鑄鋼生產(chǎn)中如何脫氧？

一、氧對(duì)鑄鋼質(zhì)量的有害影響

氧對(duì)鑄鋼的有害影響，是由于氧在液態(tài)和固態(tài)鋼中的溶解度相差懸殊而造成的。主要有害影響有：

1、氧是形成鑄鋼件氣孔的原因之一

在鋼液凝固過(guò)程中，由于氧的溶解度隨溫度的下降而顯著降低，因此，析出的氧便與鋼液中的碳發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的CO氣泡若滯留于鋼中便成為氣孔。

2、氧促使鑄鋼熱裂的形成

鋼液含氧量過(guò)高時(shí)，會(huì)加劇鑄鋼熱裂傾向，原因是FeO與FeS相遇時(shí)形成低熔點(diǎn)（940℃）共晶體（FeO·FeS），并以薄膜狀分布于晶界上，因而易造成熱裂。

3、氧是形成非金屬夾雜物的主要元素之一

氧可與多種元素發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化物夾雜，這些夾雜若滯留于鋼中，將降低鑄鋼的性能。

二、鋼液的擴(kuò)散脫氧

利用氧在鋼液中的擴(kuò)散行為，使鋼液中的氧轉(zhuǎn)入渣中而達(dá)到降低鋼液含氧量的方法，稱為擴(kuò)散脫氧。具體做法是，在熔煉還原期稀薄渣造好后，將粉狀脫氧劑撒于渣面上，首先降低渣中的含氧量，破壞氧在熔渣與鋼液溶解度的平衡，鋼液中的氧必然向熔渣中擴(kuò)散。因此，不斷降低渣中的氧，鋼液中的氧就不斷地向渣中擴(kuò)散，從而降低鋼中的含氧量。

擴(kuò)散脫氧常用的粉狀脫氧劑有；碳粉、硅鐵粉、硅鈣粉、鋁粉、碳化鈣粉等。這些脫氧劑中的C、Si、Al、Ca等元素進(jìn)入渣層后便于（FeO）發(fā)生還原反應(yīng)，如：

脫氧產(chǎn)物進(jìn)入爐氣或被熔渣吸收，因此，擴(kuò)散脫氧不污染鋼液。但由于擴(kuò)散脫氧是在渣與鋼液界面上進(jìn)行，氧由鋼液中向渣中擴(kuò)散需要的時(shí)間較長(zhǎng)，因此，生產(chǎn)效率低，能耗高。

三、鋼液的沉淀脫氧

沉淀脫氧是將塊狀的脫氧劑直接加入鋼液中，脫氧劑與（FeO）發(fā)生沉淀反應(yīng)而脫氧。沉淀脫氧又稱強(qiáng)制脫氧，沉淀脫氧法脫氧產(chǎn)物的排除，影響脫氧效果。按脫氧產(chǎn)物的形成時(shí)間劃分，脫氧產(chǎn)物可分為：

一次脫氧產(chǎn)物——在爐內(nèi)或包內(nèi)加入脫氧劑后立即形成的脫氧產(chǎn)物；

二次脫氧產(chǎn)物——已脫氧的鋼液在其冷卻至液相線之前所形成的脫氧產(chǎn)物；

三次脫氧產(chǎn)物——在液相線與固相線之間凝固時(shí)所形成的脫氧產(chǎn)物。

這三類脫氧產(chǎn)物統(tǒng)稱為內(nèi)生脫氧產(chǎn)物。

研究表明：一次脫氧產(chǎn)物具有聚集、長(zhǎng)大和上浮的有利條件，故絕大部分能排出鋼液。二次、三次脫氧產(chǎn)物均不能排出鑄件，特別是三次脫氧產(chǎn)物是鋼液在凝固過(guò)程中產(chǎn)生的，常滯留于枝晶之間，對(duì)鑄鋼質(zhì)量具有決定性影響。鑄鋼中所看到的氧化物夾雜，絕大多數(shù)是三次脫氧產(chǎn)物。

