第六章氧化反应 64脱磷反应 脱磷反应是炼钢过程的基本反应之一。对于绝大多数钢种来说,磷是一个有害元素,出 钢时一般要求钢水含磷≯0.03%。炼钢用的铁水含磷量变化很大,一般为0.1~1.0%,特殊 的高达2.0%以上。即使原料条件较好,炼钢过程亦有程度不同的脱磷仼务。随着生产的发展 对钢质量的要求越来越高,合金钢的比例不断增大,炉外处理技术已有很大发展,对出钢时 的含磷量要求也越加严格(出钢时[P]≯0.01)。在炼钢中磷是一个多变的元素,在炉内既可 以氧化,又可以还原,出钢时或多或少都要发生回磷现象。因此为了有效地完成脱磷任务, 掌握和控制炼钢中的脱磷反应是一项重要而复杂的工作, 64.1磷在钢铁冶炼过程中的还原和氧化 1.磷在高炉中的还原Ca3(PO)2中的磷被固体碳还原,反应如下: Ca3(PO1)2+3Cs=3Ca0+2P+5C0 (6-50) 因高炉内有大量的Si0,它能置换P203,可使磷还原变得更加容易 Ca3(P04)2+3S10=3Ca2Si04+2P203 2P2O5+10Ces=4P+1000 2Ca3(PO)2+3Si02+10Cs=3Ca2Si04+4P+10C0 (6-51) 还原出来的磷被铁所吸收,渣中仅有磷的痕迹,故可认为进入高炉原料中的全部磷都进 入铁水中。因此,在炼铁时控制生铁含磷量的唯一办法就是控制原料中磷的含量 2.铁水中磷的氧化分析溶于铁中的磷和氧作用生成P2O3(或P2O3o的条件。由有关的热 力学数据可以得出生成这两种产物的标准自由能变化与平衡常数的温度关系 2[P]+5[0]=P205 △G=-176950+127.95T 38600 IgK Pos(e=lg-- (6-53) [a]2·[a0 T 2[P]+5[0]=P2050 (6-54 △G°=-168350十133.65T ar205(g) 36800 IgK pos(=lg--- -27.2 (6-55) 在炼钢温度下,上列二式的平衡常数值大约各等于4.4×10°和28×100。虽然P2O3的沸 点只有864K,因同[P]和[0]相平衡的P20的分压力很低,所以不能因P03气化而脱磷。另外, 假定P203是液体,在渣中是饱和的(ar=1)。由上述平衡常数值亦可确定不能去磷。因为即使 在熔铁中氧饱和([O]=0。23%)的条件下,[P亦达到2.36×10°的高额数值。它说明P20很不 稳定,仅靠将含磷的熔铁氧化来生成液态或气态的P203而达到脱磷是根本不可能的。分析 (6-55)式可以看出,唯一的办法是降低a5 3.P203的稳定性——造渣的必要性用[‰0]、[%P]、Nr表示金属和熔渣中的重量百分 比浓度和摩尔分数,用f。、f和Ym分别表示各物质的活度系数,则(6-55)式中的平衡常数 可写做: Yr25·N f%P]2·fo%O第六章 氧化反应 119 6.4 脱磷反应 脱磷反应是炼钢过程的基本反应之一。对于绝大多数钢种来说，磷是一个有害元素，出 钢时一般要求钢水含磷≯0.03％。炼钢用的铁水含磷量变化很大，一般为0.1～1.0%，特殊 的高达2.0%以上。即使原料条件较好，炼钢过程亦有程度不同的脱磷任务。随着生产的发展 对钢质量的要求越来越高，合金钢的比例不断增大，炉外处理技术已有很大发展，对出钢时 的含磷量要求也越加严格(出钢时[P]≯0.01)。在炼钢中磷是一个多变的元素，在炉内既可 以氧化，又可以还原，出钢时或多或少都要发生回磷现象。因此为了有效地完成脱磷任务， 掌握和控制炼钢中的脱磷反应是一项重要而复杂的工作。 6.4.1 磷在钢铁冶炼过程中的还原和氧化 1．磷在高炉中的还原 Ca3(PO4)2中的磷被固体碳还原，反应如下： Ca3(PO4)2+3C(S)=3CaO+2P+5CO(g) (6—50) 因高炉内有大量的SiO2，它能置换P203，可使磷还原变得更加容易， Ca3(PO4)2+3SiO2=3Ca2SiO4+2P2O5 2P2O5+lO C(S)=4P+10CO(g) ------------------------------------- 2 Ca3(PO4)2+3SiO2+10C(S)=3Ca22SiO4+4P+1OCO(g) (6-51) 还原出来的磷被铁所吸收，渣中仅有磷的痕迹，故可认为进入高炉原料中的全部磷都进 入铁水中。因此，在炼铁时控制生铁含磷量的唯一办法就是控制原料中磷的含量。 2．铁水中磷的氧化 分析溶于铁中的磷和氧作用生成P2O5(g)或P2O5(l)的条件。由有关的热 力学数据可以得出生成这两种产物的标准自由能变化与平衡常数的温度关系 2[P]+5[O]= P205(g) (6-52) ΔG0 =-176950+127.95T PP205(g) 38600 lgK P205(g)=lg-------------= ------ - 27.97 (6-53) [aP] 2 ·[aO] 5 T 2[P]+5[O]=P205(l) (6-54) ΔG 0 =-168350十133.65T aP205(g) 36800 lgK P205(l)=lg-------------= ------ - 27.2 (6-55) [aP] 2 ·[aO] 5 T 在炼钢温度下，上列二式的平衡常数值大约各等于4.4×10-8和28×10-10。虽然P2O5的沸 点只有864K,因同[P]和[O]相平衡的P205的分压力很低，所以不能因P205气化而脱磷。另外， 假定P205是液体，在渣中是饱和的(aP205=1)。由上述平衡常数值亦可确定不能去磷。因为即使 在熔铁中氧饱和([O]=0。23%)的条件下，[P]亦达到2.36×10 6 的高额数值。它说明P205很不 稳定，仅靠将含磷的熔铁氧化来生成液态或气态的P205而达到脱磷是根本不可能的。分析 (6-55)式可以看出，唯一的办法是降低aP205。 3．P205的稳定性——造渣的必要性 用[%O]、[%P]、N P205表示金属和熔渣中的重量百分 比浓度和摩尔分数，用fo、fp和γP205分别表示各物质的活度系数，则(6-55)式中的平衡常数 可写做： γP205·N P205 Kp=------------------------- (6--56) f 2 P[%P] 2 ·f 5 O[%O] 5 119