第六章氧化反应 出是礼大膏, 主要知识点为: (1).直接氧化与间接氧化的概念和作用; (2)脱碳反应的作用及热力学、动力学条件; (3)l锰氧化反应、回锰的原因及拟制 (4).脱磷反应及其热力学条件 (5).脱硫反应及其热力学条件; (6)钢液脱氧方式; (7).西华特定律及气泡冶金; (8)不锈钢去碳保铬热力学条件及计算; (9)锌精矿焙烧、铜锍吹炼、粗铜精炼、镍冾金、铅冶炼 中涉及的氧化反应方程式的写法及计算
1 第六章 氧化反应 主要知识点为： (1).直接氧化与间接氧化的概念和作用； (2).脱碳反应的作用及热力学、动力学条件； (3).硅锰氧化反应、回锰的原因及拟制； (4).脱磷反应及其热力学条件； (5).脱硫反应及其热力学条件； (6).钢液脱氧方式； (7).西华特定律及气泡冶金； (8).不锈钢去碳保铬热力学条件及计算； (9).锌精矿焙烧、铜锍吹炼、粗铜精炼、镍冶金、铅冶炼 中涉及的氧化反应方程式的写法及计算
第六章氧化反应 出是礼大膏, 6.1概述 氧化还原过程伴随着火法冶金的始终。例如硫化物的氧化,铁液中各种杂质 的去除等过程都是氧化反应。炼钢过程是典型的氧化反应,本章将以炼钢反 应为例,分析氧化反应过程的特点。现代的各种炼钢方法在加热方式上虽然 不同,但是去除杂质的基本过程是一样的。大多数炼钢过程中去除杂质的主 要手段是向熔池吹入氧气或加入矿石)并加入石灰等材料造碱性熔渣。 炼钢过程可概括为“四脱二去,调温,调成分”,其中“四脱″指脱碳、脱 磷、脱硫、脱氧,“二去”指去气、去夹杂。 ≯本章要分析研究的主要是在吹氧和碱性渣条件下进行的C、S、Mn、P、S的 反应。 2
2 第六章 氧化反应 ➢ 氧化-还原过程伴随着火法冶金的始终。例如硫化物的氧化，铁液中各种杂质 的去除等过程都是氧化反应。炼钢过程是典型的氧化反应，本章将以炼钢反 应为例，分析氧化反应过程的特点。现代的各种炼钢方法在加热方式上虽然 不同，但是去除杂质的基本过程是一样的。大多数炼钢过程中去除杂质的主 要手段是向熔池吹入氧气(或加入矿石)并加入石灰等材料造碱性熔渣。 6.1概述 ➢ 炼钢过程可概括为“四脱二去，调温，调成分”，其中“四脱”指脱碳、脱 磷、脱硫、脱氧，“二去”指去气、去夹杂。 ➢本章要分析研究的主要是在吹氧和碱性渣条件下进行的C、Si、Mn、P、S的 反应
第六章氧化反应 目前认为在氧气转炉中是以间接氧化为主 1/2O 2(Fc) 2(Fc")+(O2-) 查 2(Fe2) 2(Fe)+(O2) [O I O]+[C] 图6-1炉渣传氧示意图 3
3 第六章 氧化反应 目前认为在氧气转炉中是以间接氧化为主
第六章氧化反应 是技大营 6.2脱碳反应 621脱碳反应的作用 脱碳反应是贯穿于炼钢过程始终的一个主要反应。炼钢的重要任务之 一就是要把熔池中的碳氧化脱至所炼钢号的要求。同时,脱碳反应的 产物---CO气体在炼钢过程中也具有多方面的作用: ●从熔池排岀C○气体产生沸现象,使熔池受到激烈地搅拌动, 起到均匀熔池成分和温度的作用 ●大量的C○气体通过渣层是产生泡沬渣和气-渣-金属三相乳化 的重要原因。 ●上浮的CO气体有利于清除钢中气体和夹杂物,从而提高钢的 质量。 ●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
