煉鋼過程物理化學(xué)中國的研究動(dòng)態(tài)及展望

20世紀(jì)50年代以來，在中國，冶金過程物理化學(xué)的學(xué)科逐步建立。北京科技大學(xué)、東北大學(xué)及中南工業(yè)大學(xué)三所大學(xué)相繼組成專門的教學(xué)和研究隊(duì)伍。全國第一屆冶金過程物理化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)于1962年在上海召開，第二屆于1964年于長沙召開。自1976年以后該學(xué)術(shù)會(huì)議恢復(fù)定期舉行。發(fā)表的論文中相當(dāng)大的部分屬于煉鋼過程物理化學(xué)的范疇。此外，全國煉鋼學(xué)術(shù)會(huì)議也有不少關(guān)于煉鋼過程物理化學(xué)的論文。在學(xué)術(shù)水平上，已有不少研究領(lǐng)域達(dá)到國際水平，但尚有一些領(lǐng)域?qū)儆诳瞻讌^(qū)。為了促進(jìn)鋼鐵工業(yè)向高質(zhì)量、現(xiàn)代化發(fā)展，必須大力進(jìn)行煉鋼物理化學(xué)的研究。下列領(lǐng)域值得重視：

(1)結(jié)合中國礦產(chǎn)資源特點(diǎn)，研究鋼中有害雜質(zhì)的去除和有益元素的提取，相應(yīng)地研究有關(guān)元素在金屬液中的熱力學(xué)行為及動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。

(2)超純凈鋼冶煉的物理化學(xué)及其對(duì)高質(zhì)量鋼管、鋼板(包括高壓石油鋼管及深沖薄板)機(jī)械性能的作用。

(3)凝固過程動(dòng)力學(xué)，對(duì)連鑄鋼坯性能的影響。

(4)鋼鐵廠環(huán)境保護(hù)和資源再生的物理化學(xué)。2100433B

20世紀(jì)30年代以來，煉鋼過程物理化學(xué)在促進(jìn)鋼鐵工業(yè)蓬勃發(fā)展中起了重大的作用。下面舉兩個(gè)實(shí)例。

(1)不銹鋼冶煉工藝的改進(jìn)和新工藝的發(fā)明。奧氏體鉻鎳不銹鋼含碳量越低則抗腐蝕性越強(qiáng)。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，是不銹鋼冶煉的關(guān)鍵問題。1926～1940年間，不銹鋼冶煉采用“配料熔化法”，即將符合成分的原料配好，在電弧爐熔化得不銹鋼。為了抵消電極增碳，配料時(shí)盡量采用低碳原料。當(dāng)時(shí)只能冶煉C≥0.1%的不銹鋼。加工過程中積累了大量不銹鋼廢料。將這些廢料返回電爐重熔時(shí)，由于電極增碳，熔化后鋼液含碳量超過標(biāo)準(zhǔn)。向熔池加入鐵礦，只能使鉻氧化而不能脫碳。因之，大量不銹鋼廢料不能返回應(yīng)用，成為當(dāng)時(shí)困擾不銹鋼冶煉的一大難題。熱力學(xué)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(shí)，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(fā)明“返回吹氧法”，向熔池吹入氧氣，提高熔池溫度，使之高于鉻、碳的氧化轉(zhuǎn)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℃)。在大量使用不銹鋼返回料的條件下，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(jìn)一步利用FeSi從渣中還原，大部分收回，這就解決了不銹鋼廢鋼的利用問題。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(yīng)有的含量。

