常规炼钢脱氧元素与氧平衡理论分析

曹东

【摘 要】通过常规脱氧元素与氧平衡的热力学分析,结合工业生产结果,探讨了Al、Ti、Si、Nb、Mn的脱氧能力.得出结论,只有控制顶渣中氧化铁活度<0.1,才可实现与之相平衡的钢液中的氧活度为0.0229,进而减轻顶渣向钢液供氧;Al是常规脱氧剂中最强的脱氧元素,主要元素的控氧能力依次为Al>Ti>Si>Nb>Mn,体系最终氧活度将取决于与氧结合能力最强的元素.

【期刊名称】《鞍钢技术》

【年(卷),期】2017(000)004

【总页数】5页(P15-18,43)

【关键词】炼钢;脱氧;平衡;热力学

【作 者】曹东

【作者单位】鞍钢集团钢铁研究院,辽宁鞍山114009;海洋装备金属材料及应用国家重点实验室,辽宁鞍山114009

【正文语种】中 文

【中图分类】TF769

精炼过程中，钢液氧活度的变化同时受到钢液成分和炉渣成分的双重影响。因与顶渣状态高度相关［1-2］,脱氧前钢液中实际氧活度往往高于理论平衡值，通常将二者之差称为过剩氧。对于这部分过剩氧主要依靠脱氧合金去除，脱氧产物的大颗粒部分依靠自身与钢液的密度差自然上浮，被顶渣吸收；但小颗粒仍会滞留钢液中，有的缓慢上浮，悬浮在钢液中的微小颗粒（Al2O3）与钢液接触时的高界面能会使其粘结到耐材表面，相互烧结并形成复杂的簇团，即堵塞水口的絮流物［3-6］；有的直至浇铸结束也未能排除干净，最终留存至铸坯。而不同的脱氧工艺对絮流物的成因及浇铸效果均会产生不同的影响，因此，本文重点探讨在诸多合金元素同时存在的条件下，钢液中的氧将是何种平衡状态，以期为低、微合金钢种的脱氧工艺选择脱氧合金提供理论上的支持。

一般情况下，就普碳钢而言，钢液中最稳定、最通用的反应平衡就是碳-氧平衡，常常将其视为整个体系的平衡标准，但对于碳含量要求<0.005 0%的 IF钢来说，由于碳含量已处于微量元素范围，若仍以其作为体系平衡的标准，则即使体系CO分压PCO/PΘ<0.01，ω［O］仍然高达0.020 0%，碳-氧平衡关系图见图1所示。

由图1看出，随着CO分压的逐步降低，钢液中碳、氧平衡值也逐步降低。为实现CO分压迅速下降，最有效的手段就是真空。但在开放式炼钢工况条件下，无法依靠碳脱氧来实现钢质镇静化，因此，必须考虑其他脱氧元素及顶渣状态对氧活度的影响。公式如下：

式中，PCO、PΘ分别为 CO分压和标准压力，Pa；f［C］、f［O］分别为 C、O 的

活度系数；ω［C］、ω［O］分别为钢液中溶解的C、O含量，%；T为温度，K。下文符号代表意义相近。

因氧化产物稳定，脱氧彻底，铝作为最常规的深脱氧剂被钢厂大量使用，为此常以钢液中酸溶铝作为控氧元素。当控制顶渣中氧化铝活度＜0.1时，与钢液中ω［Al］=（5～10）×10-6相平衡的ω［O］=（18～12）×10-6（假设活度系数f［Al］=1，f［O］=1），由于渣系不同导致Al2O3活度差异很大，在顶渣中Al2O3活度不同的条件下，钢液中铝-氧平衡图见图2。

依靠如此低的Als来维持ω［O］不变，这样的平衡在工况条件下是难于控制的。公式如下：

式中，取

表1为各工序ST14钢液成分变化情况，表2为各工序ST14炉渣成分变化情况。

若要控制氧活度<10×10-6，尤其是<3×10-6的Als，根据表2中大包顶渣成分数据，取aAl2O3=0.4～ 0.5（结合渣图集），温度T=1 600℃，则与之相平衡的Als应在0.015%～0.017%范围。在实际工况下生产ST14（Nb-IF钢）试验过程，采取LD-RH-CC工艺路线，中间包取样检测结果表明：在试验中实际氧活度平均控制在8.2×10-6，理论上与之平衡的Als应为0.003 5%～0.003 9%，而实际控制的Als范围为0.004 0%～0.008 0%，接近理论计算平衡值。可见，如此低的Als无法消耗外界新增氧，为维持新的体系平衡，外界向钢液供的氧将与其他元素发生反应。因此，实际Als含量必须控制在

