液態(tài)金屬的凈化與精煉

1、第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉1 液態(tài)金屬與氣相和渣相的相互作用，可能造成自身的液態(tài)金屬與氣相和渣相的相互作用，可能造成自身的污染。所謂金屬的凈化，即是利用一定的物理化學(xué)反應(yīng)，污染。所謂金屬的凈化，即是利用一定的物理化學(xué)反應(yīng)，去除液態(tài)金屬中的有害元素、夾雜物和氣體的過程去除液態(tài)金屬中的有害元素、夾雜物和氣體的過程。 第一節(jié)第一節(jié) 液態(tài)金屬的脫氧液態(tài)金屬的脫氧 第二節(jié)第二節(jié) 液態(tài)金屬的脫碳反應(yīng)液態(tài)金屬的脫碳反應(yīng) 第三節(jié)第三節(jié) 液態(tài)金屬的脫硫液態(tài)金屬的脫硫 第四節(jié)第四節(jié) 液態(tài)金屬的脫磷液態(tài)金屬的脫磷第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉2凈化的順序凈化的順序? ?第一節(jié)第一節(jié) 液態(tài)金屬的脫氧液態(tài)金屬的脫氧第九

2、章 液態(tài)金屬的凈化與精煉3一、脫氧元素與脫氧能力一、脫氧元素與脫氧能力二、先期脫氧二、先期脫氧 三、沉淀脫氧三、沉淀脫氧 四、擴(kuò)散脫氧四、擴(kuò)散脫氧五、真空脫氧五、真空脫氧常用脫氧方法常用脫氧方法一、脫氧元素與脫氧能力一、脫氧元素與脫氧能力第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉4 對于鋼液來說，對于鋼液來說，脫氧就是用脫氧劑除去鋼液中溶入脫氧就是用脫氧劑除去鋼液中溶入的原子態(tài)氧或氧化鐵中的氧而將鐵還原的措施的原子態(tài)氧或氧化鐵中的氧而將鐵還原的措施。脫氧劑的。脫氧劑的脫氧能力可以用加入等量的脫氧元素后，鋼液中氧化亞鐵脫氧能力可以用加入等量的脫氧元素后，鋼液中氧化亞鐵的平衡含量來衡量。的平衡含量來衡量。 x

3、x Me Me y y FeO FeO （ MeMex xO Oy y ） y y Fe Fe 式中，式中，MeMe表示脫氧元素，如表示脫氧元素，如 MnMn、SiSi、Al Al 等。等。 當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，e與鋼液中氧化亞鐵的含量（殘與鋼液中氧化亞鐵的含量（殘留量）之間存在著下述的關(guān)系：留量）之間存在著下述的關(guān)系： % Me x % FeO y = K K是平衡常數(shù)，是溫度的函數(shù)。是平衡常數(shù)，是溫度的函數(shù)。 由此可見，由此可見，鋼液中氧化亞鐵的殘留量與脫氧元素的鋼液中氧化亞鐵的殘留量與脫氧元素的殘留量成反比殘留量成反比，脫氧元素的殘留量愈高，則氧化，脫氧元素的殘留量愈高，

4、則氧化亞鐵亞鐵的的殘留量愈低，即鋼液的脫氧程度殘留量愈低，即鋼液的脫氧程度愈徹底。愈徹底。第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉5右圖表明一些元素的脫右圖表明一些元素的脫氧能力及在不同的殘留氧能力及在不同的殘留量條件下鋼液的脫氧程量條件下鋼液的脫氧程度。度。元素按脫氧能力由小到元素按脫氧能力由小到大排列順序是：大排列順序是：CrCr、MnMn、V V、C C、SiSi、B B、TiTi、AlAl、ZrZr、BeBe、MgMg、CaCa。 Me ，% O ，%n當(dāng)使用幾種脫氧劑當(dāng)使用幾種脫氧劑進(jìn)行脫氧時(shí)，應(yīng)按照進(jìn)行脫氧時(shí)，應(yīng)按照脫氧能力的順序由小脫氧能力的順序由小到大依次使用。到大依次使用。n鑄造和焊接中

5、最常鑄造和焊接中最常用的脫氧劑是用的脫氧劑是錳、錳、硅、鈦和鋁硅、鈦和鋁。二、先期脫氧 第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉6 對于藥皮焊條電弧焊過程，在藥皮加熱階段，固態(tài)的造對于藥皮焊條電弧焊過程，在藥皮加熱階段，固態(tài)的造渣、造氣劑中進(jìn)行的脫氧反應(yīng)稱為先期脫氧，其特點(diǎn)是脫氧渣、造氣劑中進(jìn)行的脫氧反應(yīng)稱為先期脫氧，其特點(diǎn)是脫氧過程和脫氧產(chǎn)物與高溫的液態(tài)金過程和脫氧產(chǎn)物與高溫的液態(tài)金屬不屬不發(fā)生直接關(guān)系。發(fā)生直接關(guān)系。 含有脫氧元素的造渣劑和造氣劑被加熱時(shí)其中的高含有脫氧元素的造渣劑和造氣劑被加熱時(shí)其中的高價(jià)氧化物或碳酸價(jià)氧化物或碳酸鹽分解出的氧和二氧化碳便和脫氧鹽分解出的氧和二氧化碳便和脫氧元素發(fā)生反

