钢铁冶炼的关键：钢的冶金过程

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：坩埚在采用中性耐火材料情况下，钢液和耐火材料之间的反应较小。从钢的冶炼方面来看，良好的熔渣流动性是使钢和熔渣间反应充分进行的一个必要条件。图4-5-1 包含在渣中的钢的颗粒2.铝热钢的脱氧、镇静和含铝量脱氧就是去除钢中的氧，以得到符合使用要求的焊缝金属及防止钢液在浇入铸型后产生气孔等缺陷。

铝热反应过程是一个氧化和还原过程，其反应产物是钢和炉渣，在形成钢和渣的过程中以及形成以后，钢与渣之间以及钢、渣与坩埚耐火材料之间，各成分的相互反应不断进行。因此，所得钢的质量是与铝热反应的进行情况以及渣和坩埚耐火材料的组成和状态直接有关的。

1.坩埚中的渣—钢反应

铝热反应的产物钢和渣之间的反应与炼钢过程中的渣相与液相间的反应相似，同时具有这种反应的特点。为了得到合乎质量要求的铝热钢，对炉渣的成分和状态必须加以控制，对渣和钢之间的相互关系，应该有一个基本认识，以便于在生产过程中，掌握达到一定的质量要求。

（1）渣与钢中各组成物之间的关系根据铝热反应的主要反应式：

3FeO+2Al=3Fe+Al₂O₃

3Fe₃O₄+8Al=9Fe+4Al₂O₃

FeO₃+2Al=2Fe+Al₂O₃

反应的主要产物纯铁（Fe）在调整成分形成钢的过程中将发生以下反应：

3Fe+C=Fe₃C

上述反应式中的C是为增加钢中的含碳量而在焊剂中添加的石墨粉，并不是全部的石墨粉都能在钢内形成碳化铁。其中的一部分石墨碳会与钢或渣中的氧（在钢中以固溶氧[O]的形态或[FeO]形态存在，这里均以FeO表示）发生反应：

FeO+C=Fe+CO

生成的CO气体，使坩埚内产生激烈的沸腾。为了提高铝热钢的含锰量，在焊剂中一般加入锰铁，锰铁中的锰以及钢液中的锰会与钢或渣中的氧形成反应：

反应生成的MnO将进入渣中（少部分可能以夹杂物形态存留于钢内），锰的氧化使钢进一步脱氧。

同样，为了提高钢中的含硅量（例如在碱性或中性耐火材料的坩埚中），在焊剂中要加入硅铁增硅。加入硅铁中的硅以及钢液中的硅也会与钢或渣中的氧形成反应：

反应生成的SiO₂进入渣中（少部分可能残存于钢内形成夹杂物），其中SiO₂也可与渣中的MnO结合形成（MnO）_x（SiO₂）_y（硅酸锰）进入熔渣中：

xMnO+_ySiO₂→（MnO）_x（SiO₂）y

在铝热钢生成过程中要想通过熔渣来去除钢中的硫，必须满足两个条件：一是高温，二是熔渣具有高的碱度。铝热反应虽然能产生高温，但要配制高碱度渣系会引起钢液温度的降低，因此，在实际操作中不采取配制高碱度熔渣的方法，而采取严格控制原料中含硫量的方法，来保证铝热钢的含硫量在规定上限以下。

同样，要想在炼钢过程中达到去除钢中磷的目的，必须具备三个条件：高的熔渣氧化性、高的碱度和低的熔点。在铝热反应过程中要想满足这三个条件，必然会带来一系列不良的影响，如钢的脱氧不良、钢液温度低等，因此，在实际操作中也不采取这种方法，而是加强焊剂原料中含磷量的控制，以保证铝热钢的含磷量在规定限度以下。

（2）渣—钢间氧的平衡、渣的氧化性根据炼钢过程的一般原理，渣及钢中氧的含量是按照一定的比例分配的。当熔渣具有高的氧化性时（FeO含量高时），钢内的含氧量也相应增高。在这种情况下，钢中一些易与氧化合的元素（例如铝、硅、锰等）被氧化，加入的一些合金元素也有较大的烧损，此时如不继续进行补充脱氧就进行浇注，就会造成脱氧不良或过氧化等情况，使钢的质量变坏。同样，如果渣内的氧化铁被充分还原，熔渣不具有氧化性，则所得到的钢的脱氧也必然会较完全，才可以得到质量良好的钢。从铝热反应的产物来看，正常状态下铝热钢的熔渣组成主要以Al₂O₃为主并会有少量的FeO、MnO以及硅酸物等，是一种中性渣。当铝热反应不完全时，焊剂中的氧化铁不能被足够量的铝还原时，就会有过量的氧化铁进入渣中，使渣具有较强的氧化性，此时，一部分氧化铁也会直接与钢内各成分反应，导致钢内的易与氧化合的元素氧化烧损。由于脱氧不良，在铝热焊浇注后，液态金属中的氧化铁还会与碳发生以下反应：

