炉外精炼2011-1学习.pptx

教师信息艾立群：冶金与能源学院冶金工程系2592160（O）第1页/共93页课程衔接：炼铁学-铁水预处理-炼钢学-炉外精炼-连铸第2页/共93页所谓炉外精炼，就是将在转炉或电炉内初炼的钢液倒入钢包或专用容器内进行脱氧、脱硫、脱碳、去气、去除非金属夹杂物和调整钢液成分及温度以达到进一步冶炼目的的炼钢工艺，即将在常规炼钢炉中完成的精炼任务，如去除杂质(包括不需要的元素、气体和夹杂)、调整和均匀成分和温度的任务，部分或全部地移到钢包或其他容器中进行，变一步炼钢法为二步炼钢，即把传统的炼钢过程分为初炼和精炼两步进行。国外也称之为二次精炼(Secondary Refining)、二次炼钢(Secondary steelmaking)、二次冶金（Secondary Metallurgy）钢包冶金(Ladle Metallurgy)。炉外精炼定义第3页/共93页炉外精炼起初仅限于生产特殊钢和优质钢，后来扩大到普通钢的生产上，现在已基本上成为炼钢工艺中必不可少的环节，它是连接冶炼与连铸的桥梁，用以协调炼钢和连铸的正常生产。未来的钢铁生产将向着近终型连铸(如薄板坯)和后步工序高度一体化的方向发展，这就要求浇铸出的铸坯无缺陷，并且能在操作上实现高度连续化作业。因此，要求钢液具有更高的质量特性，那就必须进一步发展炉外精炼技术，使冶炼、浇铸和轧制等工序能实现最佳衔接，进而达到提高生产率、降低生产成本、提高产品质量的目的。炉外精炼是将初炼的钢液在真空、惰性气体或还原性气氛的容器内进行脱气、脱氧、脱硫、去除夹杂物和成分微调等。炉外精炼可提高钢的质量，缩短冶炼时间，优化工艺过程并降低生产成本。炉外精炼第4页/共93页炉外精炼可以完成下列任务：降低钢中氧、硫、氢、氮和非金属夹杂物含量，改变夹杂物形态，以提高钢的纯净度，改善钢 的性能。深脱碳，满足低碳或超低碳钢的要求。微调合金成分，使其分布均匀，降低合金的消 耗，以提高合金收得率。调整钢水温度到浇注所要求的范围内，减小包内 钢水的温度梯度。炉外精炼的主要目的和任务第5页/共93页 完成上述任务就能达到提高质量、扩大品种、降低消耗和成本、缩短冶炼时间、提高生产率、协调好炼钢和连铸生产的配合等目的。但是，到目前为止，还没有任何一种炉外精炼方法能完成上述所有任务，某一种精炼方法只能完成其中一项或几项任务。由于各厂条件和冶炼钢种不同，一般是根据不同需要配备一两种炉外精炼设备。第6页/共93页 渣洗、真空、搅拌、喷吹、加热、过滤、喂线等。当今，名目繁多的炉外精炼方法基本上是由这六种精炼手段的不同组合而成的。采用一种或几种手段简便可构成一种独特的炉外精炼技术（设备），不同的精炼技术满足于不同的处理目的和要求。如果单一炉外精炼设备不能满足品种钢生产要求，则需要两台精炼设备双联。如LF-RH。炉外精炼的手段第7页/共93页渣洗：将事先配好(在专门炼渣炉中熔炼)的合成渣倒入钢包内，借出钢时钢流的冲击作用，使钢液与合成渣充分混合，从而完成脱氧、脱硫和去除夹杂等精炼任务。真空：将钢液置于真空室内，由于真空作用使反应向生成气相方向移动，达到脱气、脱氧、脱碳等目的。真空是炉外精炼中广泛应用的一种手段。搅拌：通过搅拌扩大反应界面，加速反应物质的传递过程，提高反应速度。搅拌方法：吹气搅拌和电磁搅拌。加热：调节钢液温度的一项重要手段，使炼钢与连铸更好地衔接。加热方法：电弧加热法和化学加热法。喷吹：用气体作载体将反应剂加入金属液内的一种手段。喷吹的冶金功能取决于精炼剂的种类，它能完成脱碳、脱硫、脱氧、合金化和控制夹杂物形态等精炼任务。过滤、喂线第8页/共93页炉外精炼的手段第9页/共93页炉外精炼的手段第10页/共93页炉外精炼的手段第11页/共93页1 炉外精炼技术概论炉外精炼水平与连铸生产发展概况日本炉外精炼比和连铸比逐年增长的趋势图中国炉外精炼比、连铸比和吹氩喂丝比增长趋势图第12页/共93页炉外精炼 就是将传统工艺流程中在常规炼钢炉中完成的精炼任务，如去除杂质（包括不需要的元素、气体和夹杂），成分及温度的调整和均匀化等任务，部分或全部地移到钢包或其他容器中进行。