钢包吹氩处理

简易的钢液脱气和去除非金属夹杂物的炉外精炼方法

钢包吹氩处理又称钢液吹氩处理，是一种简易的钢液脱气和去除非金属夹杂物的炉外精炼方法。这种方法工艺简单，设备便宜，精炼效果显著。

介绍

一种简易的钢液脱气和去除非金属夹杂物的炉外精炼方法。这种方法工艺简单，设备便宜，精炼效果显著。依据所需处理钢液在常温下的组织(如奥氏体、铁素体等)以及处理目的的不同，吹入钢液的气体，可以选用氩气、氮气、一氧化碳、水蒸气、空气，或先吹入氮气、一氧化碳、水蒸气、空气，然后再吹入氩气。钢液吹氩处理有重要的冶金意义：(1)降低钢液中溶入气体(如氢、氮、氧)的含量;(2)去除钢液中残存的非金属夹杂物(如氧化物、硫化物、氮化物等);(3)使钢液在浇注前成分、温度均匀，可明显降低浇注的开注温度，实现连铸工艺正常化，提高钢材冲击韧性等。

发展简史

早在20世纪40年代，理论分析已指明钢液采用吹氩处理的可行性，由于当时工业技术水平的限制，无法提供大量氩气。50年代初，在加拿大将氩气通过安装在盛钢桶底部的多孔塞吹入钢液，对钢液进行搅拌，称为盖扎尔(Gazal)法。(见下图)这种方法使钢液与炉渣充分接触，从而创造了良好的冶金反应条件，增强了脱硫和脱氧的冶金效果，但脱氢的效果差，Gazal法是钢液吹氩的原始工艺。1963年法国对Gazal法进行改进，在钢包上装上具有密封性能的真空包盖，使这一处理工艺又具有了一定的脱气效果，并称这种方法为Gazid法(图中b)。1963年美国Linde公司也对Gazal法进行改进(图中c)，在钢包上加盖，控制渣面气相的氧分压，使钢包空间气相分压以氩气为主体也达到了脱气效果。上述改进的装置，同时引起了液面过多散热的缺陷。为避免吹氩处理钢液事先要求钢液过热而带来的缺陷，而采用一系列将钢包预热到800～1100℃的技术措施，从而使这一简易处理钢液的技术日臻完善。自70年代在冶金工业中已被正式采用;处理的钢种有120多种，其中包括轴承钢、结构钢、电工钢、不锈耐热钢，钢管钢，阀门钢等。钢液采用氩气处理的同时，若采用合成渣处理或采用喷粉处理，则可更充分发挥各种炉外精炼技术处理钢液的冶金效果。现代冶金工业常用的VAD炉、VOD炉、ASEA—SKF精炼炉、LF炉等炉外精炼工艺采用同时向钢液吹氩已成为上述工艺过程不可分割的组成部分。

工艺原理

向钢液中吹氩能去除钢液中氢是依据西华特定律：

由于氩气泡中pH2和pN2趋近于零，而使钢液中溶解的氢和氮进入到氩气泡内而被携带出去。钢液中的氧，包括溶解的氧和氧化物夹杂，在向钢液吹氩过程由于产生细小分散的氩气泡与钢液密切接触，氩气泡表面与非金属氧化物夹杂有机会接触，而氩气泡中pO2趋于零，氩气泡表面与非金属氧化物夹杂之间的界面张力与pO2有关，当氩气泡中氧分压趋于零时，氩气泡表面与钢液中氧化物非金属夹杂间界面张力明显减少，而被氩气泡吸附并携带出钢液，而表现出有脱氧——去除氧化物非金属夹杂物的能力。

吹氩方式及优缺点

(1)底吹氩

在钢包底部安装供气元件(透气砖、细金属管供气砖)，氩气通过底部的透气砖吹入钢液，形成大量细小的氩气泡。透气砖除有一定透气性能外，还必须能承受钢液冲刷，具有一定的高温强度和较好的耐急冷急热性能，一般用高铝砖。

此种方式的优点是均匀钢水温度、成分和去除夹杂物的效果好，设备简单，操作灵活方便，不需占用固定场所，可以在出钢及LF处理全程进行吹氩。底吹氩方式还可以与其他相关方式相结合，组成新的炉外精炼方式，如VD、CASOB等。缺点是透气砖容易堵塞，影响钢水处理，同时与钢包寿命不同步。