6、應(yīng)元素發(fā)生反應(yīng)。 Ti 2CO2 TiO2 2CO 2Al 3CO2 Al2O3 3CO Si 2CO2 SiO2 2CO Mn CO2 MnO CO 反應(yīng)的結(jié)果反應(yīng)的結(jié)果使氣相的氧化性減弱使氣相的氧化性減弱， 起到先期脫氧的作用。起到先期脫氧的作用。三、沉淀脫氧 第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉7 沉淀脫氧是指溶解于液態(tài)金屬中的脫氧劑直接和沉淀脫氧是指溶解于液態(tài)金屬中的脫氧劑直接和熔池中的熔池中的FeOFeO起作用，使其轉(zhuǎn)化為不溶于液態(tài)金屬起作用，使其轉(zhuǎn)化為不溶于液態(tài)金屬的氧化物，并脫溶沉淀轉(zhuǎn)入熔渣中的一種脫氧方式的氧化物，并脫溶沉淀轉(zhuǎn)入熔渣中的一種脫氧方式。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是這種方法的優(yōu)點(diǎn)是脫

7、氧速度快脫氧速度快，脫氧徹底脫氧徹底。但脫氧產(chǎn)物。但脫氧產(chǎn)物不能清除時(shí)將增加金屬液中雜質(zhì)的含量。其脫氧反應(yīng)為：不能清除時(shí)將增加金屬液中雜質(zhì)的含量。其脫氧反應(yīng)為： x x Me Me y y O O （ MeMex xO Oy y ）或：或： x x Me Me y y FeO FeO （ MeMex xO Oy y ） y y Fe Fe 熔渣堿度熔渣堿度B BL L，脫氧元素種類及數(shù)量對脫氧效果的影響，有，脫氧元素種類及數(shù)量對脫氧效果的影響，有如下關(guān)系式：如下關(guān)系式： 其中，其中，A A、C C、D D為與脫氧元素有關(guān)的常數(shù)。從上式看出：為與脫氧元素有關(guān)的常數(shù)。從上式看出：金屬含氧量金屬含氧

8、量OO，隨熔渣堿度，隨熔渣堿度B BL L的增大而減少；的增大而減少；MeMe越多、（越多、（MeMex xO Oy y）越少，脫氧效果越好；）越少，脫氧效果越好；熔渣性質(zhì)應(yīng)與脫氧產(chǎn)物性質(zhì)相反熔渣性質(zhì)應(yīng)與脫氧產(chǎn)物性質(zhì)相反，這樣有利于降低脫氧產(chǎn)，這樣有利于降低脫氧產(chǎn)物在熔渣中的活度，也有利于熔渣吸收脫氧產(chǎn)物。物在熔渣中的活度，也有利于熔渣吸收脫氧產(chǎn)物。)yD-C(y1)%lg(y1%lgyxyA%lgyxOMeMeBOL第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉8第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉9 進(jìn)行沉淀脫氧應(yīng)考慮的三個(gè)要點(diǎn)：進(jìn)行沉淀脫氧應(yīng)考慮的三個(gè)要點(diǎn)： 對氧親和力較大對氧親和力較大的元素；的元素； 脫氧產(chǎn)物

9、應(yīng)不溶于金屬脫氧產(chǎn)物應(yīng)不溶于金屬而成為獨(dú)立液相轉(zhuǎn)而成為獨(dú)立液相轉(zhuǎn)入熔渣；入熔渣； 熔渣的酸堿性質(zhì)應(yīng)與脫氧產(chǎn)物的性質(zhì)相反熔渣的酸堿性質(zhì)應(yīng)與脫氧產(chǎn)物的性質(zhì)相反，以利于熔渣吸收脫氧產(chǎn)物以利于熔渣吸收脫氧產(chǎn)物 。焊條藥皮成分中，常采用錳鐵、硅鐵和鈦鐵作為脫氧元焊條藥皮成分中，常采用錳鐵、硅鐵和鈦鐵作為脫氧元素，請說明它們分別適用于哪種藥皮類型？素，請說明它們分別適用于哪種藥皮類型？答答 案案酸性焊條常采用錳鐵作為脫氧元素；酸性焊條常采用錳鐵作為脫氧元素；堿性焊條常采用錳鐵和硅鐵（或鈦鐵）聯(lián)合脫氧。堿性焊條常采用錳鐵和硅鐵（或鈦鐵）聯(lián)合脫氧。 第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉10思思 考考 題題第九章 液態(tài)