因此，炉外精炼也称为二次精炼或钢包冶金。1 炉外精炼技术概论炉外精炼 凡是在熔炼炉（如转炉、电炉）以外进行的，旨在进一步扩大品种提高钢的质量、降低钢的成本所采用的冶金过程统称为炉外精炼。炉外精炼二次精炼钢包冶金二次炼钢炉外处理第13页/共93页1 炉外精炼技术概论炉外精炼的任务u1 钢水成分和温度的均匀化u2 精确控制钢水成分和温度u3 脱氧脱硫脱磷脱碳 u4 去除钢中气体（氢氮）及夹杂u5 夹杂物形态控制基本手段1 渣洗2 真空3 搅拌4 加热5 喷吹6 喂线第14页/共93页1.1炉外精炼的产生 现代科学技术的进步和工业的发展，对钢的质量(如钢的纯净度)的要求越来越高；用普通炼钢炉(转炉、电炉和平炉)冶炼出来的钢液已经难以满足其质量的要求；为了提高生产率，缩短冶炼时间，也希望能把炼钢的一部分任务移到炉外去完成；另外，连铸技术的发展，对钢液的成分、温度和气体的含量等也提出了严格的要求。总之，几方面的因素迫使炼钢工作者寻求一种新的炼钢工艺，于是就产生了炉外精炼方法。第15页/共93页1.2 炉外精炼的发展20世纪30年代20世纪40年代20世纪50年代20世纪60,70年代20世纪80年代20世纪90年代-今使用高碱度合成渣进行脱S以提高钢水质量；在低真空度下对钢水进行脱气处理；大抽速蒸汽喷射泵问世,DH、RH真空法用于钢水脱气,减少了杂质数量；在真空脱气基础上，VOD、VAD、ASEA、LFV、RH-OB蓬勃发展;出现合金包丝线喂丝法,不同功能精炼设备的组合使用;多种形式发展，广泛应用的有循环真空处理（RH，RH-OB）,提升真空处理（DH）,合金微调及温度处理（CAS,CAS-OB）,LF钢包精炼炉,真空吹氩脱氧（VD）,真 空 吹 氧 脱 碳（VOD）,钢包喷粉（KIP、TN、SL）,喂丝法、氩氧精炼（AOD）等.第16页/共93页1.3炉外精炼在现代炼钢生产中的地位与作用传统的高炉氧气转炉钢铁生产工艺流程：高炉转炉连铸轧制。现代高炉氧气转炉钢铁生产工艺流程：高炉铁水预处理氧气转炉顶底复合吹炼炉外精炼（RH、CAS-OB、LF）连铸连轧或连铸铸坯热送和直接轧制。如下图所示：第17页/共93页第18页/共93页 现代转炉炼钢工程流程例-首钢京唐第19页/共93页1991年全国首次炉外处理技术工作会议上，明确了“立足产品、合理选择、系统配套、强调在线”的发展炉外处理技术基本方针，明确了四条发展炉外处理技术的指导思想：明确炉外处理是现代冶金生产的一个重要环节，是从整体上推动钢铁工业技术进步的重大战略措施。发展炉外处理技术，必须根据钢种和用户对产品质量的要求，结合本企业的原料和工艺特点，选择具有相应功能的方法，基本工艺思路必须明确，在推进炉外处理技术时，提倡既要创造相应条件积极发展，又要防止急于求成仓促上马。充分考虑当前和将来连铸生产发展的需要，保证炼钢一连铸生产的衔接和生产效率的提高。树立炉外处理是一项系统工程的思想，必须按系统工程的要求确保主体和辅助设备配套齐全，并注意到不同企业的特点及不同层次要求，确保应有的工艺和装备水平，确保应有的投资深度。第20页/共93页1.4炉外精炼的技术特点 （1）二次精炼，将整个炼钢过程分步进行，保留常规炼钢设备的某些优势，如超高功率电弧炉熔化废钢的优势，氧气转炉脱碳和脱磷的优势，电弧炉脱硫的优势等。这样，在这些炼钢炉中进行初炼，然后出钢，在炉外完成其他冶炼任务，称为二次精炼。在不同程度上完成脱碳、脱氧、脱硫，去除气体，去除夹杂，调整温度和成分等项冶金任务。第21页/共93页（2）创造良好的冶金反应的动力学条件，如真空、吹氩、脱气、喷粉，应用各种搅拌增大传质系数，扩大反应界面。炼钢过程中的各种冶金反应，多数是在高温下进行的多相反应，通常化学反应本身进行的较快，而向反应区传递物质的速率往往是缓慢的。因此，在多数情况下，冶金反应速率受物质的传递速率所限制。