VD脱气基础知识.docVIP

2 去除钢气体 2.1 钢中气体的危害性和来源 本章所指钢中气体主要是氢气和氮气，它特殊钢生产的大敌。溶解于钢中的氢气的析出是造成缩孔、白点、发裂、钢锭上涨、不同类型气泡等缺陷的主要原因；溶解于钢中而未及析出的氢气会降低钢中的强度极限、断面收缩率、延伸率和冲击韧性，其中后三者的降低更为严重。 钢中的氮气可使钢材产生时效脆化，使钢中的冲击韧性降低，且与磷一样能引起钢的冷脆；此外氮还与钢中钛、硼、钒、铝等元素形成氮化物夹杂使钢的性能降低。但氮与钢中镍一样，有保持γFe的作用，常用氮部分地代替贵重的镍以冶炼奥氏体不锈钢，所以就此而言氮有显著的经济意义。 综上所述，除个别情况外，钢中氢和氮在大多数和情况下对钢的性能是有害的，所以应当采取各种方法将它们降低到尽可能低的程度。 冶炼和浇注过程中气体主要经由以下途径进入钢中，即氢气通过废钢和废铁表面的铁锈; 铁合金中的氢气、增碳剂、造渣材料（Ca(OH)2）、木耙（含水15%）、沥青和焦油中的水分；未烤干的钢桶、浇道、中注管和锭模涂油（碳氢化合物）以及大气中的水分与钢水或炉渣作用而进入钢中。 氢气通过占空气体积3/4的氮在电弧作用下离解而溶入钢中此外铁合金、废钢、废铁和渣料中的氮也会随炉料而带入钢水中。 2.2 气体的溶解与去除规律 2.2.1 气体溶解的热力学 氢和氮在铁水中的溶解服从众所周知的平方根定律，即： (2-1) （2-2） 式中KH，KN—氢和氮向钢水中溶解的平衡常数； PH2，PN2—与铁水平衡的氢、氮分压力。 不同温度下铁中氢和氮的溶解度如表2-1所列[1]。 表2-1 不同温度下铁中氢和氮的溶解度 铁的状态 0.1MPa(1atm) 1MPa 液体铁 液体铁 1600℃和0.1MPa（1atm）纯氢和纯氮气下铁基合金中氢和氮的溶解度变化分别如图2-1和图2-2所示[2]. 考虑不同元素对氢、氮在铁水中溶解度的影响后，相应的活度系数可用式2-3计算，而和可由表2-2查得。 (2-3) 当汽水与钢水接触时也会向钢中增氢，其反应[4]： H2O=2[H]PPm+[O] △G°202222-150.013T (2-4) 钢水与湿空气接触时，其吸氢的反应为： △G°319453-147.124T (2-5) 从以上两式看出PH2O愈高，[%O]或PO2愈低，钢中[H]愈高。 在脱氧良好的条件下，溶解于钢中的氮还可与钢中Ti，V，Al，B等形成氮化物以使其溶解度增加，其生成反应和相关的热力学数据如表2-3所列。 表2-2 1600℃下Fe-j熔体中和的值[3] 元素 Al B C Co Cr Cu Mn Mo Nb Ni O P S Si Ta Ti V W 0.013 0.05 0.06 0.0018 -0.0022 0.0005 -0.0014 0.0022 -0.0023 0.0 -0.19 0.011 0.008 0.027 -0.02 -0.019 -0.0074 0.0048 -0.028 0.094 0.13 0.011 -0.047 0.009 -0.02 -0.011 -0.06 0.01 0.05 0.045 0.007 0.047 -0.032 -0.53 -0.093 -0.0015 表2-3 一些元素与氮反应的热力学数据 反 应 K1600℃ K1600℃ 0.0011 0.0020 0.034 0.374 13.7 0.00064 0.0011 0.01 0.318 10.1 除此以外，气体通过炉渣进入钢中，也是钢液吸收气体的一条重要途径。在氧化性炉渣中氢以（OH-）状态存在，而在还原性炉渣中以（OH-）和氢化物的状态存在[5]。故在氧化性炉渣中氢的吸收反应为： (MeO)+H2O=Me(OH)2 (2-6) (2-7) 通过上列反应形成的Me(OH)2中，Ca(OH):最为稳定，其△H110J/mo1,而稳定性最低的是Fe（OH）2，其△H=-59J/mo1。从式中2-7可以看出，aMeoPH2o愈大，则炉渣含氢愈多，炉渣中CaO等强碱性氧化物含量愈高，则吸氢现象表现愈为突出。在还原性炉渣中，除按上式吸收氢气外，氢还可通过形成氢化物进入渣中。 (CaO)+H2+C(Me)=(CaH2)+CO(MeO) (2-8) 而当炉气中O2或炉渣中aFeo 升高时，氢化物又会按下列反应转变成Ca(OH)2。 (CaH2)+O2=(Ca(OH)2) (2-9) (CaH2)+2(FeO)=(Ca(OH)2)