钢中脱氧反应
冶金物理化学第5章熔渣-脱氧及选择性氧化
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4.9 钢液脱氧反应 9
4. 注意
1. 2. 脱氧能力最强的元素，其ωmin不是钢液脱氧的实际要求。 对同一脱氧元素，可能有不同的脱氧产物生成。
例：Al脱氧
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4.9.4 锰、硅、铝的脱氧反应
一、Mn脱氧
Mn是弱脱氧剂．其脱氧产物不能是纯MnO,而是MnO与FeO的熔体。相当于[Mn] 高时的脱氧产物。
4.9 钢液脱氧反应
吹氧 铁 钢
随C含量的降低，钢液中溶解氧的含量会不断提高， 影响： 影响： 后序的合金化； 在钢液冷却与凝固过程发生氧化反应，造成气孔和夹杂。 氧化冶炼终了必须脱氧。 脱氧的基本方法：结合成氧化物而分离去除。
0
4.9 钢液脱氧反应
1. 沉淀脱氧
1
4.9 钢液脱氧反应
1. 沉淀脱氧
再由FeO的熔化自由能数据：
（1）+（6）-（4）得
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4.9.4 锰、硅、铝的脱氧反应
二、Si脱氧 1600 ℃时，FeO与SiO2能形成熔体。
图7-104.9.4 锰、硅、铝的脱氧反应
三、Al脱氧
铝是强脱氧剂。炼钢中常用它作终脱氧，并可控制晶粒。由FeO-A1203相图。
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4.9.4 锰、硅、铝的脱氧反应
当W[Al]＞(9x 10-6)%时，产物是A1203。所以，一般情况下铝脱氧反应写为：
1600℃ 时， W[Al]低于（9xI0-6）％，含氧超过0.06%时，脱氧产物是FeO-A1203反应为
1600℃
时，
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4.9.4 锰、硅、铝的脱氧反应
将（a）、（b）两式取对数：
将以上两式作图，如图所示。
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4.9.4 锰、硅、铝的脱氧反应
5、炼钢基本反应资料
2[P]＋5(FeO)＝(P2O5)＋5[Fe](界面反应) △G°=-209327＋40.3
T J/mol
3(FeO)＋(P2O5)＝(3FeO.P2O5) (熔渣反应)
(3FeO.P2O5)＋n(CaO)＝(nCaO.P2O5)＋3(FeO) (熔渣反应)
[C]+[O]={CO}(熔池粗糙表面反应) △G°=-22364-39.63T J/mol
[C]+1/2{O2}={CO}（氧射流冲击区，直接氧化反应） △G°=136900-43.51T J/mol
(3)脱碳反应
铁水中溶解的碳和氧反应式：
[C]+[O]={CO}
△G°=-22364-39.63T J/mol
[P]/(P)的传质；
(4)脱磷反应
w( P) %
dw[ P]%
LP
A
.
