煉鋼過程物理化學

煉鋼過程物理化學是利用物理化學原理和方法研究煉鋼過程的理論、機理及基本規律的學科。它是冶金過程物理化學的主要內容之一。通過煉鋼物理化學的研究，可以改進煉鋼舊工藝，創造煉鋼新工藝、新技術，提高鋼的品質，縮短冶煉時間，降低物耗及能耗，並對擴大鋼的品種提供理論基礎。

基本介紹

• 中文名：煉鋼過程物理化學
• 外文名：physical chemistry ofsteelmaking                        
• 領域：冶金過程物理化學
• 意義：改進煉鋼舊工藝，創造煉鋼新工藝
• 出現時間：20世紀初
• 研究內容： 煉鋼過程的物理化學變化

簡史

人類自進入銅器時代以來，就發明了冶鍊金屬及使用金屬的方法，並逐步發展成為大規模的冶金工業，特別是鋼鐵工業。但冶煉技術在相當長的時期內停留在技藝階段，人們擅長冶煉技術而不知其原理。自從冶金物理化學學科逐步建立和發展之後，人們才開始了解冶煉過程的規律，使得冶煉新工藝、新技術、新方法、新設備不斷被發明創造出來，促進人類文明的蓬勃發展。

物理化學套用於冶金過程首先自煉鋼工藝開始。1925年英國法拉第學會(Faraday society)召開煉鋼物理化學的國際學術會議，引起全世界冶金工作者廣泛的興趣，使煉鋼工作者產生了把煉鋼由技藝發展為科學的期望。1926年，美國赫爾蒂(C.H.Herty)在美國礦業局領導下組織煉鋼物理化學專門研究小組，進行較有系統的研究工作。已有《鋼脫氧——紀念C.H.Herty論文集》在1967年問世。德國申克(H.Schenck)著述的舉世聞名的《鋼鐵冶金物理化學導論》一書在1932～1934年出版並被譯成英、俄、意等國文字。英國人麥堪斯(A.McCance)在1938年總結此前物理化學在平爐煉鋼的套用，寫成專文發表於該年的英國鋼鐵學會雜誌(JISI)。

美國人啟普曼(J.Chipman)於1942年所著的《1600℃的化學》提出煉鋼化學理論上應探討的問題。德國奧爾遜(W.Oelsen)總結了1948年以前德國學者在鋼鐵冶金物理化學方面的成就。同年英國法拉第學會召開過程冶金物理化學國際會議，論文集雖已包括有色金屬，但仍以煉鋼過程為主。1956年啟普曼在美國麻省理工學院召開國際煉鋼學術會議，其論文集《煉鋼物理化學》於1958年出版。1958年英國國家物理實驗室召開規模更大的冶金物理化學會議，名為《金屬溶液及金屬間化合物物理化學》的論文集共2冊於1959年出版。1959年美國礦冶學會召開過程冶金物理化學國際會議，其論文集2冊於1961年出版。啟普曼教授於1962年退休，他的學生為慶祝他在冶金物理化學方面的貢獻，組織了國際學術會議，論文集《煉鋼—啟普曼會議》於1965年出版。1970年德國亞琛高等工業學校為紀念申克教授70壽辰組織煉鋼動力學國際學術會議，論文集《煉鋼過程動力學》於1972年出版，並有英文版於1975年出版。1971年英國煉鋼協會及舍費爾大學組織冶金化學國際會議，論文集《鋼鐵的化學冶金》於1973年出版。1978年在法國凡爾賽召開了鋼鐵冶金物理化學國際會議，其論文集預印本名為《物理化學和煉鋼》，一部分已被譯為中文於1984年在北京出版。

近20年來，專門性的國際學術會議，例如真空熔煉、噴射冶金、電渣重熔冶煉等領域的專業研討會，召開頻仍，煉鋼過程物理化學是這些學術會議的重要討論內容。總之，自20世紀20年代開始，煉鋼物理化學已被公認為促進世界鋼鐵工業蓬勃發展的柱石。

