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钢液真空处理

炉外精炼技术

将钢液置于低于大气压力条件下进行冶炼操作的一种炉外精炼技术。一般来说，只有当钢液表面的压力低于100Pa时方可取得显著的处理效果。

基本释义
随着现代科学技术的发展，尤其是原子能工业，宇宙空间技术、海洋钻探技术、燃气发动机技术、汽车工业、飞机制造业、高速列车等高技术工业的迅速发展，对钢铁材料的寿命、可靠性提出了越来越高的要求。而钢中某些元素的存在是危害钢铁材料的可靠与长寿的重要因素，而其中有些元素在大气条件下进行的冶炼无法去除，因此在20世纪50年代初，人们提出了真空处理方法。早期的钢液真空处理设备很简单(如下图)：
真空处理效果并不明显。自50年代末期大功率蒸汽喷射泵问世后，钢液的真空处理技术有了较大发展。现代科学技术的发展，促进了真空处理工艺的迅速发展，在工业发达国家，经真空处理的钢产量已达60%以上。已采用的钢液真空处理技术有：钢液真空脱气、钢液倒包真空处理，钢液真空提升脱气法(DH法)、钢液真空循环脱气法(RH法)以及真空铸锭。
冶金效果
(1)去除钢中的气体，减少钢中的发纹、氢致裂纹和层状断裂缺陷等的出现率，从而提高钢材的机械性能和加工性能。
(2)均匀钢液的成分和温度以保证连续铸钢炼铁工艺的顺利进行，得到表面及内部质量优良的铸坯。
(3)精确地控制钢液成分。为了减少钢材机械性能的波动，要求钢中合金元素的含量准确。一般的标准误差为：C±0.01%，Mn、Si、Cr±0.03%；为了精确地控制钢的硬度，要求成分的标准误差为：C±0.01%；Si、Mn、Cr±0.02%．Ni、Mo±0.01%，Al士0.0025%。对成分的这种严格要求只有通过炉外精炼才能达到。
(4)将碳脱至极低程度(C<0.01%)，以提高钢的深冲性能、电磁和耐腐蚀性能，这对铬镍不锈钢更具有重要的意义。
(5)将磷、硫脱至极低程度，以提高钢的冲击性能、减少层状断口，消除回火脆性，及连铸|轧钢坯表面缺陷。
(6)控制硫化物和氧化物夹杂形状，可以减少机械性能的方向差别，防止氢致裂纹以及浇注过程的水口堵塞。
(7)利用真空铸锭和真空保护浇注，防止钢液的二次氧化。
碳氧反应反应方程式为
[C]+[O]=Co气
此反应是溶解在钢液中的碳与钢液中的氧反应生成不溶解于钢液中的气体生成物Co。降低钢液表面的压力，也即降低Co的分压力就可以促反应向右进行。在一定含碳量的条件下真空处理钢液，就可以使钢液中的氧含量不断降低。工业规模真空处理的钢液，可使钢中氧含量达10×10 -6 的水平。这就是真空碳脱氧的过程。如果向钢液中不断吹入氧气，就可以不断脱除钢中的碳。这就是真空下吹氧脱碳生产低碳钢的原理。真空度越高脱碳效果越好。
脱气反应 双原子气体(主要指氢和氮)在金属中的溶解度服从西华特定律，即与该气体在金属表面的分压力的平方根成正比：
式中KH 、KN为与温度有关的常数。在一定的温度下，钢液表面H2或N2的分压降低100倍，就可以使H2或N2在钢液中的溶解度降低10倍。工业规模的真空处理可使钢中的氢降低0.5×10 -6，钢中的氮降至10×10-6 。
钢液真空处理的冶金学基础
元素的蒸发 除氮、氢、氧以外，钢中还溶解了很多其他元素，有的是为获得某种性能而添加的有用元素，或称合金化元素；有些是从炼钢原料中带来的。这些元素存在于钢液中，在钢液表面形成一定的该元素的蒸气压，易溶于钢液的元素蒸气压低些，不易溶于钢液的元素蒸气压则高些。不断降低钢液表面的压力，就可使某些易蒸发元素的分压力不断降低，从而使这种元素不断去除。在有害元素蒸馏去除的同时，往往也伴随着有用元素的挥发，甚至包括铁原子的挥发，因此某些元素通过挥发去除了，而另一些元素则可能在钢液中富集，如钢中的Ni、Co、P等就容易富集。
