铸钢脱氧知识详细讲解.docx

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（FeO·FeS），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：

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，在出钢过程中加入铝1~2min，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
⑴  Mn   锰是较弱的脱氧剂，是常用的脱氧剂之一。
⑵  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，氧的降低速度是较快的，硅加入后5~10min，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。
⑶  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3~4min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2~3min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。
⑷  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。
⑸  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16~18μ，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4~14μ，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002~0.06%。
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。
⑹  Zr  锆是极强的脱氧剂，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3μ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。
⑺  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：
① 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。
② 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。
③ 稀土金属的突出优点是，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
⑴ 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。
⑵  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。
⑶ 铝硅铁合金复合脱氧剂  Al—Si—Fe合金的化学成分见下表：

代号
化学成分(%)
Al
Si
C
S
P
Fe
≤
Al50
48~52
16~20
0.50
0.050
0.050
余
Al45
＞45
20~30
0.50
0.050
0.050
余
Al35
＞35
＞20
0.50
0.050
0.050
余
Al25
＞25
＞25
0.50
0.050
0.050
余
Al—Si—Fe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。