第九章材料成形基本原理课件

1、合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作 液态金属与气相和渣相的相互作用，可能造成自身的污液态金属与气相和渣相的相互作用，可能造成自身的污染。所谓金属的净化，即是利用一定的物理化学反应，去染。所谓金属的净化，即是利用一定的物理化学反应，去除液态金属中的有害元素、夹杂物和气体的过程。除液态金属中的有害元素、夹杂物和气体的过程。 第一节第一节 液态金属的脱氧液态金属的脱氧 第二节第二节 液态金属的脱碳反应液态金属的脱碳反应 第三节第三节

2、 液态金属的脱硫液态金属的脱硫 第四节第四节 液态金属的脱磷液态金属的脱磷净化与精炼净化与精炼的顺序？的顺序？合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作第一节第一节 液态金属的脱氧液态金属的脱氧一、脱氧元素与脱氧能力一、脱氧元素与脱氧能力二、先期脱氧二、先期脱氧 三、沉淀脱氧三、沉淀脱氧 四、扩散脱氧四、扩散脱氧五、真空脱氧五、真空脱氧常用脱氧方法常用脱氧方法合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作一、脱氧

3、元素与脱氧能力 对于钢液来说，对于钢液来说，脱氧就是用脱氧剂除去钢液中溶脱氧就是用脱氧剂除去钢液中溶入的原子态氧或氧化铁中的氧而将铁还原的措施入的原子态氧或氧化铁中的氧而将铁还原的措施。脱。脱氧剂的脱氧能力可以用加入等量的脱氧元素后，钢液氧剂的脱氧能力可以用加入等量的脱氧元素后，钢液中氧化亚铁的平衡含量来衡量。中氧化亚铁的平衡含量来衡量。 x Me y FeO （ MexOy ） y Fe 式中，式中，Me表示脱氧元素，如表示脱氧元素，如 Mn、Si、Al 等。等。 当反应达到平衡时，当反应达到平衡时，e与钢液中氧化亚铁的含量（残留量）之与钢液中氧化亚铁的含量（残留量）之间存在着下述的关系：间

4、存在着下述的关系： % Me x % FeO y = K K是平衡常数，是温度的函数。是平衡常数，是温度的函数。 由此可见，由此可见，钢液中氧化亚铁的残留量与脱氧元素的残留量成钢液中氧化亚铁的残留量与脱氧元素的残留量成反比反比，脱氧元素的残留量愈高，则氧化亚铁的残留量愈低，即，脱氧元素的残留量愈高，则氧化亚铁的残留量愈低，即钢液的脱氧程度愈彻底。钢液的脱氧程度愈彻底。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作右图表明一些元素的脱右图表明一些元素的脱氧能力及在不同的残留氧能力及在不同的残留量条件下钢液的

5、脱氧程量条件下钢液的脱氧程度。度。元素按脱氧能力由小到元素按脱氧能力由小到大排列顺序是：大排列顺序是：Cr、Mn、V、C、Si、B、Ti、Al、Zr、Be、Mg、Ca。 Me ，% O ，%n当使用几种脱氧剂进当使用几种脱氧剂进行脱氧时，应按照脱氧行脱氧时，应按照脱氧能力的顺序由小到大依能力的顺序由小到大依次使用。次使用。n铸造和焊接中最常用铸造和焊接中最常用的脱氧剂是的脱氧剂是锰、硅、钛锰、硅、钛和铝和铝。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作二、先期脱氧二、先期脱氧 对于药皮焊条电弧焊过程，在

6、药皮加热阶段，固态的造渣、造气剂中进对于药皮焊条电弧焊过程，在药皮加热阶段，固态的造渣、造气剂中进行的脱氧反应称为先期脱氧，其特点是脱氧过程和脱氧产物与高温的液态行的脱氧反应称为先期脱氧，其特点是脱氧过程和脱氧产物与高温的液态金属不发生直接关系。金属不发生直接关系。 含有脱氧元素的造渣剂和造气剂被加热时其中的高价氧化物含有脱氧元素的造渣剂和造气剂被加热时其中的高价氧化物或碳酸或碳酸盐分解出的氧和二氧化碳便和脱氧元素发生反应盐分解出的氧和二氧化碳便和脱氧元素发生反应。 Ti 2CO2 TiO2 2CO 2Al 3CO2 Al2O3 3CO Si 2CO2 SiO2 2CO Mn CO2 MnO