4 第六章 氧化反应 6.2 脱碳反应 6.2.1 脱碳反应的作用 脱碳反应是贯穿于炼钢过程始终的一个主要反应。炼钢的重要任务之 一就是要把熔池中的碳氧化脱至所炼钢号的要求。同时，脱碳反应的 产物-----CO气体在炼钢过程中也具有多方面的作用： ⚫从熔池排出CO气体产生沸现象，使熔池受到激烈地搅拌动， 起到均匀熔池成分和温度的作用。 ⚫上浮的CO气体有利于清除钢中气体和夹杂物，从而提高钢的 质量。 ⚫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。 ⚫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
第六章氧化反应 出是礼大膏, 622脱碳反应的热力学条件 1.脱碳反应式 碳在氧气炼钢中一部分可在反应区同气体氧接触而受到氧化,反应式为: 2[C]+{02}=2{cO} (6-10) 碳也同金属中溶解的氧发生反应而氧化去除,反应式如下: [C]+O]={Co} (6-11) [C]+2[O]={cO2} (6-12) 在通常的熔池中,碳大多是按(6-11式发生反应,即熔池中碳的氧化产物 绝大多数是CO而不是CO2 5
5 第六章 氧化反应 6.2.2 脱碳反应的热力学条件 1．脱碳反应式 碳在氧气炼钢中一部分可在反应区同气体氧接触而受到氧化，反应式为： 2[C]+{O2}=2{CO} (6—10) 碳也同金属中溶解的氧发生反应而氧化去除，反应式如下： [C]+[O]={CO} (6—11) [C]+2[O]={CO2} (6—12) 在通常的熔池中，碳大多是按(6-11)式发生反应，即熔池中碳的氧化产物 绝大多数是CO而不是CO2
第六章氧化反应 是技大营 2.[CO乘积 为了分析炼钢过程中C]和O]间的关系,常将Pco取做一个大气压,并且 因为%C]低时,fC和fo均接近于1,因此可以用[%C]和[%0分别直接代入( 14)式,则该式可简化为: PCO PCO KC aCao [%C] [%O 为讨论方便,以m代表上式中的1/KC,则可写出: m=[%C]%O] (6-19) 此时,m值也具有化学反应平衡常数的性质,在一定温度和压力下应是 个常数,而与反应物和生成物的浓度无关。 6
6 第六章 氧化反应 2．[C][O]乘积 为了分析炼钢过程中[C]和[O]间的关系，常将Pco取做一个大气压，并且 因为[%C]低时，fC和fO均接近于1，因此可以用[%C]和[%O]分别直接代入(6- 14)式，则该式可简化为： PCO PCO KC =---------- = ------------- (6—18) aC•aO [%C]•[%O] 为讨论方便，以m代表上式中的1／KC，则可写出： m=[%C]•[%O] (6—19) 此时，m值也具有化学反应平衡常数的性质，在一定温度和压力下应是一 个常数，而与反应物和生成物的浓度无关
如上所述,因[C]十[O]=CO}反应的平衡常数随温度变化不大, 所以在炼钢过程的温度范围内,熔池中%和%O的乘积为一定值 [%C]和%O之间具有等边双曲线函数的关系。据早先1931年)在 1600°下实验测定的结果,在Pco=am时,m=0.0025(或为0.0023) 。这是炼钢文献上常用的理论上的[%C]和%O]的乘积数值 实际上m不是一个常数,据近来进一步研究证明,m值随[%C]的 增加而减少。其原因是:在碳低时由于反应(6-8)和反应(6-9) 同时发生,生成了CO2。在碳含量高时是由于活度系数不能忽略
