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第四章 钢铁冶金原理碳的氧化

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钢铁冶金原理课件

钢铁冶金原理课件

钢铁冶金行业的可持续发展需要技术 创新、政策引导和市场机制等多方面 的努力，推动行业向低碳化、智能化 和循环经济方向发展。
钢铁冶金行业是高能耗、高排放的行 业之一，对环境产生一定的影响，因 此需要采取措施降低能耗和减少排放 ，实现可持续发展。
THANK YOU
全球铁矿分布
主要集中在澳大利亚、中国、巴西等国家。
中国铁矿分布
鞍山、马鞍山、攀枝花等地区。
铁矿的采矿技术
露天开采：剥离表土 层，开采矿石。
采矿技术发展趋势： 智能化、绿色化。
地下开采：挖掘巷道 ，进行矿石开采。
铁矿的选矿原理
选矿目的
将铁矿石中的铁含量提高到60%以上。
选矿原理
根据铁矿石与脉石的物理性质差异进行分离。
。
直接还原技术
通过在低于熔点的温度下将铁矿石 还原成直接还原铁，再通过电弧炉 熔炼成钢，可减少能源消耗和环境 污染。
氢冶金技术
利用氢气作为还原剂，替代传统的 碳作为还原剂，减少温室气体排放 ，是未来钢铁工业的发展方向。
钢铁冶金的未来发展方向
1 2 3
低碳化
随着全球对环境保护的重视，钢铁冶金行业将向 低碳化方向发展，降低碳排放，提高能源利用效 率。
钢的连铸技术
总结词
连铸技术是将液态钢转变为固态钢的过程，涉及结晶、凝固和收缩等物理变化 。
详细描述
连铸过程中，液态钢流入结晶器，在冷却水的作用下逐渐结晶凝固。随着钢坯 的连续拉出，凝固过程继续进行，直至形成完整的钢坯。控制结晶速度、冷却 强度和拉坯速度是连铸技术的关键要素。
钢的轧制原理
总结词
轧制是通过一对旋转轧辊对金属施加压力，使其发生塑性变形的过程。
熔融与凝固

化学常识：高中化学百科小知识点：铁的冶炼

化学常识：高中化学百科小知识点：铁的冶炼

化学常识：高中化学百科小知识点：铁的冶炼
一、化学常识：高中化学百科小知识点：铁的冶炼1、原理：在高温下，利用焦炭与氧气反应生成的一氧化碳把铁从铁矿石里还原出来。

2、现象：红色粉末逐渐变为黑色，产生的气体能使澄清的石灰水变浑浊。

3、书上图8-20需注意：①先通CO再加热的目的：排出装置内的空气，以免加热时CO与空气混合，可能会发生爆炸。

②实验完毕后继续通入CO的目的;防止氧化铁被还原成铁后，在较高的温度下重新被氧化③尾气的处理：因为CO有毒，所以尾气中的CO气体要经过处理，变成无毒的气体。

可点燃使其生成无毒的二氧化碳气体。

4、原料：铁矿石、焦炭、石灰石、空气常见的铁矿石有磁铁矿(主要成分是Fe3O4)、赤铁矿(主要成分是Fe2O3)[来源:Zxx5、石灰石的作用：除去铁矿石中的二氧化硅化学网小编为大家提供的高中化学百科小知识点，大家仔细阅读了吗?最后祝同学们学习进步。

二、高考化学必备知识点：高中化学百科小知识点：铁的冶炼接触不充分追问：可否清楚解释追答：反应物之间的充分接触，才能使化学反应物质充分反应，充分利用物质！像铁的冶炼，是化学反应的应用，也一样遵循这个理念。

高炉中的少部分碳与氧化铁反应的，但因为固体间接触不充
分，所以大部分碳还没有来的急反应，就先被氧化成CO，而CO与氧化铁接触充分的。

所以，主要是CO还原氧化铁。

化学网小编提示：以上是化学常识：高中化学百科小知识点：铁的冶炼，高考化学必备知识点，高中化学百科小知识点：铁的冶炼。

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《钢铁冶金原理》课件

《钢铁冶金原理》课件




15
第一节 二元渣系相图
二、基本概念：

1、相图：相平衡体系的几何图示。描述多相体系中相状 态与T、P、xB等的关系。 2、凝聚系：没有或不考虑气相的体系。 3、自由度：在一定范围内可以任意独立改变而不致发生 相变化的变数（如温度、压力和浓度等）的个数。


