2022年第二章电炉炼钢原理基本知识.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 其次章 电炉炼钢原理基本学问第一节 炼钢有关的物理化学基本概念31. 为什么要学习电炉炼钢有关的物理化学基本概念？将生铁废钢炼成钢, 必需进行氧化熔炼； 使生铁废钢中的某些元素杂质去除到肯定程度； 它们是怎样进行精炼的, 以及如何使它们达到需要的程度,这些都是炼钢生产过程中极重要问题；应用化学热力学能够揭示炼钢过程中种种元素杂质氧化去除的可能性,去除的程度以及打算去除程度的各种因素；应用化学动力学可以揭示元素杂质氧化反应进行的机理、 进行的速度以及打算速度的各种因素；把握了这些规律, 就可以找出炼钢所需要的合理条件, 确定过程成效； 这对产品质量提高, 能耗下降有根本性意义,这些原理是炼钢生产有力工具,是节能的理论依据；32. 什么是系和相的概念？用来讨论化学变化的一组物质通称为系,例如电炉中的钢液、 炉渣、炉气就是一个系； 假如一个系中的全部组份的物理性质是一样的,没有分界面, 这个系就称为均一系, 例如水与酒精的混合物是均一系；假如一系中各个组成部份是不相同的,就称为不均一系；电炉中的钢液、炉渣、炉气就属不均一系；不均一系中的均一部分称相, 它以显著的分界面与其他部分分开,而且它的 性质也与其他部份不同；例由铁、碳、硅、猛 等元素组成的钢液是一个相,由于它在物理性质上是一样的；33. 什么是溶液？怎么来表示液态溶液的浓度？由两种或两种以上的物质构成的,其成份可变的匀称混合物称为溶液；例如炉渣就是有各物氧化物及其相互间形成的化合物组成的溶液；液态溶液的浓度常用重量百分数来表示；气体溶液的浓度通常以容积百分数表示；依据道尔顿定律在同等条件下容名师归纳总结 积、温度、气体混合物的总压力就等于各气体的分压总和；例纯空气由21氧；第 1 页,共 14 页78氮；1的其化气体构成；就在标准大气压下,这三者分压为：氧0.21 大气- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 压；氮 0.78 大气压； 其他气体 0.01 大气压； 因此气体溶液的浓度也可用不同气体组成物的分压来表示；34. 什么是反应的热效应？反应的热效应怎么表示？化学反应的进行的同时, 有放热或吸热现象； 反应所放出的热量或吸取热量叫做热效应；热效应通常应以“ 焦耳”J 表示,但冶金热力学中,为便利查阅传统冶金手册中的对应相关参数,也用“ 卡”cal 来表示；其换算关系是：1 卡（ cal ）=4.1868 焦耳（ J）大多数冶金反应都是在恒压下进行的；化学热力学认为, 在恒压下所进行的反应的热效应是一个变量,这个变量称为该系的热函变化,以字母 H来表示；通常某一系的热函,在反应前用 H1 来表示,在反应后用 H2 表示,就热函的变化为： H=H2-H1假如这化学反应为放热反应就H1>H2 HH1H2- x卡有时反应过程中, 以所能获得的最大热量 下 Q与 H的符号正好相反；例： H-67640 卡35. 什么是溶液的安排定律？假如某一物质溶解于两种不相溶的液体中,质在两种液体内的浓度比为一常数,就：Q来表示热效应大小, 在这种情形就在肯定的温度条件下, 这一物名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 式中 N1与 N2该物质在第一种与其次种溶液中的平稳浓度；LT安排常数,它是温度的函数；冶炼过程中,炉渣与钢液是两种互不相溶的液体,而S、P、O 就均按分配定律在炉渣与钢液中进行安排；如在仍原期的扩散脱氧操作, 就是以安排定律为依据的；在电炉炼钢中, 钢渣中的氧以 FeO的形式进入渣中； 实际上在仍原期整个扩散脱氧过程中,钢、渣两相中FeO始终没有达到平稳；假如渣中的 FeO在渣、钢中的存在方达到平稳；就在肯定温度下, （FeO）与FeO它的安排常数为：依据上式可说明当（ FeO）削减时,FeO就向渣中扩散, LFeO将不变；36. 