第九章液态金属的净化与精炼

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铁的钢与水活M的特由温度n熔别、式度系炼是M可相数中对g以对比，的于看钢在只结镁出液钢有合，，温水含能升温度中力高氧度低大远温量升，，高度极高且锰于，低，碳和S其，平、镁时脱当衡硅在，硫锰常含铁才能和数量水能力镁减高中用急加小，的锰剧入，因脱和下钢不此硫镁降液利硫效脱。中于在果硫首脱铁较。先硫水好因脱。中。氧 例氧如，在锰球和墨镁铸对铁钢生产水中几，乎作无为脱球硫化剂作的用镁。有很强的脱硫作用。
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四、扩散脱氧
扩散脱氧是在液态金属与熔渣界面上进行的，利用 （ FeO）与 [ FeO] 能够互相转移, 趋于平衡时符合分配 定律的机理进行脱氧：
(FeO) [FeO] LFeO
式中的 LFeO 是温度的函数，与熔渣的成分有关。
焊接熔池中的扩散脱氧
钢铁熔炼中的扩散脱氧
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熔渣脱硫
熔渣脱硫是目前铸造和焊接冶金中主要的脱硫方法。 它是利用熔渣中的 CaO、CaC2、MnO、MgO 等进行
脱硫，脱硫的原理与扩散脱氧相似。
液态钢铁中的硫以硫化铁的形态存在，硫化铁能够在熔渣和 液态金属中互相转移，当达到动态平衡时，熔渣中的硫化铁 的含量与钢铁液中硫化铁含量成一定的比例：
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真空法脱碳
近代在发展新型低合金结构钢、低温钢和不锈钢 等钢种中要求钢中含碳量很低{低碳（≤0.08℅）、 超低碳（≤0.03℅）、以及极低碳（≤0.01℅）} 的钢液。在一般的空气气氛冶炼条件下是难以达到 的。因为钢液中的碳和其它元素都与钢中的氧存在 一定的平衡关系。当钢液中的碳被氧化得很低时， 钢中的氧就会达到很高的值。
答案
酸性焊条常采用锰铁作为脱氧元素； 碱性焊条常采用锰铁和硅铁（或钛铁）联合脱氧。
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为什么酸性焊条常采用 锰铁作为脱氧元素？
酸性渣中含有较多的 SiO2 和 TiO2，它们容易与 锰的脱氧产物 MnO 生成复合物 MnO·SiO2 和 MnO·TiO2，使 MnO 的活度系数减小，因此脱氧效 果较好。相反，在碱性渣中 MnO 的活度较大，不 利于锰脱氧。碱度越大，锰的脱氧效果越差。
由此可见，钢液中氧化亚铁的残留量与脱氧元素的 氧化亚铁的平衡含量来衡量。 残留量成反比，脱氧元素的残留量愈高，则氧化亚铁
的残留x量[ 愈Me低]，＋即y钢[液F的eO脱]氧→程（度M愈e彻xO底y ）。＋ y [ Fe ]
式中，Me表示脱氧元素，如 Mn、Si、Al 等。
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钢铁熔炼中的扩散脱氧
钢铁熔炼时的扩散脱氧通常是将脱氧剂加在熔渣 中，使脱氧元素与（FeO）反应。当熔渣中的氧 化铁含量降低时，[FeO]就向熔渣中扩散。这样 就间接地达到了脱去钢液中[FeO]的目的。扩散 脱氧的优点是脱氧产物留在熔渣中，液态金属不 会因脱氧而造成夹杂。
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电炉炼钢一般是采用 沉淀脱氧与扩散 脱氧相结合 的方法，即： （1）锰（锰铁）进行沉淀脱氧
（2）硅（硅铁粉）和碳（炭粉）进行
扩散脱氧 （3）用铝进行沉淀脱氧
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为使白扩渣散下脱的氧脱过氧程过顺程利： 进行，需要采取下列措施： 1）还C ＋原（性F炉eO气）＝ [Fe] ＋CO↑ 2）高的Si炉＋温2(FeO) ＝ 2[Fe] ＋(SiO2) 3）低粘度炉[渣FeO ] →（ FeO ）
2
第一节 液态金属的脱氧
一、脱氧元素与脱氧能力
二、先期脱氧
三、沉淀脱氧 四、扩散脱氧
常用脱氧方法
五、真空脱氧
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当反应达一到、平衡脱时，氧Μ元e与素钢液与中脱氧化氧亚能铁的力含量（残
留量对）于之钢间液存来在说着，下脱述氧的就关是系用：脱氧剂除去钢液中溶入
的原子态氧[或%氧M化e铁]中x的• 氧[ %而将Fe铁O还]原y 的=措K施。脱氧 剂的K脱是氧平能衡力常可数以，用是加温入度等的量函的数脱。氧元素后，钢液中
F炼eO作对用。铁反液应的方间式接主脱要有碳两。种而，在一炼种钢是碳生被产氧中化，性一气般体直是接