16
第一节 二元渣系相图

4、相律： 多相体系平衡的基本规律。说明平衡体系中相数、独立 组元数与自由度的关系。 考虑到温度、压力两个变数时：f=K–φ+2 f：自由度； K：独立组元数； φ ：相数 对有其他影响因素的平衡体系，如磁场、电场等：为： f= K–φ+n
9
第四章 冶金炉渣
一、 基本概念
熔渣主要来源：

矿石或精矿中的脉石：
如高炉冶炼：Al2O3、CaO、SiO2等

为满足冶炼过程需要而加入的熔剂： 如CaO、SiO2、CaF等

冶炼过程中金属或化合物（如硫化物）的氧化产物： 如炼钢：FeO、Fe2O3、MnO、TiO2、P2O5等 造锍熔炼：FeO、Fe3O4等。
12
例如，钛铁矿先在电炉中经还原熔炼得到高钛渣，再进一步 提取钛。
第四章 冶金炉渣
一、 基本概念
4、合成渣 是指由为达到一定的冶炼目的、按一定成分预先配制 的渣料熔合而成的炉渣。 如电渣重熔渣、铸钢保护渣、钢液炉外精炼渣等。
这类炉渣的作用差别很大。
13
第四章 冶金炉渣
一、 基本概念

相图内的垂直线代表C3S。只有在1250℃以下急冷淬火可把C3S保 持到常温，C3S有水硬性，是水泥熟料组分。
2、C2S-CS系“子相图”：为具有一个不稳定化合物(C3S2)的相图。

钢铁冶金原理第四章 钢铁冶金原理-碳的氧化

钢铁冶金原理第四章 钢铁冶金原理-碳的氧化
2 0 r
P CO P g ， ， m 0 ， s s g 值较小，故：
%C%O mPCO mPg m 0.0025
⑶悬浮的金属液滴：当金属液滴进入熔渣或炉气中时， 液滴表面的碳氧化形成CO气泡。 铁滴位于气泡内部,
2 2 P P 0 (r<0)， CO g r r
%CO P K 1 5 X C X C 饱 X C 100 100 %CO 1 5 X C 饱 当铁液中渗碳量较低时（〔%C〕<1）时： 55.85 X C %C 0.0465 %C 100 12 将（6）代入(5)中：
d %C 12 d %O d 16 d
，即可求出 vC 。
讨论：
O 的扩散哪个为限制性环节？（P506 ：1）2）自学） FeO、
3、[%C]<[%C]临时的脱C速率：（[C]的扩散为限制性环节）
钢液中[%C]的扩散为限制性环节：
vC C PCO A %C Vm K %O
第四章 碳的氧化反应 (p449\497)
钢和铁都是铁 - 碳合金，钢铁冶炼工艺是和碳紧密联
系在一起的。 对于炼铁，碳是还原剂和发热剂； 对炼钢，脱碳反应涉及到熔池的各种化学反应。 碳可增加钢的强度、硬度、改变钢的组织，影响钢材 性能。 不论炼钢、炼铁发生的均是碳的氧化反应。
一、含碳量对碳钢室温平衡组织的影响
O （3）渣钢界面的 O 向钢水中的扩散：


O
；
根据双膜理论，高温下界面化学反应速率很快，过程由（1）（3） 混合限制：
vO k m L0 FeO d %O %O % FeO d 1 k m / k S L0 FeO L0 FeO