什么是化学平稳？什么是化学平稳常数？大多数化学反应都具有可逆性； 在肯定条件下, 如正向反应速度和逆向反应 速度相等,反应双方物质的浓度长时间保持不变, 当物质系统达到了这一状态时,即为化学平稳；平稳常数表示方法：平稳常数的表示方法许多； 在相反应中, 对固体及液体溶液, 平稳常数可用 质量摩尔浓度或重量百分数表示的浓度求得；括号表示金属 例在反应 CFeO Fe+CO（以后我们用相中的物质,（）括号表示炉渣相中的各物质, 为气相物质）；其平稳常数 可写为：对于气体之间反应常用分压力来表示平稳常数,例 2H2+O22H2O其平稳常数名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 就为在某些有固体 （液体） 与气体同进存在的反应中, 平稳常数也可用蒸汽压来 表示；例： CaCO 3=Ca+CO 2其平稳常数就为：对于同一反应来说,各种表示方法所得出平稳常数值是不相等的；37. 化学平稳常数与温度、压力、浓度的关系是怎样的？（1）在物理化学我们知道,当参加反应的物质处于标准状态时,一个反应 的自由能变化与其平稳常数之间具有以下的关系： F° =- RTlgKN = -4.575 TlgK N 式中 F° 标准状态下的自由能变化 R气体常数,等于 1.987 ；4.575 R与 2.303 之乘积（ 2.303 是一般对数与自然对数之比） ；由此 lg KN=F° /-4.575T 由于 F° H° -T S°就：从上式可看出, 由于 H° 及 S 在很小的温度变化范畴内与温度关系很小；因此对炼钢过程中肯定温度范畴内,式可简化为： H° 及 S 可假定不变,这种情形下,上38. 什么是拉乌尔定律？什么是享利定律？钢液和炉渣都可以看作是一溶液, 假如把钢液近似地看作是一无限稀的溶液名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - （以 Fe 为基含有少量的合金元素和杂质）将炉渣近似地认为是完全溶液,就它们将听从享利定律和拉乌尔定律,和气体在钢中存在的规律；通过这两个定律, 能讨论合金元素在钢中溶解溶液中任何一种挥发性的组元都要挥发,对稳固溶液来说, 与该组元平稳的蒸汽压力总比它在纯粹状态时同温度下的蒸汽压小,由于液体中每一单位容积中这组元的分子数目削减了；当性质特别相像的物质组成溶液时,在肯定温度下,气液相平稳时, 溶液上方气相中任意组分所具有的分压,等于该组分在相同温度下的饱和蒸汽乘以该组分在液相中的分子分数；用数学式表示为：pA=PA XA 式中 pA气相中 A 组分的分压；PA 纯组分 A 在该温度下的饱和蒸汽压；XA 液相中 A 组分的分子分数；由此可见, A 组分在气相中所具有的分压pA 的数值只与该组分的饱和蒸汽压 或说成温度 及它在液相中的浓度有关； 当温度固定时,饱和蒸汽压数值固定,气相中组分的分压与该组分在液相的浓度 分子分数 成正比；当浓度固定时, 气相中组分的分压与饱和蒸汽压,也就是温度成正比； 这就是拉乌尔定律, 听从拉乌尔定律和溶液叫做抱负溶液；享利定律认为： 在肯定温度下, 气体在液体中的饱和浓度与液面上该气体的平稳分压成正比；它是英国的W.