钢的脱碳反应及脱碳

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1、管件知识（3）钢的脱碳反应钢的脱碳反应钢液内碳氧化而被除去的反应。碳对钢的力学性能影响很大，是钢中最重要的合金元素。除了极少数钢种外，绝大多数钢中含碳量都 在1%以下；而生铁含碳一般在34.5%范围，因此，脱碳就成为炼钢过程中最重要的反应之一。脱碳反 应产物一氧化碳（在钢液含碳很低时，产物中有少量二氧化碳）气泡穿过钢液排出，强烈搅动熔池这种现 象被称为“沸腾”。沸腾时，气泡中氢、氮等气体的分压极低，使钢液中溶解的氢、氮等有害杂质向气泡中转 移，钢中的非金属夹杂物也随着气泡上升而被除去。沸腾不仅使钢液温度和化学成分均匀，还增加气相 熔渣-钢液的接触面，加快各种反应的速度。脱碳引起的沸腾是保证钢质

2、量的一个重要措施，所以一般电炉 和平炉炼钢过程中总要有一定的去碳量。脱碳反应从来就受到冶金工作者的特别重视。早在1931年，瓦 舍（H.C.Vacher）和哈密顿（E.H.Hamilton）开始在实验室条件下测出了 1580C铁液中的碳氧平衡浓度积为 0.0025；以后,许多知名的冶金学者如奇普曼（J.Chipman）、申克（H.Schenck）等都研究过脱碳反应。脱碳反应热力学炼钢脱碳过程中，氧传输到钢液有两种途径：氧气直接和钢液接触，如转炉炼钢时向熔池吹氧脱碳， 其反应是：2C+O2f2CO； C代表溶于钢中的碳。氧经过炉渣传送到钢液如平炉和电炉炼钢时，氧化期 的脱碳，其反应是：（FeO）

3、代表渣中的氧化亚铁。两者都包括钢液中的碳氧反 。这是个弱放热反应，其平衡常数K随温度升高而稍有减小。在炼钢温度下,K为400500。当CO的分压为1 大气压时，钢液中碳和氧的平衡浓度积为：m=%C%O = 0.0020.0025在炼钢过程前期,炉内温度较低，钢中的硅、锰等元素大量氧化碳也可能部分氧化,它们都在争夺钢中的 氧。以后，钢中硅、锰含量减少，炉温升高，一直到脱氧前，钢液中的碳氧反应即成为控制钢中氧含量的主 要反应。所以，实际炼钢过程中也存在着【C】高则【0】低，【C】低则【0】高的规律,只不过是实际 的碳氧浓度积较上述平衡浓度积为大；这说明了碳氧反应未达到平衡但又接近平衡。气相中一氧化

4、碳分压 降低时，【C】【0】亦成比例地降低，碳氧反应更为完全。这是在真空或吹入惰性气体条件下，可同 时脱碳和脱氧的理论基础。温度升高，钢液中许多元素的脱氧能力明显下降（见钢的脱氧反应），但碳氧反应的平衡常数随温度变化 很小。在更高的温度（如17501800C ）下，降低气相中一氧化碳分压，可使碳氧反应进行得更完全，而 钢中如含铬时，铬却氧化很少。这是氩氧混吹（即AOD法）精炼高铬不锈钢过程中去碳保铬的热力学依据（见 炉外精炼）。脱碳反应动力学钢液中碳氧反应的速度很快。在碳含量不很低时，反应速度取决于供氧强度而与【C】浓度无关。氧 气底吹、顶吹转炉炼钢时的供氧强度大，脱碳速度亦大，一般每分钟约脱

5、除0.2%左右。平炉及电炉炼钢 时，氧化期靠炉渣供氧的强度小，每分钟脱碳约为0.01%，向熔池吹入氧，脱碳速度可以成倍地提高。当钢 中含碳量低于某个临界值（一般认为此临界值在0.070.12%之间），供氧强度对脱碳速度已不起明显作 用。这时，起决定作用的是钢液中碳和氧向气泡与金属的反应界面的扩散。一般认为，碳高氧低时，起限 制作用的是氧的扩散；碳低氧高时,则是碳。这种情况下，增大气泡-金属界面（如吹入气体）和增加熔池搅拌 强度，可以提高脱碳速度。随着碳含量进一步降低（例如降到0.03%时），脱碳速度变得极慢。同时铁的氧 化程度急剧上升，进一步脱碳就十分困难。所以，用普通方法炼超低碳锹【C】）V

