煉鋼脫碳反應是在煉鋼時鋼液中的碳與氧化合生成CO而被脫除的物理化學過程。脫碳反應可以分成3個環節：(1)氧通過渣層的傳質及鋼液內碳和氧的傳質;(2)碳和氧的化學反應;(3)CO向氣相逸出。
基本介紹
- 中文名：煉鋼脫碳反應
- 外文名：decarbonization in steelmaking
- 學科：冶金工程
- 套用領域：鋼鐵冶煉
- 作用：脫出剛液中的碳
- 過程：3個環節
介紹,反應方式,
介紹
碳是鋼中的主要合金元素，在鐵—碳系中，大多數鋼的含碳量都在1%以下，而生鐵的含碳量一般為3.5%～4.5%。因此，煉鋼過程必須進行脫碳。脫碳不僅是為了降低含碳量，脫碳反應生成CO氣泡(在含碳量很低時也生成少量CO2)，在析出時強烈地攪動熔池，這種現象稱為熔池沸騰。熔池沸騰可使鋼中氣體和鋼中非金屬夾雜物隨上浮的氣泡去除掉;使鋼水成分和溫度均勻化;以及增加氣—渣—鋼之間的接觸面積，加快反應速率，縮短冶煉時間。在平爐煉鋼和電弧爐煉鋼熔池中，CO氣泡的上浮所引起的沸騰，促進熔池由上向下的傳熱。可以說，脫碳反應實質上是一種非常有效的熔池攪拌操作。
反應方式
由於煉鋼中氧的來源不同，有3種形式的脫碳反應：
(1)吹氧氣脫碳時，金屬中的一部分碳可被氧氣直接氧化：
[C] + 1/2O2(氣)=CO(氣) (1)
反應的標準吉布斯能(J/mol)
△G°=-142000-40.79T
(2)金屬中大部分碳與溶解在金屬中的[O]相結合，發生如下的反應：
[C]+[O]=CO(氣) (2)
反應的標準吉布斯能
△G°=-25000-37.90T
(3)用鐵礦石作氧化劑時，礦石可直接氧化一小部分碳，或溶於渣中成為(FeO)，再與金屬中的碳按下式進行反應：
[C]+(FeO)=Fe(液)+CO(氣) (3)
反應的標準吉布斯能
△G°=+115000-98.18T
脫碳反應的生成物CO是氣體，只有當氣體有逸出條件時，反應才得以進行。在金屬液內部進行脫碳反應是不可能的，只有在爐襯耐火材料的空隙處以及已形成的氣泡表面上，CO氣體才有去處，脫碳反應方能進行。渣—鋼界面上也很難進行脫碳反應。所以渣中的(FeO)和氣態的O2大都先溶解於金屬，才能在氣—液界面上發生[C]和[O]的結合形成CO而進入氣泡中。但三種形式的脫碳反應的能量變化是有區別的。
反應式(1)、式(2)和式(3)的標準吉布斯能△G°均隨溫度的升高而降低，即升高溫度對脫碳反應有利。但三種反應的熱效應有所不同，反應(1)和(2)是放熱反應，但反應(3)是吸熱反應。反應(1)放熱量大，在氧氣煉鋼時，碳的氧化可作為熱的來源之一。反應(2)放熱量很小，不可能成為煉鋼的熱源，但它說明了沸騰鋼在鋼錠模內凝固時，溫度的下降促使該反應進行，使鋼水一邊沸騰一邊凝固。反應(3)是強吸熱反應，再加上加入爐內的礦石熔化和分解所吸收的熱使反應總吸熱量更大。平爐和電爐煉鋼以鐵礦石作為主要氧源，必須在熔池溫度很高時，才能加入礦石進行脫碳，否則加入礦石愈多，溫度愈低，脫碳反應被抑制;待爐溫重新升高后則反應爆發，將引起噴濺。而在氧氣轉爐中，鐵礦石是作為一種冷卻劑來使用的。
鋼液的組成物質主要是鐵的分子。不同形式的氧接觸鋼液後，除少量氣態氧直接和碳反應外，大多數的氧和鐵相結合形成氧化鐵進入爐渣。鐵有二價鐵和三價鐵，兩個原子價形態，在渣和氧化性氣氛接觸面上，二價鐵被氧化成三價鐵，三價鐵傳遞到渣鋼界面後，又被還原成二價鐵，同時把氧傳到鋼液中。(見圖1)碳和氧進一步傳遞到氣液界面上，例如爐底耐火材料的縫隙表面，在該界面碳和氧相互結合生成CO氣體而進入氣相。
