脫氧與鋼中非金屬夾雜物

第三章、脫氧與鋼中非金屬夾雜物第一節(jié)、脫氧的必要性在氧氣煉鋼過程均采用向金屬熔池供氧以氧化去除鐵液中碳、硅、磷等雜質(zhì)；為獲得高的反響效率，必須供入充足的氧；在冶煉臨近結(jié)束時，鋼液實際上處于“過度氧化〞狀態(tài)。1650C時，[O]飽和＝0.238％實際煉鋼生產(chǎn)中鋼液的溶解氧含量[O]低于[O]飽和；

鋼液[O]含量除與溫度有關(guān)外，還與鋼液其它組元含量、爐渣氧化性、氧氣煉鋼供氧參數(shù)等有關(guān)；冶煉結(jié)束時[O]含量存在一波動范圍；以氧氣底吹轉(zhuǎn)爐為例，當(dāng)終點[C]含量在0.02％～0.10％之間時，[O]含量在0.08％～0.01％之間。。固體鋼中氧的溶解度變化鐵凝固后氧在固體鐵中的溶解度顯著降低；

鐵中氧的溶解度最大約為80ppm；

鐵中氧的溶解度最多為25ppm；

鐵中氧的溶解度僅約為3～4ppm。這意味著在凝固以及隨后的冷卻過程，鐵液中的溶解氧幾乎全部均要由Fe中析出。氧對鋼性能的影響氧是在鋼的凝固過程偏析傾向最嚴(yán)重的元素之一，氧的偏析系數(shù)〔1－[O]固體鋼/[O]鋼液〕為0.98。在鋼凝固和隨后的冷卻過程，由于溶解度急劇降低，鋼中原溶解的絕大局部氧以鐵氧化物、氧硫化物等微細(xì)夾雜物形式在奧氏體或鐵素體晶界處富集存在；氧化物、氧硫化物等微細(xì)夾雜物會造成晶界脆化，在鋼的加工和使用過程容易成為晶界開裂的起點，導(dǎo)致鋼材發(fā)生脆性破壞；鋼中氧含量增加會降低鋼材的延性、沖擊韌性和抗疲勞破壞性能，提高鋼材的韌－脆轉(zhuǎn)換溫度，降低鋼材的耐腐蝕性能等。鋼液的脫氧在氧化冶煉完成后，必須對鋼液進(jìn)行脫氧，將鋼液的氧含量降低到較低的水平。對鋼液進(jìn)行脫氧目前主要有三種方法：〔1〕直接〔沉淀〕脫氧法；〔2〕擴散脫氧法；〔3〕真空脫氧法。直接〔沉淀〕脫氧是用與氧親和力較鐵與氧親和力強的元素作脫氧劑，脫氧劑與鋼液中的氧直接作用，發(fā)生脫氧反響，反響產(chǎn)物由鋼液上浮排除，從而到達(dá)脫氧目的。其中，[M]：脫氧元素；[O]：鋼液氧含量。沉淀脫氧是目前廣為采用的脫氧方法。脫氧時將脫氧劑以鐵合金形式直接參加到鋼液中，某些比重較輕或較易氣化的脫氧劑〔例如鋁、鈣、鎂等〕那么多采用向鋼液喂絲或喂包芯線方法參加至鋼液中。沉淀脫氧反響速度快，操作簡便，本錢較低，但由于局部脫氧產(chǎn)物會滯留在鋼中。擴散脫氧是向爐渣中參加碳粉、硅鐵粉、鋁粉等脫氧劑，降低爐渣的FeO含量。由氧在渣－鋼之間的分配平衡關(guān)系式可知，當(dāng)渣中FeO含量不斷降低時，鋼中的氧即會向爐渣中擴散，以維持氧在渣－鋼間的分配平衡，從而到達(dá)鋼液脫氧的目的。擴散脫氧方法目前主要應(yīng)用于鋼水爐外精煉。擴散脫氧的優(yōu)點是脫氧產(chǎn)物不玷污鋼液，缺點是脫氧速度較慢。真空脫氧是指將鋼液至于真空條件下，通過降低CO氣體分壓，促使鋼液內(nèi)[C]－[O]反響繼續(xù)進(jìn)行，利用[C]－[O]反響到達(dá)脫氧的目的。真空脫氧方法的最大特點是脫氧產(chǎn)物CO幾乎全部可由鋼液排除，不玷污鋼液。缺點是鋼液溫度損失較大，且投資和生產(chǎn)本錢較高。[C]＋[O]＝CO脫氧常數(shù)K值愈大，與一定濃度脫氧元素[M]相平衡的鋼液[O]含量愈高，元素的脫氧能力愈弱。反之，脫氧常數(shù)K值愈低，那么元素的脫氧能力愈強。第四章、鋼液中的氣體和去除鋼中的氣體:

氮氣

氫氣[H]對鋼材性能的影響：■顯著降低延性〔氫脆〕；■當(dāng)氫由鋼中析出〔變成分子態(tài)氫時，造成內(nèi)部裂紋〔白點〕。[N]對碳鋼韌－脆轉(zhuǎn)換溫度的影響[N]對鋼材性能的影響：■加重鋼材的時效；■降低鋼材的冷加工性能；■造成焊接熱影響區(qū)脆化；■加劇鋼材的冷脆。氣體在鋼液中的溶解：鋼中氣體的來源：J.F.Elliott,ThermochemistryforSteelmaking,Vol.2,Addison-Wesley，1963[H]的另一來源：水蒸氣H2O＋CO＝CO2＋H2?G＝－29500＋26.8TH2O＝1/2O2＋H2?G＝249570－57.10T空氣、爐料中水分均為鋼液[H]的重要來源！電弧爐冶煉過程，電弧溫度高達(dá)4000～7000C，高溫加速了H2、N2、H2O的解離和溶解。電弧爐煉鋼鋼液[N]、[H]含量高于氧氣轉(zhuǎn)爐。鋼液的脫氮和脫氫〔3〕鋼水真空精煉脫除[N]、[H]脫碳可以強烈攪拌熔池，加速[N]、[H]向液－氣反響界面的傳遞；脫碳反響生成大量CO氣泡，在CO氣泡內(nèi)氮、氫的分壓近似為零；CO氣泡可成為N2、H2核心?！?〕利用脫碳反響脫除[N]、[H]〔2〕鋼水包內(nèi)吹氬脫除[N]、[H]低[N]鋼液的脫氮是尚未解決的難題RH處理前后鋼中[N]的變化V-KIP處理前后[N]的變化生產(chǎn)低[N]鋼采用：■鐵水預(yù)處理；■頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐；■不脫氧出鋼；■嚴(yán)格保護(hù)澆鑄。不同工序鋼中[N]含量的變化脫氮困難的原因：■鋼液中氮的溶解度高；■空氣氮分壓高；■液態(tài)鋼溫度下很難利用化學(xué)反響脫氮；■氧、硫外表活性元素影響。復(fù)習(xí)要點試題類型一、選擇題(40題，共20分)二、判斷題(20題，共20分)三、簡答題(8題，共24分)四、計算題(12分)五、計算題(12分)六、計算題(12分)強調(diào)根本知識掌握，范圍較廣，沒有偏題、難題。主要復(fù)習(xí)內(nèi)容二、煉鋼的根本反響一、煉鋼的根本任務(wù)鋼與生鐵的區(qū)別(成份、性能)煉鋼的根本任務(wù)主要煉鋼工藝流程、方法二、煉鋼的根本反響脫碳反響的動力學(xué)(擴散、化學(xué)反響、CO形核)硅的氧化反響(熱力學(xué)分析、熱效應(yīng)、對其它反應(yīng)的影響等)錳的氧化與復(fù)原(熱力學(xué)分析、熱效應(yīng)、氧化程度)脫磷反響(有利于脫磷因素、爐渣的重要作用、回磷)脫硫反響(有利于脫硫因素、爐渣的重要作用、金屬脫硫)三、脫氧與鋼中非金屬夾雜物脫氧方式(沉淀脫氧、擴散脫氧、真空碳脫氧)元素的脫氧能力(脫氧常數(shù)K、常用脫氧元素的脫氧能力順序)一次脫氧產(chǎn)物、二次脫氧產(chǎn)物、三次脫氧產(chǎn)物。