《冶金原理》课程教学课件（讲稿）07 氧化熔炼反应

内容大纲7.1氧化反应的热力学7.2 Mn、Si、Cr的氧化反应7.3脱碳反应7.4脱磷反应7.5脱硫反应7.6脱氧反应

内容大纲 7.1氧化反应的热力学 7.2 Mn 、Si 、Cr的氧化反应 7.3 脱碳反应 7.4 脱磷反应 7.5 脱硫反应 7.6 脱氧反应

氧化熔炼在氧化剂的作用下，使粗金属中过多的元素即超过产品金属允许含量的元素杂质通过氧化作用分离除去。“四脱”C、P、S、O炼钢的任务人“二去”一一气体、夹杂物“两调整”-成分、温度一炼钢的绝大部分任务都需要通过氧化熔炼实现

炼钢的任务 “四脱”——C、P、S、O “二去”——气体、夹杂物 “两调整”——成分、温度 在氧化剂的作用下，使粗金属中过多的元素， 即超过产品金属允许含量的元素杂质通过氧化作用 分离除去。 氧化熔炼 氧化熔炼 炼钢的绝大部分任务都需要通过氧化熔炼实现

7.1氧化熔炼反应的热力学原理7.1.1氧化反应的类型氧化熔炼的氧化剂不同，氧化反应类型不同。氧化熔炼的氧化剂：O(氧气)、(FeO)和[O)1）直接氧化反应（O,作为氧化剂）2[M)+0, =2(M,0,)V或2[M] + 02 = 2 (MO)直接氧化主要是铁的氧化，因为在炼钢吹氧过程中，铁液表面存在大量铁原子。铁的直接氧化反应：2Fe() +O, = 2(FeO)

7.1 氧化熔炼反应的热力学原理 7.1.1 氧化反应的类型 氧化熔炼的氧化剂：O2 (氧气)、(FeO)和[O] 1）直接氧化反应(O2作为氧化剂) 2[M] + O2 = 2 (MO) )( 2 ][ 2 2 OM yx y OM yx =+ 或 氧化熔炼的氧化剂不同，氧化反应类型不同。 直接氧化主要是铁的氧化，因为在炼钢吹氧过程 中，铁液表面存在大量铁原子。铁的直接氧化反应： 2 l + 2)( = FeOOFe )(2

7.1氧化熔炼反应的热力学原理7.1.1氧化反应的类型2）间接氧化反应（FeO或[O]作为氧化剂）熔渣中(FeO)作为氧化剂[M]+(FeO)=[Fe]+(MO(FeO)还会向铁液供氧[O]，钢液溶解的氧[O]再去氧化其它元素：(FeO) =[Fe]+[O][M] + [O] = (MO)

7.1 氧化熔炼反应的热力学原理 7.1.1 氧化反应的类型 2）间接氧化反应（FeO或[O]作为氧化剂） [M] + [O] = (MO) [M]+(FeO)=[Fe]+(MO) 熔渣中(FeO)作为氧化剂 (FeO)还会向铁液供氧[O]，钢液溶解的氧[O] 再去氧化其它元素： = + OFeFeO ][][)(

7.1氧化熔炼反应的热力学原理7.1.2铁液中溶解元素氧化反应的4,Gm及氧势图(1)2M(s)+0,=MO(s)(2)2M(s)=2[M](3)0,=2[0](1)-(2)-(3)可得: 2[M]+2[O]=2M0SA,G=(△,G- △so/G - △soiGg)= A+BT铁液元素氧化的氧势图与纯物质反应的氧势图不同，如图7-1所示

7.1 氧化熔炼反应的热力学原理 7.1.2 铁液中溶解元素氧化反应的Δr Gmθ及氧势图 2M(S) +O2 =MO(S) (1) 2M(S)= 2[M] (2) O2 =2[O] (3) (1)-(2)-(3)可得： 2[M]+2[O]=2MO(S) 铁液元素氧化的氧势图与纯物质反应的 氧势图不同，如图7-1所示。 =Δ ( θ Gmr −Δ θ rG1 −Δ θ solG2 sol 3 ) +=Δ BTAGθ

7.1氧化熔炼反应的热力学原理7.1.2铁液中溶解元素氧化反应的4G.及氧势图404(Cu+2[0]-2Cu;0(1)1）FeO氧势线以上的元素基本不300被氧化，例如，Cu、Ni、Pb、Sn、2(Ni)-2O-2NO()200Mo等。1002）FeO氧势线以下的元素均可氧4/5[P)+2[0]-2/5P,0(8)ou[Mo]+2[O]-MoO2(8)2/3(W+2[0)-2/3WO, (1)化，但氧化的难以程度不同，并2[Fe)+2/0)-2Fe0(1)4/3]C+2[0)-2/3C0(5]随着冶炼条件的不同有所变化。100(Nb]-2[O)-1/2Nb,O4()7/5(P)=2(0)-2/5(P,0,)2(Mn]+2O]-2MnO(例如：C、P大量氧化，Cr、Mn、S200043V+2/0j-2/3V0,(s)200V等氧化程度随冶炼条件而定，Si、F-10- 070-20- 20Ti、AI等基本上完全氧化。能够-3004/3[A1)+2[0|~2/3AI,0,(s)完全氧化的元素可以作为钢液的-4001500140016001900170018002000脱氧剂。温度/K图7-1铁液元素氧化的氧势图