dt
Vm 1 / k m 1 /( K .k s )
w[ P]%
研究表面：
• 氧的传质不是限制环节；
• 界面两侧[P]/(P)的传质为限制性环节。
有利于脱磷反应的动力学条件：
• 增大LP－提高炉渣碱度，增加FetO含量，减低温度等；
J/mol
(SiO2)+(MnO)=MnO.SiO2 (熔渣反应：吹炼初期)
2(CaO)+(MnO.SiO2)=(2CaO.SiO2)+(MnO) (熔渣反应：吹炼中期)
[C]+(MnO)={CO}+[Mn] (熔渣反应：吹炼后期)
(2)锰的氧化与还原
用下式代表Mn在渣-金属间的反应 ：
炼钢过程钢中氧的控制
炼钢过程钢中氧的控制（三种脱氧方式）1 钢中的氧——钢洁净度的量度炼铁是一个还原过程。
高炉内加入还原剂（C、CO）把铁矿石中的氧（Fe3O4、Fe2O3）脱除，使其成为含有C、Si、Mn、P、S的生铁。
炼钢是一个氧化过程。
把纯氧吹入铁水熔池，使C、Si、Mn、P氧化变成不同碳含量的钢液。
当吹炼到终点时，钢水中溶解了过多的氧，称为溶解氧[O]D或a[O]。
出钢时，在钢包内必须进行脱氧合金化，把[O]D转变成氧化物夹杂，它可用[O]I表示，所以钢中氧可用总氧T[O]表示：T[O]=[O]D+[O]I出钢时，钢水中[O]I→0，T[O]→[O]D；脱氧后：根据脱氧程度的不同[O]D→0，T[O]=[O]I。
因此，可以用钢中总氧T[O]来表示钢的洁净度，也就是钢中夹杂物水平。
钢中T[O]越低，则钢就越“干净”。
为使钢中T[O]较低，必须控制：（1）降低[O]D：控制转炉终点a[O]，它主要决定于冶炼过程；转炉采用复吹技术和冶炼终点动态控制技术可使转炉终点氧[O]D控制在（400～600）×10-6范围。
（2）降低夹杂物的[O]I：控制脱氧、夹杂物形成及夹杂物上浮去除——夹杂物工程概念（Inclusion Engineering）。
随着炉外精炼技术的发展，钢中的总氧含量不断减低，夹杂物越来越少，钢水越来越“干净”，甚至追求“零夹杂物”，钢材性能不断改善。
1970～2000年钢中T[O]演变，由于引入炉外精炼，对于硅镇静钢，T[O]可达（15～20）×10-6，对于铝镇静钢，T[O]可达到<10×10-6。
（3）连铸过程：一是防止经炉外精炼的“干净”的钢水不再污染，二是要进一步净化钢液，使连铸坯中的T[O]达到更低的水平。
钢中T[O]量与产品质量关系举例如下：（1）轴承钢T[O]由30×10-6降到5×10-6，疲劳寿命提高100倍。
（2）钢中T[O]与冷轧板表面质量存在明显的对应关系。
钢的脱氧
LFeO
(% FeO ) = = KC [%O ]
– 是一个常数，向渣中加入一定量的脱氧剂，使渣中(FeO) 是一个常数，向渣中加入一定量的脱氧剂，使渣中 降低， 不变， 降低，为了保证 LFeO 不变，钢中氧向渣中扩散 。
扩散脱氧
• 过程： 过程：
– 向熔池的渣面上投加粉状的脱氧剂如碳粉、Fe向熔池的渣面上投加粉状的脱氧剂如碳粉、 Si粉、Ca-Si合金粉、Al粉和石灰等，脱除渣中 合金粉、 粉和石灰等 粉和石灰等， 粉 合金粉 的氧，使渣中FeO含量降低至 含量降低至1.0%，利用 的氧，使渣中 含量降低至 ， (FeO)=[Fe]+[O]存在平衡，当渣中 存在平衡， 存在平衡 当渣中FeO浓度降 浓度降 低时，平衡破坏， 低时，平衡破坏，为了保持在此温度下的分配 常数，钢中氧必然向渣中扩散， 常数，钢中氧必然向渣中扩散，从而降低了钢 中氧含量，达到脱氧目的。 中氧含量，达到脱氧目的。