根据菲克定律，物质的传递速率与传质系数、传递物质的浓度梯度、扩散流的截面积成正比。各种炉外精炼技术都是从各个不同的方面，不同的角度，以不同的方式，创造尽可能好的动力学条件来改善冶金反应速率。例如，应用真空或吹氩以提高气体在气相与钢液之间的浓度梯度，应用喷粉以增加反应界面积，应用各种方式的搅拌以增大传质系数和扩大反应界面积，从而解决了传统炼钢设备优越性不能充分发挥的问题。1.4炉外精炼的技术特点第22页/共93页（3）二次精炼容器具有浇注功能。为了防止精炼后的钢液再次氧化和吸气，绝大多数精炼容器除可以盛放和传送钢液外，还具有浇注功能，精炼后钢液不再倒出，直接浇注，避免精炼好的钢液再污染。滑动水口的成功使用，在技术上解决了精炼时间与塞棒寿命的矛盾，使精炼容器具备浇注功能而不再存在结构上和工艺上的困难。1.4炉外精炼的技术特点第23页/共93页（4）气氛可选可控，满足炼钢生产多样化条件要求。炉外精炼可以与电弧炉、转炉配合，最初的炉外精炼是与电弧炉配合生产特殊钢，后来在普碳钢生产上也采用，现在已成为炼钢工艺中不可缺少的一个环节，尤其与超高功率电弧炉配合，更能发挥超高功率技术的优越性，提高了超高功率电弧炉的功率利用率。如LF炉脱硫还原性条件RH炉脱碳氧化性条件。1.4炉外精炼的技术特点第24页/共93页1.5典型炉外精炼技术第25页/共93页q1.5典型炉外精炼技术第26页/共93页q1.5典型炉外精炼技术第27页/共93页q1.5典型炉外精炼技术第28页/共93页q1.5典型炉外精炼技术第29页/共93页q1.5典型炉外精炼技术第30页/共93页q1.5典型炉外精炼技术第31页/共93页合金微调脱硫夹杂物变性处理q1.5典型炉外精炼技术喂线（丝）处理第32页/共93页理想的精炼气氛条件，通常应用真空、惰性气氛或还原气氛；搅拌钢水，采用电磁力、惰性气体或机械搅拌的方法；为补偿精炼过程的钢水温度损失，采用加热设施有电弧加热、等离子加热或增加钢水中的化学热等。q1.6 炉外精炼方法的共同特点第33页/共93页1.6洁净钢生产的典型钢种（1）管线钢管线钢是指专门用于制造石油、天然气输送管道的低合金高强度钢。X60、X65及含TiX60G实际成分如下页表。品种规格为：6-12mm1050-1550mm卷板。为了抗氢诱裂纹腐蚀(HIC),管线钢生产的关键在于:生产硫含量低于0.003%钢水,并采用硫化物变性处理(如钙处理);降碳增锰:碳含量低于0.05%,锰含量保持1.1%以上;生产含量铌、钛管线钢必须保证有效的硼含量;降低硫含量以降低T.O为前提,为此,T.O20PPM管线钢生产工艺为:铁水脱硫转炉复吹吹氩（及钙处理）板坯连铸带钢热连轧机层流冷却卷取第34页/共93页钢种钢种级别级别C CS SM MP PS SNbNb、V V、TiTiRE/SRE/SX60GX60G0.050.050.120.120.050.050.300.300.450.450.800.800.0350.0350.0350.035Ti0.07Ti0.070.140.14X60X600.050.050.110.110.20.20.240.241.081.081.251.250.010.010.0200.0200.0160.016Nb0.05Nb0.050.020.022.02.0X65X650.050.050.110.110.20.20.260.261.201.201.281.280.010.010.0220.0220.0040.0040.0140.014Nb0.03Nb0.030.0400.0403.03.0X80X800.060.060.070.071.791.790.0090.0090.0030.003Nb MoNb Mo0.04 0.04 0.240.24其他其他Cu-Ni-Cu-Ni-TiTi第35页/共93页管线钢的冶金工艺流程 S50ppm;扒净脱硫渣。双渣法脱磷或转炉双联；抑制钢水回硫；出钢挡渣、预精炼。强脱氧；炉渣：60CaO-30%Al2O3-8%SiO2；(T.Fe)0.5。