D0I:10.13374/j.issn1001053x.2006.01.007 第28卷第1期 北京科技大学学报 Vol.28 No.1 2006年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2006 无污染脱氧过程中外电路电压与熔池中 氧含量的关系 彭波1》周国治)李福案1)胡晓军)鲁雄刚2) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832》上海大学材料科学与工程学院，上海200072 摘要为了解固体电解质脱氧的内部机理，对氧化铬固体电解质电池短路脱氧过程中的外电路 电压随时间的变化进行了研究.通过电池电动势与时间关系的数学模型，得出外电路电压与熔池 中氧含量的关系，从而根据外电路电压可以预测脱氧反应进行的程度，结果表明，实验数据与模型 结果致. 关键词无污染；脱氧；炼钢：动力学 分类号TF111.15 1引言 在如下问题：(1)脱氧速率不高（脱氧电流密度小 于230mA·min1):(2)外围设备复杂（包含有庞 传统冶金的脱氧过程中，氧的迁移过程是在 大的电路和气路系统)；(3)成本昂贵. 反应物之间或反应物与熔体之间通过接触而直接 针对上述存在的问题，周国治和李福榮提出 进行的，虽然有电子的直接交换，但没有宏观的 了“脱氧体”脱氧的新专利6]，获得了很好的结 电子流，在熔体中氧的传递过程基本上是无序 果，最高电流密度可达到每分钟数千毫安以上，并 的、混乱的，不存在方向性的过程，人们无法控制 省略了庞大电路和气路，使生产成本大为降低， 反应的进度和速度.另外，脱氧产物与金属液混 “脱氧体”脱氧的方法，是通过一小块高温电 在一起，也会污染金属液，影响金属的质量. 子导体构成内部回路电流，无法监控和测量，从而 周国治等人引入了“可控氧流冶金“的新概 也就无法了解到整个脱氧过程. 念1]，即利用外场力引导氧在异相间的传递，形 本研究工作的目的，是想通过对短路脱氧外 成方向性的氧流，使氧在熔体外部与反应物发生 电路电压的测定，从外电路电压随时间变化去了 氧化或还原反应，这样就可以避免反应物及生成 解和掌握无污染脱氧过程，了解它的机制，并从中 物对金属液的污染，使传统脱氧方法中的缺点得 得到监控的信息 以改善. 根据热力学原理，电池电动势E。与固体电 电化学无污染脱氧有两种方法：一是氧泵法， 解质两端的氧分压有关，即： 它通过外加电势将熔体中的氧驱赶到熔体外，这 里使用的驱动力是电动势.二是Galvanic电池 E.= 4FIn (1) 法，它是依赖电池两端氧分压差作为驱动力使氧 P02 离子迁移.笔者提出的短路法脱氧专利24]就属 其中E。为电池电动势，V;T为金属液的温度， 此类.这方法已被美国里丁钢管公司(Reading K;F为法拉第常数，F=96486Cmol1;R为气 Tube Cooperation)试用于铜液脱氧中，并获得了 2000年TMS的提取治金奖5].但是，此工作存 体常数，JK1,mol':p公为金属液/固体电解质 接界处氧分压，Pa;pd为与脱氧剂成平衡的氧分 收稿日期：2004-12-14修回日期：2005-0309 压，Pa. 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No,50274008;5010 4001;5010-4007:50104002) 作者简介：彭波(1979一).男.硕士：周国治(1937一）.男，中国科 当pd>。时，E,>0.开始时En最大，当 学院院十 脱氧至平衡时，P。=p公即E,=0.