【本章学习要点】本章学习炼钢炉渣的来源、组成和作用，钢中元素氧化的规律及铁、硅、锰的氧化情况，硫对钢性能的影响，炉渣脱硫的基本反应和条件，氧在钢中的危害及脱氧的任务，元素的脱氧能力及各种脱氧方法的的特点，钢中气体、夹杂物对钢性能的影响，减少钢中气体和减少钢中夹杂物的途径。
第一节 炼钢炉渣
一、炉渣的来源、组成和作用
1．炉渣的来源
1) 由造渣材料或炉料带入的物质。如加入石灰、白云石、萤石等，金属材料中的泥沙或铁锈，也将使炉渣中含有（FeO）、（SiO2）等。这是炉渣的主要来源。
2) 元素的氧化产物。含铁原料中的部分元素如Si、Mn、P、Fe等氧化后生成的氧化物，如Si02、Mn0、Fe0、P205等。
3) 炉衬的侵蚀和剥落材料。由于高温、化学侵蚀、机械冲刷等方面原因使炉衬剥落，则耐火材料进入渣中。
4）合金元素脱氧产物及炉渣脱硫产物。 如用Al脱氧化生成的（Al2O3），用Si脱氧生成的（SiO2），以及脱硫产物（CaS）等。
2．炉渣的组成
化学分析表明，炼钢炉渣的主要成分是：Ca0、Si02、Fe203、Fe0、Mg0、P205、Mn0、CaS等，这些物质在炉渣中能以多种形式存在，除了上面所说的简单分子化合物以外，还能形成复杂的复合化合物，如2Fe0·Si02、2Ca0·Si02、4Ca0·P205等。
3．炉渣的作用
炼钢过程中熔渣的主要作用可归纳成如下几点：
1)通过调整炉渣的成分、性质和数量，来控制钢液中各元素的氧化还原反应过程，如脱碳、脱磷、脱氧、脱硫等；
2)吸收金属液中的非金属夹杂物；
3)覆盖在钢液上面，可减少热损失，防止钢液吸收气体；
4)能吸收铁的蒸发物，能吸收转炉氧流下的反射铁粒，可稳定电弧炉的电弧；
5)冲刷和侵蚀炉衬，好的炉渣能减轻这种不良影响，延长炉衬寿命。
由此可以看出：造好渣是实现炼钢生产优质、高产、低消耗的重要保证。因此实际生产中常讲：炼钢就是炼渣。
二、炉渣的化学性质和物理性质
熔渣的化学性质主要是指熔渣的碱度、氧化性和还原性。
熔渣的物理性质主要是指炉渣的熔点和黏度。
为了准确描述反应物和产物所处的环境，规定用“[ ]”表示其中的物质在金属液中，“( )”表示在渣液中，“{ }”表示在气相中。
1．炉渣的化学性质
(1)熔渣的碱度 炉渣中常见的氧化物有酸、碱性之分，其分类如下：
碱度是指炉渣中碱性氧化物与酸性氧化物浓度的比值，用“R”来表示。
碱度是判断熔渣碱性强弱的指标。去磷、去硫以及防止金属液吸收气体等都和熔渣的碱度有关，因此碱度是影响渣、钢反应的重要因素。
由于熔渣中Ca0和Si02的数量最多，约为渣量的60％以上，所以在熔渣含磷不高时，常以Ca0与Si02浓度之比表示熔渣的碱度，即：
R
若炉渣中含磷量较高，也可以表示为：
R
根据碱度高低，熔渣可分为三类：
1) R<1酸性渣
2) R=1 中性渣
R<1．5低碱度渣
3) R>1碱性渣 R=1．8～2．2 中碱度渣
R>2．5高碱度渣
(2)熔渣的氧化性 炉渣的氧化性是指熔渣所具备的氧化能力的大小。它对炼钢过程中的成渣速度、去磷、去硫、喷溅、金属收得率和终点钢水含氧量等均有重大影响。
根据炉渣的分子理论，Fe0能同时存在于渣—钢之中，并在渣—钢之间建立一种平衡(FeO)/ [FeO]，所以一般认为渣中的氧是通过Fe0传递到钢液中的。因而熔渣中的FeO含量便可代表熔渣所具备的氧化能力的大小，即熔渣的氧化性通常用渣中氧化亚铁总量乏(Fe0)表示。
渣中氧化铁含量即渣的氧化性，它对熔渣的反应能力及物理性能有重要的影响。转炉熔渣Fe0过低，造渣困难，炉渣的反应能力低。熔渣Fe0过高，又会造成喷溅，增加金属损失及炉衬侵蚀。因此，渣中氧化铁的含量应适当，在转炉冶炼过程中，一般控制在10％～20％为好。
(3)熔渣的还原性 熔渣的还原性和氧化性是炉渣的同一种化学性质的两种不同说法。
在碱性电弧炉还原期操作中，要求炉渣具有高碱度、低氧化性、流动性好的特点，以达到钢液脱氧、去硫和减少合金元素烧损的目的。所以应降低渣中的Fe0，提高渣的还原性。
电弧炉还原期出钢时，一般要求渣中的Fe0质量分数应小于0．5％，以满足出钢时对渣还原性的要求。
2．熔渣的物理性质
(1)熔渣的黏度 黏度是表示熔渣内部各部分质点间移动时的内摩擦力的大小。黏度的单位是泊(P)，1P=0．1Pa·S(帕·秒)。
黏度与流动性正好相反，黏度低则流动性好。
冶炼时，若熔渣的黏度过大，则物质在钢液及熔渣之间的传递缓慢，不利于炼钢反应的迅速进行；但若黏度过小，又会加剧炉衬的侵蚀。所以在炼钢时，希望获得适当黏度的炉渣。
