钢液炉外精炼的基本理论和初步实践.pdf_大学文库

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1980.0M.018 北京钢铁学院学报 1980年第4期钢液炉外精炼的基本理论和初步实践北京钢铁学院马廷温北京钢厂阳应民摘要本文介绍了我国自行设计和制造的第一台真空脱气、电磁搅拌和电弧加热多功能的炉外精炼炉。结合工艺讨论了炉外精炼过程中的几个理论问题：关于真空下碳脱氧的问题，关于搅拌和去除夹杂的关系问题；关于精炼过程中加热的必要性问题。通过在北京钢厂精炼炉上百余炉的实验数据证明，炉外精炼对改善钢的质量、提高钢的产量和降低钢的成本等方面具有明显的效果。一、我国自行设计和制造的钢包真空精炼炉六十年代以来“炉外精炼”的冶炼技术得到了国内外炼钢工作者的普遍重视，七十年代以来又有了较快的发展。所谓“炉外精炼”就是除了钢由固体变为液体以外的全部工艺操作，可以在另外的设备中完成。这一工艺特点是除了提高产品的质量外，还有降低成本、增加产量等优点。本着自力更生的精神，结合生产实际，北京钢厂、北京钢铁学院和北京冶金设计公司等单位共同协作，自1972年开始自行设计和建造了真空磁搅弧热钢包精炼炉。该设备于1978年在北京钢厂基本建成，除进行了冷调试工作外，并于1978-1979年进行了近100炉的热调试实验。1980年2月该设备正式移交北京钢厂炼钢车间投产使用。这台设备的容量为15-25吨，主要由真空脱气系统、电弧加热系统、电磁搅拌系统、炉桶及其运转车和相应的监控检测系统等组成。真空脱气系统：采用120公斤/小时(0.5托)五级蒸汽喷射泵，工作蒸汽压力7公斤/厘米2 工作真空度≤1托，工作时蒸汽耗量3600公斤/小时，冷却水最大用量265米3/小时（水温≤ 30℃，水压3公斤/厘米2)。真空炉盖和主管道之间装有直径为700毫米波纹管连接的活动密封，真空主管道上还装有除尘器、充氮装置和相应的阀门。真空泵的启动时间≤2.5分钟。电弧加热系统：采用一台HSSP-3300型三相变压器，额定功率2850KVA,二次电压 116-220伏，二次电流为3000-8000安。电极直径为200毫米，极心圆直径为600毫米。电极的升降采用全液压传动系统，钢液的加热速度约为1.0-1.5℃/分钟。电磁搅拌系统：采用KGYS-1000/±220可控硅低频电源，输出低频电压有效值220伏， ◆一本科研项目會获得一九七九年度北京市科研成果一等奖和治金部二等奖。 26

北京钢铁学院学报年第期钢液炉外精炼的基本理论和初步实践 ’ 北京钢铁学院马廷沮北京钢厂阳应民摘要本文介绍了我国自行设计和制造的第一台真空脱气、电磁搅拌和电弧加热多功能的炉外精炼炉。结合工艺讨论了炉外精炼过程中的几个理论问题关于真空下碳脱氧的问题，关于搅拌和去除夹杂的关系问题关于精炼过程中加热的必要性问题。通过在北京钢厂精炼炉上百余炉的实验数据证明，炉外精炼对改善钢的质量、提高钢的产量和降低钢的成本等方面具有明显的效果。一、我国自行设计和制造的钢包真空精炼炉六十年代以来 “ 炉外精炼 ” 的冶炼技术得到了国内外炼钢工作者的普遍重视，七十年代以来又有了较快的发展。所谓 “ 炉外精炼” 就是除了钢由固体变为液体以外的全部工艺操作，可以在另外的设备中完成。这一工艺特点是除了提高产品的质量外，还有降低成本、增加产量等优点。本着自力更生的精神，结合生产实际，北京钢厂、北京钢铁学院和北京冶金设计公司等单位共同协作，自年开始自行设计和建造了真空磁搅弧热钢包精炼炉。该设备于年在北京钢厂基本建成，除进行了冷调试工作外，并于一年进行了近炉的热调试实验。。年月该设备正式移交北京钢厂炼钢车间投产使用。这台设备的容量为一吨，主要由真空脱气系统、电弧加热系统、电磁搅拌系统、炉桶及其运转车和相应的监控检测系统等组成。真空脱气系统采用公斤小时托五级蒸汽喷射泵，工作蒸汽压力公斤厘米名工作真空度三托，工作时蒸汽耗量公片小时，冷却水最大用量米 ’ 小时水温三 ℃ ，水压公斤厘米 ’ 。真空炉盖和主管道之间装有直径为毫米波纹管连接的活动密封，真空主管道上还装有除尘器、充氮装置和相应的阀门。真空泵的启动时间三分钟。电弧加热系统采用一台一型三相变压器，额定功率，二次电压一。伏，二次电流为一安。电极直径为毫米，极心圆直径为毫米。电极的升降采用全液压传动系统，钢液的加热速度约为一 ℃ 分钟。电磁搅拌系统采用一士可控硅低频电源，输出低频电压有效值伏， — 本科研项目育获得一九七九年度北京市科研成果一等奖和冶金部二等奖。 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1980．04．018