平衡值以上，铝脱氧镇静钢一般控制Als>0.020 0%，这就意味着钢液中氧活度将低于1×10-6。

转炉出钢多采取硅锰合金进行初脱氧，根据IF钢种成分，选取Fe、Mn和Si三组元做优先考虑，由大包顶渣成分计算与该渣系相平衡的氧活度。RH搬出时，IF钢的成分及渣系成分如表3、4所示。

公式如下：

假设渣中氧化铁活度为0.5（根据成分设定），钢液 Fe活度为 1.0，在 T=1 600℃时，计算得，若实现 aFeO=0.1（脱氧后），则可见,顶渣FeO活度对与之平衡的钢液氧活度影响极大。所以，控制转炉下渣量及钢包顶渣改质是生产镇静钢的首选手段。

假设渣中氧化锰活度为0.04，钢液中Mn的活度，在T=1 600℃时，式中取，计算得。锰-氧平衡关系图如图3所示，渣中MnO的活度直接影响锰-氧平衡,抑制（MnO）活度的渣系，有利于降低锰-氧平衡。公式如下：

因碱性渣中二氧化硅活度非常低（二元碱度，假设，钢液 Si活度为0.025，在 T=1 600℃时，计算得=0.002 9%。硅-氧平衡关系图如图4所示,由于碱性渣中SiO2的活度很低，因此，Si脱氧是经济又实用的手段。

对于含Nb的IF钢，要求钢中ω［Nb］=0.025% ～0.045%，钢液中铌-氧平衡关系图如图5所示。

当渣中时，与 之相平 衡 的一般渣中NbO2的含量不会超过1%，所以，当用其含量代替其活度时，公式如下：

钛不仅作为钢中有益添加剂而在个别钢种中使用，有时也可作为深脱氧剂。因炼钢渣中存在大量的CaO，会形成CaO·TiO2（或CaTiO3）混合物，假设控制ω［Ti］=0.010%～0.005%，当渣中αTiO2=0.01时，与之相平衡的图6为钛-氧平衡关系图，由图6看出，随着渣中TiO2含量的降低，在碱性渣中其活度也在下降。公式如下：

根据氧在钢液中的溶解公式：

当钢水氧活度为20×10-6，可以算出体系氛围中氧分压只要大于5.8×10-8Pa，就可使钢水氧化。

而只要钢液面上存在氧化铁活度αFeO>0.01的炉渣，其平衡氧分压便大于5.8×10-8Pa，简言之，在开放性常规冶炼工况条件下，脱氧后的钢液是非稳态的，即总是向“回氧”方向驱动。

可见，若钢液中没有残留的脱氧剂，仅依靠钢液自身的抗氧化能力较差，尤其当氧活度降到较低水平时，钢液很容易发生二次氧化。炉气、含氧炉渣和炉衬都有可能成为钢液发生回氧的氧源。由于钢种对不同成分需求不同的特性，决定了这些脱氧元素不可能控制在相同数量级，而脱氧元素的含量及其在顶渣中脱氧产物的活度又共同作用于平衡氧活度，因此，假设脱氧元素在相同含量的前提下，与各种脱氧元素相平衡的氧活度依次为：

需要指出的是，Al因其较强的控氧能力成为深脱氧的首选，除非个别钢种对Al有特

殊要求，如帘线钢对Al2O3夹杂要求苛刻，被迫采取Si脱氧。由此也可以认为：当钢液中Al、Ti、Si、Nb、Mn同时存在时，若外界向钢液供氧，理论上依据优先氧化原则，首先消耗Als，然后是Ti、Si、Nb、Mn，但实际工况条件是，因Ti、Si也是较强的脱氧剂，因局部浓度起伏、动力学条件、接触界面等综合因素的影响，部分氧还是会与钢中Ti、Si发生反应生成TiO2、SiO2，这也是连铸水口絮流物中主要成分为TiO2+SiO2+Al2O3的原因。

（1）在IF钢生产中，控制顶渣中αFeO<0.1，则可控制与之相平衡的钢液中α［O］=0.022 9，操作中应控制转炉下渣量及钢包顶渣改质。

（2）常规脱氧元素中，Al是最强的脱氧元素，仅需0.020 0%的Als即可实现钢中α［O］<1×10-6。

（3）依据IF钢的成分设计，主要元素的控氧能力依次为Al>Ti>Si>Nb>Mn，体系最终氧含量将取决于与氧结合能力最强的元素。

【相关文献】

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