第一篇：鋼鐵冶金概論論文-粉末冶金工藝

粉末冶金工藝

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摘要：粉末冶金是制取金屬或用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合以及各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金法與生產(chǎn)陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技術(shù)也可用于陶瓷材料的制備。由于粉末冶金技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，它已成為解決新材料問題的鑰匙，在新材料的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。關(guān)鍵詞：粉末冶金 高密度 硬質(zhì)合金 粉末高速鋼

前言

我國粉末冶金行業(yè)已經(jīng)經(jīng)過了近60年的發(fā)展，經(jīng)歷了從無到有、多領(lǐng)域發(fā)展。但與國外的同行業(yè)仍存在以下幾方面的差距：(1)企業(yè)多，規(guī)模小，經(jīng)濟(jì)效益與國外企業(yè)相差很大。(2)產(chǎn)品交叉，企業(yè)相互壓價，競爭異常激烈。(3)多數(shù)企業(yè)缺乏技術(shù)支持，研發(fā)能力落后，產(chǎn)品檔次低，難以與國外競爭。(4)再投入缺乏與困擾。(5)工藝裝備、配套設(shè)施落后。(6)產(chǎn)品出口少，貿(mào)易渠道不暢。隨著我國加入WTO以后，以上種種不足和弱點(diǎn)將改善，這是因為加入WTO后，市場逐漸國際化，粉末冶金市場將得到進(jìn)一步擴(kuò)大的機(jī)會；而同時隨著國外資金和技術(shù)的進(jìn)入，粉末冶金及相關(guān)的技術(shù)水平也必將得到提高和發(fā)展。

【1】【2】【3】

【4】1.粉末冶金基礎(chǔ)

1.1粉末的化學(xué)成分及性能

尺寸小于1mm的離散顆粒的集合體通常稱為粉末，其計量單位一般是以微米（μm）或納米（nm）。1.1.1粉末的化學(xué)成分

常用的金屬粉末有鐵、銅、鋁等及其合金的粉末，要求其雜質(zhì)和氣體含量不超過1%～2%，否則會影響制品的質(zhì)量。1.1.2粉末的物理性能

（1）粒度及粒度分布

粉料中能分開并獨(dú)立存在的最小實體為單顆粒。實際的粉末往往是團(tuán)聚了的顆粒，即二次顆粒。實際的粉末顆粒體中不同尺寸所占的百分比即為粒度分布。

（2）顆粒形狀即粉末顆粒的外觀幾何形狀。常見的有球狀、柱狀、針狀、板狀和片狀等，可以通過顯微鏡的觀察確定。

（3）比表面積

即單位質(zhì)量粉末的總表面積，可通過實際測定。比表面積大小影響著粉末的表面能、表面吸附及凝聚等表面特性。1.1.3粉末的工藝性能

粉末的工藝性能包括流動性、填充特性、壓縮性及成形性等。

（1）填充特性

指在沒有外界條件下，粉末自由堆積時的松緊程度。常以松裝密度或堆積密度表示。粉末的填充特性與顆粒的大小、形狀及表面性質(zhì)有關(guān)。

（2）流動性

指粉末的流動能力，常用50克粉末從標(biāo)準(zhǔn)漏斗流出所需的時間表示。流動性受顆粒粘附作用的影響。

（3）壓縮性

表示粉末在壓制過程中被壓緊的能力，用規(guī)定的單位壓力下所達(dá)到的壓坯密度表示，在標(biāo)準(zhǔn)模具中,規(guī)定的潤滑條件下測定。影響粉末壓縮性的因素有顆粒的塑性或顯微硬度，塑性金屬粉末比硬、脆材料的壓縮性好；顆粒的形狀和結(jié)構(gòu)也影響粉末的壓縮性。

（4）成形性指粉末壓制后，壓坯保持既定形狀的能力，用粉末能夠成形的最小單位壓制壓力表示，或用壓坯的強(qiáng)度來衡量。成形性受顆粒形狀和結(jié)構(gòu)的影響。1.2粉末冶金的機(jī)理

1.2.1壓制的機(jī)理

壓制就是在外力作用下，將模具或其它容器中的粉末緊密壓實成預(yù)定形狀和尺寸壓坯的工藝過程。鋼模冷壓成形過程如圖7.1.2所示。粉末裝入陰模,通過上下模沖對其施壓。在壓縮過程中，隨著粉末的移動和變形，較大的空隙被填充，顆粒表面的氧化膜破碎，顆粒間接觸面積增大，使原子間產(chǎn)生吸引力且顆粒間的機(jī)械楔合作用增強(qiáng)，從而形成具有一定密度和強(qiáng)度的壓坯。1.2.2等靜壓制

壓力直接作用在粉末體或彈性模套上，使粉末體在同一時間內(nèi)各個方向上均衡受壓而獲得密度分布均勻和強(qiáng)度較高的壓坯的過程。按其特性分為冷等靜壓制和熱等靜壓制兩大類。

（1）冷等靜壓制

即在室溫下等靜壓制，液體為壓力傳遞媒介。將粉末體裝入彈性模具內(nèi)，置于鋼體密封容器內(nèi)，用高壓泵將液體壓入容器，利用液體均勻傳遞壓力的特性，使彈性模具內(nèi)的粉末體均勻受壓。因此，冷等靜壓制壓坯密度高，較均勻，力學(xué)性能較好，尺寸大且形狀復(fù)雜，已用于棒材、管材和大型制品的生產(chǎn)。

（2）熱等靜壓制

把粉末壓坯或裝入特制容器內(nèi)的粉末體置入熱等靜壓機(jī)高壓容器中，施以高溫和高壓，使這些粉末體被壓制和燒結(jié)成致密的零件或材料的過程。在高溫下的 等靜壓制，可以激活擴(kuò)散和蠕變現(xiàn)象的發(fā)生，促進(jìn)粉末的原子擴(kuò)散和再結(jié)晶及以極緩慢的速率進(jìn)行塑性變形，氣體為壓力傳遞媒介。粉末體在等靜壓高壓容器內(nèi)同一時間經(jīng)受高溫和高壓的聯(lián)合作用，強(qiáng)化了壓制與燒結(jié)過程，制品的壓制壓力和燒結(jié)溫度均低于冷等靜壓制，制品的致密度和強(qiáng)度高，且均勻一致，晶粒細(xì)小，力學(xué)性能高，消除了材料內(nèi)部顆粒間的缺陷和孔隙，形狀和尺寸不受限制。但熱等靜壓機(jī)價格高，投資大。熱等靜壓制已用于粉末高速鋼、難熔金屬、高溫合金和金屬陶瓷等制品的生產(chǎn)。1.2.3粉末軋制

將粉末通過漏斗喂入一對旋轉(zhuǎn)軋輥之間使其壓實成連續(xù)帶坯的方法。將金屬粉末通過一個特制的漏斗喂入轉(zhuǎn)動的軋輥縫中，可軋出具有一定厚度、長度連續(xù)、強(qiáng)度適宜的板帶坯料。這些坯體經(jīng)預(yù)燒結(jié)、燒結(jié)，再軋制加工及熱處理等工序，就可制成具有一定孔隙度的、致密的粉末冶金板帶材。粉末軋制制品的密度比較高，制品的長度原則上不受限制，軋制制品的厚度和寬度會受到軋輥的限制；成材率高為80%～90%，熔鑄軋制的僅為60%或更低。粉末軋制適用于生產(chǎn)多孔材料、摩擦材料、復(fù)合材料和硬質(zhì)合金等的板材及帶材。1.2.4粉漿澆注

是金屬粉末在不施加外力的情況下成形的，即將粉末加水或其它液體及懸浮劑調(diào)制成粉漿，再注入石膏模內(nèi)，利用石膏模吸取水分使之干燥后成形。常用的懸浮劑有聚乙烯醇、甘油、藻骯酸鈉等，作用是防止成形顆粒聚集，改善潤濕條件。為保證形成穩(wěn)定的膠態(tài)懸浮液，顆粒尺寸不大于5μm～10μm，粉末在懸浮液中的質(zhì)量含量為40%～70%。粉漿成形工藝參見本書6.2.2。1.2.5擠壓成形

將置于擠壓筒內(nèi)的粉末、壓坯或燒結(jié)體通過規(guī)定的?？讐撼?。按照擠壓條件不同，分為冷擠壓和熱擠壓。冷擠壓是把金屬粉末與一定量的有機(jī)粘結(jié)劑混合在較低溫度下（40℃～200℃）擠壓成坯塊；粉末熱擠壓是指金屬粉末壓坯或粉末裝入包套內(nèi)加熱到較高溫度下壓擠，熱擠壓法能夠制取形狀復(fù)雜、性能優(yōu)良的制品和材料。擠壓成形設(shè)備簡單，生產(chǎn)率高，可獲得長度方向密度均勻的制品。

擠壓成形能擠壓出壁很薄直經(jīng)很小的微形小管，如厚度僅0.01mm，直徑1mm的粉末冶金制品；可擠壓形狀復(fù)雜、物理力學(xué)性能優(yōu)良的致密粉末材料，如燒結(jié)鋁合金及高溫合金。擠壓制品的橫向密度均勻，生產(chǎn)連續(xù)性高，因此，多用于截面較簡單的條、棒和螺旋形條、棒（如麻花鉆等）。1.2.6松裝燒結(jié)成形

粉末未經(jīng)壓制而直接進(jìn)行燒結(jié)，如將粉末裝入模具中振實，再連同模具一起入爐燒結(jié)成形，用于多孔材料的生產(chǎn)；或?qū)⒎勰┚鶆蛩裳b于芯板上，再連同芯板 一起入爐燒結(jié)成形，再經(jīng)復(fù)壓或軋制達(dá)到所需密度，用于制動摩擦片及雙金屬材料的生產(chǎn)。

將置于擠壓筒內(nèi)的粉末、壓坯或燒結(jié)體通過規(guī)定的?？讐撼觥０凑諗D壓條件不同，分為冷擠壓和熱擠壓。冷擠壓是把金屬粉末與一定量的有機(jī)粘結(jié)劑混合在較低溫度下（40℃～200℃）擠壓成坯塊；粉末熱擠壓是指金屬粉末壓坯或粉末裝入包套內(nèi)加熱到較高溫度下壓擠，熱擠壓法能夠制取形狀復(fù)雜、性能優(yōu)良的制品和材料。擠壓成形設(shè)備簡單，生產(chǎn)率高，可獲得長度方向密度均勻的制品。1.2.7爆炸成形

借助于爆炸波的高能量使粉末固結(jié)的成形方法。爆炸成形的特點(diǎn)是爆炸時產(chǎn)生壓力很高，施于粉末體上的壓力速度極快。如炸藥爆炸后，在幾微秒時間內(nèi)產(chǎn)生的沖擊壓力可達(dá)106MPa（相當(dāng)于107個大氣壓），比壓力機(jī)上壓制粉末的單位壓力要高幾百倍至幾千倍。爆炸成形壓制壓坯的相對密度極高，強(qiáng)度極佳。如用炸藥爆炸壓制電解鐵粉，壓坯的密度接近純鐵體的理論密度值。

爆炸成形可加工普通壓制和燒結(jié)工藝難以成形的材料，如難熔金屬、高合金材料等，還可壓制普通壓力無法壓制的大型壓坯。

除上述方法外，還有注射成形及熱等靜壓制新技術(shù)等新的成形方法。

2.粉末冶金特點(diǎn)

