第六章氧化反应 生成也可能是控制脱碳的主要环节。 2.[C]和[o]的扩散碳氧化反应产物是气体,当钢液被熔渣层覆盖时,[C]和[0]之间的 反应在钢液中早已存在的气泡界面上进行,生成的C0分子能立即转入气相。[C]和[0]是表面 活性元素,[C]和[0]向气泡表面扩散,并吸附于气泡表面上进行化学反应。由于反应进行得 很迅速,所以在气泡和钢液的相界面上二者很接近于平衡。然而在远离相界面处的C和0的浓 度比气泡表面上的浓度大得多,于是形成一个浓度梯度,使C和0不断向反应区扩散。 [C]和[0]的扩散,那一个是控制环节呢?对这个问题有几种不同的看法。较普遍的看法 是:[C]高[0]低时,[0]的扩散为控制环节;[C]低[O]高时,则[C]之扩散成为控制环节。感 应炉吹氧实验得出的脱碳速度随(%C)的变化曲线在不同的吹氧条件下均有一拐点。拐点处 的[%C]称为临界的[%C],以[%C]表示,通常在0.10~0.07%左右。如教材第136页图6-4所 当金属中实际的[%C]低于[‰C]临时,rc随[%C]降低而显著降低,rc=k[%],这时[C]的 扩散速度将决定整个脱碳反应的速度;反之,当金属中[%C]实>[‰C]时,rc=k%0]≈k′Po [0]的扩散速度决定着整个脱碳反应的速度。因此,随着供氧量的增加使rc亦相应增大 3.C0产生的条件某些情况下,析出碳氧化反应产物—C0气泡亦可成为控制脱碳反应 速度的环节。C0在熔铁中溶解度很小,但在钢液中没有现成的气液相界面时,产生新的界面 需要极大的能量。新生成的气泡越小,需要的能量越大。设钢液的表面张力o-为1500dy Cm,新产生的C0气泡核心半径为107cm,则这个气泡核心所受的毛细管压力Pco=2o=/r ×1500/107=3×10[dyn·cm2]=29600[atm)。实际上C0气泡所受到的压力还包括钢液 渣和炉气的静压力 Pco= P(+ph+p shs+2 o rg/r( (6-22) 式中Pa为炉气压力;pa、ps为钢、渣的密度;h、hs为钢、渣层的厚度。由(6-22)可 知,在钢液内产生一个很小的C0气泡核心,需要克服上万个大气压的压力,因而实际上不可 能生成。只有在钢液中有已经存在的气液界面时,才能减少生成气泡的阻力,使碳氧反应顺 利进行。 氧气转炉炼钢,氧流在反应区和金属液直接接触,井有大量气泡弥散存在于金属熔池内 所以生成C0气泡很顺利,这也是转炉脱碳速度很大的原因。在平炉、电炉和钢液真空处理时 金属被渣层所覆盖,最可能生成C0气相的地点是在炉底和炉壁的耐火材料表面上。因为从微 观的角度来看,耐火材料表面是粗糙不平的,而且耐火材料与钢液的接触是非润湿性的(润 湿角θ一般在100°~120°之间),在粗糙的界面上,总是有不少微小的细缝和凹坑,当缝隙 很小时,由于表面张力的作用,金属不能进入,在一定的金属液深度下,金属不能进入的最 大半径为 ×10[cm (6-23) 金属液的表面张力o-=1500dn·cm,密度p=7g·cm,润湿角0=120°,cos0=0.5, 则由(6-23)式可算出 h(cm) 300 100 r[cm]0.0007 0.0021 0.021 只要凹坑的尺寸不大于上列数值,该凹坑就能成为C0气泡的萌芽点。如缝隙为狭长形, 其宽度b和2r相等时,该缝隙也能成为C0气泡的萌芽。只要凹坑和缝隙底角a不超过0~180 则气泡就可以继续发展直到缝隙顶部,而不需要克服毛细管压力。以后气泡继续向上鼓起, 直到形成半球形,此时气泡上表面半径rφ是最小值,所受毛细管压力达到最大值。再继续 发展,气泡半径逐渐加大,直到脱离炉底而浮起。图6-5示意地表示出气泡的这种形成过程。第六章 氧化反应 114 生成也可能是控制脱碳的主要环节。 2．