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1、铸钢冶炼基本知识第一章 铸钢脱氧理论第一节 铸钢液的脱氧一、氧对铸钢质量的有害影响氧对铸钢的有害影响，是由于氧在液态和固态钢中的溶解度相差悬殊而造成的。主要有害影响有：1、氧是形成铸钢件气孔的原因之一。在钢液凝固过程中，由于氧的溶解度随温度的下降而显著降低，因此，析出的氧便与钢液中的碳发生反应，产生的CO气泡若滞留于钢中便成为气孔。2、氧促使铸钢热裂的形成。钢液含氧量过高时，会加剧铸钢热裂倾向，原因是FeO与FeS相遇时形成低熔点（940）共晶体（FeOFeS），并以薄膜状分布于晶界上，因而易造成热裂。3、氧是形成非金属夹杂物的主要元素之一。氧可与多种元素发生氧化反应，形成氧化物夹杂，这些夹杂
2、若滞留于钢中，将降低铸钢的性能。二、钢液的扩散脱氧利用氧在钢液中的扩散行为，使钢液中的氧转入渣中而达到降低钢液含氧量的方法，称为扩散脱氧。具体做法是，在熔炼还原期稀薄渣造好后，将粉状脱氧剂撒于渣面上，首先降低渣中的含氧量，破坏氧在熔渣与钢液溶解度的平衡，钢液中的氧必然向熔渣中扩散。因此，不断降低渣中的氧，钢液中的氧就不断地向渣中扩散，从而降低钢中的含氧量。扩散脱氧常用的粉状脱氧剂有；碳粉、硅铁粉、硅钙粉、铝粉、碳化钙粉等。这些脱氧剂中的C、Si、Al、Ca等元素进入渣层后便于（FeO）发生还原反应，如： （FeO） C Fe CO 2（FeO） Si 2Fe（SiO2） 3（FeO） 2Al
3、3Fe（Al2O3）脱氧产物进入炉气或被熔渣吸收，因此，扩散脱氧不污染钢液。但由于扩散脱氧是在渣与钢液界面上进行，氧由钢液中向渣中扩散需要的时间较长，因此，生产效率低，能耗高。三、钢液的沉淀脱氧沉淀脱氧是将块状的脱氧剂直接加入钢液中，脱氧剂与（FeO）发生沉淀反应而脱氧。沉淀脱氧又称强制脱氧，沉淀脱氧法脱氧产物的排除，影响脱氧效果。按脱氧产物的形成时间划分，脱氧产物可分为：一次脱氧产物在炉内或包内加入脱氧剂后立即形成的脱氧产物；二次脱氧产物已脱氧的钢液在其冷却至液相线之前所形成的脱氧产物；三次脱氧产物在液相线与固相线之间凝固时所形成的脱氧产物。这三类脱氧产物统称为内生脱氧产物。研究表明：一次脱
4、氧产物具有聚集、长大和上浮的有利条件，故绝大部分能排出钢液。二次、三次脱氧产物均不能排出铸件，特别是三次脱氧产物是钢液在凝固过程中产生的，常滞留于枝晶之间，对铸钢质量具有决定性影响。铸钢中所看到的氧化物夹杂，绝大多数是三次脱氧产物。（一）包内沉淀脱氧机理1、 脱氧反应 即脱氧剂与（FeO）的化学反应；2、 脱氧产物的形核、聚合长大、上浮和排出。整个过程都伴随着热力学和动力学作用。研究证明，采用强脱氧剂脱氧时，脱氧产物可迅速排出钢液，如脱氧产物Al2O3虽为固态颗粒，但其排出速度很快。脱氧产物的排出速度主要取决于脱氧剂的种类，而与脱氧产物的状态及其尺寸无明显关系。特别是用铝脱氧时，在出钢过程中加
5、入铝12min，钢中的氧便与铝形成Al2O3并排出。其原因是，Al2O3与钢液的润湿性差和相间张力大（2N/m）。此外，钢液流入钢包时，有足够的搅动，使脱氧产物因碰撞而聚合长大，同时搅动也使钢液和熔渣剧烈运动，促使脱氧产物被熔渣捕获或粘附于包衬表面。（二）沉淀脱氧用脱氧剂介绍沉淀脱氧用脱氧剂应具有强的脱氧能力，其脱氧产物不溶于钢液，并易于从钢液中排出。1、元素的脱氧能力 研究证明：脱氧元素对氧的亲和力越大，其脱氧能力越强，钢中的溶解氧就越低。元素的脱氧能力，一般随温度的降低而提高。通常说钢中的含氧量是指总氧量，它包括溶解氧和化合氧。所以，元素的脱氧能力只反映其降低钢中溶解氧的能力，而降低化合氧
