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钢管常识钢的脱氧反应

  • 所属:锅炉管
  • 时间:2014-12-18 00:22:32
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脱氧是保证钢锭和钢材质量的一项重要操作。炼钢是一个氧化精炼过程,钢液中不可避免地溶有一定量的氧。1600时,氧在钢液中的溶解度可达0.23%(见Fe-O状态图)。氧化精炼末期,钢液含氧量依炼钢方法、钢种规格而有所不同,一般约在0.020.08%范围内,而氧在固态铁中的溶解度却很低(例如在[kg2]-Fe[kg2]中溶解度最大为0.0082)。在钢液凝固过程中,氧以FeO形态析出,分布在晶界上,降低钢的塑性。晶界上的FeOFeS还会形成低熔点(910)物质,使钢在热加工时发生热脆。未充分脱氧的钢液在钢锭模内凝固过程中,由于固体钢中溶解的氧很低,氧在钢液内逐渐富集,超过碳氧平衡值的过剩氧将与碳继续发生反应,生成CO气体,使钢锭内部产生气泡,严重时会发生冒涨现象。因此,在炼钢的最后阶段必须脱氧。方法主要有三种:沉淀脱氧,扩散脱氧和真空脱氧。沉淀脱氧向钢液中加入对氧亲合力比铁大的元素(脱氧剂),使之与钢中溶解的氧结合成不溶于钢液的氧化物或复合氧化物而析出,其反应是:

[160-01](1)式中[kg2][M][O]分别代表溶于钢中的脱氧元素和氧;、分别代表钢中[M][O][kg2]的活度;是脱氧反应的平衡常数,其倒数称为脱氧常数,值越小,则该元素的脱氧能力越强。各元素的脱氧常数见表[各元素的脱氧反应及脱氧常数]。各元素脱氧能力由强到弱的顺序是:铈、锆、铝、钛、硼、硅、碳、钒、锰、铬。生产中多采用比较便宜的锰、硅、铝作脱氧剂。并且以其铁合金(如锰铁、硅铁)的形式加入钢中。

沉淀脱氧产物如不及时排除,就会成为固态钢中的非金属夹杂物,影响钢的质量。脱氧产物的密度(一般为35/厘米)比钢液(7.1/厘米)小,可以上浮排除,其上浮速度(厘米/)可按斯托克斯(Stokes)公式近似求得:

[160-02](2)式中为重力加速度(981厘米/秒);为钢液的粘度(泊);为脱氧产物的半径(厘米);[160-100][160-101]分别为钢液和脱氧产物的密度(克/厘米)。由(2)式可知,半径增大,上浮速度明显增大。如果采用复合脱氧剂Si-MnSi-CaSi-Mn-AlMn-Si-Ca等来脱氧,脱氧产物将是这些元素氧化物的混合体,其熔点比单一元素氧化物的熔点更低,易于聚合成大颗粒,可更快地上浮排除。在生产上已经采用这些复合脱氧剂。

70年代以来发展的用喷枪通过载气(氩或氮)将粉状脱氧剂(如钙、镁、稀土金属、铝、硅铁等)直接引入钢液的方法,可使氧脱除到更低水平(ppm量级)。吹入的钙(沸点约1484)在炼钢温度下变成气泡上升,在气泡-钢液界面上亦发生脱氧反应。这种脱氧又称为喷粉脱氧,其实质仍然属于沉淀脱氧(见喷射冶金)。

扩散脱氧在电弧炉炼钢还原期,渣中含[kg2]FeO[kg2]很少,钢液中的氧会按下列反应进入渣中:

[160-03]这称为扩散脱氧。要使扩散脱氧不断进行,就要分期分批向渣中加入脱氧剂(常用硅铁粉、碳粉、电石粉,某些合金钢还用铝粉、硅钙粉等强脱氧剂)使渣中保持很低的[kg2]FeO[kg2]含量。扩散脱氧的产物不沾污钢液,因而是冶炼优质钢中较好的脱氧方法。其缺点是反应速度慢,需时间较长,致使炉衬受高温炉渣侵蚀较严重。

以上两种脱氧方法各有利弊,为充分发挥它们各自的优点,还广泛采用沉淀与扩散综合脱氧。即在电炉还原期之初,先用沉淀脱氧迅速减少钢液中氧含量。当稀薄渣形成后,再用扩散脱氧。在扩散脱氧期间,沉淀脱氧产物有充分时间上浮,最后在还原期末再插铝脱氧。这样既可提高钢的质量,又缩短了冶炼时间。

真空脱氧是在低压下使钢液中碳氧反应更加完全而进行的脱氧反应:

[161-01]温度一定时,在真空下,降低,则[C][O]积亦降低,碳的脱氧能力增强。真空脱氧实际上是低压下用钢液中含有的碳脱氧。其优点是:脱氧产物是气体,不会形成非金属夹杂物,CO气泡上浮,搅拌熔池,有利于去氮去氢。在常压下不能再进行碳氧反应的钢水,在真空下则可继续进行碳氧反应,使氧减少到更低的数值,而碳的减少值则为氧的下降值的34。真空脱氧在真空熔炼或钢液真空处理过程中进行。

炉外精炼用氩气吹入钢包使钢液脱氧、脱碳、除气及去夹杂物的工艺,是由于氩气泡中CO分压极低,促使碳氧反应进行得更完全,因而也能起到与真空脱氧相类似的作用(见真空冶金)。

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