钢液脱氧机理和发展状况

2018-09-04汤寅波殷顶楼付振宇胡春林宋传文

安徽冶金科技职业学院学报 2018年3期

陈伟，汤寅波，殷顶楼，付振宇，胡春林，宋传文

(马钢股份公司长材事业部，安徽马鞍山 243000)

转炉炼钢是向低磷、低硫铁水中吹入氧气，使钢中碳、硅、锰、磷等元素氧化。在这些元素氧化的同时，也使钢中剩余了过多的氧，如果不将钢中氧降低到规定的范围，钢液将不能顺利浇注，也得不到合理结构的铸坯。钢液脱氧，就是使钢中自由氧转变为含氧夹杂物，然后将这些夹杂物从钢中去除，降低钢液氧含量。现主要分析了炼钢脱氧工艺的脱氧机理和发展状况，探讨了钢液脱氧发展的趋势，为今后钢液脱氧研究提供参考和借鉴。

1 炼钢脱氧工艺的脱氧机理和发展现状

2.1 沉淀脱氧脱氧机理

沉淀脱氧是炼钢工最早使用的脱氧方法，生产时将适量的合金直接加入到钢液中，利用合金元素与钢中氧反应。由于加入的脱氧元素与钢液充分接触，因此沉淀脱氧的脱氧速度和脱氧效率都较高，该过程发生的脱氧反应可表示为：

x[M]+y[O]=(MxOy)

(1)

式中Kθ为平均常数，a为活度，f为活度系数。

虽然脱氧产物的变性处理和去除能力有了很大提高，但固态或液态的脱氧产物都会部分残留在钢中，降低钢液纯净度。因此，沉淀脱氧时，必须使用脱氧产物容易去除的脱氧元素。

2.2 沉淀脱氧发展现状

早期的钢铁冶炼中，为降低生产成本，通常是把Si-Fe、Mn-Fe加入到钢中，但由于其还原能力有限，难以将钢中氧降低到满意的水平。资料记载[1]，Al的亲氧性很强，它的还原性比Si、Mn大很多。但是，铝脱氧产生的Al2O3生产时容易聚集堵塞在水口，使钢液浇铸中断[2]。

理论研究和生产实践表明[3]，钢中夹杂物越少，钢的综合性能越好，为减少脱氧产物对钢材质量的不良影响。王唐林[4]等用新型Al基复合脱氧剂在高温钼丝炉内对钢液进行脱氧实验，通过对夹杂物数量、形貌和夹杂物在钢中的分布分析脱氧效果，结果表明：新型 Al基复合脱氧剂能将钢液氧含量降低到10 ppm以下，还能减少夹杂物尺寸和数量，改善夹杂物形貌，提高钢液纯净度(与纯铝脱氧相比)。

碱金属化学反应时容易失去两个电子形成正二价阳离子，因此极易与钢中氧等非金属元素作用。近年来，科研工作者[5]对Mg在纯净钢中的应用进行了理论分析和实验研究。结果显示，Mg在高温下仍然会有极强的还原能力，能将钢中氧降低到很低的水平。同时，铝脱氧后的钢液再用Mg处理，能继续降低钢液氧含量和提高钢液纯净度。

用Mg-Al合金对钢液脱氧实验后发现[6]、[7]：Mg-Al合金既能将[O]、[S]降低到很低的含量，还能对钢中夹杂物起到变性的作用，可将大部分Al2O3夹杂转变为熔点更低的MgO·Al2O3复合夹杂物，还能将FeS和MnS转变为FeS·MnS等硫化物夹杂。此外，其它镁合金用于钢液脱氧的研究也取得了快速的发展，用Mg-Ti在感应炉内作用于中、低碳钢钢液后发现[8]、[9]：脱氧产物主要是以氧化物为核心，表面包裹MnS或TiN的近似球形的平均粒径在1 um左右的复合夹杂物，表面析出的MnS有望降低夹杂物的危害，利于晶内铁素体形核与细化组织，此外，钢中镁含量控制在50 ppm以下时，更容易形成尺寸较小的、球形的复合夹杂。

2.3 扩散脱氧脱氧机理

扩散脱氧是利用脱氧剂与渣中FeO反应，降低渣中氧含量，从而使钢中氧不断向渣中扩散，降低钢中氧含量。氧在熔渣—钢液之间的平衡可表示为：

(FeO)=[O]+Fe(l)

(3)