6、的能力，则与脱氧产物的化学组成和物理特性、钢液温度及动力学因素等有关。当脱氧元素的含量为0.1%时，各元素的脱氧能力由强到弱排序为：Ca RE Zr Al Ti B Si C V Cr Mn。脱氧元素在一定含量范围内，随其含量的增加，与其相平衡的氧含量对应降低，但是，当脱氧元素超过这一含量后，随着脱氧元素含量的增加，相应的平衡氧含量反而增大，这说明并非脱氧剂加入愈多，钢液中的溶解氧就降低的多。2、单元素脱氧剂介绍 Mn 锰是较弱的脱氧剂，是常用的脱氧剂之一。 Si 硅是较强的脱氧剂，是常用的脱氧剂之一，其脱氧产物SiO2是高熔点的固体质点，能被钢液所润湿，排出较为困难。感应炉内用硅脱氧时，氧的
7、降低速度是较快的，硅加入后510min，氧含量便可降至最低值。包内用硅脱氧的速度与炉内基本相同。 Al 铝是最常用的强脱氧剂，感应炉熔炼时加入铝0.1%，铝脱氧后仅在34min内，钢中的溶解氧便降至0.01%以下，包内脱氧时，出钢前先将铝加入包内，然后出钢，出钢后23min内，钢液中的氧含量便可降至0.02%以下。出钢后由于钢液温度的降低，铝的脱氧能力提高，这样钢液在包内镇静时，钢液中的氧含量仍能缓慢的下降。 Ca 钙是很强的脱氧剂，也是强的脱硫剂，但由于钙的气化而显著降低其脱氧效果。为克服其缺点，必须降低其蒸气压，Si、Al不仅能降低钙的蒸气压，而且还可提高钙的溶解度。用硅钙合金脱氧，还可改
8、善夹杂物的形态成为球状，因而改善钢的性能。此为硅钙合金脱氧的突出优点。 Ti 钛是较强的脱氧剂，脱氧能力强于硅而弱于铝。其脱氧产物因钛含量不同而不同。当Ti 0.2%时，脱氧产物是TiO2或Ti3O5。Ti的脱氧产物尺寸为1618，近似球状，并均匀地分布在晶粒内部。另外，Ti在钢液中还可形成高度弥散的TiN，其尺寸为414，可作为非自发结晶核心，而细化晶粒。TiN还可防止铸钢件产生脆性断口。当Ti含量为0.06%时，沿晶界会形成片状共晶硫化物而降低钢的冲击韧性。因此，钛脱氧时，钢中适宜的钛含量为0.020.06%。通常为防止AlN对铸钢件性能的不良影响而采用钛代替铝终脱氧。 Zr 锆是极强的脱
9、氧剂，在1650时，锆的脱氧能力强于铝，只需加入少量的锆终脱氧，便可获得氧含量极低的钢。锆的脱氧产物为直径3的小球。Zr脱氧时形成的ZrN，可作为非自发结晶核心，细化晶粒，同时还可防止脆性断口。 RE 也是良好的脱氧剂。 稀土金属通常是镧（La）系元素的总称。La、Ce、Pr、Nd四个元素与铸钢生产较为密切，稀土的脱氧能力强于Zr、Al、Ti，接近于Be，而稍低于Ca、Mg。采用稀土脱氧有如下特点： 脱氧反应的同时伴随有脱硫反应。RE能同时与O、S反应，生成稀土氧化物、稀土硫化物和稀土氧硫化物，同时降低钢中的氧和硫。 稀土氧化物、硫化物熔点高、密度大、质点小，不易排出而滞留于钢中。 稀土金属的
10、突出优点是，使钢中夹杂物球化，而有利于提高钢的性能。3、 常用复合脱氧剂介绍 硅锰合金复合脱氧 Mn是弱脱氧元素，Si是较强脱氧元素，Si、Mn配合使用，可获得良好的脱氧效果，如使用硅锰合金复合脱氧剂。生产中常用“先加锰铁后加硅铁于炉内”的复合脱氧法，也可获得较好的效果。 硅锰铝合金复合脱氧 Si和Mn可提高Al的脱氧能力。采用硅锰铝复合脱氧剂时，无论在炉内或包内脱氧，效果均好。生产中常用“先锰铁后硅铁”炉内预脱氧，再用铝包内终脱氧，效果也很好。 铝硅铁合金复合脱氧剂 AlSiFe合金的化学成分见下表：代号化学成分(%)AlSiCSPFeAl50485216200.500.0500.050余A