通氧过化向：钢液中吹氧或加矿石进行脱碳反应的。
脱[C碳] ＋反O应2 的＝产2物C是O↑一氧化碳[C。] ＋一C氧O化2 碳＝不2溶CO解↑于钢 液，因而形成了大量的气泡。气泡在与钢液脱离和
另一种方式是间接氧化：钢铁液中的铁先被氧化生成氧化亚
)
1 y
(C
-
yD)
其中，A、C、D为与脱氧元素有关的常数。从上式看出：
金属含氧量[O]，随熔渣碱度BL的增大而减少； [Me]越多、（MexOy）越少，脱氧效果越好； 熔Βιβλιοθήκη Baidu性质应与脱氧产物性质相反，这样有利于降低脱氧产
物在熔渣中的活度，也有利于熔渣吸收脱氧产物。
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碱性焊条需采用锰铁和硅铁 （或钛铁）联合脱氧
把硅和锰按适当的比例加入液态金属中进行复合 脱氧时, 其脱氧产物为不饱和液态硅酸盐，它的密 度小，熔点低，易于浮出，并易被熔渣吸收，从而 减少钢中的夹杂物和含氧量，脱氧效果十分显著。
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两种以上脱氧元素的复合脱氧剂实例
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五、真空脱氧
真空脱氧时钢液的熔化过程是在真空条件下进行，利用抽 真空降低气相中CO分压来加强钢液中碳的脱氧能力。 [C] ＋ [O] ＝ CO↑
研究表明：在1600℃下，若使PCO＝1.0KPa，C的脱氧能
力高于Al的脱氧能力。 碳不仅使钢液脱氧，还促使其它氧化物还原，例如：
硫 的 危 害：
凝固时偏析，
在晶界形成
低熔点共晶
Fe＋FeS（熔点为985℃） FeS＋FeO（熔点为940℃） NiS＋Ni（熔点为644℃）
结晶裂纹
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沉淀脱硫 熔渣脱硫
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沉淀脱硫
沉淀脱硫和沉淀脱氧一样，是将脱硫合金元素 直接加入液态金属中进行脱硫。
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为了冶炼纯净度高的
O,%
低碳钢液，比较有效
的方法是在真空下进
行脱碳。例如生产中
采用真空氩氧脱碳精
炼（VOD）法以及真
空氩氧脱碳转炉
（VODC）法。
C, %
在1700℃和不同的一氧化碳 压力下C-O之间的平衡关系
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第三节 液态金属的脱硫
反应的结果使气相的氧化性减弱，
起到先期脱氧的作用。
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三、沉淀脱氧
沉淀脱氧是指溶解于液态金属中的脱氧剂直接 和熔池中的[FeO]起作用，使其转化为不溶于液 态金属的氧化物，并脱溶沉淀转入熔渣中的一种 脱氧方式。
这种方法的优点是脱氧速度快，脱氧彻底。但脱氧产物不 能清除时将增加金属液中杂质的含量。其脱氧反应为：
4
[O] %
右图表明一些元素的
脱当氧使能用力几及种在不脱同氧的剂
，
进残行留脱量氧条件时下，钢应液按的照
脱氧程度。
脱元氧素能按力脱氧的能顺力序由由小小
到到大大依排次列顺使序用是。：Cr、
M铸n造、和V焊、接C中、最S常i、
用B的、脱T氧i、剂A是l、锰Z、r、 Be、Mg、Ca。 硅、钛和铝。
[Me]，%
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净化的顺序? 液态金属与气相和渣相的相互作用，可能造成自身的污
染。所谓金属的净化，即是利用一定的物理化学反应，去 除液态金属中的有害元素、夹杂物和气体的过程。
第一节 液态金属的脱氧 第二节 液态金属的脱碳反应 第三节 液态金属的脱硫 第四节 液态金属的脱磷
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在转炉炼钢时，炉内加入一定量的硅锰合金进行预脱氧， 结果使钢中氧含量大大降低；
二氧化碳气体保护焊焊丝H08Mn2Si 中就是用适当比例 的锰和硅来进行联合脱氧。
钙的脱氧能力很强，但它的蒸气压高，在钢液中溶解度低， 脱氧效果变差；如果用硅钙合金作脱氧剂，则可提高钙的 溶解度，减少蒸发损失，易生成低熔点的硅酸钙，对 Al2O3 还起助熔作用。铬镍不锈钢在熔炼末期的出钢前， 通常加入硅钙合金进行最终脱氧。
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二、先期脱氧