脱氧时，可认为脱氧反应遵循亨利定律，即f[O]=1，上式可表示为：

由式(5)可知：当温度为1600 ℃时，ω[O]%=0.21a(FeO)，因此，降低钢液氧含量，也就是减少渣中a(FeO)。

2.4 扩散脱氧发展现状

扩散脱氧由于脱氧速度较慢，耐材需长时间与钢液接触，加速了炉衬的侵蚀，同时，被侵蚀的耐材如若进入钢液，将会降低钢液纯净度。因此，生产上常将沉淀脱氧和扩散脱氧结合起来，先使用沉淀脱氧的方法，然后进行扩散脱氧[10]。

2.5 真空脱氧脱氧机理

真空脱氧是利用碳与氧反应降低钢液氧含量，通常是通过降低装置中CO分压，使碳氧反应继续向减少氧含量的方向进行。真空下，碳脱氧的反应式可用(6)表示：

[C]+[O]=CO

(6)

2.6 真空脱氧发展现状

真空脱氧产生的气体脱氧产物，难以残留在钢中，所以对提高钢液纯净度，降低钢中夹杂物有着非常重要的作用。小气泡的强烈搅拌，钢液的成分和温度更加均匀，钢中的脱氧产物也容易被熔渣吸收。此外，由于CO气泡内其它气体的分压接近于零，有利于钢液其它气体的去除，资料显示：当气相压力降低至133.3Pa时，碳的脱氧能力将超过强脱氧剂铝[2]。

2.7 还原性气体脱氧机理

炼钢温度下，向钢液通入氢气、液化气和甲烷等，气体分解产物分别与钢中氧反应，使钢中氧含量降低。气体的脱氧反应为：

2CxHy+2(x+y)[O]=yH2O+2xCO

(8)

溶于钢液的碳与钢中氧发生以下反应：

[C]+[O]=CO(g)ΔGθ=122364-39.63T

(9)

氢气与钢液中氧的热力学方程式可表示为：

H2+[O]=H2O(g)ΔGθ=-130350+58.78T

(10)

由式(10)有：

式中PH2为H2的分压。

由(9)可知，气体分解产生的碳使碳氧反应继续进行，使钢液氧含量持续降低。式(11)表明：一定温度下，要想获得氢脱氧的满意效果，必须设法降低气体中水蒸气的含量和提高气体中氢气的含量。与传统脱氧方式相比，气体脱氧后的脱氧产物为气态，真空处理后，脱氧产物难以残留在钢中影响钢的性能。

2.8 还原性气体发展现状

近年来，年轻工作者[11-12]在高温炉内用氢气、液化气等还原性气体对增氧后的钢液进行脱氧实验，结果表明：还原性气体都有很强的脱氧能力，随着气体通入时间的增加，钢液氧含量和气体脱氧速率逐渐降低。

陈伟[13]等在Si-Mo加热炉内，1600 ℃时顶吹甲烷进行钢液脱氧实验。通气16 min后，能将含氧量近480 ppm的钢液降低到40 ppm以下，脱氧率高达91.94%，比前人研究的还原性气体脱氧效率更高。此外，由于含碳还原性气体分解会使钢液氢含量增加，脱氧后应对高温钢液进行真空处理，同时分解析出的碳使钢液碳含量增加，因此，含碳还原性气体适用于高碳洁净钢的冶炼。

2.9 渣—金电化学脱氧

由于固体电解质价格昂贵，大规模生产时存在成本太高的问题。随着脱氧技术的发展，研究者用熔渣替代传统电解质，在熔渣和金属液间施加直流电压，对钢液进行无污染的电化学脱氧工艺。实验室条件下[14]，在500 kg多功能真空感应炉上先将350 kg-400 kg低碳钢熔化，然后加入10 kg-20 kg一定配比的熔渣，完全熔化后施加外加电场进行无污染脱氧处理，结果表明：在3 V-5 V、10 A-20 A直流电流作用下，30 min内可将初始氧含量为697 ppm的钢液降至40 ppm左右，脱氧率高达94.26%，同时，随着外加电场的增大，脱氧速率也随之增大，与此同时，脱氧反应速率随着熔渣接触面积的增加而增大。为将该技术大规模用于工业生产，该研究组在某钢厂对钢种为Q235B的100 t钢包外加电场进行脱氧处理，工业试验结果表明[15]：在20 min的低电压(3 V-5 V)和大电流(50A-80A)的外场作用下，可将氧含量为868 ppm的钢液降至642 ppm，钢液脱氧速率最高可达0.00113%/min，随着脱氧时间的延长，钢液氧含量逐渐降低，外加电场脱氧速率也逐渐降低。