粉末冶金具有獨(dú)特的化學(xué)組成和機(jī)械、物理性能，而這些性能是用傳統(tǒng)的熔鑄方法無法獲得的。運(yùn)用粉末冶金技術(shù)可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油軸承、齒輪、凸輪、導(dǎo)桿、刀具等，是一種少無切削工藝。（1）粉末冶金技術(shù)可以最大限度地減少合金成分偏聚，消除粗大、不均勻的鑄造組織。在制備高性能稀土永磁材料、稀土儲氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導(dǎo)材料、新型金屬材料（如Al-Li合金、耐熱Al合金、超合金、粉末耐蝕不銹鋼、粉末高速鋼、金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料等）具有重要的作用。

（2）可以制備非晶、微晶、準(zhǔn)晶、納米晶和超飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料具有優(yōu)異的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能。

（3）可以容易地實現(xiàn)多種類型的復(fù)合，充分發(fā)揮各組元材料各自的特性，是一種低成本生產(chǎn)高性能金屬基和陶瓷復(fù)合材料的工藝技術(shù)。

（4）可以生產(chǎn)普通熔煉法無法生產(chǎn)的具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分離膜材料、高性能結(jié)構(gòu)陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。

（5）可以實現(xiàn)近凈形成形和自動化批量生產(chǎn)，從而，可以有效地降低生產(chǎn)的資源和能源消耗。

（6）可以充分利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一種可有效進(jìn)行材料再生和綜合利用的新技術(shù)。

我們常見的機(jī)加工刀具，五金磨具，很多就是粉末冶金技術(shù)制造的。

3.粉末的制取方法

（1）還原法

這是一種應(yīng)用最廣的金屬粉末制取方法，是采用氫氣、一氧化碳等作為還原劑，使金屬氧化物或氧化物礦石在高溫下與之反應(yīng)，制得金屬粉末。這種粉末多呈多面體形，其成形性與燒結(jié)性良好。粉末粒度可由原料的粒度及還原條件的不同任意調(diào)整并均勻化。目前，粉末成形使用的鐵粉大部分由還原法產(chǎn)生；難熔化合物粉末（如硬質(zhì)合金）的制取也用此類方法。（2）霧化法

這是一種生產(chǎn)效率較高、成本較低、易于制得高純度粉末的生產(chǎn)方法。它利用高壓惰性氣體或高速旋轉(zhuǎn)的葉片將從小孔噴嘴中熔融的金屬擴(kuò)散成霧狀液滴并迅速使之冷卻成金屬微粒的制粉方法。霧化粉末的顆粒形狀因霧化條件而異。金屬液的溫度越高，球化的傾向越顯著。其缺點(diǎn)是易產(chǎn)生偏析和不易制得超細(xì)粉末。（3）電解沉積法

在金屬熔鹽或金屬鹽的水溶液中通入直流電，使金屬離子重新獲得外層電子，變成金屬粉末。電解沉積法制取的粉末純度高，顆粒成樹枝狀或針狀，成形性和燒結(jié)性都很好，但生產(chǎn)率低，成本較高，僅適用于制造要求純度高、密度高的粉末材料和制品。（4）機(jī)械粉碎法

利用機(jī)械，通過壓碎、擊碎和磨削等作用，使金屬塊、合金或化合物機(jī)械地粉碎成粉末。這種方法生產(chǎn)效率低，動力消耗大，成本較高。

3.1粉末冶金的基本工序

（1）原料粉末的制備?，F(xiàn)有的制粉方法大體可分為兩類：機(jī)械法和物理化學(xué)法。而機(jī)械法可分為：機(jī)械粉碎及霧化法；物理化學(xué)法又分為：電化腐蝕法、還原法、化合法、還原-化合法、氣相沉積法、液相沉積法以及電解法。

（2）粉末成型為所需形狀的坯塊。成型的目的是制得一定形狀和尺寸的壓坯，并使其具有一定的密度和強(qiáng)度。成型的方法基本上分為加壓成型和無壓成型。加壓成型中應(yīng)用最多的是模壓成型。

（3）坯塊的燒結(jié)。成型后的壓坯通過燒結(jié)使其得到所要求的最終物理機(jī)械性能。燒結(jié)又分為單元系燒結(jié)和多元系燒結(jié)。除普通燒結(jié)外，還有松裝燒結(jié)、熔浸法、熱壓法等特殊的燒結(jié)工藝。

（4）產(chǎn)品的后序處理。燒結(jié)后的處理，可以根據(jù)產(chǎn)品要求的不同，采取多種 方式。此外，近年來一些新工藝如軋制、鍛造也應(yīng)用于粉末冶金材料燒結(jié)后的加工，取得較理想的效果。

4.粉末冶金材料

粉末冶金是一項很有發(fā)展的新技術(shù)、新工藝，已廣泛應(yīng)用在農(nóng)機(jī)、汽車、機(jī)床、冶金、化工、輕工、地質(zhì)勘探、交通運(yùn)輸?shù)雀鞣矫?。粉末冶金材料有工具材料及機(jī)械零件和結(jié)構(gòu)材料。工具材料大致有粉末高速鋼、硬質(zhì)合金、超硬材料、陶瓷工具材料及復(fù)合材料等。機(jī)械零件和結(jié)構(gòu)材料有粉末減摩材料，包括多孔減摩材料和致密減摩材料；粉末冶金鐵基零件及粉末冶金非鐵金屬零件等。

【5】

4.1硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金由硬質(zhì)基體(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%～97%)和粘結(jié)金屬兩部分組成。硬質(zhì)基體是難熔金屬的碳化物，如碳化鎢及碳化鈦等；粘結(jié)金屬為鐵族金屬及合金，以鈷為主。

（1）硬質(zhì)合金的種類和牌號

硬質(zhì)合金為一種優(yōu)良的工具材料，主要用作切削刀具、金屬成形工具、礦山工具、表面耐磨材料及高剛性結(jié)構(gòu)部件。類型有含鎢硬質(zhì)合金，鋼結(jié)硬質(zhì)合金，涂層硬質(zhì)合金，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金等。鋼結(jié)硬質(zhì)合金是一種新型的工模具材料，性能介于高速工具鋼和硬質(zhì)合金之間，是以一種或幾種碳化物(如WC、TiC)為硬化相，以碳鋼或合金鋼(如高速工具鋼、鉻鉬鋼等)粉末為粘結(jié)劑，經(jīng)配料、壓制、燒結(jié)而制成的粉末冶金材料。退火處理后，可進(jìn)行切削加工；淬火、回火處理后，有相當(dāng)于硬質(zhì)合金的高硬度和耐磨性，一定的耐熱、耐蝕和抗氧化性。適于制造麻花鉆、銑刀等形狀復(fù)雜的刀具、模具和耐磨件。

含鎢硬質(zhì)合金按其成分和性能特點(diǎn)分為鎢鈷類(WC-Co系)、鎢鈦鈷類(WC-TiC-Co系)、鎢鈦鉭(鈮)類[WC-TiC-TaC(NbC)-Co系、WC–TaC(NbC)-Co系]。鎢鈷類硬質(zhì)合金的主要化學(xué)成分是碳化鎢(WC)及鈷。牌號為“YG+數(shù)字”(YG為“硬鈷”漢語拼音字首)，數(shù)字表示鈷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如YG6表示鈷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，余量為碳化鎢的鎢鈷類硬質(zhì)合金。該類合金的抗彎強(qiáng)度高，能承受較大的沖擊，磨削加工性較好，但熱硬性較低(800～900℃)，耐磨性較差，主要用于加工鑄鐵和非鐵金屬的刃具。

鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金的主要化學(xué)成分是碳化鎢、碳化鈦(TiC)及鈷。牌號為“YT+數(shù)字”(YT為“硬鈦”漢語拼音字首)，數(shù)字表示碳化鈦平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如YT15表示TiC為15%，其余為WC和Co的硬質(zhì)合金。該類硬質(zhì)合金的熱硬性高(900～1100℃)，耐磨性好，但抗彎強(qiáng)度較低，不能承受較大的沖擊，磨削加工性較差，主要用于加工鋼材。鎢鈦鉭(鈮)類硬質(zhì)合金又稱為通用硬質(zhì)合金或萬能硬質(zhì)合金。它是由碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭(TaC)或碳化鈮(NbC)和鈷組成。牌號為“YW+順序號”(YW表示“硬萬”漢語拼音字首)，如YW1表示萬能硬質(zhì)合金。該類硬質(zhì)合金是在上述硬質(zhì)合金中添加TaC或NbC，它的熱硬性高(>1000℃)，其它性能介于鎢鈷類與鎢鈦鈷類之間，它既能加工鋼材，又能加工非鐵金屬。（2）硬質(zhì)合金的性能及應(yīng)用

性能:硬質(zhì)合金的硬度高，室溫下達(dá)到86～93HRA，耐磨性好，切削速度比高速工具鋼高4～7倍，刀具壽命高5～80倍，可切削50HRC左右的硬質(zhì)材料；抗彎強(qiáng)度高，達(dá)6000MPa，但抗彎強(qiáng)度較低，約為高速工具鋼的1/3～1/2，韌性差，約為淬火鋼的30%～50%；耐蝕性和抗氧化性良好；線膨脹系數(shù)小，但導(dǎo)熱性差。

應(yīng)用:硬質(zhì)合金主要用于制造高速切削或加工高硬度材料的切削刀具，如車刀、銑刀等；也用作模具材料(如冷拉模、冷沖模、冷擠模等)及量具和耐磨材料。根據(jù)GB2075—87規(guī)定，切削加工用硬質(zhì)合金按切削排出形式和加工對象范圍不同，分為P、M、K三個類別，同時又依據(jù)加工材質(zhì)和加工條件不同，按用途進(jìn)行分組，在類別后面加一組數(shù)字組成代號。如P01、P10、P20??，每一類別中，數(shù)字越大，韌性越好，耐磨性越低。

4.2粉末高速鋼

高速鋼的合金元素含量高，采用熔鑄工藝時會產(chǎn)生嚴(yán)重的偏析使力學(xué)性能降低。金屬的損耗也大，高達(dá)鋼錠重量的30%～50%。粉末高速鋼可減少或消除偏析，獲得均勻分布的細(xì)小碳化物，具有較大的抗彎強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度；韌性提高50%，磨削性也大大提高；熱處理時畸變量約為熔煉高速鋼的十分之一，工具壽命提高1～2倍。

采用粉末冶金方法還可進(jìn)一步提高合金元素的含量以生產(chǎn)某些特殊成分的鋼。如成份為9W-6Mo-7Cr-8V-8Co-2.6C的A32高速鋼，切削性能是熔煉高速鋼的1～4倍。

常用高速鋼牌號為W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2，含有0.7%～0.9%C，及>10%的鎢、鉻、鉬、釩等合金元素。其中碳保證高速鋼具有高硬度和高耐磨性，鎢和鉬提高鋼的熱硬性，鉻提高鋼的淬透性，而釩則提高鋼的耐磨性。

4.3鐵和鐵合金的粉末冶金

在粉末冶金生產(chǎn)中，鐵粉的用量比其金屬粉末大得多。鐵粉的60%～70%用于制造粉末冶金零件。主要類型有鐵基材料、鐵鎳合金、鐵銅合金及鐵合金和鋼。粉末冶金鐵基結(jié)構(gòu)零件具有精度較高，表面粗糙值小，不需或只需少量切削加工，節(jié)省材料，生產(chǎn)率高，制品多孔，可浸潤滑油，減摩、減振、消聲等特點(diǎn)。廣泛用于制造機(jī)械零件，如機(jī)床上的調(diào)整墊圈、調(diào)整環(huán)、端蓋、滑塊、底座、偏心輪，汽車中的油泵齒輪、活塞環(huán)，拖拉機(jī)上的傳動齒輪、活塞環(huán)，以及接頭、隔套、油泵轉(zhuǎn)子、擋套、滾子等。

