鋼液脫氧機(jī)理和發(fā)展?fàn)顩r

陳 偉，湯寅波，殷頂樓，付振宇，胡春林，宋傳文

(馬鋼股份公司長(zhǎng)材事業(yè)部，安徽馬鞍山 243000)

轉(zhuǎn)爐煉鋼是向低磷、低硫鐵水中吹入氧氣，使鋼中碳、硅、錳、磷等元素氧化。在這些元素氧化的同時(shí)，也使鋼中剩余了過(guò)多的氧，如果不將鋼中氧降低到規(guī)定的范圍，鋼液將不能順利澆注，也得不到合理結(jié)構(gòu)的鑄坯。鋼液脫氧，就是使鋼中自由氧轉(zhuǎn)變?yōu)楹鯅A雜物，然后將這些夾雜物從鋼中去除，降低鋼液氧含量?，F(xiàn)主要分析了煉鋼脫氧工藝的脫氧機(jī)理和發(fā)展?fàn)顩r，探討了鋼液脫氧發(fā)展的趨勢(shì)，為今后鋼液脫氧研究提供參考和借鑒。

1 煉鋼脫氧工藝的脫氧機(jī)理和發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 沉淀脫氧脫氧機(jī)理

沉淀脫氧是煉鋼工最早使用的脫氧方法，生產(chǎn)時(shí)將適量的合金直接加入到鋼液中，利用合金元素與鋼中氧反應(yīng)。由于加入的脫氧元素與鋼液充分接觸，因此沉淀脫氧的脫氧速度和脫氧效率都較高，該過(guò)程發(fā)生的脫氧反應(yīng)可表示為：

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

(1)

式中Kθ為平均常數(shù)，a為活度，f為活度系數(shù)。

雖然脫氧產(chǎn)物的變性處理和去除能力有了很大提高，但固態(tài)或液態(tài)的脫氧產(chǎn)物都會(huì)部分殘留在鋼中，降低鋼液純凈度。因此，沉淀脫氧時(shí)，必須使用脫氧產(chǎn)物容易去除的脫氧元素。

2.2 沉淀脫氧發(fā)展現(xiàn)狀

早期的鋼鐵冶煉中，為降低生產(chǎn)成本，通常是把Si-Fe、Mn-Fe加入到鋼中，但由于其還原能力有限，難以將鋼中氧降低到滿(mǎn)意的水平。資料記載[1]，Al的親氧性很強(qiáng)，它的還原性比Si、Mn大很多。但是，鋁脫氧產(chǎn)生的Al2O3生產(chǎn)時(shí)容易聚集堵塞在水口，使鋼液澆鑄中斷[2]。

理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明[3]，鋼中夾雜物越少，鋼的綜合性能越好，為減少脫氧產(chǎn)物對(duì)鋼材質(zhì)量的不良影響。王唐林[4]等用新型Al基復(fù)合脫氧劑在高溫鉬絲爐內(nèi)對(duì)鋼液進(jìn)行脫氧實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)夾雜物數(shù)量、形貌和夾雜物在鋼中的分布分析脫氧效果，結(jié)果表明：新型 Al基復(fù)合脫氧劑能將鋼液氧含量降低到10 ppm以下，還能減少夾雜物尺寸和數(shù)量，改善夾雜物形貌，提高鋼液純凈度(與純鋁脫氧相比)。

堿金屬化學(xué)反應(yīng)時(shí)容易失去兩個(gè)電子形成正二價(jià)陽(yáng)離子，因此極易與鋼中氧等非金屬元素作用。近年來(lái)，科研工作者[5]對(duì)Mg在純凈鋼中的應(yīng)用進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，Mg在高溫下仍然會(huì)有極強(qiáng)的還原能力，能將鋼中氧降低到很低的水平。同時(shí)，鋁脫氧后的鋼液再用Mg處理，能繼續(xù)降低鋼液氧含量和提高鋼液純凈度。

用Mg-Al合金對(duì)鋼液脫氧實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)[6]、[7]：Mg-Al合金既能將[O]、[S]降低到很低的含量，還能對(duì)鋼中夾雜物起到變性的作用，可將大部分Al2O3夾雜轉(zhuǎn)變?yōu)槿埸c(diǎn)更低的MgO·Al2O3復(fù)合夾雜物，還能將FeS和MnS轉(zhuǎn)變?yōu)镕eS·MnS等硫化物夾雜。此外，其它鎂合金用于鋼液脫氧的研究也取得了快速的發(fā)展，用Mg-Ti在感應(yīng)爐內(nèi)作用于中、低碳鋼鋼液后發(fā)現(xiàn)[8]、[9]：脫氧產(chǎn)物主要是以氧化物為核心，表面包裹MnS或TiN的近似球形的平均粒徑在1 um左右的復(fù)合夾雜物，表面析出的MnS有望降低夾雜物的危害，利于晶內(nèi)鐵素體形核與細(xì)化組織，此外，鋼中鎂含量控制在50 ppm以下時(shí)，更容易形成尺寸較小的、球形的復(fù)合夾雜。