电流为1000安，频率0.3-2.5赫芝，两相间相位差±90°，电磁感应搅拌器两个，用无支撑件的浇注式V型片式结构。炉桶及小车系统：炉桶直径为2000毫米，桶高3570毫米，为不锈钢全焊接结构。炉衬厚度上部为250毫米，下部为400毫米，底部为320毫米(15吨容量时)。渣线部位用镁砖或铬镁砖砌成，接触钢水部位用高铝砖砌筑。桶底装有滑动水口供浇注钢水时使用。小车载重量 60吨，走速3-30米/分，用双向可控硅调速装置。外型尺寸5000×3140×4835毫米。监控检测系统：装有真空系统DTL逻辑程序自动启动控制，各种压力、温度、电流、电压、流量和真空度等显示仪表，小车自动对位信号装置和工业电视监视真空下钢液沸腾的情况。冷却系统：蒸馏水为闭路循环式供水，其它为开路式供水。我国自行研究、设计、制造的第一台“钢包真空精炼炉”设备是成功的，综合采用了多种新技术，有些设备在我国是第一次试制，填补了空白，取得了经验。试炼轴承钢的效果表明，钢中的氢含量可降到一般≤2.5PPm(百万分率)，最低达 1.6PPm。总氧含量可降到20-30PPm,夹杂物合格率达100%，点状出现率明显降低。电炉操作大大简化，平均冶炼时间缩短40分钟/炉，电炉生产率提高20%以上，节省电耗 80-100度/吨，原材料消耗也大大降低，比电炉钢实际成本也有所降低。此外还成功的冶炼出普通电炉难以生产的航空用无发纹合金结构钢。二、精炼过程中的真空和真空碳脱氧真空泵是钢包精炼炉的“心脏”设备，真空是去除钢中的气体和进行真空碳脱氧的必要有力手段，我国电炉钢的氢含量一般在5-7PPm,经真空除气精炼后一般均可达2PPm左右〔1)。钢液的真空精炼还有一定的去氮作用，但远不如去氢效果显著。极限真空度的选择可以从热力学的近似计算中确定。例如，在铁一氢系统中氢的溶解规律是君H:=(H 根据西维茨定律〔H)=KHV√PH2 应用于钢液中近似计算〔H)名 PH2= KH2≈PaIn 式中Pm1n一真空系统的工作压力。若钢液温度为1600℃时，由1gKH=-1670-1.68则K(1)=0.0027 T 12 欲使1600℃的钢水中的(H)达到1PPm，装置的极限真空度应为P1n=27:大气压= 1.04毫米汞柱。这是理论值，指达到平衡时的系统压力，要达到平衡则需无限长时间，所以要使钢液中的氢为1PPm,还要提高真空度，一般可选择在0.5毫米汞柱左右。实际钢液脱 27

电流为。。安，频率一赫芝，两相间相位差士。，电磁感应搅拌器两个，用无支排件的浇注式型片式结构。炉桶及小车系统炉桶直径为。毫米，桶高。毫米，为不锈钢全焊接结构。炉衬厚度上部为毫米，下部为毫米，底部为毫米巧吨容最时。渣线部位用镁砖或铬镁砖砌成，接触钢水部位用高铝砖砌筑。桶底装有滑动水口供浇注钢水时使用。小车载重吨，走速一米分，用双向可控硅调速装置。外型尺寸毫米。监控检测系统装有真空系统逻辑程序自动启动控制，各种压力、温度、电流、电压、流量和真空度等显示仪表，小车自动对位信号装置和工业电视监视真空下钢液沸腾的情况。冷却系统蒸馏水为闭路循环式供水，其它为开路式供水。我国自行研究、设计、制造的第一台 “ 钢包真空精炼炉 ” 设备是成功的，综合采用了多种新技术，有些设备在我国是第一次试制，填补了空白，取得了经验。试炼轴承钢的效果表明，钢中的氢含量可降到一般三百万分率，最低达。总氧含量可降到一，夹杂物合格率达，点状出现率明显降低。电炉操作大大简化，平均冶炼时间缩短分钟炉，电炉生产率提高以上，节省电耗一度吨，原材料消耗也大大降低，比电炉钢实际成本也有所降低。此外还成功的冶炼出普通电炉难以生产的航空用无发纹合金结构钢。二、精炼过程中的真空和真空碳脱氧真空泵是钢包精炼炉的 “ 心脏” 设备，真空是去除钢中的气体和进行真空碳脱氧的必要有力手段，我国电炉钢的氢含量一般在一，经真空除气精炼后一般均可达左右〔〕。钢液的真空精炼还有一定的去氮作用，但远不如去氢效果显著。极限真空度的选择可以从热力学的近似计算中确定。例如，在铁— 氢系统中氢的溶解规律是一万一全自根据西维茨定律〔〕了币丁应用于钢液中近似计算什〕 “ 一 “ 幻式中二。 — 真空系统的工作庄力。若钢液温度为 ℃ 时，由。一一则。。。。，，。伟，。，一，二，、、，，、一 … 一、，，袱倪阴俐不甲阴还到厂厂，于装置的极民具至度应为川芍自万了大气压说毫米汞柱。这是理论值，指达到平衡时的系统压力，要达到平衡则需无限长时间，所以，与」 ‘略知谬位钢液中的氢为，还要提高真空度，一般可选择在毫米汞柱左右。实际钢液脱常碟︸︸气、去《 ‘ 山‘ 、 ‘ ‘