7 如上所述，因[C]十[O]={CO}反应的平衡常数随温度变化不大， 所以在炼钢过程的温度范围内，熔池中[%C]和[%O]的乘积为一定值 ，[%C]和[%O]之间具有等边双曲线函数的关系。据早先(1931年)在 1600℃下实验测定的结果，在Pco=latm时，m=0.0025(或为0.0023) 。这是炼钢文献上常用的理论上的[%C]和[%O]的乘积数值。 实际上m不是一个常数，据近来进一步研究证明，m值随[%C]的 增加而减少。其原因是：在碳低时由于反应（6-8）和反应（6-9） 同时发生，生成了CO2。在碳含量高时是由于活度系数不能忽略
第六章氧化反应 各种炼钢方法中实际的熔池[O]含 量都高于相应的理论的含量;附图表 示了氧气转炉实际的[%C][%O]与相 应的理论值的比较。 如将与[%C]相平衡的[%O]平衡 值和实际熔池中的[%O实际之差称为 过剩氧△[%O],即△[%O}=[%O]实际 %O平,将上式代人m=%O][%C]2 式中,得到△%=[%O]实际m%]心0.0 平衡 过剩氧△[%O]的大小与脱碳反应 动力学有关。脱碳速度大,则反应接 近平衡,过剩氧值较小;反之,过剩 氧就更大些 0.061 0.1 C〔%〕 8
8 第六章 氧化反应 各种炼钢方法中实际的熔池[O] 含 量都高于相应的理论的含量；附图表 示了氧气转炉实际的[%C]·[%O]与相 应的理论值的比较。 如将与[%C]相平衡的[%O]平衡 值和实际熔池中的[%O]实际之差称为 过剩氧Δ[%O]，即 Δ[%O]= [%O]实际 一 [%O]平衡 ， 将上式代人m=[ ％O]·[ ％C] 式中，得到Δ[%O]= [%O]实际 一m[%O] 平衡 ， 过剩氧Δ[%O]的大小与脱碳反应 动力学有关。脱碳速度大，则反应接 近平衡，过剩氧值较小；反之，过剩 氧就更大些。 各种炼钢方法中实际的熔池[O]含量都高于相应的理论的含量；附图表示了氧气转炉实际的 [%C]·[%O]与相应的理论值的比较。 如将与[%C]相平衡的[%O]平衡值和实际熔池中的[%O]实际之差称为过剩氧 Δ[%O]，即 Δ[%O] = [ %O]实际 一[%O]平衡 （6 —20） 将(6—20)代人m=[％O]·[％C]式中，得到 Δ[%O] = [ %O]实际 一m[ %O]平衡 -1 ( 6 -21) 过剩氧 Δ[%O]的大小与脱碳反应动力学有关。脱碳速度大，则反应接近平衡，过剩氧值 较小；反之，过剩氧就更大些
出是礼大膏, 因CO反应产物为气体CO和CO2,所以当温度一定时,C-O平衡关系 还要受Pco或总压变化的影响 0030 P-0.1 MPa 0.025 P=0. 0013 MPa 025 0020 0.20 ≥0.015 015 0010 2 Mpa 005 0005 0040.81.21.62.02 00050.100.150.200.250.30035 C含量(%) c]含量/(%) (a)高压情况 (b低压情况 压力对碳氧平衡的影响 9
压力对碳氧平衡的影响 9 (a)高压情况 (b)低压情况 因C-O反应产物为气体CO和CO2，所以当温度一定时，C-O平衡关系 还要受Pco或总压变化的影响
第六章氧化反应 是技大营 从热力学条件考虑,影响脱碳反应的因素是: >(1)增大f有利于脱碳; >(2)增大fo和[%O]有利于脱碳; >(3)降低气相中CO的分压能使脱碳反应顺利进行 >(4)温度对脱碳反应的影响不大 10
10 ➢ (1)增大fc有利于脱碳； ➢ (2)增大fo和[％O]有利于脱碳； ➢ (3)降低气相中CO的分压能使脱碳反应顺利进行； ➢ (4)温度对脱碳反应的影响不大。 第六章 氧化反应 从热力学条件考虑，影响脱碳反应的因素是：