第九章液态金属的净化与精炼

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焊接熔池中的扩散脱氧
• 在碱焊性接渣熔中（池F中eO，）随活着度熔大池，其后扩部散温脱度氧降的低能力比 酸性L渣FeO差增；大，[ FeO ] 向熔渣中扩散。脱氧的
增加熔渣中的脱氧剂含量可促进 [FeO] 向熔渣
中扩关散键。是降低（FeO） 的活度。 • 在在酸焊性接渣熔池中凝，固由过于程S中iO，2由（于或液T态iO熔2）池存易在与时 间短(F，eFOe)O生的成扩散复速合度物慢F，e因O·此S扩iO散2（脱或氧进Fe行O得·T很iO2
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四、扩散脱氧
扩散脱氧是在液态金属与熔渣界面上进行的，利用（
FeO）与 [ FeO] 能够互相转移, 趋于平衡时符合分配定律 的机理进行脱氧：
(FeO) [FeO]
LFeO
式中的 LFeO 是温度的函数，与熔渣的成分有关。
• 焊接熔池中的扩散脱氧
• 钢铁熔炼中的扩散脱氧
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渣中 MnO 的活度较大，不利于锰脱氧。碱度
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为什么碱性焊条不单独 采用硅铁作为脱氧元素？
• 硅的脱氧能力比锰大，但生成的 SiO2熔 点高，通常认为处于固态，不易聚合为大
的质点；同时SiO2与钢液的界面张力小， 润湿性好，不易从钢液中分离，易造成夹
杂。 因此，碱性焊条一般不单独用硅脱氧
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沉淀脱硫
• 沉淀脱硫和沉淀脱氧一样，是将脱硫合 金元素直接加入液态金属中进行脱硫。
• 常用的脱硫元素有锰、镁、钠、钙、稀 土等。这些元素与硫的亲和力大于铁，与 硫形成熔点高，不溶于液态钢铁的稳定硫 化物，上浮进入渣相而进行脱硫的方法。
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• 锰和镁脱硫反应为： [FeS]＋[Mn] ＝(MnS) ＋ [Fe]
进行沉淀脱氧应考虑的三个要点： ① 对氧亲和力较大的元素； ② 脱氧产物应不溶于金属而成为独立液相转入
熔渣； ③ 熔渣的酸碱性质应与脱氧产物的性质相反，
以利于熔渣吸收脱氧产物 。
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思考题
• 焊条药皮成分中，常采用锰铁、硅铁和钛铁作为脱 氧元素，请说明它们分别适用于哪种药皮类型？
上浮过程中，使钢液受到强烈的搅动，使得钢液温
铁，而后碳又被氧化亚铁所氧化：
度和化学成分均匀，并能有效地清除钢液中的气体
和2[非Fe金] ＋属O夹2＝杂2物[Fe。O]
[C] ＋ [FeO] ＝[Fe]＋ CO↑
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F J·mol-1
△ （
）
• C和Fe，与O的亲和力 哪一个更强？
Ti ＋ 2CO2 ＝ TiO2 ＋ 2CO 2Al ＋ 3CO2 ＝ Al2O3 ＋ 3CO Si ＋ 2CO2 ＝ SiO2 ＋ 2CO Mn ＋ CO2 ＝ MnO ＋ CO
反应的结果使气相的氧化性减弱，
起到先期脱氧的作用。
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三、沉淀脱氧
沉淀脱氧是指溶解于液态金属中的脱氧剂 直接和熔池中的[FeO]起作用，使其转化为 不溶于液态金属的氧化物，并脱溶沉淀转 入熔渣中的一种脱氧方式。
不充分。
），使（FeO）的活度减小，有利于扩散
脱氧的进行； 2020/12/18
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钢铁熔炼中的扩散脱氧
• 钢铁熔炼时的扩散脱氧通常是将脱氧剂加
在熔渣中，使脱氧元素与（FeO）反应。
当熔渣中的氧化铁含量降低时，[FeO]就向
熔渣中扩散。这样就间接地达到了脱去钢
液中[FeO]的目的。扩散脱氧的优点是脱氧
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五、真空脱氧
• 真空脱氧时钢液的熔化过程是在真空条件下进行，利用抽 真空降低气相中CO分压来加强钢液中碳的脱氧能力。 [C] ＋ [O] ＝ CO↑
• 研究表明：在1600℃下，若使PCO＝1.0KPa，C的脱氧能 力高于Al的脱氧能力。
• 碳不仅使钢液脱氧，还促使其它氧化物还原，例如： （SiO2）→ [Si] + 2[O]
lgK822 01.86 T
[Mg] ＋ [S] ＝ (MgS)
lgK227509.63 T
铁钢水的温熔度炼相中对，钢只液有温含度氧低量，极且低碳、时硅，含才量能高用，锰因和此镁硫脱在硫铁。水因中氧
的与活M由度n、式系M可数g以比的看在结出钢合，水能温中力度大远升，高高锰于，和S平，镁衡当在常锰铁数和水减镁中小加的，入脱不钢硫利液效于中果脱首较硫先好。脱。
答案
• 酸性焊条常采用锰铁作为脱氧元素； • 碱性焊条常采用锰铁和硅铁（或钛铁）联合脱氧。
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为什么酸性焊条常采用 锰铁作为脱氧元素？
• 酸性渣中含有较多的 SiO2 和 TiO2，它们 容易与锰的脱氧产物 MnO 生成复合物