盒的效果山于各种因素的影响，最终可达到使〔H)为1~2PPm。普通炼钢过程中通常加入锰铁、硅铁和铝进行脱氧。但脱氧产物往往以非金属夹杂物的形武残留在钢液中，从而降低了成品钢的性能。但用碳脱氧生成气态的CO产物，因为CO不溶于钢液，必然从钢液中排除出去，避免了上述沉淀脱氧剂的缺陷。在炼钢过程中，溶解在：钢液中的碳，在常压下不能做为最终脱氧剂。从热力学的观点米石，碳脱氧的程度主要取决于真空度（即系统的压力），只有采用真空精炼时才能充分发挥碳脱氧的优越性。热力学计算炼钢过程中钢液内的氧含量，根据热力学计算，在平衡条件下与温度、碳含量、钢液面上CO气体的分压力和其它元素含量有关。脱氧能力强的元素，如铝、钛、硅等影响更大，芳不存在这些脱氧元素并忽略其它元素的影响时，钢液中碳和氧的反应式如下： (C)+〔O)=CO() ΛF°=-13610-4.88T K=Pco Pco aea。=〔%C)fc(%o)f0 IaK-ART 1gK=2975 +1.06 式中△F°的数值从实验中得来，此处取用资料〔2)的值。在温度为1600℃时， 1gK100=2.65 .K1600=447 钢液中氧的平衡含量很低，即使在低碳钢中也小于300PPm,据实验1g。=-20(%O), 则1g「。0.987,为简化计算将f。作为1.0处理。为简化计算一般将fc作为常数处理，则 Pco. 447=(%C)·f。(%0) Pom c 因fc为常数，故m也应是常数，如m=2.4×10一3则〔%C)〔%0)=0.0024Pco 表1列！了在炼钢温度下不同含碳量和CO分压下的氧含量的数值（理论计算值）。从表1可肴出，当Pco降到1毫米汞柱时，可近似认为系统的真空度达到1毫米汞柱时，平衡氧含量已降低到很小的数值，这说明用碳作最终脱氧剂的先决条件是真空。但在实际生产中，很多人认为钢液经真空碳脱氧后，即使真空室压力小于0.1毫米永柱，钢液中的残存氧含量也不会低于相当于Pco=50毫米汞柱时的平衡值。这是由于CO'气泡在钢液表面层生成时反应物的扩散速度小和受渣层的限制所致。从而造成了产生气泡区内和炉内气相里的CO分压力之间的不平衡情况。因此用降低钢液面上气相压力的方法（即提高真空度的方法)来提高碳的脱氧能力有一定的限度。 28

氢的效果由于各种因素的影响，最终可达到使〔〕为。普通炼钢过程中通常加入锰铁、硅铁和铝进行脱氧。但脱氧产物往往以非金属夹杂物的形式残留在钢液中，从而降低了成品钢的性能。但用碳脱氧生成气态的产物， ‘ 因为不溶于钢液，必然从钢液中排除出去，避免了上述沉淀脱氧剂的缺陷。在炼钢过程中，溶解在钢液中的碳，在常压下不能做为最终脱氧剂。从热力学的观点来肴，碳脱氧的程度主要取决于真空度即系统的压力，只有采用真空精炼时才能充分发挥碳脱氧的优越性。热力学计算炼钢过程中钢液内的氧含量，根据热力学计算，在平衡条件下与温度、碳含量、钢液面上气体的分压力和其它元素含量有关。脱氧能力强的元素，如铝、钦、硅等影响更大，芒不存在这些脱氧元素并忽略其它元素的影响时，钢液中碳和氧的反应式如下〔〕〔〕气八 ” 一一〔〕一。〕丈式中△ 。的数值从实验中得来，此处取用资料〔的值。在温度为 ℃ 时，。一。。。钢液中氧的平衡含量很低，即使在低碳钢中也小于，据实验。一〔〕，则。一，故。，为简化计算将。作为处理。为简化计算一般将。作为常数处理，则一二苦竺不下万于、天七为七为，。，。、， ‘ ，八、羚七为曰丁 ’ 了百 ’ ’ “ “ 二 ’ 因为常数，故也应是常数，如一，则〔〕〔〕。表列出了在炼钢温度下不同含碳量和分压下的氧含量的数值理论计算值。从表可着出，当。。降到毫米汞柱时，可近似认为系统的真空度达到毫米汞柱时，平衡氧含量已降低到很小的数值，这说明用碳作最终脱氧剂的先决条件是真空。但在实际生产中，很多人认为钢液一经真空碳脱氧后，即使真空室压力小于毫米汞柱，钢液中的残存氧含量也不会低于相当于。。毫米汞柱时的平衡值。这是由于气泡在钢液表面层生成时反应物的扩散速度小和受渣层的限制所致。从而造成了产生气泡区内和炉内气相里的分压力之间的不平衡情况。因此用降低钢液面上气相压力的方法即提佰翘空度的方法来提高碳的脱氧能力有一定的限度