(2)控制硫化物夾雜的形態(tài)以提高鋼的品質(zhì)。近代石油工業(yè)、汽車工業(yè)、核工業(yè)等對(duì)鋼的品質(zhì)和機(jī)械性能提出更高的要求。純凈鋼的需要越來越大。在50年代，硫、磷脫到0.05%或以下，即達(dá)到了一般鋼的要求;而現(xiàn)在多數(shù)普通鋼要求達(dá)到0.02%以下。對(duì)特殊鋼，例如低合金高強(qiáng)度鋼，硫、磷應(yīng)脫到0.005%或更低，即所謂“ppm級(jí)(10-6級(jí))”的標(biāo)準(zhǔn)。石油運(yùn)輸鋼管在嚴(yán)寒低溫下要求有高的沖擊韌性。汽車鋼板、深沖薄板為避免加工及使用過程中產(chǎn)生裂紋及撕裂，也要求有高的沖擊韌性和高的彎曲可塑性。以夾雜物存在于鋼內(nèi)的硫及其形態(tài)對(duì)該兩種性能起決定性作用。60～70年代間，煉鋼物理化學(xué)工作者發(fā)現(xiàn)，對(duì)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(tài)，使鋼的沖擊韌性具有均向性。在深度脫氧后，硫以球形或多角形MnS存于鋼內(nèi)，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沖擊值，在室溫到100℃時(shí)以縱向的沖擊值為最高。當(dāng)溫度降到0℃以下，3個(gè)方向的沖擊值均降到近于零。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼液加入很強(qiáng)的脫硫劑如鈣、鎂、鈦、鋯或稀土元素時(shí)，MnS變?yōu)樵摷尤朐氐牧蚧铮猿是蛐位蚨嘟切?，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(gè)方向沖擊值很接近，而且在從0℃降到-40℃時(shí)，各方向的沖擊值雖然不同程度地下降，但仍保留相當(dāng)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(fù)荷下使用，同時(shí)又有優(yōu)良的表面質(zhì)量。為了減少含硫量并改善硫化物形態(tài)，鐵水預(yù)處理、爐外精煉、噴射冶金或喂線法、鈣處理技術(shù)等新技術(shù)、新工藝在工業(yè)上廣泛地發(fā)展起來。在此期間，硫化物形態(tài)控制與高爐動(dòng)態(tài)模擬模型、固體電解質(zhì)電池直接定氧一起曾被譽(yù)為鋼鐵冶金領(lǐng)域的三大發(fā)明。

此外，自20世紀(jì)70年代以來煉鋼過程動(dòng)力學(xué)的研究非?；钴S。每一煉鋼反應(yīng)通常有幾個(gè)步驟，但熱力學(xué)只解決反應(yīng)物質(zhì)的初始及終止時(shí)的熱力學(xué)狀態(tài)及反應(yīng)的吉布斯能變化，對(duì)中間過程和步驟則不過問。從動(dòng)力學(xué)角度看，過程中速率最慢的步驟是控制整個(gè)反應(yīng)速率的限制性環(huán)節(jié)。動(dòng)力學(xué)分析每個(gè)步驟，求出此速率最慢的限制性環(huán)節(jié)，提出措施以縮短完成反應(yīng)的時(shí)間。氣—液二相反應(yīng)如脫氫、脫氮，液—液二相反應(yīng)如脫硫、脫磷等等，均通過動(dòng)力學(xué)分析提高了去除有害氣體和元素的效率。

氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐發(fā)明之后，煉鋼時(shí)間大為縮短，煉鋼成本降低，因而逐步代替了平爐煉鋼。而頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法又抑制了頂吹的噴濺，進(jìn)一步降低鐵耗，配以爐外精煉，可以煉制優(yōu)質(zhì)合金鋼。對(duì)熔池內(nèi)速度場、濃度場和溫度場的冷態(tài)模型模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型數(shù)值法計(jì)算，為底吹噴射裝置的設(shè)計(jì)和操作提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

凝固動(dòng)力學(xué)的研究改善了連鑄設(shè)備的設(shè)計(jì)，使鋼坯晶體組織及表面質(zhì)量得以改善，內(nèi)部偏析減小。

從學(xué)科的角度來看，煉鋼過程物理化學(xué)包括3部分：煉鋼過程熱力學(xué);煉鋼過程動(dòng)力學(xué);煉鋼熔體的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。

煉鋼過程物理化學(xué)煉鋼過程熱力學(xué)

研究煉鋼反應(yīng)的兩方面問題：(1)反應(yīng)能否進(jìn)行，也即反應(yīng)的可能性和方向性;(2)反應(yīng)達(dá)到平衡的條件及該條件下能得到的反應(yīng)產(chǎn)物最大產(chǎn)出率。