较强搅拌。脱氢(H1.5ppm;钙处理；软吹搅拌。严格保护浇铸；轻压下；防止铸坯角横裂纹。第36页/共93页(2)IF钢IF（Interstitial free steel）钢,无间隙原子钢，也叫高纯度钢；属于超低碳钢。N和S含量低，并添加适量Ti、Nb微量合金元素，同时具有无固溶间隙C、N原子。为超深冲用冷轧超低碳薄板钢，主要用于制造高级汽车深冲板其典型成分如表为了保证钢的超深冲性能，钢的生产关键是：生产碳含量小于0.0050%的钢水，这就要求必须有真空处理设备；T.O含量必须尽可能少，以避免冷轧板表面缺陷和保证深冲性能；低、；防止二次氧化和防止增碳、增氮是突出的问题q1.6洁净钢生产的典型钢种 第37页/共93页第38页/共93页厂家厂家i in nl li ib br ru u日本日本川崎川崎0.00280.00280.0150.0150.120.120.0120.0120.0080.0080.00110.00110.0620.0620.0290.0290.0090.0090.0200.0200.0120.012中国中国宝钢宝钢0.00350.00350.0020.0020.140.140.0090.0090.0080.0080.00310.00310.0450.0450.0540.0540.0100.010中国中国攀钢攀钢0.039-0.039-0.00580.00580.01-0.01-0.030.030.19-0.19-0.240.240.008-0.008-0.0130.0130.005-0.005-0.010.010.001-0.001-0.0040.0040.02-0.02-0.070.070.03-0.03-0.0660.066第39页/共93页IF钢的冶金工艺流程 S50ppm;扒净脱硫渣。脱磷脱碳升温；抑制钢水回硫；出钢挡渣、渣改性。碳含量：250-400ppm 深脱碳至50ppm以下;铝脱氧；控制钢中全氧。严格保护浇铸；轻压下；防止铸坯裂纹。第40页/共93页第一部分结束第41页/共93页 5 钢液的真空处理 钢液真空处理目的:（1）脱气（N2、H2等）；（2）脱氧并去除夹杂物；（3）真空脱碳；这是提高钢液质量的重要途径。第42页/共93页5.1 真空冶金原理 真空冶金的一般规律压力对化学平衡的影响冶金过程的各种化学反应都是向着平衡态方向自发进行，设有反应：（5-1）在平衡态()下：（5-2）压力和温度对自由能变化的影响关系式为：当温度一定时：则第43页/共93页 即物质自由能随压力的变化决定于该温度下的摩尔体积。因为固态、液态的摩尔体积很小，因此温度和压力的变化不会引起明显的自由能变化。而气态物质的摩尔体积大得多，压力变化将明显影响气态物质自由能。真空冶金的一般规律压力对化学平衡的影响第44页/共93页真空冶金的一般规律压力对化学平衡的影响 n摩尔气体在温度不变而气体压力变化时，其关系式可用下式表示：式中n气体摩尔数 T气体绝对温度 R气体常数 反应始、终态时气体压力，Pa 由上式可见，气体的自由能变化与摩尔数，温度和终、始态的压力比成正比（与压力绝对值无关）。第45页/共93页由此可见，当反应生成物为气相时，降低系统的压力可以使化学平衡向着增加气体物质的方向移动；也就是说利用真空可以使已经达到平衡的脱气、脱碳和脱氧反应继续进行，从而提高钢液的质量。上述结论也告诉我们这样一个事实，在冶金过程中应用真空技术时，只有当反应过程中有气相参加,并且反应生成物中的气体摩尔数大于反应物中的气体摩尔数值时才有可能引起平衡的移动。真空冶金的一般规律压力对化学平衡的影响第46页/共93页真空下碳还原固体金属氧化物能力的提高在冶金工业中，用碳作为金属氧化物的还原剂不仅价格便宜来源广泛，可以节省大量的金属还原剂，如铝、硅、锰等，更重要的是碳的氧化产物是气态的CO，它不玷污金属，不会形成非金属夹杂物而影响钢的质量。