钢的脱氧

钢的脱氧

  炼钢过程包括在氧化气氛下将铁水精炼成钢。在精炼过程中，氧气溶解在钢中。以下是钢中氧气的主要来源。

• 吹氧
• 在炼钢过程中使用氧化渣和铁矿石
• 在浇注过程中钢水对大气氧气的提取
• 内衬氧化性耐火材料
• 生锈和潮湿的废料。

脱氧是炼钢的最后阶段。在炼钢过程中，出钢时的钢浴含有 400 至 800 ppm 的氧活性。脱氧是在出钢过程中通过向盛出的钢包中加入适量的铁合金或其他特殊的脱氧剂来进行的。如果在吹炼结束时钢的碳含量低于规格，钢水也会在浇包中进行再碳化处理。但浇包中的大量添加物对钢水温度有不利影响。

氧气在钢中的溶解度小到可以忽略不计。在钢水凝固过程中，多余的氧气被凝固的钢排出。氧在钢液中的溶解度在1700℃时为0.23%，在冷却过程中下降，然后在钢液凝固过程中急剧下降，在钢液中达到0.003%。

从固溶体中释放出的过量氧气会氧化钢的成分，例如 C、Fe 和合金元素，从而形成气孔和夹在铸钢结构中的非金属夹杂物。气孔和夹杂物对钢的力学性能都有相当大的影响，对钢材质量产生不利影响。

为了防止钢成分在凝固过程中氧化，需要降低钢水的氧含量。这是通过钢的脱氧来完成的，这是一种炼钢技术操作，其中溶解在钢液中的氧的浓度（活性）降低到所需的水平。除了通过消除气孔和减少非金属夹杂物来生产优质钢外，还采用脱氧来控制晶粒尺寸以提高钢的韧性

已经为钢的脱氧开发了几种策略。这可以通过在出钢之前或之后向液态钢中添加金属脱氧剂来实现，或者通过真空处理来实现，其中溶解在钢中的碳是脱氧剂。除金属脱氧剂脱氧和真空脱氧外，有时还采用另一种脱氧方法，即扩散脱氧。

根据脱氧程度，脱氧有完全脱氧到轻度脱氧四种。各种类型中没有一种比另一种更好，但每种类型都有其自身的用途。根据脱氧程度，碳钢可细分为四类。

• 沸腾钢 - 这些钢是部分脱氧或未脱氧的低碳钢，在凝固过程中会释放出足够量的一氧化碳。沸腾钢锭具有良好的表面质量和大量气孔的特点。沸腾钢通常在没有向熔炉中的钢中添加脱氧剂或仅向浇包中的钢水中添加少量脱氧剂的情况下进行出钢，以便有足够的氧气存在，通过在模具中与碳反应产生所需的气体释放.所遵循的具体程序取决于钢的碳含量是在较高范围（C=0.12% 到 0.15%）还是在较低范围（C =0.10% max）。当钢锭模具中的钢水开始凝固时，一氧化碳 (CO) 气体迅速释放，从而形成相对清洁的钢锭外层，钢中碳和其他溶质含量较低。这种锭最适合制造电极棒和钢板。
• 封口钢 - 封口钢做法是封口钢做法的一种变体。滚边动作可以正常开始，但在一分钟或更长时间后通过用铸铁盖密封模具来终止。这种做法通常适用于碳含量大于 0.15% 的钢。加盖铸锭实践通常在板材、带材、线材和棒材的生产中得到应用。
• 半镇静钢 - 这些钢是未完全脱氧的钢，含有一定量的过量氧，在钢液凝固过程中会与碳反应形成足够量的一氧化碳，以抵消凝固收缩。这些钢的碳含量一般在 0.15 % 到 0.30 % 之间，在结构形状中得到广泛应用
• 镇静钢 - 这些钢经过一定程度的脱氧处理，在凝固过程中不会形成和释放一氧化碳。镇静钢的铸锭和铸件具有均匀的结构，没有气孔（气孔）。铝与锰和硅的铁合金一起用于脱氧。在某些情况下，会使用硅化钙或其他特殊的强脱氧剂。为了最大限度地减少管道，几乎所有镇静钢都在热顶大端模具中铸造。对于连铸，钢水应被完全镇静以进行无缺陷铸造。当成品钢需要均匀结构时，通常使用镇静钢。合金钢、锻钢和渗碳钢属于这种类型，而基本质量是坚固性。在生产某些超深冲钢时，低碳（C=0.12 % max）钢被杀死，通常在钢包、模具或两者中添加大量铝。虽然铝对钢的脱氧抑制了凝固过程中一氧化碳的形成，从而抑制了气孔，但在许多钢加工操作中，铝对钢的杀伤是不希望的。

