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氧氣（O）（原子序數(shù)8，原子量15.999）在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下的密度為1.429克/升。氧的熔點(diǎn)為-218.79攝氏度，沸點(diǎn)為-182.96攝氏度。它是一種無色的氣體，但液態(tài)氧的顏色為淡藍(lán)色。費(fèi)-氧二元系統(tǒng)的相圖見圖1。

圖1 F-O二元相圖

氧氣和鋼鐵之間存在著非常緊密的關(guān)系。氧氣首先被用于煉鋼過程，這是一個(gè)受控的氧化過程。在煉鋼過程中，過量的氧氣進(jìn)入鋼中，如果沒有得到適當(dāng)?shù)奶幚?，就?huì)造成很多鋼的缺陷，如氣孔、夾雜物等。氧氣被用于鋼材的切割、鑲邊、刮削和焊接過程。氧氣也是導(dǎo)致鋼鐵在生銹、結(jié)垢和腐蝕過程中破壞的原因。氧氣的進(jìn)一步運(yùn)輸發(fā)生在鋼制的氣瓶、罐子和管道中。氧氣也被用來（氧燃料工藝）加熱鋼材。

在煉鋼過程中，鋼中的氧氣主要有以下來源。

煉鋼過程中用于吹氣的氧氣

在煉鋼過程中使用氧化渣和氧化材料（礦石、燒結(jié)礦等）。

在煉鋼和鑄造作業(yè)中，大氣中的氧氣溶于鋼液中

煉鋼過程中用于盛放鋼液的各種容器中的氧化性耐火材料

生銹和潮濕的廢鋼

在煉鋼溫度（1600 - 1700攝氏度）下，氧氣在鋼液中的溶解度為0.23%。然而，它在冷卻過程中下降，然后在鋼的凝固過程中急劇下降，在固體鋼中達(dá)到0.003%的水平。氧氣在鋼中的溶解度與鋼中的碳含量有關(guān)系。熔融鋼中的碳和氧含量達(dá)到了一種平衡，這種平衡是由鋼的溫度和一氧化碳（CO）的分壓決定的。如果鋼的溫度不變，其氧含量隨著碳含量的降低而增加。

隨著鋼液中碳含量的降低，理論上溶解氧的含量會(huì)根據(jù)% C × % O = 0.0025的關(guān)系而增加。這意味著，作為一個(gè)例子，碳含量為0.1%的鋼，在平衡狀態(tài)下，含有約0.025 %，或250 ppm（百萬分之一）的溶解氧。鋼液中的溶解氧水平必須降低，因?yàn)檠鯕庠谀踢^程中與碳反應(yīng)，形成CO，導(dǎo)致鑄鋼中出現(xiàn)氣孔。

圖2顯示了在不同的CO分壓下氧氣和碳的平衡狀態(tài)。該圖顯示，碳百分比低的鋼具有較高的氧氣溶解度。

圖2 氧氣在鋼中與碳平衡時(shí)的溶解度曲線

煉鋼過程中的氧氣

煉鋼是一個(gè)控制氧化的過程。它是對熱金屬（來自高爐的鐵液）、廢鋼和煉鋼過程中使用的其他原材料中過多的碳（C）、磷（P）、硅（Si）和錳（Mn）進(jìn)行選擇性的氧化和去除的過程。在煉鋼過程中，主要目標(biāo)是通過氧化實(shí)現(xiàn)最徹底、最有效地去除雜質(zhì)，但這個(gè)過程是以這樣的方式進(jìn)行的，即所產(chǎn)生的氧化物在熱鑄或連鑄時(shí)被盡可能地去除。一般來說，氧氣在煉鋼過程中的作用分為兩大領(lǐng)域，即煉鋼過程中用于去除雜質(zhì)的氧化過程和煉鋼完成后用于有效去除或控制殘留氧化物的脫氧過程。

在氧化過程中，通常使用低溫空氣分離廠生產(chǎn)的高純度（99.5 %）的氧氣。在這個(gè)過程中，鐵礦石、燒結(jié)礦、氧化球團(tuán)也被用于供應(yīng)氧氣。此外，由于所有的氧化反應(yīng)在本質(zhì)上都是放熱的，所以氧氣在為工藝提供所需的熱量方面起著重要作用。

在煉鋼過程中，氧氣進(jìn)入鋼中是空洞和非金屬夾雜物（氧化物夾雜物）的來源，這些夾雜物被夾在鑄鋼結(jié)構(gòu)中。吹孔和非金屬夾雜物都會(huì)影響鋼的質(zhì)量。因此，鋼液的脫氧是煉鋼過程中的一個(gè)重要技術(shù)過程。鋼的脫氧是一種煉鋼技術(shù)操作，其中溶解在鋼液中的氧氣濃度（活性）被降低到所需水平。有三種主要的脫氧方法，即通過金屬脫氧劑（鐵合金、鋁、鈣等）脫氧，通過真空脫氧，以及擴(kuò)散脫氧。前兩種是煉鋼過程中廣泛采用的脫氧方法。

氧氣在鋼的切割、拉絲、焊接和圍巾中的使用

在氧氣切割（也稱為氧焰切割）中，預(yù)熱火焰通常指向要切割的鋼段的邊緣或角落。一旦鋼材被局部預(yù)熱至約870攝氏度或更高，就用高純度的氧氣流對其進(jìn)行噴射，以進(jìn)行切割。氧氣很輕松與熱鐵（Fe）發(fā)生反應(yīng)（或燃燒），產(chǎn)生一股（主要是）熔化的FeO，這種液體金屬被流動(dòng)的氧氣沖走。鐵的燃燒大約是按照以下反應(yīng)進(jìn)行的。