7.1 氧化熔炼反应的热力学原理 7.1.2 铁液中溶解元素氧化反应的Δr Gmθ及氧势图 1）FeO氧势线以上的元素基本不 被氧化，例如，Cu、Ni、Pb、Sn、 Mo等。 2）FeO氧势线以下的元素均可氧 化，但氧化的难以程度不同，并 随着冶炼条件的不同有所变化。 例如：C、P大量氧化，Cr、Mn、 V等氧化程度随冶炼条件而定，Si、 Ti、Al等基本上完全氧化。能够 完全氧化的元素可以作为钢液的 脱氧剂

7.1氧化熔炼反应的热力学原理7.1.2铁液中溶解元素氧化反应的4.Gm及氧势图4K4[Cu]+2[0]-2Cu,O(1)3）碳元素的氧势线斜率向下，因300此与其它氧势线相交，交点温2N-2/O-2NO(s)度以下，元素氧化，碳难以氧200 化：交点温度以上，元素氧化1004/5[P)+2[O]~2/5P,(8)jou-[Mo]+2(O]-Mo02(8)受到抑制，主要是碳的大量氧V2/3[W+2[0)+2/3WO, (1)化。2(Fe)+2/0)-2Fe0(1)4/3|C+2[O)-2/3C,0(3)100(Nb]+-2[O]-1/2Nb,O(s)4/5[P]-2[0]=2/5(P,0,)2(Mnj+-210-2MnO(s(S020S00C开始氧化之前为吹炼4/3[V]+2Oj-2/3V,O, (s)-200m-2(0]-T,(s)2(C1-2(0-200前期（T转前期），中期（C开始氧化至结束）。-3004/3AI)+2[O]~2/3Al,;(s)因此，存在C开始被大-4001400150016001700180019002000量氧化的开始温度。温度/K图 7-1铁液元素氧化的氧势图

7.1 氧化熔炼反应的热力学原理 7.1.2 铁液中溶解元素氧化反应的Δr Gmθ及氧势图 C开始氧化之前为吹炼 前期（T转前期），中期（C 开始氧化至结束）。 因此，存在C开始被大 量氧化的开始温度。 3) 碳元素的氧势线斜率向下，因 此与其它氧势线相交，交点温 度以下，元素氧化，碳难以氧 化；交点温度以上，元素氧化 受到抑制，主要是碳的大量氧 化

7.1氧化反应的热力学7.1.2铁液中元素氧化反应的标准吉布斯自由能例题：用氧气吹炼成分为w[Si]=1%、w[C]=4.5%的铁水，生成熔渣成份为w(CaO)=55%、w(SiO,)=30%w(FeO)=15%，与熔池接触的压力为100KPa。试求碳开始大量氧化的温度，假设已知asio2=2.3×10-2.已知：(SiO,)+2[C] =[Si] +2CO△,G° = (540870 -302.27T)J ·mol-

7.1.2 铁液中元素氧化反应的标准吉布斯自由能 7.1 氧化反应的热力学 用氧气吹炼成分为w[Si]=1%、w[C]=4.5%的铁 水，生成熔渣成份为w(CaO)=55%、w(SiO2 )=30%、 w(FeO)=15%，与熔池接触的压力为100KPa。试求 碳开始大量氧化的温度，假设已知aSiO2 =2.3×10-2. 2CO]Si[]C[2)SiO( 2 + = + 已知： -1 r 540870(G −=Δ ⋅mol27T)J.302 θ 例题：

7.1氧化反应的热力学7.1.2铁液中元素氧化反应的标准吉布斯自由能解:△,G°=(540870-302.27T)J·mol-l(SiO,) + 2[C] = [Si] + 2CO2a.si·pco因此，△,G=△,G°+RTlnasio, a?asi pco= 540870-302.27T +RTln2asio, a?已知asio,=2.3x10-2，分别求as;和aco

7.1.2 铁液中元素氧化反应的标准吉布斯自由能 7.1 氧化反应的热力学 解： 2CO]Si[]C[2)SiO( 2 + = + -1 r 540870(G −=Δ ⋅mol27T)J.302 θ 2 CSiO 2 COsi r r aa pa RTlnGG 2 ⋅ ⋅ +Δ=Δ θ 2 CSiO 2 COsi aa pa 540870 RTln27T.302 2 ⋅ ⋅ +−= 因此， 2 SiO 103.2a 2 － 已知 ×= ，分别求aSi和aC

7.1氧化反应的热力学7.1.2铁液中元素氧化反应的标准吉布斯自由能求asi1gf s, = esi . w[Si] + es . w[C] = 0.11×1 + 0.18 ×4.5 = 0.92fsi = 8.32asi = w[Si]· fsi = 1 ×8.32 = 8.32求aclgf。 = e · w[C] +ei · w[Si] = 0.14×4.5 +0.08 ×1 = 0.71fc = 5.13ac = w[C]: fc = 4.5×5.13 = 23.085

7.1.2 铁液中元素氧化反应的标准吉布斯自由能 7.1 氧化反应的热力学 lg 92.05.418.0111.0]C[w]Si[w CSi =×+×=⋅+⋅= Si SiSi ef e 8.32 fSi = 8.3232.81]Si[wa Si = ⋅ fSi = × = lg 71.0108.05.414.0]Si[w]C[w Si C C ef CC e =×+×=⋅+⋅= 5.13 fC = 23.08513.54.5]C[wa C = ⋅ fC = × = 求aSi 求aC