(2)顶吹氩

从钢包顶部向钢包中心位置插入一根吹氩枪吹氩。吹氩枪中心为一个通氩气的钢管，外层为一定厚度的耐火材料。氩气出口有直孔和侧孔两种，小容量钢包用直孔型，大包用侧孔型。吹氩枪插入钢液的深度一般为液面深度的2/3左右。此种方式需设置相应的顶吹阀站，并可以随同吹氩同时喷人粉剂进行脱硫，但吹氩效果不如底吹氩效果好。

影响钢包吹氩效果的因素

(1)吹氩工艺参数包括氩气耗量、吹氩压力、氩气流量、吹氩时间和氩气泡大小等。

①氩气耗量的影响。从理论计算和生产实践得知，当吹氩量较低时，氩气在包中只起搅拌作用，而脱氧、去气效率低且不够稳定，并对改善夹杂物的污染作用也不大。

②吹氩压力的影响。吹氩压力越大，搅动力越大，气泡上升越快。但吹氩压力过大，氩气流涉及范围就越来越小，甚至形成连续气泡柱，而且容易造成钢包液面剧烈翻滚，钢液大量裸露与空气接触造成二次氧化和降温。钢渣相混，被击碎乳化的炉渣入钢水深处，使夹杂物含量增加。所以最大压力以不冲破渣层露出液面为限。压力过小，搅拌能力弱，吹氩时间延长，甚至造成透气砖堵塞。所以压力过大过小都不好，理想的吹氩压力是使氮气流遍布整个钢包，氩气泡在钢液内呈均匀分布。

③氩气流量和吹氩时间的影响。在系统不漏气的情况下，氩气流量是指进入包中的氩气量，它与透气砖的透气度、截面积等有关。如增加透气砖个数和尺寸，氩气流量就大，钢液吹氩处理的时间可缩短，精炼效果反而增加。

④吹氩时间的影响。吹氩时间主要与钢包容量和钢种有关。吹氩时间不宜太长，否则温降过大，对耐火材料冲刷严重。但一般不得低于3min，若吹氩时间不够，碳一氧反应未能充分进行，非金属夹杂物和气体不能有效排除，吹氩效果不显著。吹氩时间通常为5～12min，主要与钢包容量和钢种有关。

⑤氩气泡大小的影响。在吹氩装置正常的情况下，当氩气流量、压力一定时，氩气泡越细小、均匀及在钢液中上升的路程和滞留的时间越长，它与钢液接触的面积也就越大，吹氩精炼效果也就越好。

(2)脱氧程度的影响

钢液的脱氧程度对钢包吹氩炼的效果影响很大，不经脱氧，只靠包中吹氩来脱氧去气，钢中的残存氧可达0．02%，也就是说，钢液仅靠吹氩是不能达到完全脱氧的目的，后果是浇注入的钢锭上涨，而f和d比较理想。因此，目前电炉钢的钢包吹氩均是在钢液经过良莛的脱氧后进行。

作用及适用范围

钢包吹氩的主要作用有：

(1)利用氩气泡气洗钢液能使钢中的氢、氮含量降低，并能使钢中的氧含量进一步降低。

(2)利用氩气的搅拌作用，清除夹渣和夹杂，使钢液成分、温度均匀，偏析减少、提高脱氧剂和合金材料的收得率。

(3)利用氩气的保护作用。可进一步避免或减少钢液的二次氧化。

钢包吹氩精炼适用于许多钢种，如结构钢、轴承钢、电工钢、不锈钢、耐热钢、钢管钢和阀门钢等。大量的生产实践证明，脱氧良好的钢液经钢包吹氩后，可去除钢中的氢约为15%～40%、氧约为3()%～50%，电解夹杂总量可减少50%，尤其是大颗粒夹杂更有明显降低。而钢中的氮含量虽然也降低，但不是特别稳定。钢包吹氩能够减少因中心疏松与偏析、皮下气泡、夹杂等缺陷造成的废品，同时又提高了钢的密度及金属收得率等。

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