钢的脱碳反应(卷名：矿冶)
removal of carbon in steelmaking
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3～4.5％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1580℃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：①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：
[C]代表溶于钢中的碳。②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) 代表渣中的氧化亚铁。两者都包括钢液中的碳氧反应：
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400～500。当CO的分压为1大气压时，钢液中碳和氧的平衡浓度积为：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[O]低，[C]低则[O]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。气相中一氧化碳分压降低时，[％C]·[％O]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1750～1800℃）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0.07～0.12％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钢([C])＜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]·[％O]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－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－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－金属界面，不存在CO气泡“核”产生的动力学障碍。
参考书目
曲英主编：《炼钢学原理》，冶金工业出版社，北京，1980。