冶金原理第七章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,7,氧化熔炼反应,氧化熔炼：,利用还原剂从矿石中除去氧后获得的是粗金属。要使粗金属中过多的元素及杂质分离除去，必须通过氧化作用。这称为氧化熔炼。,生铁的氧化熔炼，也就是炼钢过程，需除去的元素或杂质，有,3,类：,在高炉内过还原的元素：,Si,、,Mn,；以及溶解的过量碳；,有害杂质：,S,、,P,、气体（,H,、,N,）,氧化熔炼引入的氧,O,及其伴生的夹杂物：,SiO,2,、,MnO,、,Al,2,O,3,等。,因此，炼钢主要反应是元素（,Si,、,Mn,、,C,、,P,）的氧化，脱硫，去气，脱氧及调整钢的成分（合金化）。最后把化学成分合格的钢液浇铸称钢锭或钢坯。,7.1,氧化熔炼反应的物化原理,7.1.1,熔池中氧化剂的种类、反应的方式,1,）氧化剂：空气，纯氧，铁矿石,含氧炉气,2,）氧化方式：,当气体氧与金属液接触时，,（,1,）直接氧化：,2M,O,2,2,（,MO,）,2Fe,（,l,）,O,2,2,（,FeO,）,大量形成,（,2,）间接氧化：,上述反应形成的,FeO,，可作为其它金属元素的氧化剂，也可按分配定律形式以,O,进入钢液中，再氧化,M,。,M,（,FeO,）（,MO,）,Fe,（,FeO,）,Fe,O,，,O,M,（,MO,）,7.1,氧化熔炼反应的物化原理,7.1.1,熔池中氧化剂的种类、反应的方式,1,）氧化剂：空气，纯氧，铁矿石,含氧炉气,2,）氧化方式：,当气体氧与金属液接触时，,（,1,）直接氧化：,2M,O,2,2,（,MO,）,2Fe,（,l,）,O,2,2,（,FeO,）,大量形成,（,2,）间接氧化：,上述反应形成的,FeO,，可作为其它金属元素的氧化剂，也可按分配定律形式以,O,进入钢液中，再氧化,M,。,M,（,FeO,）（,MO,）,Fe,（,FeO,）,Fe,O,，,O,M,（,MO,）,7.1.2,溶解元素氧化反应的,G,T,图,溶解状态,从一些基本反应的标准吉布斯能可组合得到溶解元素氧化反应的标准吉布斯能。,基本反应：,2M,（,s,）,O,2,2MO,（,s,）,M,（,s,）,M,O,2,2O,2Fe,（,l,）,O,2,2FeO,（,l,）,FeO,（,l,）（,FeO,）,MO,（,s,）（,MO,）,(,FeO,),Fe,O,金属液中溶解元素,M,的氧化反应：,2M,O,2,2,（,MO,）,G,1,2M,2O,2,（,MO,）,G,2,2M,2,（,FeO,）,2,（,MO,）,2Fe,G,3,上述反应中,各物质标准态：,M,、,O,以质量,1,溶液；,（,MO,）、（,FeO,）、,Fe,以纯物质,;,O,2,标准态压力为,100kPa,。,针对溶解元素,M,的三个氧化方程式，可分别作出三种,G,T,图。,由于仅是供氧方式不同，各元素在三种,G,T,图直线相对位置完全相同，表明元素氧化规律完全相同，但相应的,G,值不等，,T,C,时，,G,o,0,，上反应逆向进行，,M,可被,CO,氧化；,当,T,T,C,时，,G,o,90,）,式中，,为气泡表面静压力（含炉气）。,（,2,）钢液中碳和氧的扩散,钢液中的,C,和,O,的传质是脱碳反应速率的限制环节。由于钢液中,C,和,O,有相近数量级的传质系数，它们向反应相界面的扩散通量主要决定于其浓度梯度：,在高、中碳浓度范围内，碳的浓度梯度远大于氧的浓度梯度。即碳的传质比氧的传质快，因而,O,的传质是限制环节，与,w,C,无关。随着脱碳反应的进行，,w,C,降低，传质减慢，而在,w,C,下降到一定值后，,C,的传质则成了限制环节。,限制环节出现转变的碳浓度称为临界碳量。当越过临界碳量时，脱碳速率急剧地成直线下降。