《炼钢基础理论》PPT课件.ppt

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1、冶金学之炼钢篇,阎立懿东北大学钢铁冶金研究所2011年5月3日6月30日/1#教学楼301,（No3-4）,2023/7/19,东北大学/阎立懿,2,主 要 内 容,第一章 炼钢概述第二章 炼钢基础理论第三章 炼钢用原材料第四章 转炉炼钢法第五章 电炉炼钢法,2023/7/19,东北大学/阎立懿,3,第二章基础理论熔渣的物理化学性质 熔渣的主要作用、组成与分类 熔渣的物理性质及影响因素 熔渣的化学性质 分别见表：,2023/7/19,东北大学/阎立懿,4,熔渣作用、组成与分类,2023/7/19,东北大学/阎立懿,5,熔渣（液态）的物理性质,2023/7/19,东北大学/阎立懿,6,熔渣的化学

2、性质,2023/7/19,东北大学/阎立懿,7,第二章 炼钢基础理论,熔渣物理化学性质钢液物理性质钢液化学反应 硅锰氧化 钢液脱碳 钢液脱磷 钢液脱氧 钢液脱硫 钢液气体及夹杂物去除,2023/7/19,东北大学/阎立懿,8,2.2 钢液物理性质,主要包括熔点、密度、黏度、表面张力及导热能力。1）钢的熔点 钢的熔点是确定冶炼和浇铸温度的重要参数，熔点指钢完全转变成均一液体状态时的温度，或是钢冷凝时开始析出固体时的温度。熔点大小主要受化学成分的影响。纯铁的熔点约为15361539，当某元素溶入后，纯铁原子之间的作用力减弱，铁的熔点就降低（杂质降低熔点）。降低的程度取决于加入元素的浓度、原子量，以

3、及凝固时该元素在熔体与析出的固体之间的分配。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,9,钢的熔点的近似值：t熔=1538（或1539）（TJ），或 t熔=1536（TJ），式中 T 各元素使纯铁熔点的降低值，其中碳的影响最明显，尤其对碳素类钢；J某元素在钢液中的质量百分数，%。前述钢的熔点约在14501500范围，生铁的熔点约在11001200范围，均可以由上式估算出。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,10,2）钢液的密度 密度是钢液的重要物理性质之一，对研究钢液的结构、黏度、表面张力，以及分析钢液与炉渣（包括非金属夹杂）的分离、上浮等有重要意义。单位体积钢（或钢液）所具有的质量称为密度

4、：m/V,g/cm3、kg/m3或t/m3。液态钢和固态钢的密度差别较大，影响钢液密度的因素主要有温度和化学成分。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,11,温度影响 总的说来，随着温度升高，钢液的体积增加（原子间距增大）、密度降低。如纯铁密度，20时为7.88，1538时为7.23，1600时为7.03 t/m3，这与中、低合金钢液的密度7.0 t/m3相当。钢液密度随温度的变化：=8523 0.8358 Tk,kg/m3 式中 Tk热力学温度，K。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,12,成分影响 成分对钢液密度的影响比较复杂，一般认为，碳、硅、锰、磷、硫、铝、铬等元素增加可使纯铁密

5、度减小，其中碳的影响明显；而密度大的元素钨、镍、铜等元素可使纯铁密度增大，其中钨的影响最大。钢液的密度可按下经验式：1600=1600（J）在20时，钢的密度按下经验式：20=20（J）式中 纯铁在某温度下的密度，某元素使纯铁密度提高值；J某元素在钢液中的质量百分数，%。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,13,e.g 25钢1600时的密度？,按温度对钢液密度的影响计算：=85230.8358 Tk6958 kg/m37 t/m3 按成分对钢液密度的影响计算：16001600210%C60%Si7.5%Mn 164%Al55%Cr+43%W+6%Ni 703052.516.24.9695