亨利于 1803 年在试验基础上发觉的体会规律；试验说明, 只有当气体在液体中的溶解度不很高时该定律才是正确的,此时的气体实际上是稀溶液中的挥发性溶质,气体压力就是溶质的蒸气压； 所以亨利定律仍可表述为：在肯定温度下,淡薄溶液中溶质的蒸气分压与溶液浓度成正比 气体 H2,N2,O2 等溶解钢中,可以认为是形成一种无限稀的溶液,由于气体的溶解是呈单原子的形式存在于铁中,根成正比；所以气体的溶解度与相平稳的压力的平方平方根定律可以看作是享利定律,在这样一个特殊条件下的详细应用；39. 什么是活度与活度系数？名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 活度是较为重要的热力学量, 为了要使实际溶液能听从由抱负溶液所得的规律（如拉乌尔定律、享利定律、质量作用定律、安排定律 ）,肯定要用活度代替浓度,所以也可以把活度理介为该物质的有效浓度；活度也可懂得为一个较正系数,所以有 = · N（浓度单位）, 为活度系数；按一般习惯,当浓度用质量摩尔浓度表示时,活度系数用 表示,即 i =i ·Ni ,当浓度用重量百分数表示时,活度系数用 f i 来表示,即 i =f i·Ci ,对炼钢过程来说, 钢液中各元素的浓度很低, 而浓度用重量百分数表示, 因钢液中各组元活度系数一般用 f i 表示,如 f si ,f o ,f c ；炉渣浓度用质量摩尔浓度表示,因此,炉渣中各组元活度系数一般用 i 表示, MnO, CaO, FeO40. 什么叫扩散？在冶金化学过程中, 通常扩散打算了化学反应的速度,提高扩散速度就会加速反应,缩短冶炼时间,所以很有必要明白扩散的实质,影响扩散的因素；扩散是由于系统中各部份浓度不同而引起的自发过程；在稳固状态下, 系统内各点的浓度随时间的变化的扩散现象听从菲克第肯定律,位时间内通过单位面积的扩散物质和它的浓度梯度成正比；式中：扩散速度； A界面积；即在稳固条件下, 单浓度梯度,表示单位距离内浓度的降低率；D扩散系数,其物理意义就是单位面积单位浓度梯度时的扩散速度（单位：厘米 2/ 秒）；在肯定的界面面积和浓度梯度下,扩散速度由扩散系数所打算； 扩散系数与扩散物质、介质的性质和温度有关；当温度越高,介质粘度越低,扩散物质质点 越小时,扩散系数就越大,扩散就越快；所以改善炉渣的流淌性,对促进冶金反 应的进行有着积极的意义；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 其次节 冶金炉渣理论基础41. 炉渣在冶炼中起什么作用？炉渣在炼钢过程中,具有极为重要的作用,“ 炼钢就是炼渣” ,“ 三分炼钢、七分炼渣” 是炼钢工人多年积存的实践生产体会；炉渣在冶炼过程中有下述的作用：（1）有良好的导热性,保证炉料顺当熔化；（2）能起爱护层作用,防止钢液散热,防止炉气中气体进入钢液,有良好 吸取从钢液中上浮的夹杂物；（3）调整不同炉渣成份,能去除钢中的硫、磷,保证炼钢过程按肯定方向 来进行；（4）炉渣就最大限度地保证操作过程中 缺失为最小；42. 炼钢炉渣有哪些物质组成？Fe、W、V、Ti 、Mo 有价值元素炉渣来源,有炉料组成元素的氧化物（例钢铁料中 Si 、Mn、P等氧化后生成SiO2、MnO、P2O5 等）、熔剂（萤石、石灰）及矿石、炉底和炉体砌砖,炉料中的砂土等等；炼钢中炉渣主要由氧化物组成； 依据化学性质不同, 基本可分为以下数类 （见表 2-1 ）：表 2-1 炉渣主要由氧化物组成名师归纳总结 类别碱性氧化物酸性氧化物双性氧化物第 7 页,共 14 页组成CaO、 MgO、FeO、 Na 2O 、K2O SiO2、P2O5、TiO2、V2O5Al 2O3、Fe2O3、Cr2O8Al 2O3S 碱性电炉炉渣主要化学成份如表2-2 ：表 2-2渣的成份（）项目SiO2CaO FeO MnO P2O5MgO 氧化渣8-15 