粉末冶金鐵基結(jié)構(gòu)材料的牌號用“粉”、“鐵”、“構(gòu)”三字的漢語拼音字首“FTG”，加化合碳含量的萬分?jǐn)?shù)、主加合金元素的符號及其含量的百分?jǐn)?shù)、輔加合金元素的符號及其含量的百分?jǐn)?shù)和抗拉強(qiáng)度組成。如FTG60-20，表示化合碳量0.4%～0.7%,抗拉強(qiáng)度200MPa的粉末冶金鐵基結(jié)構(gòu)材料；FTG60Cu3Mo-40，表示化合碳量0.4%～0.7%，合金元素含量Cu2%～4%、Mo0.5%～1.0%，抗拉強(qiáng)度400MPa的粉末冶金鐵基結(jié)構(gòu)材料。

【6】

5.粉末冶金產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景

功能材料向多功能化、集成化、小型化和智能化方向發(fā)展； 結(jié)構(gòu)材料向高性能化、復(fù)合化、功能化和低成本化方向發(fā)展； 薄膜和低維材料研帛發(fā)展迅速，生物醫(yī)用材料異軍突起； 新材料制品的精加工技術(shù)和近凈形成形技術(shù)受到高度重視； 材料及其制品與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)性倍受重視； 材料制備與評價表征新技術(shù)、新裝備不斷涌現(xiàn)； 材料在不同層次上的設(shè)計發(fā)展迅速。

【7】【8】【9】

6.結(jié)語

粉末冶金材料具有特殊性能，未來多樣化發(fā)展中，粉末冶金在某些行業(yè)，如汽車工業(yè)，粉末冶金材料將占有舉足輕重的地位，隨著粉末品質(zhì)的不斷提高，粉末制造成本的不斷下降，成形機(jī)設(shè)備的費(fèi)用不再偏高，粉末冶金材料的應(yīng)用會越來越廣。

參考文獻(xiàn)：

【1】劉詠，黃伯云.世界粉末冶金的發(fā)展現(xiàn)狀，中國有色金屬 2006年第1期.【2】黃伯云，易健宏.現(xiàn)代粉末冶金材料和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

（一），上海金屬 2007年第3期.【3】黃伯云，易健宏.現(xiàn)代粉末冶金材料和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

（二），上海金屬 2007年第4期.【4】王盤鑫.粉末冶金學(xué)，冶金工業(yè)出版社，2011.【5】黃伯云.粉末冶金標(biāo)準(zhǔn)手冊，中南大學(xué)出版社，2000.【6】劉道春.汽車零部件的粉末材料技術(shù)及其發(fā)展，柴油機(jī)設(shè)計與制造2011年第1期.【7】李祖德，李松林，趙慕岳.20世紀(jì)中、后期的粉末冶金新技術(shù)和新材料（1）末冶金材料科學(xué)與工程，第11卷第5期.【8】劉文勝，馬運(yùn)柱.粉末冶金新技術(shù)與新裝備礦冶工程，2007.【9】周洪強(qiáng)，陳志強(qiáng).鈦及鈦合金的粉末冶金新技術(shù)材料導(dǎo)報：網(wǎng)絡(luò)版，2006 1

第二篇：鋼鐵冶金論文(DOC)

煉鋼中脫磷的研究

1.前言

一般情況下，磷是鋼材中的有害成分，使鋼具有冷脆性。磷能溶于a-Fe中(可達(dá)1.2％)，固溶并富集在晶粒邊界的磷原子使鐵素體在晶粒問的強(qiáng)度大大增高，從而使鋼材的室溫強(qiáng)度提高而脆性增加，稱為冷脆。但含磷鐵水的流動性好，充填性好，對制造畸形復(fù)雜鑄件有利。此外，磷可改善鋼的切削性能、易切削鋼中磷含量可達(dá)0.08％一0.15％。2．轉(zhuǎn)爐的脫磷

2.1轉(zhuǎn)爐脫磷的基本原理

通常認(rèn)為，磷在鋼中是以[Fe3P]或[Fe2P]的形式存在，為方便起見，均用[P]表示。煉鋼過程中的脫磷反應(yīng)是在金屬液與熔渣界面進(jìn)行，首先是[P]被氧化成（P2O5），然后與（CaO）結(jié)合成穩(wěn)定的磷酸鈣，其反應(yīng)式可表示為： 2[P]+5(FeO)+4(CaO)==(4CaO·P2O5)+5[Fe] 或 2[P]+5(FeO)+3（CaO）=(3CaO2·P2O5)+5[Fe] 2.2影響脫磷的因素

磷的氧化在鋼渣界面進(jìn)行，按爐渣分子理論的觀點(diǎn)，反應(yīng)式如下： 2[P]+5(FeO)=（P2O5）+5[Fe]---Q1（1）3（FeO）+（P2O5）=（3 FeO·P2O5）---Q（2）

（3 FeO·P2O5）+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+ 3（FeO）---Q（3）有式（1），（2），（3）可推導(dǎo)出（4）：

2[P]+5（FeO）+4（CaO）=(4CaO·P2O5)+5[Fe]---(4)式（4）表明，高堿度、高氧化性渣對脫磷有利，去磷是放熱反應(yīng)，故從熱力學(xué)講低溫條件有利于去磷反應(yīng)的進(jìn)行。

（1）氧化性對爐渣去磷能力影響的理論分析

由上式不難看出（FeO）在脫磷過程中起雙重作用，一方面作為磷的氧化劑起氧化磷的作用；另一方面充當(dāng)把（P2O5）結(jié)合成（3 FeO·P2O5）的基礎(chǔ)化合物的作用。可以認(rèn)為渣中存在（FeO）是去磷的必要條件。由于（3 FeO·P2O5）在高于1470℃時不穩(wěn)定的，因此只有當(dāng)熔池內(nèi)石灰熔化后生成穩(wěn)定的化合物(4CaO·P2O5)才能達(dá)到去磷的目的。（2）爐渣堿度對爐渣去磷能力的影響理論分析

CaO具有較強(qiáng)的脫磷能力，(4CaO·P2O5)在煉鋼溫度下很穩(wěn)定，因此，提高爐渣堿 度可以提高脫磷的效率。但不能無止盡的提高爐渣的堿度，如果CaO加入過多，爐渣的熔點(diǎn)增大，CaO顆粒不能完全熔入爐渣，則導(dǎo)致爐渣的流動性減弱，黏度增強(qiáng)，從而影響脫磷反應(yīng)在鋼液與爐渣之間的界面進(jìn)行而降低脫磷效果。另外，爐渣堿度與氧化鐵的活度也有關(guān)系，過高堿度減少氧化鐵的活度，從而降低脫磷效果。（3）溫度對爐渣去磷能力影響的理論分析

溫度對去磷反應(yīng)的影響從兩個方面來看：一方面，去磷反應(yīng)是放熱反應(yīng)，高溫不利于去磷，然而，熔池溫度的提高，將加速石灰的熔化，提高熔渣堿度，從而提高磷在爐渣和鋼水中的分配比；另一方面，高溫能提高渣的流動性，能加強(qiáng)渣—鋼界面反應(yīng)，提高去磷速度，所以過低的溫度不利于去磷。

總之脫磷的條件為：高堿度、高（FeO）含量（氧化性）、良好的流動性熔渣、充分的熔池攪動、適當(dāng)?shù)臏囟燃按笤俊?.3回磷現(xiàn)象

所謂的回磷現(xiàn)象，就是磷從熔渣中又返回到鋼液中。成品鋼中磷含量高于終點(diǎn)鋼中的磷含量也屬于回磷現(xiàn)象。熔渣的堿度或氧化亞鐵含量降低，或石灰劃渣不好，或溫度過高等，均會引起回磷現(xiàn)象。出鋼過程中，由于脫氧合金加入不當(dāng)，或出鋼下渣，或合金中磷含量較高等因素，也有導(dǎo)致成品鋼中磷高于終點(diǎn)鋼[P]含量。由于脫氧，爐渣堿度、（FeO）含量降低，鋼包內(nèi)有回磷現(xiàn)象，反應(yīng)式如下：

2（FeO）+[Si]==(SiO2)+2[Fe]

(FeO)+[Mn]==(MnO)+[Fe]

2(P2O5)+5[Si]==5(SiO2)+4[P]

(P2O5)+5[Mn]==5(MnO)+2[P]

3(P2O5)+10[Al]==5(Al2O3)+6[P] 通常采用避免鋼水回磷措施：擋渣出鋼，盡量避免下渣；適當(dāng)提高脫氧前堿度；出鋼后向鋼包渣面加一定量石灰，增加爐渣堿度；盡可能采取鋼包脫氧，而不采取爐內(nèi)脫氧；加入鋼包改質(zhì)劑。

2.4 還原脫磷

還原條件下進(jìn)行脫磷近年來也很受關(guān)注，要實現(xiàn)還原脫磷，必須加入比鋁更強(qiáng)的脫氧劑，使鋼液達(dá)到深度還原。通常加入Ca，Ba或CaC2等強(qiáng)還原劑。還原脫磷反應(yīng)：

3[Ca]+2[P]===3(Ca2+)+2(P3-)3[Ba]+2[P]===3(Ba2+)+2(P3-)3CaC2(s)+2[P]===3(Ca2+)+2(P3-)+6[C] 還原脫磷加入強(qiáng)還原劑的同時，還需加入CaF2，CaO等熔劑造渣。還原脫磷一般是在金屬不宜用氧化脫磷的情況下使用，如含鉻高的不銹鋼，采用氧化脫磷會引起鉻的大量氧化。還原脫磷后的渣應(yīng)立即去除，否則渣中P3-又會被重新氧化成PO43-而造成回磷?！?】 3 鋼渣在微波場中還原脫磷

微波技術(shù)在加熱高電介質(zhì)耗損原料方面是一種簡單而有效的方法, 在冶金還原領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用

前景。相較于傳統(tǒng)加熱還原工藝需要較高的溫度和損耗, 具有體積性加熱、選擇性加熱、非接觸性加熱、即時性等加熱特性的微波場在較低溫度下能夠提供更多的熱量。因為通過渣料表面點(diǎn)位與微波能的強(qiáng)烈作

用, 物料表面點(diǎn)位選擇性被很快加熱至很高溫度。鐵氧化物是一種高微波響應(yīng)材料, 而且如果Fe3+ /(Fe2++ Fe3+)的比率在一個合適的范圍內(nèi), 鋼渣能得到有效加熱, 碳質(zhì)微粒物質(zhì)具有良好的微波吸收特性, 有利于迅速加熱原料。

3.1結(jié)果與討論

實驗表明鋼渣為微波的良吸收體, 如圖3所示, 當(dāng)時間達(dá)到15~ 20min時, 純渣料及各配碳量條件下的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 物料的微波升溫曲線 圖1 微波冶金試驗爐

物料溫度均達(dá)到1000e 并呈線性穩(wěn)定增加。還原結(jié)果如圖表4所示, 溫度對還原反應(yīng)的影響很大, 隨著溫度的上升, 脫磷率穩(wěn)定增加。1400e 時脫磷率可達(dá)到87.15%。當(dāng)溫度達(dá)到1200e 時, 渣料中出現(xiàn)大量直徑小于1mm的金屬顆粒, 并且呈均一彌散分布。由此證明微波體無溫度梯度的加熱方式使其中不同位置的物料獲得均一穩(wěn)定的加熱特性。當(dāng)溫度達(dá)到1300e 時, 渣料中即出現(xiàn)易從渣相分離出的直徑在10~ 20 mm的大顆粒金屬球.碳熱還原鋼渣的反應(yīng)機(jī)理是: Ca3(PO4)2 + 5C= 3CaO+ 1 /2P4 + 5CO 該反應(yīng)在超過1000e 時能自發(fā)進(jìn)行, 傳統(tǒng)工藝中溫度達(dá)到1400e 才能迅速反應(yīng)。微波場中當(dāng)溫度達(dá)到1200e 脫磷率就已經(jīng)達(dá)到85% 以上。所實驗表明, 較傳統(tǒng)加熱工藝, 微波促進(jìn)鋼渣脫磷, 使得還原脫磷反應(yīng)在低溫下得以實現(xiàn)。