– 分配定律，即在一定温度下，氧在熔渣与钢液中的溶解达 分配定律，即在一定温度下， 到平衡时FeO在渣与钢中的浓度之比是个常数。 在渣与钢中的浓度之比是个常数。 到平衡时 在渣与钢中的浓度之比是个常数 – 当温度一定时，[Fe]+[O]=(FeO) 达到平衡时， 当温度一定时， 达到平衡时，
(% FeO ) KC = [% Fe][%O ]
真空脱氧
• 优点
– 脱氧产物是CO气体，不会残留于钢中沾污钢水 脱氧产物是 气体， 气体 – 随着 随着CO气泡上浮搅拌钢水，有效的去除钢中的有害气 气泡上浮搅拌钢水， 气泡上浮搅拌钢水 体和非金属夹杂物，有利于纯净钢水； 体和非金属夹杂物，有利于纯净钢水； – 真空脱氧采用碳脱氧不需用合金，节省了合金费用。 真空脱氧采用碳脱氧不需用合金，节省了合金费用。
非调质钢中钛脱氧产物析出行为
非调质钢中钛脱氧产物析出行为随着钢铁行业的不断发展，为了满足不同应用领域的需要，钢材的性能需求也不断提高。
其中，强度、韧性、耐腐蚀性等是关键性能之一。
钛是一种重要的合金元素，可以显著提高钢材的性能。
在非调质钢中，通过钛脱氧可以获得良好的钛效应，但钛脱氧过程中的析出行为至今并未完全清晰。
钛脱氧是通过将钛加入钢中并与氧化铁反应生成氧化钛，从而达到脱氧作用的一种方法。
由于钛的脱氧能力比铝、硅等元素更强，因此钛脱氧钢具有更好的脱氧效果。
此外，钛可以与氮形成氮化物，从而提高钢材的广泛应用。
在钛脱氧钢中，钛的含量通常在0.01％-0.02％之间。
钛的加入可以显著提高钢材的强度和韧性，并降低硬化敏感度。
此外，钛也可以提高钢材的耐腐蚀性，改善焊接特性，并减少表面缺陷和海绵状组织的形成。
这些优良性能得益于钛在钢中的良好分布和析出行为。
钛在钢中的析出行为主要影响其性能表现。
在钛钢中，钛首先溶解在钢中，然后在加热冷却过程中析出。
由于在加热过程中钢中铁元素的溶解度增加，钛的溶解度随之降低。
因此，在冷却过程中，钛会从钢中析出。
钛的析出行为受到多种物理、化学因素的影响，如冷却速度、温度、钛含量、钛形态等。
在钛脱氧钢中，钛通常以两种形态存在：粒状和球状。
粒状钛主要分布在铁素体和针状铁素体晶界上，球状钛则主要分布在铁素体晶粒内。
这些钛的分布和形态对钢的性能有着不同的影响。
粒状钛可以有效增加铁素体和针状铁素体的强度，球状钛则可以提高钢材的韧性和耐蚀性。
此外，钛在特定的温度范围内，存在着固溶体和不稳定的中间相。
这些中间相可以在淬火过程中快速析出并导致裂纹和变形等问题。
因此，对于钛脱氧钢的生产过程中，应严格控制加热和冷却速度，以保证钛的分布和析出行为。
同时，钛的含量应该适当控制，过高的钛含量可能导致钛的过饱和，进而影响钢的性能。
综上所述，非调质钢中钛脱氧产物的析出行为受到多种因素的影响，其分布和形态对钢的性能有着明显的影响。
在钛脱氧钢的生产中，应该严格控制加热和冷却速度、钛含量等因素，以获得最佳的钛效应。
炼钢常用的脱氧方法
炼钢常用的脱氧方法
一、沉淀脱氧
沉淀脱氧是将脱氧剂直接加入钢液中，通过与钢液中的氧反应，生成不溶于钢液的氧化物，然后利用其密度与钢液密度的差异，将氧化物与钢液分离，从而达到脱氧的目的。
常用的脱氧剂有锰铁、硅铁、钛铁、铝等。
沉淀脱氧速度快，操作简便，因此在现代炼钢工艺中应用较广。
二、扩散脱氧
扩散脱氧是将脱氧剂加入到钢液中，通过扩散作用将氧从钢液中排除。
常用的扩散脱氧剂有碳化钙、氧化钙等。
扩散脱氧速度较慢，但操作简单，适用于高碳、高合金钢的脱氧。
三、真空脱氧
真空脱氧是在真空条件下，使钢液中的氧气与脱氧剂反应，生成不溶于钢液的氧化物，然后利用其密度与钢液密度的差异，将氧化物与钢液分离，从而达到脱氧的目的。
真空脱氧适用于高温、高碳、高合金钢的脱氧。
四、喷射脱氧
喷射脱氧是将脱氧剂通过喷嘴喷入钢液中，使脱氧剂与钢液充分接触，提高脱氧效率。
常用的喷射脱氧剂有碳化钙、氧化钙等。