40-50 12-30 5-7 0.5-2 810 1-2 仍原渣10-15 55-65 0.3-0.5 0.1-0.2 8-10 2-3 0.2-0.5 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 炉渣中的这些氧化物并非都是以自由状态存在的,不同的复杂化合物（见表 2-3 ）,例：它们彼此仍可以形成各种表 2-3 炉渣中的复杂化合物硅酸盐磷酸盐铝酸盐铁酸盐2FeO·SiO23FeO·P2O5FeO· Al 2O3FeO·Fe2O3Mn ·SiO23Mn ·P2O53CaO·5Al 2O3CaO· Fe2O32MnO ·SiO23CaO·P2O55CaO·3Al 2O33CaO· Fe2O3CaO·SiO23MgO · P2O53CaO· Al 2O3 43. 什么是炉渣的碱度？通常怎么表示炉渣的碱度？炉渣的组成是各类氧化物及带入的土泥及炉衬的脱落部份,碱度是炉渣的一项重要性质；炉渣碱度常以下式表示：当 R1 时叫做碱性渣, R<1时叫酸性渣；（1）表示碱度最常用的是 尔浓度表示；CaO与 SiO2 含量的比例,以重量百分数或质量摩（2）以上的表示方法对含P2O5 少的少的炉渣很便利,当渣中P2O5多时,经常采纳下述方法来表示碱度；例如渣中含有 40CaO,18SiO2,2P2O5,就碱度分别为：44. 什么是炉渣的熔点？CaO,Al 2O3,MgO,SiO2 它们的熔点分别为： 2570、2050、2800、1710,而我们冶炼过程温度一般处于1300° 1700,因此以上炉渣各种组成物熔点远远超过冶金过程中一般的温度,它们不行能以液态状态存在, 但实际上炉渣并非由一个组成物组成, 而有许多组成物构成； 这样炉渣熔点要比原组成物熔点低名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 得多；例如： CaO· SiO2 1544 MgO ·SiO2 1557 MaO· SiO2 1285 2FeO · SiO2 1205 从肯定温度开头, 为使炉渣加热至熔点所需的热量,加上炉渣本身熔化所需的热量及熔化过热到其实有温度所需的热量的总和称热容量；炉渣的熔化热和热容量越小, 就达到必需温度所消耗的热能（电能） 也就越少；45. 什么是炉渣的粘度和流淌性？各液体层间发生的内摩擦叫粘度 （n）；粘度以泊（达因· 秒/ 厘米2）为单位；粘度的倒数 =1/n 称为流淌性； 增加炉渣的流淌性, 可使物质在炉渣与钢液之间 的扩散反应加速；通常在肯定的温度下,当炉渣中高熔点组成氧化物（特殊 MgO,Cr2O3）的成份增加时,将会大大提高炉渣的粘度；46. 炉渣的化学成份与炉渣性质有什么样的关系？炉渣的化学成份与炉渣性质的关系, 常用状态图表示, 我们对 SiO2FeO系,CaOSiO2Al 2O3 二元、三元状态图作简洁介绍；CaOSiO2Al2O3系状态图如图2-1 所示；由图可以看出,有两个三重化合名师归纳总结 物：熔点为 1557的钙斜长石CaO·Al 2O3· 2SiO2 及熔点为 1598的弹性地蜡第 9 页,共 14 页2CaO· Al 2O3· SiO2,同时在图上仍有三个三重共晶体；成份为42SiO2,38CaO,20Al 2O3 的共晶体,其熔点为1266；成份为61SiO2,49CaO,11%Al2O3的共晶体,其熔点为1311- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2-1 CaO SiO2Al 2O3系状态图47. 炉渣的氧化才能？怎么表示炉渣的氧化才能？