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1、炼钢原理 炼钢原理绪论：第一题：炼钢原理的目的与内容； 炼钢过程是一个在高温条件下，多相进行剧烈物理化学反应的过程。应用物理化学知识，对高温条件下的炼钢过程如炉渣碱度，熔池温度的调整与控制，各种杂质的去除以及出钢温度的选择，钢液成分的确定等进行研究，认识和掌握其中的规律，以便在炼钢生产中选择最佳炼钢工艺，进行合理操作，进而创造最适宜的条件，加快有利反应速度，抑制不利反应速度，缩短冶炼周期提高钢产量和质量。第二题：炼钢方法介绍：1. 转炉炼钢法：设备简单、投资少、见效快、生产周期短、生产效率高。其主要原材料是铁水，不需要从外部引进热源，而是通过向铁水吹入氧气，使铁水中的硅、锰、碳、磷等元素氧化，

2、从而释放出大量的热以及铁水的物理热作为热源，使钢液获得必要的高温来完成炼钢过程。转炉冶炼的主要钢种是低碳钢和部分低合金钢。2. 平炉炼钢法：炉体庞大、设备复杂、基建投资大、热效率低和冶炼时间长等缺点。3. 电炉炼钢法：必将成为现代钢铁生产的主要流程。 流程简捷，生产环节少，生产周期短 能耗低，约相当于传统流程能耗的一半 生产成本低，生产率高 投资少，占地面积小，建设速度快，资金回收周期短， 环境污染得到控制。4. 真空感应炉5. 真空电弧炉6. 电子轰击炉7. 电渣重熔及等离子精炼法第一章：炼钢过程中的物理化学基础知识第一题：热效应的定义：化学反应系统在不做非体积功的等温过程中，吸收和放出的热

3、量称为化学反应的热效应。按反应条件的不同分为：等温、等压、等容热效应 按反应类型的不同分为：生成热、燃烧热、溶解热、相变热等。热化学方程式的书写格式： 参加反应各物质的摩尔数 反应时的压力、温度。标准状态下可不标。 物质聚集状态。是气态、液态还是固态，固态有不同晶型也应分别标明。 把放映热效应数值写在对应化学方程式的后边，用H表示摩尔等压热效应，单位J或KJ。 第二题：基本概念： 系统 所研究的对象环境 和系统密切相关系统之外的物质性质 物理性质温度、压力、体积、浓度、密度、粘度、热力学 化学性质酸性、碱性、金属性、非金属性、氧化性、还原性等 状态 系统所有性质的综合表现状态函数 把随状态变化

4、而变化的系统的这些性质第三题：热力学第一定律定义：任何过程，当系统的能量发生变化时，必然伴随吸热或放热，对外做功或得到功，否则能量不可能变化，其变化规律为系统的热力学能变化等于从环境吸收的热量减去它对环境所做的功。数学表达式：U=Q-W（U：系统热力学能的变化值；Q：系统和环境交换的热量；W：系统对环境或环境对系统所做的功）第四题： Q p=H的显示意义在恒压只做膨胀功的过程中H（焓：单位物质所放出热量值；单位为J或KJ）的变化值表示化学反应的热效应，并规定H0 为吸热反应；H0； 过程或反应自发进行 G=0 过程或反应处于平衡状态 G PO2(FeO)PO2FeO第3题 杂质的氧化方式：直接

5、氧化气相中氧直接与熔池中的各元素如碳、硅、锰、磷、硫等进行反应；反应趋势的大小取决与 各元素氧化反应的自由能的变化情况 间接氧化气相中的氧首先与铁结合并生成(FeO)，然后(FeO)扩散到熔池中并溶于金属液中，与金属液中的元素作用第4题 硅在炼钢中氧化反应进行得十分迅速的原因：硅在熔铁中具有无限的溶解度，在铁液中可形成金属化合物FeSi，在炼钢温度下硅被氧化成强酸性的氧化物，因为硅与氧的亲和力较大，在冶炼初期 SiO2的分解压力和生成自由能G比碳、锰、磷的氧化物的分解压力和生成自由能都低，所以，硅极易氧化，氧化时放出大量的热。第5题 在碱性炼钢条件下发生硅的会不会还原：在碱性渣中SiO2的饱和