10、金屬的凈化與精煉11 酸性渣中含有較多的酸性渣中含有較多的 SiOSiO2 2 和和 TiOTiO2 2，它們?nèi)菀着c，它們?nèi)菀着c錳錳的脫氧產(chǎn)物的脫氧產(chǎn)物 MnO MnO 生成復(fù)合物生成復(fù)合物 MnOMnOSiOSiO2 2 和和 MnOMnOTiOTiO2 2，使，使 MnO MnO 的活度系數(shù)減小，因此脫氧效果較好。相反，在堿的活度系數(shù)減小，因此脫氧效果較好。相反，在堿性渣中性渣中 MnO MnO 的活度較大，不利于錳脫氧。堿度越大，錳的活度較大，不利于錳脫氧。堿度越大，錳的脫氧效果越差。的脫氧效果越差。 為什么酸性焊條常采用為什么酸性焊條常采用錳鐵作為脫氧元素？錳鐵作為脫氧元素？第九章 液

11、態(tài)金屬的凈化與精煉12 硅的脫氧能力比錳大，但生成的硅的脫氧能力比錳大，但生成的 SiOSiO2 2熔點(diǎn)高熔點(diǎn)高，通，通常認(rèn)為處于固態(tài)常認(rèn)為處于固態(tài)，不易聚合為大的質(zhì)點(diǎn)；同時(shí)不易聚合為大的質(zhì)點(diǎn)；同時(shí)SiOSiO2 2與與鋼液的界面張力小，潤濕性好，不易從鋼液中分離，鋼液的界面張力小，潤濕性好，不易從鋼液中分離，易造成夾雜。易造成夾雜。 因此，堿性焊條一般不單獨(dú)用硅脫氧。因此，堿性焊條一般不單獨(dú)用硅脫氧。 為什么堿性焊條不單獨(dú)為什么堿性焊條不單獨(dú) 采用硅鐵作為脫氧元素？采用硅鐵作為脫氧元素？堿性焊條需采用錳鐵和硅鐵堿性焊條需采用錳鐵和硅鐵（或鈦鐵）聯(lián)合脫氧（或鈦鐵）聯(lián)合脫氧第九章 液態(tài)金屬的凈化

12、與精煉13 把硅和錳按適當(dāng)?shù)谋壤尤胍簯B(tài)金屬中進(jìn)行復(fù)合脫把硅和錳按適當(dāng)?shù)谋壤尤胍簯B(tài)金屬中進(jìn)行復(fù)合脫氧時(shí)氧時(shí), , 其脫氧產(chǎn)物為其脫氧產(chǎn)物為不飽和液態(tài)硅酸鹽不飽和液態(tài)硅酸鹽，它的密度小，它的密度小，熔點(diǎn)低，熔點(diǎn)低，易于浮出易于浮出，并易被熔渣吸收，從而減少鋼中的，并易被熔渣吸收，從而減少鋼中的夾雜物和含氧量，脫氧效果十分顯著。夾雜物和含氧量，脫氧效果十分顯著。兩種以上脫氧元素的復(fù)合脫氧劑實(shí)例兩種以上脫氧元素的復(fù)合脫氧劑實(shí)例 第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉14在轉(zhuǎn)爐煉鋼時(shí)，爐內(nèi)加入一定量的在轉(zhuǎn)爐煉鋼時(shí)，爐內(nèi)加入一定量的硅錳合金硅錳合金進(jìn)行預(yù)脫氧，進(jìn)行預(yù)脫氧，結(jié)果使鋼中氧含量大大降低；結(jié)果使鋼中氧含

13、量大大降低；二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊絲H08MnH08Mn2 2Si Si 中就是用適當(dāng)比例的錳中就是用適當(dāng)比例的錳和硅來進(jìn)行聯(lián)合脫氧。和硅來進(jìn)行聯(lián)合脫氧。鈣的脫氧能力很強(qiáng)，但它的蒸氣壓高，在鋼液中溶解度低，鈣的脫氧能力很強(qiáng)，但它的蒸氣壓高，在鋼液中溶解度低，脫氧效果變差；如果用脫氧效果變差；如果用硅鈣合金硅鈣合金作脫氧劑，則可提高鈣的作脫氧劑，則可提高鈣的溶解度，減少蒸發(fā)損失，易生成低熔點(diǎn)的硅酸鈣，對溶解度，減少蒸發(fā)損失，易生成低熔點(diǎn)的硅酸鈣，對AlAl2 2O O3 3 還起助熔作用。鉻鎳不銹鋼在熔煉末期的出鋼前，通常加還起助熔作用。鉻鎳不銹鋼在熔煉末期的出鋼前，通常加入

14、硅鈣合金進(jìn)行最終脫氧。入硅鈣合金進(jìn)行最終脫氧。 四、擴(kuò)散脫氧 第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉15 擴(kuò)散脫氧是在液態(tài)金屬與熔渣界面上進(jìn)行的，利用擴(kuò)散脫氧是在液態(tài)金屬與熔渣界面上進(jìn)行的，利用（ FeOFeO）與）與 FeO FeO 能夠互相轉(zhuǎn)移能夠互相轉(zhuǎn)移, , 趨于平衡時(shí)符合分配趨于平衡時(shí)符合分配定律的機(jī)理進(jìn)行脫氧：定律的機(jī)理進(jìn)行脫氧： 式中的式中的 L LFeOFeO 是溫度的函數(shù)，與熔渣的成分有關(guān)。是溫度的函數(shù)，與熔渣的成分有關(guān)。 焊接熔池中的擴(kuò)散脫氧焊接熔池中的擴(kuò)散脫氧 鋼鐵熔煉中的擴(kuò)散脫氧鋼鐵熔煉中的擴(kuò)散脫氧FeOLFeO(FeO)焊接熔池中的擴(kuò)散脫氧焊接熔池中的擴(kuò)散脫氧第九章 液態(tài)金屬的