炉渣的氧化才能是炉渣的一很重要的性质；渣的强氧化才能作保证的；电炉冶炼的氧化过程就是依靠炉所谓炉渣的氧化才能, 就是炉渣在单位时间内自炉渣向熔池供氧的能量,炉渣理论中的分子学说认为渣中只有自由氧化铁才能向金属中扩散；所以炉渣中的氧化才能既取决于氧化铁的浓度,又取决于炉渣的粘度； 炉渣的氧化才能常以渣中氧化铁的浓度来表示；有这几种表示方法：（1）（%FeO）（2）（%FeO）+1.35（ Fe2O3）（ FeO）（3）1.287 × %（FeO）=%（FeO）（4）NFeO摩尔浓度表示（5）NFeO+NFe 2O3=N（ FeO）用氧化铁浓度表示炉渣氧化才能的方法是不够精确的；由于炉渣的氧化才能名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 不仅取决于氧化铁的浓度, 炉渣的碱度对其也有很大的影响,因此表示炉渣氧化才能的最好方法是用渣中氧化铁的活度 a（FeO；在 1600时纯的氧化铁炉渣下钢液溶解的氧为 数 Lo 可以用下式表示；纯氧化铁渣的活度a°（FeO1 0.23 ,那么它们的安排系O ° ： 1600纯氧化铁渣下氧在钢中的溶解度；当炉渣中存在 CaO、MgO、SiO2 时,钢液和炉渣间氧的安排系数不变,即在 非纯氧化铁炉渣的情形下,渣中的氧化铁的活度为：48. 氧在金属与炉渣之间的分布情形是怎样的？目前普遍认为氧是以FeO的形状溶于钢液中的；随着冶炼条件的变化,FeO可由（FeO）FeO,亦可从 FeO（FeO）；在达到平稳状态的情形下, FeO 在金属与炉渣间浓度依据安排定律有肯定的比值即：酸性炉渣 LFeO在 1600时的平均值为,而按体会数据所运算的碱性炉渣的 LFeO 值就较大；这就是说如酸性炉与碱性炉中 FeO的浓度相等,就碱性炉O高于酸性炉 O,可见碱性炉渣的氧化力大于酸性炉渣氧化才能；由于酸性渣中（ FeO）都以结合状态（铁橄榄石 就以自由状态存在；FeO· SiO2）存在,而在碱性渣中（ FeO）氧在液体铁中的溶解度与温度关系是：温度越高、 它的溶解度也越大； 在炼钢过程中,当 FeO/FeO>L FeO时,FeO 转入炉渣,钢液中氧的浓度削减,我们通常叫脱氧过程；反之 FeO/ （ FeO）<LFeO时炉渣中的 FeO转入钢液,我们通常叫氧化；名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 49. 氧自炉气转入钢液的传递情形是怎样的？由于炉渣掩盖于钢液面之上, 所以金属直接氧化的发生很困难,但是在炉气炉渣液态金属体系中,氧的传递工作能很好地进行；炉气中的氧、 H2O和 CO2（高温下 H2O和 CO2 易分解,故它们的氧化才能很大）与炉渣反应时,在炉渣与炉气交界面处将渣中的FeO氧化成 Fe2O3,由于渣表面层 Fe2O3 浓度提高,故 Fe2O3 经炉渣扩散至下层,并在炉渣与钢液的交界面上与Fe 起反应,被仍原为 FeO；这样,炉渣钢液交界面上的FeO平稳状态与炉气炉渣交界界面上的情形完全相反；因此就形成一个不断的循环；炉渣表面上因炉气作用,FeOFe2O3是氧化反应,而在炉渣与钢液接触界面 炉渣与钢液交界处重新形成的Fe2O3 就被仍原成 FeO；FeO部份返回炉渣上层再被氧化, 另一部份就与钢液中 C、Mn、S 等元素起反应,生成 CO或氧化夹杂物上浮于渣中；以上所述我们称双膜理论； 由于在冶金反应中, 许多是熔渣和钢液之间的反 应,它们属于液液相反应；例如：Mn （FeO）=（MnO）+Fe 液液相反应一般包括下述几个环节：（1）两相中的反应相分别由相的内部向界面传质；（2）在界面上发生化学反应；（3）反应产物由相界面分别向两相内部扩散；液液相反应的掌握环节一般有两类： 