【资料】钢铁冶金原理课件04汇编

【资料】钢铁冶金原理课件04汇编

A= a ，B= b ，C= c
10
2.1.2 浓度三角形的基本规则
等含量规则：平行于一边的直线上，各物系点所含对应顶角 组分的浓度相同。
等比规则： 任一顶角与对边点的连线上各点组成中，其两旁 顶角组分的浓度比相同。
背向规则：若物系点降到O点温度时开始析出C，则液相线 CO的延长线向移动，而其他两组分（A，B）的浓 度比保持不变。
➢结晶过程分析
14
2.2.2 具有一个稳定二元化合物的相图
➢面、线、点分析
面：A、B、C、D四个组元的初晶面 线：六条二元共晶线 点：两个三元共晶点E1、E2
鞍心点 e3
➢结晶过程分析
●此三元系可分为两个独立的子三元系： A-B-D系 、A-C-D系 ；
●子三元系为具有简单三元共晶点的相图； ●位于各分三角形内的物系点的结晶过程在 各自的三角形内完成。
△M1 M2 M3的重心上。
此规则亦适用于一个相分解为三个相的计算。如，M分解
为M1、M2、M3三个新相时，则有：
m1
ma m1a
m
m2
mb m m2b
m3
mc m3c
m
m1m2m3m
12
2.2 三元相图的基本类型
初晶面：组分从液相析出固相的面，固液两相平衡共存 L →S1，自由度： f = C-φ+1= 3-2+1=2
15
2.2.3 具有一个稳定三元化合物的相图 ➢面、线、点分析
面：A、B、C、D四个组元的初晶面 线：九条二元共晶线 点：三个三元共晶点E1、E2、E3
三个鞍三元系： A-B-D系，A-C-D系，B-C-D系；
●子三元系为具有简单三元共晶点的相图； ●位于各分三角形内的物系点的结晶过程

钢铁冶金原理碳的氧化

钢铁冶金原理碳的氧化

2 r
：炉渣的静压力，Pa； ：气体的附加压力，Pa；（
： N m1 ；r半径，m）
故：
%C %O mPCO 0.0025 Pg m m g s s g

PCO ↑→
2 r
↑。
钢夜深度↑→ m m g ↑→
%C %O
C
：海绵铁中的C以纯石墨为标准态的活度系数。
P313解释 已知：
fC
1 1 5 X C
（1）
PC PC C X C K H fC X C
KH 0 C fC C fC PC
当海绵铁渗C饱和时：
0 C 饱 = C fC 饱
， k s FeO
A km 0 Vm
M0 A s Vm m M FeO
；
碳氧反应在炼钢过程中的作用
把钢液中的碳含量氧化降低到所炼钢号的规格内。这是炼钢的任务之一。 碳氧反应时产生大量的C0气泡，这些气泡从钢液中排出时，对熔池有一种强 烈的搅拌作用，它均匀了钢液的成分和温度，改善了各种化学反应的动力学条 件，有利于炼钢中各种化学反应的进行。 碳氧反应产物C0气泡，对于钢液中的N、H相当于一个小真空室，钢液中的气体 很容易扩散到这些上浮的C0气泡中，并随之排除到大气之中，所以脱碳反应是 去除钢中气体所必需的手段之一。 非金属夹杂物上浮的速度主要取决于非金属夹杂物的大小。碳氧反应对熔池 的搅拌作用促进了非金属夹杂物的碰撞长大，从而显著地提高了上浮速度。另 外，C0气泡表面也可粘附一部分非金属夹杂物使其上浮入渣。所以，碳氧反应 是去除钢中夹杂物所必需的手段之一。 碳的氧化反应放出大量的热，是氧气转炉炼钢的重要热源。同时，由于C0气泡 的大量产生，使转炉内产生大量的泡沫渣，增加了钢—渣接触面积，有助于反 应速度的提高。