7、CO 反应的结果反应的结果使气相的氧化性减弱使气相的氧化性减弱， 起起到先期脱氧的作用。到先期脱氧的作用。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作三、沉淀脱氧三、沉淀脱氧 沉淀脱氧是指溶解于液态金属中的脱氧剂直接和熔池中的沉淀脱氧是指溶解于液态金属中的脱氧剂直接和熔池中的FeO起作用，使其转化为不溶于液态金属的氧化物，并起作用，使其转化为不溶于液态金属的氧化物，并脱溶沉淀转入熔渣中的一种脱氧方式。脱溶沉淀转入熔渣中的一种脱氧方式。 这种方法的优点是这种方法的优点是脱氧速度快脱氧速度快，脱氧彻底脱氧彻

8、底。但脱氧产物不能。但脱氧产物不能清除时将增加金属液中杂质的含量。其脱氧反应为：清除时将增加金属液中杂质的含量。其脱氧反应为： x Me y O （ MexOy ）或：或： x Me y FeO （ MexOy ） y Fe 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作熔渣碱度熔渣碱度BL，脱氧元素种类及数量对脱氧效果的影响，有如下关，脱氧元素种类及数量对脱氧效果的影响，有如下关系式：系式： 其中，其中，A、C、D为与脱氧元素有关的常数。从上式看出：为与脱氧元素有关的常数。从上式看出：金属含氧量金属含氧

9、量O，随熔渣碱度，随熔渣碱度BL的增大而减少；的增大而减少；Me越多、（越多、（MexOy）越少，脱氧效果越好；）越少，脱氧效果越好；熔渣性质应与脱氧产物性质相反熔渣性质应与脱氧产物性质相反，这样有利于降低脱氧产物在熔，这样有利于降低脱氧产物在熔渣中的活度，也有利于熔渣吸收脱氧产物。渣中的活度，也有利于熔渣吸收脱氧产物。)yD-C(y1)%lg(y1%lgyxyA%lgyxOMeMeBOL合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作 进行沉淀脱氧应考虑的三个要点：进行沉淀脱氧应考虑的三个要点： 对氧亲和

10、力较大对氧亲和力较大的元素；的元素； 脱氧产物应不溶于金属脱氧产物应不溶于金属而成为独立液相转入熔渣；而成为独立液相转入熔渣； 熔渣的酸碱性质应与脱氧产物的性质相反熔渣的酸碱性质应与脱氧产物的性质相反，以利于，以利于熔渣吸收脱氧产物熔渣吸收脱氧产物 。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作焊条药皮成分中，常采用锰铁、硅铁和钛铁作为脱焊条药皮成分中，常采用锰铁、硅铁和钛铁作为脱氧元素，请说明它们分别适用于哪种药皮类型？氧元素，请说明它们分别适用于哪种药皮类型？答答 案案酸性焊条常采用锰铁作为脱氧元素

11、；酸性焊条常采用锰铁作为脱氧元素；碱性焊条常采用锰铁和硅铁（或钛铁）联合脱氧。碱性焊条常采用锰铁和硅铁（或钛铁）联合脱氧。 思思 考考 题题合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作为什么酸性焊条常采用为什么酸性焊条常采用锰铁作为脱氧元素？锰铁作为脱氧元素？ 酸性渣中含有较多的酸性渣中含有较多的 SiO2 和和 TiO2，它们容易与锰的脱，它们容易与锰的脱氧产物氧产物 MnO 生成复合物生成复合物 MnOSiO2 和和 MnOTiO2，使，使 MnO 的活度系数减小，因此脱氧效果较好。相反，在碱性的活