6、度（SiO2）很低，不会发生硅的还原；在酸性渣中（SiO2）1，当温度升高到一定程度将发生硅的还原反应。第6题 锰的氧化方程式 直接氧化1. 与气相中的氧反应 2MnO+O2=2(MnO) G=-361.65+0.107T(KJ/mol)2. 与金属中氧发生反应Mn+O=(MnO)G=-244.1+0.11T(KJ/mol)间接氧化Mn+(FeO)(MnO)+Fe G=-123.35+0.056T(KJ/mol) 钢液回锰量与温度的关系低温有利于锰的氧化。从锰的氧化反应方程式可以看出，锰的氧化是一个放热过程，在冶炼初期温度不高的条件下，与硅同时进行氧化，只是氧化程度略低于硅，这是因为锰与氧的亲

7、和力小于硅与氧的亲和力。第五章 脱碳反应第1题简述碳氧反应在炼钢过程中的作用1. 从熔池排出CO气体产生沸腾现象，使熔池受到剧烈的搅拌，起到均匀成分和温度的作用，并大大加速了造渣的过程；2. 上浮CO气体有利于清除钢中气体和夹杂物，从而提高钢的质量3. 大量的CO气体通过渣层是产生泡沫渣和气渣金属三相乳化的重要原因4. 在氧气转炉中，排出CO气体的不均匀性和由它造成的熔池上涨往往是产生喷溅的主要原因5. 在平炉和电弧炉中，活跃熔池强化传热过程 意义1. 加速反应物进入反应区和反应物离开反应区的转移速度，并通过增强炉渣金属的接触界面加速各种物理化学反应的进行2. 强化了向熔池传热过程3. 促进金

8、属和炉渣的温度及其成分的均匀化，并加速成渣过程4. 促进气体（氮与氢）和非金属夹杂物的排除，提高钢的质量。5. 在氧气转炉炼钢过程中，碳的氧化还是热量的重要来源第2题 表示平衡时钢中碳和氧关系C+O=CO分析实际炼钢熔池中碳氧关系第3题 分析脱碳反应的热力学条件(1): 增加fc有利于脱碳（2）：增加fo和Wc有利于脱碳（3）；降低气相中CO的分压能使脱碳顺利进行（4）：温度对脱碳的反应不大第4题 分析氧气顶吹转炉脱碳反应的机理与反应速度；机理：碳氧反应形式及CO气泡的生成地点：1. 高速氧流作用区2. 炉渣金属界面3. 炉底与炉衬的粗糙表面4. 金属炉渣气体乳浊液5. 沸腾熔池中的气泡表面反

9、应速度：氧气顶吹转炉的脱氧速度一般为0.10.4%C/min分析电炉脱碳反应的机理与反应速度:机理： 碳氧反应是在金属熔池中上浮着的气泡表面上进行的。气泡萌芽地区主要在金属液与炉衬的接触表界面上。熔炼过程中，当金属与含有大颗粒未熔固体的炉渣接触时，气泡也会在炉渣金属接触面上产生。 反应速度：最终应该取决于反应地区的供氧速度，单位时间内气泡表面输送的氧愈多，则单位时间由金属中被氧化的碳量也愈大。第5题 影响脱碳的因素：第1期： 吹炼初期：脱碳速度随吹炼时间几乎成直线地增加，可还是很小（碳氧反应）；在低温条件下，Si和Mn 剧烈氧化而夺取供给熔池的氧第2期：以恒定的脱碳速度进行脱碳反应进行时期，是

10、碳氧反应的剧烈阶段，此时碳氧速度受氧的扩散控制，只取决供氧强度，强度大，速度快，第3期：脱碳速度随时间成直线下降。碳的氧化速度，不决定于向熔池的供氧速度，而取决于碳的浓度和扩散，并与含碳量成正比。第六章 脱磷反应第1题：脱磷是炼钢重要任务之:金属溶液中磷氧化承认能够相应的氧化物并使其转移进入炉渣中而被去除。在炼钢中磷是一个多变的元素，在炉内既可氧化，又可还原，出钢后或多或少还会发生回磷现象！第2题：“冷脆”定义；在低温时尤为严重即钢在低温或常温条件下出现的脆裂或断裂现象 “冷脆”对钢的危害：随着钢中磷含量的增加，钢的塑性、韧性将降低，出现钢的 脆性现象第3题：合金元素磷的用途：在特定条件下，磷

