鋼材的脫氧處理

2022-07-30 14:13 作者:蘇州希特氣體 0人讀過 | 我要投稿

煉鋼過程包括將熱金屬精煉成鋼，這是在氧化氣氛下進(jìn)行的。在精煉過程中，氧氣會(huì)溶解在鋼中。以下是鋼鐵中氧氣的主要來源。

吹氧

在煉鋼過程中使用氧化性爐渣和鐵礦石

鋼液在攪拌過程中吸取大氣中的氧氣

襯里的氧化性耐火材料

生銹和潮濕的廢鋼。

脫氧是煉鋼的最后階段。在煉鋼過程中，出鋼時(shí)的鋼水含有400至800ppm的活性氧。在出鋼過程中，通過在鋼包中加入適量的鐵合金或其他特殊的脫氧劑來進(jìn)行脫氧處理。如果在打擊結(jié)束時(shí)，鋼的碳含量低于規(guī)格，鋼液也會(huì)在鋼包中進(jìn)行再滲碳。然而，在鋼包中的大量添加物對(duì)鋼液的溫度有不利影響。

氧氣在鋼中的溶解度小得可以忽略不計(jì)。在熔融鋼的凝固過程中，多余的氧氣被凝固的鋼排斥。在1700攝氏度時(shí)，氧在液態(tài)鋼中的溶解度為0.23%。在冷卻過程中，氧的溶解度下降，然后在液態(tài)鋼的凝固過程中急劇下降，在固態(tài)鋼中達(dá)到0.003%。

從固溶體中釋放出的過量氧氣會(huì)氧化鋼中的成分，如C、Fe和合金元素，從而產(chǎn)生氣孔和非金屬夾雜物，夾在鑄鋼結(jié)構(gòu)中。氣孔和夾雜物對(duì)機(jī)械性能有相當(dāng)大的影響，對(duì)鋼的質(zhì)量有不利影響。

為了防止鋼成分在凝固過程中被氧化，需要減少鋼液中的氧含量。這是通過鋼的脫氧來實(shí)現(xiàn)的，這是一種煉鋼技術(shù)操作，其中溶解在鋼液中的氧氣濃度（活性）被降低到所需的水平。除了通過消除氣孔和盡量減少非金屬夾雜物來生產(chǎn)良好的鋼之外，脫氧也被用于控制晶粒尺寸以提高鋼的韌性。

已經(jīng)開發(fā)了幾種鋼的脫氧策略。這可以通過在出鋼前或出鋼后向鋼液中添加金屬脫氧劑，或通過真空處理來實(shí)現(xiàn)，其中溶解在鋼中的碳是脫氧劑。除了用金屬脫氧劑脫氧和真空脫氧，有時(shí)還采用另一種脫氧方法，即擴(kuò)散脫氧。

根據(jù)脫氧的程度，有四種脫氧類型，從完全脫氧到輕微脫氧。各種類型都不比其他類型好，但每種類型在其自身方面都是有用的。根據(jù)脫氧程度，碳鋼可以細(xì)分為四組。

邊緣鋼 - 這些鋼是部分脫氧或不脫氧的低碳鋼，在凝固過程中進(jìn)化出足夠數(shù)量的一氧化碳。鑲邊鋼錠的特點(diǎn)是具有良好的表面質(zhì)量和相當(dāng)數(shù)量的氣孔。邊緣鋼通常在沒有向爐子里的鋼添加脫氧劑或只向鋼包里的鋼液添加少量脫氧劑的情況下出鋼，以便有足夠的氧氣存在，通過在模具中與碳反應(yīng)來獲得理想的氣體演化。所遵循的確切程序取決于鋼的碳含量是在較高的范圍內(nèi)（C=0.12 %至0.15 %）還是在較低的范圍內(nèi)（C=0.10 %以上）。當(dāng)鋼錠模具中的液態(tài)鋼開始凝固時(shí)，一氧化碳（CO）氣體迅速演變，導(dǎo)致鋼錠外皮相對(duì)干凈，碳和其他溶質(zhì)含量低。這種鋼錠最適合用于制造電極棒和鋼板。

封頂鋼 - 封頂鋼的做法是修邊鋼做法的一個(gè)變種。允許正常開始修邊，但在一分鐘或更長(zhǎng)時(shí)間后，用鑄鐵蓋子封住模具，終止修邊動(dòng)作。這種做法通常適用于碳含量大于0.15％的鋼。封蓋鋼錠的做法通常在板材、帶材、線材和棒材的生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

半死鋼 - 這些鋼是不完全脫氧的鋼，含有一定量的過剩氧氣，在鋼液凝固過程中與碳反應(yīng)形成足夠數(shù)量的一氧化碳，以抵消凝固收縮率。這些鋼的碳含量一般在0.15%到0.30%之間，在結(jié)構(gòu)形狀上有大多數(shù)應(yīng)用。

