第3章 基本理论

《钢铁冶金学》炼钢部分 刘增勋 第三章 理论基础 3－1 第三章 理论基础 第一节 脱碳反应 一． 脱碳反应对炼钢的影响 炼钢的主要任务之一，就是要把熔池中的碳降低到钢种要求的范围内，因此脱碳反应是炼钢过程中的一个主要反应。由于碳的蒸汽压不大，它不能从溶液中汽化而去除（即使在真空条件下）。在冶炼过程中，脱碳反应是通过C、O反应来实现的。 同时，脱碳反应对炼钢过程有多方面的影响： （1） 降低熔池中〔C〕含量：反应使熔池中〔C〕含量降低，达到钢种出钢要求； （2） 搅拌熔池，均匀熔池温度和成分：CO气体逸出，对熔池形成激烈搅动； （3） 促使形成乳化液和泡沫渣：CO气体产生泡沫渣和气—渣—金属三相乳化，对冶炼过程产生重大影响。。 （4） 清除杂质，改善钢水质量：上浮的CO气体有利于清除钢中气体，并带动夹杂物的聚集和上浮，从而提高钢的质量。 （5） 影响熔池温度：吹氧脱碳可以提高熔池内钢水温度；而矿石脱碳，由于矿石的升温和溶解是吸热过程，致使整体上为吸热过程（矿石是一种“冷却剂”）。 （6） 导致吹炼过程中的喷溅：CO气体溢出形成泡沫渣并造成熔池上涨，形成喷溅。

二． 碳在熔铁中的溶解 1． 溶解性 碳的熔点很高（3500℃），在冶炼温度下不熔化。但是，能够在钢水中溶解。P77反应式4，5，在1％C、1300~1800℃的情况下，00GG。 2． 溶解度 （1） Fe-C二元系：碳在铁中属于有限溶解， P78给出了计算公式。当1500℃时，C的溶解度为5.15%，而实际上因受其它元素的影响，溶解度有所改变。 （2） 多元系（其它元素的影响） 通过相互作用系数，铁水中的其它元素会影响C在铁中的溶解度。在常见元素中，Si、P、S等降低C的溶解度，而Mn、Cr、V等则增加碳的溶解度。 ① 铁水：一般生铁中为4%左右，高磷生铁3.6%左右，Si高时含碳量下降。 《钢铁冶金学》炼钢部分 刘增勋 第三章 理论基础 3－2 ② 合金：FeMn中C可以达到7％，FeSi中几乎不含碳，MnSi中％C介于两者之间。如P78图3-21，P25表2-16所示。 ③ 钢水：含Cr、Mn较高时，C的活度系数减小，在浇注和精炼过程中应防止增C。 3． 热效应：从溶解自由能来看P77反应式4和5，C溶解是吸热过程（0H）。 （1） 碳与铁组成的溶液不是理想溶液。但是，当〔％C〕<1时，1cf。 （2） 炼钢中增碳降温：碳溶解是吸热反应，同时增碳剂由室温升高到钢水温度也要吸热。因此，增碳量大时，出钢温降较大。  理论计算：0.10%，2.8℃，经验值：0.10%，5~10T℃

三．脱碳反应热力学 1． 脱碳反应式 在熔池内的〔C〕与溶解氧发生反应，反应式如下： 

COCO 2218638.38GT J/mol （A）



22COCO 18912452.78GT J/mol （B）

为了证明在熔池中反应的生成物，把以上两式合并，得到：P79表3-7中2式 

22CCOCO 144752129.57GT J/mol （C）

从上式中可以得到，最终的脱碳产物的存在形式： （1） 从上式可以看出，在标准态下，应生成CO气体。

（2） 在1600℃下，22536.73%COCOPKCP。通常，21COCOPP，即COP和2COP都小于1，

因此，2COCOPP。 （3） P80图3-22：在炼钢温度下，只有当0.1C％时，气相中CO2才能达到1%以上。  熔池中脱碳反应是按（A）式进行，即反应产物绝大多数是CO。 2． 平衡常数

脱碳反应 COCO 平衡常数如下：%%COCOCOCOPPKaaCOff

温度 ℃ 1500 1600 1700 K 454 419 390 《钢铁冶金学》炼钢部分 刘增勋 第三章 理论基础 3－3 可以看出，平衡常数随温度的变化不大；并且，随温度的升高而略有减低的趋势，即脱碳反应是一个弱放热反应。P79，表3-7中的1式数据。 3． 碳氧积 从脱碳反应的平衡常数关系式中，可以得到平衡时熔池内〔％C〕和〔％O〕的关系。