6、6.4 kg/m3 7 t/m3 常用钢固态密度见表，表中也能看出成分的大致影响情况。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,14,2023/7/19,东北大学/阎立懿,15,3）钢液的黏度 黏度是钢液的一个重要性质，它对冶炼温度参数的制定、元素的扩散、非金属夹杂物的上浮和气体的去除，以及钢的凝固结晶都有很大影响。同熔渣黏度一样，钢液的黏度与流动性均表示钢液流动时流层内摩擦力的大小，二者互为倒数。一些液体的黏度见下表：,2023/7/19,东北大学/阎立懿,16,几种液体的黏度比较,2023/7/19,东北大学/阎立懿,17,影响钢液黏度因素主要是温度和成分。温度影响 随温度升高黏度降低，即流

7、动性变好。这是由于温度升高钢液密度降低、原子间距离增大、相互吸引力减小。成分影响 成分对钢液黏度影响比较复杂！碳 钢液中的碳对黏度的影响非常大，这主要是因为碳含量使钢的密度和熔点发生变化，从而引起黏度的变化。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,18,一般说来碳含量增加，密度降低、黏度降低。生产实践也表明，同一温度下，高碳钢的流动性比低碳钢液的好。因此，一般在冶炼低碳钢中，温度要控制得略高一些。但在C 0.15%0.4%时，钢液的密度、表面张力出现最小值与最大值，钢液的结构发生了变化，此时钢液中存在-Fe和-Fe两种结构的近程排列，密度是随碳含量的增加而增加，使得黏度增加。碳含量对钢液黏度的

8、影响见下图：,2023/7/19,东北大学/阎立懿,19,碳含量对钢液黏度的影响,图示：一般说来碳含量增加，密度降低、黏度降低（1550）。但当0.15%C0.40时，钢液中存在-Fe、-Fe两种结构（体心立方面心立方），密度是随碳含量的增加而增加，黏度增加。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,20,硅、锰、镍能使钢的熔点降低，所以含量增加，钢液黏度降低，尤其含量很高时，降低更显著。钛、钨、钒、钼、铬含量增加则使钢液的黏度增加，因这些元素易生成高熔点、体积大的各种碳化物。钢液中非金属夹杂物含量增加，钢液黏度增加，流动性变差。初期脱氧产物生成，夹杂物含量高，黏度增大，夹杂物不断上浮或形成低熔

9、点夹杂物，黏度又下降。脱氧不良，钢液流动性一般不好-。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,21,4）钢液的表面张力 钢液的表面张力对新相的生成，如CO气泡的产生、钢液凝固过程中结晶核心的形成；对相间反应，如脱氧产物、夹杂物和气体从钢液中的排除，渣钢分离，钢液对耐火材料的侵蚀等有着重要影响。使钢液表面产生自动缩小的力称为钢液的表面张力，用符号表示，单位为N/m。钢液的表面张力普遍高于炉渣的，大约在1.5 N/m。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,22,影响钢液表面张力的因素很多，主要有温度、成分及钢液接触物，其中影响最大的还是钢液成分。温度影响 对于一般液体温度升高、表面张力减少，但对

10、于碳素钢液来说，表面张力是随着的温度升高而增大。原因之一是温度升高表面活性物质，如C、O等的热运动增强，使钢液表面过剩浓度减小或浓度均匀化，从而引起表面张力增大。这也可从成分影响得到解释。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,23,成分影响 1550时，纯铁液的表面张力约为1.71.9 N/m。溶质元素对纯铁液表面张力的影响程度取决于它的性质与铁的差别大小。如果溶质元素的性质与铁相近，则对纯铁液的表面张力影响较小，反之则就较大。一般来讲，金属元素的影响较小，非金属元素的影响则较大。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,24,S、O是很强的表面活性物质，只要含有很少量的S、O就能使钢液的表面