2.3 擴(kuò)散脫氧脫氧機(jī)理

擴(kuò)散脫氧是利用脫氧劑與渣中FeO反應(yīng)，降低渣中氧含量，從而使鋼中氧不斷向渣中擴(kuò)散，降低鋼中氧含量。氧在熔渣—鋼液之間的平衡可表示為：

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

(3)

脫氧時(shí)，可認(rèn)為脫氧反應(yīng)遵循亨利定律，即f[O]=1，上式可表示為：

由式(5)可知：當(dāng)溫度為1600 ℃時(shí)，ω[O]%=0.21a(FeO)，因此，降低鋼液氧含量，也就是減少渣中a(FeO)。

2.4 擴(kuò)散脫氧發(fā)展現(xiàn)狀

擴(kuò)散脫氧由于脫氧速度較慢，耐材需長(zhǎng)時(shí)間與鋼液接觸，加速了爐襯的侵蝕，同時(shí)，被侵蝕的耐材如若進(jìn)入鋼液，將會(huì)降低鋼液純凈度。因此，生產(chǎn)上常將沉淀脫氧和擴(kuò)散脫氧結(jié)合起來(lái)，先使用沉淀脫氧的方法，然后進(jìn)行擴(kuò)散脫氧[10]。

2.5 真空脫氧脫氧機(jī)理

真空脫氧是利用碳與氧反應(yīng)降低鋼液氧含量，通常是通過(guò)降低裝置中CO分壓，使碳氧反應(yīng)繼續(xù)向減少氧含量的方向進(jìn)行。真空下，碳脫氧的反應(yīng)式可用(6)表示：

[C]+[O]=CO

(6)

2.6 真空脫氧發(fā)展現(xiàn)狀

真空脫氧產(chǎn)生的氣體脫氧產(chǎn)物，難以殘留在鋼中，所以對(duì)提高鋼液純凈度，降低鋼中夾雜物有著非常重要的作用。小氣泡的強(qiáng)烈攪拌，鋼液的成分和溫度更加均勻，鋼中的脫氧產(chǎn)物也容易被熔渣吸收。此外，由于CO氣泡內(nèi)其它氣體的分壓接近于零，有利于鋼液其它氣體的去除，資料顯示：當(dāng)氣相壓力降低至133.3Pa時(shí)，碳的脫氧能力將超過(guò)強(qiáng)脫氧劑鋁[2]。

2.7 還原性氣體脫氧機(jī)理

煉鋼溫度下，向鋼液通入氫氣、液化氣和甲烷等，氣體分解產(chǎn)物分別與鋼中氧反應(yīng)，使鋼中氧含量降低。氣體的脫氧反應(yīng)為：

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

(8)

溶于鋼液的碳與鋼中氧發(fā)生以下反應(yīng)：

[C]+[O]=CO(g)ΔGθ=122364-39.63T

(9)

氫氣與鋼液中氧的熱力學(xué)方程式可表示為：

H2+[O]=H2O(g)ΔGθ=-130350+58.78T

(10)

由式(10)有：

式中PH2為H2的分壓。

由(9)可知，氣體分解產(chǎn)生的碳使碳氧反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，使鋼液氧含量持續(xù)降低。式(11)表明：一定溫度下，要想獲得氫脫氧的滿(mǎn)意效果，必須設(shè)法降低氣體中水蒸氣的含量和提高氣體中氫氣的含量。與傳統(tǒng)脫氧方式相比，氣體脫氧后的脫氧產(chǎn)物為氣態(tài)，真空處理后，脫氧產(chǎn)物難以殘留在鋼中影響鋼的性能。

2.8 還原性氣體發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，年輕工作者[11-12]在高溫爐內(nèi)用氫氣、液化氣等還原性氣體對(duì)增氧后的鋼液進(jìn)行脫氧實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：還原性氣體都有很強(qiáng)的脫氧能力，隨著氣體通入時(shí)間的增加，鋼液氧含量和氣體脫氧速率逐漸降低。

陳偉[13]等在Si-Mo加熱爐內(nèi)，1600 ℃時(shí)頂吹甲烷進(jìn)行鋼液脫氧實(shí)驗(yàn)。通氣16 min后，能將含氧量近480 ppm的鋼液降低到40 ppm以下，脫氧率高達(dá)91.94%，比前人研究的還原性氣體脫氧效率更高。此外，由于含碳還原性氣體分解會(huì)使鋼液氫含量增加，脫氧后應(yīng)對(duì)高溫鋼液進(jìn)行真空處理，同時(shí)分解析出的碳使鋼液碳含量增加，因此，含碳還原性氣體適用于高碳潔凈鋼的冶煉。