[C]和[O]的扩散 碳氧化反应产物是气体，当钢液被熔渣层覆盖时，[C]和[O]之间的 反应在钢液中早巳存在的气泡界面上进行，生成的CO分子能立即转入气相。[C]和[O]是表面 活性元素，[C]和[O]向气泡表面扩散，并吸附于气泡表面上进行化学反应。由于反应进行得 很迅速，所以在气泡和钢液的相界面上二者很接近于平衡。然而在远离相界面处的C和O的浓 度比气泡表面上的浓度大得多，于是形成一个浓度梯度，使C和O不断向反应区扩散。 [C]和[O]的扩散，那一个是控制环节呢?对这个问题有几种不同的看法。较普遍的看法 是：[C]高[O]低时，[O]的扩散为控制环节；[C]低[O]高时，则[C]之扩散成为控制环节。感 应炉吹氧实验得出的脱碳速度随(％C)的变化曲线在不同的吹氧条件下均有一拐点。拐点处 的[%C]称为临界的[%C]，以[%C]临表示，通常在0.10～0.07%左右。如教材第136页图6—4所 示。 当金属中实际的[％C]低于[%C]临时，rC 随[%C]降低而显著降低，rC=k[%C]，这时[C]的 扩散速度将决定整个脱碳反应的速度；反之，当金属中[%C]实>[%C]临时，rC = k[%O]≈k′PO2， [O]的扩散速度决定着整个脱碳反应的速度。因此，随着供氧量的增加使rC亦相应增大。 3．CO产生的条件 某些情况下，析出碳氧化反应产物——CO气泡亦可成为控制脱碳反应 速度的环节。CO在熔铁中溶解度很小，但在钢液中没有现成的气液相界面时，产生新的界面 需要极大的能量。新生成的气泡越小，需要的能量越大。设钢液的表面张力σm-g为1500dyn• cm-1 ，新产生的CO气泡核心半径为lO-7 cm，则这个气泡核心所受的毛细管压力Pco=2σm-g/r(g)=2 ×1500／10-7＝3×1010[dyn·cm-2]=29600[atm)。实际上CO气泡所受到的压力还包括钢液、炉 渣和炉气的静压力 Pco= P(g)+ ρmhm+ρShS+2σm-g／r(g) (6—22) 式中P(g)为炉气压力；ρm、ρS为钢、渣的密度；hm、hS为钢、渣层的厚度。由(6—22)可 知，在钢液内产生一个很小的CO气泡核心，需要克服上万个大气压的压力，因而实际上不可 能生成。只有在钢液中有已经存在的气液界面时，才能减少生成气泡的阻力，使碳氧反应顺 利进行。 氧气转炉炼钢，氧流在反应区和金属液直接接触，井有大量气泡弥散存在于金属熔池内， 所以生成CO气泡很顺利，这也是转炉脱碳速度很大的原因。在平炉、电炉和钢液真空处理时， 金属被渣层所覆盖，最可能生成CO气相的地点是在炉底和炉壁的耐火材料表面上。因为从微 观的角度来看，耐火材料表面是粗糙不平的，而且耐火材料与钢液的接触是非润湿性的(润 湿角θ一般在100º～120º之间)，在粗糙的界面上，总是有不少微小的细缝和凹坑，当缝隙 很小时，由于表面张力的作用，金属不能进入，在一定的金属液深度下，金属不能进入的最 大半径为： - 2σm-gcosθ r=--------------- ×10-3[cm] (6-23) hm.ρm 金属液的表面张力σm-g=1500dyn·cm-1 ，密度ρm=7g·cm-1 ，润湿角θ=120º，cosO=-0．5， 则由(6—23)式可算出 hm(cm) 300 100 10 r[cm] 0.0007 0.0021 0.021 只要凹坑的尺寸不大于上列数值，该凹坑就能成为CO气泡的萌芽点。如缝隙为狭长形， 其宽度b和2r相等时，该缝隙也能成为CO气泡的萌芽。只要凹坑和缝隙底角α不超过θ～180 º,则气泡就可以继续发展直到缝隙顶部，而不需要克服毛细管压力。以后气泡继续向上鼓起， 直到形成半球形，此时气泡上表面半径r（g）是最小值，所受毛细管压力达到最大值。再继续 发展，气泡半径逐渐加大，直到脱离炉底而浮起。图6-5示意地表示出气泡的这种形成过程。 114