冶金质量分析

一、反应速度理论：应用反应动力学阐明反应的机理，从而可以使人们更全面的控制要达到的冶金反应。

1、碰撞理论：1）分子与分子之间的碰撞；2）碰撞时分子处在能起反应的状态。

2、绝对反应速度理论：活化络合物理论或过渡态理论。

绝对反应速度理论基本原理：1）活化络合物可像对待任何其他化学物质那样来对待，并与各反应物处于平衡状态，它的寿命很短。

2）活化络合物分解成两种产物的反应速度为通用速度，与反应物的性质和活化络合物的形态无关。

二、熔融金属与氧化物的活度例：铁水中各元素的质量分数为C 4.0%，Si 0.5%，Mn 0.6%，S 0.05%，P 0.2%，问1600o C时该铁水中C的活度是多少？解：从表中差得e C C=0.14, e C Si=0.08, e C Mn=－0.012,e C S =0.46,e C P=0.051lgf C=(w C·e C C＋w Si·e C Si＋w Mn·e C Mn＋w S·e C S＋w P·e C P) ×100=0.6053∴f C=4.03所以生铁中C的活度a C= f C·w C =16.12%三、炉渣在冶金过程中的作用1、有利方面：①炉渣直接参加化学反应。

通过调整炉渣成分可以控制合金元素的氧化与还原，并去除合金中硫磷等有害杂质。

②炉渣对合金熔体有保护作用。

避免合金在氧化性气氛中氧化烧损，并防止炉气中的氢、氮、硫等直接进入合金。

③电弧炉、平炉从上部加热熔池，炉渣是传热介质，同时还有保温作用，所以合金的温度与炉渣密切相关。

④电渣重熔精炼炉渣还可作为电阻发热体并具有渣洗过滤金属的作用。

2、不利方面：①炉渣能浸蚀炉衬，降低炉衬寿命。

②炉渣夹有金属小珠粒及未还原的金属氧化物，并溶解有某些有色金属，导致金属回收率低。

四、液态炉渣的结构理论1、分子结构理论：分子理论以固态炉渣作为研究对象而假设液态炉渣是由某些化合物组成的，这缺乏科学依据和真实性，而且分子理论没有考虑熔渣的电导和电解现象。

1）液态炉渣由各种不带电的分子组成；2）液态炉渣中各种简单氧化物和复杂化合物之间存在着生成和分解的动平衡反应；3）液态炉渣中只有自由的氧化物才能参与金属液体-炉渣间的化学反应，以复合状态存在的氧化物其反应能力较低；4）液态炉渣是一种理想溶液，金属液体-炉渣间的化学反应服从质量作用定律。

2、离子结构理论1）液态炉渣含有正离子和负离子；2）熔融炉渣能够导电，其电导数值与典型的离子化合物相差不多，在一个数量级内；3）液态炉渣可以电解，并在阴极上析出金属；4）氧化物溶于炉渣时离解为离子，而熔渣中每个离子的周围是异号离子。

3、离子理论建立的基础1）以对液态炉渣的电导、电解及电动热的测量为依据2）以金属液体-炉渣界面上有双电子层的存在为依据4、离子-分子共存理论1）炉渣由简单的正离子、负离子、未离解的氧化物和化合物分子所组成；2）渣中离子和分子之间的反应处于动平衡状态；3）炉渣内的化学反应符合质量作用定律。

五、炉渣的表面张力和界面张力1、所谓表面张力是指气相中液体或固体中的表面的张力2、加和性规则：球多元系表面张力σ渣=∑σi·x i3、多元渣系表面张力测定：常用大气泡压力法4、例：炉渣组成质量分数为：SiO2 35.5%，Al2O3 12.5%，CaO 42%，MgO 8.4%，FeO 1.6%，求其在1400o C时的表面张力。

解：各组分的摩尔分数为：x(SiO2)=0.35，x(Al2O3)=0.07，x(CaO)=0.45，x(MgO)=0.12，x(FeO)=0.01 从表中找出上述各组分在1400o C时的表面张力σi。

计算得σ=0.35×285+0.07×640+0.45×614+0.12×512+0.01×584=488×10-5N/cm2渣六、分解压力在炼钢中的应用1、判断熔池中物质的反应方向氧化物的分解压力愈高，其标准分解自由焓就愈低，表示氧化物不稳定程度大，易分解。