基本內容及研究對象

煉鋼過程的脫碳、脫硫、脫磷、脫氧、去除鋼中氣體和鋼中非金屬夾雜物以及合金元素的去留;簡而言之，即“四脫、二去”及合金化。煉鐵是鐵礦石還原的過程(例如在高爐中)，原料中的不少元素可還原入鐵。它們中有有益元素如C、Si、Mn等，也有有害元素如S、P等，還有某些礦石中含有的V、Nb、Ti等，其大部分或局部被還原到生鐵中。煉鋼則是一個氧化過程，如何保留有益元素，排除有害雜質，使鋼達到必要的性能，這是煉鋼物理化學的中心問題。

脫碳

生鐵含碳很高，一般大於2.5%。大量的碳使得生鐵性脆，不能進行冷、熱加工以製成各種半成品或材料。因此在煉鋼過程通過氧化去除多餘的碳。鋼的性質與其含碳量有關，為達到所煉鋼種的適宜含碳量及適宜的澆注溫度，必須研究煉鋼脫碳反應機理。

脫硫、脫磷 硫、磷來源於煉鐵時所用的原料，即鐵礦石、冶金焦及熔劑。硫使鋼鐵“熱脆”，而磷使鋼鐵“冷脆”。在適當條件下，硫在高爐煉鐵過程中可去掉大部分，而另一部分必須在煉鋼過程中去除。礦石中的磷則全部被還原進入生鐵，必須在煉鋼過程中去除。通常煉鋼脫硫反應和煉鋼脫磷反應均須在適當溫度下通過適當組成的爐渣來完成。對於合金鋼，為避免合金元素的氧化，有時脫硫、脫磷必須在還原氣氛下來完成。

脫氧

煉鋼過程用氧氣(或Fe₂O₃)進行氧化，導致鋼液含有大量溶解氧(以[O]表示)，它會使鋼在軋制過程中龜裂，不能成材。因之，在鋼液凝固之前，必須在爐內或爐外將鋼中的氧脫除。

去除氣

體 煉鋼是在大氣下進行的;加入的熔劑石灰或鐵合金等經常含有水分，因此鋼液中會有一定量的以原子形式存在的氫和氮，即[H]和[N]。氫造成“氫脆”(即白點)，氮能與合金元素生成氮化物影響鋼的性能。而過量氣體會造成鋼錠氣泡。因而鋼液在凝固前或在凝固過程中必須進行脫氣處理。

去除非金屬夾雜

脫氧生成的氧化物或化合物，以及脫硫生成的硫化物均不溶於鋼液，在鋼液凝固時形成非金屬夾雜物存在鋼內，大大地影響鋼的性能，特別是鋼的強度和衝擊韌性。在鋼液凝固前使夾雜物上浮排除，並且控制凝固過程形成夾雜物的形態和分布，是煉鋼物理化學的一個研究課題。

合金化

生鐵如含鈮或釩，採取適當工藝可使它們先行氧化進入渣中，再從渣煉製鐵合金。使用鐵合金及煉製合金鋼時，研究合金元素的加入順序及方法，可避免或減少合金元素的燒損。

原理及研究方法

從學科的角度來看，煉鋼過程物理化學包括3部分：煉鋼過程熱力學;煉鋼過程動力學;煉鋼熔體的性質和結構。

煉鋼過程熱力學

研究煉鋼反應的兩方面問題：(1)反應能否進行，也即反應的可能性和方向性;(2)反應達到平衡的條件及該條件下能得到的反應產物最大產出率。

煉鋼過程包括錯綜複雜的多相、多元素的不同反應。通過熱力學計算，可以研究促進或抑制反應、改變反應方向，或使不能進行的反應變為能夠進行的熱力學條件。化學反應的吉布斯能變數△G，是判斷反應在等溫等壓條件下能否發生的依據。根據吉布斯能變數最小原理，改變溫度、活度、壓力及添加劑等條件，可以改變反應的△G，從而使反應按希望的方向進行。通過反應的標準吉布斯能△G°可以計算反應的平衡常數，即反應的限度。因而在給定某些反應物質的組成時，可以計算指定產物的最大產出率。參加反應的物質存在於鋼液、熔渣之內，進行熱力學分析及計算時，熔體中物質的濃度必須換成“有效濃度”即活度。幾十年來已積累了很多高溫熔體的熱力學數據，如焓△H、熵△S、吉布斯能△G及活度係數等，可以基本上滿足煉鋼工作者進行熱力學分析及計算的需要。