15、凈化與精煉16在焊接熔池中，隨著熔池后部溫度降低在焊接熔池中，隨著熔池后部溫度降低 L LFeO FeO 增大，增大， FeO FeO 向熔渣中擴(kuò)散。向熔渣中擴(kuò)散。脫氧的關(guān)鍵是降低（脫氧的關(guān)鍵是降低（FeOFeO） 的活度的活度。在酸性渣中，由于在酸性渣中，由于 SiOSiO2 2（或（或TiOTiO2 2）易與）易與(FeO) (FeO) 生成復(fù)生成復(fù)合物合物 FeOFeOSiOSiO2 2（或（或FeOFeOTiOTiO2 2），使（），使（FeOFeO）的活度減）的活度減小，有利于擴(kuò)散脫氧的進(jìn)行；小，有利于擴(kuò)散脫氧的進(jìn)行；n 堿性渣中（堿性渣中（FeO）活度大，其擴(kuò)散脫氧的能力比）活度大

16、，其擴(kuò)散脫氧的能力比酸性渣差；酸性渣差；n 增加熔渣中的脫氧劑含量可促進(jìn)增加熔渣中的脫氧劑含量可促進(jìn) FeO 向熔渣向熔渣中擴(kuò)散。中擴(kuò)散。n 在焊接熔池凝固過程中，由于在焊接熔池凝固過程中，由于液態(tài)熔池存在時(shí)液態(tài)熔池存在時(shí)間短間短，F(xiàn)eO的擴(kuò)散速度慢的擴(kuò)散速度慢，因此，因此擴(kuò)散脫氧進(jìn)行得很擴(kuò)散脫氧進(jìn)行得很不充分不充分。鋼鐵熔煉中的擴(kuò)散脫氧鋼鐵熔煉中的擴(kuò)散脫氧第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉17鋼鐵熔煉時(shí)的擴(kuò)散脫氧通常是將脫氧劑加在熔渣中，鋼鐵熔煉時(shí)的擴(kuò)散脫氧通常是將脫氧劑加在熔渣中，使脫氧元素與（使脫氧元素與（FeOFeO）反應(yīng)。當(dāng)熔渣中的氧化鐵含量）反應(yīng)。當(dāng)熔渣中的氧化鐵含量降低時(shí)，降低時(shí)，F(xiàn)e

17、OFeO就向熔渣中擴(kuò)散。這樣就間接地達(dá)到就向熔渣中擴(kuò)散。這樣就間接地達(dá)到了脫去鋼液中了脫去鋼液中FeOFeO的目的。擴(kuò)散脫氧的優(yōu)點(diǎn)是脫氧的目的。擴(kuò)散脫氧的優(yōu)點(diǎn)是脫氧產(chǎn)物留在熔渣中，液態(tài)金屬不會因脫氧而造成夾雜。產(chǎn)物留在熔渣中，液態(tài)金屬不會因脫氧而造成夾雜。 第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉18 電爐煉鋼一般是采用電爐煉鋼一般是采用 沉淀脫氧與擴(kuò)散沉淀脫氧與擴(kuò)散脫氧相結(jié)合脫氧相結(jié)合 的方法，即：的方法，即：（1）錳（錳鐵）進(jìn)行）錳（錳鐵）進(jìn)行沉淀脫氧沉淀脫氧（2）硅（硅鐵粉）和碳（炭粉）進(jìn)行）硅（硅鐵粉）和碳（炭粉）進(jìn)行 擴(kuò)散脫氧擴(kuò)散脫氧（3）用鋁進(jìn)行）用鋁進(jìn)行沉淀脫氧沉淀脫氧第九章 液態(tài)金屬的凈化

18、與精煉19白渣下的脫氧過程白渣下的脫氧過程： C （FeO） Fe COSi 2(FeO) 2Fe (SiO2) FeO （ FeO ） 為使擴(kuò)散脫氧過程順利進(jìn)行，需要采取下列措施：為使擴(kuò)散脫氧過程順利進(jìn)行，需要采取下列措施： 1）還原性爐氣）還原性爐氣 2）高的爐溫）高的爐溫 3）低粘度爐渣）低粘度爐渣五、真空脫氧 第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉20真空脫氧時(shí)鋼液的熔化過程是在真空條件下進(jìn)行，利用抽真真空脫氧時(shí)鋼液的熔化過程是在真空條件下進(jìn)行，利用抽真空降低氣相中空降低氣相中COCO分壓來加強(qiáng)鋼液中碳的脫氧能力分壓來加強(qiáng)鋼液中碳的脫氧能力。 C C O O COCO 研究表明：在研究表明：在1