12、度系数减小，因此脱氧效果较好。相反，在碱性渣中渣中 MnO 的活度较大，不利于锰脱氧。碱度越大，锰的脱的活度较大，不利于锰脱氧。碱度越大，锰的脱氧效果越差。氧效果越差。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作 为什么碱性焊条不单独为什么碱性焊条不单独 采用硅铁作为脱氧元素？采用硅铁作为脱氧元素？ 硅的脱氧能力比锰大，但生成的硅的脱氧能力比锰大，但生成的 SiO2熔点高，通常认熔点高，通常认为处于固态，不易聚合为大的质点；同时为处于固态，不易聚合为大的质点；同时SiO2与钢液的与钢液的界面张力小，润

13、湿性好，不易从钢液中分离，易造成夹杂。界面张力小，润湿性好，不易从钢液中分离，易造成夹杂。 因此，碱性焊条一般不单独用硅脱氧。因此，碱性焊条一般不单独用硅脱氧。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作碱性焊条需采用锰铁和硅铁碱性焊条需采用锰铁和硅铁（或钛铁）联合脱氧（或钛铁）联合脱氧 把硅和锰按适当的比例加入液态金属中进行复合把硅和锰按适当的比例加入液态金属中进行复合脱氧时，其脱氧产物为低熔点、低密度的不饱和硅脱氧时，其脱氧产物为低熔点、低密度的不饱和硅酸盐，易于浮出，并易被熔渣吸收，从而减少钢中酸

14、盐，易于浮出，并易被熔渣吸收，从而减少钢中的夹杂物和含氧量，脱氧效果十分显著。的夹杂物和含氧量，脱氧效果十分显著。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作两种以上脱氧元素的复合脱氧剂实例两种以上脱氧元素的复合脱氧剂实例 在转炉炼钢时，炉内加入一定量的在转炉炼钢时，炉内加入一定量的硅锰合金硅锰合金进行预脱氧，进行预脱氧，结果使钢中氧含量大大降低；结果使钢中氧含量大大降低；二氧化碳气体保护焊焊丝二氧化碳气体保护焊焊丝H08MnH08Mn2 2Si Si 中就是用适当比例的中就是用适当比例的锰和硅来进行联

15、合脱氧。锰和硅来进行联合脱氧。钙的脱氧能力很强，但它的蒸气压高，在钢液中溶解度低，钙的脱氧能力很强，但它的蒸气压高，在钢液中溶解度低，脱氧效果变差；如果用脱氧效果变差；如果用硅钙合金硅钙合金作脱氧剂，则可提高钙的作脱氧剂，则可提高钙的溶解度，减少蒸发损失，易生成低熔点的硅酸钙，对溶解度，减少蒸发损失，易生成低熔点的硅酸钙，对AlAl2 2O O3 3 还起助熔作用。铬镍不锈钢在熔炼末期的出钢前，通常加还起助熔作用。铬镍不锈钢在熔炼末期的出钢前，通常加入硅钙合金进行最终脱氧入硅钙合金进行最终脱氧。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本

16、原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作四、扩散脱氧四、扩散脱氧 扩散脱氧是在液态金属与熔渣界面上进行的，利用扩散脱氧是在液态金属与熔渣界面上进行的，利用（ FeO）与）与 FeO 能够互相转移能够互相转移, 趋于平衡时符合分配定趋于平衡时符合分配定律的机理进行脱氧：律的机理进行脱氧： 式中的式中的 LFeO 是温度的函数，与熔渣的成分有关。是温度的函数，与熔渣的成分有关。 焊接熔池中的扩散脱氧焊接熔池中的扩散脱氧 钢铁熔炼中的扩散脱氧钢铁熔炼中的扩散脱氧FeOLFeO(FeO)合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料