据物理化学资料可得 1gfc=0.20〔%C)+0.088〔%Si) 1gfs1=0.15(%Si)+0.20〔%C) 对轴承钢来说钢中碳为1.0%，硅为0.27%，则 1gfc=0.220 fc=1.66 1gfs1=0.240 fs1=1.74 根据平衡常数式 Pco=√Kae=5,9大气压从上面的计算结果可见，钢液在真空精炼过程中，碳和A1,O3夹杂的作用不可能显著发展，因为反应生成的CO的压力不足以克服钢液的静压力和表面张力。而碳和SO2夹杂的作用则是可能得到发展的，在这种情况下的CO分压值足够使碳还原SiO,夹杂的反应得到发展。显然对含0.95-1.05%C和0.17-0.37%Si的轴承钢来说，只要在真空处理之前不用铝对钢液脱氧，即使是按上述规格加入硅铁后在真空精炼时仍不会影响真空碳脱氧反应的进行。而在真空后加入少量的铅是合理的。这样还可以节省铝的消耗量。目前在国外采用真空碳脱氧工艺生产轴承钢的国家有美国、日本、西德等。三、精炼过程中的搅拌作用冶金过程中许多反应从热力学的角度看是可能进行的，但从动力学的观点来衡量，即使在相当长的时间内也很难达到平衡。因此，现代冶金工作者主要任务就在于研究反应动力学条件的改进。即把平静的熔池改变为搅拌流动的熔池，搅拌钢液起着强化冶金过程的作用。目前几乎所有的炉外精炼的方式均有加强钢液运动的手段。因而促使了精炼工艺得以充分发挥效能。例如电弧炉还原期虽有较强的脱硫能力，但因熔池平静，故脱硫速度很慢，还原渣的脱硫能力得不到充分利用，造一批渣一般只能脱硫30-40%。但电弧炉出钢时钢渣混出仅几分钟时间平均脱硫率却达到67%以上（见表2）。在钢包精炼炉中，因钢水的搅拌改进了钢渣接触的条件，脱硫率可达70-80%。更有甚者据文献报导，利用“喷粉”技术，贝需5分钟内，就能将硫由原来的0.15%降低到0.01%。这都与钢液搅拌运动的作用有关。表2 出钢过程钢中硫含量的变化（北京钢厂分析）炉次钢种出钢前〔%S) 出钢后〔%S〕去除率ns,% 7-599 GCr16 0.027% 0.006% 77.8 9-572 0.023% 0.007% 69.6 9-573 0.025% 0.009% 64.0 9-579 n 0.020% 0.009% 55.2 9-619 0.017% 0.005% 70.6 平均 67.4 30

据物理化学资料可得。〔〕〔〕，二〔〕〔〕对轴承钢来说钢中碳为，硅为。，则。二二一根据平衡常数式。。二办荟一 · 吠气压从上面的计算结果可见，钢液在真空精炼过程中，碳和。夹杂的作用不可能显著发展，因为反应生成的的压力不足以克服钢液的静压力和表面张力。而碳和夹杂的作用则是可能得到发展的，在这种情况下的分压值足够使碳还原夹杂的反应得到发展。显然对含。一和一的轴承钢来说，只要在真空处理之前不用铝对钢液脱氧，即使是按上述规格加入硅铁后在真空精炼时仍不会影响真空碳脱氧反应的进行。而在真空后加入少量的铝是合理的。这样还可以节省铝的消耗量。目前在国外采用真空碳脱氧工艺生产轴承钢的国家有美国、日木、西德等。三、精炼过程中的搅拌作用冶金过程中许多反应从热力学的角度看是可能进行的，但从动力学的观点来衡量，即使在相当长的时间内也很难达到平衡。因此，现代冶金工作者主要任务就在于研究反应动力学条件的改进。即把平静的熔池改变为搅拌流动的熔池，搅拌钢液起着强化冶金过程的作用。目前几乎所有的炉外精炼的方式均有加强钢液运动的手段。因而促使了精炼工艺得以充分发挥效能。例如电弧炉还原期虽有较强的脱硫能力，但因熔池平静，故脱硫速度很慢，还原渣的脱硫能力得不到充分利用，造一批渣一般只能脱硫一。但电弧炉出钢时钢渣混出仅几分钟时间平均脱硫率却达到以上见表。在钢包精炼炉中，因钢水的搅拌改进了钢渣接触的条件，脱硫率可达卜。。更有甚者据文献报导，利用 “ 喷粉 ” 技术，只需分钟内，就能将硫由原来的。降低到。。这都与钢液搅拌运动的作用有关。表出钢过程钢中硫含量的变化北京钢厂分析炉次钢种出钢前〕出钢后〔去除率 ” ，，自八一 … 一甲内‘ 厅任勺‘口月一一一一