11、张力大大下降。原因是它们在钢液中的生成物FeS、Fe0被排挤到钢液的表面，浓度出现偏差，导致表面张力急剧下降。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,25,Ni、Co影响较小，原因是与铁的性质相近；Mo加入钢液后，因产生一定的吸附作用，所产生的影响微小；Mn、Si等元素有减小表面张力的倾向；,2023/7/19,东北大学/阎立懿,26,C 对钢液表面张力的影响呈现出复杂的关系，由于钢的结构和密度随着碳含量的增加而发生变化，一般说来碳含量增加、密度降低、表面张力降低。见下图：,但当碳含量0.150.40范围时，钢液中存在-Fe、-Fe两种晶体结构(体心立方面心立方)，密度是随碳含量的增加而增加,

12、表面张力增加。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,27,5）钢的导热能力,钢的导热能力可用导热系数或热导率来表示，指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1，在1s内，通过1m2面积传递的热量，即当体系内维持单位温度梯度时，在单位时间内流经单位面积的热量，钢的导热系数用符号表示，导出单位为W/（m）。影响钢导热系数的因素主要有钢液的成分、温度、组织、非金属夹杂物含量及钢中晶粒的细化程度等。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,28,成分影响 通常钢中元素含量越多，钢的导热能力就越低。各种元素对钢的导热能力影响的次序为：C、Ni、Cr最大，Al、Si、Mn、W次之，Zr最小。合金

13、钢的导热能力一般比碳钢差，高碳钢的导热能力比低碳钢差。温度影响 各种钢的导热系数随温度变化规律不一样，800以下碳钢随温度的升高而下降，800以上则略有升高。钢组织的影响 一般具有珠光体、铁素体和马氏体组织的钢，导热能力在加热时都降低，但在临界点Ac3以上加热时将增加。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,29,碳含量对钢热导率的影响,2023/7/19,东北大学/阎立懿,30,温度对钢热导率的影响,2023/7/19,东北大学/阎立懿,31,2.3 钢液的化学反应,炼钢是在高温下、多相参加的复杂物理化学过程，如温度在16001700范围，气-渣-钢-耐火材料间进行：熔化与凝固、分解与化合、

14、溶解与析出及氧化与还原反应等。主要进行：硅锰氧化反应，钢液脱磷、脱碳、脱氧、脱硫反应，以及气体与夹杂物去除等。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,32,2.3.1 硅锰氧化,炼钢用的钢铁料含有硅、锰，对成品钢硅、锰的含量也有要求。因此，很有必要了解硅、锰在炼钢过程中的氧化和还原规律。炉料中的硅锰主要由铁水（生铁）、废钢等带入，在钢中无限溶解。在炼钢温度下被氧化成SiO2、MnO进入渣中。在一般碳素废钢中含Si 0.170.37，Mn 0.350.80。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,33,硅、锰对氧的亲合力均比较大，在任一种炼钢方法中硅、锰在吹炼或熔化初期就被迅速氧化，并放出大量热

15、，分析时钢液中硅氧化90，锰氧化50。硅、锰氧化及影响硅锰氧化的因素分析如下：,2023/7/19,东北大学/阎立懿,34,（1）硅的氧化 1）Si+2O=（SiO2）H=-542kJ/mol 或Si+2（FeO）=（SiO2）2Fe+2）2（CaO）+（SiO2）=（2CaOSiO2）Si+2O 或 2（FeO）+2（CaO）=（2CaOSiO2）+2Fe 分析：该反应是在钢中及渣-钢界面上进行的，是放热反应，硅氧化产生大量的热，是转炉炼钢的主要热源。反应的有利条件是：低温，高氧化性（高O、高FeO），高碱度（高CaO或低SiO2），对于造碱性渣的炼钢来说，硅氧化的很彻底，后期温度提高后也不

