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煉鋼的基本原理知識總結
煉鋼先煉鐵。鋼從生鐵而來。用鐵礦石冶煉而得的生鐵，含碳量較高，而且含有許多雜質(如硅、錳、磷、硫等)。因此，生鐵缺乏塑性和韌性，力學性能差，除熔化澆鑄外，無法進行壓力加工，因而限制了它的用途。
為了克服生鐵的這些缺點，使它在工業(yè)上能起到更大的作用，還必須在高溫下利用各種來源的氧，把生鐵里面的雜質氧化清除到一定的程度，以得到一定成分和一定性質的鐵碳合金——鋼。這種在高溫下氧化清除生鐵中雜質的方法叫煉鋼。
煉鋼的基本原理
生鐵中的各種雜質，在高溫環(huán)境下，不同程度上都與氧有較大的親和力。因此可以利用氧化的方法使它們成為液體、固體或氣體氧化物，液體和固體氧化物在高溫下與爐襯和加入爐內的熔劑進行反應，結合成爐渣，并在扒渣時被排除爐外，氣體也在鋼水沸騰時被CO帶到爐外。
在煉鋼爐內，雜質的氧化主要是依靠FeO的存在而實現(xiàn)的。
2Fe+O2→2FeO
1.硅元素的氧化
硅與氧有較大的親和力，因此硅的氧化很迅速，它在冶煉初期就已經完全被氧化而生成SiO2：
Si+2FeO→SiO2+2Fe
同時SiO2又和FeO反應形成硅酸鹽：
2FeO+SiO2→2FeO·SiO2
這種鹽是爐渣中很重要的一部分，它與CaO作用生成穩(wěn)定化合物2CaO·SiO2和FeO，前者牢固存在于爐渣中，后者變成了渣中的游離成分，使渣中FeO的含量增加，對促進雜質的氧化是比較有利的。其反應如下：
2FeO·SiO2+2CaO→2CaO·SiO2+2FeO
2.錳元素的氧化
錳也是易氧化的元素，它所生成的MnO有較高的熔點，MnO在金屬液中并不溶解，但是它與SiO2形成化合物浮在液體金屬表面，成為爐渣的一部分。
Mn+FeO→MnO+Fe
2MnO+SiO2→2MnO·SiO2
硅、錳的氧化反應放出大量的熱，可以使爐溫迅速提高(這一點對轉爐煉鋼特別重要)，大大加速了碳的氧化過程。
3.碳元素的氧化
碳的氧化需要吸收大量的熱能，所以必須在較高的溫度下才能進行。碳的氧化又是煉鋼過程中很重要的一個反應：
C+FeO→CO+Fe
由于碳氧化時生成了CO氣體，它從液體金屬中逸出時起強烈的攪拌作用，這種作用叫做“沸騰”。產生沸騰的結果，可以促使熔池成分和溫度均勻，加速金屬與爐渣界面的反應，同時也有利于去除鋼中氣體和夾雜物。
4.磷元素的氧化
磷的氧化在不太高的溫度下即可發(fā)生，去磷過程由幾個反應組合而成，其反應如下：
2P+5FeO→P2O5+5Fe
P2O5+3FeO→3FeO·P2O5
當在堿性爐渣中有足夠的CaO時會發(fā)生如下反應：
3FeO·P2O5+4CaO→4CaO·P2O5+3FeO
所生成的4CaO·P2O5是穩(wěn)定的化合物，它牢固地保持在爐渣中，因而達到了去磷的目的。
必須注意，鋼水在脫氧過程中，要加入硅鐵、錳鐵等脫氧劑，因而常常在脫氧以后，爐渣呈現(xiàn)酸性，而使3FeO·P2O5遭到破壞，從中還原出P2O5，而P2O5是不穩(wěn)定的氧化物，它在高溫下易被碳還原，產生回磷現(xiàn)象。這也說明了在酸性爐內去磷是十分困難的。為了防止這種現(xiàn)象的產生，必須適當?shù)卦黾訝t渣堿度和渣量，提高爐渣氧化性等。