6、0.02%）是很不容易的。 这就需要采用真空或吹入氩气等手段进行脱碳。一氧化碳气泡的形成条件要产生一氧化碳气泡，首先必须具备生成一氧化碳的稳定核”的条件。在 钢液内单靠成分涨落产生的气泡“核”的尺寸极小，而钢液表面张力给半径极小的气泡“核”造成巨大的附加 压力。气泡“核”直径为10-6厘米时，这种压力可达5900大气压。实测氧气顶吹转炉炼钢时最大过饱和度 约为63 （即实际【%C】【0】积为平衡值的63倍）。据此算出稳定气泡核心的最小半径为10-3厘米。 靠局部成分涨落产生这样大的气泡核心的概率趋近于零，所以CO气体不是以钢液内均相成核并长大的方 式排出的。实际上，炼钢炉熔池接触的耐火材料表面

7、有许多细微孔隙，由于钢液对耐火材料不润湿，这些 孔隙不能被钢液所充满，从而保留有现成的气体一金属界面，这种孔隙就成为CO气泡的核心。碳的氧化 应在这些气泡核心与金属的界面上进行，使气泡长大，脱离孔隙而上浮。上浮过程中，在气泡一金属界面 上又不断发生碳氧反应而使气泡逐渐增大。在转炉、电炉、平炉炼钢的熔池以及钢水炉外处理吹入气体时， 由于存在大量现成的气泡一金属界面，不存在CO气泡“核”产生的动力学障碍。管件知识（4 ）脱碳脱碳是钢加热时表面碳含量降低的现象。脱碳的过程就是钢中碳在高温下与氢或氧发生作用生成甲烷 或一氧化碳。其化学方程式如下；2Fe3C+O2=6Fe+2COFesC+RFe+ClF

8、e3C+H2O = 3Fe+CO+H2这些反应是可逆的，即氢、氧和二氧化碳使钢脱碳，而甲烷和一氧化碳则使钢增碳。脱碳是扩散作用的结果，脱碳时一方面是氧向钢内扩散；另一方面钢中的碳向外扩散。从最后的结果 看，脱碳层只在脱碳速度超过氧化速度时才能形成。当氧化速度很大时，可以不发生明显的脱碳现象，即 脱碳层产生后铁即被氧化而成氧化铁皮。因此，在氧化作用相对较弱的气氛中，可以形成较深的脱碳层。变压器硅钢片要求合碳量尽量低，除在冶炼上应加以控制外，在锻轧加热时还应利用脱碳现象，使碳 含量进一步下降，从而获得容易磁化的性能。但对大多数钢来说，脱碳会使其性能变坏，故均视为缺陷。 特别是高碳工具钢、轴承钢、高

9、速钢及弹簧钢，脱碳更是一种严重的缺陷。脱碳层的组织特征：脱碳层由于碳被氧化，反映在化学成分上其含碳量较正常组织低；反映在金相组 织上其渗碳体（Fe ）的数量较正常组织少；反映在力学性能上其强度或硬度较正常组织低。钢的脱碳层包括全脱碳层和部分脱碳层（过渡层）两部分。部分脱碳层是指在全脱碳层之后到钢含碳 量正常的组织处。在脱碳不严重的情况下，有时仅看到部分脱碳层而没有全脱碳层。关于脱碳层深度可根据脱碳成分、组织及性能的变化，采用多种方法测定。例如逐层取样化学分析钢 的含碳量，观察钢的表面到心部的金相组织变化，测定钢的表层到心部的显微硬度变化等等。实际生产中 以金相法测定钢的脱碳层最为普遍。（二）脱