11、作为合金元素可使钢获得某些特殊性能；例如：（1） 在炮弹钢中，加入磷；可以利用使钢变脆，以提高爆炸威力；（2） 易切削钢中加入含量为0.08%0.15%磷，有利于切削，提高刀具的使用寿命；（3）高磷薄板钢利用钢中的磷使薄板在轧制时不易粘合；（4）磷可以提高离心铸管钢钢液的流动性，使铸管壁变均匀；（5）可以提高钢的耐腐蚀，第4题：脱磷的基本反应的方程式：磷在钢液中能够无限溶解而氧化物P2O5的溶解度却很低，因此，要去除钢中磷，首先必须氧化磷，并使其氧化物进入炉渣，然后把磷的氧化物固定在炉渣中，且控制其再分解以防止再次回到钢液中去。 方程式； 2P+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO.P2O5

12、)+5Fe & 2P+5(FeO)+3(CaO)=(4CaO.P2O5)+5Fe 平衡常数表达式K=生成物/反应物 温度对脱磷平衡常数的影响：随着温度的升高而减小第5题：表示磷的分配系数：在实际生产条件下，脱磷的效果可用炉渣与钢液中的磷的浓度比值（即磷在渣与钢之间的分配系数Lp来表示:Lp= W(p)/Wp 分配系数的大小能说明的问题磷的分配系数表示了炉渣的脱磷能力。分配系数的值越大，说明炉渣中磷的相对含量越高，钢液中磷的所占的比例越少，炉渣的脱磷能力就越强，钢液中磷的去除就越安全。在炼钢过程中，由于熔池剧烈的沸腾，炉渣与钢液的成分搅拌，则在钢渣界面脱磷反应进行得越顺利。第6题：酸性操作不可能

13、去磷的原因:在酸性炉渣中，游离态的P2O5在炼钢操作温度下是不稳定的，液态铁可以将其中的磷还原到钢液中，因此酸性渣条件下不能进行脱磷操作。第7题：电弧炉炼钢过程中磷的变化规律：熔化期炉内温度不高，利用石灰和矿石，可以去除钢液中的大部分磷并在渣中形成稳定的磷酸钙；熔化后期再采用留渣操作，可以将磷降到规格之下，再重新造渣，可以防止磷被还原；氧化期碳激烈氧化，炉温逐渐升高，炉渣的脱磷能力逐渐降低还原期扒出全部的氧化渣，磷有少量的回升第8题：氧气顶吹转炉炼钢过程中磷的变化规律：吹炼的最初阶段硅、锰氧化激烈，待硅、锰降到较低含量的时候磷才开始氧化，且氧化速度也不大； 吹炼中期硅、锰氧化已基本完成，此时进

14、入碳、磷氧化阶段，一般在吹炼一半的时间，磷含量已达标，脱磷速度大于脱碳速度 吹炼后期钢液中磷含量较低，脱磷速度欲明显减小，如果炉温高，会有“回磷”现象第9题：渣中氧化铁对脱磷的作用：（FeO）在脱磷过程中有双重作用：1作为磷的氧化剂起氧化磷的作用；2充当把P2O5结合成(3FeO.P2O5)的基础化合物的作用，所以存在（FeO）是脱磷的必要条件 (FeO)还有促进石灰熔化的作用，是良好的石灰助熔剂第10题：渣中的氧化钙对脱磷的作用:CaO是使降低P2O5活度的主要因素，是脱磷的充分条件，1当提高渣中（CaO）含量，可以提高脱磷效果，2在（CaO）的质量分数为40%左右时P的分配系数达到最大，当