17、科学与工程学院制作焊接熔池中的扩散脱氧焊接熔池中的扩散脱氧在焊接熔池中，随着熔池后部温度降低在焊接熔池中，随着熔池后部温度降低 LFeO 增增大，大， FeO 向熔渣中扩散。向熔渣中扩散。脱氧的关键是降低脱氧的关键是降低（FeO） 的活度的活度。在酸性渣中，由于在酸性渣中，由于 SiO2（或（或TiO2）易与）易与(FeO) 生成复合物生成复合物 FeOSiO2（或（或FeOTiO2），使），使（FeO）的活度减小，有利于扩散脱氧的进行；）的活度减小，有利于扩散脱氧的进行；n 碱性渣中（碱性渣中（FeO）活度大，其扩散脱氧的能力比）活度大，其扩散脱氧的能力比酸性渣差；酸性渣差；n 增加熔渣中的

18、脱氧剂含量可促进增加熔渣中的脱氧剂含量可促进 FeO 向熔渣向熔渣中扩散。中扩散。n 在焊接熔池凝固过程中，由于在焊接熔池凝固过程中，由于液态熔池存在时液态熔池存在时间短间短，FeO的扩散速度慢的扩散速度慢，因此，因此扩散脱氧进行得很扩散脱氧进行得很不充分不充分。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作钢铁熔炼中的扩散脱氧钢铁熔炼中的扩散脱氧钢铁熔炼时的扩散脱氧通常是将脱氧剂加在熔渣钢铁熔炼时的扩散脱氧通常是将脱氧剂加在熔渣中，使脱氧元素与（中，使脱氧元素与（FeO）反应。当熔渣中的氧）反应。当熔渣

19、中的氧化铁含量降低时，化铁含量降低时，FeO就向熔渣中扩散。这样就向熔渣中扩散。这样就间接地达到了脱去钢液中就间接地达到了脱去钢液中FeO的目的。扩散的目的。扩散脱氧的优点是脱氧产物留在熔渣中，液态金属不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。会因脱氧而造成夹杂。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作（1）锰（锰铁）进）锰（锰铁）进行行沉淀脱氧沉淀脱氧（2）硅（硅铁粉）硅（硅铁粉）和碳（炭粉）进行和碳（炭粉）进行扩扩散脱氧散脱氧（3）用铝进行）用铝进行沉淀沉淀脱氧脱氧 电炉

20、炼钢一般采用电炉炼钢一般采用 沉淀脱氧与扩散脱氧相结合沉淀脱氧与扩散脱氧相结合 的脱氧方法，即：的脱氧方法，即：合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作白渣下的脱氧过程白渣下的脱氧过程： C （FeO） Fe CO Si 2(FeO) 2Fe (SiO2) FeO （ FeO ） 为使扩散脱氧过程顺利进为使扩散脱氧过程顺利进行，需要采取下列措施：行，需要采取下列措施： 1）还原性炉气）还原性炉气 2）高的炉温）高的炉温 3）低粘度炉渣）低粘度炉渣合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五

21、”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作五、真空脱氧五、真空脱氧 真空脱氧时钢液的熔化过程是在真空条件下进行，利用抽真空脱氧时钢液的熔化过程是在真空条件下进行，利用抽真空降低气相中真空降低气相中COCO分压来加强钢液中碳的脱氧能力分压来加强钢液中碳的脱氧能力。 C O CO 研究表明：在研究表明：在1600下，若使下，若使PCO1.0KPa，C的脱氧能的脱氧能力高于力高于Al的脱氧能力。的脱氧能力。碳不仅使钢液脱氧，还促使其它氧化物还原，例如：碳不仅使钢液脱氧，还促使其它氧化物还原，例如： （SiO2） Si + 2O 使钢液中一些元素含量超标。因此，

22、在一般真空处理时使钢液中一些元素含量超标。因此，在一般真空处理时碳只能达到部分脱氧的作用。碳只能达到部分脱氧的作用。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作第二节第二节 液态金属的脱碳反应液态金属的脱碳反应 脱碳反应是成形冶金中最重要的反应之一，其主要目的是借助脱碳反应是成形冶金中最重要的反应之一，其主要目的是借助于脱碳过程去除钢液中的有害气体和夹杂物，对钢液起精炼作于脱碳过程去除钢液中的有害气体和夹杂物，对钢液起精炼作用。反应方式主要有两种，一种是碳被氧化性气体直接氧化：用。反应方式主要有两种，

