元素后加；,脱氧能力比较强，而且比较贵重的合金，应在钢水脱氧良好的情况下加入；,熔点高，不易氧化的元素，可加在炉内。,脱氧剂加入量,=,冶炼一般合金钢和低合金钢时，合金加入量的计算方法和脱氧剂基本相同，即,合金加入量,=,冶炼高合金钢时，合金加入量大，必须考虑加入的合金量对钢水重量和钢水终点成分的影响,。,3.8,钢液的脱氧和合金化,3.9,钢中的气体和非金属夹杂物,1.,钢液的真空处理反应,1),真空脱氧,C+O=CO%C%O=,Mp,co,2),真空脱硫,S+C+CaO,=,CaS+CO,S+Si,=,SiS,(g,),3),真空脱气,3.9,钢中的气体和非金属夹杂物,4),挥发性杂质的去除,Pb,、,Cu,、,As,、,Sn,、,Bi,等元素的挥发速度：,挥发组元的蒸汽压,挥发组元的,mol,质量,5),夹杂物的去除,(1),向相界面转移或依附气泡排出；,(2),夹杂物发生分解或,C,还原去除。,M,x,O,y,xM+y/2O,2,MxOy+yCxM+yCO,6),钢液和耐火材料的反应,在真空下，钢液中的,C,能还原与其接触的耐火材料。,2,、影响氢和氮在钢中溶解度的因素,气体在钢中的溶解度取决于温度、相变、金属成分以及与金属相平衡的气相中该气体的分压,:,1),氢和氮在液态纯铁中溶解度随温度升高而增加；,2),固态纯铁中气体的溶解度低于液态；,3),氮在固态纯铁中的溶解度随温度的升高降低，原因是,有氮化物析出。,4),在,910,发生,-Fe,向,-Fe,转变，,1400,时发生,-Fe,向,-Fe,转变，溶解度也发生突变。在奥氏体中因晶格,常数大能溶解更多的气体。,氢和氮分压为,100kPa,时在纯铁中的溶解度,3,、钢中非金属夹杂物的种类及其形态,1,）按夹杂物的化学成分分类,氧化物系夹杂物,简单氧化物,复杂氧化物,硅酸盐及硅酸盐玻璃,硫化物系夹杂物,FeS,、,MnS,、,(,Mn,、,Fe)S,和,CaS,等,氮化物,AlN,、,TiN,、,ZrN,、,VN,、,BN,、,Si,3,N,4,、,Fe,4,N,、,Fe,2,N,等,2,）按夹杂物的形态分类,塑性夹杂,FeS,、,MnS,、低熔点硅酸盐,脆性夹杂,Al,2,O,3,和尖晶石型、氮化物等高熔点、高硬度夹杂,不变形夹杂,SiO,2,、钙铝酸盐及高熔点硫化物,变形前后钢种夹杂物形态示意图,(a),塑性夹杂轧制后延伸成条状；,(b),半塑性夹杂在轧制过程中的变形情况；,(c),大颗粒脆性夹杂在轧制中的破碎情况；,(d),轧制中簇状的脆性夹杂呈链状；,(e),轧制条件下的不变形夹杂,3,、钢中非金属夹杂物的种类及其形态,3,）按夹杂物的来源分类,（,1,）外来夹杂物；（,2,）内生夹杂物,一次夹杂,二次夹杂,三次夹杂,4,）按夹杂物尺寸分类,亚显微夹杂（颗粒,1m,）,显微夹杂（,1100m,）,大型夹杂（,100m,）,4,、夹杂物对钢的性能的影响,1,）夹杂物和裂纹的形成及应力集中,（,1,）夹杂物与裂纹的形成,作为显微裂纹的发源地。,（,2,）夹杂物与应力集中,材料中有夹杂物的地方，则出现应力集中现象。,4,、夹杂物对钢的性能的影响,2,）夹杂物对钢的塑性和韧性的影响,（,1,）夹杂物与塑性,夹杂物对塑性的影响在,断面收缩率,上比在延伸率上表现得更显著。