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氧化是炼钢时不可缺少的重要精炼手段,脱氢、脱氮、清除各种夹杂物,都必须借助于“氧化”。除采用重熔工艺者外,无论是常规炼钢还是炉外精炼,如何用好氧都是作业中的关键所在。但是,氧化毕竟只是炼钢的手段,钢炼好后,必须将其完全脱除,不可留在钢中,否则就会严重损害钢的质量。像医生用精良的手术刀做好手术后不可将其留在患者体内一样。
一、氧的来源
空气中含有大量的氧,是最廉价的氧源。高炉炼铁和冲天炉熔铁,可以大量利用空气中的氧,而炼钢则不行。因为炼铁、熔铁过程中要氧化的是焦炭,炼钢时要氧化的则是溶于钢中的碳和其他元素
常规炼钢作业中,以往多以铁矿石作为氧源。铁矿石的来源广,且价格低廉、储运方便,自人类掌握液态炼钢技术以来,一直沿用至今。随着科学技术的发展和对钢的品质要求日益提高,铁矿石的缺点也日益显现,主要表现在两方面：一是含有脉石和其他杂质;二是使铁矿石熔化、分解耗能很多。
近30年来,气态氧在炼钢工业中的应用迅猛发展。无论是常规冶炼,还是炉外精炼都需要大量氧气,可以说,氧气的应用推动了炼钢技术的发展和进步。当前,炼钢行业是气态氧的最大用户。
但是,在铸钢行业中,生产厂家的冶炼能力一般都不大,备有制氧设备的企业很少,大多数铸钢厂仍然以铁矿石为主要氧源。即使采用吹氧助熔、吹氧脱碳或炉外精炼等工艺,也还需用铁矿石。
对于炼钢而言,大气中的氧不但不能利用,而且一般都是有害的,出钢和浇注过程中,会使钢液二次氧化,导致铸件产生宏观夹杂物和气孔等缺陷。
二、氧在钢中存在的形式
氧在钢中的形态不同于氢和氮,不以形成间隙式固溶体的方式溶于铁中,而与铁形成化合物,以FeO的分子形态存在,相当一部分FeO溶于铁中。氧在铁中的溶解度通常都以FeO在铁中的溶解度表示。在铁的熔化温度(1535℃),FeO在铁液中的溶解度为0.94%;在1700℃下,FeO的溶解度约为2%。在炼钢过程的各阶段,FeO都溶于钢液中。还原结束后出钢前,钢液中的FeO含量一般为0.045%~0.13%;氧含量低的可到0.035%;氧含量高的则可高达0.18%~0.27%
FeO在固体状态的钢中也有一定的溶解度,有资料称1000℃下可溶0.45%。
三、氧在钢中的作用
炼钢过程中,用氧脱碳,造成强烈沸腾,是脱除有害气体、非金属夹杂物和其他杂质的最有效的手段。但是,冶炼结束后用以制造铸件的钢中如存在超过允许数量的氧,就会造成很大的危害。
如果钢液中FeO含量较高,浇注入铸型后,随着凝固的进行和钢液温度的下降FeO可以与钢中的碳反应,产生CO,在铸件中造成气孔。
如果钢液脱氧不够充分,虽不致造成气孔,但FeO会在钢结晶过程偏析于晶界,使钢的塑性和韧性下降。
脱氧不充分的钢液,会加剧浇注过程中的二次氧化,使铸件表面的夹渣缺陷大幅度增多,甚至还可能导致气孔缺陷。
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南京诺金高速分析仪器厂
2021年8月3日