23、一种是碳被氧化性气体直接氧化： C O2 2 CO C CO2 2 CO 另一种方式是间接氧化：钢铁液中的铁先被氧化生成氧化亚铁，另一种方式是间接氧化：钢铁液中的铁先被氧化生成氧化亚铁，而后碳又被氧化亚铁所氧化：而后碳又被氧化亚铁所氧化： 2FeO22FeO CFeO Fe CO 脱碳反应的产物是一氧化碳。一氧化碳不溶解于钢液，因脱碳反应的产物是一氧化碳。一氧化碳不溶解于钢液，因而形成了大量的气泡。气泡在与钢液脱离和上浮过程中，使而形成了大量的气泡。气泡在与钢液脱离和上浮过程中，使钢液受到强烈的搅动，使得钢液温度和化学成分均匀，并能钢液受到强烈的搅动，使得钢液温度和化学成分均匀，并能有效地清除

24、钢液中的气体和非金属夹杂物。有效地清除钢液中的气体和非金属夹杂物。 在冲天炉熔炼过程中，铁液的脱碳主要是通过炉气中的在冲天炉熔炼过程中，铁液的脱碳主要是通过炉气中的O2和和CO2成分对铁液的直接脱碳成分对铁液的直接脱碳以及以及炉气通过炉气通过 FeO 对铁液的间接脱对铁液的间接脱碳碳。而在炼钢生产中，一般是通过向钢液中吹氧或加矿石进行。而在炼钢生产中，一般是通过向钢液中吹氧或加矿石进行脱碳反应的。脱碳反应的。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作 C和和Fe，与，与O的亲和力哪的亲和力哪一个更强？

25、一个更强？ 当温度超过当温度超过1200以后，以后，碳氧的亲和力就超过铁碳氧的亲和力就超过铁氧的亲和力氧的亲和力。 在炼钢生产上规定，只有在炼钢生产上规定，只有在钢液温度超过在钢液温度超过1530时，时，才可以吹氧和加矿石脱碳。才可以吹氧和加矿石脱碳。 T / K图图9-4 碳的氧化反应与铁的碳的氧化反应与铁的 氧化反应的生成自由能图氧化反应的生成自由能图F（Jmol-1）合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作 在熔化焊接过程中，如果母材或焊接材料中含碳量较在熔化焊接过程中，如果母材或焊接材料中含

26、碳量较高，熔池中又存在一定的含氧量，那么在熔滴和熔池的高，熔池中又存在一定的含氧量，那么在熔滴和熔池的高温阶段，上述反应进行得很激烈，产生的大量高温阶段，上述反应进行得很激烈，产生的大量CO气体气体受热膨胀，发生爆炸，受热膨胀，发生爆炸，飞溅飞溅增大，严重时造成焊接过程增大，严重时造成焊接过程不稳定。如果在熔池后半部结晶时还进行这些反应，则不稳定。如果在熔池后半部结晶时还进行这些反应，则可能产生可能产生气孔气孔。因此一般选用。因此一般选用焊材中的碳含量低于母材焊材中的碳含量低于母材。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大

27、学材料科学与工程学院制作真空法脱碳真空法脱碳 近代在发展新型低合金结构钢、低温钢和不锈钢等钢种中近代在发展新型低合金结构钢、低温钢和不锈钢等钢种中要求钢中含碳量很低要求钢中含碳量很低低碳（低碳（0.08）、超低碳）、超低碳（0.03）、以及极低碳（）、以及极低碳（0.01）的钢液。在一的钢液。在一般的空气气氛冶炼条件下是难以达到的。因为钢液中的碳和般的空气气氛冶炼条件下是难以达到的。因为钢液中的碳和其它元素都与钢中的氧存在一定的平衡关系。当钢液中的碳其它元素都与钢中的氧存在一定的平衡关系。当钢液中的碳被氧化得很低时，钢中的氧就会达到很高的值。被氧化得很低时，钢中的氧就会达到很高的值。 合肥工业