16、还原。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,35,（2）锰的氧化 Mn+O=（MnO）H=-244kJ/mol 或/和Mn+（FeO）=（MnO）Fe 分析：该反应是在钢中及渣-钢界面上进行的，是放热反应，锰氧化产生大量的热，也是转炉炼钢的热源之一。反应的有利条件是：低温，高氧化性（高O、高FeO）有利于锰的氧化；在碱性渣条件下，锰氧化不彻底，尤其当炉渣氧化性降低、温度升高及碱度提高时，钢液中锰含量回升，即出现“回锰”或“残锰”现象。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,36,钢液中残锰的作用:,在炼钢过程中，应尽量控制锰的氧化，以提高钢液中残余锰量，发挥残锰的作用：防止钢水的过氧化，或避

17、免钢水中含过多的过剩氧，以提高脱氧合金的收得率，降低钢中氧化物夹杂；可作为钢液温度高低的标志，炉温高有利于（MnO）锰的还原，残锰含量高；钢水中残锰的存在，减少Fe-Mn合金的用量，提高了金属及合金的收得率。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,37,2.3.2 钢液脱碳,1）脱碳反应的作用 脱碳反应是炼钢过程中极其重要的反应，对于转炉炼钢脱碳反应、降低钢中的碳是目的，而对于电炉炼钢脱碳反应、降低钢中的碳是手段。都需要降低钢中的碳，利用碳-氧反应（CO2 CO）这个手段，达到以下目的或发挥以下作用脱碳反应的作用如下：,2023/7/19,东北大学/阎立懿,38,降低钢中的碳（利用碳-氧反应发

18、挥以下作用）；搅动熔池、加大渣-钢界面，加速反应，均匀成分、温度；有利于去除钢中气体与夹杂；放热升温。实际上，炼钢就是利用吹氧脱碳来达到加速反应，均匀成分、温度，去除气体和夹杂的目的。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,39,2）脱碳反应热力学,脱碳反应式及平衡常数 溶解在金属液中的碳，一部分直接与气体氧反应，C1/22=CO，但大多数与溶解的氧反应：CO=CO H=-22.2 kJ/mol 此反应为一放热反应，反应平衡常数为：,2023/7/19,东北大学/阎立懿,40,碳-氧关系 为分析C-O的关系，取PCO1atm（1.0132105 Pa 100kPa），而且因%C（1%）低时，活

19、度系数fC、fO均接近，此时平衡常数可写成下式：,2023/7/19,东北大学/阎立懿,41,在一定温度、压力下（碳氧平衡），KC为一定值，令m%C%O，m称为碳氧积，也具有平衡常数的性质，而与反应物和生成物的浓度无关。当T1600、PCOatm时，KC 400，m0.0025（0.0024），即当反应达到平衡时，m为一常数，在坐标中表现为一双曲线，由此可以作C-O关系图，即碳氧平衡曲线。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,42,由图钢中C与O存在相互制约的关系：当C高时，则平衡O低；C低时，平衡O高，即熔池（需要的）含氧量主要取决于含碳量。这就是在炼超低钢时，后期（含碳量已经很低时）供氧

20、速度上不去，碳脱不下来的一个原因。,常压下碳氧浓度之间的关系碳氧平衡曲线,2023/7/19,东北大学/阎立懿,43,而实际值熔池中的碳氧关系如右图中上面曲线的情况（曲线向右移动），即只有在实际含氧量超过平衡所需要的含氧量时，脱碳反应才能继续进行：O实际 O平衡,2023/7/19,东北大学/阎立懿,44,脱碳反应条件 CO=CO,H=-22.2kJ/mol（HSiO2=-542kJ/mol）分析：该反应是在钢中进行，是放热反应。高氧化性，加强供氧，使O实际 平衡。高温，加速-间的扩散（由于脱碳反应是“弱”放热反应，温度对其影响不大，但从动力学角度，温度升高改善动力学条件，加速-间的扩散，故高