MnO·SiO2 和 MnO·TiO2，使 MnO 的活度系 数减小，因此脱氧效果较好。相反，在碱性
残脱留氧量元成素反比后，，脱钢氧液元中素氧的化残留亚量铁愈的高平，衡则含氧量化亚来铁衡
的量残。留量愈低，即钢液的脱氧程度愈彻底。
x [ Me ] ＋ y [ FeO ] →（ MexOy ）＋ y [
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• 右图表明一些元素的
脱当氧使能用力几及种在不脱同氧的剂 进残行留脱量氧条件时下，钢应液按的照
，那么在熔滴和熔池的高温阶段，上述反应
进行得很激烈，产生的大量CO气体受热膨胀
，发生爆炸，飞溅增大，严重时造成焊接过
程不稳定。如果在熔池后半部结晶时还进行
这些反应，则可能产生气孔。因此一般选用
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23真空法脱碳Fra bibliotek• 近代在发展新型低合金结构钢、低温钢和
不锈钢等钢种中要求钢中含碳量很低{低碳（
。
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碱性焊条需采用锰铁和硅铁 （或钛铁）联合脱氧
• 把硅和锰按适当的比例加入液态金属中进
行复合脱氧时, 其脱氧产物为不饱和液态硅
酸盐，它的密度小，熔点低，易于浮出，并
易被熔渣吸收，从而减少钢中的夹杂物和含
氧量，脱氧效果十分显著。
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两种以上脱氧元素的复合脱氧剂实例
lψ g % O A y B L x y lψ g % M 1 y le ψ g % M (x O y ) e 1 y ( C -y)D
其中，A、C、D为与脱氧元素有关的常数。从上 式看出： • 金属含氧量[O]，随熔渣碱度BL的增大而减少； • [Me]越多、（MexOy）越少，脱氧效果越好； • 202熔0/12渣/18 性质应与脱氧产物性质相反，这样有利于降8
• 液态钢铁中的硫以硫化铁的形态存在，硫化铁能够在熔渣和
液态金属中互相转移，当达到动态平衡时，熔渣中的硫化铁
的含量与钢铁液中硫化铁含量成一定的比例：
(FeS) [FeS]
LFeS
• LFeS 为硫的分配系数，它也是温度的函数。
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• 脱硫的过程是在熔通渣过中进哪行些的方。例法如有在助白渣于冶炼条件 下，渣中的氧提化钙高起熔脱渣硫作脱用硫：效果？
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O,%
C, %
在1700℃和不同的一氧化碳 压力下C-O之间的平衡关系
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第三节 液态金属的脱硫
• 硫 的 危 害：
凝固时偏析，
在晶界形成
低熔点共晶
Fe＋FeS（熔点为985℃） FeS＋FeO（熔点为940℃） NiS＋Ni（熔点为644℃）
结晶裂纹
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• 沉淀脱硫 • 熔渣脱硫
使钢液中一些元素含量超标。因此，在一般真空处理时 碳只能达到部分脱氧的作用。
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第二节 液态金属的脱碳反应
• 脱在碳冲反天应炉是成熔形炼冶过金程中中最，重要铁的液反的应脱之碳一主，其要主是要通目过的炉是气借
中助的于O脱2碳和过C程O2去成除分钢对液铁中的液有的害直气接体脱和碳夹杂以物及，炉对气钢通液过起精
（CaO）＋（FeS）→（CaS）＋（FeO） 随着脱硫过程的进行，熔渣中的硫化铁含量逐渐减少 ，钢铁液中的硫化铁就会自动地往炉渣中转移：
[ FeS ] → ( FeS ) • 电石渣脱硫的过程与白渣脱硫过程相似，只是在电石渣
下起脱硫作用的不仅有氧化钙，还有碳化钙： 3(FeS)＋(CaC2)＋2(CaO) → 3(CaS)＋3[Fe]＋2CO
例氧如，特在锰别球是和墨对镁铸于对铁镁钢生，产水升中几高，温乎作度无为，脱球其硫化脱剂作硫的用能镁力。有急很剧强下的降脱。硫作用。
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熔渣脱硫
• 熔渣脱硫是目前铸造和焊接冶金中主要的脱硫
方法。它是利用熔渣中的 CaO、CaC2、MnO、 MgO 等进行脱硫，脱硫的原理与扩散脱氧相似。
• 当温度超过1200℃以后 ，碳－氧的亲和力就超过 铁－氧的亲和力。
• 在炼钢生产上规定，只
有在钢液温度超过1530℃
时，才可以吹氧和加矿石 脱碳。
T/K 图9-4 碳的氧化反应与铁的
氧化反应的生成自由能图
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• 在熔化焊接过程中，如果母材或焊接材料
中含碳量较高，熔池中又存在一定的含氧量
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当反应达一到、平衡脱时，氧Μ元e与素钢液与中脱氧化氧亚能铁的力含量（残
留量对）于之钢间存液在来着说下，述脱的氧关系就：是用脱氧剂除去钢液
[ % Me ] x • [ % FeO ] y = K
中溶K入是平的衡原常子数态，氧是或温度氧的化函铁数中。的氧而将铁还原 的由措此施可见。，脱钢氧液剂中的氧脱化氧亚铁能的力残可留以量用与加脱入氧元等素量的的