（一）包內(nèi)沉淀脫氧機(jī)理

1、  脫氧反應(yīng) 即脫氧劑與（FeO）的化學(xué)反應(yīng)；

2、  脫氧產(chǎn)物的形核、聚合長(zhǎng)大、上浮和排出。

整個(gè)過(guò)程都伴隨著熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)作用。研究證明，采用強(qiáng)脫氧劑脫氧時(shí)，脫氧產(chǎn)物可迅速排出鋼液，如脫氧產(chǎn)物Al2O3雖為固態(tài)顆粒，但其排出速度很快。

脫氧產(chǎn)物的排出速度主要取決于脫氧劑的種類，而與脫氧產(chǎn)物的狀態(tài)及其尺寸無(wú)明顯關(guān)系。特別是用鋁脫氧時(shí)，在出鋼過(guò)程中加入鋁1~2min，鋼中的氧便與鋁形成Al2O3并排出。其原因是，Al2O3與鋼液的潤(rùn)濕性差和相間張力大（2N/m）。

此外，鋼液流入鋼包時(shí)，有足夠的攪動(dòng)，使脫氧產(chǎn)物因碰撞而聚合長(zhǎng)大，同時(shí)攪動(dòng)也使鋼液和熔渣劇烈運(yùn)動(dòng)，促使脫氧產(chǎn)物被熔渣捕獲或粘附于包襯表面。

（二）沉淀脫氧用脫氧劑介紹

沉淀脫氧用脫氧劑應(yīng)具有強(qiáng)的脫氧能力，其脫氧產(chǎn)物不溶于鋼液，并易于從鋼液中排出。

1、元素的脫氧能力  研究證明：脫氧元素對(duì)氧的親和力越大，其脫氧能力越強(qiáng)，鋼中的溶解氧就越低。元素的脫氧能力，一般隨溫度的降低而提高。

通常說(shuō)鋼中的含氧量是指總氧量，它包括溶解氧和化合氧。所以，元素的脫氧能力只反映其降低鋼中溶解氧的能力，而降低化合氧的能力，則與脫氧產(chǎn)物的化學(xué)組成和物理特性、鋼液溫度及動(dòng)力學(xué)因素等有關(guān)。

當(dāng)脫氧元素的含量為0.1%時(shí)，各元素的脫氧能力由強(qiáng)到弱排序?yàn)椋?/span>

Ca ＞ RE ＞ Zr ＞ Al ＞ Ti ＞ B ＞ Si ＞ C ＞ V ＞ Cr ＞ Mn。

脫氧元素在一定含量范圍內(nèi)，隨其含量的增加，與其相平衡的氧含量對(duì)應(yīng)降低，但是，當(dāng)脫氧元素超過(guò)這一含量后，隨著脫氧元素含量的增加，相應(yīng)的平衡氧含量反而增大，這說(shuō)明并非脫氧劑加入愈多，鋼液中的溶解氧就降低的多。

2、單元素脫氧劑介紹

⑴  Mn   錳是較弱的脫氧劑，是常用的脫氧劑之一。

⑵  Si  硅是較強(qiáng)的脫氧劑，是常用的脫氧劑之一，其脫氧產(chǎn)物SiO2是高熔點(diǎn)的固體質(zhì)點(diǎn)，能被鋼液所潤(rùn)濕，排出較為困難。感應(yīng)爐內(nèi)用硅脫氧時(shí)，氧的降低速度是較快的，硅加入后5~10min，氧含量便可降至低值。包內(nèi)用硅脫氧的速度與爐內(nèi)基本相同。

⑶  Al  鋁是最常用的強(qiáng)脫氧劑，感應(yīng)爐熔煉時(shí)加入鋁0.1%，鋁脫氧后僅在3~4min內(nèi)，鋼中的溶解氧便降至0.01%以下，包內(nèi)脫氧時(shí)，出鋼前先將鋁加入包內(nèi)，然后出鋼，出鋼后2~3min內(nèi)，鋼液中的氧含量便可降至0.02%以下。出鋼后由于鋼液溫度的降低，鋁的脫氧能力提高，這樣鋼液在包內(nèi)鎮(zhèn)靜時(shí)，鋼液中的氧含量仍能緩慢的下降。