喷射脱氧具有较高的脱氧效率，适用于各种类型的钢液。
五、钙处理脱氧
钙处理脱氧是利用钙的活性较高，能够与钢液中的氮、氢、氧等有害元素反应，生成不溶于钢液的氮化钙、氢化钙等物质，从而达到净化钢液的目的。
钙处理脱氧不仅具有较好的脱氧效果，还能够降低钢中的氮、氢含量，提高钢材的机械性能和耐腐蚀性能。
钢的脱氧方式
钢在冶脸后期不加脱氧剂（如硅、铝等），浇注时钢液在钢锭模内产生沸腾现象（气体逸出），
钢锭凝固后，蜂窝气泡分布在钢锭中，在轧制过程中这种气泡空腔会被粘合起来。这类钢的特点
是钢中含硅量很低，标准规定为痕量或不大于0.07%，通常注成不带保温帽的上小下大的钢锭。
半镇静钢为脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，浇腾钢和镇静钢的某些优点，在冶炼操作上较难掌握，但是碳素钢中此类钢是值得提倡和发展的。
优点是钢的收率高（约提高15%），生产成本低，表面质量和深冲性能好。缺点是钢的杂质多，
成分偏析较大，所以性能不均匀。
镇静钢为完全脱氧的钢。通常注成上大下小带保温帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模
上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收得率低，
但组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合金一般都是镇静钢
炼钢生产中脱氧工艺分析
14炼钢生产中脱氧工艺分析梁金鹏（甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司安全环保处，甘肃 嘉峪关 735100）摘 要：钢液脱氧处理是炼钢工艺的重要步骤，其脱氧效果直接决定着钢水的整体质量，因此，需要在炼钢生产中重视脱氧处理。
钢液中氧含量过多，就会降低钢产品的结构质量，增加其热脆概率。
关键词：炼钢生产；转炉炼钢；脱氧工艺中图分类号：TF713.5 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2019）09-0014-2收稿日期：2019-09作者简介：梁金鹏，男，生于1977年，汉族，河南平顶山人，本科，中级工程师，研究方向：炼钢工艺及金属冶炼安全。
1 氧的产生与危害在炼钢生产所产生的钢液中，氧一般以非金属夹杂物、溶解氧的形式存在，这种形式主要是由于炼钢生产中原料的特殊性与吹氧炼钢生产等造成的。
在炼钢生产中，无论采用何种生产方式，在去除钢中杂质中，都需要借助于氧气与这些元素的反应来实现，通过氧气与杂质元素的反应，生成氧化反应物，析出杂质。
在吹氧冶炼中，钢液中氧的含量是随着其他杂质元素的含量而变化的，二者成负向变化的关系，杂质含量低，钢液中氧的含量反而较高，一旦没有进行必要的脱氧处理，含氧量较高的钢液在冷凝固中，氧会与钢液产生化学反应，使得其析出FeO，这种反应现象大大降低了钢产品的质量，使得钢的塑性降低，极易出现热脆现象，还会加大其氧化的概率。
如果钢液中含有的氧较多，还会加大硫的危害，使得氧可以与钢液中的其他物质连续发生反应，形成氧化产物，这些氧化产物的出现大大降低了钢产品的物理与化学性能。
2 脱氧技术的现状近年来，炼钢生产中的转炉炼钢脱氧工艺中，铝依然是最常用到的脱氧剂，但是其回收利用率在10%～25%之间，利用效率低，因此，大大提高了炼钢生产企业的生产成本，有些炼钢企业为了有效解决此类问题，逐步研发了一些铝系的复合脱氧剂，比如硅铝铁、铝锰铁等。
一般情况下，这些复合脱氧剂的密度要远远高于纯铝，将其倒入钢液以后，有足够的上浮时间，因此，能够大大提高其回收利用效率，脱氧以后会形成低熔点的复合氧化物，因此，可以达到理想的脱氧效果。