19、6001600下下，若使，若使P PCOCO1.0KPa1.0KPa，C C的脫氧能力高的脫氧能力高于于AlAl的脫氧能力。的脫氧能力。碳不僅使鋼液脫氧，還促使其它氧化物還原，例如：碳不僅使鋼液脫氧，還促使其它氧化物還原，例如： （SiOSiO2 2） Si + 2O Si + 2O 使鋼液中一些元素含量超標(biāo)。因此，在一般真空處使鋼液中一些元素含量超標(biāo)。因此，在一般真空處理時(shí)碳只能達(dá)到部分脫氧的作用。理時(shí)碳只能達(dá)到部分脫氧的作用。 第二節(jié) 液態(tài)金屬的脫碳反應(yīng) 第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉21脫碳反應(yīng)是成形冶金中最重要的反應(yīng)之一，其主要目的是借脫碳反應(yīng)是成形冶金中最重要的反應(yīng)之一，其主要目的是借

20、助于脫碳過程去除鋼液中的有害氣體和夾雜物，對鋼液起精助于脫碳過程去除鋼液中的有害氣體和夾雜物，對鋼液起精煉作用。反應(yīng)方式主要有兩種，一種是碳被氧化性氣體直接煉作用。反應(yīng)方式主要有兩種，一種是碳被氧化性氣體直接氧化：氧化： C C O O2 2 2 CO C 2 CO C COCO2 2 2 CO2 CO 另一種方式是間接氧化：鋼鐵液中的鐵先被氧化生成氧化另一種方式是間接氧化：鋼鐵液中的鐵先被氧化生成氧化亞鐵，而后碳又被氧化亞鐵所氧化：亞鐵，而后碳又被氧化亞鐵所氧化： 2Fe 2Fe O O2 22FeO C 2FeO C FeO FeO FeFe COCO 脫碳反應(yīng)的產(chǎn)物是一氧化碳。一氧化碳不

21、溶解于鋼脫碳反應(yīng)的產(chǎn)物是一氧化碳。一氧化碳不溶解于鋼液，因而形成了大量的氣泡。氣泡在與鋼液脫離和液，因而形成了大量的氣泡。氣泡在與鋼液脫離和上浮過程中，使鋼液受到強(qiáng)烈的攪動，使得鋼液溫上浮過程中，使鋼液受到強(qiáng)烈的攪動，使得鋼液溫度和化學(xué)成分均勻，并能有效地清除鋼液中的氣體度和化學(xué)成分均勻，并能有效地清除鋼液中的氣體和非金屬夾雜物。和非金屬夾雜物。 在在沖天爐熔煉沖天爐熔煉過程中，鐵液的脫碳主要是通過爐氣過程中，鐵液的脫碳主要是通過爐氣中的中的O2和和CO2成分對鐵液的直接脫碳成分對鐵液的直接脫碳以及以及爐氣通過爐氣通過 FeO 對鐵液的間接脫碳對鐵液的間接脫碳。而在煉鋼生產(chǎn)中，一般是。而在煉鋼

22、生產(chǎn)中，一般是通過向鋼液中吹氧或加礦石進(jìn)行脫碳反應(yīng)的。通過向鋼液中吹氧或加礦石進(jìn)行脫碳反應(yīng)的。 C C和和FeFe，與，與O O的親和力哪的親和力哪一個(gè)更強(qiáng)？一個(gè)更強(qiáng)？ 當(dāng)溫度超過當(dāng)溫度超過12001200以后，以后，碳氧的親和力就超過鐵碳氧的親和力就超過鐵氧的親和力氧的親和力。 在煉鋼生產(chǎn)上規(guī)定，只在煉鋼生產(chǎn)上規(guī)定，只有在鋼液溫度超過有在鋼液溫度超過15301530時(shí)，時(shí)，才可以吹氧和加礦石脫碳。才可以吹氧和加礦石脫碳。 第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉22T / K圖圖9-4 碳的氧化反應(yīng)與鐵的碳的氧化反應(yīng)與鐵的 氧化反應(yīng)的生成自由能圖氧化反應(yīng)的生成自由能圖F（Jmol-1）第九章 液態(tài)金屬的

23、凈化與精煉23 在熔化焊接過程中，如果母材或焊接材料中含碳量在熔化焊接過程中，如果母材或焊接材料中含碳量較高，熔池中又存在一定的含氧量，那么在熔滴和熔池較高，熔池中又存在一定的含氧量，那么在熔滴和熔池的高溫階段，上述反應(yīng)進(jìn)行得很激烈，產(chǎn)生的大量的高溫階段，上述反應(yīng)進(jìn)行得很激烈，產(chǎn)生的大量COCO氣氣體受熱膨脹，發(fā)生爆炸，體受熱膨脹，發(fā)生爆炸，飛濺飛濺增大，嚴(yán)重時(shí)造成焊接過增大，嚴(yán)重時(shí)造成焊接過程不穩(wěn)定。如果在熔池后半部結(jié)晶時(shí)還進(jìn)行這些反應(yīng)，程不穩(wěn)定。如果在熔池后半部結(jié)晶時(shí)還進(jìn)行這些反應(yīng)，則可能產(chǎn)生則可能產(chǎn)生氣孔氣孔。因此一般選用。因此一般選用焊材中的碳含量低于母焊材中的碳含量低于母材材。真空法