煉鋼過程動力學

研究煉鋼反應的速率及機理，找出提高或控制反應速率的途徑。從分子觀點出發，研究冶金反應的速率、反應級數及活化能稱為微觀動力學。但煉鋼過程中的氣—液、氣—固或氣—液—固反應經常都在流動狀態下發生，並伴有傳質及傳熱現象。近20年來，傳遞現象理論被引用於研究煉鋼過程。研究存在傳質、傳熱和動量傳遞現象時的煉鋼過程的速率及機理稱為巨觀動力學、在這裡，“速率”指整個多步驟多相過程的綜合速率以及確定速率隨環境的變化;而機理則用以解釋構成整個反應的所有各步驟，並指明控制過程速率的限制性環節。如果在冶金爐或鋼包內研究煉鋼過程的巨觀動力學，則應研究物料在容器內的混合及停留時間等，因而涉及到冶金容器的形狀和操作的最最佳化問題。這樣煉鋼過程動力學即過渡到冶金反應工程學的範疇。

煉鋼熔體

包括鐵液及熔渣。研究煉鋼過程必須對它們的各種性質加以測定或計算。屬於熱力學性質的有熔體物質的熱容、焓、熵生成吉布斯能及活度(包括鐵液中各元素的活度相互作用係數)等;屬於動力學及傳遞性質的有擴散係數、黏度、傳質係數及傳熱係數等;屬於電化學性質的有電導率、遷移數及分解電動勢等;屬於物理性質的有密度、熱導率、表面(界面)張力、磁導率、蒸氣壓及雜質或氣體在熔體中的溶解度等。熔體性質與物質結構有關。建立熔體的結構模型，從而計算其組分的活度是一個重要研究課題，但迄今仍未得到一個能普遍適用於任何組成的熔體(熔渣及含不同元素的鐵液)的結構模型。熔體物理性質數據基本上還是依靠測定。

套用舉例

20世紀30年代以來，煉鋼過程物理化學在促進鋼鐵工業蓬勃發展中起了重大的作用。下面舉兩個實例。

(1)不鏽鋼冶煉工藝的改進和新工藝的發明。奧氏體鉻鎳不鏽鋼含碳量越低則抗腐蝕性越強。冶煉過程中鎳不被氧化，而鉻與碳均能被氧化。如何去碳保鉻，減少鉻的損失，是不鏽鋼冶煉的關鍵問題。1926～1940年間，不鏽鋼冶煉採用“配料熔化法”，即將符合成分的原料配好，在電弧爐熔化得不鏽鋼。為了抵消電極增碳，配料時儘量採用低碳原料。當時只能冶煉C≥0.1%的不鏽鋼。加工過程中積累了大量不鏽鋼廢料。將這些廢料返回電爐重熔時，由於電極增碳，熔化後鋼液含碳量超過標準。向熔池加入鐵礦，只能使鉻氧化而不能脫碳。因之，大量不鏽鋼廢料不能返回套用，成為當時困擾不鏽鋼冶煉的一大難題。熱力學研究證明，只有熔池溫度再大幅度地提高，才能去碳保鉻，而氧化劑Fe₂O₃不能提高熔池溫度(用Fe₂O₃氧化時，每氧化掉1%Cr，熔池溫度提高8℃;而每氧化掉0.1%C，熔池溫度下降20℃)。

1939年美國人發明“返回吹氧法”，向熔池吹入氧氣，提高熔池溫度，使之高於鉻、碳的氧化轉化溫度。(用氧氣作氧化劑，每氧化1%Cr，熔池溫度提高110℃;每氧化掉0.1%C，熔池溫度提高12℃)。在大量使用不鏽鋼返回料的條件下，熔池碳可由0.35%降到0.05%或更低，而Cr只氧化約2%。鉻還可進一步利用FeSi從渣中還原，大部分收回，這就解決了不鏽鋼廢鋼的利用問題。返回吹氧法雖能使用返回鋼，但還受到配料的限制，鉻不能一次配足到應有的含量。

