第3章基本理论

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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彺务之一，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一渣一金属三相乳化，对冶炼过程产生重大影响。。（4）清除杂质，改善钢水质量：上

2、浮的CO气体有利于清除钢屮气体，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，形成喷濃。二.碳在熔铁中的溶解1.溶解性碳的熔点很高（3500°C）,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°C的情况下，AG=AG°<0o2.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°C吋，C的溶解度

3、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。①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。②钢水：含Cr、Mn较高吋，C的活度系数减小，在浇注和精炼过程中应防止增C。1.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(AH〉O)。(1

4、)碳与铁组成的溶液不是理想溶液。但是，当〔％C〕<1时，Z-lo(2)炼钢中增碳降温：碳溶解是吸热反应，同吋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。f理论计算：0.10%,2.8°C,经验值：0.10%,Ar=5〜10°C一.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：[c]+[O]={CO}AG°=-22186-38.386TJ/mol(A)[C]+2[O]={CO2]AG。=-189124+52.7847J/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[C]+{CO2}=2{

5、CO}AG0=-144752-129.5777J/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160(TC下,K=^co[%c]pca=536.73。通常，巧。+<1,即PC()PC(K都小于1，因此，Pco□PCOl。(3)P80图3-22:在炼钢温度下，只有当[C]<0.1%时，气相中CO2才能达到1%以上。r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[C]+[o]={co}平衡常数如卜•：尺~^}=[%C][%O]fcfo温度°C150016001700454419

6、390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〔％0）的关系。平衡常数关系式可以改写为：[%C][%O]=—JcJoK为讨论方便，以m代表上式中的右项，即—=则上式可：[%C][%O]=mfcfoK转炉冶炼吋保持炉口微正压，而炉气中以CO为主，常取么同吋，在（％。因此，。K由于尺与温度关系不大，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°C下，在=l姗z时，m=0.0025（或为

7、0.0023）。（1）定义：在平衡条件下，钢液中〔％C）和（％0〕的乘积[%（3][%0]称为“碳氧积”,其值用m表示。（2）意义：熔池中〔％0）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〔％0）低；〔％C）降低，必然引起〔％0〕升高。②脱碳途径：耍想降低〔％C〕，必须提高熔池中〔％0）。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/^和人人的影响。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