24、脫碳第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉24 近代在發(fā)展新型低合金結(jié)構(gòu)鋼、低溫鋼和不銹鋼等近代在發(fā)展新型低合金結(jié)構(gòu)鋼、低溫鋼和不銹鋼等鋼種中要求鋼中含碳量很低鋼種中要求鋼中含碳量很低 低碳（低碳（0.080.08）、超低碳）、超低碳（0.030.03）、以及極低碳（）、以及極低碳（0.010.01） 的鋼液。在一的鋼液。在一般的空氣氣氛冶煉條件下是難以達(dá)到的。因?yàn)殇撘褐械陌愕目諝鈿夥找睙挆l件下是難以達(dá)到的。因?yàn)殇撘褐械奶己推渌囟寂c鋼中的氧存在一定的平衡關(guān)系。當(dāng)鋼碳和其它元素都與鋼中的氧存在一定的平衡關(guān)系。當(dāng)鋼液中的碳被氧化得很低時(shí)，鋼中的氧就會達(dá)到很高的值。液中的碳被氧化得很低時(shí)，鋼中的氧就會達(dá)到

25、很高的值。 第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉25為了冶煉純凈度高的低為了冶煉純凈度高的低碳鋼液，比較有效的方碳鋼液，比較有效的方法是在真空下進(jìn)行脫碳。法是在真空下進(jìn)行脫碳。例如生產(chǎn)中采用例如生產(chǎn)中采用真空氬真空氬氧脫碳精煉氧脫碳精煉（VODVOD）法）法以及真空氬氧脫碳轉(zhuǎn)爐以及真空氬氧脫碳轉(zhuǎn)爐（VODCVODC）法。）法。 C, %在1700和不同的一氧化碳壓力下C-O之間的平衡關(guān)系O,%第三節(jié) 液態(tài)金屬的脫硫 第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉26硫硫 的的 危危 害：害：凝固時(shí)凝固時(shí)偏析偏析，在晶界形成在晶界形成低熔點(diǎn)共晶低熔點(diǎn)共晶FeFeS（熔點(diǎn)為（熔點(diǎn)為985） FeSFeO（熔點(diǎn)為（熔點(diǎn)為94

26、0） NiSNi（熔點(diǎn)為（熔點(diǎn)為644） 結(jié)結(jié) 晶晶 裂裂 紋紋 沉淀脫硫沉淀脫硫 熔渣脫硫熔渣脫硫 第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉27沉淀脫硫第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉28 沉淀脫硫和沉淀脫氧一樣，是將脫硫合金元素直沉淀脫硫和沉淀脫氧一樣，是將脫硫合金元素直接加入液態(tài)金屬中進(jìn)行脫硫。接加入液態(tài)金屬中進(jìn)行脫硫。 常用的脫硫元素有錳、鎂、鈉、鈣、稀常用的脫硫元素有錳、鎂、鈉、鈣、稀土等土等。這些元素與硫的親和力大于鐵，與硫形成熔。這些元素與硫的親和力大于鐵，與硫形成熔點(diǎn)高，點(diǎn)高，不溶于液態(tài)鋼鐵的穩(wěn)定硫化物不溶于液態(tài)鋼鐵的穩(wěn)定硫化物，上浮上浮進(jìn)入渣相進(jìn)入渣相而進(jìn)行脫硫的方法。而進(jìn)行脫硫的方法。第九

27、章 液態(tài)金屬的凈化與精煉29錳和鎂脫硫反應(yīng)為：錳和鎂脫硫反應(yīng)為： FeSFeSMn Mn (MnS)(MnS) Fe Fe Mg Mg S S (MgS)(MgS) 由式可以看出，溫度升高，平衡常數(shù)減小，不利于脫由式可以看出，溫度升高，平衡常數(shù)減小，不利于脫硫。特別是對于鎂，升高溫度，其脫硫能力急劇下降。硫。特別是對于鎂，升高溫度，其脫硫能力急劇下降。86.18220lgTK63.922750lgTK鐵水溫度相對鋼液溫度低，且碳、硅含量高，因此硫在鐵水中鐵水溫度相對鋼液溫度低，且碳、硅含量高，因此硫在鐵水中的活度系數(shù)比在鋼水中大，錳和鎂在鐵水中的脫硫效果較好。的活度系數(shù)比在鋼水中大，錳和鎂在鐵