(2)控制硫化物夾雜的形態以提高鋼的品質。近代石油工業、汽車工業、核工業等對鋼的品質和機械性能提出更高的要求。純淨鋼的需要越來越大。在50年代，硫、磷脫到0.05%或以下，即達到了一般鋼的要求;而現在多數普通鋼要求達到0.02%以下。對特殊鋼，例如低合金高強度鋼，硫、磷應脫到0.005%或更低，即所謂“ppm級(10-6級)”的標準。石油運輸鋼管在嚴寒低溫下要求有高的衝擊韌性。汽車鋼板、深沖薄板為避免加工及使用過程中產生裂紋及撕裂，也要求有高的衝擊韌性和高的彎曲可塑性。以夾雜物存在於鋼內的硫及其形態對該兩種性能起決定性作用。60～70年代間，煉鋼物理化學工作者發現，對特殊要求的管、板型材，不僅要減少硫的含量，更重要的是要改善硫化物在鋼中存在的形態，使鋼的衝擊韌性具有均向性。在深度脫氧後，硫以球形或多角形MnS存於鋼內，但在軋制過程中，球形MnS被拉伸成長條夾雜物，致使鋼樣在縱向、橫向及垂直向有不同的衝擊值，在室溫到100℃時以縱向的衝擊值為最高。當溫度降到0℃以下，3個方向的衝擊值均降到近於零。經研究發現，當鋼液加入很強的脫硫劑如鈣、鎂、鈦、鋯或稀土元素時，MnS變為該加入元素的硫化物，仍呈球形或多角形，但此硫化物在軋制過程中保留原形，不被延長變形。此種鋼材在3個方向衝擊值很接近，而且在從0℃降到-40℃時，各方向的衝擊值雖然不同程度地下降，但仍保留相當高的韌性。這樣就解決了鋼在韌性上的各向異性的問題，提高了鋼的冷加工可塑性，保證管、板型材能在低溫、高負荷下使用，同時又有優良的表面質量。為了減少含硫量並改善硫化物形態，鐵水預處理、爐外精煉、噴射冶金或餵線法、鈣處理技術等新技術、新工藝在工業上廣泛地發展起來。在此期間，硫化物形態控制與高爐動態模擬模型、固體電解質電池直接定氧一起曾被譽為鋼鐵冶金領域的三大發明。

此外，自20世紀70年代以來煉鋼過程動力學的研究非常活躍。每一煉鋼反應通常有幾個步驟，但熱力學只解決反應物質的初始及終止時的熱力學狀態及反應的吉布斯能變化，對中間過程和步驟則不過問。從動力學角度看，過程中速率最慢的步驟是控制整個反應速率的限制性環節。動力學分析每個步驟，求出此速率最慢的限制性環節，提出措施以縮短完成反應的時間。氣—液二相反應如脫氫、脫氮，液—液二相反應如脫硫、脫磷等等，均通過動力學分析提高了去除有害氣體和元素的效率。

氧氣頂吹轉爐發明之後，煉鋼時間大為縮短，煉鋼成本降低，因而逐步代替了平爐煉鋼。而頂底復吹轉爐煉鋼法又抑制了頂吹的噴濺，進一步降低鐵耗，配以爐外精煉，可以煉製優質合金鋼。對熔池內速度場、濃度場和溫度場的冷態模型模擬實驗和數學模型數值法計算，為底吹噴射裝置的設計和操作提供了重要的基礎數據。

凝固動力學的研究改善了連鑄設備的設計，使鋼坯晶體組織及表面質量得以改善，內部偏析減小。

中國的研究動態及展望

20世紀50年代以來，在中國，冶金過程物理化學的學科逐步建立。北京科技大學、東北大學及中南工業大學三所大學相繼組成專門的教學和研究隊伍。全國第一屆冶金過程物理化學學術討論會於1962年在上海召開，第二屆於1964年於長沙召開。自1976年以後該學術會議恢復定期舉行。發表的論文中相當大的部分屬於煉鋼過程物理化學的範疇。此外，全國煉鋼學術會議也有不少關於煉鋼過程物理化學的論文。在學術水平上，已有不少研究領域達到國際水平，但尚有一些領域屬於空白區。為了促進鋼鐵工業向高質量、現代化發展，必須大力進行煉鋼物理化學的研究。下列領域值得重視：

(1)結合中國礦產資源特點，研究鋼中有害雜質的去除和有益元素的提取，相應地研究有關元素在金屬液中的熱力學行為及動力學性質。

(2)超純淨鋼冶煉的物理化學及其對高質量鋼管、鋼板(包括高壓石油鋼管及深沖薄板)機械性能的作用。

(3)凝固過程動力學，對連鑄鋼坯性能的影響。

(4)鋼鐵廠環境保護和資源再生的物理化學。