铁冶金学——第四章 高炉内物理化学反应1

铁冶金学——第四章 高炉内物理化学反应1

4.1.1 氧化物还原的一般原理
4.1 高炉炼铁还原热力学
某物质与氧亲和力的大小，可用该物质氧化物的标 准生成自由能衡量。氧化物标准生成自由能越小， 说明该物质与氧亲合力小，氧化物稳定，易还原， 反之则相反。所以还原反应的必备条件是还原剂氧 化产物的标准生成自由能小于金属氧化物的标准生 成自由能，即：
4.1.2 铁氧化物的还原的一般规律
但在t＜570℃时，还原顺序不经FeO阶段， 而按第二种方法进行，即：
Fe2O3→Fe3O4→Fe。
因为570℃以下，反应 4FeO（s）=Fe3O4（s）+Fe（s）
的ΔGθ为负值，FeO不能稳定存在而转变 成Fe3O4和Fe。
4.1 高炉炼铁原热力学
4.1.2 铁氧化物的还原的一般规律
4.1 高炉炼铁还原热力学
4.1.2 铁氧化物的还原的一般规律
并非所有进入生铁中的都从自由的铁氧化物中还原，其 中有一部分是同铁氧化物呈结合状态的化学化合物（如 2FeO·SiO2、FeO·TiO2）中还原的，这种还原比较困难。 有的炉料中的铁不以氧化物形态存在（如FeS），但它 们在高炉内会转变成氧化物而得到还原。
4.1.1 氧化物还原的一般原理
4.1 高炉炼铁还原热力学
这是一个兼有还原和氧化的综合反应。对金属 氧化物而言被还原为金属，而对还原剂则是被氧化。
哪些物质可以充当还原剂夺取金属氧化物中的 氧，决定于它们与氧的化学亲和力。凡是与氧亲和 力比金属元素Me的亲和力大的物质，都可以做为该 金属氧化物的还原剂。还原剂与氧的亲和力越大， 夺取氧的能力越强，还原能力越强。
4.1.1 氧化物还原的一般原理
4.1 高炉炼铁还原热力学
冶金还原反应就是用还原剂夺取金属氧化物 中的氧，使之还原成为金属单质或其低价氧 化物的过程。对金属氧化物的还原反应可按 下面通式表示：

钢铁的冶炼

钢铁的冶炼
钢铁的冶炼
炼铁 原料 化学 原理 铁矿石、焦炭、空气、石灰石Байду номын сангаас炼钢 生铁、氧化剂（空气、纯氧、氧化铁 等）、生石灰、脱氧剂 他杂质氧化成气体或炉渣除去 （1）氧化剂的生成：2Fe+O2
高温 高温
在高温下用还原剂将铁从其氧化物 在高温下用氧化剂把生铁中过多的碳和其 中还原出来
（1）还原剂的生成：C+O2====CO2
CO2↑ SiO2+CaO
高温
CaSiO3
2Fe+SiO2
主要 设备
高炉
转炉
CO2+C 有关 +3CO2
高温
2FeO
2CO
高温
（2）降碳，除杂，调硅、锰；如C+FeO 2Fe CO↑+Fe （3）造渣：生成的硅、锰氧化物及铁水 中的硫、磷跟造渣材料反应形成炉渣排出 （4）脱氧并调整成分：2FeO+Si
高温
（2）铁的还原：Fe2O3+3CO
反应
（3）炉渣的生成：CaCO3 高温 CaO+

炼钢的基本原理知识总结

炼钢的基本原理知识总结

炼钢的基本原理知识总结炼钢先炼铁。

钢从生铁而来。

用铁矿石冶炼而得的生铁，含碳量较高，而且含有许多杂质（如硅、锰、磷、硫等）。

因此，生铁缺乏塑性和韧性，力学性能差，除熔化浇铸外，无法进行压力加工，因而限制了它的用途。

为了克服生铁的这些缺点，使它在工业上能起到更大的作用，还必须在高温下利用各种来源的氧，把生铁里面的杂质氧化清除到一定的程度，以得到一定成分和一定性质的铁碳合金——钢。

这种在高温下氧化清除生铁中杂质的方法叫炼钢。

炼钢的基本原理生铁中的各种杂质，在高温环境下，不同程度上都与氧有较大的亲和力。

因此可以利用氧化的方法使它们成为液体、固体或气体氧化物，液体和固体氧化物在高温下与炉衬和加入炉内的熔剂进行反应，结合成炉渣，并在扒渣时被排除炉外，气体也在钢水沸腾时被CO带到炉外。

在炼钢炉内，杂质的氧化主要是依靠FeO的存在而实现的。

2Fe＋O2→2FeO01硅元素的氧化硅与氧有较大的亲和力，因此硅的氧化很迅速，它在冶炼初期就已经完全被氧化而生成SiO2：Si+2FeO→SiO2+2Fe同时SiO2又和FeO反应形成硅酸盐：2FeO+SiO2→2FeO·SiO2这种盐是炉渣中很重要的一部分，它与CaO作用生成稳定化合物2CaO·SiO2和FeO，前者牢固存在于炉渣中，后者变成了渣中的游离成分，使渣中FeO的含量增加，对促进杂质的氧化是比较有利的。

