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外场作用下强化液脱氮、脱氧的研究.pdf148页
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外场作用下强化液脱氮、脱氧的研究
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摘 要 随着社会的进步和科技的发展，人们对钢铁材料中的有害元素氮、氧含量的
要求越来越高，而传统的钢液精炼方法已不能满足这一要求，这就需要冶金科技
工作者在原有的精炼基础上提出新的钢液脱氮、脱氧方法。 钢液脱氮一直是冶金界的一大难点。一个奇特的冶金现象引起了我们的注
意：暴露在非分子态 离子态或原子态 气氛下的钢液具有明显的超常规脱氮倾
向。在实验室规模的直流电弧炉内通过中空电极向钢液吹氩，钢液中的氮可以脱
到较低的水平。这个实验结果也被钢厂15吨电炉中空电极吹氩的工业试验所证
实。用电子束炉重熔钢和合金时脱氮效果非常明显，而在普通真空电弧炉内熔炼
的合金中氮含量则变化不大。这些试验结果说明钢液中的氮在非分子态气氛下的
反应和平衡具有与分子态气氛条件下完全不同的规律，这些规律至今尚未被人们
认识清楚。因此，有必要研究在等离子体下钢液脱氮的行为，从而为钢液脱氮开
辟一条新的途径。 本研究针对这一现象，提出在直流辉光等离子体下进行钢液脱氮的研究。这
样一方面真空本身可以把氮脱除，另～方面利用辉光等离子体可强化脱氮，而直
流辉光等离子体有利于研究辉光等离子体脱氮的机理。为此，我们研究了如下关
键性问题。 根据直流辉光等离子体的放电特性，设计了脉冲电路控制熔体作为一极的直
流辉光等离子体，并在低温熔体锡液和高温熔体铜液上进行了实验。实验证明利
用脉冲控制电路可以克服熔体作为直流辉光等离子体一极易引起电流波动这一
难点，为以后进行这一领域的研究提供了可靠的电路保证。 从理论上对直流辉光等离子体进行了解析，为实验装置的设计和实验
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真空感应熔炼超低氧钢的深度脱氧规律
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感应熔炼炉相关供应信息3真空感应炉熔炼
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3真空感应炉熔炼
真空感应熔炼（vacuum induction melting,简称VIM），是在真空条件下，利用电磁感应在金属导体内产生涡流加热炉料来进行熔炼的方法。新型真空感应脱气浇注VIDP，具有熔炼体积小，抽真空时间和熔炼周期短，便于温度压力控制、易于回收易挥发元素和成分控制准确等特点；自1988年出现以来，被发达国家列为大型真空感应炉的重点选择对象
3.1.1 真空感应炉设备
真空感应炉是生产超级合金的设备。按照作业方式可以分为间歇式炉子和半连续作业式炉子。真空感应炉可用于精炼超级合金，也可用于特种合金铸造。真空感应炉配套设备可以分为电源及电气控制、炉体、真空系统、水冷系统4大部分，见图3-1和3-2。
炉料下层紧密，上层较松，防止熔化过程上层炉料搭桥；在装大料前先在炉底铺垫一层细小的轻料；
高熔点又不易氧化的炉料应装在坩埚的中下部高温区；
易氧化的炉料应在金属脱氧良好的条件下加入；
为减少易挥发元素的损失，可以合金的形式加入金属熔池中，或熔炼室中充以惰性气体，以保持一定的炉膛压力。
3.3.2& 熔化期
对于间歇式生产的真空炉，当装料完毕后，闭合真空室，开始抽真空。等到真空室压力达到0.67Pa (5×10-3mmHg) 时，便可送电加热炉料。对于真空条件下装料的连续式生产炉座，装完料后，即可送电进入熔化期。考虑到炉料在熔化过程中的放气作用,熔化初期不要求输入最大功率。而是根据炉料的放气情况，逐渐增大功率，避免大量放气造成喷溅。当出现剧烈沸腾或喷溅时，可采取减少输入功率或适当提高熔炼室压力的办法加以控制。熔池熔清的标志是：熔池表面平静，无气泡逸出。可转入精炼期。
3.3.3& 精炼期&