2、判断熔池中不同元素的氧化趋势七、脱硫的热力学条件：离子反应式：[S]+(O2-)=(S2-)+[O]1、有利条件：①高温②高碱度③低（FeO）含量④增大金属液体f[s]，降低渣中γ(O2-)2、炉外脱硫：①高炉生产的生铁水在未进入炼钢炉之前进行脱硫。

②对炼钢炉内冶炼好的钢液流出至炉外再进一步脱硫，以进一步降低钢液中硫的质量分数八、脱磷反应的热力学条件：离子反应式：2[P]+5(Fe2+)+8(O2-)=2(PO43-)+5[Fe]有利条件：低温，高碱度，高氧化亚铁含量，高渣量。

九、炼钢中的回磷与回硫的避免方法1、避免回磷：尽可能避免在炉内脱氧，而采取在钢包中脱氧，当炼制合金钢时，如果铁合金必须通过炉渣加入炉内，在合金化前，先有意识的使钢水多脱磷0.01%，以保证在合金化后钢水磷的质量分数仍在合格的范围内，减少钢液在钢包内的停留时间，并加入一定量的石灰，以提高钢包内渣层的碱度，或采用碱性包衬等方法均可在某种程度上避免回磷。

2、避免回硫：最根本的措施是避免后吹，此外，在倒炉时多倒一些渣，并补加适当的石灰，在进行吹渣新渣，减少渣中的碳含量，以防止回硫现象发生。

补、脱氧的任务1）把钢中氧的质量分数降到尽可能低的水平，保证钢在凝固时得到正常的表面和不同的钢锭结构，同时对于保证高合金钢的成分和质量也是十分重要的条件。

按脱氧程度的不同，钢锭结构分为：①镇静钢：力求完全脱氧，钢液氧含量在0.0015%~0.008%之间；②沸腾钢：由于脱氧不完全，钢液氧的质量分数在0.015%~0.045%之间；③半镇静：钢脱氧介于两者之间，其钢液氧的质量分数在0.004%~0.02%之间。

2）提高合金元素的收得率，保证钢及合金的质量。

3）通过脱氧以保证钢中非金属夹杂物含量减少，使夹杂物的分布及形态比较适宜，有利于提高钢的各项性能指标。

4）细化氧化物夹杂的颗粒，从而增加钢液凝固过程中的结晶核心，以保证得到钢锭的细晶结构。

十、脱氧方法1、沉淀脱氧：沉淀脱氧是将脱氧剂直接加入钢液内部，使脱氧元素与溶解在钢液中的氧在钢液内部发生脱氧反应，所形成的脱氧产物以液态或固态的形式从钢液中排出。

