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脱碳反应发表评论(0)编辑词条

钢液内碳氧化而被除去的反应。碳对钢的力学性能影响很大,是钢中最重要的合金元素。除了极少数钢种外,绝大多数钢中含碳量都在1%以下;而生铁含碳一般在3~4.5%范围,因此,脱碳就成为炼钢过程中最重要的反应之一。脱碳反应产物一氧化碳(在钢液含碳很低时,产物中有少量二氧化碳)气泡穿过钢液排出,强烈搅动熔池,这种现象被称为“沸腾”。沸腾时,气泡中氢、氮等气体的分压极低,使钢液中溶解的氢、氮等有害杂质向气泡中转移,钢中的非金属夹杂物也随着气泡上升而被除去。沸腾不仅使钢液温度和化学成分均匀,还增加气相-熔渣-钢液的接触面,加快各种反应的速度。脱碳引起的沸腾是保证钢质量的一个重要措施,所以一般电炉和平炉炼钢过程中总要有一定的去碳量。脱碳反应从来就受到冶金工作者的特别重视。早在1931年,瓦舍 (H.C.Vacher)和哈密顿(E.H.Hamilton)开始在实验室条件下测出了1580铁液中的碳氧平衡浓度积为0.0025;以后,许多知名的冶金学者如奇普曼(J.Chipman)、申克(H.Schenck)等都研究过脱碳反应。

脱碳反应热力学炼钢脱碳过程中,氧传输到钢液有两种途径:①氧气直接和钢液接触,如转炉炼钢时向熔池吹氧脱碳,其反应是:

[159-02][C]代表溶于钢中的碳。②氧经过炉渣传送到钢液,如平炉和电炉炼钢时,氧化期的脱碳,其反应是:

[159-03](FeO)代表渣中的氧化亚铁。两者都包括钢液中的碳氧反应:

[159-04]这是个弱放热反应,其平衡常数[kg2][kg2]随温度升高而稍有减小。在炼钢温度下,为400~500。当CO的分压为1大气压时,钢液中碳和氧的平衡浓度积为:

=[%C][%O]=0.002~0.0025在炼钢过程前期,炉内温度较低,钢中的硅、锰等元素大量氧化,碳也可能部分氧化,它们都在争夺钢中的氧。以后,钢中硅、锰含量减少,炉温升高,一直到脱氧前,钢液中的碳氧反应即成为控制钢中氧含量的主要反应。所以,实际炼钢过程中也存在着[C]高则[O]低,[C]低则[O]高的规律,只不过是实际的碳氧浓度积较上述平衡浓度积为大;这说明了碳氧反应未达到平衡但又接近平衡。气相中一氧化碳分压降低时,[%C][%O]亦成比例地降低,碳氧反应更为完全。这是在真空或吹入惰性气体条件下,可同时脱碳和脱氧的理论基础。

温度升高,钢液中许多元素的脱氧能力明显下降(见钢的脱氧反应),但碳氧反应的平衡常数随温度变化很小。在更高的温度(如1750~1800)下,降低气相中一氧化碳分压,可使碳氧反应进行得更完全,而钢中如含铬时,铬却氧化很少。这是氩氧混吹(即AOD法)精炼高铬不锈钢过程中去碳保铬的热力学依据(见炉外精炼)。

脱碳反应动力学钢液中碳氧反应的速度很快。在碳含量不很低时,反应速度取决于供氧强度,而与[C]浓度无关。氧气底吹、顶吹转炉炼钢时的供氧强度大,脱碳速度亦大,一般每分钟约脱除[kg2]0.2%[kg2]左右。平炉及电炉炼钢时,氧化期靠炉渣供氧的强度小,每分钟脱碳约为 0.01%,向熔池吹入氧,脱碳速度可以成倍地提高。当钢中含碳量低于某个临界值(一般认为此临界值在0.07~0.12%之间),供氧强度对脱碳速度已不起明显作用。这时,起决定作用的是钢液中碳和氧向气泡与金属的反应界面的扩散。一般认为,碳高氧低时,起限制作用的是氧的扩散;碳低氧高时,则是碳。这种情况下,增大气泡-金属界面(如吹入气体)和增加熔池搅拌强度,可以提高脱碳速度。随着碳含量进一步降低(例如降到0.03%时),脱碳速度变得极慢。同时铁的氧化程度急剧上升,进一步脱碳就十分困难。所以,用普通方法炼超低碳钢([C])<0.02%)是很不容易的。这就需要采用真空或吹入氩气等手段进行脱碳。

一氧化碳气泡的形成条件要产生一氧化碳气泡,首先必须具备生成一氧化碳的稳定“核”的条件。在钢液内单靠成分涨落产生的气泡“核 ”的尺寸极小,而钢液表面张力给半径极小的气泡“核”造成巨大的附加压力。气泡“核”直径为10[kg2]厘米时,这种压力可达5[kg2]900大气压。实测氧气顶吹转炉炼钢时最大过饱和度约为63(即实际[%C]·[%O]积为平衡值的63倍)。据此算出稳定气泡核心的最小半径为 [kg2]10[kg2]厘米。靠局部成分涨落产生这样大的气泡核心的概率趋近于零,所以CO气体不是以钢液内均相成核并长大的方式排出的。实际上,炼钢炉熔池接触的耐火材料表面有许多细微孔隙,由于钢液对耐火材料不润湿,这些孔隙不能被钢液所充满,从而保留有现成的气体-金属界面,这种孔隙就成为CO气泡的核心。碳的氧化应在这些气泡核心与金属的界面上进行,使气泡长大,脱离孔隙而上浮。上浮过程中,在气泡-金属界面上又不断发生碳氧反应而使气泡逐渐增大。在转炉、电炉、平炉炼钢的熔池以及钢水炉外处理吹入气体时,由于存在大量现成的气泡-金属界面,不存在CO气泡“核”产生的动力学障碍。

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