CO气体很容易从钢液内上浮排出，但是用碳作为还原剂时被还原的金属要渗碳，因此不可能得到含碳很低的金属和铁合金。真空状态下，碳和氧的亲合力随气相压力的降低而增加，使碳还原氧化物的能力大大提高，因此可以得到含碳很低的金属和铁合金。第47页/共93页固体碳还原金属氧化物的反应式如下：+-降压对反应式(A)没有直接推动作用，但对反应式(B)有很大的推动作用。减小气体的压力有利于向生成CO方向进行，增加碳的还原能力。真空下碳还原固体金属氧化物能力的提高第48页/共93页钢液的真空脱碳、脱氧在15201700范围内，纯铁中氧的溶解度可用下式表示：LgO%=-6320/T+2.734 （5-5）用上式可以算出1600时氧在钢液中的溶解度为0.23%，在固态钢中的溶解度更小，为0.0020.003%。因此凝固过程中氧将析出。固态钢中存在的氧则将引起晶格歪曲。使钢的力学、磁学和其它性能发生变化，为此要把钢中的氧降低到最低限度。氧是一较活泼的元素，它与氢不同，通常不是以气体形态被去除，它是依靠特殊的脱氧反应形成氧化物而被去除。第49页/共93页真空条件下碳脱氧的热力学在常压下碳的脱氧能力很弱，必须使用强脱氧剂(硅、铝)进行终脱氧，但在真空下碳的脱氧能力显著增强。由于碳的脱氧产物是CO气体，在降低压力的情况下，平衡向生成CO的方向移动，使碳的脱氧能力增大。1600时不同压力下碳脱氧能力和锰、硅、铝脱氧能力的比较，如图5-1所示。由图可见，在真空下碳的脱氧能力达到了和硅、铝相当的水平。C+O=CO(g)（5-6）第50页/共93页真空条件下碳脱氧的热力学第51页/共93页平衡常数和温度的关系式为：当钢液中的%C和%O不高时，可以认为：所以：或因为K值在某一温度下为常数。抽真空降低PCO值，%C、%O的乘积也同时降低，才能保持K值为常数。也就是说真空使碳的脱氧能力提高了。真空条件下碳脱氧的热力学第52页/共93页不同PCO下%C、%O平衡值：真空条件下碳脱氧的热力学第53页/共93页真空条件下碳脱氧的热力学真空下碳、氧、铝关系与RH处理第54页/共93页RH“轻处理”原理采用RH轻处理工艺：转炉终点C:0.07%；较低真空度下RH-OB脱碳至0.04%；加铝前O降低400ppm以上。常规工艺：转炉终点C:0.04%终点O：600ppm。真空条件下碳脱氧的热力学第55页/共93页真空下碳氧热力学平衡关系只在气-液相交界面上才有效。在气-液相界面上脱氧产物CO能从液面上去除到气体中，此时反应的平衡受气相中CO分压力的影响。但在钢液内部，由于静压力等作用，CO气泡内的压力必然大大超过金属液面上的气相中CO的分压。因为生成气泡要克服气相总压力、毛细管压力和液体静压力作用。真空条件下碳脱氧的热力学第56页/共93页 （5-8）式中P（g）金属液面上的气相压力，Pa；金属液的密度，/m3；H气泡逸出点上面金属液柱的高度，m；金属液面的表面张力（钢液可达150N/m）；气泡核的半径，m。真空条件下碳脱氧的热力学第57页/共93页设钢液的表面张力150 N/m，产生新表面需要克服毛细管压力：,Pa （5-9）气泡越小，需克服的压力越大，当气泡核的尺寸与大型非金属夹杂物相当（r=50um=510-3cm）时，CO在其中的毛细压力为：,Pa真空条件下碳脱氧的热力学第58页/共93页向钢液吹入惰性气体后形成很多小气泡，这些小气泡内的CO含量很少，钢液中的碳和氧能在气泡表面结合成CO而进入气泡内。直到气泡中的CO分压达到与钢液中的%C、%O相平衡的数值为止。这就是吹氩脱气和脱氧的理论根据。在真空条件下，在精炼的钢液中吹氩搅拌和吹氩循环钢液的各种方法中，氩气泡除起搅拌和循环作用外，同时还有这种脱气和脱氧作用。在炉底和炉壁的耐火材料表面上是粗糙不平的，钢液与耐火材料的接触是非润湿性的（润湿角在100120之间），在粗糙的表面上总是有不少微小的缝隙和凹坑，当缝隙很小时由于表面张力的作用，金属不能进入，这些缝隙和凹坑成为CO气泡的萌芽点。