15、（CaO）继续增加，脱磷效果将降低第11题：炉渣中其他成分对脱磷的影响：炉渣中（MnO）的属碱性夹杂物，有一定的脱磷作用，但不及CaO渣中的(MgO)同样属于碱性氧化物，具有一定的脱磷能力，在铁水中溶解度为8%12%渣中(SiO)是妨碍碱性渣脱磷的有害组元 第12题：温度对脱磷的影响:脱磷为放热反应温度越低，对脱磷越有利。 应该指出，温度对脱磷反应的影响应从两方面来考虑：1. 由于脱磷反应是放热反应，高温不利于脱磷，而且高温促使脱碳速度增加，使渣中的（FeO）显著降低，也不利于磷的氧化；2. 熔池温度适当提高，能令石灰熔化速度加快，炉渣粘度降低，既增加了渣中自由氧化钙的数量，又提高了炉渣中各组

16、成部分的扩散速度，这就能强化钢渣界面反应，还可以加速磷自金属向炉渣的转移，这种影响有时可能超过K磷值降低对脱磷的不利影响。一般认为，在14501550范围内，以保证石灰充分熔化为前提，这个温度范围对脱磷最有效。第13题：渣量对脱磷的影响:炉料中的原始含磷量越高，则需要的渣量也越大。钢液中的残留含磷量随着渣量的增加而减少，但当渣量大到12%后，这种影响就逐渐减弱，这是由于渣量过大，渣层过厚，熔池不易沸腾，炉内温度不均匀，炉渣的流动性不好。 实验指出： 渣-钢界面面积增加一倍，去磷速度增加一倍；但渣量增加一倍，脱磷速度并没有增加一倍。 可见在实际操作中，分批造渣要比一次造渣的脱磷效果更好！ 原因：

17、 为使脱磷反应进行完全，必要的热力学条件是：较高的炉渣碱度（34）； 较高的氧化铁（15%20%） 较低的熔池温度（14501550） 渣量要大，可利用多次放渣和造新渣来去磷第14题：“回磷”定义：磷自炉渣重新返回钢液中去的现象 导致回磷现象发生的因素：1. 钢液温度过高2. 加脱氧剂降低了（FeO）的活度，使炉渣氧化能力下降3. 用硅、硅锰脱氧生成大量SiO2，降低了炉渣的碱度并促使磷酸钙分解4. 浇注系统耐火材料中的S iO2熔入渣中5. 转炉出钢过程中的下渣量、钢液与炉渣混合冲击的时间6. 浇注过程的延续时间第15题；减少或防止回磷的措施：1. 出钢前向炉内加入石灰，使终渣变稠以防止出钢

18、时下渣2. 用挡渣球、挡渣塞或滑动水口等机械方法防止出钢时下渣3. 出钢时向钢包渣面上加入小粒石灰以减弱炉渣的反应能力，尽可能缩短钢液在钢包内的停留时间4. 提高钢包内渣层的原始碱度或用碱度包衬5. 在操作上防止出钢温度过高6. 减少锰铁带入的磷量7. 在钢水位脱氧的情况下，出钢时可往钢流加CaO-CaF2-Fe2O3系渣，利用钢水温度降低及钢流落下的搅拌作用在钢包内使钢水脱磷。第七章 脱硫反应第1题： “热脆”：在高温下钢锭或钢坯在随后的轧制或锻造中，将会晶界处断裂的现象 钢中硫含量较高时引起“热脆”的原因：FeS的熔点1193，Fe-FeS形成的共晶体其熔点为985。在液态铁中，Fe和Fe

19、S均能无限地相互溶解，但FeS在故态铁中的溶解度却很小，仅为0.015%0.02%，所以当钢中含硫量高于0.02%时，在钢液的冷却、凝固过程中由于选分结晶的作用，硫在未凝钢液中逐渐浓聚，并被隔离在各枝晶见最后凝固，析出Fe-FeS低熔点共晶体，并呈网状聚集在原生晶界上，形成连续或不连续组织。第2题： 硫对钢性能的不利影响:1. 钢的横向延伸率和断面收缩率下降；易导致裂纹2. 降低了钢的塑性3. 高温焊接时易出现龟裂4. 易出现气泡5. 锡钢时，易损失磁滞硫对钢性能有利作用1. 生产易切削钢2. 可以提高刀具的寿命3. 硫化锰可获得良好的电磁性能第3题： 炉渣脱硫基本反应式 ：FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO) FeS+(MnO)=(MnS)+(FeO)FeS+(M