因此，碳量高时，钢液中,O,的传质是限制环节；碳量低时，钢液中,C,的传质是限制环节。,利用两限制环节的脱碳速率相等的原理，可计算出一定条件下的临界碳量：,。其值与决定,C,扩散的传质系数及供氧强度有关。,可见，增大,C,的传质系数可使,降低。因此，提高温度，吹入惰性气体搅拌熔池，有利提高,，能使低碳熔池的脱碳速率提高。这就是现在转炉上采用复吹，达到深度脱碳的根据。,7.3.3,脱碳反应速率,C,O,CO,氧的传质过程由（,FeO,）的扩散、界面反应（,FeO,）,Fe,O,及,O,的扩散等,3,个环节组成。其中界面反应速率快，传氧过程的限制环节是（,FeO,）、,O,组成的混合限制环节。,（,FeO,）,（,FeO,）,*,O*,O,由,双膜理论,，可以得出钢液中,O,的传质速率表达式：,7.4,脱磷反应,7.4.1,脱磷反应热力学,1,）钢液中氧化脱磷,（,1,）气化脱磷,4P,5O,2,P,4,O,10,（,g,）,G,2651859,890.34,T,2P,5O,P,2,O,5,（,g,）,G,742032,532.71,T,上述反应中,P,的氧化产物在炼钢温度下为气态，,G,0,，氧势接近于零。通过氧化形成气态产物的方法不能有效去,P,。,由于,P,2,O,5,是酸性氧化物，加入碱性物质（脱磷剂）固定,P,2,O,5,，进入熔渣，可使降低，从而使,G,Ti,Si,VCr,Mn,（,比较标准,）,脱氧产物的组成愈温度及脱氧元素的平衡浓度有关。,低，,高时，则形成,复杂化合物；,高，,低时，则形成纯氧化物,（固相或液相存在）。,脱氧反应强放热：,T,降低，脱氧能力增强。钢液冷却、凝固过程中，脱氧反应继续进行，形成脱氧产物难以排出，在钢中成为夹杂物。,对于铝的脱氧，随不同，可形成,（铁铝尖晶石）及,。,2Al,4O,Fe,FeO,Al,2,O,3,(s),G,1373063,445.01,T,（平衡）,加入的,Al,低，钢液中有较高,O,，能以,FeO,形式与,Al,2,O,3,结合成铁铝尖晶石。,2Al,3O,Al,2,O,3,(s),G,1218799,394.13,T,（平衡）,可以上述方程作脱氧平衡图：,交点：,0.03,，,0.9,10,-,5,图中平衡线将图形分成,3,个区，可借助平衡移动方向判断稳定区：,低,Al,时，,线,线以上：右移，,稳定；,线以下：左移，,Al,、,O,稳定。,高,Al,时，,线,线以上：右移，,稳定；,线以下：左移，,Al,、,O,稳定。,7.7.2,脱氧反应动力学,总氧量溶解氧（定氧：,）夹杂物（氧化物状态）氧,脱氧剂溶解及均匀分布。,脱氧产物的形核、长大及聚合。,形核：异相形核（夹杂物表明面形成）；,聚合：脱氧产物形成复杂化合物，或形成互溶体。,脱氧产物的排出与熔渣吸收。,自身浮力。,上浮速度：斯托克斯公式,一般氧化物与熔渣间界面张力均比与钢液界面张力小得多，因此，脱氧产物能自发转入熔渣，为其吸收。,7.7.3,Mn,、,Si,、,Al,等的脱氧反应,1,）,Mn,的脱氧,2,）,Si,的脱氧,3,）,Al,的脱氧,7.7.4,复合脱氧,利用含有两种或两种以上脱氧元素的脱氧剂使钢液脱氧，称为复合脱氧。,优点：,脱氧产物可形成低熔点复杂化合物，降低某一元素单独脱氧时产物的活度，从而提高该元素脱氧能力。,低熔点脱氧产物易于聚合，上浮排出。降低钢中夹杂物。,7.7.5,脱氧剂用量的计算,教材,P400,7.7.6,扩散脱氧,扩散脱氧利用熔渣使钢液脱氧，脱氧反应发生在钢液熔渣界面。造还原渣：,SiFe,粉，,C,粉，电石粉等。,优点：不污染钢液，有利冶炼优质钢。,缺点：脱氧速度慢；耗时，导致生产率低，渣对炉衬侵蚀严重等问题。,请谈谈学习本课程的体会与建议。,谢谢大家的合作！,