圖4 溫度對脫磷率的影響

實驗表明Ceq對還原反應(yīng)的影響顯著。在微波場中升溫到1300e 保溫20min檢測發(fā)現(xiàn), 隨著碳當(dāng)量的增加, 渣中鐵和磷含量降低, 脫磷率增加。如圖6，當(dāng)Ceq= 1時, 即體系中的還原劑剛好夠還原鋼渣氧化物所用, 由于體系開放, 部分碳質(zhì)還原劑在空氣環(huán)境下微波輻射氧化消耗, 使得還原劑的有效參與率降低,從而導(dǎo)致脫磷率較低。隨著Ceq增加, 當(dāng)Ceq= 3時, 碳還原反應(yīng)劇烈, CO氣泡從坩堝界面和料面不斷冒出,遇空氣燃燒劇烈, 此時的脫磷率達(dá)到8619%。實驗發(fā)現(xiàn)配碳量較高情況下氣化脫磷占總脫磷率比重很大。主要由于高還原劑條件下產(chǎn)生大量CO氣體, CO上升過程將更多P(g)帶出, 促進(jìn)了磷的氣化逸散。此外,微波加熱在1300e 下即可較充分的發(fā)生還原反應(yīng), 此溫度尚未產(chǎn)生宏觀熔池, 為固固相反應(yīng), 料柱松散, 磷蒸汽逸散阻力小, 易被CO氣體攜帶出體系。上述結(jié)果表明, 鋼渣的還原效果很大程度上還是受還原劑的影響, 碳當(dāng)量越高, 鐵和磷在渣鐵間的分配比越小, 金屬聚集阻力和磷的氣化阻力越小, 即高碳當(dāng)量有利于磷的還原和遷移。但過高的碳當(dāng)量在反映出其對于體系升溫有負(fù)面影響。所以選擇合適的過量碳當(dāng)量是必要的。本次實表明, 2~ 3倍碳當(dāng)量既能返祖快速升溫啟動和促進(jìn)脫磷反應(yīng), 又能避免碳資源的浪費(fèi)。為研究保溫時間對還原效果的影響, 在1300e , 3Ceq條件下, 分別設(shè)定保溫時間0 min、10 min、20m in、30 min進(jìn)行對比實驗, 結(jié)果如圖7。實驗證明, 保溫時間越長, 渣相中出現(xiàn)Fe2C合金球直徑越大, 可回收金屬量越大, 脫磷率也越高。這說明適當(dāng)延長保溫時間, 能提供更長時間和更多熱量促進(jìn)金屬球的聚集長大,利于合金采集和回收。

3.2鋼渣微波場中還原脫磷結(jié)論

(1)實驗結(jié)果表明, 轉(zhuǎn)爐鋼渣為微波的良吸收體可在20m in被迅速加熱至1000e 以上。微波加熱能促進(jìn)鋼渣的還原反應(yīng), 實現(xiàn)鋼渣在1400e 以下的低溫還原脫磷。平均脫磷率達(dá)85% 以上, 最優(yōu)可達(dá)9115%。

(2)微波碳熱還原鋼渣反應(yīng)生成的Fe2C合金球, 最大直徑可達(dá)18mm, 易從渣中提取。其余呈均一彌散分布于殘渣中, 直徑大多在3mm以下, 需篩分與渣相分離。

(3)在1100e ~ 1400e 低溫范圍內(nèi), 鋼渣脫磷率隨溫度升高而增大, 1100e 時脫磷率達(dá)到80% , 1400e時脫磷率增高至8715%。適當(dāng)增加保溫時間, 更利于還原反應(yīng)的進(jìn)行。

(4)鋼渣的還原效果很大程度受還原劑影響。金屬收得率和脫磷率隨著碳當(dāng)量Ceq的增加而增加,1Ceq時脫磷率67%, 3Ceq鋼渣脫磷率上升至86.19%。【2】 4 預(yù)熔脫磷劑進(jìn)行鐵水脫磷的實驗

4.1w(CaO)/w(Fe2O3)對預(yù)熔脫磷劑脫磷效果的影響

根據(jù)脫磷的主要反應(yīng)式(式(1))可知, 脫磷劑中Fe2O3 在鐵水中的溶解氧[ O] 能將鐵水中的[ P] 氧化為P2O5 , 但P2O5 不穩(wěn)定, 必須和堿性氧化物(CaO)反應(yīng)生成穩(wěn)定的磷酸鹽渣(4CaO·P2 O5 或3CaO·P2 O5), 才能使鐵水中的磷脫除掉。通過實驗欲找到一個能使鐵水中磷含量降到最低的w(CaO)/w(Fe2O3)比值, 以達(dá)到最佳的脫磷效果。2[ P]+5(FeO)+4(CaO)=4(CaO)+(P2O5)+ 5[ Fe](1)為此, 在1350℃下固定w(CaF2)為10%不變,改變預(yù)熔脫磷劑中w(CaO)和w(Fe2 O3)的比值進(jìn)行脫磷實驗, 脫磷劑加入量為鐵水量的10%, 處理時間為10 min, 結(jié)果如圖2 所示?？煽闯? 在w(CaO)/w(Fe2O3)的值介于0.5~ 1.0 之間時, 隨比值增大脫磷率逐漸上升, 當(dāng)w(CaO)與w(Fe2O3)的比值為1.0 左右時, 脫磷率最大, 為95.22%, 這主要是由于w(CaO)/w(Fe2O3)約為1 時, 使鐵水中[ P] 與[ O] 充分結(jié)合生成的P2O5 能被CaO 完全固定為4CaO·P2O5 或3CaO·P2 O5 , 實現(xiàn)較好的脫磷效果;而在w(CaO)/ w(Fe2 O3)介于1.00~1．25 之間時, 隨比值增大脫磷率逐漸下降。

圖

2w(CaO)/ w(Fe2O3)對脫磷率的影響

4.2 助熔劑含量對預(yù)熔脫磷劑脫磷效果的影響

固定w(CaO)/w(Fe2O3)=1.0不變, 改變助熔劑CaF2 的含量在6% ~ 15% 之間變化進(jìn)行脫磷實驗。處理10 min 的結(jié)果如圖3 所示, 可以看到在CaF2 含量為6% 時, 脫磷率相對較低, 進(jìn)一步增加CaF2 的含量, 當(dāng)w(CaF2)為10% 時, 脫磷率最大,為96.24% , 使鐵水中的磷由0.21% 降低為0.0079%, 這主要因為CaF2 與CaO 能形成低熔點(diǎn)化合物, 經(jīng)預(yù)熔處理后脫磷劑熔點(diǎn)和粘度得到了降低 ,使脫磷反應(yīng)的動力學(xué)條件得到了明顯改善;當(dāng)w(CaF2)進(jìn)一步增加為15%時, 脫磷率有一定程度的降低, 為91.43%。由于在脫磷劑加入量一定的情況下, 當(dāng)助熔劑量多時, 氧化劑和固定劑的相對加入量就會減少, 因此, 脫磷效果反而不好;且預(yù)熔脫磷劑中CaF2 大于15% 時將對爐襯產(chǎn)生明顯的侵蝕。

圖3 預(yù)熔脫磷劑中CaF2 含量對脫磷效果的影響 4.3鐵水初始磷含量對預(yù)熔脫磷劑脫磷效果的影響

為適應(yīng)鐵水中初始磷含量的波動對脫磷反應(yīng)效果的影響, 對初始磷含量不同的鐵水用相同配比關(guān)系的預(yù)熔脫磷劑進(jìn)行了實驗研究。在1 300℃, 加入量為10%的條件下, 分別選用初始磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．21%、0.168%、0.119% 的生鐵進(jìn)行實驗, 結(jié)果如圖4 所示。可以看出隨初始磷含量的增大脫磷率略有增大, 當(dāng)鐵水中的初始磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%時, 經(jīng)過10 min 的脫磷處理后可使磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到0.007 9%, 脫磷率為96.24%;當(dāng)初始磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.168% 時, 可將鐵水中的磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到0.015% 的較低水平;初始磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步降低為0.119% 時, 鐵水中的磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也能降低到0.012% 的水平, 脫磷率可達(dá)到89.92%。結(jié)果表明鐵水中初始磷含量對用預(yù)熔脫磷劑進(jìn)行鐵水預(yù)處理脫磷的脫磷效果影響不大。

圖4 初始鐵水中磷含量對脫磷率的影響

4.4 處理溫度對預(yù)熔脫磷劑脫磷效果的影響

由熱力學(xué)分析可知, 脫磷反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)(ΔH =O 反應(yīng)大量進(jìn)行, 保證脫磷在低溫下進(jìn)行?？焖偬岣咴蠪eO 含量, 保證爐渣熔化速度和具有較好的氧化性。此時, 控制溫度在1 400 ℃以下, 控制ΣFeO 質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在35% ～40% , 使?fàn)t渣具有較高的氧化性, 爐渣堿度在210左右, 這樣在保證爐渣有良好的氧化性前提下有很好的流動性, 同時加強(qiáng)爐內(nèi)攪拌, 促進(jìn)渣-金反應(yīng)的快速進(jìn)行。脫碳升溫期的主要任務(wù)是脫碳升溫防止回磷。此時, 脫磷任務(wù)已基本完成, 隨著脫碳的進(jìn)行帶來的高溫會使脫磷反應(yīng)逆向進(jìn)行, 使渣中的磷又回到鋼中。因此改善爐渣熱力學(xué)條件來進(jìn)一步強(qiáng)化脫磷，的目的?？刂平K點(diǎn)ΣFeO質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在15%左右爐渣堿度在315 ～410。各廠的生產(chǎn)條件的差異應(yīng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整, 以滿足生產(chǎn)的穩(wěn)定。但需要指出的是, 化渣脫磷期可采用高槍位軟吹或降低供氧強(qiáng)度, 即可以控制爐內(nèi)溫度, 在促進(jìn)化渣的同時也可適當(dāng)延長化渣脫磷期, 使脫磷反應(yīng)充分進(jìn)行。脫碳升溫期, 盡量提高供氧強(qiáng)度, 快速脫碳升溫來降低回磷。在條件準(zhǔn)許的情況下, 可以采用留鋼操作是獲得高質(zhì)量鋼的有效手段。

6.2復(fù)吹轉(zhuǎn)爐成渣對脫磷結(jié)論

1)成渣過程決定脫磷的效率, 冶煉的不同時期應(yīng)合理控制爐渣堿度、氧化性和溫度, 鐵水磷含量的不同應(yīng)選擇不同的成渣方式。

2)化渣脫磷期鐵水中磷含磷較高脫磷的驅(qū)動力較大, 主要通過改善動力學(xué)條件來加快脫磷, 采用鐵質(zhì)成渣。控制溫度在1 400 ℃以下, 控制ΣFeO質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在35% ～40% , 使?fàn)t渣具有較高的氧化性, 爐渣堿度在210左右, 這樣在保證爐渣有良好的氧化性前提下有很好的流動性, 促進(jìn)渣-金反應(yīng)的快速進(jìn)行。