21、温有利脱碳的进行）。降低PCO，如充惰性气体（AOD炉），抽气与真空处理（VD、VOD炉）等均有利于脱碳反应。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,45,脱碳与气体、夹杂物的去除 炼钢过程气体与夹杂的去除是在那个阶段，怎么进行的？去气、去夹杂是在氧化脱碳阶段进行的。它是借助碳-氧反应、一氧化碳气泡的上浮，使熔池产生激烈沸腾，促进气体和夹杂的去除、均匀成分与温度。去气、去夹杂的机理？,2023/7/19,东北大学/阎立懿,46,去气、去夹杂的机理：C-O反应生成CO使熔池沸腾；CO气泡对N2、H2 等来说，PN2、PH2 分压为零，N2、H2极易并到CO气泡中，长大排除；C-O反应，易使2Fe

22、OSiO2、2FeOAl2O3及2FeOTiO2等氧化物夹杂聚合长大而上浮；CO气泡上升过程粘附氧化物夹杂上浮排除。为此，一定要控制好脱碳反应速度，保证熔池有一定的激烈沸腾时间。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,47,2.3.3 钢液的脱磷,一般说来，钢中杂质元素主要包括磷、硫和氧。1）磷在钢中的危害与存在形式 磷对绝大部分钢种都是有害的。它降低钢的塑性、韧性，在冷加工时，易产生裂纹，即“冷脆”现象，使钢的机械性能下降；易在钢中形成偏析，加剧磷在钢中危害。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,48,因此，钢对磷含量的要求十分严格，仅在极少数的钢中，磷才作为合金元素加入，如炮弹钢、耐腐蚀

23、钢等，一般钢对磷含量的要求见下表：,2023/7/19,东北大学/阎立懿,49,磷在钢中是以 Fe3P或Fe2P 形式存在，为方便起见，均用P表示。炼钢过程的脱磷反应是渣-钢界面上进行的，首先是P被氧化成（P2O5），而后与（CaO）结合成稳定的磷酸钙，其反应式如下：按熔渣的分子理论：2P+5（FeO）+3（CaO）=（3CaOP2O5）+5Fe 或2P+5（FeO）+4（CaO）=（4CaOP2O5）+5Fe 按熔渣的离子理论：2P+5O+3（O2-）=2（PO43-）或2P+5Fe2+8（O2-）=2（PO43-）5 Fe,2023/7/19,东北大学/阎立懿,50,2）脱磷反应与条件 脱

24、磷反应主要在渣-钢界面上进行：2P+5（FeO）+3(CaO)=(3CaOP2O5)+5Fe，H0 影响脱磷反应因素或有利条件：高氧化性，增加渣中氧；高碱度，造高碱度渣；低温H0，抓紧在熔氧前期进行；渣量适当大，流动性好，采取流渣、换渣操作。因为脱磷反应是可逆的，在冶炼后期温度升高时，有回磷现象，所以要尽量扒净高磷氧化渣或使渣-钢分离。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,51,3）回磷及其预防 按炼钢任务，炼钢过程要将钢水中磷脱出去（进入渣中），但脱磷反应是可逆反应，还必须防止回磷现象。炉渣的碱度低、氧化铁含量降低，或石灰化渣不好，或温度过高等均会引起回磷现象；出钢过程中由于脱氧合金加入不

25、当，或出钢下渣，或合金中磷含量较高等因素，也会导致成品钢中磷高于终点P含量。避免钢水回磷的措施：,2023/7/19,东北大学/阎立懿,52,避免钢水回磷的措施：流渣或扒出部分高磷炉渣；防止高温钢水出钢；挡渣或无渣出钢，尽量避免下渣；提高脱氧前或出钢后的炉渣碱度；采取出钢过程钢包脱氧（不在炉内脱氧）；加入钢包改质剂。否则，就需要二次氧化脱磷重新回炉！,2023/7/19,东北大学/阎立懿,53,4）还原脱磷 初炼钢水出钢后，进入还原精炼发现钢液磷高时，也可以加入比铝更强的脱氧剂，使钢液达到深度还原还原脱磷。通常加入Ca、Ba、CaC2，或Al-Mg、Ca-Al、SiCaBa等强还原剂，同时加入

