[科普中国]-真空精炼

历史

随着氧气顶吹转炉几十年的发展，该种炼钢法的生产节奏、钢的冶炼品种与质量等都己基本挖掘到极限。而现代工业的发展，对钢的产量、品种和质量等又提出了越来越高的要求，这就迫使炼钢工作者寻求新的炼钢工艺，于是产生了炉外精炼法(即二次冶炼)。炉外精炼是把由炼钢转炉初炼的钢水倒入钢包或专用容器内进一步精炼的一种方法，即把全部冶炼任务只由转炉完成的一步炼钢法，转变为转炉只承担熔化、粗脱碳、去磷、初调成分及温度等初炼任务，然后通过二次精炼，完成脱气、脱硫、脱磷、脱碳、合金微调、温度调整等功能的分步炼钢法，从而大大地缩短了转炉的冶炼周期，提高了钢的质量，并能生产出用一步炼钢法不能生产的某些钢种(如超低碳钢等)。实现了高效、低耗、优质和多品种的最佳化生产。炉外精炼法起始于二十世纪50年代初期，80年代后获得了迅速发展。

真空处理是众多的炉外精炼法中的一种，它是1957年由原西德鲁尔(Ruhrstahl)和海拉斯(Heraeus)钢厂联合研制的真空循环脱气精炼法，取两公司名称的首字母简称而来。

真空处理的主要任务是脱气，并通过钢水循环使得非金属夹杂物上浮、均匀钢水成分和温度，同时通过物料添加系统使其具有脱氧、脱碳、脱硫、脱磷、成分微调等多项冶金功能。RH工艺是与十九世纪以来迅猛发展的炼钢技术(特别是转炉炼钢)密切相关的一种二次冶金技术。

真空处理既是转炉充分发挥效率的可靠保证，又是为连铸提供优质钢水、稳定连铸生产的重要手段，同时在转炉与连铸之间起着重要的缓冲作用。

概念原理这种方法在一定条件下还可综合回收粗金属中的有价元素。真空精炼除能防止金属与空气中氧、氮反应和避免气体杂质的污染外，更重要的是对许多精炼过程(特别是脱气过程)还能创造有利于金属和杂质分离的热力学和动力学条件。真空精炼主要包括真空蒸馏(升华)和真空脱气。此外，人们也常把在真空下进行的碘化物热离解法、歧化冶金以及化学气相沉积划归真空精炼范畴。

真空蒸馏(升华)在真空条件下，利用各物质在同一温度下蒸气压和蒸发速度不同，控制适当的温度，使某种物质选择性挥发和选择性冷凝，来获得纯物质的方法。这种方法主要用来提纯某些沸点较低的金属(或化合物)，如汞、锌、硒、碲、钙、镁、铍及某些重稀土金属等。纯度为97.5%的金属锌，经一次真空蒸馏后纯度可达99.94%；稀土金属钆在真空度0.133kPa、蒸馏温度2173K、冷凝温度1373～1473K的条件下蒸馏，产品中杂质含量可降低1～2个数量级；工业纯镁经真空升华后纯度可达99.99%。真空蒸馏亦可用于分离某些冶金中间产品以制取纯金属。如将铅锌合金、铝镁合金、钇镁合金蒸馏分离制取纯金属，将稀有金属氯化物镁还原法或钙还原法所得的产品蒸馏除去残余的镁(或钙)及其氯化物以制得纯稀有金属，混合硫化矿分离等。

特点真空蒸馏与常压蒸馏相比，具有蒸馏温度低和蒸馏速度快的特点。

蒸馏温度低

例如在常压下锌的沸点为1180K，其蒸馏温度要在1273K以上，而在0.133kPa压力下，沸点仅759K，因此蒸馏温度可降到773～873K。降低蒸馏温度一方面可以减少设备材料对金属的污染，延长设备寿命；另一方面增大了金属与杂质蒸气压的差距，提高了分离效果。根据特鲁顿(Trouton)法则，物质的沸腾熵大体相等，可推出A、B两物质蒸气压之比PBθ/PBθ与温度的关系TA、TB分别为A、B的沸点，PAθ、PBθ分别为在TK时A、B的蒸气压，△Sθ为A、B的沸腾熵。当A的沸点比B低时，PAθ/PBθ随温度的降低而增加，即温度降低使它们的分离系数增大，有利于两者分离。