3)脫碳升溫期鐵水溫度較高是脫磷的不利條件, 因此改善熱力學(xué)條件來進(jìn)一步強(qiáng)化脫磷?？刂平K點(diǎn)ΣFeO 質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在15% ～20% , 爐渣堿度在315～410。【5】 7 結(jié)語

我國作為鋼材生產(chǎn)和消費(fèi)大國, 煉鋼工序作為鋼鐵生產(chǎn)不可缺少的環(huán)節(jié), 鋼渣的產(chǎn)生不可避免。近年來, 我國鋼渣和鐵渣的堆置達(dá)3億多噸, 鋼渣占鋼鐵工業(yè)固體廢物的12109%。在冶金工業(yè)生產(chǎn)中, 排放的主要固體廢棄物是高爐渣和轉(zhuǎn)爐渣。其中高爐渣是利用技術(shù)最成熟的工業(yè)廢渣, 而轉(zhuǎn)爐渣的回收利用相對差很多, 對鋼渣利用比較好的國家主要有美國、德國和日本, 利用率均達(dá)到95%以上。而我國在2002年調(diào)查中鋼渣利用率僅為36% , 與國外先進(jìn)國家相比, 在鋼鐵渣綜合利用方面還有較大差距。因而我們要多開發(fā)新技術(shù)如脫磷，做到如何在低成本下實現(xiàn)最大化的脫磷同時又不影響環(huán)境，從而做出高產(chǎn)出。新的技術(shù)還有待開發(fā)。

第三篇：鋼鐵冶金論文

?？普?文

題 目: 科 生 姓 名: 學(xué) 科、專 業(yè): :

業(yè)論文

鋼鐵中對脫磷反應(yīng)的

蔡月亮

冶金工程（高起專函授）

內(nèi)蒙古科技大學(xué)成人教育學(xué)院

畢專學(xué)院（系、所）

內(nèi)蒙古科技大學(xué)成人教育學(xué)院

畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書

專業(yè) 冶金工程（高起專函授）班級09級冶金班

學(xué)號 姓名蔡月亮

畢業(yè)設(shè)計(論文)題目:鋼鐵中對脫磷反應(yīng)的研究

設(shè)計期限:自2009年 9 月 1 日 至2011年 5 月 20 日

指導(dǎo)老師:龐峰淼

系 主 任:

2011年 4 月 27日

摘要

主要研究近年來脫磷的方法，一些防止冷脆和回磷的措施，復(fù)吹轉(zhuǎn)爐成渣過程對脫磷的影響，高磷鐵水脫磷效率影響因素等。

關(guān)鍵詞：脫磷；爐渣堿度；速率；預(yù)熔脫磷劑；高磷鐵水

Abstract Research in recent years dephosphorization method, some of the phosphorus to prevent cold crisp and return measures, blowing converter process for dephosphorization slag into the impact of high phosphorus hot metal dephosphorization efficiency influencing factors.Keywords: dephosphorization;slag basicity;rate;pre-melting dephosphorization agent;high phosphorus hot metal

前言

脫除鋼液中有害雜質(zhì)磷的物理化學(xué)過程。在高爐煉鐵時，原料中的磷幾乎全部還原到生鐵中，隨著鐵礦石磷含量的不同，生鐵中的磷可達(dá)0.1％～1.0％，特殊的可高達(dá)2.0％以上。鐵合金中同理也含有相當(dāng)多磷。磷使鋼材在低溫下變脆，即產(chǎn)生“冷脆”現(xiàn)象。實驗研究證明，磷在鋼凝固過程中偏析聚集在晶界處，很少量的磷，例如0.01％(100ppm)即可使鋼呈現(xiàn)低溫脆性。冶煉普通鋼要求將磷降到0.030％～0.040％，而低溫用鋼如寒冷地帶鉆井平臺用鋼、液化氣體儲存和輸送用鋼等要求含磷低到0.002％～0.003％(即20～30ppm)。因此，脫磷是煉鋼過程的主要任務(wù)之一。

2．轉(zhuǎn)爐的脫磷

2.1轉(zhuǎn)爐脫磷的基本原理

通常認(rèn)為，磷在鋼中是以[Fe3P]或[Fe2P]的形式存在，為方便起見，均用[P]表示。煉鋼過程中的脫磷反應(yīng)是在金屬液與熔渣界面進(jìn)行，首先是[P]被氧化成（P2O5），然后與（CaO）結(jié)合成穩(wěn)定的磷酸鈣，其反應(yīng)式可表示為：

2[P]+5(FeO)+4(CaO)==(4CaO·P2O5)+5[Fe] 或 2[P]+5(FeO)+3（CaO）=(3CaO2·P2O5)+5[Fe] 2.2影響脫磷的因素

磷的氧化在鋼渣界面進(jìn)行，按爐渣分子理論的觀點(diǎn)，反應(yīng)式如下： 2[P]+5(FeO)=（P2O5）+5[Fe]---Q1（1）

3（FeO）+（P2O5）=（3 FeO·P2O5）---Q（2）

（3 FeO·P2O5）+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+ 3（FeO）---Q（3）有式（1），（2），（3）可推導(dǎo)出（4）： 2[P]+5（FeO）+4（CaO）=(4CaO·P2O5)+5[Fe]---(4)式（4）表明，高堿度、高氧化性渣對脫磷有利，去磷是放熱反應(yīng)，故從熱力學(xué)講低溫條件有利于去磷反應(yīng)的進(jìn)行。

（1）氧化性對爐渣去磷能力影響的理論分析

由上式不難看出（FeO）在脫磷過程中起雙重作用，一方面作為磷的氧化劑起氧化磷的作用；另一方面充當(dāng)把（P2O5）結(jié)合成（3 FeO·P2O5）的基礎(chǔ)化合物的作用?？梢哉J(rèn)為渣中存在（FeO）是去磷的必要條件。由于（3 FeO·P2O5）在高于1470℃時不穩(wěn)定的，因此只有當(dāng)熔池內(nèi)石灰熔化后生成穩(wěn)定的化合物(4CaO·P2O5)才能達(dá)到去磷的目的。（2）爐渣堿度對爐渣去磷能力的影響理論分析

CaO具有較強(qiáng)的脫磷能力，(4CaO·P2O5)在煉鋼溫度下很穩(wěn)定，因此，提高爐渣堿

度可以提高脫磷的效率。但不能無止盡的提高爐渣的堿度，如果CaO加入過多，爐渣的熔點(diǎn)增大，CaO顆粒不能完全熔入爐渣，則導(dǎo)致爐渣的流動性減弱，黏度增強(qiáng)，從而影響脫磷反應(yīng)在鋼液與爐渣之間的界面進(jìn)行而降低脫磷效果。另外，爐渣堿度與氧化鐵的活度也有關(guān)系，過高堿度減少氧化鐵的活度，從而降低脫磷效果。

（3）溫度對爐渣去磷能力影響的理論分析

溫度對去磷反應(yīng)的影響從兩個方面來看：一方面，去磷反應(yīng)是放熱反應(yīng)，高溫不利于去磷，然而，熔池溫度的提高，將加速石灰的熔化，提高熔渣堿度，從而提高磷在爐渣和鋼水中的分配比；另一方面，高溫能提高渣的流動性，能加強(qiáng)渣—鋼界面反應(yīng)，提高去磷速度，所以過低的溫度不利于去磷。

總之脫磷的條件為：高堿度、高（FeO）含量（氧化性）、良好的流動性熔渣、充分的熔池攪動、適當(dāng)?shù)臏囟燃按笤俊?/p>

2.3冷脆現(xiàn)象

磷是鋼中有害雜質(zhì)之一。含磷較多的鋼,在室溫或更低的溫度下使用時,容易脆裂，稱為“冷脆”。鋼中含碳越高，磷引起的脆性越嚴(yán)重。一般普通鋼中規(guī)定含磷量不超過 0.045％，優(yōu)質(zhì)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(xué)穩(wěn)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并溶入鐵水。如選礦不能除去磷的化合物，脫磷就只能在（高）爐外或堿性煉鋼爐中進(jìn)行。

2.4回磷現(xiàn)象

所謂的回磷現(xiàn)象，就是磷從熔渣中又返回到鋼液中。成品鋼中磷含量高于終點(diǎn)鋼中的磷含量也屬于回磷現(xiàn)象。熔渣的堿度或氧化亞鐵含量降低，或石灰劃渣不好，或溫度過高等，均會引起回磷現(xiàn)象。出鋼過程中，由于脫氧合金加入不當(dāng)，或出鋼下渣，或合金中磷含量較高等因素，也有導(dǎo)致成品鋼中磷高于終點(diǎn)鋼[P]含量。由于脫氧，爐渣堿度、（FeO）含量降低，鋼包內(nèi)有回磷現(xiàn)象，反應(yīng)式如下：

2（FeO）+[Si]==(SiO2)+2[Fe]

(FeO)+[Mn]==(MnO)+[Fe]

2(P2O5)+5[Si]==5(SiO2)+4[P]

(P2O5)+5[Mn]==5(MnO)+2[P]

3(P2O5)+10[Al]==5(Al2O3)+6[P] 通常采用避免鋼水回磷措施：擋渣出鋼，盡量避免下渣；適當(dāng)提高脫氧前堿度；出鋼后向鋼包渣面加一定量石灰，增加爐渣堿度；盡可能采取鋼包脫氧，而不采取爐內(nèi)脫氧；加入鋼包改質(zhì)劑。2.5 還原脫磷

還原條件下進(jìn)行脫磷近年來也很受關(guān)注，要實現(xiàn)還原脫磷，必須加入比鋁更強(qiáng)的脫氧劑，使鋼液達(dá)到深度還原。通常加入Ca，Ba或CaC2等強(qiáng)還原劑。還原脫磷反應(yīng)：

3[Ca]+2[P]===3(Ca2+)+2(P3-)3[Ba]+2[P]===3(Ba2+)+2(P3-)3CaC2(s)+2[P]===3(Ca2+)+2(P3-)+6[C] 還原脫磷加入強(qiáng)還原劑的同時，還需加入CaF2，CaO等熔劑造渣。還原脫磷一般是在金屬不宜用氧化脫磷的情況下使用，如含鉻高的不銹鋼，采用氧化脫磷會引起鉻的大量氧化。還原脫磷后的渣應(yīng)立即去除，否則渣中P3-又會被重新氧化成PO43-而造成回磷?！?】

2.6脫磷反應(yīng)的速率

脫磷是渣一鋼界面反應(yīng)，反應(yīng)的進(jìn)行包括3個環(huán)節(jié)：(1)鋼液中磷和氧向渣鋼界面?zhèn)髻|(zhì)；(2)在渣鋼界面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)；(3)生成物在渣相內(nèi)的傳質(zhì)。高溫下脫磷的化學(xué)反應(yīng)是極快的，傳質(zhì)是脫磷速率的限制環(huán)節(jié)。對于渣相和金屬相中的傳質(zhì)快慢比較，不同研究者所得結(jié)果各異。這可能因兩相中的傳質(zhì)速率差別不大，所以測定有分歧。然而無論是哪個相中，增大傳質(zhì)速率的因素都是加強(qiáng)攪拌，增大界面流動速度，增大渣鋼界面面積等。頂吹轉(zhuǎn)爐中有大量金屬液滴彌散于渣中，造成良好的脫磷動力學(xué)條件，許多人捕集液滴進(jìn)行化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)液滴中磷含量比同一時刻的熔池含磷量低得多?？梢哉J(rèn)為，頂吹轉(zhuǎn)爐的脫磷都是在液滴表面進(jìn)行的。氧氣底吹轉(zhuǎn)爐，如果隨同氧氣噴入石灰粉，則石灰粉粒與生成的氧化鐵可以形成低熔點(diǎn)的鐵酸鈣渣滴，造成良好的脫磷熱力學(xué)條件和動力學(xué)條件，使脫磷能提前到脫碳時進(jìn)行，大約有50％～70％的磷靠渣滴來脫除。所以說，加強(qiáng)冶煉過程的攪拌造成液滴乳化，是提高脫磷速率的根本性措施。預(yù)熔脫磷劑進(jìn)行鐵水脫磷的實驗