11、l454520300.500.0500.050余Al3535200.500.0500.050余Al2525250.500.0500.050余AlSiFe合金的外观成银灰色，较脆易破碎。密度约4.17g/cm3，熔点约1000左右。常采用块状炉内预脱氧，粉状包内终脱氧。第二节 钢液的二次氧化在大气中熔炼和浇注时，脱氧良好的钢液在出钢和浇注过程中与空气相接触，再次被空气中的氧所氧化，这种氧化称为“二次氧化”。二次氧化的特点是，氧不受供给限制。浇注期间二次氧化的产物是成品钢中夹杂物的主要来源。一、二次氧化对铸钢件质量的影响研究发现，铸钢中的夹杂物依其来源组成如下：二次氧化产物占总夹杂物的83%，造型
12、材料被冲刷形成的夹杂物占13%，浇注前排渣不净的夹杂物占4%（其中来自浇包1%，熔化造渣产生的夹杂物为2%，铝脱氧残留夹杂物1%）。在大气中熔炼和浇注，钢液的二次氧化不可避免，只能采取措施减轻二次氧化。二、二次氧化再脱氧产物二次氧化再脱氧产物的突出特点是：尺寸较大，它是一种外来脱氧产物，简称再脱氧产物。有的文献讲，随着钢液温度的降低，氧在钢液中的溶解度下降，析出的氧与钢液中残留的脱氧元素继续发生脱氧反应，也称为二次氧化，这是不确切的，因为这种脱氧产物属于内生脱氧产物，不是外来脱氧产物。1、二次氧化机理因为空气中的氧对钢液流表面的供给是不受限制的，所以当钢液表面的Al、Si、Mn等与氧亲和力强的
13、元素被氧化后，钢液表面的Fe便开始氧化。2、二次氧化再脱氧产物的特点采用硅、锰脱氧时，二次氧化再脱氧产物的数量多于同样钢的脱氧产物，而用铝脱氧时再脱氧产物的数量则少于脱氧产物；用铝脱氧时，二次氧化再脱氧产物的形成过程呈连续阶段的特点。即第一阶段是团状大颗粒Al2O3；第二阶段是以硅酸盐为基体的Al2O3球状复相再脱氧产物；第三阶段是球状单相硅酸盐再脱氧产物。三、钢液二次氧化的影响因素（一）出钢过程中二次氧化的影响因素1、钢液原含氧量的影响未经脱氧的钢液氧含量愈高，出钢时吸氧量愈少，即二次氧化的倾向愈小。2、钢液表面氧化层电场的影响钢液表面形成的氧化层产生一电场，促使C、Si、Mn等元素的正离子
14、向氧化层与气相界面扩散（离子半径越小的元素扩散速度越大），这样，钢流表层离子半径小的元素捕获的氧就越多，钢液表面也将连续不断地被氧化，因此，脱过氧的钢液吸氧倾向大，即二次氧化倾向大。3、再脱氧产物特性的影响未脱氧的沸腾钢液，出钢时与空气中的氧相作用，主要生成气相再脱氧产物CO，这种情况下，钢流被CO所包围，故能阻止氧向钢流渗透，因而减轻钢液的二次氧化。由此可见，未脱氧的沸腾钢较炉内硅、锰预脱氧或铝终脱氧的钢液二次氧化的倾向小。4、出钢高度的影响出钢高度越大，二次氧化越严重。二次氧化的再脱氧产物在包内镇静时，均能被排出钢液。（二）浇注过程中二次氧化的影响因素1、钢液中元素化学活性的影响钢液中含有
15、对氧化学活性高的元素越多，钢液越容易二次氧化。从这个意义上说，强脱氧元素的残留量越多如铝、稀土金属、钙、钛、钒等越多，钢液也越容易二次氧化。钢液的二次氧化，实质上是钢液中所含各元素的二次氧化，与氧化学亲和力大的元素优先或较多被氧化，所以，钢液中没有一种元素能防止钢液的二次氧化，只是不同元素二次氧化的顺序或程度不同而已。重要的是，二次氧化再脱氧产物对铸钢件质量的有害影响。C的脱氧产物是CO气膜，能使钢流与空气隔离，所以， C可减轻钢液的二次氧化，其脱氧产物CO又不污染钢液。Al的再脱氧产物Al2O3硬膜，随钢流进入铸型，易粘附于铸型内腔表面，对铸件表面质量造成有害影响。但铝终脱氧的钢液经钙处理后，可消除其有害影响。2、钢液与空气单位接触面积的影响单位接触面积越小，钢液的氧化程度越轻。3、浇注速度的影响提高浇注速度可减轻二次氧化的有害