精炼期的主要任务是提高液态金属的纯洁度及进行合金化。与此同时，还要调整熔池的温度和进行合金化。精炼期要实现的目标是降低气体含量，去除有害杂质，使钢液成分合格。精炼期的温度：控制在所冶炼金属的熔点以上100 ℃。 真空度：大型真空感应炉通常在15-150Pa；小型炉为0.1-1Pa。精炼时间：200kg的炉座为15-25分钟；1吨左右为60-100min
3.3.4 合金化&
合金化即成分的调整，是在脱氧和脱气良好的情况下进行的，通过添加合金元素来实现。由对合金性能的要求决定添加元素的种类及数量，根据合金元素与氧的亲合力大小和容易挥发程度决定加入的先后顺序及加入条件。每加一种元素后，都应当加大功率进行一定时间的搅拌，以加速熔化并使之分布均匀。
3.3.5 出钢和浇注&&
合金化结束后，坩埚中的金属液达到目标成分和温度，真空室内的直空度也符合技术要求的规定，则可以出钢。浇注到保温帽时，即破真空，立即打开真空室加发热剂和保温剂，以免缩孔进入锭身。对于成分复杂的高温合金，浇注后在真空下停留15～20分钟，再破真空。对于大型连续式真空感应炉，铸锭可让它在真空下冷却。
3.4元素的挥发与成分控制
所有金属(包括部分非金属)都存在一平衡的蒸气压Poi，它取决于该金属的物性、气态的存在形式(单原子、双原子还是多原子组成气态分子)以及温度。i物质的蒸气压Po，与温度的关系式为：(P0为标准压力，不用改动)
&&&&&&&&&&&&&&&& lg（Poi/133.3）=AT-1 +BlgT +TC×10-3+D&&&&&&&&&&&&&&&&& (3-1 )
式中Poi的单位是Pa，与钢铁冶金有关的一些元素的A、B、C、D以及有关物性参数列于表3-5。元素的蒸气压越高，在真空熔炼时挥发的趋势就越大。按表3-5所列数据可计算1873K时，各元素的Poi递减顺序是：Zn、Mg、Ca、Sb、Bi、Pb、Mn、Al、Sn、Cu、Cr、Fe、Co、Ni、Y、Ce、Sl、La、Ti、V、B、Zr、Mo、Nb、W、Ta。
合金或粗金属中的组元i的蒸气压Pi和纯物质i的蒸气压Poi是不相等的，因为合金中i的浓度必然低于纯物质，此外合金中i与其他组元分子之间的作用力也不等于i分子之间的作用力。Pi可由下式表示：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& Pi= ai .Poi，= r i& .N i .Poi&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (3-2)
式中：ai——合金中组元i的活度；
&&&&&&&&& r i——i的活度系数；
&&&&&&&&& N i——i的摩尔分数浓度；
在铁基合金中，可将合金元素分成不挥发、易挥发和可以借助于挥发去除的杂质元素等三类。属于不挥发的元素有Ti、V、B、Zr、Mc、Nb、Ta、W。属于易挥发的元素有Mn、Al、Cr、Fe、Co、Ni、Cu以及Ca和Mg。在真空熔炼的条件下，这类元素会有或多或少的挥发。钢和合金中有一些微量的金属元素，它们对钢和合金的性能有较大的危害，一般的化学方法又难以去除，若这类元素有较高的蒸气压，则可以在真空熔炼中借助挥发而去除。这类金属元素有Sn、Pb、Bi、Sb、Zn等
微量元素指用于微合金化的镁、锆、硼等，微量杂质指Pb、Bi、As、Sb、Sn等，对于钢和合金来说，前者是有益的，后者是有害的； 纯镁在熔炼温度条件下具有很高的蒸汽压，密度小，对氧有较强的亲和力，这些因素给镁合金化带来一定困难。
&在真空熔炼时，镁是以二元或三元合金在熔炼后期加入的，为了提高镁的回收率，加入镁时应注意以下几点：
（1）加镁前钢液温度低于出钢温度20℃左右。
（2）加镁后应该控制保温时间，一般出钢前1-5min内加入；
（3）加镁前炉内应充入氩气，以保证镁的高回收率。
而微量杂质低熔点元素是废钢反复使用积累和某些铁矿含有这些元素所造成的。钢与合金中的微量有害元素一般都具有较高的蒸气压，所以真空精炼是去除这类有害杂质元素的最有效方法。由于蒸气压不同，其他组元的影响不同，所以这些元素的挥发速率差别很大。
3.5真空下金属熔池与耐火材料的相互作用