在钢包精炼过程中，搅拌作用是保证熔池内的钢水成分和温度均匀化的必要条件。像北京钢厂精炼炉1.20米深的熔池里，如果没有足够强烈的搅拌装置，要想把钢液的最终化学成分和温度相当准确的控制在较窄小的范围内，实际上是不可能办到的，从表3中可以看出，电磁搅拌失灵的炉次（即没有搅拌），化学成分不均匀，有电磁搅拌的炉次，化学成分很快就均匀了。实践证明采用电磁感应搅拌装置后，钢液成分和温度的均匀性比电弧炉内要好的多。表3 电磁搅拌对钢液成分均匀性的影响（北京钢厂分析结果）无电磁搅拌有电磁搅拌炉次、钢号 8-435, GCr1 9-633,45￥ 8-586,45￥ 9-641,8-598, T10A GCr1 分析元素〔Si)% (Mn (Mn) 〔Mn) % 〔Si)% (Mn)(Si)% % % tsi)%〔Si)% % 钢水成分 0.13 0.17 0.17 0.63 0.19 0.58 0.16 0.17 0.27 配加合金后成分 0.27 0.30 0.25 0.73 0.25 0.69 0.25 0.25 0.30 加热8分钟取样 (包中上部钢液) 0.80 0.49 1.10 0.23 0.69 0.23 0.24 0.29 加热20分钟取样 0.17 0.69 0.24 0.24 0.29 浇注第一盘取样 (包中下部钢液) 0.13 0.17 0.19 0.67 0.25 0.24 0.28 浇注第二盘取样 0.29 (包中中部钢液) 0.14 0.19 0.29 0.67 0.24 浇注第三盘取样 (包中上部钢液) 0.44 1.03 0.19 0.67 0.24 0.23 0.29 搅拌熔池在炼钢过程中的重大意义还表现在对钢水中非金属夹杂物的去除方而。在未经搅拌的平静熔池，夹杂物的上浮速度可用斯托克斯公式表示，即 V=?-号-(P解-p夹)r2 9 这时只有较大颗粒的夹杂物才能较快地从熔池中浮出。在搅动的熔池中，夹杂物的排除则服从指数规律，即 X:=X。e-Kt 式中x:、x。分别表示瞬间t及起始时的夹杂物浓度，K是速度常数，它与搅动的特点、熔池的温度、夹杂物本身特性、粒度大小的分布等因素有关。如有人指出〔5,6,7)，出钢时K 值为0,8分-，在静止的钢包中镇静时K值只有0.02分-。可见搅拌情况不同差别是相当大的。搅拌之所以加快夹杂物的排除速度，不仅是因为夹杂物碰撞长大的机率增加所致，更因为钢液搅动时产生环流，可使夹杂物、特别是粗大颗粒的夹杂物有足够的穿过边界层与熔渣和耐火材料（包衬）接触的机常，因而残留下的夹杂不仅少了而月大颗粒的几乎可以全部去除。根据边界层理论，搅拌强度大则边界层薄，所以去除夹杂物的效果也必然显著。搅拌本身就是能够有效地保证钢液纯洁度的精炼措施。文献报导，在ASEA-SKF精炼炉中不用真空碳脱氧，而采用插铝沉淀脱氧加电磁搅拌的方法，也可以取得最终氧含量达到20PPm左右的良好效果〔4)。瑞典SKF轴承钢也采用这种精炼工艺来生产。 31

在钢包精炼过程中，搅拌作用是保证熔池内的钢水成分和温度均匀化的必要条件。像北京钢厂精炼炉米深的熔池里，如果没有足够强烈的搅拌装置，要想把钢液的最终化学成分和温度相当准确的控制在较窄小的范围内，实际上是不可能办到的，从表中可以看出，电磁搅拌失灵的炉次即没有搅拌，化学成分不均匀，有电磁搅拌的炉次，化学成分很快就均匀了。实践证明采用电磁感应搅拌装置后，钢液成分和温度的均匀性比电弧炉内要好的多。表电磁搅拌对钢液成分均匀性的影响北京钢厂分析结果电磁搅拌有电磁搅拌之搅拌熔池在炼钢过程中的重大意义还表介现在对钢水中非金属夹杂物的去除方面。在未经搅扑的平静熔池，夹杂物的土浮速度可用斯托克斯公式表示，即一飞 ’ 一孟一气钢一夹 “ 口这时只有较大颗粒的夹杂物才能较快地从熔池中浮出。在搅动的熔池中，夹杂物的排除则服从指数规律，即一式中、。分别表示瞬间及起始时的夹杂物浓度，是速度常数，它与搅动的特点、熔池的温度、夹杂物本身特性、粒度大小的分布等因素有关。如有人指出〔，，幻，出钢时值为分一 ‘ ，在静止的钢包中镇静时值只有分一，。可见搅拌情况不同差别是相当大的。搅拌之所以加快夹杂物的排除速度，不仅是因为夹杂物碰撞长大的机率增加所致，更因为钢液搅动时产生环流，可使夹杂物、特别是粗大颗粒的夹杂物有足够的穿过边界层与熔渣和耐火材料包衬接触的机率，因而残留下的夹杂不仅少了而月大颗粒的几乎可以全部去除。根据边界层理论、搅拌强度大则边界层薄，所以去除夹杂物的效界也必然显著。搅拌本身就是能够有效地保证钢液纯洁度的精炼措施。文献报导，在一精炼炉中不用真空碳脱氧，而采用插铝沉淀脱氧加电磁搅拌的方法，也可以取得最终氧含量达到左右的良好效果〔〕。瑞典轴承钢也采用这种精炼工艺来生产

