鐵中脫磷問題的認識和解決,在鋼鐵生產(chǎn)發(fā)展史上具有特殊的重要意義。鋼的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)開始于1856年貝塞麥(H.Bessemer)發(fā)明的酸性轉(zhuǎn)爐煉鋼法。但酸性轉(zhuǎn)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(chǎn)的發(fā)展。1879年托馬斯(S.Thomas)發(fā)明了能處理高磷鐵水的堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼法,堿性爐渣的脫磷原理接著被推廣到平爐煉鋼中去,使大量含磷鐵礦石得以用于生產(chǎn)鋼鐵,對現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的發(fā)展作出了重大的貢獻。
堿性渣的脫磷作用 脫磷反應(yīng)是在爐渣與含磷鐵水的界面上進行的。鋼液中的磷 【P】和氧 【O】結(jié)合成氣態(tài)PO的反應(yīng):
1600℃時的平衡常數(shù)非常小(=4.4×10),要靠生成PO氣體逸出而使鋼液脫磷,顯然是不行的。但如果鋼液和堿性渣接觸,PO就會與渣中的氧化鈣(CaO)結(jié)合成穩(wěn)定的3CaO·PO或4CaO·PO,總反應(yīng)是:
1600℃時,=3.5×10平衡常數(shù)如此大,說明堿性渣的脫磷能力是很強的。熔渣離子理論認為:堿性渣中含有自由的氧離子O,它能與PO結(jié)合成穩(wěn)定的PO婯離子,脫磷反應(yīng)是:
不管是分子理論或離子理論,但是有一個重要的事實是:3CaO·PO、4CaO·PO和PO婯都有很高的熱力學(xué)穩(wěn)定性。根據(jù)熔渣陰離子聚合模型(見馬松模型),PO婯還能與渣中的硅-氧鏈結(jié)構(gòu)形成SiPO叅、SiPO咱、SiPO喐等穩(wěn)定的復(fù)合陰離子。
渣量、FeO含量、溫度對脫磷的影響 增大渣量,或?qū)⒑锥嗟臓t渣放出,另造新的堿性渣,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,還能使加入爐內(nèi)的固體石灰更快地溶入渣中,使渣中自由的O離子增多,從而提高熔渣的脫磷能力。脫磷是放熱反應(yīng),溫度較低有利于反應(yīng)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,渣中含有足夠數(shù)量的 FeO;在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼中,調(diào)節(jié)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(zhuǎn)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,其中的氧被硅、錳、碳的氧化所消耗殆盡,渣中缺乏足夠量的FeO,加入的固體石灰也很少溶入渣內(nèi),渣的脫磷能力很差。只有待吹煉后期,鋼中碳降到很低時,渣中FeO含量增大,使固體石灰迅速溶解入渣后,才能有效地脫磷。這稱為"后吹"去磷。氧氣底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼也有類似的情況,主要靠后吹去磷。為避免后吹,可用吹入石灰粉或人造合成渣的辦法以加速石灰的溶解,提早去磷。
回磷及防止方法 脫磷反應(yīng)速度甚快,容易接近平衡。在鋼水脫氧時,溫度較高,如果渣中CaO含量不夠高,加入脫氧劑后,鋼中溶解的氧減少,這些不利于脫磷的條件湊在一起,會使去磷反應(yīng)的平衡向反方向轉(zhuǎn)移,鋼中含磷回升。這種現(xiàn)象稱為"回磷"。在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼中,如果槍位過低、渣中FeO少,也會使渣趨于回磷。為減少回磷,應(yīng)盡可能在出鋼時使渣量減少,并在渣中加入石灰,使渣變稠。電爐煉鋼在氧化期結(jié)束時,要盡可能地將含磷的氧化性渣排出爐外,以防止還原期回磷。
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濃度高可以使磷化速度加快,但結(jié)晶粗糙,磷化層質(zhì)量明顯下降,且沉淀會大量析出,甚至?xí)练e到部件上,不但會浪費原材料,同時造成質(zhì)量問題,還會人為造成清理磷化槽的勞動強度。
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