煉鋼過程包括錯(cuò)綜復(fù)雜的多相、多元素的不同反應(yīng)。通過熱力學(xué)計(jì)算，可以研究促進(jìn)或抑制反應(yīng)、改變反應(yīng)方向，或使不能進(jìn)行的反應(yīng)變?yōu)槟軌蜻M(jìn)行的熱力學(xué)條件?；瘜W(xué)反應(yīng)的吉布斯能變量△G，是判斷反應(yīng)在等溫等壓條件下能否發(fā)生的依據(jù)。根據(jù)吉布斯能變量最小原理，改變溫度、活度、壓力及添加劑等條件，可以改變反應(yīng)的△G，從而使反應(yīng)按希望的方向進(jìn)行。通過反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯能△G°可以計(jì)算反應(yīng)的平衡常數(shù)，即反應(yīng)的限度。因而在給定某些反應(yīng)物質(zhì)的組成時(shí)，可以計(jì)算指定產(chǎn)物的最大產(chǎn)出率。參加反應(yīng)的物質(zhì)存在于鋼液、熔渣之內(nèi)，進(jìn)行熱力學(xué)分析及計(jì)算時(shí)，熔體中物質(zhì)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(xué)數(shù)據(jù)，如焓△H、熵△S、吉布斯能△G及活度系數(shù)等，可以基本上滿足煉鋼工作者進(jìn)行熱力學(xué)分析及計(jì)算的需要。

煉鋼過程物理化學(xué)煉鋼過程動(dòng)力學(xué)

研究煉鋼反應(yīng)的速率及機(jī)理，找出提高或控制反應(yīng)速率的途徑。從分子觀點(diǎn)出發(fā)，研究冶金反應(yīng)的速率、反應(yīng)級(jí)數(shù)及活化能稱為微觀動(dòng)力學(xué)。但煉鋼過程中的氣—液、氣—固或氣—液—固反應(yīng)經(jīng)常都在流動(dòng)狀態(tài)下發(fā)生，并伴有傳質(zhì)及傳熱現(xiàn)象。近20年來，傳遞現(xiàn)象理論被引用于研究煉鋼過程。研究存在傳質(zhì)、傳熱和動(dòng)量傳遞現(xiàn)象時(shí)的煉鋼過程的速率及機(jī)理稱為宏觀動(dòng)力學(xué)、在這里，“速率”指整個(gè)多步驟多相過程的綜合速率以及確定速率隨環(huán)境的變化;而機(jī)理則用以解釋構(gòu)成整個(gè)反應(yīng)的所有各步驟，并指明控制過程速率的限制性環(huán)節(jié)。如果在冶金爐或鋼包內(nèi)研究煉鋼過程的宏觀動(dòng)力學(xué)，則應(yīng)研究物料在容器內(nèi)的混合及停留時(shí)間等，因而涉及到冶金容器的形狀和操作的最優(yōu)化問題。這樣煉鋼過程動(dòng)力學(xué)即過渡到冶金反應(yīng)工程學(xué)的范疇。

煉鋼過程物理化學(xué)煉鋼熔體

包括鐵液及熔渣。研究煉鋼過程必須對(duì)它們的各種性質(zhì)加以測定或計(jì)算。屬于熱力學(xué)性質(zhì)的有熔體物質(zhì)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系數(shù))等;屬于動(dòng)力學(xué)及傳遞性質(zhì)的有擴(kuò)散系數(shù)、黏度、傳質(zhì)系數(shù)及傳熱系數(shù)等;屬于電化學(xué)性質(zhì)的有電導(dǎo)率、遷移數(shù)及分解電動(dòng)勢等;屬于物理性質(zhì)的有密度、熱導(dǎo)率、表面(界面)張力、磁導(dǎo)率、蒸氣壓及雜質(zhì)或氣體在熔體中的溶解度等。熔體性質(zhì)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。建立熔體的結(jié)構(gòu)模型，從而計(jì)算其組分的活度是一個(gè)重要研究課題，但迄今仍未得到一個(gè)能普遍適用于任何組成的熔體(熔渣及含不同元素的鐵液)的結(jié)構(gòu)模型。熔體物理性質(zhì)數(shù)據(jù)基本上還是依靠測定。

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(gè)氧化過程，如何保留有益元素，排除有害雜質(zhì)，使鋼達(dá)到必要的性能，這是煉鋼物理化學(xué)的中心問題。

