在初煉出鋼和精煉過(guò)程加入金屬或合金脫氧是最常用的煉鋼脫氧方法，由此帶來(lái)的大顆粒脫氧產(chǎn)物的去除和細(xì)小夾雜物的功能化利用與控制成為潔凈鋼冶煉的共性問(wèn)題，特別是對(duì)有特殊性能要求的高品質(zhì)鋼，精確控制氧化物夾雜已成為關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。通常情況下，鋼液中金屬脫氧反應(yīng)與鋼-渣界面脫硫和脫磷反應(yīng)不同，脫硫或脫磷是均相反應(yīng)，金屬脫氧是鋼液中溶質(zhì)原子之間形成固體氧化物的多相反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程不但涉及原子之間的化學(xué)作用，還涉及到化學(xué)作用產(chǎn)物的形核及長(zhǎng)大等多個(gè)步驟。
科研人員利用第一性原理方法優(yōu)化顯示，金屬脫氧體系中的介尺度亞穩(wěn)相包括形核前的不同數(shù)目的脫氧劑原子和氧原子結(jié)合的氧化物團(tuán)簇、團(tuán)簇聚集體、臨界核以及形核后的納米尺寸氧化物夾雜。熱力學(xué)平衡計(jì)算發(fā)現(xiàn)亞穩(wěn)相恰好與脫氧后體系中的脫氧劑和氧元素含量達(dá)到平衡。
脫氧過(guò)程中夾雜物形核服從二步機(jī)理，第一步為脫氧劑原子與氧反應(yīng)生成團(tuán)簇，該過(guò)程的熱力學(xué)趨勢(shì)大、反應(yīng)速率快，反應(yīng)平衡決定了脫氧后的溶解氧含量;第二步為團(tuán)簇聚集成核，該過(guò)程涉及團(tuán)簇的擴(kuò)散和類液態(tài)結(jié)構(gòu)向固態(tài)或晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變行為，是脫氧反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)，決定了夾雜物的形核率。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)夾雜物尺寸分布的控制，需進(jìn)一步研究影響第二步的相關(guān)因素以及控制方法。