脫磷反應

脫磷反應,是指首先是溶於金屬中的磷與爐渣中的FeO氧化,生成五氧化二磷,然後再與鹼性爐渣中的CaO反應生成穩定化合物磷酸鈣,進人爐渣被清除的反應過程。

減少鋼液中含磷量的化學反應。磷是鋼中有害雜質之一。含磷較多的鋼,在室溫或更低的溫度下使用時,輕易脆裂,稱為“冷脆”。鋼中含碳越高,磷引起的脆性越嚴重。一般普通鋼中規定含磷量不超過0.045%,優質鋼要求含磷更少。生鐵中的磷,主要來自鐵礦石中的磷酸鹽。氧化磷和氧化鐵的熱力學穩定性相近。在高爐的還原條件下,爐料中的磷幾乎全部被還原並溶進鐵水。如選礦不能除往磷的化合物,脫磷就只能在(高)爐外或鹼性煉鋼爐中進行。

基本介紹

  • 中文名:脫磷反應
  • 是否有害:有
  • 發生位置:爐渣與含磷鐵水的界面上進行的
  • 什麼是冷脆:磷較多的鋼更低溫度下使用易脆裂
減少鋼液中含磷量的化學反應,鹼性渣的脫磷作用脫磷反應,

減少鋼液中含磷量的化學反應

減少鋼液中含磷量的化學反應。磷是鋼中有害雜質之一。含磷較多的鋼,在室溫或更低的溫度下使用時,輕易脆裂,稱為“冷脆”。鋼中含碳越高,磷引起的脆性越嚴重。一般普通鋼中規定含磷量不超過0.045%,優質鋼要求含磷更少。生鐵中的磷,主要來自鐵礦石中的磷酸鹽。氧化磷和氧化鐵的熱力學穩定性相近。在高爐的還原條件下,爐料中的磷幾乎全部被還原並溶進鐵水。如選礦不能除往磷的化合物,脫磷就只能在(高)爐外或鹼性煉鋼爐中進行。
鐵中脫磷題目的熟悉和解決,在鋼鐵生產發展史上具有特殊的重要意義。鋼的大規模產業生產開始於1856年貝塞麥(H.Bessemer)發明的酸性轉爐煉鋼法。但酸性轉爐煉鋼不能脫磷;而含磷低的鐵礦石又很少,嚴重地阻礙了鋼生產的發展。1879年托馬斯(S.Thomas)發明了能處理高磷鐵水的鹼性轉爐煉鋼法,鹼性爐渣的脫磷原理接著被推廣到平爐煉鋼中往,使大量含磷鐵礦石得以用於生產鋼鐵,對現代鋼鐵產業的發展作出了重大的貢獻。

鹼性渣的脫磷作用脫磷反應

鹼性渣的脫磷作用脫磷反應是在爐渣與含磷鐵水的界面上進行的。鋼液中的磷[kg2][P][kg2]和氧[kg2][O][kg2]結合成氣態PO的反應:
2[P]+5[O]─→PO[145-1](1)1600時的平衡常數非常小(=4.4×10),[kg2]要靠天生PO氣體逸出而使鋼液脫磷,顯然是不行的。但假如鋼液和鹼性渣接觸,PO就會與渣中的氧化鈣(CaO)結合成穩定的3CaOPO或4CaOPO,總反應是:
2[P]+5[O]+3(CaO)─→(3CaOPO)(2)
1600時,=1.7×10或2[P]+5[O]+4(CaO)─→(4CaOPO)(3)
1600時,=3.5×10平衡常數如此大,說明鹼性渣的脫磷能力是很強的。熔渣離子理論以為:鹼性渣中含有自由的氧離子O,它能與PO結合成穩定的PO離子,脫磷反應是:
2[P]+5[O]+3(O)─→2(PO)(4)不管是分子理論或離子理論,但是有一個重要的事實是:3CaOPO4CaOPO和PO都有很高的熱力學穩定性。根據熔渣陰離子聚合模型(見馬松模型),PO還能與渣中的矽-氧鏈結構形成SiPO、SiPO、SiPO等穩定的複合陰離子。
渣量、FeO含量、溫度對脫磷的影響增大渣量,或將含磷多的爐渣放出,另造新的鹼性渣,都是使鋼液有效脫磷的措施。渣中含有足夠量的FeO不僅可以向鋼液傳送氧,還能使加進爐內的固體石灰更快地溶進渣中,使渣中自由的O離子增多,從而進步熔渣的脫磷能力。脫磷是放熱反應,溫度較低有利於反應的進行。
各種煉鋼方法脫磷的特點在平爐煉鋼及電弧爐煉鋼氧化期中,渣中含有足足數目的FeO;在氧氣頂吹轉爐煉鋼中,調節氧槍位置高低也可保持渣中含有一定量的FeO,在脫碳的同時也可以脫磷。但在空氣底吹轉爐煉鋼(托馬斯法)時,脫磷與脫碳不能同步進行。其主要原因是:空氣穿過鋼水時,其中的氧被矽、錳、碳的氧化所消耗殆盡,渣中缺乏足夠量的FeO,加進的固體石灰也很少溶進渣內,渣的脫磷能力很差。只有待吹煉後期,鋼中碳降到很低時,渣中FeO含量增大,使固體石灰迅速溶解進渣後,才能有效地脫磷。這稱為“後吹”往磷。氧氣底吹轉爐煉鋼也有類似的情況,主要靠後吹往磷。為避免後吹,可用吹進石灰粉或人造合成渣的辦法以加速石灰的溶解,提早往磷。
回磷及防止方法脫磷反應速度甚快,輕易接近平衡。在鋼水脫氧時,溫度較高,假如渣中CaO含量不夠高,加進脫氧劑後,鋼中溶解的氧減少,這些不利於脫磷的條件湊在一起,會使往磷反應的平衡向反方向轉移,鋼中含磷回升。這種現象稱為“回磷”。在氧氣頂吹轉爐煉鋼中,假如槍位過低、渣中FeO少,也會使渣趨於回磷。為減少回磷,應儘可能在出鋼時使渣量減少,並在渣中加進石灰,使渣變稠。電爐煉鋼在氧化期結束時,要儘可能地將含磷的氧化性渣排出爐外,以防止還原期回磷。
脫磷的定量計算可以採用下式:
[158-03]式中(PO)代表渣中的組分PO;[158-1]是渣中PO[kg2]的摩爾分數;[%P]、[%O]是鋼中磷和氧含量(重量百分數);[158-1]是渣中PO的活度係數,其值可由下式計算:
[158-04]式中[kg2][kg2]是盡對溫度;[158-101],[158-100],……分別代表渣中CaO,MgO,……等組分的摩爾分數。磷在熔渣和鋼液兩相的分配比(%P)/[%P]可用下式計算:
[159-01]式中(%P)、(%CaO)(%Fe)分別代表渣中磷含量、氧化鈣含量和全鐵含量(重量百分數);[%P]是鋼中磷含量(重量百分數);是盡對溫度。
參考書目
R.G.Ward,An.IntroductiontoPhysicalChemistryofIronandSteelmakin,E.Arnold,London,1962.
C.Bodsworth&H.B.Bell,PhysicalChemistryofIronandSteelManufacture,2nded.,Longman,London,1972.

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