四、精炼过程中的加热问题从钢包的真空处理发展到钢包精炼，加热装置起了决定性的作用。有了加热装置才有了在精炼炉内换渣和造新渣、合金化和细致准确地调整钢液的化学成分、凋整和确保稳定的浇祚温度等功能的可能性。因此，甚至有人认为即使在真空吹氧生产不锈钢的VOD设备上，按装加热设备也不认为是多余的。加热措施的采纳是起到了精炼的前提和保证作用。事实上只有在附加了加热装置之后，钢包才“脱胎”变成为-一种炉子〔8)。在工艺操作上只有采取了加热于段之后，钢水的真空处理才“飞跃”而变成炉外精炼工艺的。回顾真空脱气、真空脱氧的历史可以滑楚地看出，由不加热的真空处理发展到有热能来源（包括电热和吹氧化学热及其它热源在内)的真空精炼是冶金工艺的一次飞跃，继而由有加热装置的精炼炉向无加热装置的方向发展，企图克服由于加热而带来的不便，也是炼钢过程发屐的希望。目前看来很有可能由于要求炼钢操作的严格而迫使人们甭新考虑加热装置的必要性。显然这种由无加热设备到有加热设备，然后又企图由有到无的过程不是简单的重复，而是螺旋式的上升，是科学技术发展的结果。当然，即使有了加热装置也不应忽视钢包的予热作用。反之，采用钢包高温烘烤也并不能完全取代加热的作用。因此，在钢包予热用的最广泛的法国一些钢厂内，在兴建新精炼炉时也倾向于使用具有加热装置的精炼炉〔9)。电弧加热是现在电炉钢厂比较成熟和易于解决的-一种加热装置。但采用电弧加热装置时，由于钢包的内径与电极极心园之间离较小，尤其是容量较小的炉子，电弧往往将精炼炉的包衬烧坏，因此包衬的寿命成了这类精炼方法的主要问题之··。我国引进的容量为 ]00吨的ASEA-SKF精炼炉上，即使采用了国外最好的耐火材料，在间歇性生产的情况下其渣线部位的寿命也只有7-8炉次（平均）〔10)。北京钢厂钢包精炼炉容量仅为15-25吨，采用电弧加热装置的初步结果认为：开始加热 P 出钢」吊车运行电磁搅+真空精炼电磁搅拌+电孤加热 1650 1600 1550 3 1500 6 10 15 20 云 30 时间，分钟图1精炼过程中温度变化 32

四、精炼过程中的加热问题从钢包的真空处理发展到钢包精炼，加热装置起了决定性的作用。有了加热装置才有了在精炼炉内换渣和造新渣、合金化和细致准确地调整钢液的化学成分、调整和确保稳定的浇注温度等功能的可能性。因此，甚至有人认为即使在真空吹氧生产不锈钢的设备上，按装加热设备也不认为是多余的。加热措施的采纳是起到了精炼的前提和保证作用。事实上只有在附加了加热装置之后，钢包才 “ 脱胎” 变成为一种炉子〔〕。在工艺操作上只有采取了加热手段之后，钢水的真空处理才 “ 飞跃 ” 而变成炉外精炼工艺的。回顾真空脱气、真空脱氧的历史可以清楚地看出，由不加热的真空处理发展到有热能来源包括电热和吹氧化学热及其它热源在内的真空精炼是冶金工艺的一次飞跃，继而由有加热装置的精炼炉向无加热装置的方向发展，企图克服由于加热而带来的不便，也是炼钢过程发展的希望。目前看来很有可能由于要求炼钢操作的严格而迫使人们震新考虑加热装置的必要性。显然这种由无加热设备到有加热设备，然后又企图由有到无的过程不是简单的贡复，而是螺旋式的上升，是科学技术发展的结果。当然，即使有了加热装置也不应忽视钢包的予热作用。反之，采用钢包高温烘烤也并不能完全取代加热的作用。因此，在钢包予热用的最 “ 泛的法国一些钢厂内，在兴建新精炼炉时也倾向于使用具有加热装置的精炼炉〔〕。电弧加热是现在电炉钢厂比较成熟和易于解决的一种加热装置。但采用电弧加热装置时，由于钢包的内径与电极极心园之间距离较小，尤其是容量较小的炉子，电弧往往将精炼炉的包衬烧坏，因此包衬的寿命成了这类精炼方法的主要问题之一。我国引进的容量为吨的一精炼炉上，即使采用了国外最好的耐火材料，在间歇性生产的情况下其渣线部位的寿命也只有一炉次平均〔〕。北京钢厂钢包精炼炉容量仅为一吨，采用电弧加热装置的初步结果认为开始加热妞现弓弓出钢吊车运行电磁搜拌电弧加热电磁搅伴产空精炼勺、丈奥孰、、丈溉澳套一一曰目嘴，时间，分钟图精炼过程中温度变化