其反应如下：2FeO·SiO2+2CaO→2CaO·S iO2+2FeO02锰元素的氧化锰也是易氧化的元素，它所生成的MnO有较高的熔点，MnO在金属液中并不溶解，但是它与SiO2形成化合物浮在液体金属表面，成为炉渣的一部分。

Mn+FeO→MnO+Fe2MnO+SiO2→2MnO·SiO2硅、锰的氧化反应放出大量的热，可以使炉温迅速提高（这一点对转炉炼钢特别重要），大大加速了碳的氧化过程。

03碳元素的氧化碳的氧化需要吸收大量的热能，所以必须在较高的温度下才能进行。

钢铁的氧化处理课件

钢铁的氧化处理课件
进行两次氧化处理。氧化膜较厚，耐蚀性较高。
13
配方1：通用氧化液， 操作简单，膜层美观
光亮，但膜层较薄 配方2：氧化速度快， 膜层致密但光亮度较
差
配方1：可获得保护 性能好的蓝黑色光亮
氧化膜 配方2：可获得较厚
的黑色氧化膜
14
各组成作用
SUCCESS
THANK的氧化处理
为什么要进行氧化处理？
• 当钢铁处于潮湿的大气中时，在它的表面上形成 了微电池，在氧的作用下钢铁表面上就形成了铁 锈。由于它非常疏松并且易吸湿，因而促使潮湿
的大气继续对钢铁进行腐蚀，直至破坏。
• 如果在钢铁表面上形成一层致密的磁性氧化铁 (Fe3O4)薄膜，就能使钢铁具有一定的抗大气腐蚀 能力，阻止钢铁表面生锈，还能起到表面装饰的 作用。
• 经皂化处理后，膜的孔隙被封住，提高了抗腐蚀性能。
32
氧化后处理
• (2)碱性氧化后处理： • 碱性氧化后处理不当使膜防护性变差； • 产生原因： （1）工件氧化后清洗不彻底；（2）配制的肥皂水的水质未经软
化处理，致使溶液中产生絮状漂浮物，该漂浮物随后富集在氧 化膜的表面；（3）未经充分干燥前涂覆机油等。 处理方法： （1）氧化处理后充分的进行冷、热水清洗，除去工件表面的碱性 物质；
33
（2）满足皂化处理中的三点要求； （3）干燥处理要彻底，干燥够工件表面及孔眼、缝隙等处不能有
游离水存在； （4）热油封闭处理的温度不可低于1050C，填充、封闭氧化膜孔
被覆层可以很好的结合。
28
溶液成分与处理工艺
29
碱性氧化处理
30
31
氧化后处理
• 对于不合格的氧化膜，应在酸洗溶液中除去，再重新进行氧化 处理，不允许酸洗的合金钢可用机械的方法除掉旧的氧化膜

《钢铁冶金原理》课件资料

《钢铁冶金原理》课件资料


相图内的垂直线代表C3S。只有在1250℃以下急冷淬火可把C3S保 持到常温，C3S有水硬性，是水泥熟料组分。
2、C2S-CS系“子相图”：为具有一个不稳定化合物(C3S2)的相图。
① ②
当温度下降时，C3S2由转熔反应形成：L+C2S＝C3S2；
在加热时，它在1475℃发生分解：C3S2→L＋C2S。
7
第四章 冶金炉渣
一、 基本概念
炉 渣
SiO2 高炉炼铁渣 转炉炼钢渣 电炉炼钢渣 电渣重熔渣 铜闪速炉熔炼渣 铅鼓风炉熔炼渣 锡反射炉熔炼渣 高 钛 渣 30～40 9～20 10～25 0～10 28～38 19～35 19～24 2.8～5.6 A12O3 10～20 0.1～2.5 0.7～8.3 0～30 2～12 3～5 8～10 2～6 CaO 35～50 37～59 20～65 0～20 5～15 0～20 1.5～6 38～54 28～40 45～50 2～5.6 1～1.5
22
第一节 二元渣系相图
一、CaO-SiO2系相图
① ②
3、CS－SiO2系“子相图” 由于液相时组分的溶解度有限，形成两液相共存的相图。 在互为饱和的二液相中，L1是SiO2在CS相内的饱和熔体；L2是 CS在SiO2相内的饱和熔体，大约在1700℃以上两者平衡共存，它 们的平衡成分分别由两条虚线表出，称为分溶曲线。 在1700℃时，相平衡关系为L2＝L1＋SiO2(偏晶反应)。 温度高于1700℃时，SiO2逐渐消失，仅两液相共存，它们的饱和 溶解度随温度的升高，不断变化，逐渐接近，最后达到相同(曲线上 的此点称为临界点)，成为均匀液相。
6
第四章 冶金炉渣
一、 基本概念