28、水中的脫硫效果較好。例如在球墨鑄鐵生產(chǎn)中，作為球化劑的鎂有很強(qiáng)的脫硫作用。例如在球墨鑄鐵生產(chǎn)中，作為球化劑的鎂有很強(qiáng)的脫硫作用。鋼的熔煉中，只有鋼的熔煉中，只有含氧量極低時(shí)含氧量極低時(shí)，才能用錳和鎂脫硫。因氧，才能用錳和鎂脫硫。因氧與與Mn、Mg的結(jié)合能力遠(yuǎn)高于的結(jié)合能力遠(yuǎn)高于S，當(dāng)錳和鎂加入鋼液中首先脫，當(dāng)錳和鎂加入鋼液中首先脫氧，氧，錳和鎂對鋼水幾乎無脫硫作用錳和鎂對鋼水幾乎無脫硫作用。熔渣脫硫 第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉30熔渣脫硫是熔渣脫硫是目前鑄造和焊接冶金中主要的脫硫方法目前鑄造和焊接冶金中主要的脫硫方法。它。它是利用熔渣中的是利用熔渣中的 CaOCaO、CaCCaC2 2、Mn

29、OMnO、MgOMgO 等進(jìn)行脫硫，脫硫等進(jìn)行脫硫，脫硫的原理與擴(kuò)散脫氧相似。的原理與擴(kuò)散脫氧相似。液態(tài)鋼鐵中的硫以硫化鐵的形態(tài)存在，硫化鐵能夠在熔渣和液態(tài)鋼鐵中的硫以硫化鐵的形態(tài)存在，硫化鐵能夠在熔渣和液態(tài)金屬中互相轉(zhuǎn)移，當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)，熔渣中的硫化鐵液態(tài)金屬中互相轉(zhuǎn)移，當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)，熔渣中的硫化鐵的含量與鋼鐵液中硫化鐵含量成一定的比例：的含量與鋼鐵液中硫化鐵含量成一定的比例：L LFeS FeS 為硫的分配系數(shù)，它也是溫度的函數(shù)。為硫的分配系數(shù)，它也是溫度的函數(shù)。 FeSFeS(FeS)L第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉31 脫硫的過程是在熔渣中進(jìn)行的。例如在白渣冶煉條脫硫的過程是在熔渣

30、中進(jìn)行的。例如在白渣冶煉條件下，渣中的氧化鈣起脫硫作用：件下，渣中的氧化鈣起脫硫作用： （CaOCaO）（）（FeSFeS）（CaSCaS）（）（FeOFeO） 隨著脫硫過程的進(jìn)行，熔渣中的硫化鐵含量逐漸減隨著脫硫過程的進(jìn)行，熔渣中的硫化鐵含量逐漸減少，少，鋼鐵液中的硫化鐵就會自動地往爐渣中轉(zhuǎn)移鋼鐵液中的硫化鐵就會自動地往爐渣中轉(zhuǎn)移： FeS FeS ( FeS ) ( FeS ) 電石渣脫硫的過程與白渣脫硫過程相似，只是在電石渣電石渣脫硫的過程與白渣脫硫過程相似，只是在電石渣下起脫硫作用的不僅有氧化鈣，還有碳化鈣：下起脫硫作用的不僅有氧化鈣，還有碳化鈣： 3(FeS)3(FeS)(CaC(C

31、aC2 2) )2(CaO) 2(CaO) 3(CaS) 3(CaS)3Fe3Fe2CO2CO 通過哪些方法有助于通過哪些方法有助于 提高熔渣脫硫效果？提高熔渣脫硫效果？影響熔渣脫硫過程的主要因素第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉32熔渣的還原性和堿度熔渣的還原性和堿度 ：渣中氧化鈣的濃度高和氧化亞：渣中氧化鈣的濃度高和氧化亞鐵的濃度低都有利于反應(yīng)的進(jìn)行。熔渣堿度高有利于脫鐵的濃度低都有利于反應(yīng)的進(jìn)行。熔渣堿度高有利于脫硫；硫；粘度粘度： 脫硫需要擴(kuò)散，低粘度的熔渣有利于脫硫；脫硫需要擴(kuò)散，低粘度的熔渣有利于脫硫；溫度溫度： 熔渣的脫硫反應(yīng)都是吸熱反應(yīng)，升高溫度有利熔渣的脫硫反應(yīng)都是吸熱反應(yīng)，升高溫

32、度有利于脫硫，升高溫度的同時(shí)也降低了熔渣粘度；于脫硫，升高溫度的同時(shí)也降低了熔渣粘度；硫的活度硫的活度： 凡增加硫的活度的因素（如提高鐵水的碳、凡增加硫的活度的因素（如提高鐵水的碳、硅含量）都有利于脫硫。硅含量）都有利于脫硫。生產(chǎn)中采用的脫硫措施第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉33 在脫硫反應(yīng)中，擴(kuò)散成為決定整個(gè)反應(yīng)過程快在脫硫反應(yīng)中，擴(kuò)散成為決定整個(gè)反應(yīng)過程快慢的限制性環(huán)節(jié)。為了進(jìn)行充分?jǐn)U散，需要很長的熔慢的限制性環(huán)節(jié)。為了進(jìn)行充分?jǐn)U散，需要很長的熔煉還原期。鋼液的含硫量總是比與熔渣相平衡的計(jì)算煉還原期。鋼液的含硫量總是比與熔渣相平衡的計(jì)算數(shù)值高得多。數(shù)值高得多。為增加熔渣和金屬液兩相之間的接觸