26、萤石、石灰等造渣：3Ca+2P=3（Ca2+）+2（P3-）3Ba+2P=3（Ba2+）+2（P3-）3CaC2(s)+2P=3（Ca2+）+2（P3-）+6C,2023/7/19,东北大学/阎立懿,54,还原脱磷后的渣应立即去除（否则渣中的P3-又会重新氧化成(PO43-)而造成回磷），然后再进行脱氧、脱硫等精炼操作。因上述操作麻烦，且要用价格较高的强还原剂，故一般情况不采用。但在冶炼不锈钢时，尤其是含铬高的不锈钢，采用还原脱磷，可保证在铬等合金元素损失小的情况下，取得良好的脱磷效果。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,55,2.3.4 钢液的脱硫,1）硫在钢中的危害及其存在形式 硫与磷

27、一样，对大多数钢种是有害的，因为硫化铁在液体钢中能无限溶解，而在固体钢中几乎不能溶解，所以在钢液凝固过程聚集、析出，对钢造成危害。它降低钢的塑性、韧性，在热加工时，易产生裂纹，即“热脆”现象，使钢的机械性能下降；易在钢中形成偏析，加剧硫在钢中的危害。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,56,因此，钢对硫含量的要求十分严格，仅在个别钢中，硫才作为合金元素加入，如易切削钢中，以改善加工性能，含硫0.1 0.3。一般钢对硫含量的要求见下表：,2023/7/19,东北大学/阎立懿,57,硫在钢中以FeS的形式存在，FeS的熔点为1193，Fe与FeS组成的共晶体的熔点只有985。液态Fe与FeS可

28、以无限互溶，但在固熔体中的溶解度很小，仅为0.015%0.020%。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,58,当钢中的硫含量高（如0.025%0.045%）时，钢水在凝固过程中由于偏析使得低熔点Fe-FeS共晶体分布于晶界处，在11501200的热加工过程中，晶界处的共晶体熔化，钢受压时造成晶界破裂，即发生“热脆”现象。如果钢中的氧含量较高，则FeS与FeO形成的共晶体的熔点更低（940），加剧了钢的“热脆”现象的发生。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,59,2）脱硫反应及条件 钢液的脱硫主要是通过两种途径来实现，即炉渣脱硫和气化脱硫。在一般炼钢操作条件下，炉渣脱硫占主导，如电炉的还

29、原期及钢包炉的精炼过程。这在氧气转炉硫的衡算（炉渣脱硫占总脱硫量的90%，气化脱硫占10%左右）中也得到了证明。按熔渣的分子理论：FeS+（CaO）=（CaS）+（FeO）按熔渣的离子理论：S+（O2）=（S2）+（O）在酸性渣中几乎没有自由的O2，因此酸性渣脱硫作用很小，而碱性渣则不同，具有较强的脱硫能力。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,60,脱硫反应主要在渣-钢界面上进行：FeS+（CaO）=（CaS）+（FeO），H0 影响脱硫反应因素或有利条件：1）高碱度，造高碱度渣，但过高的碱度，常出现炉渣粘度增加，反而降低脱硫效果。2）减少渣中的氧化亚铁，创造强还原气分。3）高温()，同时

30、高温改善渣的流动性；4）渣量适当大，充分搅拌增加渣-钢接触。由于电炉或钢包炉精炼过程的还原气分强烈，（FeO）0.51.0，对脱硫特别有利。总之，脱硫的有利条件为：高碱度、低氧化亚铁及强还原气氛，高温，增加渣-钢接触及好的流动性*。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,61,2.3.5 钢液的脱氧,炼钢主要是氧化反应过程，为快速去除炉料中C、Si、Mn、P等杂质元素，冶炼前期必须供给足够（过量）的氧。当氧化结束后，钢液中溶解了过多的氧，见图右 浇注前需要加脱氧剂来减少钢液含氧量，此操作称为脱氧。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,62,（1）氧在钢中的危害 当钢液中溶解了过多的氧，钢液在