28、大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作为了冶炼纯净度高的低为了冶炼纯净度高的低碳钢液，比较有效的方碳钢液，比较有效的方法是在真空下进行脱碳。法是在真空下进行脱碳。例如生产中采用真空氩例如生产中采用真空氩氧脱碳精炼（氧脱碳精炼（VOD）法）法以及真空氩氧脱碳转炉以及真空氩氧脱碳转炉（VODC）法。）法。 C, %在在1700和不同的一氧化碳和不同的一氧化碳压力下压力下C-O之间的平衡关系之间的平衡关系合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工

29、业大学材料科学与工程学院制作第三节第三节 液态金属的脱硫液态金属的脱硫 硫硫 的的 危危 害：害：凝固时凝固时偏析偏析，在晶界形成在晶界形成低熔点共晶低熔点共晶FeFeS（熔点为（熔点为985） FeSFeO（熔点为（熔点为940） NiSNi（熔点为（熔点为644） 结结 晶晶 裂裂 纹纹合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作 沉淀脱硫 熔渣脱硫 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作沉淀脱硫沉淀脱

30、硫 沉淀脱硫和沉淀脱氧一样，是将脱硫合金元素沉淀脱硫和沉淀脱氧一样，是将脱硫合金元素直接加入液态金属中进行脱硫。直接加入液态金属中进行脱硫。 常用的脱硫元素有锰、镁、钠、钙、稀土等常用的脱硫元素有锰、镁、钠、钙、稀土等。这些元素与硫的亲和力大于铁，与硫形成熔点高，这些元素与硫的亲和力大于铁，与硫形成熔点高，不溶于液态钢铁的稳定硫化物，上浮进入渣相不溶于液态钢铁的稳定硫化物，上浮进入渣相而而进行脱硫的方法。进行脱硫的方法。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作锰和镁脱硫反应为：锰和镁脱硫反应为： F

31、eSMn(MnS)Fe Mg S (MgS)由式可以看出，温度升高，平衡常数减小，不利于由式可以看出，温度升高，平衡常数减小，不利于脱硫。特别是对于镁，升高温度，其脱硫能力急剧脱硫。特别是对于镁，升高温度，其脱硫能力急剧下降。下降。86.18220lgTK63.922750lgTK铁水温度相对钢液温度低，且碳、硅含量高，因此硫在铁水中铁水温度相对钢液温度低，且碳、硅含量高，因此硫在铁水中的活度系数比在钢水中大，锰和镁在铁水中的脱硫效果较好。的活度系数比在钢水中大，锰和镁在铁水中的脱硫效果较好。例如在球墨铸铁生产中，作为球化剂的镁有很强的脱硫作用。例如在球墨铸铁生产中，作为球化剂的镁有很强的脱硫

32、作用。钢的熔炼中，只有钢的熔炼中，只有含氧量极低时含氧量极低时，才能用锰和镁脱硫。因氧，才能用锰和镁脱硫。因氧与与Mn、Mg的结合能力远高于的结合能力远高于S，当锰和镁加入钢液中首先脱，当锰和镁加入钢液中首先脱氧，氧，锰和镁对钢水几乎无脱硫作用锰和镁对钢水几乎无脱硫作用。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作熔渣脱硫熔渣脱硫 熔渣脱硫是熔渣脱硫是目前铸造和焊接冶金中主要的脱硫方法目前铸造和焊接冶金中主要的脱硫方法。它是利。它是利用熔渣中的用熔渣中的 CaO、CaC2、MnO、MgO 等进行脱硫，脱

