论特殊钢精炼过程中的脱氧及夹渣物控制

官平平 马鹏

【摘 要】特殊钢一般是指采用特殊工艺和装备生产的、具有特殊化学成分要求并能保证特殊性能的、应用于特殊场合的钢类。与普通钢相比，特殊钢要求高纯净度、高均匀性和高尺寸精度，特殊钢精炼与普通优质钢相比，除了含有合金元素及低的杂质元素（S、P、H、N等）外，一个重要特点是对钢中氧和夹杂物的要求极高。由于在脱氧钢液精炼生产过程中存在着脱氧元素-钢中溶解氧、钢-渣、钢液-夹杂物、钢液-耐火材料、渣-耐火材料间的反应与平衡，因此在冶炼不同钢种时，选用合适的脱氧剂、适当成分的炉渣和钢包材质，对控制夹杂物的数量、组成和形态至关重要。

【关键词】特殊钢；脱氧工艺；夹杂物去除

引言

特殊钢是针对客户提出的质量要求，钢厂不断改进工艺，逐步提高成分、尺寸精确度和洁净度的各类钢的总称。钢中总氧量[TO]是衡量钢洁净度的重要标识，对于不同的钢种，其控制要求也不尽相同。通过热力学计算，比较不同脱氧剂的脱氧能力，并典型特殊钢种精炼过程中的脱氧及夹杂物控制，分析和讨论不同脱氧元素与钢液、熔渣以及耐火材料之间的相互作用机制。

1.钢液脱氧分析

不管用什么方法炼钢，都需要在熔池中供氧去除C、Si、Mn、P等杂质元素，氧化精炼结束后，钢液达到了一定的成分和温度，其氧含量一般超过了C-O平衡线，如图1所示。

如果钢水不进行脱氧，连铸坯就得不到正确的凝固组织结构，钢中氧含量高，还会产生皮下气泡、疏松等缺陷，并加剧S对钢的危害作用，而且还会生成过多的氧化物夹杂。在室温下，钢中氧含量的增加将使钢的伸长率和断面收缩率显著降低。在较低温度和含氧量极低时，钢的强度和韧性随氧含量的增加而急剧降低。随氧含量的增加，钢的抗冲击性能下降，脆性转变温度很快升高。氧在钢中形成氧化物夹杂，对钢的塑性、韧性和疲劳强度均有不利影响。

1.1 脱氧对钢液质量的影响：

a.控制钢液凝固时产生的碳氧反应的程度，对镇静钢而言，要抑制碳氧反应，生成致密钢锭。

b.降低钢中氧和夹杂物。

c.进行夹杂物的变性处理，以生成对钢的机械性能和疲劳寿命影响小的夹杂物我出发点，改变夹杂物形态，有的需要球形，有的生产工艺要求解决水口堵塞问题。

图1终点碳和终点活性氧的关系图

1.2 脱氧方式

脱氧是指向炼钢熔池或钢水中加入脱氧剂进行脱氧反应，脱氧产物进入渣中或成为气相排出。根据脱氧发生地点的不同，其脱氧方法分为沉淀脱氧、扩散脱氧、真空脱氧。

1.2.1 沉淀脱氧

原理：将块状脱氧剂加入钢液中，脱氧元素在钢液内部与钢中氧直接反应，生成的脱氧产物上浮进入渣中的脱氧方法，叫做沉淀脱氧，也叫直接脱氧。

优点：脱氧速度快。

缺点：脱氧产物有可能难以全部上浮排除而成为钢中的夹杂。

1.2.2 扩散脱氧

原理：（FeO）=[Fe]+[O]

通过向渣中加入粉状脱氧剂Fe-Si、C粉、Al粉等，不断降低渣中（FeO）活度，促使上述平衡向左进行，让钢液中的[O]降低的间接脱氧方式。

优点：非接触式，不会产生脱氧夹杂物。

缺点：脱氧速度慢。

1.2.3 真空脱氧

原理：[0]+[C]=CO↑

将钢包内钢水置于真空条件下，通过抽真空打破原有的碳氧平衡，促使碳与氧的反应，达到通过钢中碳去除氧的目的。

优点：脱氧比较彻底，脱氧产物为CO气体，不污染钢水，而且在排出CO气体的同时，还具有脱氢、脱氮的作用。

缺点：需要专门的设备，徐较大的投资。

2.脱氧产物分析与排除

2.1钢中夹杂物的种类及来源

钢的性能主要取决于钢的化学成分和组织，现在对钢的性能要求越来越高，对钢的化学成分和组织均匀性的要求与越来越高。

从不同角度出发，可划分为：

2.1.1氧化物夹杂按成分分类。

a.简单氧化物：SiO2、Al2O3、MnO、TiO2等。

b.复杂氧化物：包括尖晶石类化合物和各种钙的铝酸盐。

c.硅酸盐以及硅酸盐玻璃：

通用式为 lFeO·mMnO·nAl2O3·SiO2。

2.1.2夹杂物按来源分。

a.外来夹杂物：由于耐材、熔渣在冶炼、精炼以及浇注过程中进入钢中并滞留在钢中造成的。

b.内生夹杂物：在液体或固体钢中，由于脱氧和凝固时进行的各种物理化学反应而成。

2.2脱氧产物的排除

钢液脱氧后，搅拌时脱氧产物去除得很快。一般认为，总氧量的减少是由一次脱氧产物的去除所决定的，当用分析成分计算的浓度积K=w[Si]%·w[O]2%与平衡值KSi=w[Si]%·w[O]2%一致时，则认为一次脱氧产物上浮终了。没有搅拌时，K和KSI很长时间也达不到一致；而在强烈搅拌时，脱氧元素刚刚加入不久，一次脱氧产物在很短时间内便急剧地减少。其一次脱氧产物随时间变化呈表观一级反应形式：

C=C0exp（kt）

式中，C为钢中一次脱氧产物量，即夹杂物量；C0为开始时的夹杂物量；t为时间；k为夹杂物上浮分离速度系数。用上式所求的k值大小可以评价夹杂物去除速度的大小，其与脱氧剂的加入数量及种类、钢液温度、容量以及搅拌强度等都有关系。对钢液加以搅拌的目的在于，使钢液运动，促使夹杂物的聚集与上浮。表1所示为钢液不同运动状态对铝、硅脱氧产物的影响。

为了促进上浮，形成密度小的大粒度脱氧生成物是有益的，具体地说，要采用下面的方法：

a.用复合脱氧的方法，生成对脱氧生成物的成长有利的液态氧化物。

b.复合脱氧，脱氧剂按顺序添加。

c.脱氧剂投入后要让钢水静置一段时间。

d.为了确保生长上浮时间，在粗精炼炉内要进行预脱氧或脱氧。

3.结论

目前炼钢生产中采用控铝脱氧工艺和加铝脱氧工艺。其中加铝脱氧的一次脱氧率大于百分之九十 ，脱氧产物主要是AL2O3；而控铝脱氧一次脱氧析出较少的脱氧产物量，其一次脱氧产物主要是SIO2。

参考文献：

[1]张鉴.炉外精炼的理论与实践[J].北京：冶金工业出版社，2004

[2]车得福.林宗虎.陈学俊.气泡在液体中形成的试验研究钢铁研究学报[J]，（1）：9