5.硫元素的氧化
硫是以FeS的形式存在。當爐渣中有足夠的CaO時，同樣也能將硫去除，反應如下：
FeS+CaO→CaS+FeO
生成的CaS并不溶于鋼水中，而形成了爐渣浮在鋼水表面。
上面這個反應是可逆反應，而且是在含有FeO的爐渣中進行的，當FeO與CaS發(fā)生作用時，會使硫重新回到鋼水中，所以去硫效率隨渣中FeO的含量減少而增高。
而渣中含有足夠的碳時，反應就不同了：
CaO+FeS+C→CaS+Fe+CO
由于碳奪去了FeO中的氧，失去了CaS與FeO作用的可能性，使反應不能逆向進行，這就是為什么電爐煉鋼時去硫要比其他兩種方法來得完全的原因。
在去硫過程中，錳也起了促進去硫的作用，其過程如下：
FeS+MnO→MnS+FeO
生成的MnS幾乎不溶于鋼水而進入渣中。因此，去硫的作用隨錳的氧化而加大。
6.FeO的脫氧
通過上述一系列氧化反應以后，雖然雜質被氧化了，達到了去除的目的，但是也由于氧化的結果，使鋼水中含有較多的FeO，也就是說鋼水中存在著大量的氧，給鋼帶來很大的危害，一方面使鋼帶有大量氣泡;另一方面也使鋼出現(xiàn)熱脆和冷脆現(xiàn)象，而且危害性隨含碳量的增加而加大。
因此，在煉鋼過程的最后，還必須設法去除鋼水中大量存在著的氧。通常采用的方法是在鋼水中加入一些脫氧劑，如錳鐵、硅鐵、鋁等，它們強烈地從FeO中奪取氧而達到脫氧的目的，其反應如下：
FeO+Mn→MnO+Fe
2FeO+Si→SiO2+2Fe
3FeO+2Al→Al2O3+3Fe
7.爐渣的作用
整個煉鋼過程由氧化和還原兩個過程組成，通常把碳、硅、錳、磷的氧化稱為氧化期內的反應，把脫硫和脫氧稱為還原期內的反應。從以上各項反應式中可以看到，為了清除金屬中的雜質，必須考慮多方面的因素，但是其中最主要的因素就是造渣和除渣。
爐渣在煉鋼過程中具有下列重要作用：
①爐渣應保證煉鋼過程按一定反應方向來進行(氧化或還原)。
②爐渣應保證最大限度地去除金屬中的有害雜質(磷和硫)，以及防止爐氣中的氣體(氮氣和氫氣)進入到金屬中。
?、蹱t渣應保證操作過程中鐵和其他有價值的元素損失最小。
煉鋼的基本方法
?、俎D爐煉鋼
轉爐煉鋼法就是利用空氣或氧氣，采取底吹、側吹和頂吹的方式，使鐵水中的元素氧化到規(guī)定限度，從而得到成分合格的鋼的一種煉鋼方法。
②電爐煉鋼
電爐是利用電能轉變成熱能來煉鋼的，常用的電爐有兩種：電弧爐和感應電爐。電弧爐用得最廣，宜于冶煉優(yōu)質鋼和合金鋼;感應電爐用于冶煉高級合金鋼和有色合金。
?、燮綘t煉鋼
隨著工業(yè)的發(fā)展，金屬加工工業(yè)中積累了大量廢鋼。當時無法用轉爐將它重新吹煉成鋼，因此煉鋼工作者們就尋找一種用廢鋼作原料的煉鋼方法。1864年由法國人馬丁發(fā)明了平爐煉鋼法。
氧氣頂吹轉爐煉鋼法的迅速發(fā)展，逐漸取代了平爐煉鋼法。隨著科學技術的進步，一些新的煉鋼方法不斷出現(xiàn)，比如鋼水的真空處理、電渣爐熔煉、真空感應電爐熔煉等方法，早已得到了越來越多的使用。
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