[科普中国]-扩散脱氧

简介

扩散脱氧是在液态金属与熔渣界面上进行的，是以FeO在两相中的分配定律为理论基础的。即FeO同时存在于熔渣和钢液中，熔渣中的FeO与钢液中的FeO能够互相转移，而且是趋于平衡。这种情况符合物理化学中的异相平衡的分配定律。

扩散脱氧通常是将脱氧剂加在熔渣中，使脱氧元素与熔渣中的FeO起作用而进行脱氧。当熔渣中的FeO含量减低时，钢液中的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。另外，通过降低温度，增大氧的分配系数，也可进行扩散脱氧。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。缺点是扩散过程进行得缓慢，脱氧时间长。

电炉炼钢电炉炼钢一般是采用沉淀脱氧与扩散脱氧相结合的方法，即先用锰（锰铁）进行沉淀脱氧，再用碳（炭粉）和硅（硅铁粉）进行扩散脱氧，最后再用铝进行沉淀脱氧。2

这种沉淀脱氧与扩散脱氧相结合的方法既能保证钢的质量，又不会使冶炼的时间过长。在电炉炼钢的脱氧过程中，扩散脱氧是重要环节。钢液脱氧是否良好与造还原渣（白渣或电石渣）脱氧操作有着重要的关系。脱氧的过程是在炉渣中进行的，如下图所示在白渣下的脱氧过程（钢液在电石渣下脱氧的原理与白渣下脱氧相似）：

前一阶段是碳起脱氧作用C+（FeO）=CO↑ +[Fe]；

后一阶段是硅起脱氧作用Si+2（FeO）=（SiO2）+2[Fe]；

还原生成的铁返回到钢液中，而氧化亚铁逐渐减少，这样就破坏了原来的平衡，于是钢液中氧化亚铁会自动地向炉渣中扩散转移 [FeO]→（FeO），这样就达到了脱氧的目的。

有利条件为了使扩散脱氧过程顺利进行，需要创造适当的热力学条件和动力学条件。实现扩散脱氧的有利条件如下：

1、还原性炉气只有炉气是还原性的，才有可能造出还原性（含氧化亚铁少）的炉渣。

例如，电弧炉炼钢由于不用燃烧方法加热，因此能够关闭炉门，避免进入空气，保持还原性炉气。这是电弧炉炼钢的优点之一。

2、高的炉温高温有利于碳的脱氧。

从下图可以看出，在炉温升高的条件下，碳与氧的亲和力增大，而铁与氧的亲和力减小，因此，炉温愈高，碳的脱氧能力愈强。这与一般焊接熔池中扩散脱氧要求温度低正相反。2

3、炉渣的粘度炉渣的粘度要小。

炉渣粘度大，会使氧化亚铁的传输速度降低，因而使脱氧速度变慢，脱氧的效果差

真空脱氧真空脱氧的原理实质上是以降低CO分压为手段加强钢液中碳的脱氧能力。由于钢液的熔化过程是在真空条件下进行，碳的脱氧能力比在常压下大为提高。这是因为碳的氧化反应

[C]+[O]=CO↑

生成的CO不溶于液态金属，直接被抽走，有利于反应向右进行得很彻底，因而钢液脱氧良好。

研究表明，在温度1873K、PCO=1.0kPa的条件下，WC=0.1%时WO=2.5×10-4%；WC=0．5%时WO=0.5×10-4%，即当PCO=1.0kPa时碳的脱氧能力高于铝的脱氧能力。这是按理想条件计算的结果，没有考虑钢液同其他氧化物的接触情况，这只有在特殊的成形工艺冶炼中（例如真空电弧炉熔炼、电子轰击炉熔炼、真空电子束焊接等）才有可能。而在一般的真空处理时，钢液总是同钢包衬或炉渣接触。在钢液同各种氧化物接触的条件下，碳不仅使钢液脱氧，还能使其他氧化物还原。

例如发生（SiO2）→[Si]+2[O]反应。这些还原反应除了降低钢液的脱氧程度以外，还可能使钢液中一些成分达到不应有的上限。因此在一般真空处理条件下，碳只能起到部分脱氧的作用。尽管如此，在真空条件下用碳脱氧，脱氧产物不留在钢液中，所以对提高钢液质量有明显的效用。