因而脱氧过第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 劝 无污染脱氧过程 中外电路电压与熔池 中 氧含量的关系 彭 波 ， 周 国 治 ’ 李福 秉 ‘ 胡晓 军 ‘ 鲁雄 刚 北京科技大学冶金与生态工程学院 ， 北京 上海大学材料科学与工 程学院 ， 上海 摘 要 为了解 固体 电解质脱氧的内部机理 ， 对氧化错 固体 电解质 电池 短 路脱氧过程 中的外 电路 电压随时间的变化进行 了研 究 通过 电池 电动势与时 间关 系的数学 模型 ， 得 出外电路 电压 与熔 池 中氧 含量 的关 系 ， 从而根据外 电路 电压 可以 预测 脱氧反应进行 的程度 结果表 明 ， 实验数据与模型 结果 一 致 关键词 无污 染 脱氧 炼钢 动力学 分类号 引言 传统 冶金 的脱氧过 程 中 ， 氧 的迁 移过 程 是 在 反 应物 之 间或反应物与熔体之 间通过接触而 直接 进行 的 虽 然 有 电子 的直接 交换 ， 但 没 有 宏 观 的 电子 流 在 熔 体 中氧 的传递 过 程 基 本 上 是 无 序 的 、 混 乱 的 ， 不 存 在方 向性 的过 程 ， 人 们无法 控 制 反应 的进 度 和 速 度 另外 ， 脱 氧 产 物 与 金属 液 混 在一起 ， 也会污染金属液 ， 影响金属 的质量 周 国治 等 人 引 入 了 “ 可 控 氧 流 冶 金 ” 的 新 概 念 川 ， 即 利 用 外场 力 引导 氧 在 异 相 间的 传递 ， 形 成方 向性 的氧 流 ， 使氧 在熔 体外部与反 应物 发 生 氧化或还原反 应 ， 这 样就 可 以 避 免 反 应 物 及 生成 物对金属液 的污 染 ， 使传统 脱 氧方 法 中的缺 点得 以改善 电化学无污染脱 氧有两种方法 一是 氧泵法 ， 它通过 外加 电势将熔 体 中的氧驱 赶 到 熔 体外 ， 这 里使用 的 驱 动 力 是 电动 势 二 是 电池 法 ， 它是依赖 电池 两 端 氧分 压 差 作 为驱 动 力 使 氧 离子迁 移 笔 者提 出的 短 路 法 脱 氧专利 一 〕就 属 此类 这 方 法 已 被 美 国 里 丁 钢 管 公 司 试 用 于 铜 液 脱 氧 中 ， 并 获 得 了 年 的提 取 冶 金 奖〔 但 是 ， 此 工 作 存 在如下 问题 脱氧速率不 高 脱 氧 电流密度小 于 一 外 围设 备 复 杂 包含有 庞 大 的电路和气路 系统 成本 昂贵 针对上述 存在 的问题 ， 周 国 治和 李福 桑提 出 了 “ 脱 氧 体 ’ ， 脱 氧 的 新 专 利 ， 获 得 了很 好 的 结 果 ， 最高 电流密度可达到 每分钟数千毫安 以上 ， 并 省略 了庞大 电路和气路 ， 使生产成本大为降低 “ 脱氧体 ” 脱 氧 的方 法 ， 是 通 过 一 小块 高温 电 子 导体构成 内部 回路 电流 ， 无法监控和测量 ， 从而 也就无法 了解到整个脱氧过 程 本研究工 作的 目的 ， 是 想通 过 对 短路 脱 氧外 电路 电压 的测 定 ， 从 外 电路 电压 随 时 间变化 去 了 解和掌握无污染脱氧过 程 ， 了解它的机制 ， 并从 中 得到 监控 的信息 根据热力学 原理 ， 电池 电动 势 。 与 固体 电 解质两端 的氧分压有关 ， 即 一气 、 劲 收稿 日期 一 一 修 回 日期 一 习 荃金 项 目 国 家 自然 科 学 基 金资助 项 目 一 一 〔 作者简介 彭 波 一 男 ， 硕士 周 国 治 一 ， 男 ， 中国科 学院院 一士 其中 。 为 电池 电动 势 ， 为 金属 液 的温 度 ， 为法拉 第常数 ， · 一 ‘ 为气 体常数 ， · 一 ‘ 一 ‘ 一 ‘ ，及 为金属 液 固体 电解质 接界处氧分压 ， · 。 二为与脱氧齐“成平衡 的氧分 压 ， 当 ，二 二 日寸 ， “ · · 开 始时 “ · 最 大 ， 当 脱氧至平 衡日寸 ， 艺 一 ，二 ， 即 “ 一 ” · 因而 脱氧过 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2006．01．007