蒸馏速度快

物质的蒸发速度v为物质的蒸发速度，g/(cm2·s)；Pθ和P1分别为被蒸发物质的蒸气压和其在气相的分压，提高真空度便导致P1的降低，即蒸发速度加快。真空蒸馏过程一般在真空电阻炉或真空感应炉内进行。

真空脱气 在真空条件下脱除气体杂质，包括通过化学反应而使某些杂质以气体形态的脱除，例如通氧使碳成CO而被脱除。真空脱气于1938年开始在钢铁工业中应用，20世纪60年代后逐步扩展用于钽、铌、锆、铪、钒、钛等高熔点金属的提纯。

真空在脱气过程中的作用主要是降低气体杂质在金属中的溶解度。根据西韦茨定律，双原子气体在金属中的溶解度与其在气相中分压的平方根成正比，因此提高系统的真空度，便相当于降低气体的分压，亦即能降低气体在金属中溶解度，超过溶解度的部分气体杂质便从金属中逸出而脱除。真空脱气主要用于脱除金属中的氢、氮和氧、碳。

金属中氢的脱除氢在钒、铌、钽中的溶解度与其关系在973K下当氢分压为1kPa时，钒、铌、钽中H：Me在0.01以下，或相当于金属中含氢在50×10-4%以下。1

工艺真空精炼设备和操作随着实际应用不断发展，从单一的脱氢处理发展为充分利用真空下的碳氧反应，于是出现了轻处理、本处理、深脱碳等处理方式。

轻处理模式(1)轻处理的目的

利用真空状态下的碳氧反应可使钢水中碳和氧同步下降这一原理，转炉在生产低碳铝镇静钢时适当提高终点碳，出钢时钢包内按沸腾钢脱氧强度脱氧，这样渣中氧化铁降低，金属收得率提高，停吹时钢水残锰提高，并可用高碳锰铁代替中碳锰铁。通过RH轻处理，使碳、氧同步下降，减轻了转炉脱碳负担，其脱氧产物(一氧化碳气泡)不污染钢水，而且上浮过程中使钢水纯净度大大提高，最后仅用少量铝终脱氧，铝收得率高达70%以上而且十分稳定钢水纯净度的提高，消除了连铸堵水口事故。

(2)轻处理的操作要点

轻处理是在67~266mbar的低真空度下对钢水温度、成分进行调整，根据真空槽内钢水沸腾情况适当调整真空度；

环流气体流量由小(最大流量的60%)到大(最大流量的80%)；

当真空槽内钢水沸腾情况逐渐微弱时加铝终脱氧，加铝后钢水继续环流3分钟以上；

低碳铝镇静钢轻处理中的脱碳量约为0．04%，当转炉出钢[C]过高时，可以用顶枪吹氧脱碳。

本处理模式(1)本处理的目的

真空脱氢处理是RH最传统最成熟的处理工艺，又称本处理。本处理的操作是在0.67mbar的真空度下，使钢水以最大环流速度处理一定时间，使氢降到2ppm以下。

(2)本处理的操作要点

-钢包应连续使用5炉以上，出钢时耐材表面温度应在1000℃以上；

-处理前钢水成分在目标成分中下限，钢水温度不可过低；

-真空槽和浸渍管应处理3次以上，才能进行本处理；

-真空泵启动后应在4分钟内达到工作真空度，应采用预抽真空方式；

-处理前要检查设备、顶枪、各密封圈的冷却、法兰等不得有漏水；

-合金微调后继续在最低压力下处理5分钟以上。

深脱碳处理模式

(1)深脱碳处理的目的

具有优异深冲性能的高品质冷轧薄钢板是最主要的高附加值产品，而钢中固溶碳量严重影响冷轧钢板深冲性能。同样，碳在高牌号无取向电工钢中也是导致磁性能恶化的主要元素。因此，要求处理要在尽可能短的时间内把W(C)降至很低范围(30ppm以下)。

(2)深脱碳处理的操作要点

-确保最大的环流速度，即浸渍管及真空室状况良好；

-不得使用含碳钢包覆盖剂；

-要求转炉控制好出钢温度，尽量避免RH升温造成处理时间过长：

-采取措施消除真空槽壁凝结的冷钢，或处理超低碳钢前3炉不处理中高碳钢，而应处理低碳铝镇静钢2。