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脫氧(deoxi dation)
在鍊鋼和鑄造過程中降低鋼中氧含量的反應。是保證鋼錠(坯)和鋼材質量的重要工藝環節。在鋼液中氧以溶解形式([O])或非金屬夾雜物形式(MxOy)存在。在吹氧鍊鋼過程中,隨著雜質含量的降低,鋼液中[O]含量升高。如果將未經脫氧的鋼出爐澆注,則鋼液中溶解的氧在冷凝過程就要與碳反應,析出CO氣泡而發生沸騰;隨脫氧的程度不同,析出氣體的特性有著顯著的差異。經充分脫氧的鋼液,在冷凝過程中沒有CO析出,不發生沸騰,是平靜的,故稱鎮靜鋼;輕度脫氧的鋼液,在冷凝過程中碳氧發生反應,析出CO,有明顯的沸騰現象,此為沸騰鋼;部分脫氧的鋼液,在凝固一段時間后,剩餘的氧與碳反應,產生短時間的沸騰,則為半鎮靜鋼。圖1表示脫氧程度不同的鋼中氧含量範圍。由圖1可見,沸騰鋼脫氧,即輕度脫氧,只使鋼液中氧含量稍許下降,但仍超過與碳平衡所需的含量。半鎮靜鋼脫氧,即部分脫氧,大致可使鋼的氧含量達到與碳平衡的含量,故又稱為平衡鋼。鎮靜鋼脫氧,亦即充分脫氧使鋼的氧含量大大低於與碳平衡的含量。鋼液脫氧雖降低[O]的含量,但若不使脫氧產物MxOy上浮排除出去,而殘留在鋼液中形成鋼中非金屬夾雜物,則影響鋼的質量;所以,脫氧時要儘可能排除脫氧產物。因此,脫氧就是要降低鋼中總氧量乏∑O(∑O=[O]+OMxOy)。但不管鍊鋼技術如何發展、改進,鋼中總還殘留有夾雜物。所以脫氧時還要控制殘留夾雜物的形態、大小和分佈,以保證鋼的各項性能(見鋼中非金屬夾雜物)。
脫氧
圖1脫氧程度不同的鋼中含氧量範圍
1一鎮靜鋼}2一半鎮靜鋼;3一沸騰鋼;4一-脫氧前
一般含氧範圍;5一氧與碳的平衡曲線
脫氧得當還可保證鋼的晶粒度。鋼中單獨加入或複合加入鋁、釩、鈦、鋯,則使奧氏體晶粒粗化溫度升高。脫氧時,這些元素除生成氧化物外,還生成氮化物;而釩、鈦、鈮、鋯還會生成碳化物。這三種化合物的粒子都可阻止晶粒長大,其中碳化物最為有效,而氮化鋁比氧化鋁有效。鋁是強脫氧劑又是最常用的晶粒細化劑,所以細晶粒鋼只能是鎮靜鋼,而沸騰鋼和半鎮靜鋼只能是粗晶粒鋼。但半鎮靜鋼加少量鈮、釩可得到細晶粒鋼。鋼的脫氧工藝通常要與鋼的合金化相配合。二者配合得當,則有利於準確控制成分,提高合金元素的收得率。
脫氧的兩種最基本的方法是沉澱脫氧法和擴散脫氧法。
沉澱脫氧原理 沉澱脫氧也稱直接脫氧,將與氧的親和力強於鐵的元素以鐵合金或金屬塊等形式直接加到鋼液中,與氧生成不溶於鋼液的沉澱析出物MxOy,一般MxOy的密度小於鋼液的密度,而可上浮排除。鋼液中元素沉澱脫氧反應式一般為aMxOy為脫氧產物的活度;aM為脫氧元素的活度;a。為溶解氧的活度。當脫氧產物為純氧化物或呈飽和狀態時,aMxOy=1。所以,取其倒數K=1/KM=[aM]x[ao]y,叫做脫氧常數,用以判斷元素的脫氧能力。在一定溫度、一定濃度,某一元素的脫氧常數K值越小,與該元素平衡的氧含量便越低,則該元素的脫氧能力就越強。各種元素脫氧能力的測定,現多採用固體電解質定氧探頭進行電動勢法測定,脫氧的熱力學數據如表1所示。1600℃時鐵液中各種元素的脫氧能力。當元素含量為0.1%時,各種元素的脫氧能力由強到弱的順序是:Al,Ti,B,Si,C,V,cr,Mn。圖中曲線表明,脫氧元素含量升高時,與之平衡的氧含量下降;但脫氧元素含量達到某一數值后,隨著脫氧元素含量升高,相應的平衡氧含量反而增加。而且脫氧能力越強的元素,其平衡氧含量增高的臨界含量(轉折點)越低。在不同溫度下,與不同元素含量相平衡的氧含量,可利用表1數據進行計算。從脫氧常數K與溫度丁的關係式可知,升高溫度則脫氧常數K值增大,即升高溫度脫氧反應式(1)的平衡向左移動;而降低溫度時,平衡向右移動。這意味著當鋼液溫度降低時(在鋼液凝固時),脫氧反應將繼續進行,並形成新的脫氧產物,而它們往往來不及從鋼中排除出去。因此,在鋼脫氧時應加入適量脫氧劑,使鋼液中殘餘氧量立即降到相當低的水平,以減少凝固降溫時脫氧產物的生成。
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