3.1.3 X化学冶金 金属加工过程中的冶金保护与处理.ppt

1、金属加工过程中的冶金保护与处理,一、脱氧 氧化： 夹杂，含O 元素烧损 去除方法： 扩散脱氧 沉淀脱氧 1、扩散脱氧： 根据氧化物在渣与金属中溶解分配据条件而变化 热力学： 温度 lgL=-A/T+B 例如 Fe中，当TL FeO(FeO),渣性： 酸性比碱性有利于扩散脱氧 因为： 酸性（SiO2）+(FeO) (FeOSiO2) 形成复合氧化物 降低了渣中的污度 而碱性中：CaO比FeO 碱性强 (CaO)+(SiO2) (CaO SiO2) SiO2 游离 FeO 不利于脱氧 渣中含氧量：对渣进一步脱氧 可达到间接脱氧 （T） （L）（ FeO ） =FeO ,动力学： 控制环节渣中FeO

2、的扩散=速度慢，时间长。 根据菲克第一扩散定律： 单位时间通过界面A向渣中扩散FeO的量。 DFeO在渣中的扩散系数 渣侧有效边界层厚度 C0界面浓度 C内部浓度 影响因素： D A C0C,T=D 有利；但L，不利 A C =有利；但受限制 （ C0-C ）=有利，但随着C Co C = 解决方法：还原性渣进入渣中FeO 与 脱氧剂反应。 高温下 反应速度扩散速度。 2、沉淀脱氧： 根据：置换氧化反应，用对氧亲和力大于Fe的元素作为脱氧剂，加入钢液与FeO反应，置换出Fe，并生成不溶于钢液的产物，沉淀析出。,优点： 脱氧过程迅速 缺点：脱氧产物易残留夹杂 M+FeO (Mo)+Fe MFeO

3、=K （平衡常数） 影响因素： 钢中残余脱氧剂则残余FeO 量 脱氧能力强 ，残余FeO 质 小大：Cr ,Mn ,V ,C,Si, B,Ti ,Al ,Zr,Be,Mg,Ca 常用：Mn ,Si ,Al 多种脱氧剂共用，根据脱氧剂能力由小到大依次使用,例如： 锰铁 “预脱氧”出钢前Al“终脱氧”。 （A）锰脱氧： Mn+FeOFe+(MnO) 平衡常数 ： 为活度 ： 为活度系数,当Fe中含Mn, FeO量少时： =减少渣中（MnO） 增加Fe中Mn FeO 活度系数MnO FeO与渣酸碱度有关 复合氧化物 同扩散脱氧 酸性渣 MnSiO2 MnO,经验公式： 酸性渣中 T=20000K =

4、0.28 碱性渣中 =1.11,（B）硅脱氧 Si+2FeO=2Fe+(SiO2) Si (SiO2) SiO2 =FeO SiO2 受渣酸碱性的影响与Mn相反。Why?,Si与氧亲和力大，脱氧能力强（比Mn）,但SiO2熔点高（1715），不易聚集与浮出 弥散夹杂。 =硅锰联合脱氧 MnOSiO2（熔点1270） 二、渗合金元素： 目的： 补偿液态金属在熔炼、铸造焊接过程中元素的氧化、烧损、蒸发 加入合金元素改善性能：如细化晶粒（Ti, B）、防止热裂、冷裂。,方法： 氧化物还原反应： （TiO2）+2Fe 2(FeO)+Ti 2Fe+(SiO2) Si+2(FeO) Fe+(MnO2) M

5、n+(FeO) 其它化合物Zr 3/2K2TiF6+2Al 3/2Ti+2AlF3+3KF 2KBF4+3Al AlB2+2AlF3+2KF 原位合成MMC K2TiF6+KBF4+Al TiB2+KAlF4+KF+AlF3,脱硫、脱磷 1、脱硫： 借鉴脱氧思路，有何方法？ 置换：根据硫化物的自由焓 =Ce , Ca, Mg 高温与S 亲和力大，行否？ Ce , Ca, Mg与氧亲和力更大= 先脱氧 ，后脱硫 与氧亲和力不太强 如 Mn=影响因素分析（自行） FeS+Mn (MnS)+Fe,扩散（溶渣） LFeS 很低 0.33 仅靠扩散不可能 =需渣中脱硫=D、 A、（Ci-C） 渣中? M

6、nO CaO MgO (CaO)+(FeO) (CaS)+(FeO) (MgO)+(FeO) (MgS)+(FeO) (MnO)+(FeO)(MnS)+(FeO),影响因素： 1)温度：吸热反应 T S 2）增加渣中的MnO, CaO, MgO等含量。 脱S 即 碱度 FeS =副作用： 粘度 扩散速度 即动力学和热力学矛盾 解决方法： ： 加稀释剂CaF2 3)加强脱氧 （FeO） S,2、脱P： 铁液中可溶解较多的P, 以Fe3P形式存在 过程： Fe2P(Fe3P)与渣中（FeO）, 生成P2O5，再与渣中CaO结合成(CaO)4P2O5 2Fe3P+5(FeO)=P2O5+11Fe 2

7、Fe2P+5(FeO)=P2O5+7Fe P2O5+3(CaO)=(Cao)3(P2O5) P2O5+4(CaO)=(CaO)4(P2O5),影响因素： 1）温度： 上述为放热反应，T ，有利于反应进行 P （与脱S相反） 2）强氧化性渣（从反应式）也与脱S相反 3）酸碱性： 酸性FeO多，但CaO少；碱性CaO多，但FeO少且 均不利。,加工过程中的保护措施： 熔渣、 气氛、 真空 1、熔渣： 作用： A）机械保护，防止N2 、 H2 、 O2 侵入。 B）脱O 、 P 、 S ,净化金属 C）渗合金元素 ，复合材料等特殊目的 成分、结构： 决定性能 成分：氧化物型： MnO-SiO2 Fe

8、O-MnO-SiO2 硅酸盐 CaO-TiO2-SiO2 钛酸盐,氧化物盐型： CaF2-CaO-Al2O3 CaF2-CaO-Al2O3-SiO2 氟化物，氯化物盐， （熔点低） CaF2-CaF CaF-BaCl2-NaF NaF-KCl-Na3AlF6 熔渣结构理论： 1）分子理论： 熔点由自由状态化合物和复合状态化合物的分子构成。各分子处于平衡状态。 T 平衡系数K 符合分子状态化学反应一般规律,局限性： 室温相与成分分析，无法解释导电性等。 2）离子理论： 液态熔渣由正离子与负离子组成的电中性溶液。 包括简单正离子，如 简单负离子，如：,复杂的负离子，如： 符合离子化学反应一般规律

9、离子的分布，聚集与相互作用取决于其综合矩 （离子电荷/离子半径） 综合矩 作用力 熔渣与金属反应是离子与原子交换电荷的过程。,物理性能 比重、熔点、粘度、表面张力（主要作用因素） 1）熔点： 要求 100250 高：不起作用， 低： 蒸发等 2）比重： 上浮,3）粘度：影响扩散，流动性 T A、 E 成分结构 成分结构：含 SiO2 多的酸性渣长渣 碱性渣短渣 阴离子尺寸越大，（胖子） Si-O 聚合程度 T Si-O 聚合程度,加入碱性氧化物 加入高熔点氧化物 （柱子） 2，气氛保护 惰性气体 ：Ar, He 还原性气体： H2 氧化性气体： CO2 (价格廉) CO2+Ar (防大气中的N2) 3，真空： 排除气体与金属的作用，隔绝，,与气氛相比效果更好： 纯Ar 1 Pa 极纯Ar