一是扩散速度,一类是界面反应速度；在炼钢的高温下, 化学反应的速度大多是很快的, 但是大多数冶金反应的传质速 度比高温下化学反应速度低得多；因此在液液相反应中,扩散是掌握环节；在讨论扩散为掌握环节的动力学中,应用最多的是双膜理论, 双膜理论把两相传质过程的阻力看作是集中在相界面两侧的两层膜上,这两层膜是相对稳固 的,不管两相内部湍流如何猛烈,但由于膜的阻抑,湍流不能达到界面；虽然实 际上过程并非完全如此, 但双膜的概念却构成了一个极易懂得的简化模型；这个 模型至今仍被广泛应用；名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 50. 冶炼过程中的有哪几个常见的炼钢反应？（1）脱碳反应：FeO+C=Fe+CO 反应生成的一氧化碳气体的逸出,使溶池产生沸腾, 造成剧烈搅拌, 因而加速了各种炼钢反应的进行, 也有利于去除钢液中的气体和非金属夹杂物,并可促使钢液成份和温度的匀称； 提高供氧强度, 改善炉渣流淌性, 上升温度等均可促进脱碳反应的进行；（2）硅、锰的氧化2FeOSi=2Fe+（SiO2）硅很简洁氧化, 在冶炼初期就几乎全部被氧化掉；氧化的结果是放出大量的热量,可显著上升钢液的温度； 由于二氧化硅是强酸性氧化物,进入炉渣后对炉 渣的碱度影响较大；FeO+Mn=Fe+MnO 锰也很简洁被氧化,是放热反应；（3）去磷2Fe2P+5FeO=P2O5+PFe P 2O5+4CaO=4CaO·P2O5 磷在钢中是有害的, 应在炼钢过程中尽量去除； 磷在铁中以 Fe2P 形式存在,它先与渣中的 FeO作用,生成 P2O5,然后 P2O5 再与所加入的石灰化合成稳 定的磷酸钙；整个反应是放热反应； 较低的温度, 合适的碱度, 良好的炉渣流淌性是去磷 的基本条件；（4）去硫 FeS （ FeS）FeS+CaO=CaS+FeO 硫在钢中以 FeS的形式存在,FeS先从钢液中转入炉渣, 然后再与渣中的 CaO 反应,生成稳固 CaS存于渣中；名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 整个反应是吸热的,高温、高碱度、流淌性良好的炉渣是去硫的基本条件；（5）脱氧反应由于要向钢液中供入大量的氧以去除杂质,因而当杂质氧化至所需程度时,钢液中却溶入了过多的氧,必需经过脱氧,才能获得满意要求的成品钢；脱氧方法主要有沉淀脱氧和扩散脱氧两种：沉淀脱氧：将含有Mn、Si 、Al 等元素的脱氧剂直接加入钢液中,使溶解于钢液中的 FeO仍原,生成不溶于钢液的氧化物,从而上浮排除；反应式为：2FeO+Si=2Fe+SiO 2 FeO+Mn=Fe+MnO 3FeO+2Al=3Fe+Al 2O3 此法脱氧速度较快,但脱氧产物简洁沾污钢液；扩散脱氧：向炉渣中加入Al 粉,C 粉, Si 粉,Si-Ca 粉等脱氧剂,降低渣中 FeO的含量,破坏渣钢间 FeO的平稳,使钢液中的 FeO转入炉渣中而达到脱 氧目的；此法时间长,但能获得较纯洁的钢液；51. 电弧炉进行热平稳的运算有什么作用？电弧炉的热平稳是依据能量守恒而建立的热量平稳关系式,详细地表达电弧炉的输入热、 有用热及各项热缺失的能量平稳；的是：（1）评判电弧炉运行的优劣；电弧炉进行热平稳工作的主要目（2）测算电弧炉的效率（如：电效率、热效率和总效率）；（3）测算各项热缺失的大小, 供应讨论节能技术的方向及提高效率的途径；（4）对冶炼工艺的改革、电弧炉设备的改造运行（如：制定合理供电制度等）供应依据；（5）为现场确定各项能耗指标（如：电耗等的确定）供应依据；名师归纳总结 - 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