33、時(shí)間，常采用爐為增加熔渣和金屬液兩相之間的接觸時(shí)間，常采用爐外脫硫的措施，如在出鋼時(shí)采取外脫硫的措施，如在出鋼時(shí)采取“鋼渣混出的鋼渣混出的”操作操作方法，出鋼后的鋼液含硫量比臨出鋼前可降低方法，出鋼后的鋼液含硫量比臨出鋼前可降低30%30%50%50%左右；左右；鑄造中鐵液大多采用氣動脫硫法，即向鐵液中鑄造中鐵液大多采用氣動脫硫法，即向鐵液中吹氮?dú)?，使脫硫劑與鐵液充分混合、接觸，或吹氮?dú)?，使脫硫劑與鐵液充分混合、接觸，或脫硫劑隨氮?dú)獯等腓F液中，以提高脫硫效果。脫硫劑隨氮?dú)獯等腓F液中，以提高脫硫效果。熔焊工藝中，采用堿性焊條或堿性焊劑在熔池熔焊工藝中，采用堿性焊條或堿性焊劑在熔池中造堿度較大、氧

34、化性較弱的熔渣，可提高脫中造堿度較大、氧化性較弱的熔渣，可提高脫硫能力。硫能力。第四節(jié) 液態(tài)金屬的脫磷 與鐵、鎳形成低熔點(diǎn)共晶與鐵、鎳形成低熔點(diǎn)共晶如：如：FeFe3 3P PFeFe（10501050）NiNi3 3P PFe Fe （880880） 第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉34Fe2P 或或 Fe3P 硬而脆硬而脆增加材料的冷脆性增加材料的冷脆性 沖擊韌性降低，沖擊韌性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高脆性轉(zhuǎn)變溫度升高 促使含碳量較高的促使含碳量較高的低合金鋼和奧氏體低合金鋼和奧氏體鋼產(chǎn)生結(jié)晶裂紋鋼產(chǎn)生結(jié)晶裂紋 磷在大多數(shù)鐵基合金中，都認(rèn)為是有害元素：磷在大多數(shù)鐵基合金中，都認(rèn)為是有害元素： 鑄造

35、與焊接中的脫磷反應(yīng)鑄造與焊接中的脫磷反應(yīng)第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉35脫磷反應(yīng)分為兩步：脫磷反應(yīng)分為兩步： 第一步：熔渣中的第一步：熔渣中的氧化亞鐵氧化亞鐵將鋼液中的磷氧化生成將鋼液中的磷氧化生成P P2 2O O5 5； 第二步：使之與渣中的第二步：使之與渣中的堿性氧化物堿性氧化物生成穩(wěn)定的生成穩(wěn)定的磷酸鹽磷酸鹽。 兩步合并的反應(yīng)式為：兩步合并的反應(yīng)式為：2Fe2Fe2 2 P P 5(FeO) 5(FeO) 4(CaO) (CaO)4(CaO) (CaO)4 4P P2 2O O5 5) ) 9Fe9Fe 反應(yīng)是放熱反應(yīng)：反應(yīng)是放熱反應(yīng)：H H -544310J-544310Jmol m

36、ol 通過哪些方法有助于通過哪些方法有助于 提高脫磷效果？提高脫磷效果？對脫磷過程有利的條件第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉36高堿度高堿度強(qiáng)氧化性強(qiáng)氧化性低粘度低粘度較低的溫度較低的溫度較大的渣量較大的渣量含含 (FeO) 高的堿性渣高的堿性渣難難 兩兩 全全第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉37堿性電弧爐煉鋼中，在熔化期形成的初期渣，雖然堿堿性電弧爐煉鋼中，在熔化期形成的初期渣，雖然堿度不高，但由于度不高，但由于FeOFeO高，流動性好，加之爐溫低，所以高，流動性好，加之爐溫低，所以大部分磷在熔化期即被氧化進(jìn)入渣中。大部分磷在熔化期即被氧化進(jìn)入渣中。熔化期結(jié)束時(shí)，熔化期結(jié)束時(shí)，這種含有大量磷的熔渣應(yīng)當(dāng)扒掉這種含有大量磷的熔渣應(yīng)當(dāng)扒掉，另造新渣。進(jìn)入還，另造新渣。進(jìn)入還原期后，渣中原期后，渣中FeOFeO相當(dāng)?shù)?，爐溫又高，脫磷非但不能進(jìn)相當(dāng)?shù)?，爐溫又高，脫磷非但不能進(jìn)行，如果含磷的氧化渣沒有扒凈，反而會出現(xiàn)行，如果含磷的氧化渣沒有扒凈，反而會出現(xiàn)“返磷返磷現(xiàn)象現(xiàn)象”。第九章 液態(tài)金屬的凈化與精煉38焊接熔渣中，其堿度因受焊接工藝性能的制約，不可能焊接熔渣中，其堿度因受焊接工藝