随着感应炉技术的不断发展，无芯感应炉的容量也随之不断增大，已经投产的真空和传统的感应炉已分别达到60t和40t，20世纪60年代，美国先后制造了15t、30t甚至60t的VIM (Vacuum Induction Melting Furnace) 炉。而电炉容量的增大对耐火材料的要求也相应提高，特别是具有特殊物理特性的高纯耐火材料。
真空熔炼用耐火材料的操作条件一般比常规熔炼时的苛刻，因为在真空条件下很多耐火材料按照组分分解并与熔融的金属反应，一方面污染了熔融金属，同时也加大了耐火材料的损蚀。这在含有大量二氧化硅和氧化铁的耐火材料中表现尤为突出。
真空熔炼用耐火材料发生的收缩裂纹较常规熔炼的严重，特别是大容量(&2.5t)捣打炉衬的感应炉。因此大型感应炉的耐火材料应具有以下特征：
(1) 不可逆的膨胀，不会发生收缩裂纹；
(2) 高纯度；
(3) 在真空环境中具有良好的稳定性；
(4) 能够很好的耐熔融金属和熔渣的侵蚀。
具备上述特征的耐火材料有高纯氧化镁－氧化铝－尖晶石和氧化铝。近年来这些耐火材料的捣打配料、型砖以及相应的补炉材料和粘结剂都已有了很大的发展。
氧化镁和氧化铝经过反应会形成密度较低的高纯氧化镁－氧化铝－尖晶石，而氧化镁－氧化铝－尖晶石的炉衬在1647℃的温度条件下使用，当冷却至室温时或进行冷装料操作后，再加热到1647℃使用，如此循环几十次亦不会发生裂纹。据有关资料报道，对公称容量为6t的感应炉其炉衬采用95%氧化铝捣打成型，在生产300系和400系的不锈钢时，可以连续生产150炉而未对炉衬进行任何的处理。
3.6新技术在感应炉冶炼中的应用
从感应炉出现至今近80年间，感应炉在设备和工艺方面都有着长足的进步，因而使得感应炉熔炼无论在产量和生产率方面，还是在产品质量、品种范围方面出现并已采用一些措施，主要包括：合金的镁处理、低氧势脱磷、吹氩、喷粉，喷吹氢氧混合气体脱碳、钢液的氢气精炼。
3.6.1合金的镁处理
镍基或铁基的高温合金、精密合金，含有较高的合金元素，有些还是较活泼的元素，例如铝、钛等。这类合金即使在真空中熔炼，还不能保证得到令人满意的热塑性、焊接性能、高温强度和抗蠕变强度等性能。为此，在精炼终了加入一定数量的镁。残留在金属中的镁，能显著地改进上述性能。
镁特定的物化性质决定着，在镁的加入操作中，镁的加入方式回收率的控制都是难以完善解决的工艺问题，使用镁合金如：Ni-Mg、Ni-Mg-Me以降低镁的蒸汽压，提高熔点和沸点。镁处理的操作过程为：
（1）精炼期结束后，若要求添加B、Ce,在B、Ce加入后，调节熔池温度，使温度低于出钢温度20℃;
（2）真空室内充高纯氩气至13-27kPa;
（3）镁以块状的含镁中间合金加入金属熔池;
（4）镁加入后立即大功率搅拌，时间不宜过长，为减少镁的损失，加镁后，通常1-5min内出钢;
3.6.2 低氧势脱磷
熔炼合金钢时，特别是用合金钢返回料作炉料时，为了减少合金元素的损失，在熔化和精炼过程中，必须控制炉气和炉渣的氧势，因此熔炼过程中就不能用氧化的办法脱磷。当要求熔炼低磷钢种时，只能用含磷量低于规格要求的原材料，这样就提高了生产的成本。为解决高合金钢返回料熔炼的脱磷问题，近年来提出低氧势脱磷的理论和实践，在感应炉熔炼中也得到了应用。钙和钢中的磷，在钢液充分地脱氧和脱硫的条件下，能进行如下反应：&&&&& 3Ca+2[P] = Ca3P2；&&&&&&&&&&&&&& （3-3）
生成物为磷化钙。参与反应的钙可以是金属钙，也可以是钙的合金(如硅钙合金)，或钙的化合物(如CaC2)。由于金属钙的熔点低(839℃)、蒸气压高(1600℃时，P 1.775×105Pa)、在钢液中的溶解度小，所以当金属钙加入钢液后很快挥发成蒸气，以气泡形式上浮排出。在上浮过程中，钙蒸汽能与钢中的磷反应生成Ca3P2，但钙的利用率很低。常用的是钙的合金或化合物。反应生成的Ca3P2是不溶于钢液中的化合物，其熔点为1320℃，密度3.3 g／㎝3，在炼钢温度下会以液态上浮而进入渣中。但是磷化钙在炼钢条件下并不稳定，是一强的还原剂。当炉内气氛氧势偏高和渣中存在易还原的氧化物时，会进行以下反应：
(Ca3P2) + 4O2& = 3 (CaO)+ (P2O5) ；&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （3-4）