31、浇注结晶时，随着温度的下降，氧的溶解度减小，产生多余的氧，这将对钢造成危害：1）发生碳氧反应，使钢坯（锭）中产生气孔（皮下气泡、疏松），在轧制时开裂；2）硅、锰等再氧化，氧化产物来不及上浮，形成钢中夹杂；3）多余的氧在钢中，使硫的危害加剧，即Fe被氧化成FeO，FeO与FeS形成低熔点共晶体，分布在晶界上，热加工时，共晶体熔化，产生“热脆”。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,63,因此，钢对氧含量的要求也十分严格，尤其是对洁净钢氧含量的要求特别苛刻，某些洁净钢对氧含量的要求见表：,表中的ppm是英文parts permillion的缩写，译意为百万分之一，或称百万分率，如 40 ppm

32、0.0044010-6,2023/7/19,东北大学/阎立懿,64,（2）脱氧的目的及对脱氧剂的要求 1）脱氧的目的 将钢液中氧脱至需求的程度（保证钢液在凝固时能得到合理的凝固组织结构，如镇静钢3080ppm，半镇静钢50200ppm，沸腾钢100450ppm）；排除脱氧产物，如SiO2、MnO、Al2O3；得到细晶粒结构细化晶粒。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,65,2）脱氧原理 用与氧的亲合力比铁大的元素-脱氧剂，夺取钢中多余的氧。3）对脱氧剂的要求 依脱氧原理及脱氧目的可知，脱氧剂应具有如下性能：有一定的脱氧能力（即与氧的亲合力要比铁的大）；脱氧产物易于排除（即要求产物熔点低、密

33、度小）；改善钢的性能，如产物不能排除或不能彻底排除，应对钢的危害小，得到细晶粒结构；来源广，价格合适。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,66,常用脱氧剂：Fe-Mn、Fe-Si、Al、V和复合脱氧剂Mn-Si、Ca-Si、Al-Mn-Si 等，脱氧能力依次增加。其中复合脱氧剂是使用两种或多种脱氧元素制成的脱氧剂，例如硅锰、硅钙、硅锰铝等复合脱氧剂，复合脱氧剂有以下优点：可以提高脱氧元素的脱氧能力；有利于形成液态的脱氧产物，便于产物的分离与上浮；有利于提高易挥发元素在钢中的溶解度，减少元素的损失，提高脱氧元素的脱氧效率。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,67,（3）脱氧方法 常用的有

34、三种：沉淀、扩散、真空脱氧法。1）沉淀脱氧（直接脱氧）是将块状脱氧剂加入钢液中，直接进行钢液脱氧。沉淀脱氧反应式：xM块 yO(MXOY)常用的脱氧剂有：Fe-Mn、Fe-Si、Al、V和复合脱氧剂Mn-Si、Ca-Si等，脱氧能力依次增加。沉淀脱氧法的特点：操作简单，脱氧迅速；脱氧产物易留在钢中（当上浮时间短时）。此法常用在出钢前的终脱氧及电炉还原前的预脱氧。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,68,2）扩散脱氧（间接脱氧）扩散脱氧是将粉状脱氧剂加在渣中，使炉渣脱氧，钢中氧再向渣中扩散，间接脱出钢中氧。扩散脱氧反应式：x(M)粉+y(FeO)(MxOy)+yFe FeO(FeO)粉状脱氧