FeO+C→Fe+CO

产生的CO气体在焊缝中会造成气孔等缺陷。

（3）钢液与坩埚耐火材料的反应铝热焊所用的坩埚耐火材料主要有3种：碱性耐火材料，常用的主要有镁砂（或电熔镁砂）；酸性耐火材料，常用的有石英砂、天然硅砂等；中性耐火材料，常用的有高铝耐火材料等。坩埚在采用中性耐火材料情况下，钢液和耐火材料之间的反应较小。当采用碱性耐火材料时，熔渣中的硅酸物会与坩埚衬上的碱性化合物结合，使坩埚衬受到侵蚀，同时也使钢中硅的损耗增加。因此，在使用碱性耐火材料作坩埚衬的情况下，仅靠还原氧化铁中的硅和铁钉头中的硅所得钢中的含硅量是不够的，一般还要添加硅铁来增硅。在采用酸性耐火材料时（例如石英砂或天然硅砂等），由于铝热反应温度很高，在高温下，熔渣以及坩埚耐火材料中的SiO₂会被还原成Si进入钢内。例如：

SiO₂+C→Si+CO₂

在采用铁Ⅲ一50焊剂和石英砂坩埚的情况下，这种还原作用可使焊缝轨头Si的质量分数在1.0%～1.6%，对于低碳低合金钢的焊缝来说，此种含硅量已经足够，在焊剂内可以不用另加硅铁增硅。因此，在选择热剂时，应该考虑到坩埚耐火材料对钢液成分的影响。

（4）熔渣的流动性铝热钢的熔渣以Al₂O₃为主，含有少量的FeO、MnO以及硅酸物等，由于渣的熔点较高，因此渣的流动性较差。从钢的冶炼方面来看，良好的熔渣流动性是使钢和熔渣间反应充分进行的一个必要条件。另一方面，如果熔渣流动性不好，渣中包含的钢的颗粒（被包含在渣内的，单独存在的小钢粒，在浇入砂型后随渣流出）也会增加，如图4-5-1所示，使铝热钢的实际收得率降低。因此，在有些热剂中，可加入提高熔渣流动性的熔剂，如氟化钙等，使钢的收得率提高到99%。由此可见，为了获得质量良好的铝热钢，应该控制熔渣—钢液间的各种反应。熔渣的一般情况可以从渣的颜色来判断，如氧化性强的渣，颜色发黑；碱度高而氧化铁含量少的渣，颜色从灰到白；酸性渣的颜色发绿；含MnO高的渣为深褐色；正常的铝热钢的熔渣是棕褐色。

图4-5-1 包含在渣中的钢的颗粒

2.铝热钢的脱氧、镇静和含铝量

脱氧就是去除钢中的氧，以得到符合使用要求的焊缝金属及防止钢液在浇入铸型后产生气孔等缺陷。

从铝热反应式可以看出，与一般炼钢过程的脱氧相似，铝热钢的脱氧主要由铝对氧化铁的还原程度来决定。而加入钢中的硅和锰等元素也可以使脱氧进行得更完全。当铝热反应尚未进行完全就浇注时，由于铝对氧化铁的还原不完全，因此在进入砂型后，游离的氧化铁会继续与钢中的易与氧结合的元素起作用（例如C、Mn、Si等），使钢的成分不稳定，并且在与C作用时生成的气体，会在焊缝内形成气孔。铝热反应进行的程度不同，在反应完成前后的不同阶段，钢中的含铝量也是不同的。铝热钢中的质量分数一般为0.25%～0.65%，这样的含铝量可以保证钢的脱氧完全，并有一部分铝可以起到细化晶粒的作用。钢中铝的质量分数过高（超过0.7%）则容易引起脆断。同时，镇静时间过短，反应过程中产生的气体不能充分逸出，会在焊缝中形成气孔及其他缺陷。图4-5-2是在铝热反应不同阶段将钢液浇入焊缝，焊缝金属含铝量的变化情况。图中纵轴为含铝量，横轴Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别为四组试验测得的数据统计结果。从图中可以看出，当铝热反应中的沸腾基本平静后，在坩埚内镇静一定时间，焊缝含铝量较低。如果反应没有完全结束就浇注，焊缝中铝含量将会较高。如果钢液镇静时间过长，则钢液温度降低过多，在浇注后会在焊缝内产生较多的缺陷。因此，应该掌握好铝热反应进行的情况和必要的镇静时间。

图4-5-2 在铝热反应完成前后的各阶段钢中含铝量的变化

A—在反应进行时浇注 B—在反应完成后立即浇注 C—在反应完成5s后浇注

钢铁冶炼的关键：钢的冶金过程

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