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→2FeO 　　1.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·SiO2+2FeO 　　2.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+Fe 　　2MnO+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。 　　3.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。碳的氧化又是炼钢过程中很重要的一个反应： 　　C+FeO→CO+Fe 　　由于碳氧化时生成了CO气体，它从液体金属中逸出时起强烈的搅拌作用，这种作用叫做“沸腾”。产生沸腾的结果，可以促使熔池成分和温度均匀，加速金属与炉渣界面的反应，同时也有利于去除钢中气体和夹杂物。 　　4.磷元素的氧化 　　磷的氧化在不太高的温度下即可发生，去磷过程由几个反应组合而成，其反应如下： 　　2P+5FeO→P2O5+5Fe 　　P2O5+3FeO→3FeO·P2O5 　　当在碱性炉渣中有足够的CaO时会发生如下反应： 　　3FeO·P2O5+4CaO→4CaO·P2O5+3FeO 　　所生成的4CaO·P2O5是稳定的化合物，它牢固地保持在炉渣中，因而达到了去磷的目的。 　　必须注意，钢水在脱氧过程中，要加入硅铁、锰铁等脱氧剂，因而常常在脱氧以后，炉渣呈现酸性，而使3FeO·P2O5遭到破坏，从中还原出P2O5，而P2O5是不稳定的氧化物，它在高温下易被碳还原，产生回磷现象。这也说明了在酸性炉内去磷是十分困难的。为了防止这种现象的产生，必须适当地增加炉渣碱度和渣量，提高炉渣氧化性等。 　　5.硫元素的氧化 　　硫是以FeS的形式存在。当炉渣中有足够的CaO时，同样也能将硫去除，反应如下： 　　FeS+CaO→CaS+FeO 　　生成的CaS并不溶于钢水中，而形成了炉渣浮在钢水表面。 　　上面这个反应是可逆反应，而且是在含有FeO的炉渣中进行的，当FeO与CaS发生作用时，会使硫重新回到钢水中，所以去硫效率随渣中FeO的含量减少而增高。 　　而渣中含有足够的碳时，反应就不同了： 　　CaO+FeS+C→CaS+Fe+CO 　　由于碳夺去了FeO中的氧，失去了CaS与FeO作用的可能性，使反应不能逆向进行，这就是为什么电炉炼钢时去硫要比其他两种方法来得完全的原因。  　　在去硫过程中，锰也起了促进去硫的作用，其过程如下： 　　FeS+MnO→MnS+FeO 　　生成的MnS几乎不溶于钢水而进入渣中。因此，去硫的作用随锰的氧化而加大。 　　6.FeO的脱氧 　　通过上述一系列氧化反应以后，虽然杂质被氧化了，达到了去除的目的，但是也由于氧化的结果，使钢水中含有较多的FeO，也就是说钢水中存在着大量的氧，给钢带来很大的危害，一方面使钢带有大量气泡；另一方面也使钢出现热脆和冷脆现象，而且危害性随含碳量的增加而加大。 　　因此，在炼钢过程的最后，还必须设法去除钢水中大量存在着的氧。通常采用的方法是在钢水中加入一些脱氧剂，如锰铁、硅铁、铝等，它们强烈地从FeO中夺取氧而达到脱氧的目的，其反应如下： 　　FeO+Mn→MnO+Fe 　　2FeO+Si→SiO2+2Fe 　　3FeO+2Al→Al2O3+3Fe 　　7.炉渣的作用 　　整个炼钢过程由氧化和还原两个过程组成，通常把碳、硅、锰、磷的氧化称为氧化期内的反应，把脱硫和脱氧称为还原期内的反应。从以上各项反应式中可以看到，为了清除金属中的杂质，必须考虑多方面的因素，但是其中最主要的因素就是造渣和除渣。 　　炉渣在炼钢过程中具有下列重要作用： 　　①炉渣应保证炼钢过程按一定反应方向来进行（氧化或还原）。 　　②炉渣应保证最大限度地去除金属中的有害杂质（磷和硫），以及防止炉气中的气体（氮气和氢气）进入到金属中。 　　③炉渣应保证操作过程中铁和其他有价值的元素损失最小。   　　炼钢的基本方法 　　①转炉炼钢 　　转炉炼钢法就是利用空气或氧气，采取底吹、侧吹和顶吹的方式，使铁水中的元素氧化到规定限度，从而得到成分合格的钢的一种炼钢方法。 　　 　　②电炉炼钢 　　电炉是利用电能转变成热能来炼钢的，常用的电炉有两种：电弧炉和感应电炉。电弧炉用得最广，宜于冶炼优质钢和合金钢；感应电炉用于冶炼高级合金钢和有色合金。 　　 　　③平炉炼钢 　　随着工业的发展，金属加工工业中积累了大量废钢。当时无法用转炉将它重新吹炼成钢，因此炼钢工作者们就寻找一种用废钢作原料的炼钢方法。1864年由法国人马丁发明了平炉炼钢法。 　　 　　氧气顶吹转炉炼钢法的迅速发展，逐渐取代了平炉炼钢法。随着科学技术的进步，一些新的炼钢方法不断出现，比如钢水的真空处理、电渣炉熔炼、真空感应电炉熔炼等方法，早已得到了越来越多的使用。    

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