35、剂有：C、Fe-Si、Ca-Si、CaC、Al粉等。与沉淀脱氧法比较，扩散脱氧法的特点：反应在渣中进行，产物不进入钢中，钢质好；脱氧速度慢，时间长。此法常用在电炉的还原期及钢包炉的精炼期。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,69,3）真空脱氧法 利用 CO=CO,是将钢包内钢水置于真空条件下，通过抽真空打破原有的碳-氧平衡，促使碳与氧的反应，达到通过钢中碳去除氧的目的。此法的优点是脱氧比较彻底，脱氧产物为CO气体，不污染钢水，而且在排出CO气体的同时，还具有脱氢、脱氮及夹杂物排除的作用。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,70,4）综合脱氧 综合脱氧是沉淀脱氧与扩散脱氧的综合应用。传统

36、电炉炼钢就是采用沉淀与扩散法交替进行的综合脱氧法，即氧化末、还原前采用沉淀脱氧，进行预脱氧；还原期采用扩散脱氧，出钢前采用沉淀脱氧，进行终脱氧。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,71,2.3.6 气体和非金属夹杂物的去除,（1）气体的去除 1）来源与危害 气体（H、N）的主要来源：原材料、设备带入；电弧高温区气体的分解。后者是电炉钢H、N含量高于转炉原因。主要危害：氢使钢脆性增加，常在钢材的纵断面出现“白点”，横断面出现裂纹现象，严重者报废；氮使钢韧性降低，能使钢材出现“时效硬化”现象，即随着时间延长，强度和硬度提高，塑性、韧性下降。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,72,钢对气体

37、等含量的要求,“洁净钢”是指钢中有害元素少，非金属夹杂的数量少、尺寸小、分布均匀的钢。“洁净度（化）”的含义：一是最大限度的去除钢中S、P、O、N、H（有时包括C）等杂质元素的含量；二是严格控制钢中夹杂物的数量、成分、尺寸、形态及分布。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,73,2）脱气 传统电炉钢液的脱气是在氧化期的脱碳同时进行的（或者说只有在脱碳过程，才能进行脱气）。一定温度下，气体的溶解度与该气体在气相中的分压的平方根成正比，即西华特定律：,2023/7/19,东北大学/阎立懿,74,由西华特定律：温度T一定时，凡是能减少氢或氮气分压的均有利于钢中气体的去除，而C-O反应生成的CO气泡

38、对氢或氮来说相当于真空，因而有利于氢或氮气向CO气泡中扩散或转移，而且脱碳速度越快，去气速度就越快。也就是说，凡是有利于脱碳的条件均有利于去气。另外，炉底吹氩气、钢包吹氩及真空处理等去气效果明显。目前，钢的洁净度已达到50100ppm。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,75,（2）非金属夹杂物的去除 钢材中非金属相物质称非金属夹杂物。1）来源与危害 钢中非金属夹杂物按来源分为外来与内生夹杂：原材料、设备带入的杂质；混入的炉渣和耐材；脱氧产物，脱氧后的钢液在出钢、浇注过程的二次氧化产物，以及凝固过程中的反应产物。危害：钢中非金属夹杂的存在破坏金属的连续性，无论其数量、大小、形态及分布如何等

39、均不同程度影响钢的性能，应最大限度地减小。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,76,2）减少夹杂物的措施 减少夹杂物的措施主要从两个方面，一是堵住外来夹杂；二是强化去除内在夹杂，后者包括：保持炉内良好沸腾，利用C-O反应最大限度去除夹杂物；强化脱氧操作，保证脱氧充分，夹杂物上浮充分；减少二次氧化；钢包中镇静充分；采取无氧化浇注，等等。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,77,课后思考题,8、钢液的物理性质主要有哪些，温度、成分有何影响？9、炼钢过程中残锰含义，有什么作用?10、脱碳反应的作用及脱碳的有利条件，钢中-的关系，何谓碳氧积；11、磷、硫在钢中的危害，写出脱P、S反应方程式，分析脱P、S的有利条件（影响因素）；12、指出氧在钢中的危害，脱氧方法及其各自特点；13、钢中气体（、）来源及危害，降低钢中气体的途径；减少钢中非金属夹杂物的措施。,