33、等进行脱硫，脱硫的原理与扩散脱氧相似。硫的原理与扩散脱氧相似。液态钢铁中的硫以硫化铁的形态存在，硫化铁能够在熔渣和液态钢铁中的硫以硫化铁的形态存在，硫化铁能够在熔渣和液态金属中互相转移，当达到动态平衡时，熔渣中的硫化铁液态金属中互相转移，当达到动态平衡时，熔渣中的硫化铁的含量与钢铁液中硫化铁含量成一定的比例：的含量与钢铁液中硫化铁含量成一定的比例：LFeS 为硫的分配系数，它也是温度的函数。为硫的分配系数，它也是温度的函数。 FeSFeS(FeS)L合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作 脱硫的过

34、程是在熔渣中进行的。例如在白渣冶炼条件下，脱硫的过程是在熔渣中进行的。例如在白渣冶炼条件下，渣中的氧化钙起脱硫作用：渣中的氧化钙起脱硫作用： （CaO）（）（FeS）（CaS）（）（FeO） 随着脱硫过程的进行，熔渣中的硫化铁含量逐渐减少，随着脱硫过程的进行，熔渣中的硫化铁含量逐渐减少，钢铁液中的硫化铁就会自动地往炉渣中转移：钢铁液中的硫化铁就会自动地往炉渣中转移： FeS ( FeS ) 电石渣脱硫的过程与白渣脱硫过程相似，只是在电石渣下起电石渣脱硫的过程与白渣脱硫过程相似，只是在电石渣下起脱硫作用的不仅有氧化钙，还有碳化钙：脱硫作用的不仅有氧化钙，还有碳化钙： 3(FeS)(CaC2)2(

35、CaO) 3(CaS)3Fe2CO合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作影响熔渣脱硫过程的主要因素影响熔渣脱硫过程的主要因素熔渣的还原性和碱度熔渣的还原性和碱度 ：渣中氧化钙的浓度高和氧化亚铁的：渣中氧化钙的浓度高和氧化亚铁的浓度低都有利于反应的进行。熔渣碱度高有利于脱硫；浓度低都有利于反应的进行。熔渣碱度高有利于脱硫；粘度粘度： 脱硫需要扩散，低粘度的熔渣有利于脱硫；脱硫需要扩散，低粘度的熔渣有利于脱硫；温度温度： 熔渣的脱硫反应都是吸热反应，升高温度有利于脱熔渣的脱硫反应都是吸热反应，升高温度

36、有利于脱硫，升高温度的同时也降低了熔渣粘度；硫，升高温度的同时也降低了熔渣粘度；硫的活度硫的活度： 凡增加硫的活度的因素（如提高铁水的碳、硅凡增加硫的活度的因素（如提高铁水的碳、硅含量）都有利于脱硫。含量）都有利于脱硫。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作生产中采用的脱硫措施生产中采用的脱硫措施 在脱硫反应中，扩散成为决定整个反应过程快慢的限在脱硫反应中，扩散成为决定整个反应过程快慢的限制性环节。为了进行充分扩散，需要很长的熔炼还原期。制性环节。为了进行充分扩散，需要很长的熔炼还原期。钢液的含硫

37、量总是比与熔渣相平衡的计算数值高得多。钢液的含硫量总是比与熔渣相平衡的计算数值高得多。为增加熔渣和金属液两相之间的接触时间，常采用炉外脱为增加熔渣和金属液两相之间的接触时间，常采用炉外脱硫的措施，如在出钢时采取硫的措施，如在出钢时采取“钢渣混出的钢渣混出的”操作方法，出操作方法，出钢后的钢液含硫量比临出钢前可降低钢后的钢液含硫量比临出钢前可降低30%50%左右；左右；铸造中铁液大多采用气动脱硫法，即向铁液中吹氮气，使铸造中铁液大多采用气动脱硫法，即向铁液中吹氮气，使脱硫剂与铁液充分混合、接触，或脱硫剂随氮气吹入铁液脱硫剂与铁液充分混合、接触，或脱硫剂随氮气吹入铁液中，以提高脱硫效果。中，以提高

