Современные проблемы металлургии и материаловедения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2720 

Кафедра металлургии стали и ферросплавов

А.Е. Семин 
А.В. Алпатов 
Г.И. Котельников 

Современные 
проблемы металлургии  
и материаловедения 

 

Практикум 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлению  
Металлургия 

Москва  2015 

УДК 669.02/.09 
 
С30 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук, проф. А.Н. Смирнов, 
канд. техн. наук, доц. С.В. Лактионов 

Семин А.Е. 
С30  
Современные проблемы металлургии и материаловедения : практикум / А.Е. Семин, А.В. Алпатов, Г.И. Котельников. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2015. – 56 с. 
ISBN 978-5-87623-890-0 

В практикуме описаны расчеты процессов современной металлургии: 
глубокого обезуглероживания и рафинирования жидкой легированной стали 
от углерода, фосфора, кислорода, серы, водорода и азота. На примере решения четырех домашних заданий проанализированы основные термодинамические закономерности процессов получения чистой по примесям высококачественной стали. В каждом разделе представлены теоретические положения 
используемых расчетных моделей, приведены выводы основных уравнений, 
подробно разработана схема расчетов в домашних заданиях. Приложения содержат справочные термодинамические данные для основных реакций и растворов металлов и шлаков. 
Предназначен для подготовки бакалавров и магистрантов металлургических вузов, обучающихся по направлению «Металлургия». Рекомендуется к 
использованию при выполнении курсовых научно-исследовательских работ и 
выпускных квалификационных работ бакалавров, магистров и аспирантов, а 
также при проведении занятий по повышению квалификации работников 
высших учебных заведений, научно-исследовательских организаций и промышленных предприятий. 

УДК 669.02/.09 

 
 
ISBN 978-5-87623-890-0 

© А.Е. Семин, 
А.В. Алпатов, 
Г.И. Котельников, 2015 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение..............................................................................................4 
1. Дефосфорация жидкой стали ........................................................5 
Домашнее задание № 1..................................................................5 
2. Обезуглероживание легированных расплавов ..........................19 
Домашнее задание № 2................................................................19 
3. Газы в жидкой стали ....................................................................26 
Домашнее задание № 3................................................................26 
4. Раскисление и десульфурация жидкой стали ............................39 
Домашнее задание № 4................................................................39 
Приложение А...................................................................................49 
Приложение Б ...................................................................................50 
Приложение В...................................................................................51 
Приложение Г...................................................................................52 
Приложение Д...................................................................................53 
Приложение Е...................................................................................54 
Библиографический список.............................................................55 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Современная металлургия характеризуется резким повышением 
требований к качеству выплавляемых сталей. Содержание вредных 
примесей в большинстве сталей и сплавов к настоящему времени 
понизилось, в ряде случаев, по требованию заказчиков до 10–50 ppm. 
Обеспечение столь низких концентраций примесей возможно лишь 
на основе создания новых технологий, базирующихся на точном 
описании поведения примесных элементов (углерод, кислород, сера, 
фосфор, азот и водород) в процессах выплавки и внепечного рафинирования сталей и сплавов. 
Представленный практикум посвящен количественному описанию процессов глубокого рафинирования легированных сталей от 
перечисленных выше примесей. На примере выполнения четырех 
домашних заданий проанализированы основные термодинамические 
закономерности 
процессов 
получения 
чистой 
по 
фосфору, 
кислороду, сере, азоту и водороду высококачественной стали. В 
каждом 
разделе 
представлены 
теоретические 
положения 
используемых расчетных моделей, приведены выводы основных 
уравнений, 
подробно 
разработана 
схема 
расчетов 
процессов 
рафинирования. В практикуме предусмотрены индивидуальные 
варианты выполнения домашних заданий, что повышает творческую 
активность студентов в процессе обучения. Приложения практикума 
содержат справочные термодинамические данные для основных 
реакций и растворов металлов и шлаков. 