3.1 w(CaO)/w(Fe2O3)對預(yù)熔脫磷劑脫磷效果的影響

根據(jù)脫磷的主要反應(yīng)式(式(1))可知, 脫磷劑中Fe2O3 在鐵水中的溶解氧[ O] 能將鐵水中的[ P] 氧化為P2O5 , 但P2O5 不穩(wěn)定, 必須和堿性氧化物(CaO)反應(yīng)生成穩(wěn)定的磷酸鹽渣(4CaO·P2 O5 或3CaO·P2 O5), 才能使鐵水中的磷脫除掉。通過實驗欲找到一個能使鐵水中磷含量降到最低的w(CaO)/w(Fe2O3)比值, 以達(dá)到最佳的脫磷效果。2[ P]+5(FeO)+4(CaO)=4(CaO)+(P2O5)+ 5[ Fe](1)為此, 在1350℃下固定w(CaF2)為10%不變,改變預(yù)熔脫磷劑中w(CaO)和w(Fe2 O3)的比值進(jìn)行脫磷實驗, 脫磷劑加入量為鐵水量的10%, 處理時間為10 min, 結(jié)果如圖2 所示?？煽闯? 在w(CaO)/w(Fe2O3)的值介于0.5~ 1.0 之間時, 隨比值增大脫磷率逐漸上升, 當(dāng)w(CaO)與w(Fe2O3)的比值為1.0 左右時, 脫磷率最大, 為95.22%, 這主要是由于w(CaO)/w(Fe2O3)約為1 時, 使鐵水中[ P] 與[ O] 充分結(jié)合生成的P2O5 能被CaO 完全固定為4CaO·P2O5 或3CaO·P2 O5 , 實現(xiàn)較好的脫磷效果;而在w(CaO)/ w(Fe2 O3)介于1.00~1．25 之間時, 隨比值增大脫磷率逐漸下降。

圖

2w(CaO)/ w(Fe2O3)對脫磷率的影響

3.2 助熔劑含量對預(yù)熔脫磷劑脫磷效果的影響

固定w(CaO)/w(Fe2O3)=1.0不變, 改變助熔劑CaF2 的含量在6% ~ 15% 之間變化進(jìn)行脫磷實驗。處理10 min 的結(jié)果如圖3 所示, 可以看到在CaF2 含量為6% 時, 脫磷率相對較低, 進(jìn)一步增加CaF2 的含量, 當(dāng)w(CaF2)為10% 時, 脫磷率最大,為96.24% , 使鐵水中的磷由0.21% 降低為0.0079%, 這主要因為CaF2 與CaO 能形成低熔點(diǎn)化合物, 經(jīng)預(yù)熔處理后脫磷劑熔點(diǎn)和粘度得到了降低 ,使脫磷反應(yīng)的動力學(xué)條件得到了明顯改善;當(dāng)w(CaF2)進(jìn)一步增加為15%時, 脫磷率有一定程度的降低, 為91.43%。由于在脫磷劑加入量一定的情況下, 當(dāng)助熔劑量多時, 氧化劑和固定劑的相對加入量就會減少, 因此, 脫磷效果反而不好;且預(yù)熔脫磷劑中CaF2 大于15% 時將對爐襯產(chǎn)生明顯的侵蝕。

圖3 預(yù)熔脫磷劑中CaF2 含量對脫磷效果的影響

3.3 鐵水初始磷含量對預(yù)熔脫磷劑脫磷效果的影響

為適應(yīng)鐵水中初始磷含量的波動對脫磷反應(yīng)效果的影響, 對初始磷含量不同的鐵水用相同配比關(guān)系的預(yù)熔脫磷劑進(jìn)行了實驗研究。在1 300℃, 加入量為10%的條件下, 分別選用初始磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．21%、0.168%、0.119% 的生鐵進(jìn)行實驗, 結(jié)果如圖4 所示?？梢钥闯鲭S初始磷含量的增大脫磷率略有增大, 當(dāng)鐵水中的初始磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%時, 經(jīng)過10 min 的脫磷處理后可使磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到0.007 9%, 脫磷率為96.24%;當(dāng)初始磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.168% 時, 可將鐵水中的磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到0.015% 的較低水平;初始磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步降低為0.119% 時, 鐵水中的磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也能降低到0.012% 的水平, 脫磷率可達(dá)到89.92%。結(jié)果表明鐵水中初始磷含量對用預(yù)熔脫磷劑進(jìn)行鐵水預(yù)處理脫磷的脫磷效果影響不大。

圖4 初始鐵水中磷含量對脫磷率的影響

3.4 處理溫度對預(yù)熔脫磷劑脫磷效果的影響

由熱力學(xué)分析可知, 脫磷反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)(ΔH =O 反應(yīng)大量進(jìn)行, 保證脫磷在低溫下進(jìn)行。快速提高渣中FeO 含量, 保證爐渣熔化速度和具有較好的氧化性。此時, 控制溫度在1 400 ℃以下, 控制ΣFeO 質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在35% ～40% , 使?fàn)t渣具有較高的氧化性, 爐渣堿度在210左右, 這樣在保證爐渣有良好的氧化性前提下有很好的流動性, 同時加強(qiáng)爐內(nèi)攪拌, 促進(jìn)渣-金反應(yīng)的快速進(jìn)行。脫碳升溫期的主要任務(wù)是脫碳升溫防止回磷。此時, 脫磷任務(wù)已基本完成, 隨著脫碳的進(jìn)行帶來的高溫會使脫磷反應(yīng)逆向進(jìn)行, 使渣中的磷又回到鋼中。因此改善爐渣熱力學(xué)條件來進(jìn)一步強(qiáng)化脫磷，的目的?？刂平K點(diǎn)ΣFeO質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在15%左右爐渣堿度在315 ～410。各廠的生產(chǎn)條件的差異應(yīng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整, 以滿足生產(chǎn)的穩(wěn)定。但需要指出的是, 化渣脫磷期可采用高槍位軟吹或降低供氧強(qiáng)度, 即可以控制爐內(nèi)溫度, 在促進(jìn)化渣的同時也可適當(dāng)延長化渣脫磷期, 使脫磷反應(yīng)充分進(jìn)行。脫碳升溫期, 盡量提高供氧強(qiáng)度, 快速脫碳升溫來降低回磷。在條件準(zhǔn)許的情況下, 可以采用留鋼操作是獲得高質(zhì)量鋼的有效手段。

5.2復(fù)吹轉(zhuǎn)爐成渣對脫磷結(jié)論

1)成渣過程決定脫磷的效率, 冶煉的不同時期應(yīng)合理控制爐渣堿度、氧化性和溫度, 鐵水磷含量的不同應(yīng)選擇不同的成渣方式。

2)化渣脫磷期鐵水中磷含磷較高脫磷的驅(qū)動力較大, 主要通過改善動力學(xué)條件來加快脫磷, 采用鐵質(zhì)成渣?？刂茰囟仍? 400 ℃以下, 控制ΣFeO質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在35% ～40% , 使?fàn)t渣具有較高的氧化性, 爐渣堿度在210左右, 這樣在保證爐渣有良好的氧化性前提下有很好的流動性, 促進(jìn)渣-金反應(yīng)的快速進(jìn)行。

3)脫碳升溫期鐵水溫度較高是脫磷的不利條件, 因此改善熱力學(xué)條件來進(jìn)一步強(qiáng)化脫磷。控制終點(diǎn)ΣFeO 質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在15% ～20% , 爐渣堿度在315～410?！?】 結(jié)語

我國作為鋼材生產(chǎn)和消費(fèi)大國, 煉鋼工序作為鋼鐵生產(chǎn)不可缺少的環(huán)節(jié), 鋼渣的產(chǎn)生不可避免。近年來, 我國鋼渣和鐵渣的堆置達(dá)3億多噸, 鋼渣占鋼鐵工業(yè)固體廢物的12109%。在冶金工業(yè)生產(chǎn)中, 排放的主要固體廢棄物是高爐渣和轉(zhuǎn)爐渣。其中高爐渣是利用技術(shù)最成熟的工業(yè)廢渣, 而轉(zhuǎn)爐渣的回收利用相對差很多, 對鋼渣利用比較好的國家主要有美國、德國和日本, 利用率均達(dá)到95%以上。而我國在2002年調(diào)查中鋼渣利用率僅為36% , 與國外先進(jìn)國家相比, 在鋼鐵渣綜合利用方面還有較大差距。因而我們要多開發(fā)新技術(shù)如脫磷，做到如何在低成本下實現(xiàn)最大化的脫磷同時又不影響環(huán)境，從而做出高產(chǎn)出。新的技術(shù)還有待開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

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【4】金焱,畢學(xué)工《高磷鐵水脫磷效率影響因素的研究》。《武漢科技大學(xué)學(xué)報》2010年2月第33卷第1 期 【5】王學(xué)斌 , 張珊珊, 張炯?！稄?fù)吹轉(zhuǎn)爐成渣過程對脫磷的影響》?！度R鋼科技》2010年6月

第四篇：鋼鐵冶金論文

煉鋼中脫磷的研究

摘要：主要研究近年來脫磷的方法，一些防止回磷的措施，復(fù)吹轉(zhuǎn)爐成渣過程對脫磷的影響，高磷鐵水脫磷效率影響因素，以及鋼渣在微波場中還原脫磷的工藝。

關(guān)鍵詞：脫磷；回磷；爐渣堿度；還原；預(yù)熔脫磷劑；高磷鐵水；煉鋼工藝

1.前言

一般情況下，磷是鋼材中的有害成分，使鋼具有冷脆性。磷能溶于a-Fe中(可達(dá)1.2％)，固溶并富集在晶粒邊界的磷原子使鐵素體在晶粒問的強(qiáng)度大大增高，從而使鋼材的室溫強(qiáng)度提高而脆性增加，稱為冷脆。但含磷鐵水的流動性好，充填性好，對制造畸形復(fù)雜鑄件有利。此外，磷可改善鋼的切削性能、易切削鋼中磷含量可達(dá)0.08％一0.15％。2．轉(zhuǎn)爐的脫磷

2.1轉(zhuǎn)爐脫磷的基本原理

通常認(rèn)為，磷在鋼中是以[Fe3P]或[Fe2P]的形式存在，為方便起見，均用[P]表示。煉鋼過程中的脫磷反應(yīng)是在金屬液與熔渣界面進(jìn)行，首先是[P]被氧化成（P2O5），然后與（CaO）結(jié)合成穩(wěn)定的磷酸鈣，其反應(yīng)式可表示為： 2[P]+5(FeO)+4(CaO)==(4CaO·P2O5)+5[Fe] 或 2[P]+5(FeO)+3（CaO）=(3CaO2·P2O5)+5[Fe] 2.2影響脫磷的因素

磷的氧化在鋼渣界面進(jìn)行，按爐渣分子理論的觀點(diǎn)，反應(yīng)式如下： 2[P]+5(FeO)=（P2O5）+5[Fe]---Q1（1）

3（FeO）+（P2O5）=（3 FeO·P2O5）---Q（2）

（3 FeO·P2O5）+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+ 3（FeO）---Q（3）有式（1），（2），（3）可推導(dǎo)出（4）：