含对有于脱药氧皮元焊素条的电弧造焊渣过剂程和，造在气药皮剂加被热加阶热段时，其固态中的的造高渣、 价造氧气剂化中物进或行碳的酸脱盐氧反分应解称出为的先氧期和脱氧二，氧其化特碳点便是和脱氧脱过氧程 元和素脱氧发产生物反与应高。温的液态金属不发生直接关系。
Ti ＋ 2CO2 ＝ TiO2 ＋ 2CO 2Al ＋ 3CO2 ＝ Al2O3 ＋ 3CO Si ＋ 2CO2 ＝ SiO2 ＋ 2CO Mn ＋ CO2 ＝ MnO ＋ CO
常用的脱硫元素有锰、镁、钠、钙、稀 土等。这些元素与硫的亲和力大于铁，与硫形成 熔点高，不溶于液态钢铁的稳定硫化物，上 浮进入渣相而进行脱硫的方法。
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锰和镁脱硫反应为： [FeS]＋[Mn] ＝(MnS) ＋ [Fe]
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[Mg] ＋ [S] ＝ (MgS)
当温度超过1200℃以 后，碳－氧的亲和力就超 过铁－氧的亲和力。
在炼钢生产上规定，只
有在钢液温度超过1530℃
时，才可以吹氧和加矿石 脱碳。
T/K 图9-4 碳的氧化反应与铁的
氧化反应的生成自由能图
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在熔化焊接过程中，如果母材或焊接材料中含碳 量较高，熔池中又存在一定的含氧量，那么在熔滴 和熔池的高温阶段，上述反应进行得很激烈，产生 的大量CO气体受热膨胀，发生爆炸，飞溅增大， 严重时造成焊接过程不稳定。如果在熔池后半部结 晶时还进行这些反应，则可能产生气孔。因此一般 选用焊材中的碳含量低于母材。
（SiO2）→ [Si] + 2[O] 使钢液中一些元素含量超标。因此，在一般真空处理时 碳只能达到部分脱氧的作用。
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第二节 液态金属的脱碳反应
脱在碳冲反天应炉是成熔形炼冶过金程中中最，重要铁的液反的应脱之碳一主，其要主是要通目过的炉是气借
中助的于O脱2碳和过C程O2去成除分钢对液铁中的液有的害直气接体脱和碳夹杂以物及，炉对气钢通液过起精
进行沉淀脱氧应考虑的三个要点： ① 对氧亲和力较大的元素； ② 脱氧产物应不溶于金属而成为独立液相转入
熔渣； ③ 熔渣的酸碱性质应与脱氧产物的性质相反，
以利于熔渣吸收脱氧产物 。
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思考题
焊条药皮成分中，常采用锰铁、硅铁和钛铁作为脱 氧元素，请说明它们分别适用于哪种药皮类型？
上浮过程中，使钢液受到强烈的搅动，使得钢液温
铁，而后碳又被氧化亚铁所氧化：
度和化学成分均匀，并能有效地清除钢液中的气体
和2非[Fe金] 属＋夹O2杂＝物2[F。eO]
[C] ＋ [FeO] ＝[Fe]＋ CO↑
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F J·mol-1
△ （
）
C和Fe，与O的亲和力 哪一个更强？
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焊接熔池中的扩散脱氧
在碱焊性接渣熔中池（中F，eO随）着活熔度池大后，部其温扩度散降脱低氧L的Fe能O 增力大比，
酸性[ 渣Fe差O；] 向熔渣中扩散。脱氧的关键是降低 （增F加eO熔）渣的中活的度脱。氧剂含量可促进 [FeO] 向熔渣 中扩在在散酸焊。性接渣熔中池，凝由固于过S程iO中2（，或由T于iO液2）态易熔与池(存F在eO时) 间短生，成F复eO合的物扩F散eO速·度SiO慢2，（因或此Fe扩O散·Ti脱O氧2）进，行使得很 不充（分Fe。O）的活度减小，有利于扩散脱氧的进行；
x [ Me ] ＋ y [ O ] →（ MexOy ） 或： x [ Me ] ＋ y [ FeO ] →（ MexOy ）＋ y [ Fe ]
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熔渣碱度BL，脱氧元素种类及数量对脱氧效果的影响，有 如下关系式：
lgψ%O
A y
BL
x y
lgψ%Me
1 y
lg(ψ%MexOy
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为什么碱性焊条不单独 采用硅铁作为脱氧元素？
硅的脱氧能力比锰大，但生成的 SiO2熔点高， 通常认为处于固态，不易聚合为大的质点；同时 SiO2与钢液的界面张力小，润湿性好，不易从钢 液中分离，易造成夹杂。 因此，碱性焊条一般不 单独用硅脱氧。
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