真空条件下碳脱氧的热力学第59页/共93页 从气泡核形成逐渐鼓起，直到半球以前，与C和O平衡的分压力必须大于附着在炉底或炉壁上的气泡内的压力才能使气泡继续发展直到分离浮去。Pa （5-10）在一定钢液深度下%C%O越低，CO的平衡分压力越低。真空条件下碳脱氧的热力学第60页/共93页真空下碳氧反应只在气液相界面上有效，碳氧反应离气液相界面位置越远，必须的r值越大。在脱氧过程中，由于%C%O值越来越低，r值越来越大，所以越来越多小缝隙和凹坑不能再起萌芽作用。因而随着%C%O的降低产生气泡的深度越来越小。在真空处理钢液时，启动真空泵降低系统压力使反应平衡移动。钢液形成沸腾，大量气泡产生（最高峰），然后由于下部器壁停止生成气泡，沸腾又逐渐减弱，这就是在真空下碳脱氧过程中钢液沸腾的产生和停止原理。真空条件下碳脱氧的热力学第61页/共93页碳氧反应只能在现成的气液相界面上进行。在实际炼钢条件下这种现成的气液相界面可以由与钢液接触的不光滑的耐火材料表面或吹入钢液内的气体来提供。可以认为总是存在着现成的气液相界面，因此，碳氧反应的步骤可以分为以下四步。真空下碳脱氧的动力学CCOOCCArArCOCOCCCCOOOOOO真空下碳氧反应机理第62页/共93页（1）碳氧反应步骤钢液内溶解的碳、氧通过扩散边界层迁移到气液相界面；在气液相界面上进行化学反应生成CO气体；反应产物（CO）脱离相界面进入气相；CO气泡长大和上浮并通过钢液排出。步骤、进行的都很快，所以步骤溶解在钢液内的碳氧向气液相界面的传质速度是控制碳氧反应速度的限制性环节。碳在钢液内的扩散系数比氧大，钢液内碳的含量又比氧含量高一至两个数量级，因此，高碳域氧向边界层的传质是真空下碳脱氧反应速度的限制性环节。低碳域相反。真空下碳脱氧的动力学第63页/共93页（2）碳脱氧速率由边界层扩散理论可知：（5-11）式中 钢液中氧浓度的变化速率；F气液相界面面积；钢液的体积；氧扩散系数，cm2/s；边界层厚度，cm；用kM(O)表示，称为氧的传质系数，cm/s；s平衡态下钢液含氧量。真空下碳脱氧的动力学第64页/共93页因为%o s%o%o0 (原始含氧量）为了简化将式中的略去，可得：由上式可见，气液相界面越大，钢液体积越小，钢液含氧量越高，钢液中氧的传质系数越大，脱氧速率就越快。对上式进行积分，取 t0 t。从 得：即：的物理意义是钢液处理t秒后的残氧率（溶解氧）真空下碳脱氧的动力学第65页/共93页例如：设 钢液重量约21吨。利用上述值计算钢液处于静止状态下脱氧效果与时间的关系如下表。真空下碳脱氧的动力学第66页/共93页 可见，在钢液静止状态，无搅拌措施的钢包真空处理时，真空碳脱氧的作用不大。当使钢液分散通过真空时，如RH等碳脱氧的作用就截然不同。由于钢液进入真空室后炸裂成无数小液滴，液滴在真空室自由降落的时间大约为0.51秒，液滴内部也处于剧烈流动状态，传质系数，镇静钢取0.025，未脱氧钢取0.020，计算结果见表。真空下碳脱氧的动力学第67页/共93页钢液分散降落脱氧效果与时间的关系 可见在液滴自由降落的短短0.51秒时间内，脱氧率是很高的，液滴越小，脱氧效果越好。真空下碳脱氧的动力学第68页/共93页钢液的真空脱气钢中气体指溶解在钢中的氢和氮。气体的存在显著降低钢的性能，而且容易造成钢的许多缺陷。当钢液凝固时溶解度急剧减小，例如钢液温度从1650降至410时氢的溶解度降至原来的1/83，因为氢在钢液内以原子或离子形式固溶于钢中形成间隙固溶休，凝固后固体铁中原子的间距比液态时紧密得多，造成了溶解度下降。致使气体在凝固过程中产生偏析现象，析集到钢锭（坯）的中心部位，深度逐渐增大促成中心孔隙或显微孔隙的形成。第69页/共93页氢能使钢产生白点（发裂）。氮含量增加时使钢的强度增强，但塑性和焊接性能降低。要求韧性良好的钢应降低氮的含量。氮引起钢的冷脆性，产生时效硬化。溶解于钢中的气体含量主要决定于炉气中水汽和氮气的分压力，氮气在炉气中的分压力PN2大体上保持在0.79105Pa，而炉气中的PH很低，约5.3510-2Pa，因此钢中的氢主要由炉气中的水蒸气的分压来决定。