2[P]+5（FeO）+4（CaO）=(4CaO·P2O5)+5[Fe]---(4)式（4）表明，高堿度、高氧化性渣對脫磷有利，去磷是放熱反應(yīng)，故從熱力學(xué)講低溫條件有利于去磷反應(yīng)的進(jìn)行。

（1）氧化性對爐渣去磷能力影響的理論分析

由上式不難看出（FeO）在脫磷過程中起雙重作用，一方面作為磷的氧化劑起氧化磷的作用；另一方面充當(dāng)把（P2O5）結(jié)合成（3 FeO·P2O5）的基礎(chǔ)化合物的作用?？梢哉J(rèn)為渣中存在（FeO）是去磷的必要條件。由于（3 FeO·P2O5）在高于1470℃時不穩(wěn)定的，因此只有當(dāng)熔池內(nèi)石灰熔化后生成穩(wěn)定的化合物(4CaO·P2O5)才能達(dá)到去磷的目的。（2）爐渣堿度對爐渣去磷能力的影響理論分析

CaO具有較強(qiáng)的脫磷能力，(4CaO·P2O5)在煉鋼溫度下很穩(wěn)定，因此，提高爐渣堿

度可以提高脫磷的效率。但不能無止盡的提高爐渣的堿度，如果CaO加入過多，爐渣的熔點(diǎn)增大，CaO顆粒不能完全熔入爐渣，則導(dǎo)致爐渣的流動性減弱，黏度增強(qiáng)，從而影響脫磷反應(yīng)在鋼液與爐渣之間的界面進(jìn)行而降低脫磷效果。另外，爐渣堿度與氧化鐵的活度也有關(guān)系，過高堿度減少氧化鐵的活度，從而降低脫磷效果。（3）溫度對爐渣去磷能力影響的理論分析

溫度對去磷反應(yīng)的影響從兩個方面來看：一方面，去磷反應(yīng)是放熱反應(yīng)，高溫不利于去磷，然而，熔池溫度的提高，將加速石灰的熔化，提高熔渣堿度，從而提高磷在爐渣和鋼水中的分配比；另一方面，高溫能提高渣的流動性，能加強(qiáng)渣—鋼界面反應(yīng)，提高去磷速度，所以過低的溫度不利于去磷。

總之脫磷的條件為：高堿度、高（FeO）含量（氧化性）、良好的流動性熔渣、充分的熔池攪動、適當(dāng)?shù)臏囟燃按笤俊?/p>

2.3回磷現(xiàn)象

所謂的回磷現(xiàn)象，就是磷從熔渣中又返回到鋼液中。成品鋼中磷含量高于終點(diǎn)鋼中的磷含量也屬于回磷現(xiàn)象。熔渣的堿度或氧化亞鐵含量降低，或石灰劃渣不好，或溫度過高等，均會引起回磷現(xiàn)象。出鋼過程中，由于脫氧合金加入不當(dāng)，或出鋼下渣，或合金中磷含量較高等因素，也有導(dǎo)致成品鋼中磷高于終點(diǎn)鋼[P]含量。由于脫氧，爐渣堿度、（FeO）含量降低，鋼包內(nèi)有回磷現(xiàn)象，反應(yīng)式如下：

2（FeO）+[Si]==(SiO2)+2[Fe]

(FeO)+[Mn]==(MnO)+[Fe]

2(P2O5)+5[Si]==5(SiO2)+4[P]

(P2O5)+5[Mn]==5(MnO)+2[P]

3(P2O5)+10[Al]==5(Al2O3)+6[P] 通常采用避免鋼水回磷措施：擋渣出鋼，盡量避免下渣；適當(dāng)提高脫氧前堿度；出鋼后向鋼包渣面加一定量石灰，增加爐渣堿度；盡可能采取鋼包脫氧，而不采取爐內(nèi)脫氧；加入鋼包改質(zhì)劑。

2.4 還原脫磷

還原條件下進(jìn)行脫磷近年來也很受關(guān)注，要實現(xiàn)還原脫磷，必須加入比鋁更強(qiáng)的脫氧劑，使鋼液達(dá)到深度還原。通常加入Ca，Ba或CaC2等強(qiáng)還原劑。還原脫磷反應(yīng)：

3[Ca]+2[P]===3(Ca2+)+2(P3-)3[Ba]+2[P]===3(Ba2+)+2(P3-)3CaC2(s)+2[P]===3(Ca2+)+2(P3-)+6[C] 還原脫磷加入強(qiáng)還原劑的同時，還需加入CaF2，CaO等熔劑造渣。還原脫磷一般是在金屬不宜用氧化脫磷的情況下使用，如含鉻高的不銹鋼，采用氧化脫磷會引起鉻的大量氧化。還原脫磷后的渣應(yīng)立即去除，否則渣中P3-又會被重新氧化成PO43-而造成回磷?！?】 3 鋼渣在微波場中還原脫磷

微波技術(shù)在加熱高電介質(zhì)耗損原料方面是一種簡單而有效的方法, 在冶金還原領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用

前景。相較于傳統(tǒng)加熱還原工藝需要較高的溫度和損耗, 具有體積性加熱、選擇性加熱、非接觸性加熱、即時性等加熱特性的微波場在較低溫度下能夠提供更多的熱量。因為通過渣料表面點(diǎn)位與微波能的強(qiáng)烈作

用, 物料表面點(diǎn)位選擇性被很快加熱至很高溫度。鐵氧化物是一種高微波響應(yīng)材料, 而且如果Fe3+ /(Fe2++ Fe3+)的比率在一個合適的范圍內(nèi), 鋼渣能得到有效加熱, 碳質(zhì)微粒物質(zhì)具有良好的微波吸收特性, 有利于迅速加熱原料。

3.1結(jié)果與討論

實驗表明鋼渣為微波的良吸收體, 如圖3所示, 當(dāng)時間達(dá)到15~ 20min時, 純渣料及各配碳量條件下的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 物料的微波升溫曲線 圖1 微波冶金試驗爐 物料溫度均達(dá)到1000e 并呈線性穩(wěn)定增加。還原結(jié)果如圖表4所示, 溫度對還原反應(yīng)的影響很大, 隨著溫度的上升, 脫磷率穩(wěn)定增加。1400e 時脫磷率可達(dá)到87.15%。當(dāng)溫度達(dá)到1200e 時, 渣料中出現(xiàn)大量直徑小于1mm的金屬顆粒, 并且呈均一彌散分布。由此證明微波體無溫度梯度的加熱方式使其中不同位置的物料獲得均一穩(wěn)定的加熱特性。當(dāng)溫度達(dá)到1300e 時, 渣料中即出現(xiàn)易從渣相分離出的直徑在10~ 20 mm的大顆粒金屬球.碳熱還原鋼渣的反應(yīng)機(jī)理是: Ca3(PO4)2 + 5C= 3CaO+ 1 /2P4 + 5CO 該反應(yīng)在超過1000e 時能自發(fā)進(jìn)行, 傳統(tǒng)工藝中溫度達(dá)到1400e 才能迅速反應(yīng)。微波場中當(dāng)溫度達(dá)到1200e 脫磷率就已經(jīng)達(dá)到85% 以上。所實驗表明, 較傳統(tǒng)加熱工藝, 微波促進(jìn)鋼渣脫磷, 使得還原脫磷反應(yīng)在低溫下得以實現(xiàn)。

圖4 溫度對脫磷率的影響

實驗表明Ceq對還原反應(yīng)的影響顯著。在微波場中升溫到1300e 保溫20min檢測發(fā)現(xiàn), 隨著碳當(dāng)量的增加, 渣中鐵和磷含量降低, 脫磷率增加。如圖6，當(dāng)Ceq= 1時, 即體系中的還原劑剛好夠還原鋼渣氧化物所用, 由于體系開放, 部分碳質(zhì)還原劑在空氣環(huán)境下微波輻射氧化消耗, 使得還原劑的有效參與率降低,從而導(dǎo)致脫磷率較低。隨著Ceq增加, 當(dāng)Ceq= 3時, 碳還原反應(yīng)劇烈, CO氣泡從坩堝界面和料面不斷冒出,遇空氣燃燒劇烈, 此時的脫磷率達(dá)到8619%。實驗發(fā)現(xiàn)配碳量較高情況下氣化脫磷占總脫磷率比重很大。主要由于高還原劑條件下產(chǎn)生大量CO氣體, CO上升過程將更多P(g)帶出, 促進(jìn)了磷的氣化逸散。此外,微波加熱在1300e 下即可較充分的發(fā)生還原反應(yīng), 此溫度尚未產(chǎn)生宏觀熔池, 為固固相反應(yīng), 料柱松散, 磷蒸汽逸散阻力小, 易被CO氣體攜帶出體系。上述結(jié)果表明, 鋼渣的還原效果很大程度上還是受還原劑的影響, 碳當(dāng)量越高, 鐵和磷在渣鐵間的分配比越小, 金屬聚集阻力和磷的氣化阻力越小, 即高碳當(dāng)量有利于磷的還原和遷移。但過高的碳當(dāng)量在反映出其對

于體系升溫有負(fù)面影響。所以選擇合適的過量碳當(dāng)量是必要的。本次實表明, 2~ 3倍碳當(dāng)量既能返祖快速升溫啟動和促進(jìn)脫磷反應(yīng), 又能避免碳資源的浪費(fèi)。為研究保溫時間對還原效果的影響, 在1300e , 3Ceq條件下, 分別設(shè)定保溫時間0 min、10 min、20m in、30 min進(jìn)行對比實驗, 結(jié)果如圖7。實驗證明, 保溫時間越長, 渣相中出現(xiàn)Fe2C合金球直徑越大, 可回收金屬量越大, 脫磷率也越高。這說明適當(dāng)延長保溫時間, 能提供更長時間和更多熱量促進(jìn)金屬球的聚集長大,利于合金采集和回收。

3.2鋼渣微波場中還原脫磷結(jié)論

(1)實驗結(jié)果表明, 轉(zhuǎn)爐鋼渣為微波的良吸收體可在20m in被迅速加熱至1000e 以上。微波加熱能促進(jìn)鋼渣的還原反應(yīng), 實現(xiàn)鋼渣在1400e 以下的低溫還原脫磷。平均脫磷率達(dá)85% 以上, 最優(yōu)可達(dá)9115%。

(2)微波碳熱還原鋼渣反應(yīng)生成的Fe2C合金球, 最大直徑可達(dá)18mm, 易從渣中提取。其余呈均一彌散分布于殘渣中, 直徑大多在3mm以下, 需篩分與渣相分離。

(3)在1100e ~ 1400e 低溫范圍內(nèi), 鋼渣脫磷率隨溫度升高而增大, 1100e 時脫磷率達(dá)到80% , 1400e時脫磷率增高至8715%。適當(dāng)增加保溫時間, 更利于還原反應(yīng)的進(jìn)行。

(4)鋼渣的還原效果很大程度受還原劑影響。金屬收得率和脫磷率隨著碳當(dāng)量Ceq的增加而增加,1Ceq時脫磷率67%, 3Ceq鋼渣脫磷率上升至86.19%。【2】 4 預(yù)熔脫磷劑進(jìn)行鐵水脫磷的實驗