煉鋼過程物理化學(xué)脫碳

生鐵含碳很高，一般大于2.5%。大量的碳使得生鐵性脆，不能進(jìn)行冷、熱加工以制成各種半成品或材料。因此在煉鋼過程通過氧化去除多余的碳。鋼的性質(zhì)與其含碳量有關(guān)，為達(dá)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(yīng)機(jī)理。

脫硫、脫磷 硫、磷來源于煉鐵時(shí)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(dāng)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(jìn)入生鐵，必須在煉鋼過程中去除。通常煉鋼脫硫反應(yīng)和煉鋼脫磷反應(yīng)均須在適當(dāng)溫度下通過適當(dāng)組成的爐渣來完成。對(duì)于合金鋼，為避免合金元素的氧化，有時(shí)脫硫、脫磷必須在還原氣氛下來完成。

煉鋼過程物理化學(xué)脫氧

煉鋼過程用氧氣(或Fe₂O₃)進(jìn)行氧化，導(dǎo)致鋼液含有大量溶解氧(以[O]表示)，它會(huì)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(nèi)或爐外將鋼中的氧脫除。

煉鋼過程物理化學(xué)去除氣

體 煉鋼是在大氣下進(jìn)行的;加入的熔劑石灰或鐵合金等經(jīng)常含有水分，因此鋼液中會(huì)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(diǎn))，氮能與合金元素生成氮化物影響鋼的性能。而過量氣體會(huì)造成鋼錠氣泡。因而鋼液在凝固前或在凝固過程中必須進(jìn)行脫氣處理。

煉鋼過程物理化學(xué)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于鋼液，在鋼液凝固時(shí)形成非金屬夾雜物存在鋼內(nèi)，大大地影響鋼的性能，特別是鋼的強(qiáng)度和沖擊韌性。在鋼液凝固前使夾雜物上浮排除，并且控制凝固過程形成夾雜物的形態(tài)和分布，是煉鋼物理化學(xué)的一個(gè)研究課題。

煉鋼過程物理化學(xué)合金化

生鐵如含鈮或釩，采取適當(dāng)工藝可使它們先行氧化進(jìn)入渣中，再從渣煉制鐵合金。使用鐵合金及煉制合金鋼時(shí)，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。

人類自進(jìn)入銅器時(shí)代以來，就發(fā)明了冶煉金屬及使用金屬的方法，并逐步發(fā)展成為大規(guī)模的冶金工業(yè)，特別是鋼鐵工業(yè)。但冶煉技術(shù)在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)停留在技藝階段，人們擅長冶煉技術(shù)而不知其原理。自從冶金物理化學(xué)學(xué)科逐步建立和發(fā)展之后，人們才開始了解冶煉過程的規(guī)律，使得冶煉新工藝、新技術(shù)、新方法、新設(shè)備不斷被發(fā)明創(chuàng)造出來，促進(jìn)人類文明的蓬勃發(fā)展。

物理化學(xué)應(yīng)用于冶金過程首先自煉鋼工藝開始。1925年英國法拉第學(xué)會(huì)(Faraday society)召開煉鋼物理化學(xué)的國際學(xué)術(shù)會(huì)議，引起全世界冶金工作者廣泛的興趣，使煉鋼工作者產(chǎn)生了把煉鋼由技藝發(fā)展為科學(xué)的期望。1926年，美國赫爾蒂(C.H.Herty)在美國礦業(yè)局領(lǐng)導(dǎo)下組織煉鋼物理化學(xué)專門研究小組，進(jìn)行較有系統(tǒng)的研究工作。已有《鋼脫氧——紀(jì)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(xué)導(dǎo)論》一書在1932～1934年出版并被譯成英、俄、意等國文字。英國人麥堪斯(A.McCance)在1938年總結(jié)此前物理化學(xué)在平爐煉鋼的應(yīng)用，寫成專文發(fā)表于該年的英國鋼鐵學(xué)會(huì)雜志(JISI)。