钢液与耐火材料的反应
耐火材料与钢液之间的反应耐火材料一般由MgO、Al2O3 、SiO2 、ZrO2等组成，而钢液中含有一定的碳量，因此在真空条件下，钢液中的碳就可能还原耐火材料并发生耐火材料的分解反应。如：
由于耐火材料的分解向钢中供氧，钢液中的氧含量就会增加，当真空下碳氧反应进行到一定程度时，耐火材料向钢液中的供氧与氧的脱除达到动态平衡，脱氧过程虽在进行，但钢中氧含量却保持一定的数值，不再发生变化。
除气—脱氢与脱氮
促进更应的措施 为了获得好的处理效果，缩短真空处理时间，采用了各种改进措施，如电磁搅拌和吹气搅拌。在搅拌的作用下将含氧、氢、氛高的钢液尽快输送到气液相界面以加速反应过程，而吹入的气泡也可以作为形核核心，每个小气泡又相当于一个小真空室，更加速反应去气的过程。
有了各种现代化的真空处理设备，钢液真空处理的水平不断提高，表现于处理量不断增加，同时钢中。氮、氢、氧等杂质的含量下降到很低水平。在已可使钢中总氧量达2×10-6大批量生产的钢中，总氧量可达5×10-6，氢达0.5×10-6 ，氮达10×10-6 。由于钢中有害杂质的不断降低，钢材的使用寿命与可靠性都大大提高。以轴承钢为例，当钢中总氧量由30×10-6降至15×10-6 ，其疲劳寿命(L10)提高5倍；降至10×10-6 ，其疲劳寿命提高15倍：降至5×10-6 ，其疲劳寿命则可提高30倍。
通常钢水表面总是有一层渣覆盖，由于渣层的静压力作用，增大了气泡形核阻力。因此真空处理时要少带渣或者不带渣。LF炉、ASEA—SKF精炼炉和VAD炉处理钢水时，钢水表面总要带渣，而RH法、DH法是将钢液抽进真空室进行处理，钢液完全暴露在高真空气氛中，故它们的脱气效果优于LF炉、ASEA—SKF精炼炉和VAD炉。
钢液真空处理法的选用
在介绍VD和RH真空处理的特点、投资和生产成本的前提下，提出电炉和转炉炼钢配置真空处理装置时的选用原则。
真空处理方式的选择
常用的真空处理有循环脱气法（即RH法）和钢包脱气法（即VD法）等，它们均具有良好的脱气功能，但因结构和操作方式不同，其真空脱气特征、工艺性能、生产费用和投资等也不同，钢厂在配备钢水真空处理装置时， 必须按其特性，因地制宜作出选择。
RH法与VD法工艺特征的比较
VD法由于整个钢包放入真空罐（坑）在底吹氢下真空脱气，渣钢沸腾喷溅，由此钢包上部空间要增高800~1200mm，处理前要除渣以防回磷，但占用厂房高度小。该法也适用于15~25t小钢包。
RH法 由于是将钢水连续地进入真空室法。内脱气，钢包渣面平稳，回磷现象不明显，但其占用厂房高度较大，耐材耗损及热耗均高于VD法。
电炉用真空处理方式的选择
(1) 多是配有LF炉后增建VD装置。电炉配钢包炉（LF）进行脱氧合金化，电炉冶炼周期可缩短到约60mni，适于和连铸机匹配进行多炉连浇，提高生产率。再增配真空精炼时，目的在进行真空脱气和脱碳，可生产超纯钢和极低碳钢等，不必在真空装置中加铁合金调整成分，因此以增建VD合适和方便。
(2) 电炉出钢渣中的FeO及P2O5量比转炉低得多，采用偏心底出钢和留钢法后，彻底除去了炉渣，采用vD 精炼，钢包不需扒渣，也不会回磷，而重造的新渣更可提高VD的精炼效果。
(3) 电炉冶炼周期长，一般为60~90mni，与VD法匹配时间较充裕。
转炉用真空处理方式的选择
转炉炼钢的真空处理多用RH法，如本有32个转炉车间，其中设RH装置者26个（29台）， 占81.2%；英国有5个转炉车间，其中设RH装置者4个，占80%；美国有30个转炉车间约60%配真空处理设施，其中设RH装置者占65%左右；我国宝钢、武钢转炉也采用RH法。
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