10、碳对钢性能的影响1.对锻造和热处理等工艺性能的影响1）2Cr13不锈钢加热温度过高，保温时间过长时，能促使高温5铁素体在表面过早的形成，使锻件表 面的塑性大大降低，模锻时容易开裂。2）奥氏体锰钢脱碳后，表层将得不到均匀的奥氏体组织。这不仅使冷变形时的强化达不到要求，而 且影响耐磨性，还可能由于变形不均匀产生裂纹。3）钢的表面脱碳以后，由于表层与心部的组织不同和线膨胀系数不同，因此淬火时所发生的不同组 织转变及体积变化将引起很大的内应力，同时表层经脱碳后强度下降，甚至在淬火过程中有时使零件表面 产生裂纹。2对零件性能的影响对于需要淬火的钢，脱碳使其表层的含碳量降低，淬火后不能发生马氏体转变，或转

11、变不完全，结果 得不到所要求的硬度。轴承钢表面脱碳后会造成淬火软点，使用时易发生接触疲劳损坏；高速工具钢表面脱碳会使红硬性下 降。由于脱碳使钢的疲劳强度降低，导致零件在使用中过早地发生疲劳损坏。零件上不加工的部分（黑皮部分）脱碳层全部保留在零件上，这将使性能下降。而零件的加工面上脱 碳层的深度如在机械加工余量范围内，可以在加工时切削掉；但如超过加工余量范围，脱碳层将部分保留 下来，使性能下降。有时因为锻造工艺不当，脱碳层局部堆积，机械加工时将不能完全去掉而保留在零件 上，引起性能不均，严重时造成零件报废。（三）影响钢脱碳的因素影响钢脱碳的因素有钢料的化学成分，加热温度，保温时间和煤气成分等。1

12、钢料的化学成分对脱碳的影响钢料的化学成分对脱碳有很大影响。钢中含碳量愈高脱碳倾向愈大W、Al、Si、Co等元素都使钢脱 碳倾向增加；而Cr、Mn等元素能阻止钢脱碳。2加热温度的影响随着加热温度的提高，脱碳层的深度不断增加。一般低于1000C时，钢表面的氧化皮阻碍碳的扩散， 脱碳比氧化慢，但随着温度升高，一方面氧化皮形成速度增加；另一方面氧化皮下碳的扩散速度也加快， 此时氧化皮失去保护能力，达到某一温度后脱碳反而比氧化快。3. 保温时间和加热次数的影响加热时间越长，加热火次愈多，脱碳层愈深，但脱碳层并不与时间成正比增加。例如高速钢的脱碳层 在1000C加热0.5h，深度达0.4mm；加热4h达1

13、.0mm；加热12h后达1.2mm。4. 炉内气氛对脱碳的影响在加热过程中，由于燃料成分，燃烧条件及温度不同，使燃烧产物中含有不同的气体，因而构成不同 的炉内气氛，有氧化性的也有还原性的。他们对钢的作用是不同的。氧化性气氛引起钢的氧化与脱碳，其 中脱碳能力最强的介质是H2O （汽），其次是CO2与O2，最后是H2；而有些气氛则使钢增碳，如CO 和CH4。炉内空气过剩系数a大小对脱碳也有重要的影响：当a过小时、燃烧产物中出现H2，在潮湿的 氢气内的脱碳速度随着含水量的增加而增大。因此，在煤气无氧化加热炉中加热，当炉气中含H2O较多 时，也要引起脱碳；当a过大时，由于形成的氧化皮多，阻碍着碳的扩散

14、，故可减小脱碳层的深度。在中 性介质中加热时，可使脱碳最少。（四）防止脱碳的对策防止脱碳的对策主要有以下几方面：1）工件加热时，尽可能地降低加热温度及在高温下的停留时间；合理地选择加热速度以缩短加热的 总时间；2）造成及控制适当的加热气氛，使呈现中性或采用保护性气体加热，为此可采用特殊发计的加热炉 （在脱氧良好的盐浴炉中加热，要比普通箱式炉中加热的脱碳倾向为小）；3）热压力加工过程中，如果因为一些偶然因素使生产中断，应降低炉温以待生产恢复，如停顿时间 很长，则应将坯料从炉内取出或随炉降温；4）进行冷变形时尽可能地减少中间退火的次数及降低中间退火的温度，或者用软化回火代替高温退 火。进行中间退火或软化回火时，加热应在保护介质中进行；5）高温加热时，钢的表面利用覆盖物及涂料保护以防止氧化和脱碳；6）正确的操作及增大工件的加工余量，以使脱碳层在加工时能完全去掉。