38、脱硫效果。熔焊工艺中，采用碱性焊条或碱性焊剂在熔池上方造碱度熔焊工艺中，采用碱性焊条或碱性焊剂在熔池上方造碱度较大、氧化性较弱的熔渣，可提高脱硫能力。较大、氧化性较弱的熔渣，可提高脱硫能力。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作第四节第四节 液态金属的脱磷液态金属的脱磷 与铁、镍形成低熔点共晶与铁、镍形成低熔点共晶如：如：Fe3PFe（1050） Ni3PFe （880） Fe2P 或或 Fe3P 硬而脆硬而脆增加材料的冷脆性增加材料的冷脆性 冲击韧性降低，冲击韧性降低，脆性转变温度升高脆性转变温

39、度升高 促使含碳量较高的促使含碳量较高的低合金钢和奥氏体低合金钢和奥氏体钢产生结晶裂纹钢产生结晶裂纹 磷在大多数铁基合金中，都认为是有害元素：磷在大多数铁基合金中，都认为是有害元素： 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作铸造与焊接中的脱磷反应脱磷反应分为两步：脱磷反应分为两步： 第一步：熔渣中的第一步：熔渣中的氧化亚铁氧化亚铁将钢液中的磷氧化生成将钢液中的磷氧化生成P2O5； 第二步：使之与渣中的第二步：使之与渣中的碱性氧化物碱性氧化物生成稳定的生成稳定的磷酸盐磷酸盐。 两步合并的反应式为：两步

40、合并的反应式为： 2Fe2 P 5(FeO) 4(CaO) (CaO)4P2O5) 9Fe 反应是放热反应：反应是放热反应：H -544310Jmol 通过哪些方法有通过哪些方法有助于提高脱磷效果？助于提高脱磷效果？合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作对脱磷过程有利的条件对脱磷过程有利的条件高碱度高碱度强氧化性强氧化性低粘度低粘度较低的温度较低的温度较大的渣量较大的渣量含含 (FeO) 高的碱性渣高的碱性渣难难 两两 全全合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料

41、成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作碱性电弧炉炼钢中，在熔化期形成的初期渣，虽然碱性电弧炉炼钢中，在熔化期形成的初期渣，虽然碱度不高，但由于碱度不高，但由于FeO高，流动性好，加之炉温低，高，流动性好，加之炉温低，所以大部分磷在熔化期即被氧化进入渣中。所以大部分磷在熔化期即被氧化进入渣中。熔化期熔化期结束时，这种含有大量磷的熔渣应当扒掉，结束时，这种含有大量磷的熔渣应当扒掉，另造新另造新渣。进入还原期后，渣中渣。进入还原期后，渣中FeO相当低，炉温又高，相当低，炉温又高，脱磷非但不能进行，如果含磷的氧化渣没有扒净，脱磷非但不能进行，如果含磷的氧化渣没有扒净，反而会出现

42、反而会出现“返磷现象返磷现象”。合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作焊接熔渣中，其碱度因受焊接工艺性能的制约，不焊接熔渣中，其碱度因受焊接工艺性能的制约，不可能很大，同时碱性渣不允许含有较多的可能很大，同时碱性渣不允许含有较多的FeO，否则会使焊缝增氧，不利于脱硫，甚至产生气孔，否则会使焊缝增氧，不利于脱硫，甚至产生气孔，所以焊接冶金中碱性渣的脱磷效果不理想。所以焊接冶金中碱性渣的脱磷效果不理想。要控制焊缝含磷量，要控制焊缝含磷量，主要是严格限制焊接材料主要是严格限制焊接材料中的含磷量。中的含磷

43、量。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作碱度碱度 R = CaO/SiO2炉渣碱度和氧化亚铁含量对磷在渣及钢液中分配比的影响炉渣碱度和氧化亚铁含量对磷在渣及钢液中分配比的影响N( (FeO) ) (%)合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作焊条类型焊条类型熔渣化学成分（熔渣化学成分（%）熔渣碱度熔渣碱度SiO2TiO2Al2O3FeO MnOCaOMgONa2OK2O CaF2钛型钛型23.4 37.7 10.06.911.73.70.52.22.9