所以，脫碳反應可以分成3個環節：
(1)氧通過渣層的傳質及鋼液內碳和氧的傳質;
(2)碳和氧的化學反應;
(3)CO向氣相逸出。
各環節中速率最慢的決定了整個脫碳反應的速率。在很高的煉鋼溫度下，化學反應速率一般很快，不會限制脫碳的進行。熔池中有氣相存在(如小氣泡和耐火材料上的縫隙)時，CO的逸出也沒有困難。最可能成為限制性環節的就是傳質過程。對傳質速率的影響因素首先是流動速度，其次還有流體的黏度、兩相接觸面積、傳遞距離的長短和兩端的濃度差等。提高溫度能加快傳質，但是影響程度有限。在平爐和電爐煉鋼中，爐渣成為一個整體層覆蓋在鋼液上面，氧必須通過渣層的傳遞，然後又通過鋼液中的傳遞才能到達氣液反應界面，平爐和電爐熔池中的流動速度相當低，所以傳質速率不大。在熔池較為活躍的純沸騰期，脫碳速率一般只有0.10%～0.15%C/h。在轉爐中，熔池攪拌強烈，流動速度大，鋼液和爐渣形成乳化狀態，有很大的接觸界面積，所以傳質速率大得多，轉爐脫碳速率可達14%～18%C/h(0.23%～0.3%C/min)。
轉爐煉鋼過程中，隨著含碳量的降低，脫碳速率由傳氧控制變為由碳的傳遞所控制。在碳高時，碳的傳遞比較有利，所以限制脫碳速率的主導因素是傳氧，這時只要加強供氧，脫碳速率能進一步增加。當碳被氧化到某個濃度時，由於碳降低，其傳質變慢，而氧傳質比較有利，這時傳碳成為脫碳反應的限制環節，脫碳反應逐漸減慢，即使加強供氧，只能造成氧在鋼液中積累而不能提高脫碳速率。
圖2所示的研究結果，恰好反映了脫碳過程的上述特點。脫碳速率顯著下降的碳含量稱為臨界含碳量。在臨界含碳量以下，氧的利用效率ηO2明顯降低，而鋼中含氧量明顯增高。這個事實也說明，碳氧結合成CO的反應在轉爐中仍然是攪拌熔池的主要動力，在臨界含碳量以下，由於熔池流動減弱，碳和氧的傳質都難以順利進行，供給爐子的氧大量在鋼液中積累起來。臨界含碳量的值隨條件而有不同：實驗室試驗所得值較低，在0.2%～0.3%C附近;而生產中的大爐子內，臨界含碳量可能高達0.6%～0.7%C。當轉爐爐底吹氣體攪拌時，增強了低碳時期熔池的攪拌，使碳和氧的傳質均得以加強。頂底復吹轉爐煉鋼法的實踐證明，隨著底吹氧量的增加，鋼中含氧量能夠減低，臨界含碳量也達到較低的數值。
熱力學觀點認為反應進行的限度是化學平衡。化學平衡用平衡常數來表示。脫碳反應的平衡常數:
上式中，假定活度係數f[c]和f[o]都等於1;故用濃度代表活度。另外對於氣相物質，規定在1atm壓力狀態為標準狀態，在1atm下的pCO=1。取Kc的倒數為m。
m=1/Kc=[%C][%O]
m稱為碳氧溶解度積，在溫度一定時它是常數。1931～1933年，瓦歇(H.C.Vacher)和漢密爾頓(E.H.Hamil-ton)測定1600℃時m=0.0025，以後又有多人對此作了詳細研究，得到數據近20個，但都在0.0020～0.0025範圍。用圖形表示，m為一條等邊雙曲線，鋼中含氧量隨碳的去除而升高(圖3)。
一般說，驅動力大時反應速率增大。轉爐中△[%O]較小然而脫碳速率卻大得多，這也說明影響脫碳速率的阻力因素不是化學反應，而是熔池的流動和反應面積。轉爐中強烈的攪拌作用，使反應界面處的碳得以迅速消耗傳來的氧，增大了脫碳速率同時降低了△[%O]。轉爐底吹氣體強攪拌時，有可能在最後使碳氧反應達到平衡。