復(fù)合脫氧及常用的復(fù)合脫氧劑沉淀脫氧動力學(xué)(脫氧反響、脫氧產(chǎn)物形核、長大、上浮等)Stokes定律運用非金屬夾雜物來源(內(nèi)生、外來、二次氧化等)四、轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝轉(zhuǎn)爐煉鋼過程鋼及渣成分的變化轉(zhuǎn)爐造渣的特點氧槍的有關(guān)射流理論轉(zhuǎn)爐煉鋼的操作制度渣料參加量的計算方法轉(zhuǎn)爐冶煉工藝的根本常識及俗語六、爐外精煉工藝LF、VOD、RHCAS工藝特點、功能及冶金效果吹氬、噴粉、喂絲工藝的特點、功能及冶金效果軸承鋼及不銹鋼冶煉的有關(guān)工藝特點五、電爐煉鋼工藝電爐煉鋼工藝過程的工藝特點電爐煉鋼對爐料的要求及參加原那么電爐供電及供氧的根本常識合金參加量的計算方法泡沫渣的形成條件及造泡沫渣的方法八、鋼液結(jié)晶與凝固結(jié)構(gòu)鋼液的結(jié)晶(均質(zhì)形核、非均質(zhì)形核、成分過冷等)晶體的長大(樹枝晶的形成)凝固結(jié)構(gòu)(連鑄坯的凝固結(jié)構(gòu)及影響因素)十一、凝固過程中氣體和非金屬夾雜物鋼在高溫下的脆化理論九、凝固偏析連鑄坯中夾雜物的主要來源減少連鑄坯中夾雜物和氣體的主要措施十、鋼的高溫力學(xué)性能及凝固收縮什么是顯微偏析和宏觀偏析？產(chǎn)生的原因影響凝固偏析的主要因素十二、連續(xù)鑄鋼作業(yè)3：(2)金屬熔池含碳3.8%，含硅0.13%，如渣中SiO2活度為0.25，試計算[C]－[Si]優(yōu)先氧化的轉(zhuǎn)變溫度。解題步驟：2、計算出鋼液中[C]和[Si]的活度1、由有關(guān)資料查到鋼液組元活度相互作用系數(shù)3、得到C－Si選擇氧化反響的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化2[O]＋2[C]＝2{CO}G＝－40964－77.88T(2)[Si]＋2[O]＝SiO2(l)G＝－593560＋230.2T(1)(1)－(2)，得到：2[C]＋SiO2(l)＝[Si]＋2{CO}(3)G0作業(yè)4：1、鐵水成分如下：CSiMnP,(wt%)4.00.61.01.5初期爐渣成分如下：CaOMnOFeOSiO2P2O5,(mol%)40205332在初期渣成分下將碳脫除至2.0%，熔池溫度為1450℃，問此時是否能夠脫磷？0.08-0.0120.0510.140.130.1200.062解題步驟：1、得到C－P選擇氧化反響的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化2[O]＋2[C]＝2{CO}(1)G＝－40964－77.88T4/5[P]＋2[O]＝2/5(P2O5)(2)G＝－141152＋109.24T(1)－(2)，得到：2[C]＋2/5(P2O5)＝4/5[P]＋2{CO}(3)G＝100188－187.12T2[C]＋2/5(P2O5)＝4/5[P]＋2{CO}(3)G＝100188－187.12T4、計算爐渣中P2O5的活度系數(shù)2、由有關(guān)資料查到鋼液組元活度相互作用系數(shù)3、計算出鋼液組元活度系數(shù)Turkdogan經(jīng)驗公式：5、計算C－P轉(zhuǎn)換反響的自由能變化2、在1600℃低碳鋼液中參加含硅75％的硅鐵合金2.66kg/t，假設(shè)鋼液中[O]為0.04％，假設(shè)脫氧反應(yīng)到達(dá)平衡，試計算硅的脫氧量、耗