钢液的真空脱气第70页/共93页真空脱气的热力学因素氢和氮在各种状态的钢中都有一定的溶解度，溶解过程吸热，故溶解度随温度的升高而增加。气态的氢和氮在纯铁或钢液中溶解时，气体分子先被吸附在气液界面上，并分解成两个原子，然后这些原子被钢液吸收。因而其溶解过程可写成下列反应式：lgKH=-1670/T-1.68 lgKN=-564/T-10.95 第71页/共93页由于钢液中的气体含量比较低，可以用其浓度代替活度，即真空脱气时，因降低了气相分压力而使溶解在钢液中的气体排出。金属与双原子气体相互作用与化学反应相似，作用过程中气体的摩尔数有变化。因此，温度一定时气体分压力的变化将引起平衡移动，使金属液内的气体含量发生变化。真空脱气就是根据这个道理进行的。降低了 ，就减少了。所以要达到一定的脱气效果就得造成一定的真空度。真空脱气的热力学因素第72页/共93页1600，都为1.01105Pa时，气体在钢液中的极限溶解度为 H%=2710-4%N%=0.040真空脱气的热力学因素第73页/共93页例如对于纯铁来说，当温度为1600时，与 和 的金属平衡时，气相中 各为多少？P0500Pa P0500Pa 由上可见，要把钢中的氢和氮降低到较少的含量，并不需要保持很高的真空度，几百Pa的压力下就可以实现。但是，实际的脱气效果还要受动力学因素的限制。真空脱气的热力学因素第74页/共93页（1）脱气反应的步骤：溶解于钢液中的气体向气相的迁移过程，由以下步骤所组成：通过扩散或对流，钢液中溶解的气体原子迁移到气液相界面；气体原子由溶解状态变为表面吸附状态；表面吸附的气体原子彼此相互作用生成气体分子；气体分子从钢液表面脱附；气体分子扩散进入气相，并被真空泵抽出。真空脱气的动力学因素第75页/共93页 在炼钢温度下，步骤、进行速度是相当快的，在气相压力小于1的真空中，气体分子的扩散速度也是相当迅速的，所以真空脱气的速度取决于步骤，溶解在钢中的气体向气液相界面的迁移。在各种真空脱气方法中都配有不同形式的搅拌措施，所以气体在钢液内的传递也是很迅速的，控制脱气速度的限制性环节是气体原子通过钢液扩散边界层的传质速度。由于表面积有限，所以气体通过边界层的传质速度很小。真空脱气的动力学因素第76页/共93页（2）真空脱气的速率：因为脱气过程的限制性环节是溶解在钢中的气体向气液相界面的迁移，所以气体原子通过钢液扩散边界层向气液相界面的传质速度可以当作脱气过程的总速度。真空脱气的动力学因素第77页/共93页根据菲克第一定律脱气速率：式中a气液相界面积,cm2；V钢液体积，cm3；Dx扩散系数，cm2/s；边界层厚度，cm；X%钢液内气体浓度，%；x%S气液相界面的气体平衡浓度，%；k 传质系数，cm/s(也有用表示)。真空脱气的动力学因素第78页/共93页上式可改写成 ak 称为传质容量系数，m3/s（传质系数与表面积的积）;Kx 表观速率常数，1/s。可知 物质传质容积系数越大，实际浓度与平衡浓度之差越大，则脱气速率越大。吹入氩气泡和碳氧反应产生的CO气泡对脱氢和脱氮有促进作用，起初在氩气泡和CO气泡内氢和氮的分压力为零。溶解的氢和氮逐步从钢液内向气泡内扩散，自动地在两相中使氢和氮的化学位实现平衡。最后借助于CO和氩气泡浮出液面而进入气相。真空脱气的动力学因素第79页/共93页因此总的脱气速度公式可以写成下式：式中n单位时间内产生的气泡数 气泡在钢液内停留时间；可知，处理过程中单位时间内产生的气泡数越多，气泡在钢液内停留时间越长，气体传质系数越大，实际浓度和平衡浓度之差越大，则脱气速度越大。真空脱气的动力学因素第80页/共93页实践证明，氢比较好脱，不管采用哪种真空处理都能保持良好的脱氢效果。但是各种脱气方法的脱氮效果都不甚理想。究其原因：氮的扩散系数比氢小，钢中的氮主要呈氮化物状态存在，自由状态的氮较少，自由状态的氮也能扩散，但是氮的离子半径为 ，而氢的离子半径为 ，氮比氢大两个数量级，因此氮的扩散速度比氢小得多。