通常夹杂物对钢材的纵向塑性影响不大，而对,横向塑性的影响却较显著,。,（,2,）夹杂物与韧性,如果材料中有非金属夹杂物，则钢的韧性下降。,3,）夹杂物对钢的疲劳性能的影响,（,1,）夹杂物类型与疲劳寿命,线膨胀系数小于钢的夹杂，促进了疲劳裂纹的发生和发展。,（,2,）夹杂物的大小、分布与疲劳寿命,对于同一种类型的,A1,2,O,3,夹杂物来说，随其含量增加疲劳极限下降。当其他条件相同时，夹杂物颗粒越大，则不利的影响越大，多角形夹杂物的影响大于球状夹杂物的影响。,在表面或靠近表面存在的夹杂物，尺寸虽小但也有害。而在深部存在的夹杂物，超过一定临界尺寸才带来不利的影响。,（,3,）氧含量与疲劳寿命,氧化物夹杂的总量与钢中氧含量成正比。,4,、夹杂物对钢的性能的影响,4,）夹杂物对钢的加工性能的影响,（,1,）夹杂物对热加工性能的影响,使钢的热加工性能变坏。,（,2,）夹杂物对弯曲性能的影响,钢中长条状夹杂物往往使钢的弯曲性能出现各向异性，且横向性能变坏。,（,3,）夹杂物对焊接结构件层状撕裂的影响,（,4,）夹杂物对钢的切削性能的影响,硫化物增加钢材的脆性，钢的切屑容易断裂。,5,）夹杂物对钢的物理化学性能的影响,（,1,）夹杂物对钢的电磁性能的影响,非金属夹杂物不是铁磁性物质，它的存在减少了铁磁性基体的体积，破坏了金属基体的连续性；其次，夹杂物的存在（在晶界上或晶粒内）使基体变形产生内应力，因而基体磁化不均匀、磁性下降。,（,2,）夹杂物对钢的点腐蚀的影响,点蚀起源于硫化物夹杂和与硫化物复合的某些氧化物夹杂（主要是铝酸钙和氧化铝）上，而单独氧化物则没有这种作用。,5,、夹杂物形态控制,1,）硫化物形态控制,（,1,）脱氧元素与硫的反应 向钢中加入脱氧元素除进行脱氧反应外，还可能发生脱硫反应。对于不同元素的脱氧和脱硫能力有以下规律：,和氧结合的能力：,Ca,A1,Si,Mn,；,和硫结合的能力：,Ca,Mn,Al,，,和钙结合的能力：,O,S,；,和锰结合的能力：,S,O,（,2,）加稀土控制硫化物形态,稀土元素,RE,能降低钢液,中氧和硫的溶解,度，并以生成球状小颗粒夹杂方式改善第,类,MnS,夹杂。,5,、夹杂物形态控制,2,）氧化物形态控制,（,1,）铝酸钙的类型及物性,铝镇静钢用钙处理的主要目的是将,A1,2,O,3,夹杂变性为铝酸钙。其中的关键是控制铝酸钙的生成类型。铝酸钙随,CaO,含量的增加，其熔点趋于下降，当,CaO,含量达到,48%,时熔点最低。从在钢液中易于凝聚排除，而残留于钢中呈球状考虑，以生成,12CaO,7 A1,2,O,3,为好。,（,2,）加钙处理方式,使用喂丝和钢包喷粉工艺。,3.10,钢液搅拌,搅拌可促进钢、渣、气及耐火材料之间的反应。,电磁搅拌,气体搅拌,脱碳反应,电炉,吹氧,+,脱碳,转炉,吹氩搅拌,利用真空搅拌,出钢过程,渣洗,思考题,1,、,炉渣在炼钢中的作用？,2,、脱碳反应在炼钢过程中的作用？,3,、影响炼钢氧化脱磷的因素有哪些？,4,、如何防止钢水“回磷”？,5,、常用脱氧方法的热力学原理是什么？,6,、如何减少钢中夹杂物？,7,、如何减少钢中的气体含量？,8,、渣中,(,FeO,),在炼钢中的作用？,