的10分钟左右，钢液温度几乎没有变化，这可能是因为加热炉盖未经了热1包衬吸热未达到平衡所致。之后再用电压：200伏和电流5000安左的电制度继续加热时，钢液的升温速度可达1.6-2,0℃/分。在不采用电弧加热的条件下，耐火材料的寿命是满意的。渣线部位的镤砖或铬镁砖（一般材质）平均每炉损失8毫米左，寿命可达40炉以上。但在加热时一般镁砖或铬镁砖损失严重，有时一炉损失竞达100毫米（局部)，在使用电熔镁砖(MgO≥96%) 时情况大为改普，在每炉加热10-20分钟的条件下，平均每炉损失为8-10毫米，寿命可达 25次。精炼炉使用前用柴油喷枪烘烤至暗红色，时间一般大于40分钟。图1示出了实验数字统的温度变化情况。在这些实验炉次中，为了避免长时间电弧加热对包村的影响，再加上烘烤钢包并无特殊措施。而又为了尽可能延长真空下保持的时间，以充分发挥真空和搅抄的作：用，只好采用提高电炉出钢温度的方法来补偿温度损失。但高温出钢会使钢中的溶解氧和夹杂物含量增高。正确的延长精炼时间的方法是：采用精炼炉加热的工艺，并进行州弧加热以减少对包村的损坏和提高精炼包的址烤温度。五、真空精炼轴承钢的实验及分析综合上述分析，结合现场实际，在北京钢厂新建的真空钢包精炼炉上，在调试设备的同时，进行了炉外精炼工艺的初步研究〔11)。实验轴承钢的工艺要点如下： 1,电炉 (1)熔化期进行初精炼，提前造渣去磷。 (2)除渣条件：碳合近、〔P〕≤0.012%、温度≥1580℃。 (3)造新渣后加FeCr、FeMn,用一批碳硅粉还原，硅铁粉用量2-3公斤/吨钢。 (4)渣白、合金全熔后取样分析，补加合金和FeSi。 (5)山钢条件：〔S)≤0.06%，其它成分进入规格。渣量控制在料承的1.5%左右，碱度≥3.5，温度1610-1640℃。 2。精炼炉 (6)电炉出钢于准备好的精炼炉中，精炼全过程均使用电磁搅扑。 (7)测温、真空精炼，真空度≤1托下保持时间≥10分钟。 (8)插绍0.3公斤/吨钢。 (9)温度≥1510℃吊出浇注，如温度≤1510℃则加适"当碳粉尽可能弧加热至温度 1510℃后吊出浇注。 8.铸锭 (10)用石墨渣保护浇注，其它同现行工艺。采用这种工艺后电炉的冶炼时间平均为193分钟，比正常（232分钟)冶炼一炉轴承钢平均节省39分钟，最快的仅用了183分钟就完成了电炉中的企部任务，电炉钢产量的能力提高约20%，相应地减少了电能消耗（每吨钢节电约80-100度），脱氧用帤的消耗由2.0公斤/吨减少到0.3公斤/吨，其它原材料也有节省，成本降低。同时工艺简单，操作简便，容易掌规。更重要的是钢质量明显地改善了，这表现在钢中气休的去除、氧及非金属夹杂物等有忠杂质的减少上，下而我们讨论这一问题。氢：为了对比精炼前后〔H)含量的变化，在真空处理前后用样勺从钢包炉中取出钢水，然后用石英管吸取，“试样淬水冷却后放在干冰巾保存，等待分析使用。据六炉轴承钢的试 33

的分钟左右，钢液温度几乎没有变化，这可能是因为加热炉盖未经子热和包衬吸热未达到平衡所致。之后再用电压伏和电流安左右的电制度继续加热时，钢液的升温速度可达一 ℃ 分。在不采用电弧加热的条件下，耐火材料的寿命是满意的。渣线部位的镁砖或铬镁砖一般材质平均每炉损失毫米左右，寿命可达炉以上。但在加热时一般镁砖或铬镁砖损失严最，有时一炉损失竟达毫米局部，在使用电熔镁砖七时情况大为改善，在每炉加热一分钟的条件下，平均每炉损失为一毫米，寿命可达姑次。、梢炼炉使用前用柴油喷枪烘烤至暗红色，时间一般大于分钟。图示出了实验数字统计的温度变化情况。在这些实验护次中，为了避免长时间电弧加热对包衬的影响万再加上烘烤钢包并无特殊措施。而又为了尽可能延一长真空下保持的时间，以充分发挥真空和搅拌的作用，只好采用提高电炉出钢温度的方法来补偿温度损失。但高温出钢会使钢中的溶解氧和夹杂物含里增高。正确的延长精炼时间的方法是采用精炼炉加热的工艺，夕卜进行理弧加热以减少对包衬的损坏和提高精炼包的烘烤温度。五、真空精炼轴承钢的实验及分析综合上述分析，结合现场实际，在北京钢厂新建的真空钢包精炼炉上，在调试设备的同时，进行了炉外精炼工艺的初步研究〕。实验轴承钢的工艺要点如下电炉熔化期进行初精炼，提前造渣去磷。除渣条件碳合适、〕三、温度全 ℃ 。造新渣后加、，用一批碳硅粉还原，硅铁粉用最一公斤吨钢。渣自、合金全熔后取样分析，补加合金和。出钢条件〕三，其它成分进入规格。渣量控制在料承的左右，碱度之，温度一拍 ℃ 。精炼炉电炉出钢于准备好的精炼炉中，精炼全过程均使用电磁搅扑。 ” 测温、真空精炼，真空度三托下保持时间全分钟。插铝公斤吨钢。温度全 ℃ 吊出浇注，如温度三 ℃ 则加适当碳粉尽可能理弧加热至温度 ℃后吊出浇注。吕幼位用石墨渣保护浇注，其它同现行工艺。采用这种工艺后电炉的冶炼时间平均为分钟，比正常分钟冶炼一炉轴承钢平均节省分钟，最快的仅用了分钟就完成了电炉中的全部任务，电炉钢产最的能力提高约，相应地减少了电能消耗每吨钢节电约一度，脱氧用铝的消耗由公斤吨减少到公斤吨，其它原材料也有节省，成木降低。同时工艺简单，操作简便，容易掌握。更暇要的是钢质量明显地改善了，这表现在钢中气体的去除、氧及非全属夹杂物等有害杂质的减少，下而我们讨论这一问题。氢为了对比精炼前后〔〕含量的变化，在真空处理前后用样勺从钢包炉中取出钢水，然后用石英竹吸取， ’ 价试样淬水冷却后放在干冰中保存，等待分析使用。据六炉轴承钢的试