1600时扩散系数 ，。氮在钢中的溶解度比氢高15倍。氮与某些元素作用生成氮化物，要脱除氮化物中的氮，则气相压力（真空度）必须小于氮化物的分解压，而这些氮化物在1600下的分解压都比较低，如1600时氮化铝的分解压为 Pa。真空脱气的动力学因素第81页/共93页钢液表面活性元素氧、硫的存在，占据钢液表面，脱氮化学反应受阻。因此，脱氮以脱氧和脱硫为前提。大气中含氮气78%，钢液只要和大气接触就会吸氮。有人研究用合成渣脱氮，合成渣在还原条件下对氮有非常高的溶解能力，其溶解度为1.331.88%。真空脱气的动力学因素第82页/共93页总之，无论是脱气（H2、N2）还是脱氧（脱碳），由液相向气液相界面的传质是限制性环节。要提高脱除效果的主要措施是真空和吹氩搅拌，加强搅拌可以提高传质系数，且要有效地增大反应界面积。5.1 真空冶金原理 第83页/共93页第二讲结束真空脱气的动力学因素第84页/共93页炉外精炼的手段第85页/共93页炉外精炼的手段第86页/共93页炉外精炼的手段第87页/共93页5.3真空提升脱气法（DH法）真空提升脱气法是1956年德国多特蒙特(Dortmund)和豪特尔(Horder)冶金联合公司首先发明使用的，简称DH法。人们早就认识到降低系统压力有利于脱气反应的发生，但由于当时缺少大功率的真空泵，这种愿望无法实现。随着科学技术的发展，不同形式的真空泵相继问世，产生了各种各样的真空精炼法。真空处理起初时使用机械真空泵。但是机械真空泵抽气能力小、结构复杂、维护困难，不能满足大型钢液真空精炼炉的要求。到上世纪50年代大功率蒸汽喷射泵的研制成功，为DH法、RH法和其他各种真空处理方法的发展提供了良好的条件。第88页/共93页 DH法的设备如图5-3所示：由真空室（钢壳内衬耐火材料）及提升机构，加热装置（电极加热装置或喷燃气，喷油加热），合金料仓（真空下密封加料），抽气系统等组成。1-合金添加料斗 2-真空排气管 3-钢液 4-氩气管 5-顶渣 6-钢包水口5.3真空提升脱气法（DH法）第89页/共93页法脱气工作原理根据压力平衡原理，借助于真空室与钢包之间的相对运动，将钢液经吸咀分批吸入真空室内进行脱气处理。处理时将真空室下部的吸咀插入钢液内，真空室抽成真空后其内外形成压力差，钢液沿吸咀上升到真空室内的压差高度，如果室内压力为13.366Pa，则提升钢液约1.48m。由于真空室内的钢液沸腾形成液滴，大大增加气液相界面积，钢中的气体由于真空作用而被脱除。当钢包下降或真空室提升时脱气后的钢液重新返回到钢包内。当钢包提升或真空室下降时又有一批钢液进入真空室进行脱气。这样钢液一批一批地进入真空室直至处理结束为止。5.3真空提升脱气法（DH法）第90页/共93页法的主要优缺点优点：进入真空室内的钢液由于气相压力的降低产生激烈的沸腾，脱气表面积增大，脱气效果较好，适用于大量钢液的脱气处理，可以用比较小的真空室处理大吨位的钢液；可以对真空室进行烧烤加热，因此处理过程中钢液温降小。由于激烈地沸腾还具有较大的脱碳能力，可以生产含碳0.002%的低碳钢。处理过程中可以加入合金，在真空室内合金元素的收得率高。缺点：设备比较复杂，投资和操作费用都比较高。5.3真空提升脱气法（DH法）第91页/共93页法的实际效果（1）脱氢：效果较好，可由处理前的(2.56.5)104降低到(1.02.5)104。当处理未脱氧钢时从熔池底部产生大量CO气泡，有利于脱氢反应的进行。（2）脱氧：处理未经预脱氧钢液可使氧降低5590%，还可以降低非金属夹杂物4050%，合金在真空下加入，收得率高达95%以上，并且成分和温度均匀。（3）脱氮：效果较差，当钢中含氮量低(3040)104时，短时间处理几乎没有什么变化，当氮含量高于100104时，脱氮量可达(2030)104。（4）脱碳：真空处理时，由于碳氧反应降低了碳含量，因此DH法可生产超低碳钢（C0.002）。5.3真空提升脱气法（DH法）第92页/共93页感谢您的观看！第93页/共93页