沉淀脱氧优点：脱氧反应在钢液内部进行，氧不需要太长的扩散时间，脱氧反应速度快，脱氧所需时间短。

沉淀脱氧缺点：沉淀脱氧反应产物不可能全部从钢液内部排除，残留的脱氧产物以非金属夹杂物形式存在，对钢液造成污染。

2、扩散脱氧：根据分配定律，让钢液中的氧向炉渣中扩散，与加入炉渣中的脱氧元素进行脱氧反应，使钢液中的氧含量降低。

扩散脱氧优点：脱氧反应是在炉渣的下层或钢渣界面上进行的，反应产物进入炉渣，不会成为非金属夹杂物污染钢液。

扩散脱氧缺点：反应速度慢，脱氧时间长。

3、综合脱氧：把沉淀脱氧法和扩散脱氧法在整个炼钢过程中交替使用。

兼取优点，适当克服了各自的缺点。

4、真脱空氧（又称真空下用碳脱氧）：在抽真空条件下利用碳进行脱氧。

真脱空氧优点：1）可以减少钢中夹杂物含量。

2）脱氧产物CO不溶于钢水，上升起到了沸腾搅拌作用，又不玷污钢液。

3）同时还可达到去气（H2、N2）目的，从而提高了钢的纯洁度，改善了钢的物理化学性能。

十一、脱氧剂的添加方法1、炉内添加，部分脱氧剂同炉渣反应，使脱氧剂的收得率降低。

（现此法只限于在还原期电炉上使用）。

2、出钢时向盛钢桶内添加，这是一种普遍采用的方法，脱氧剂的收得率比较高，添加顺序先是脱氧能力弱的锰，接着是硅、铝。

3、出钢后在盛钢桶内添加，对此有高速添加铝丝的铝丝添加法。

4、钢锭模内添加，收得率高，可得到洁净的钢液。

补、炼钢的基本任务1）降低C到规定的范围2）除去杂质（Si、Mn、S、P等）3）添加合金元素进行合金化十二、氧气转炉炼钢法的特点1、1）氧气顶吹转炉炼钢不需要外加热源和燃料2）精炼时间短3）氧气转炉炼钢法最大优点之一是生产效率高4）吹炼时烟尘大2、氧气转炉冶炼钢的（质量）特点：①钢中气体含量少；②外来元素少；③性能好；此外，因为氧气顶吹转炉容易吹炼极低碳钢，所以它适于生产软质镀锡薄板钢。

十三、电炉炼钢法的特点1、电弧炉炼钢法的特点1）利用电能为热源，其本身清洁、无污染，而且能量易于调节，便于控制熔池温度。

2）同氧气转炉相比，电炉炉体密封性好，所以热效率高，约为65%以上。

而且电弧区温度大于3000℃，能熔化高熔点合金元素，可冶炼各种特殊用途的钢种。

3）有还原期，其炉内气氛可以根据冶炼需要来控制，不仅能形成氧化性气氛，也能形成还原性气氛，这是氧气转炉不能比拟的。

电炉具有去除磷、硫等杂质的有利条件。

在冶炼合金钢时，其成分较易控制，合金元素烧损少，脱氧完全，纯净度高。

4）电炉可以采用合金废钢返回冶炼，这对节约贵重元素，提高经济效益十分有利。

5）电炉设备简单，基建费用低，投产快，生产率高。

还可以间歇生产。

缺点：1）生产成本较高，即电能、电极消耗大和产率比较低；2）由于电弧使空气和水蒸气离解出氢，氮，使钢中气体含量比转炉钢和平炉钢高。

2、感应炉炼钢法的特点1）由于电磁搅拌钢液，改善了反应的动力学条件，促使钢液化学成分和温度均匀化。

2）感应炉冶炼没有其他设备中所存在的污染源，可获得较纯净的钢及合金。

3）冶炼过程中对功率和温度的调节简单方便。

即可快速升温，又能准确控温。

4）冶炼过程钢液增碳少，合金化过程易于控制，使合金元素回收率高且稳定。

5）感应炉电、热效率和生产率较高，设备占地面积小，劳动条件较好等。

缺点：1）炉衬较薄，使用寿命不长；2）炉渣导电性不良，致使反应能力较低。

十四、氧气顶吹转炉冶炼质量控制1、装入量的控制：装入量是指每炉装入铁水和废钢的数量；2、吹氧过程的控制：增加氧压或降低氧枪高度，熔池产生剧烈的循环和搅拌，从而加速钢液熔池的氧化，提高脱碳速度，但此时渣中氧化铁含量低，对化渣不利。

因此高压低位吹氧只适用于冶炼初期。

降低氧压或高位吹氧，熔池循环搅拌作用降低，从而钢液的氧化减慢，脱碳速度降低，但在这种情况下，炉渣氧化铁含量提高，有利于化渣。

3、炉渣控制：①成渣速度②炉渣碱度（3.0~4.5）③炉渣氧化性④渣量（10%~12%）4、温度控制：当吹炼温度较低时，虽然对脱磷反应和炉衬寿命有利，但是脱碳速度慢，石灰难以熔化，影响成渣速度和炉渣碱度的提高，对脱硫反应等均有不利的影响，钢质量变坏；如果吹炼前期炉温过低，有可能使炉渣和金属中均积聚大量的氧，一旦温度提高，会出现爆发性的碳氧反应，引起炉内大喷现象；当吹炼温度过高时，炉内脱磷困难，炉衬浸蚀严重，钢中气体和非金属夹杂物含量将增加，从而使钢质量变坏。

补、氧气转炉冶炼钢的质量特点1）钢中气体含量少2）外来元素少3）性能好十五、氢对钢质量的影响：钢中的氢主要来源于炼钢原料、耐火材料和炉气中的水分。