&y (Ca3P2) + 8 (MexOy) = 3y (CaO) + y (P2O5) + 8x [Me]&&&&&& （3-5）
当炉气中含有水汽时：
&&&&&&&&&&&&&&& (Ca3P2)十3H2O= 3 (CaO) + 2PH3 ↑;&&&&&&&&&&&&&&&&&& （3-6）
PH3是气体，将随炉气排出而带走磷，但是这种气体有毒，操作时应避免这种反应发生。在处理含Ca3P2的炉渣时，应采用专门措施以保证安全。当渣中碱度较高时，而生成稳定性较高的CaO.P2 O5。
(CaO) + (P2 O5)= (3 CaO.P2 O5)&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （3-7）
但是用于低氧势脱磷的硅钙或CaC2都是具有极强的还原性，所以当渣中有过剩的硅钙或CaC2存在时，磷酸钙会分解，P2O5会被还原而使磷又回到钢中，降低了低氧势脱磷的效率。在实际操作中。保持钢液的低氧势和及时去除含磷炉渣是提高钙的脱磷效率的关键。当加入钙时，要防止钙的急剧气化而导致喷溅；用CaC2做脱磷剂时，为避免渣中的CaC2氧化，操作时要求在坩埚上加盖，内充还原或惰性气体；在Cr12MoV模具钢熔炼中，粉剂用量为10～15kg/t，脱磷量 约为0.005%，喷粉结束后，立即清除炉渣，另造新渣。
3.6.3 吹氩
钢包吹氩在普钢和低合金钢的熔炼中已是一项成熟技术，依靠上浮的氩气泡，搅拌钢液，促进碳氧反应，气泡表面粘附夹杂和促进夹杂间的碰撞、长大、上浮，在一定条件下还能脱气。当氩气纯度较高且十分干燥时，吹氩可以去除部分气体，特别是氢。当吹氩时间为20分钟左右时，脱氢率可达50％左右。在炼钢温度下蒸气压较高的有害微量元素，如铅、砷等，通过吹氩，也能得到不同程度的去除。有资料介绍，吹氩20分钟时，可以将钢中的铅去除70～80％，砷的去除量却只有10％。
3.6.4 喷粉
喷射冶金是近期发展起来的一项精炼钢液的新技术。钢包喷粉已在常规炼钢炉的炼钢生产中得到较为广泛的应用，根据所喷粉剂的不同，可以利用喷粉完成脱磷、脱硫、脱氧、控制夹杂的形态、合金化或增碳等冶金任务。喷粉技术本质上是一种将固体料加入钢液熔体的技术。
由于粉剂是靠载流气体输送，与粉剂同时进入的载流气体，将会导致熔体的搅拌，从而改善冶金反应的动力学条件，所以喷粉比传统的固体料添加技术效果要好一些。当然，这种添加技术也完全可以用于感应炉熔炼。
感应炉熔炼中可以利用喷吹脱磷剂 (钙的合金或钙的化合物) 脱磷，也可以喷吹脱硫剂脱硫。常用的脱硫剂有以石灰为主的粉剂(w(CaO) 60～80%，w(CaF2)20～40％)，这种脱硫剂取材方便，价格便宜，并对钢液的成分控制没有影响，脱硫率约为30~50％。使用较多的另一种脱硫剂是Ca-Si-CaF2 (其中w(CaF2)20～30％)，这种脱硫剂中的硅大部分会被钢液吸收而增硅，脱硫率可达40~80％。对于不担心增碳的钢种，在以石灰为基的脱硫剂中配加一定比例的CaC2，也能取得较好的脱硫效果。
喷粉常用瓶装氩气作为载流气体。对于含氮量没有要求的钢种也可以使用氮气，可以降低成本。工作压力一般为0.2～0.3MPa，在保证粉剂均匀输送的前提下，应尽可能减小工作压力。用外敷耐火材料的钢管作为喷枪，插入深度为熔池深度减去喷透深度。
3.6.5 喷吹氩氧混合气体脱碳
美国联合碳化物公司用感应炉研究了Fe-Cr-C-O四元系的平衡关系，发现溶解在铁中的碳和铬的含量与温度和气相中一氧化碳的分压力PCO之间存在着对应的关系。在一定的铬含量下，平衡的碳含量随温度的提高或PCO的降低而下降，从而得出只要设法降低与钢液相接触的气相中PCO，就可以在不太高的温度下，将钢液中的碳降到较低的水平，而铬不会遭到太多的氧化损失。
在此基础上，提出了用氩气稀释PCO分压的AOD法，即喷吹氩氧混合气体脱碳。这种方法克服了电弧炉中返回吹氧法熔炼铬不锈钢时的温度高、铬损失大、石墨电极增碳、炉衬寿命低、微碳铬铁或金属铬用量大等缺点，得到迅速发展和广泛应用。
既然AOD法是在感应炉上研究出来的，则氩氧脱碳法应该可以用于感应炉熔炼。当用感应炉熔炼铬或镍铬不锈钢时，可以喷吹氩氧混合气体，以脱除钢中的碳。}