熔渣是火法冶金过程产物 主要由冶金原料中的氧化物或冶金过程中生 成的氧化物组成的熔体。

钢在可控气氛中氧化脱碳和增碳的机理[整顿版][详解]

钢在可控气氛中氧化脱碳和增碳的机理[整顿版][详解]

钢在可控气氛中氧化脱碳和增碳的机理钢铁零件在空气中加热时，由于空气含有大量的氧气，会使这些零件产生氧化和脱碳现象。

为了防止这些现象的发生，在加热时可向工作炉内通一些能使钢铁零件不氧化、不脱碳的气体--即可控气氛。

这些气体的主要成份是一氧化碳（CO）、氢（H2）、氮（N2）、及微量的二氧化碳（CO2）、水蒸气（H2O）和甲烷（CH4）等气体。

这些气体和钢铁及其碳化物的化学反应是很复杂的（见下表），总的可以归纳加入以下几种气体：各种气体与钢铁及其碳化物的化学反应气体成份无氧化条件（%）化学反应性质不脱碳的条件(%)O2 02Fe+O2->2FeOFe3C+O2->3Fe+CO2强烈氧化强脱碳N2 100 --- 中性100CO2 <5Fe+CO2->FeO+COFe3C+CO2->3Fe+H2+CO2强氧化强脱碳H2O <3Fe+H2O->FeO+H2Fe3C+H2O->3Fe+H2+CO2氧化性强脱碳<0.25CO 8--20 Fe+2CO->Fe(C)+CO2FeO+CO->Fe(C)+CO2强渗碳还原性H2 2--100 FeO+H2->Fe+H2O 强还原CH4 1 Fe+CH4->Fe(C)+2H2 强渗碳1具有氧化、脱碳作用的气体--除氧之外，二氧化碳和水蒸气的作用和氧一样，在高温下同样能使钢铁零件产生氧化和脱碳。

因此，在可控气氛热处理炉中应严格控制这两种气体的含量。

2具有还原作用的气体---氢和一氧化碳是属于这类气体。

它们不仅能在高温加热保护钢铁零件不氧化、不脱碳，还有能使氧化铁还原成铁的作用，其中一氧化碳又是一种增碳性的气体。

3.中性气体---氮气在高温加热时和钢铁不发生任何作用，即不氧化、不脱碳、也无还原和增碳作用，故为中性气体。

4.具有强烈渗碳作用的气体---甲烷是一种渗碳性气体，它在高温下能分解出大量碳原子渗入钢铁零件的表面使其增碳。

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[C ] + [FeO] = [Fe] + CO
2、碳氧浓度积 钢水中的脱C：
,
∆G O =98799-90.76T J ⋅ mol −1
∆G O =-22364-39.63T J ⋅ mol −1
[C ] + [O ] = [CO]
,
PCO PCO K= = a[C ] a[O ] f C f O [ %C ][ %O ]
( %CO ) × P × K × (1 − 5 X [C ] ) × X [C ]饱 ∴ X [C ] = 100 [100 − %CO ] 1 − 5 X [C ]饱
2
当铁液中渗碳量较低时（〔%C〕<1）时：
X [C ] =
55.85 × [ %C ] = 0.0465 [ %C ] 100 × 12
§4.3.2 脱C反应的动力学 反应的动力学 1、过程机理 ⑴氧从炉气向钢液中传递：（经过熔渣） 向渣中传递（渣气界面）
1 O2 + 2(FeO ) = Fe2 O3 2
钢渣界面
1 1 O2 + (Fe2 O3 ) = 2 Fe O2− 2
(
)
4(Fe2 O3 ) + [Fe] = 5 Fe 2+ + 7 O 2− + [O ]