美國人啟普曼(J.Chipman)于1942年所著的《1600℃的化學(xué)》提出煉鋼化學(xué)理論上應(yīng)探討的問題。德國奧爾遜(W.Oelsen)總結(jié)了1948年以前德國學(xué)者在鋼鐵冶金物理化學(xué)方面的成就。同年英國法拉第學(xué)會(huì)召開過程冶金物理化學(xué)國際會(huì)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(xué)院召開國際煉鋼學(xué)術(shù)會(huì)議，其論文集《煉鋼物理化學(xué)》于1958年出版。1958年英國國家物理實(shí)驗(yàn)室召開規(guī)模更大的冶金物理化學(xué)會(huì)議，名為《金屬溶液及金屬間化合物物理化學(xué)》的論文集共2冊(cè)于1959年出版。1959年美國礦冶學(xué)會(huì)召開過程冶金物理化學(xué)國際會(huì)議，其論文集2冊(cè)于1961年出版。啟普曼教授于1962年退休，他的學(xué)生為慶祝他在冶金物理化學(xué)方面的貢獻(xiàn)，組織了國際學(xué)術(shù)會(huì)議，論文集《煉鋼—啟普曼會(huì)議》于1965年出版。1970年德國亞琛高等工業(yè)學(xué)校為紀(jì)念申克教授70壽辰組織煉鋼動(dòng)力學(xué)國際學(xué)術(shù)會(huì)議，論文集《煉鋼過程動(dòng)力學(xué)》于1972年出版，并有英文版于1975年出版。1971年英國煉鋼協(xié)會(huì)及舍費(fèi)爾大學(xué)組織冶金化學(xué)國際會(huì)議，論文集《鋼鐵的化學(xué)冶金》于1973年出版。1978年在法國凡爾賽召開了鋼鐵冶金物理化學(xué)國際會(huì)議，其論文集預(yù)印本名為《物理化學(xué)和煉鋼》，一部分已被譯為中文于1984年在北京出版。

近20年來，專門性的國際學(xué)術(shù)會(huì)議，例如真空熔煉、噴射冶金、電渣重熔冶煉等領(lǐng)域的專業(yè)研討會(huì)，召開頻仍，煉鋼過程物理化學(xué)是這些學(xué)術(shù)會(huì)議的重要討論內(nèi)容?？傊?，自20世紀(jì)20年代開始，煉鋼物理化學(xué)已被公認(rèn)為促進(jìn)世界鋼鐵工業(yè)蓬勃發(fā)展的柱石。

現(xiàn)代煉鋼方法都是在高溫(一般1773～1973K)條件下的火法冶金過程。即是要完成煉鋼反應(yīng)，就必須提供一定的熱量。但煉鋼方法不同，熱量的來源和數(shù)量也不相同。如轉(zhuǎn)爐煉鋼的熱源主要是鐵水的物理熱和鐵水中發(fā)熱元素氧化放出的化學(xué)熱;電弧爐煉鋼主要熱源是電能轉(zhuǎn)化成的熱量。煉鋼過程中提供的熱量與煉鋼過程消耗的和煉完鋼以后保留下的熱量之間，在數(shù)量關(guān)系上是守恒的。金屬熔池的溫度控制與熱量的收支密切相關(guān)，而熱量的收支又與物料的收支密不可分。因而研究煉鋼熱平衡離不開煉鋼過程物料平衡。

研究煉鋼過程熱平衡是為了很好地控制煉鋼過程中的熔池溫度，全面掌握煉鋼設(shè)備的物料和能量利用情況、工作能力和熱效率，為改進(jìn)煉鋼工藝、實(shí)現(xiàn)煉鋼設(shè)備的優(yōu)化操作探索途徑，并為降低原材料消耗及合理利用和節(jié)約能源提供方向。二是可以判斷收支各項(xiàng)在冶煉過程中起作用的大小，以便對(duì)能源合理利用;三是可以發(fā)現(xiàn)熱工上和吹煉中存在的問題加以改進(jìn)。四是可為設(shè)計(jì)或校核煉鋼設(shè)備及其附屬系統(tǒng)和煉鋼車間提供依據(jù)。五是為研究煉鋼過程，制定煉鋼操作工藝提供參數(shù)。也是提高煉鋼終點(diǎn)命中率，制定煉鋼過程自動(dòng)控制數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。