钢的脱氧中主要使用三种元素。它们是锰 (Mn)、硅 (Si) 和铝 (Al)。锰和硅以高碳或低碳铁合金或硅锰 (Si-Mn) 合金的形式添加。添加用于脱氧的铝的纯度水平约为 98%。有时钙（Ca）也用于脱氧。

钙是最有效的脱氧剂，而与钙相比，硅的效率不高。与Si相比，Al也是强脱氧元素。 Ca和Al虽然是非常有效的脱氧剂，但氧化速度非常快，而且它们的密度远低于钢。此外，Ca 的沸点为 1485 摄氏度，这意味着 Ca 在炼钢温度下处于气相。 Ca脱氧需要合适的注入方法或添加方法。

脱氧可由Si、Al、Mn等单一元素或Si+Mn、Ca-Si-Al等元素的混合物进行。单一元素脱氧称为简单脱氧。

而通过元素混合物进行的脱氧被称为复合脱氧。在简单和复杂的脱氧中，都会形成氧化物；因此也称为沉淀脱氧。脱氧也是用碳在真空下进行；这称为真空脱氧。元素以铁合金 Fe-Si、Fe-Mn 或 Fe-Si + Fe-Mn 等形式添加。在使用 Si + Mn、Ca + Si、Ca + Si + Al 的混合物的复合脱氧中，以下与简单的相比，有优势。

• 溶解氧较低。
• 由于液体脱氧产物的形成，产物很容易凝聚成大尺寸，很容易上浮。

铁锰脱氧

当钢被Mn部分脱氧时，铁也参与反应，形成液态或固态Mn(Fe)O作为脱氧产物。

[Mn] + [O] =MnO

[Fe] + [O] =FeO

钢与脱氧产物Mn(Fe)O的平衡状态如图1所示。

图 1 铁的锰和氧含量与 FeO-MnO 液体或固溶体平衡

  Si和Mn脱氧

Si 的脱氧比 Mn 的脱氧更完全，并且由于 Si 活性降低，这两种元素同时脱氧在溶液中产生的残留氧低得多。根据钢包中添加的硅和锰的浓度，脱氧产物将是熔融硅酸锰（MnO.SiO2）或固体二氧化硅（SiO2）。

[Si] + 2[O] =SiO2       (1)

[Mn] + [O] =MnO      (2)

渣-金属反应平衡的早期开创性研究之一归功于 Korber 和 Oelsen，他们测量了液态铁和 SiO2 饱和的 MnO-FeO-SiO2 渣之间 Mn 和 Si 的平衡分布。他们在1600±10℃下的实验结果如图2所示。

图 2 用 SiO2 平衡的铁液中 Mn、Si 和 O 的浓度。饱和硅酸锰在1600±10℃时熔化

Si、Mn、Al脱氧

残留溶解氧在 40 至 23 ppm 范围内的半镇静钢是通过在浇注钢包中通过添加少量铝以及硅锰或硅铁和锰铁的混合物对钢进行脱氧而制成的。在这种情况下，脱氧产物是液态锰铝硅酸盐，其组成类似于 3MnO.Al2O3.SiO2。添加少量铝，例如100 吨热量约 15 kg 与 Si/Mn 一起在这种与 Si 和 Mn 的联合脱氧中消耗了几乎所有的铝。钢中残留的溶解铝将低于 10 ppm。图 3 为饱和 Al2O3 脱氧产物的 Si 和 Mn 与 Al、Si 和 Mn 的脱氧平衡。

图3 Al2O3饱和脱氧产物中Si和Mn与Al、Si和Mn的脱氧平衡比较

  铝脱氧

铝是一种非常有效的脱氧剂，用于大多数炼钢操作。通常铝的脱氧是在浇包中进行的。在某些情况下，Al 添加物也在铸锭或连铸过程中在模具中进行。脱氧产物：纯Al2O3和CaO/Al2O3比为1的熔融铝酸钙的表观平衡关系如图4所示。

图 4 用 Al 与 Al2O3 或液态铝酸钙（CaO/Al2O3 为 1）平衡的脱氧

当用 Ca-Si 处理铝镇静钢时，氧化铝夹杂物转化为熔融铝酸钙。对于 CaO/Al2O3 的比率为 1，在 1500 -1700 摄氏度范围内，Al2O3 相对于纯 Al2O3 的活度为 0.064。