PCO ↑→
2λ r
↑。
钢夜深度↑→ δ m ρ m g ↑→
[%C ][ %O]
↑→
[ %O ]平
钢夜-熔渣界面： PCO ≈ 1atm ，
[%C ][%O] = m = 0.0025
r →∞
，附加压力
⑵钢液表面：钢液表面形成的CO气泡为平展气泡，
2λ →0 r
， δm → 0
，
，
δ s ρs g
1 − 5 X [C ]饱 X [C ]饱
1 − 5 X [C ]饱 1 = 1 − 5 X [C ] 1 − 5 X C × X C 饱 [ ] [ ]
0 γ C =γ C × fC =
1 − 5 X [C ]饱 X [C ]饱
2
×
(
)
( %CO ) × P × K × 1 Q X [C ] = 100 [100 − %CO ] γ C
β C ， 为钢液中的传质系数。 （P369 例，自学）
[%C ][%O] = m = 0.0025
3、钢液不同部位的碳氧浓度积 由于钢液不同部位的PCO不同，故有不同的碳氧浓度积。 ⑴熔池内部： 只有钢水内部CO气泡内PCO满足下列条件时，气泡才能形成
2λ PCO ≥ Pg + δ m ρ m g + δ s ρ s g + r
PCO
：气泡内CO的压力，Pa； ：炉气压力，Pa；
①Nb、V、Cr、Mn等能形成比Fe3C稳定的碳化物，使[%C]↑ ②Si、P、S等能形成比Fe3C稳定的含铁化合物，使[%C]↓
§4.3 炼钢过程的脱碳 炼钢过程的主要反应是脱C，需要从铁水中去掉较多的C量，冶炼时间与C 氧化速率有关，由于碳氧化形成了大量的CO气泡，促进了熔池内其它化学反 应的进行，加强了熔池的传热与传质。 §4.3.1 碳氧化反应的热力学 1、C氧化反应的类型
Pg
δ m ρ m g ：钢夜的静压力，Pa；（ δ 钢夜的深度，m, ρm 钢夜的密度，） m
δ s ρs g
2λ r
：炉渣的静压力，Pa；
：气体的附加压力，Pa；（
λ ： N ⋅ m −1 ；r半径，m）
故：
[%C ][%O ] = mPCO = 0.0025 Pg + δ m ρ m g + δ s ρ s g +
⑴气体O2的脱C：
[C ] + 1 O2 = CO 2
∆G O =-136900-43.51T J ⋅ mol −1
∆G O =-22364-39.63T J ⋅ mol −1
⑵铁液中[O]的脱C：
[C ] + [O] = CO
此反应主要发生在铁水与炉底耐火材料的接触面上及铁水中的CO气泡表面上。
⑶熔渣中(FeO)的脱C：
∆G=-166550+171T J ⋅ mol −1
%CO2 ⋅P 100 [100 − %CO ] 100 = × γ C × X [C ] = × γ C × X [C ] 2 2 %CO %CO ) × P ( 2 ⋅P 100
2
( %CO ) × P × K × 1 X [C ] = 100 [100 − %CO ] γ C
d [%C ] 1 d [%O ] 1 × = × dτ 12 dτ 16
v[C ] = −
[O]
的扩散由以下的环节组成：
（1）渣中
(FeO)
向渣钢水界面的扩散
∗ ∗ ∗
(FeO ) → (FeO )∗
；
；
（2）界面反应：(FeO ) → [Fe] + [O ] （3）渣钢界面的 [O ]∗
∗ 向钢水中的扩散： O → [O ]
v[C ] = −
dn[C ] dτ dn[O ] dτ
= −Vm ×
v[O ] = −
= −Vm ×
=−
Q v[C ] = v[O ]
∴
d [%C ] ρ m d [%O ] ρ m − × =− × dτ 100 12 dτ 100 16
d [%C ] 12 d [%O ] =− × dτ 16 dτ