⑷  Ca  鈣是很強(qiáng)的脫氧劑，也是強(qiáng)的脫硫劑，但由于鈣的氣化而顯著降低其脫氧效果。為克服其缺點(diǎn)，必須降低其蒸氣壓，Si、Al不僅能降低鈣的蒸氣壓，而且還可提高鈣的溶解度。用硅鈣合金脫氧，還可改善夾雜物的形態(tài)成為球狀，因而改善鋼的性能。此為硅鈣合金脫氧的突出優(yōu)點(diǎn)。

⑸  Ti  鈦是較強(qiáng)的脫氧劑，脫氧能力強(qiáng)于硅而弱于鋁。其脫氧產(chǎn)物因鈦含量不同而不同。當(dāng)Ti ＜0.2%時(shí)，脫氧產(chǎn)物是TiO2或Ti3O5。Ti的脫氧產(chǎn)物尺寸為16~18μ，近似球狀，并均勻地分布在晶粒內(nèi)部。

另外，Ti在鋼液中還可形成高度彌散的TiN，其尺寸為4~14μ，可作為非自發(fā)結(jié)晶核心，而細(xì)化晶粒。TiN還可防止鑄鋼件產(chǎn)生脆性斷口。

當(dāng)Ti含量為0.06%時(shí)，沿晶界會(huì)形成片狀共晶硫化物而降低鋼的沖擊韌性。因此，鈦脫氧時(shí)，鋼中適宜的鈦含量為0.02~0.06%。

通常為防止AlN對(duì)鑄鋼件性能的不良影響而采用鈦代替鋁終脫氧。

⑹  Zr  鋯是極強(qiáng)的脫氧劑，在1650℃時(shí)，鋯的脫氧能力強(qiáng)于鋁，只需加入少量的鋯終脫氧，便可獲得氧含量極低的鋼。鋯的脫氧產(chǎn)物為直徑3μ的小球。

Zr脫氧時(shí)形成的ZrN，可作為非自發(fā)結(jié)晶核心，細(xì)化晶粒，同時(shí)還可防止脆性斷口。

⑺  RE  也是良好的脫氧劑。 稀土金屬通常是鑭（La）系元素的總稱。La、Ce、Pr、Nd四個(gè)元素與鑄鋼生產(chǎn)較為密切，稀土的脫氧能力強(qiáng)于Zr、Al、Ti，接近于Be，而稍低于Ca、Mg。

采用稀土脫氧有如下特點(diǎn)：

① 脫氧反應(yīng)的同時(shí)伴隨有脫硫反應(yīng)。RE能同時(shí)與O、S反應(yīng)，生成稀土氧化物、稀土硫化物和稀土氧硫化物，同時(shí)降低鋼中的氧和硫。

② 稀土氧化物、硫化物熔點(diǎn)高、密度大、質(zhì)點(diǎn)小，不易排出而滯留于鋼中。

③ 稀土金屬的突出優(yōu)點(diǎn)是，使鋼中夾雜物球化，而有利于提高鋼的性能。

3、常用復(fù)合脫氧劑介紹

⑴ 硅錳合金復(fù)合脫氧  Mn是弱脫氧元素，Si是較強(qiáng)脫氧元素，Si、Mn配合使用，可獲得良好的脫氧效果，如使用硅錳合金復(fù)合脫氧劑。生產(chǎn)中常用“先加錳鐵后加硅鐵于爐內(nèi)”的復(fù)合脫氧法，也可獲得較好的效果。

⑵  硅錳鋁合金復(fù)合脫氧  Si和Mn可提高Al的脫氧能力。采用硅錳鋁復(fù)合脫氧劑時(shí)，無(wú)論在爐內(nèi)或包內(nèi)脫氧，效果均好。生產(chǎn)中常用“先錳鐵后硅鐵”爐內(nèi)預(yù)脫氧，再用鋁包內(nèi)終脫氧，效果也很好。

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