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“铁”是怎么变身,成为“钢”的?

    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。

炼钢炉内,杂质的氧化主要是依靠FeO的存在而实现的。

2FeO2→2FeO


01
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·SiO2FeO,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


02
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。


03
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。


04
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。


05
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FeOCaS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CaSFeO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。


06
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


07
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:

炉渣应保证炼钢过程按一定反应方向来进行(氧化或还原)。

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。

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。


来源:金属材料的世界

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