2.9 渣—金電化學(xué)脫氧

由于固體電解質(zhì)價(jià)格昂貴，大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)存在成本太高的問(wèn)題。隨著脫氧技術(shù)的發(fā)展，研究者用熔渣替代傳統(tǒng)電解質(zhì)，在熔渣和金屬液間施加直流電壓，對(duì)鋼液進(jìn)行無(wú)污染的電化學(xué)脫氧工藝。實(shí)驗(yàn)室條件下[14]，在500 kg多功能真空感應(yīng)爐上先將350 kg-400 kg低碳鋼熔化，然后加入10 kg-20 kg一定配比的熔渣，完全熔化后施加外加電場(chǎng)進(jìn)行無(wú)污染脫氧處理，結(jié)果表明：在3 V-5 V、10 A-20 A直流電流作用下，30 min內(nèi)可將初始氧含量為697 ppm的鋼液降至40 ppm左右，脫氧率高達(dá)94.26%，同時(shí)，隨著外加電場(chǎng)的增大，脫氧速率也隨之增大，與此同時(shí)，脫氧反應(yīng)速率隨著熔渣接觸面積的增加而增大。為將該技術(shù)大規(guī)模用于工業(yè)生產(chǎn)，該研究組在某鋼廠對(duì)鋼種為Q235B的100 t鋼包外加電場(chǎng)進(jìn)行脫氧處理，工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明[15]：在20 min的低電壓(3 V-5 V)和大電流(50A-80A)的外場(chǎng)作用下，可將氧含量為868 ppm的鋼液降至642 ppm，鋼液脫氧速率最高可達(dá)0.00113%/min，隨著脫氧時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼液氧含量逐漸降低，外加電場(chǎng)脫氧速率也逐漸降低。

3 結(jié)語(yǔ)和展望

(1)沉淀脫氧因其脫氧效率高，綜合成本低，因此仍是大部分普通鋼種的首選脫氧方式。同時(shí)如何更快、更高效地解決脫氧產(chǎn)物的殘留問(wèn)題，將是冶金工作者后期努力的重點(diǎn)內(nèi)容。

(2)隨著用戶(hù)對(duì)鋼材性能要求的日益提高，擴(kuò)散脫氧將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展，更廣泛地應(yīng)用于高品質(zhì)鋼的冶煉與生產(chǎn)。

(3)還原性氣體和電化學(xué)脫氧的脫氧產(chǎn)物難以殘留在鋼中，能最大限度地減少脫氧產(chǎn)物對(duì)鋼液的二次污染，但由于其脫氧速度較慢，難以滿(mǎn)足現(xiàn)階段的大規(guī)模生產(chǎn)，因此，工業(yè)化使用這種脫氧方式還有大量工作需要處理與優(yōu)化，同時(shí)也是鋼液新型脫氧工藝研究的重要方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳家祥.鋼鐵冶金學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1990.

[2] 徐匡迪.特殊鋼精煉中的脫氧及夾雜物控制[J].鋼鐵，2012，47(10)：1-13.

[3] 徐匡迪.關(guān)于潔凈鋼的若干基本問(wèn)題[J].金屬學(xué)報(bào)，2009，45(3)：257-269.

[4] 王唐林，宋波等.新型Al基復(fù)合脫氧劑脫氧效果研究[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37(5)：568-572.

[5] 陳斌，姜敏等.Mg在超純凈鋼中應(yīng)用的理論探索[J].鋼鐵，2007，42(7)：30-33.

[6] 王喜，李忠華等.Mg-Al合金對(duì)鋼液脫氧作用的試驗(yàn)研究[J].煉鋼，2011，27(3)：40-43.

[7] 李尚兵，王謙等.鎂合金對(duì)16MnR鋼液的脫氧作用[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2007，17(4)：657-662.

[8] 鄭萬(wàn)，吳振華等.Ti—Mg復(fù)合脫氧和硫含量對(duì)鋼中夾雜物特征及MnS析出行為的影響[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37(3)：292-300.

[9] 鄭萬(wàn)，劉磊等.Ti-Mg復(fù)合脫氧鋼中夾雜物細(xì)化機(jī)制[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37(7)：873-882.

[10] 蔣國(guó)昌.純凈鋼及二次精煉[M].上海：上海科技出版社，1994.

[11] 幸偉，倪紅衛(wèi)，張華.鋼液吹H2脫氧的實(shí)驗(yàn)研究[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2009，9(增刊1)：234-237.

[12] 王海軍，王建軍，蒙玉勇.采用石油液化氣進(jìn)行鋼液脫氧[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37(3)：286-291.

[13] 陳偉，王建軍等. 鋼液采用甲烷脫氧效率及脫氧后夾雜物形貌探究[J].連鑄，2017，42(2)：48-53.

[14] 賈吉祥，廖相巍等.外加電場(chǎng)鋼液無(wú)污染脫氧新方法[J].煉鋼，2012，28(4)：47-50.

[15] 賈吉祥，郭慶濤等.外加電場(chǎng)作用下鋼液無(wú)污染脫氧工藝[J].鋼鐵，2016，51(9)：46-50.