鋼的脫碳反應
正文
鋼液內碳氧化而被除去的反應。碳對鋼的力學性能影響很大，是鋼中最重要的合金元素。除了極少數鋼種外，絕大多數鋼中含碳量都在1％以下;而生鐵含碳一般在3～4.5％範圍，因此，脫碳就成為煉鋼過程中最重要的反應之一。脫碳反應產物一氧化碳（在鋼液含碳很低時，產物中有少量二氧化碳）氣泡穿過鋼液排出，強烈攪動熔池,這種現象被稱為“沸騰”。沸騰時,氣泡中氫、氮等氣體的分壓極低，使鋼液中溶解的氫、氮等有害雜質向氣泡中轉移，鋼中的非金屬夾雜物也隨著氣泡上升而被除去。沸騰不僅使鋼液溫度和化學成分均勻，還增加氣相-熔渣-鋼液的接觸面，加快各種反應的速度。脫碳引起的沸騰是保證鋼質量的一個重要措施，所以一般電爐和平爐煉鋼過程中總要有一定的去碳量。脫碳反應從來就受到冶金工作者的特別重視。早在1931年，瓦舍(H.C.Vacher)和哈密頓（E.H.Hamilton）開始在實驗室條件下測出了1580℃鐵液中的碳氧平衡濃度積為0.0025；以後,許多知名的冶金學者如奇普曼(J.Chipman)、申克(H.Schenck)等都研究過脫碳反應。脫碳反應熱力學 煉鋼脫碳過程中，氧傳輸到鋼液有兩種途徑：①氧氣直接和鋼液接觸，如轉爐煉鋼時向熔池吹氧脫碳，其反應是：
m＝【％C】·【％O】＝0.002～0.0025
在煉鋼過程前期,爐內溫度較低,鋼中的矽、錳等元素大量氧化,碳也可能部分氧化,它們都在爭奪鋼中的氧。以後,鋼中矽、錳含量減少，爐溫升高，一直到脫氧前,鋼液中的碳氧反應即成為控制鋼中氧含量的主要反應。所以，實際煉鋼過程中也存在著 【C】高則【O】低，【C】低則【O】高的規律,只不過是實際的碳氧濃度積較上述平衡濃度積為大；這說明了碳氧反應未達到平衡但又接近平衡。氣相中一氧化碳分壓降低時,【％C】·【％O】亦成比例地降低，碳氧反應更為完全。這是在真空或吹入惰性氣體條件下，可同時脫碳和脫氧的理論基礎。
溫度升高,鋼液中許多元素的脫氧能力明顯下降(見鋼的脫氧反應),但碳氧反應的平衡常數隨溫度變化很小。在更高的溫度（如1750～1800℃）下，降低氣相中一氧化碳分壓，可使碳氧反應進行得更完全，而鋼中如含鉻時,鉻卻氧化很少。這是氬氧混吹(即AOD法)精煉高鉻不鏽鋼過程中去碳保鉻的熱力學依據（見爐外精煉）。
脫碳反應動力學 鋼液中碳氧反應的速度很快。在碳含量不很低時，反應速度取決於供氧強度,而與【C】濃度無關。氧氣底吹、頂吹轉爐煉鋼時的供氧強度大，脫碳速度亦大，一般每分鐘約脫除0.2％左右。平爐及電爐煉鋼時，氧化期靠爐渣供氧的強度小，每分鐘脫碳約為0.01％,向熔池吹入氧,脫碳速度可以成倍地提高。當鋼中含碳量低於某個臨界值（一般認為此臨界值在0.07～0.12％之間），供氧強度對脫碳速度已不起明顯作用。這時，起決定作用的是鋼液中碳和氧向氣泡與金屬的反應界面的擴散。一般認為，碳高氧低時，起限制作用的是氧的擴散；碳低氧高時,則是碳。這種情況下,增大氣泡-金屬界面(如吹入氣體)和增加熔池攪拌強度,可以提高脫碳速度。隨著碳含量進一步降低（例如降到0.03％時），脫碳速度變得極慢。同時鐵的氧化程度急劇上升，進一步脫碳就十分困難。所以，用普通方法煉超低碳鋼(【C】)＜0.02％)是很不容易的。這就需要採用真空或吹入氬氣等手段進行脫碳。
一氧化碳氣泡的形成條件 要產生一氧化碳氣泡，首先必須具備生成一氧化碳的穩定“核”的條件。在鋼液內單靠成分漲落產生的氣泡“核”的尺寸極小，而鋼液表面張力給半徑極小的氣泡“核”造成巨大的附加壓力。氣泡“核”直徑為10-6厘米時，這種壓力可達5900大氣壓。實測氧氣頂吹轉爐煉鋼時最大過飽和度約為63（即實際【％C】·【％O】積為平衡值的63倍）。據此算出穩定氣泡核心的最小半徑為10-3厘米。靠局部成分漲落產生這樣大的氣泡核心的機率趨近於零，所以CO氣體不是以鋼液內均相成核並長大的方式排出的。實際上，煉鋼爐熔池接觸的耐火材料表面有許多細微孔隙，由於鋼液對耐火材料不潤濕，這些孔隙不能被鋼液所充滿，從而保留有現成的氣體－金屬界面，這種孔隙就成為CO氣泡的核心。碳的氧化應在這些氣泡核心與金屬的界面上進行，使氣泡長大，脫離孔隙而上浮。上浮過程中，在氣泡－金屬界面上又不斷發生碳氧反應而使氣泡逐漸增大。在轉爐、電爐、平爐煉鋼的熔池以及鋼水爐外處理吹入氣體時，由於存在大量現成的氣泡－金屬界面，不存在CO氣泡“核”產生的動力學障礙。
參考書目
曲英主編：《煉鋼學原理》，冶金工業出版社，北京，1980。