值较小，故： PCO ≥ Pg
[ %C ][ %O] = mPCO = mPg = m = 0.0025
⑶悬浮的金属液滴：当金属液滴进入熔渣或炉气中时,液滴表面的碳氧化形成 CO气泡。
铁滴位于气泡内部,
2λ <0 r
(r<0)，
PCO ≥ Pg −
2λ r
在铁液内产生CO气泡则：
PCO
2λ ，随着CO气泡的长大，当内压大 ≥ Pg + r
§4.2 生铁的渗碳 气体对铁的渗C反应 §4.2.1 CO-CO2气体对铁的渗 反应 生铁的渗C作用开始于固态海绵铁的渗C，大量发生则是当铁滴落的过程中 溶解碳素而形成。
2CO
海绵铁
C烟 + CO2
C烟 ===== [C ]海绵铁
2CO ==== [C ] + CO2
K= PCO2 PCO × a[C ]
2λ = m Pg − r
2λ = m Pg + r
于外压时液滴爆炸，脱碳加速。
铁在铁液内部：
[%CO ][%O ] = mPCO
[%CO ][%O] = mPCO
Pg ↓，减小
CO气泡在铁液内：
采用真空操作 ，加速脱碳。
δ m、δ s 可使
[%CO][%O] ↓
由于平衡时，钢液中的
[ %C ]
、[ %O ]
很低，可以认为
fC ⋅ fO = 1
K=
PCO [%C ][%O]
，
1 [ %C ][ %O ] m= = K PCO
T=1873K,m=0.0025 当 PCO = 1atm
[%C ][%O ] = mPCO = 0.0025PCO
（称为碳氧浓度积）
，
铁液的渗C §4.2.2 铁液的渗 海绵铁渗C后熔点不断降低熔化成为铁液，下落过程中会进一步溶解渗C使[%C]升高。
[ Fe ] + C焦 = Fe C
3
铁中碳的溶解度计算式：
[%C ] =1.34+2.54 ×10−3 t %C ] =1.34+2.54 ×10−3 t + 0.04 [ %M n ] − 0.30 [ %Si ] − 0.35 [% P ] − 0.40 [%S ]
钢铁冶金原理
内蒙古科技大学 材料与冶金学院冶金工程系
第四章
碳的氧化反应
第四章
碳的氧化反应
钢和铁都是铁-碳合金，钢铁冶炼工艺是和碳紧密联系在一起的。对于炼 铁碳是还原剂和发热剂，对炼钢脱碳反应涉及到熔池的各种化学反应。碳可 增加钢的强度、硬度、改变钢的组织，影响钢材性能。不论炼钢、炼铁发生 的均是碳的氧化反应。 §4.1 高炉风口前回旋区内碳的氧化 高炉风口前发生的主要是煤粉及焦炭的燃烧反应，煤粉的燃烧过程由煤 的热分解和碳的氧化两个过程组成，焦炭在炼焦过程中已完成了热分解，只 发生碳的氧化一个次过程。 风口前焦炭的燃烧分两种状态： ⑴层状燃烧：当风速较小时，焦炭相对静止，类似于炉蓖上的燃烧，具有典型 的层状燃烧的燃烧带的特点。
C[C ] =
[%C ] × ρ m
100 12
mol ⋅ m −3
C[O ] =
[%O] × ρ m
100 16
mol ⋅ m −3
dC[C ] dτ dC[O ] dτ =− d [%C ] ρ m 100 × 12 dτ d [%O ] ρ m 100 × 16 dτ
。
v[C ] = −
d [%C ] 12 d [%O ] =− × dτ 16 dτ
讨论：
(FeO)
、 [O] 的扩散哪个为扩散性环节？（P369 ：1）2）自学）
3、[%C]< [%C]临时的脱C速率：（[C]的扩散为限制性环节）
钢液中[%C]的扩散为限制性环节：
v[C ] = β C ×
PCO A × [%C ] − Vm K ⋅ [%O ]
（2）
aC ( 饱) = γ C ( 饱) × X [C ]饱 = 1
γ C (饱) =
fC (饱) =
1 X [C ]饱
(3)