4.1w(CaO)/w(Fe2O3)對預(yù)熔脫磷劑脫磷效果的影響

根據(jù)脫磷的主要反應(yīng)式(式(1))可知, 脫磷劑中Fe2O3 在鐵水中的溶解氧[ O] 能將鐵水中的[ P] 氧化為P2O5 , 但P2O5 不穩(wěn)定, 必須和堿性氧化物(CaO)反應(yīng)生成穩(wěn)定的磷酸鹽渣(4CaO·P2 O5 或3CaO·P2 O5), 才能使鐵水中的磷脫除掉。通過實驗欲找到一個能使鐵水中磷含量降到最低的w(CaO)/w(Fe2O3)比值, 以達(dá)到最佳的脫磷效果。2[ P]+5(FeO)+4(CaO)=4(CaO)+(P2O5)+ 5[ Fe](1)為此, 在1350℃下固定w(CaF2)為10%不變,改變預(yù)熔脫磷劑中w(CaO)和w(Fe2 O3)的比值進(jìn)行脫磷實驗, 脫磷劑加入量為鐵水量的10%, 處理時間為10 min, 結(jié)果如圖2 所示?？煽闯? 在w(CaO)/w(Fe2O3)的值介于0.5~ 1.0 之間時, 隨比值增大脫磷率逐漸上升, 當(dāng)w(CaO)與w(Fe2O3)的比值為1.0 左右時, 脫磷率最大, 為95.22%, 這主要是由于w(CaO)/w(Fe2O3)約為1 時, 使鐵水中[ P] 與[ O] 充分結(jié)合生成的P2O5 能被CaO 完全固定為4CaO·P2O5 或3CaO·P2 O5 , 實現(xiàn)較好的脫磷效果;而在w(CaO)/ w(Fe2 O3)介于1.00~1．25 之間時, 隨比值增大脫磷率逐漸下降。

圖

2w(CaO)/ w(Fe2O3)對脫磷率的影響

4.2 助熔劑含量對預(yù)熔脫磷劑脫磷效果的影響

固定w(CaO)/w(Fe2O3)=1.0不變, 改變助熔劑CaF2 的含量在6% ~ 15% 之間變化進(jìn)行脫磷實驗。處理10 min 的結(jié)果如圖3 所示, 可以看到在CaF2 含量為6% 時, 脫磷率相對較低, 進(jìn)一步增加CaF2 的含量, 當(dāng)w(CaF2)為10% 時, 脫磷率最大,為96.24% , 使鐵水中的磷由0.21% 降低為0.0079%, 這主要因為CaF2 與CaO 能形成低熔點(diǎn)化合物, 經(jīng)預(yù)熔處理后脫磷劑熔點(diǎn)和粘度得到了降低 ,使脫磷反應(yīng)的動力學(xué)條件得到了明顯改善;當(dāng)w(CaF2)進(jìn)一步增加為15%時, 脫磷率有一定程度的降低, 為91.43%。由于在脫磷劑加入量一定的情況下, 當(dāng)助熔劑量多時, 氧化劑和固定劑的相對加入量就會減少, 因此, 脫磷效果反而不好;且預(yù)熔脫磷劑中CaF2 大于15% 時將對爐襯產(chǎn)生明顯的侵蝕。

圖3 預(yù)熔脫磷劑中CaF2 含量對脫磷效果的影響

4.3鐵水初始磷含量對預(yù)熔脫磷劑脫磷效果的影響

為適應(yīng)鐵水中初始磷含量的波動對脫磷反應(yīng)效果的影響, 對初始磷含量不同的鐵水用相同配比關(guān)系的預(yù)熔脫磷劑進(jìn)行了實驗研究。在1 300℃, 加入量為10%的條件下, 分別選用初始磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．21%、0.168%、0.119% 的生鐵進(jìn)行實驗, 結(jié)果如圖4 所示?？梢钥闯鲭S初始磷含量的增大脫磷率略有增大, 當(dāng)鐵水中的初始磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.21%時, 經(jīng)過10 min 的脫磷處理后可使磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到0.007 9%, 脫磷率為96.24%;當(dāng)初始磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.168% 時, 可將鐵水中的磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到0.015% 的較低水平;初始磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步降低為0.119% 時, 鐵水中的磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也能降低到0.012% 的水平, 脫磷率可達(dá)到89.92%。結(jié)果表明鐵水中初始磷含量對用預(yù)熔脫磷劑進(jìn)行鐵水預(yù)處理脫磷的脫磷效果影響不大。

圖4 初始鐵水中磷含量對脫磷率的影響

4.4 處理溫度對預(yù)熔脫磷劑脫磷效果的影響

由熱力學(xué)分析可知, 脫磷反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)(ΔH =O 反應(yīng)大量進(jìn)行, 保證脫磷在低溫下進(jìn)行。快速提高渣中FeO 含量, 保證爐渣熔化速度和具有較好的氧化性。此時, 控制溫度在1 400 ℃以下, 控制ΣFeO 質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在35% ～40% , 使?fàn)t渣具有較高的氧化性, 爐渣堿度在210左右, 這樣在保證爐渣有良好的氧化性前提下有很好的流動性, 同時加強(qiáng)爐內(nèi)攪拌, 促進(jìn)渣-金反應(yīng)的快速進(jìn)行。脫碳升溫期的主要任務(wù)是脫碳升溫防止回磷。此時, 脫磷任務(wù)已基本完成, 隨著脫碳的進(jìn)行帶來的高溫會使脫磷反應(yīng)逆向進(jìn)行, 使渣中的磷又回到鋼中。因此改善爐渣熱力學(xué)條件來進(jìn)一步強(qiáng)化脫磷，的目的?？刂平K點(diǎn)ΣFeO質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在15%左右爐渣堿度在315 ～410。各廠的生產(chǎn)條件的差異應(yīng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整, 以滿足生產(chǎn)的穩(wěn)定。但需要指出的是, 化渣脫磷期可采用高槍位軟吹或降低供氧強(qiáng)度, 即可以控制爐內(nèi)溫度, 在促進(jìn)化渣的同時也可適當(dāng)延長化渣脫磷期, 使脫磷反應(yīng)充分進(jìn)行。脫碳升溫期, 盡量提高供氧強(qiáng)度, 快速脫碳升溫來降低回磷。在條件準(zhǔn)許的情況下, 可以采用留鋼操作是獲得高質(zhì)量鋼的有效手段。

6.2復(fù)吹轉(zhuǎn)爐成渣對脫磷結(jié)論

1)成渣過程決定脫磷的效率, 冶煉的不同時期應(yīng)合理控制爐渣堿度、氧化性和溫度, 鐵水磷含量的不同應(yīng)選擇不同的成渣方式。

2)化渣脫磷期鐵水中磷含磷較高脫磷的驅(qū)動力較大, 主要通過改善動力學(xué)條件來加快脫磷, 采用鐵質(zhì)成渣?？刂茰囟仍? 400 ℃以下, 控制ΣFeO質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在35% ～40% , 使?fàn)t渣具有較高的氧化性, 爐渣堿度在210左右, 這樣在保證爐渣有良好的氧化性前提下有很好的流動性, 促進(jìn)渣-金反應(yīng)的快速進(jìn)行。

3)脫碳升溫期鐵水溫度較高是脫磷的不利條件, 因此改善熱力學(xué)條件來進(jìn)一步強(qiáng)化脫磷?？刂平K點(diǎn)ΣFeO 質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在15% ～20% , 爐渣堿度在315～410。【5】 7 結(jié)語

我國作為鋼材生產(chǎn)和消費(fèi)大國, 煉鋼工序作為鋼鐵生產(chǎn)不可缺少的環(huán)節(jié), 鋼渣的產(chǎn)生不可避免。近年來, 我國鋼渣和鐵渣的堆置達(dá)3億多噸, 鋼渣占鋼鐵工業(yè)固體廢物的12109%。在冶金工業(yè)生產(chǎn)中, 排放的主要固體廢棄物是高爐渣和轉(zhuǎn)爐渣。其中高爐渣是利用技術(shù)最成熟的工業(yè)廢渣, 而轉(zhuǎn)爐渣的回收利用相對差很多, 對鋼渣利用比較好的國家主要有美國、德國和日本, 利用率均達(dá)到95%以上。而我國在2002年調(diào)查中鋼渣利用率僅為36% , 與國外先進(jìn)國家相比, 在鋼鐵渣綜合利用方面還有較大差距。因而我們要多開發(fā)新技術(shù)如脫磷，做到如何在低成本下實現(xiàn)最大化的脫磷同時又不影響環(huán)境，從而做出高產(chǎn)出。新的技術(shù)還有待開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

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【4】金焱,畢學(xué)工《高磷鐵水脫磷效率影響因素的研究》?！段錆h科技大學(xué)學(xué)報》2010年2月第33卷第1 期 【5】王學(xué)斌 , 張珊珊, 張炯?！稄?fù)吹轉(zhuǎn)爐成渣過程對脫磷的影響》?！度R鋼科技》2010年6月

第五篇：鋼鐵冶金概論論文格式

論文名稱（黑體，小二字體，居中）

××專業(yè)×班 姓名×× 學(xué)號××（居中，小四宋體）

摘要（小四宋體加黑）：概括論文的主要內(nèi)容（100字左右）

關(guān)鍵詞（小四宋體加黑）：高爐；設(shè)備；操作；維修；工藝（用以表示全文主要內(nèi)容信息條目的單詞或術(shù)語3—5個）正文（小四宋體加黑）

高爐生產(chǎn)是目前獲得大量生鐵的主要手段（約占生鐵總產(chǎn)量的99%）。高爐生產(chǎn)時，鐵礦石、燃料(焦炭)、熔劑(石灰石等)由爐頂裝入，熱風(fēng)從高爐下部的風(fēng)口鼓入爐內(nèi)。高爐生產(chǎn)的主要產(chǎn)品是煉鋼生鐵和合金生鐵，同時提供鑄造生鐵。（小四宋體）結(jié)論（小四宋體加黑）

對論文內(nèi)容做總結(jié)或?qū)σ院蟀l(fā)展趨勢作出預(yù)測和展望。（小四宋體）參考文獻(xiàn)（小四宋體加黑）

書籍：（1）時彥林主編，冶煉設(shè)備維護(hù)與檢修，冶金工業(yè)出版社，2005年。（2）羅振才主編，煉鋼機(jī)械，冶金工業(yè)出版社，1988年

期刊：（1）陶仁驥，轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)設(shè)備的改造實踐，鋼鐵，1984，7（7）：527（書籍，期刊格式見上）（小四宋體）注： 字?jǐn)?shù)1000～3000；小四宋體；

上下左右頁邊距均為2.5mm；1.5倍行間距；標(biāo)準(zhǔn)字間距

論文寫作參考范圍

1、高爐煉鐵工藝、原理，高爐主體設(shè)備（裝供料設(shè)備、爐前設(shè)備、加熱爐設(shè)備、除塵凈化設(shè)備等）及輔助設(shè)備加工、應(yīng)用、操作、維護(hù)維修；

2、轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝、原理，轉(zhuǎn)爐主體設(shè)備（轉(zhuǎn)爐爐體、轉(zhuǎn)爐傾動機(jī)械、吹氧設(shè)備、供料設(shè)備、煙氣凈化回收設(shè)備）及輔助設(shè)備加工、應(yīng)用、操作、維護(hù)維修；

3、連鑄工藝、原理，連鑄機(jī)主體設(shè)備（澆筑設(shè)備、結(jié)晶器、冷卻拉矯設(shè)備、引錠輸出設(shè)備）輔助設(shè)備加工、應(yīng)用、操作、維護(hù)維修；

4、傳統(tǒng)冶煉工藝（煉鐵、煉鋼、連鑄）的最新發(fā)展及趨勢；

5、爐外精煉工藝及設(shè)備；

6、鐵水預(yù)處理工藝及設(shè)備；