样分析结果为：真空后比真空前平均降低32.8%，最多的降低41.4%，真空后钢中氢含量最低的仅含1.65PPm。氮：取样分析结果表明，真空精炼前后变化不大，均为50PPm左右，氮的去除比氢要困难得多。氧：表4和图2示出了用浓差电池定氧法直接测得熔解氧的数值。这充分显示出了真空碳脱氧的优越性，无论高低碳钢，尽管真空前钢中溶解氧高达90-100PPm之多，但经14-21 分钟的真空处理加电磁搅拌之后，熔池中钢的最终氧含量达到了5PPm以下。其中一炉尽管极限真空度只达到50毫米汞柱压力的情况下，也能获得不大于5PPm的氧含量。显然，这说明在真空精炼时压力继续降低已不是主要限制性环节。相反，从另外两炉（炉号：8-1729和 9-1944)可知，尽管真空度达到了0.5和7.5毫米汞柱的压力，但因真空、搅拌的时间较短 (真空时间分别为5分和4分，总时间仅9分钟)，钢中氧含量偏高(10-12PPm)。从动力学的观点看，此时间不足以达到“平衡”的要求，因此保持时间成为主要的限制性因素。电磁搅拌的作用是获得上述结果的可靠保证。表4的结果说明，达到平衡所需时间也并不长，真空处理加电磁搅拌总的精炼时间约15分钟左右，反应基本接近平衡，这证明电磁搅拌装置对熔池内钢液的均匀混合具有非常重要的意义，熔池内不存在死区。关于这一问题下面还要谈到。表4 精炼过程中溶解氧的变化炉号钢种真空度保持时间总处理时间真空前〔O)真空后〔O) 去除率 mm,Hg 分分 PPm PPm % 8-1712 GCr18 0.5 9 16 90 5 94.4 8-1713 50 14 40 5 87.5 8-1719 0.5 10 16 17 5 70.8 8-1720 6 14 14 一 8-1727 7.5 16 32 5 84.5 8-1728 15 21 42 5 88.2 8-1729 7.5 4 22 10 54.6 9-1944 18CrNiWA 0.5 5 9 100 12 88.0 表5列出了轴承钢精炼前后钢中的全氧含量和非金属夹杂物的变化情况。经真空处理后钢中的氧含量均有不同程度的降低，最多可降低58%，效果最好的炉次钢中全氧含量可达到 27PPm,据15炉的数据统计，平均将钢中的总氧含量由57PPm减少到38PPm,约降低了 32.0%左右。取得了明显的效果。实验中由于精炼的时间较短，个别炉次不够正常，试验的影响因素较多，与国外资料相比尚待进一步改进和提高，今后如能严格工艺要求，必将取得更明显的效果。必须指出，予先用铝进行过强烈脱氧的钢液在真空精炼过程中含氧量的降低，即继续脱氧，不可能是溶于钢液中的碳还原氧化物的结果。对未经铝子先脱氧的钢液（基至可加少量 34

样分析结果为真空后比真空前平均降低，最多的降低，真空后钢中氢含最低的仅含一。氮取样分析结果表明，真空情炼前后变化不大，均为左右，氮的去除比氢要困难得多。氧表和图示出了用浓差电池定氧法直接侧得熔解氧的数值。这充分显示出了真空碳脱氧的优越性，无论高低碳钢，尽管真空前钢中溶解氧高达一之多，但经一分钟的真空处理加电磁搅拌之后，熔池中钢的最终氧含量达到了以下。其中一炉尽管极限真空度只达到毫米汞柱压力的情况下，也能获得不大于的氧含量。显然，这说明在真空猜旅时压力继续降低已不是主要限制性环节。相反，从另外两炉炉号卜和一可知，尽管真空度达到了和毫米汞柱的压力， ’ 但因真空、搅拌的时间较短真空时间分别为分和分，总时间仅分钟，钢中氧含量偏高一。从动力学的观点看，此时间不足以达到 “ 平衡” 的要求，因此保持时间成为主要的限制性因素。电磁搅拌的作用是获得上述结果的可靠保证。表的结果说明，达到平衡所需时间也并不长，真空处理加电磁搅拌总的精炼时间约分钟左右，反应基本接近平衡，这证明电磁搅拌装置对熔池内钢液的均匀混合具有非常重要的意义，熔池内不存在死区。关于这一问题下面还要谈到。表精炼过程中溶解氧的变化除率炉” … 钢种真空度保持时间分总处理时间真空前〔真空后〔〕去咋︸︵一。口以︸怪白，，目‘泊一一一一一 ‘ 一口，工上 ‘ 一，表列出了轴承钢精炼前后钢中的全氧含量和非金属夹杂物的变化情况。经真空处理后钢中的氧含最均有不同程度的降低，最多可降低，效果最好的炉次钢中全氧含里可达到，据炉的数据统计，平均将钢中的总氧含量由减少到，约降低了左右。取得了明显的效果。实验中由于精炼的时间较短，个别炉次不够正常，试验的影响因素较多，与国外资料相比尚待进一步改进和提高，今后如能严格工艺要求，必将取得更明显的效果。必须指出，予先用铝进行过强烈脱氧的钢液在真空精炼过程中含氧量的降低，即继续脱氧，不可能是溶于钢液中的碳还原氧化物的结果。对未经铝予先脱氧的钢液甚至可加少量