Fe（熱固體）+0.5 O2（氣體）=FeO（液體）？H在298攝氏度=-63.8千卡/摩爾

這個(gè)反應(yīng)釋放出相對大量的熱量。這個(gè)反應(yīng)的焓值加熱并使燃燒的產(chǎn)物（FeO）變成液體，這樣它就可以在吹氧的作用下從切割面流走，它還可以加熱周圍的材料，使切割可以繼續(xù)進(jìn)行（傳播）。液態(tài)的氧化鐵在實(shí)際中具有不確定的化學(xué)計(jì)量，它可以根據(jù)溫度（可能還有壓力）而變化。這種液態(tài)氧化鐵為FexO，其中x在正常條件下通常在0.95 - 1.0之間。

氧槍是一種切割工藝，它利用通過可消耗的鋼管供應(yīng)的氧氣在厚重的鋼制工件上穿孔或切割。長矛被點(diǎn)燃并穩(wěn)定地消耗著。它涉及到裝在鋼管里的一些鋼絲。該工藝的原理是，鐵管的燃燒溫度約為1200攝氏度至2700攝氏度，取決于燃燒的鐵氧比。 該工藝本身不需要燃料氣體，然而，它可以在焊槍中使用，以將長矛的切割端加熱到點(diǎn)火溫度。工藝經(jīng)濟(jì)性的最重要因素是適當(dāng)?shù)难鯕馀c長矛材料的比率，這個(gè)鋼氧系數(shù)不得低于0.5。在最小的焊槍消耗、最低的氧氣消耗和最長的燃燒時(shí)間的情況下，最大的穿孔效果可以預(yù)期，管與線與氧氣的截面積比為1.2 : 1 : 0.7。

在氧燃?xì)夂附又校笜尡挥脕砗附愉摬?。?dāng)兩塊要焊接的鋼被氧燃料火焰加熱到一定溫度，產(chǎn)生一個(gè)共同的鋼液池時(shí)，就會(huì)發(fā)生鋼的焊接。該液態(tài)池通常由稱為填充材料的額外鋼材提供。氧氣對焊縫金屬性能的不利影響（以焊縫金屬氧化物夾雜物的形式）是眾所周知的。 焊縫金屬的塑性和韌性等性能受到嚴(yán)重影響。

圍巾加工是通過氧燃料火焰的熱化學(xué)熔化和剝落缺陷表面來去除鋼鐵工件表面上的缺陷和雜質(zhì)，以保持鋼鐵材料的高質(zhì)量。如果工件的材料是熱的，這種加工被稱為熱圍巾，如果工件的材料是冷的，這種加工通常在環(huán)境溫度下進(jìn)行。

結(jié)垢、生銹和腐蝕

在鋼的再加熱和熱加工過程中，鋼表面會(huì)形成水垢。水垢的形成過程是一個(gè)高溫氧化過程，當(dāng)鋼的表面暴露在溫度高于570攝氏度的氧化性環(huán)境中時(shí)，鋼表面的鐵與大氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成鐵的氧化物。水垢是一種多層材料，通常由三種鐵的氧化物組成，即沃斯特石（FeO）、磁鐵礦（Fe3O4）和赤鐵礦（Fe2O3）。沃斯提特層緊挨著鋼的表面，赤鐵礦在最外層。

生銹是氧化過程，因?yàn)樗婕拌F獲得氧氣（鐵轉(zhuǎn)化為Fe2O3）或鐵原子失去電子。氧氣和水都是生銹的必要條件，因?yàn)樗鼈円黄鹂梢员贿€原成氫氧根離子。鐵銹是由以下公式形成的水合氧化鐵。

Fe(s) + O2 (g) + H2O (l) = Fe2O3.xH2O (s)

鋼鐵的腐蝕是一個(gè)電化學(xué)過程，需要同時(shí)存在水分和氧氣。腐蝕過程的進(jìn)展速度取決于很多因素，但主要是取決于緊鄰鋼材的 "微氣候"。

氧氣是一種強(qiáng)氧化劑，與鋼材的反應(yīng)非常迅速。作為陰極反應(yīng)中的去極化器和電子受體，氧氣加速了鋼材的陽極破壞。

鋼材最常見的腐蝕形式發(fā)生在鋼材與水環(huán)境接觸并生銹的情況下。當(dāng)鋼暴露在腐蝕性溶液（電解質(zhì)）中時(shí)，陽極部位的金屬原子失去電子，然后這些電子被陰極部位的其他金屬原子吸收。陰極通過電解質(zhì)與陽極接觸，進(jìn)行這種交換，試圖平衡其正負(fù)電荷。帶正電的離子被釋放到電解液中，能夠與其他帶負(fù)電的原子組結(jié)合。鋼鐵的這種陽極反應(yīng)如下：

Fe = Fe2+ + 2e ˉ

在陽極部位的金屬原子釋放電子后，對于鋼來說，涉及氧氣的常見陰極反應(yīng)如下：

O2 + 4 H+ + 4eˉ = 2H2O (酸性溶液中的氧還原)

0.5 O2 +H2O +2eˉ = 2OHˉ (中性或堿性溶液中的氧氣還原)

氧氣在低至5 ppb（十億分之一）的濃度下具有破壞性。氧氣的存在放大了酸性氣體（H2S和CO2）的腐蝕作用。氧氣促進(jìn)的腐蝕抑制作用很難實(shí)現(xiàn)，在很多情況下并不實(shí)用。與氧氣有關(guān)的腐蝕形式主要是均勻腐蝕和點(diǎn)蝕型腐蝕。圖3顯示了氧腐蝕的示意圖。

圖3 氧氣腐蝕的示意圖