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钢材脱氧中的氧指什么?就是氧及氧化物：在炼钢中要向金属熔池提供氧气以氧化去除碳、硅、磷等杂质，为获得高的反应效率也要提供充足氧，在冶炼结束时钢液会处在“高氧状态”。
脱氧是保证钢锭和钢材质量的一项重要操作。
炼钢是一个氧化精炼过程，钢液中不可避免地溶有一定量的氧。
1600时，氧在钢液中的溶解度可达0.23％（见Fe-O状态图）。
氧化精炼末期，钢液含氧量依炼钢方法、钢种规格而有所不同，一般约在0.02～0.08％范围内，而氧在固态铁中的溶解度却很低(例如在[kg2]-Fe[kg2]中溶解度最大为0.0082％)。
在钢液凝固过程中,氧以FeO形态析出,分布在晶界上,降低钢的塑性。
晶界上的FeO和FeS还会形成低熔点(910)物质，使钢在热加工时发生热脆。
未充分脱氧的钢液在钢锭模内凝固过程中，由于固体钢中溶解的氧很低，氧在钢液内逐渐富集，超过碳氧平衡值的过剩氧将与碳继续发生反应，生成CO气体，使钢锭内部产生气泡，严重时会发生“冒涨”现象。
因此，在炼钢的最后阶段必须脱氧。
方法主要有三种：沉淀脱氧，扩散脱氧和真空脱氧。
随着钢材性能要求的不断提高，洁净钢生产成为钢铁行业普遍关注的问题。
唐钢一炼钢FTSC薄板坯连铸生产的SS400钢种在没经过铁水预脱硫的情况下，铸坯内部中间裂纹处硫偏析较为严重，成为中间裂纹发生的薄弱环节。
为此通过铁水预脱硫处理降低硫元素偏析的程度，进而减少中间裂纹发生的几率。
在引入铁水预处理处理后生产的铸坯质量能否满足产品规格要求和扩大品种要求，这些都缺乏基础数据，为此现场跟踪数据，并对热态钢渣进行渣系分析，对整个生产流程中氧、硫行为进行了系统研究。
研究表明：FTSC薄板坯中间裂纹是以S的晶间偏析为起因，铸坯在项弯、矫直过程中的附加应力应变在铸坯薄弱处集中形成了中间裂纹。
采用铁水预脱硫技术后，将铁水中的硫从平均355×10-6降到平均212×10-6左右(极限能力为50×10’，平均脱硫率为40％，这样在保证经济效益，又把S含量控制在0.007％以下，降低S元素偏析的程度。
FTSC薄板坯铸坯中全氧含量为25×10-6，显微夹杂物体积率平均为0.024％，大于50μm的大型夹杂物含量平均为0.2466mg/10kg，达到较高的洁净水平。
LF处理使得T[O]从0.0047％脱到0.0035％，氧的脱除率达到25.5％；硫从0.0250％脱到0.0050％，脱硫率平均为80％。
LF热态钢渣的循环利用改变了LF常规造渣方式，节约了渣料熔化带来的热量损失，缩短钢水升温时间，节约了电能。
当利用三次以后渣系中硫含量不再有明显增加，此时钢硫容量Cs/≤0.0052，渣—钢反应脱硫速度较慢，钢渣已经失去了再次利用的价值。
显微夹杂中氧主要是脱氧产物、中间包覆盖剂、钢包渣、结晶器保护渣。
它们所占的比例分别为65.2％，27.5％，5.8％和1.5％；大型夹杂物中的氧主要来源于脱氧产物、中间包覆盖剂，其次是硅质水口熔损与中间包液面污染的复合物，它们所占的比例大约为54.5％，30.3％，15.2％。
通过对椭圆形钢包的流场的优化，距弧心1/3R处作为两个底吹喷嘴位置、底吹流量为200NL/min获得的流场比较合理，可以有效提高钢水的洁净度。
炼钢过程中脱氧的原理是：利用对氧的亲和力比Fe大的元素，如Mn、Si、Al等，把钢液中的氧夺走，形成不残留在钢液中的脱氧产物如Mn0、、等并上浮到渣中。
能用来对钢液脱氧的元素或合金叫脱氧剂。
http://218.65.5.218/Mpt/jxsc/picture-3.html。