影响熔渣黏度的主要因素是熔渣成分和温度。凡是能降低炉渣熔点的成分均可以改善熔渣的流动性，降低渣的黏度；熔池温度越高，渣的黏度越小，流动性越好。实际操作中，黏度的调节主要是靠控制渣中的Fe0、碱度和加入萤石等来实现的。
(2)熔渣的熔点 熔渣是多元组成物，成分复杂，当它由固相转变成液相时，是逐渐进行的，不存在明显的熔点，其熔化过程有一个温度范围。通常熔渣的熔点是指炉渣完全转变成均匀液体状态时的温度。
不同的氧化物和复合氧化物的熔点是不同的，炉渣中各种氧化物的熔点见表8—1。
表8—1 炉渣中各种氧化物的熔点
炉渣中最常见的氧化物大部分都有很高的熔点。炼钢温度下，这些氧化物很难熔化。但实际上，它们相互作用生成了各种复杂化合物，这些化合物的熔点低于原氧化物的熔点，从而降
低了熔渣的熔点。降低炉渣熔点的主要措施是：加入一定的助熔剂，如矿石(Fe203)、萤石(CaF2)等，以便形成低熔点的多元系化合物。
第二节 铁、硅、锰的氧化
在炼钢过程中，氧供入金属熔池后，元素随即开始氧化。无论是氧气顶吹转炉或是其它炼钢方法，元素的氧化速度可以不同，但都是按一定的次序进行的。一般地讲，硅、锰最先被大量氧化，而碳随后被迅速氧化，磷的氧化基本上可与碳同时进行。
元素氧化具有不同次序的原因，是由于各元素与氧的亲和力不同，与氧亲和力强的元素可以夺取更多的氧，首先开始大量氧化；反之，与氧亲和力弱的元素则夺得较小的氧，它的氧化就慢些。
1、当温度T＜1400℃时，元素的氧化顺序是：
Si Mn C P Fe
2、当1400℃＜T＜1530℃时元素的氧化顺序是：
Si C Mn P Fe
3、当T＞1530℃时，元素的氧化顺序是：
C Si Mn P Fe
铁和氧的亲和力小于Si、Mn、P与氧的亲和力，但由于金属液中铁的浓度最大，质量分数为90％以上，所以铁最先被氧化，生成大量的Fe0，并通过Fe0使其与氧亲和力大的Si、Mn、P等被迅速氧化。
在转炉中，Si、Mn、P、Fe在冶炼初期的大量氧化，使熔池温度迅速上升，为碳的迅速氧化提供了有利条件；同时也对炉渣的碱度和流动性等产生了较大的影响。
一、铁的氧化
铁的氧化反应是一个极其重要的氧化反应，它是其他元素进行氧化反应的基础。向金属液供氧的方式有两种：一是直接供氧，即吹入氧气；二是间接供氧，且加入矿石。因此铁的氧化方式也有两种：直接氧化和间接氧化。
直接氧化是指钢液中的元素直接和氧分子进行接触，而被氧化的反应，如：
间接氧化反应是指金属液中的元素直接和氧原子或Fe0接触而被氧化的反应，如：
[Fe]+[O]=[FeO] (放热)
铁被氧化后，其反应产物Fe0一部分进入炉渣，一部分继续存留在金属液中，并在金属液—熔渣之间建立动态平衡，它应服从分配定律，即
在一定温度下，为一常数，称为氧在炉渣和金属液中的分配系数。
二、硅的氧化
1．硅的氧化反应式
在碱性炼钢法中，Si的氧化对成渣过程、炉衬的侵蚀等都有重要的影响。
理论上Si的氧化反应也有直接氧化和间接氧化之分，但实际上，金属液中的Si、Mn元素很难直接与气态氧反应，所以金属液中Si、Mn、P元素的氧化均以间接氧化反应为主。
硅的间接氧化反应式如下：
Si的氧化产物只溶于渣，不溶于钢液。
2．Si氧化反应的主要特点
Si氧化反应的主要特点如下：
1) 由于Si与氧的亲和力很强，所以在冶炼初期，金属液中的Si便已基本氧化完毕。例如：转炉吹氧3min后，Si基本上全被氧化。同时，由于Si的氧化产物Si02，在炉渣中完全被碱性氧化物如Ca0等结合，无法被还原出来，因此硅的氧化是十分完全彻底的，最后只有微量的硅残留在钢液中。
2) Si氧化反应是一个强烈的放热反应，低温有利于Si氧化反应的迅速进行。Si是转炉吹炼过程中重要的发热元素。目前在转炉生产中，为了减少渣量，降低热损失，并提高金属收得率，已在广泛推广使用低Si铁水(叫[Si]<0．3％)，由降低铁水[Si]所失去的部分化学热，正在靠其他方法来解决，如提高铁水温度等。
三、锰的氧化
1．Mn的间接氧化反应式
[Mn]+(FeO)=(MnO)+(Fe) 放热
[Mn]+[FeO]=(MnO)+[Fe] 放热
Mn的氧化产物只溶于渣，不溶于钢液。
2．Mn氧化的特点
Mn氧化有以下特点：
铁水温度 1)Mn的氧化反应是放热反应，低温有利于Mn的氧化，故Mn的氧化主要在冶炼前期进行。
2)由于氧化产物Mn0是碱性氧化物，故碱性渣中不利于Mn的氧化。因此Mn不可能向Si那样完全被氧化。
3)当熔池温度升高后，Mn的氧化反应会逆向进行，发生Mn的还原，即产生“回锰”现象，使钢液中的“余锰”增加。
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