平衡常数关系式可以改写为：%%COCOPCOffK

为讨论方便，以m代表上式中的右项，即COCOPmffK，则上式可：%%COm 转炉冶炼时保持炉口微正压，而炉气中以CO为主，常取1 COPatm。同时，在〔％C〕较低时，CfOf接近1（《钢铁冶金原理》P362）。因此，1mK。 由于K与温度关系不大，可以认为在炼钢温度范围内，m基本上是常数。早在1931年的实验结果表明，在1600℃下，在1COPatm时，.00025m（或为0.0023）。 （1） 定义：在平衡条件下，钢液中〔％C〕和〔％O〕的乘积%%CO称为“碳氧积”，其值用m表示。 （2） 意义：熔池中〔%O〕和〔%C〕之间存在非常明显的函数关系。 ① 含量之间关系：〔%C〕高，则〔%O〕低；〔%C〕降低，必然引起〔％O〕升高。 ② 脱碳途径：要想降低〔%C〕，必须提高熔池中〔%O〕。 ③ 兑铁喷溅：炉内剩余钢水时喷溅；中途严禁兑铁。 （3） 严格来讲，m不是一个常数，其值受到COP和CfOf的影响。 4． 过剩氧 应该注意，“碳氧积”是一个平衡概念，是指在平衡条件下（而不是在实际熔池中），碳含量和氧含量的乘积。 在各种炼钢方法中，实际熔池中C、O反应都没有达到平衡，而〔％O〕都高于相应的理论值。P82图3-23和P146图4-8  在拉碳时，供氧已经结束，但是可以看到转炉内钢水沸腾。这一现象说明，在供氧结束后，熔池内C、O反应仍然继续反应。因此，在吹氧过程中熔池内的〔C〕和〔O〕一直没有达到平衡。 与熔池中〔%C〕平衡氧含量%O平衡和熔池内实际氧含量%O熔池之差，称为“过剩《钢铁冶金学》炼钢部分 刘增勋 第三章 理论基础 3－4 氧”%O，即： %O=%OO熔池平衡－％ 将%%mCO引入上式：1-%O=%Om%C熔池－  在实际熔池内，〔％C〕和〔％O〕的乘积必定大于碳氧积。 过剩氧%O的大小主要与脱碳反应的动力学条件有关。 （1） 在临界碳含量以上，脱碳反应的限制环节是O在熔池中的扩散过程，脱碳速度大、熔池反应剧烈、搅拌力强、反应接近平衡，过剩氧值较小。 （2） 在临界碳含量以下，脱碳反应的限制环节是C的扩散，脱碳速度下降、搅拌力差，〔O〕产生局部富集，过剩氧增加。  在复吹转炉上（唐钢150t）： ① 0.08%C，实测值约为400ppm，平衡氧含量为300ppm，即过剩氧约100ppm。 ② 0.04%C，实测值约为800ppm，平衡氧含量为600ppm，即过剩氧约为200ppm。 四．脱碳反应动力学 1． 脱碳反应的环节：从动力学的角度，熔池中碳和氧的反应至少包括三个环节。 ①反应物C和O向反应区扩散； ②〔C〕和〔O〕相互接触进行化学反应； ③反应产物CO或CO+CO2以气泡形式生成和排除。 2． 控制环节 （1） 气泡生成环节 生成理论认为，气泡的生成过程是先生成小气泡，然后不断长大。氧气转炉炼钢，氧流在反应区与金属直接接触，并有大量气泡弥散存在于金属熔池内，所以生成CO气泡很顺利，即气泡生成过程并不是脱碳反应的控制环节。 （2） 化学反应环节 一般认为，化学反应是否是控制环节，可由其表观活化能的大小来判断。当活化能250 Ekcalmol时，则化学反应是控制环节；当活化能200 Ekcalmol时，则化学反应是控制环节；处于两者之间，则为混合控制过程。 据测定，脱碳反应的表观活化能约为1535 250 ~kcalmolkcalmol。因此，可以认《钢铁冶金学》炼钢部分 刘增勋 第三章 理论基础 3－5 为化学反应本身并不是脱碳反应的控制环节。在高温下，COCO反应非常迅速，可以认为是一个瞬时反应。 （3） C和O扩散环节 通过以上分析，熔池中的〔C〕和〔O〕向反应区的扩散过程，是整个脱碳反应速度的控制环节。 3． 实际熔池中脱碳速度的变化 主要内容在P153~154 氧气顶吹转炉冶炼过程中，脱碳速度的变化情况如P153图4-17和4-18所示。 台阶形曲线：整个脱碳过程中脱碳速度变化的曲线。P153的定义。 由图可见，按脱碳速度吹炼过程分为三个阶段：前期、中期和后期。 （1） 吹炼前期 ① 意义：从供氧开始直到脱碳速度达到最大的冶炼过程。 ② 脱碳特点：在一炉钢的吹炼初期，整个熔池温度低（1250~1350℃），硅、锰的含量高。硅和锰首先迅速的氧化，脱碳反应受到脱碳速度很小。随着冶炼进行，随着Si含量逐渐降低至0，脱C速度逐渐增加至最大。 ③ 前期时间：与供氧工艺参数、铁水及废钢情况等因素有关。P154~156的例题计算，供氧强度为23minNmt时，前期时间为7.45min；目前，实际供氧强度达到43minNmt左右，前期时间降为4min左右。 ④ 控制环节：〔％Si〕、熔池温度和供氧条件成为控制脱碳反应速度的控制因素。 （2） 吹炼中期 ① 意义：从脱碳速度达到最大值直到开始下降的冶炼过程。 ② 脱碳特点：脱碳速度达到最大值，并随着供氧强度的提高而增加。如果供氧强度不变，脱碳速度几乎为定值，与〔％C〕无关。 ③ 中期时间：决定于供氧强度。中期脱碳量基本一定（约3%C），供氧强度高，则中期时间短。供氧强度为23minNmt，中期时间13.2min；供氧强度43minNmt，中期时间约7分钟。 ④ 控制环节：熔池中〔O〕的扩散（实际上决定于供氧强度）。 （3） 吹炼后期 ① 意义：从脱碳速度开始下降到吹炼结束的冶炼过程。