1. ДЕФОСФОРАЦИЯ ЖИДКОЙ СТАЛИ 

Фосфор относится к наиболее вредным примесям, снижающим 
свойства стали. При повышении содержания фосфора увеличивается 
прочность стали с одновременным повышением хрупкости, порога 
хладноломкости и снижением вязкости и пластичности. Вредное 
влияние фосфора увеличивается с повышением содержания углерода 
в стали. Удаление фосфора из жидкого металла обычно проводят в 
условиях, обеспечивающих его окисление до Р2О5 и перевод оксида в 
шлак. При этом важную роль играет содержание кислорода и углерода в жидкой стали, которые определяются составом окислительного 
шлака. Для управления процессом дефосфорации необходимо уметь 
рассчитывать коэффициент распределения фосфора между металлом 
и шлаком в различных условиях (температура, количество и химический состав шлака, содержание цветных примесей в металле и т.д.). 

Домашнее задание № 1 

Исходные данные – температура процесса, исходное содержание 
фосфора в жидкой стали, состав окислительного шлака, содержание 
легирующего и примесного элементов – приведены в приложении А. 
Для выполнения домашнего задания по теме «Дефосфорация жидкой 
стали» требуется: 
1. Определить содержания кислорода и углерода в стали, приняв, 
что окисленность жидкого полупродукта контролируется окисленностью шлака для двух температур. 
2. Определить коэффициент распределения фосфора для данного 
состава шлака для двух температур, степень дефосфорации и конечное содержание фосфора в жидкой стали при кратности шлака 5 и 
10 % соответственно. Сделать вывод о влиянии количества шлака на 
процесс дефосфорации. 
3. Определить количество шлака (кратность в %) данного состава, 
необходимое для получения 0,005 % фосфора в жидкой стали, при 
заданном начальном содержании фосфора в шихте при двух температурах. 
4. Построить зависимости коэффициента распределения фосфора 
от температуры (в интервале значений от 1550 до 1800 °С) и от окисленности системы (активности FeO в интервале значений от 0,1 до 
0,4). Сделать вывод о влиянии температуры и окисленности системы 
на процесс дефосфорации. 

5. Определить количество шлака (кратность в %) данного состава, 
необходимое для получения 0,005 % фосфора в жидкой стали, при 
заданном начальном содержании фосфора в шихте и содержании 
примесного элемента при температуре 1550 °С. Сделать вывод о 
влиянии примесного элемента на процесс дефосфорации. 

Решение варианта № 0 

Распределение кислорода между металлом и шлаком описывается 
реакцией 

 
(Ж)
1%
(Ж)
FeO
Fe
[O]
FeO
122176
52,93
,
G
T
+
=
Δ
= −
+
⋅
Дж/моль,  (1.1) 

где 
FeO
G
Δ
– изменение стандартной энергии Гиббса реакции, Дж/моль; 
Т – температура, К. 

За стандартное состояние железа принято чистое жидкое железо, 
FeO – чистый жидкий оксид, для растворенного кислорода – гипотетический однопроцентный раствор кислорода в жидком железе, обладающий свойствами бесконечно разбавленного (здесь и далее символ 1 %). В приложении Е приведены термодинамические данные 
наиболее распространенных реакций, используемых при расчетах 
металлургических процессов. Константа равновесия реакции (1.1) 
KFeO имеет вид 

 

[ ]

exp
FeO
FeO
FeO
Fe
O

a
G
K
a
a
RT

⎡
⎤
=
=
−
⎢
⎥
⋅
⎣
⎦

, 
(1.2) 

где R = 8,314 Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная; 
aFeO – активность оксида железа в шлаке; 
aFe – активность железа в жидком металле; 
a[O] – активность кислорода в жидком металле. 

Поскольку жидкий металл представляет собой практически чистое железо, то aFe ≈ xFe ≈ 1. Активность кислорода равна произведению концентрации кислорода (массовая доля, %) на коэффициент 
активности a[O] = [O] · fO. Коэффициент активности кислорода можно 
найти по массовым параметрам взаимодействия. По данным справочника Steelmaking Data Sourcebook [1], при 1600 °С параметр 
O
O
e  = –1750/1873 + 0,76 = –0,174. Максимальная растворимость кислорода в жидком железе под шлаком из чистого FeO, по данным