增刊 1

李

宏等: 转炉炼钢前期石灰石分解及 CO

2

氧化作用的热力学分析

( 2) 反应，

1 532 K以上则趋势相反． CO

2

与 Fe( l) 的

反应( 式( 5) ) 可以自发进行，能够促使渣中 FeO 含

量增加，

是炼钢前期造渣所期望的，

也是利用石灰石

造渣的优点之一，使困扰许多炼钢厂的化渣操作变

得简单． CO

2

与［P］反应( 式( 6) ) 的 ΔG

Θ

值，在所

讨论的温度范围内均大于零，表明这一反应不能自

发进行．

图 2

CO

2

与铁水中各元素反应的标准自由能变化与温度的关系

Fig． 2

Relationship between temperature and standard free energy

change of the reaction between CO

2

and some elements in molten iron

由式( 2) ～ ( 6) 可以看出 CO

2

对于铁水中各元

素均具有一定的氧化能力． 在转炉炼钢吹炼初期供

氧量不变的情况下，石灰石分解出的 CO

2

参与铁水

中各元素的氧化反应，相当于提高了供氧强度． 石

灰石分解出的 CO

2

的强化供氧作用对快速成渣非

常有效． 工业试验中看到，在吹炼 2 ～ 3 min 就产生

了大量的泡沫渣从炉口溢出

［6］

，可知炉内产生了大

量 FeO，

这是采用石灰造渣时即使氧枪吊吹也难以

实现的．

值得注意的是，

这些作为氧化剂的 CO

2

不是来

源于吹氧产生的碳--氧反应，而是来源于石灰石的

转化，

而在自然发生的反应中又生成了 CO，相当于

从石灰石中得到了氧和能源．

2. 3

高碳低温铁水中碳氧反应平衡时 p

CO

2

的推导

上面谈到石灰石中分解的 CO

2

参与了转炉炼

钢前期铁水的氧化反应，但有多少 CO

2

能够参与，

是采用石灰石造渣时计算物料平衡需要搞清楚的问

题． 根据化学反应平衡原理和热力学计算可知，与

转炉炼钢前期高碳铁水平衡的气相中只会有 CO 和

CO

2

存在，

因此只要求出此时此处的 CO

2

气体分压

p

CO

2

，

就可以大致估算出有多少 CO

2

参与了氧化反

应． 由于过去的研究都没有涉及这方面的问题，因

此需要进行推导求解 p

CO

2

．

推导由反应式( 7) 和( 8) 展开．

［C］+［O］ →





CO( g)

( 7)

CO( g) +［O］ →





CO

2

( g)

( 8)

反应式( 7) 和( 8) 的平衡常数与温度的关系分

别由式( 9) 和式( 10) 给出

［7］

:

lg

p

CO

a

［O］

·a

［C］

=

1 160

T

+ 2. 003

( 9)

lg

p

CO

2

p

CO

·a

［O］

=

8 718

T

－ 4. 762

( 10)

用( 10) 式减去( 9) 式消掉 a

［O］

，

可得到

lg

p

CO

2

p

2

CO

=

7 558

T

－ lg a

［C］

－ 6. 765

( 11)

将 p

CO

+ p

CO

2

= p

Θ

这一关系代入式( 11) 可消去 p

CO

2

，

然后变形可得

10

7 558

T

－ lg a

［C］

－ 6. 765

·p

2

CO

+ p

CO

－ 1 = 0

( 12)

把式( 12) 看作以 p

CO

2

为未知数的一元二次方

程，

可解得一对共轭解，p

CO

为负值没有意义，所以

取根式为正值的解得到

p

CO

=

－ 1 +

1 + 4 × 10

7 558

T

－ lg a

［C］

槡

－ 6. 765

2 × 10

7 558

T

－ lg a

［C］

－ 6. 765

( 13)

再由 p

CO

2

= 1 － p

CO

，

可得到

p

CO

2

= 1 －

－ 1 +

1 + 4 × 10

7 558

T

－ lg a

［C］

槡

－ 6. 765

2 × 10

7 558

T

－ lg a

［C］

－ 6. 765

( 14)

从而求出了 CO

2

分压 p

CO

2

与温度和［C］浓度的一般

关系式．

为求 ( 14 ) 式 中 的 a

［C］

，需 要 知 道 以 质 量 分 数

1% 为标准态时碳的活度系数 f

C，

%

，而在高碳低温区

域里的 f

C，

%

不能简单地套用低碳高温区域里做法令

其为 1，而要根据假想纯物质为标准态时的活度系

数 f

C，

X

与以 质 量 分 数 1% 为 标 准 态 时 的 活 度 系 数

f

C，

%

之间的关系( 见( 15) 式) 进行推导

［11］

． 式( 15)

中，

A

Fe

和 A

C

分别为铁和碳的相对原子质量．

f

C，

X

= f

C，

%

·

［C］( A

Fe

－ A

C

) + 100A

C

100A

C

( 15)

把铁和碳的相对原子质量代入式( 15) 化简并转换

形式，

可以得到

f

C，

%

= f

C，

X

·

27. 37

［C］+ 27. 37

( 16)

两边取对数整理可得

lg f

C，

%

= lg f

C，

X

+ 1. 44 － lg ( ［C］+ 27. 37) ( 17)

然后，

考虑到 Fe--C--O 三元系中高碳区域内氧

·

5

8

·