殺青鋼 - 這些鋼的脫氧程度很高，在凝固過程中沒有一氧化碳的形成和演變。殺青鋼的鋼錠和鑄件具有均勻的結(jié)構(gòu)，沒有氣體孔隙（氣孔）。鋁被用于脫氧，還有錳和硅的鐵合金。在某些情況下，會(huì)使用硅化鈣或其他特殊的強(qiáng)脫氧劑。為了最大限度地減少管道，幾乎所有被殺的鋼都是在熱頂?shù)拇蠖四＞咧需T造的。對(duì)于連鑄來說，鋼液要完全殺死以實(shí)現(xiàn)無缺陷鑄造。當(dāng)成品鋼需要有均勻的結(jié)構(gòu)時(shí)，一般會(huì)使用殺青鋼。合金鋼、鍛造鋼和用于滲碳的鋼都屬于這種類型，此時(shí)的基本質(zhì)量是健全的。在生產(chǎn)某些超深沖壓鋼時(shí)，低碳鋼（C=0.12 %以上）被殺，通常在鋼包、模具或兩者中加入大量的鋁。盡管鋁對(duì)鋼的脫氧作用抑制了凝固過程中一氧化碳的形成，從而抑制了炸孔，但在很多鋼鐵加工過程中，鋁對(duì)鋼的殺傷是不可取的。

主要有三種元素用于鋼的脫氧處理。它們是錳（Mn）、硅（Si）和鋁（Al）。錳和硅是以高碳或低碳鐵合金或硅錳合金的形式加入。添加用于脫氧的鋁的純度約為98%。有時(shí)鈣（Ca）也被用于脫氧。

鈣是最有效的脫氧劑，與鈣相比，硅的效率不高。與Si相比，Al也是一種強(qiáng)脫氧元素。雖然Ca和Al是非常有效的脫氧劑，但它們的氧化速度非常快，此外，它們的密度比鋼低得多。此外，Ca的沸點(diǎn)為1485攝氏度，這意味著Ca在煉鋼溫度下是氣態(tài)的。適當(dāng)?shù)淖⑷敕椒ɑ蛱砑臃椒▽?duì)于用Ca進(jìn)行脫氧是必要的。

脫氧可以由單一元素進(jìn)行，如Si、Al、Mn等，或由混合元素進(jìn)行，如Si+Mn、Ca-Si-Al等。單一元素的脫氧作用被稱為簡(jiǎn)單脫氧作用。

而混合元素的脫氧作用被稱為復(fù)雜脫氧作用。在簡(jiǎn)單和復(fù)雜的脫氧過程中，都會(huì)形成氧化物；因此它也被稱為沉淀脫氧。脫氧也是在真空下由碳進(jìn)行的；這被稱為真空脫氧。元素以鐵硅、鐵錳或鐵硅+鐵錳等形式被添加到鐵合金中。在使用Si + Mn、Ca + Si、Ca + Si + Al混合物的復(fù)雜脫氧中，與簡(jiǎn)單脫氧相比，有以下優(yōu)點(diǎn)。

溶解氧較低。

由于液體脫氧產(chǎn)品的形成，可以很輕松地獲得大尺寸的產(chǎn)品結(jié)塊，并可以很輕松地浮動(dòng)。

用Fe-Mn進(jìn)行脫氧

當(dāng)鋼與Mn進(jìn)行部分脫氧時(shí)，鐵也參與反應(yīng)，形成液體或固體Mn (Fe) O作為脫氧產(chǎn)物。

[Mn] + [O] = MnO

[Fe] + [O] = FeO

鋼與脫氧產(chǎn)物Mn（Fe）O的平衡狀態(tài)如圖1所示。

圖1 與FeO-MnO液體或固體溶液平衡的鐵的錳和氧含量

?與Si和Mn的脫氧作用

Si的脫氧作用比Mn的脫氧作用更徹底，同時(shí)使用這兩種元素脫氧，溶液中的殘余氧會(huì)更少，因?yàn)镾i的活性降低。根據(jù)添加到鋼包中的Si和Mn的濃度，脫氧產(chǎn)物將是熔融的硅酸錳（MnO.SiO2）或固體二氧化硅（SiO2）。

[Si] + 2[O] = SiO2 (1)

[Mn] + [O] = MnO (2)

礦渣-金屬反應(yīng)平衡的早期研究之一是歸功于Korber和Oelsen，他們測(cè)量了液態(tài)鐵和飽和SiO2的MnO-FeO-SiO2礦渣之間錳和硅的平衡分布。他們?cè)?600±10攝氏度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在圖2中。

圖2 與SiO2平衡的液態(tài)鐵中Mn、Si和O的濃度。飽和的硅酸錳在1600±10攝氏度下熔化

用Si、Mn和Al進(jìn)行脫氧處理

殘余溶解氧在40-23ppm范圍內(nèi)的半死鋼是通過在鋼包中加入少量鋁和硅錳或硅鐵和錳鐵的組合進(jìn)行脫氧。在這種情況下，脫氧產(chǎn)品是液體錳-鋁-硅酸鹽，其成分類似于3MnO.Al2O3.SiO2。加入少量的鋁，例如100噸熱量中加入約15公斤的鋁和Si/Mn，幾乎所有的鋁都在這種與Si和Mn的聯(lián)合脫氧中被消耗掉了。鋼中殘留的溶解鋁將低于10ppm。圖3顯示了與Si和Mn的脫氧平衡，與Al、Si和Mn的脫氧產(chǎn)品相比，Al2O3飽和的脫氧平衡。

圖3 與Si和Mn的脫氧平衡，與Al、Si和Mn的脫氧產(chǎn)物飽和的脫氧平衡比較

?與鋁的脫氧作用

鋁是一種非常有效的脫氧劑，在大多數(shù)煉鋼作業(yè)中使用。通常，鋁的脫氧作用是在鋼包中進(jìn)行的。在某些情況下，鋁的添加也是在鑄錠或連鑄時(shí)在模具中進(jìn)行的。圖4顯示了脫氧產(chǎn)品的表觀平衡關(guān)系：純Al2O3和CaO/Al2O3比例為1的熔融鋁酸鈣。