[科普中国]-钢液真空脱气

概述

钢液真空脱气 (vacuum degassing)是钢液真空处理的主要应用。钢中气体主要是氢与氮。它们是炼钢过程中溶入钢液的，对钢材性能危害很大。钢液凝固过程中氢析出时要造成气泡、白点、发纹及钢锭上涨等缺陷。而未被析出的氢会降低钢的强度极限、断面收缩率、延伸率和冲击韧性。钢中的氮会产生钢的时效脆化，降低钢的冲击韧性及引起钢的冷脆1。

钢液真空脱气的原理气体在钢液中溶解时服从平方根定律，即气体的溶解度与钢液上方该气体的分压力的平方根成正比：

式中a[H] 为以%表示的钢中氢浓度，以Fe-H系无限稀溶液为基准的活度，因f H ≈1，故a[H]≈[%H]，从而得出氢在铁液中的溶解度与其在同铁液中平衡的气相中分压的关系:

[H]=KH (pH2)1/2

同理，对氮也得到同样的关系式：[N]=KN (pN2)1/2

由于在气体溶解反应过程中，气体的摩尔数有变化，当温度一定时，液态金属上面气体分压力变化可以引起平衡的移动，即金属中气体平衡浓度的变化。例如，当温度为1600℃时，KH=0.0025，KN=0.04。与含氢2×10-6 和含氮0.003%的金属平衡时，气相中氢和氮的分压(atm)为

可见，从热力学平衡角度，使铁液中的含氢量和含氮量降低到较小数值，并不需要在熔池上面保持很高的真空度，保持几百帕(几毫米汞柱)的压力，就能使钢液中溶解的气体含量降到相当低的水平。真空脱气设备的极限真空度多选在67Pa(0.5mmHg)以下，即可以使钢中气体含量降到很低。而实践证明，钢和合金经各种不同形式的设备处理后，能达到良好的脱氢效果，而真空脱氮则比较困难。导致脱氮困难的原因：一是钢中常含有强氮化物生成元素，使氮处于化合物状态；另一原因是反应动力学的因素。

真空脱气技术工艺设备及特点早期的真空脱气方法分为四大类别，常用的有八种方法，其中有2：

（1）出钢过程钢水真空脱气法。西德与瑞典提出的这种出钢真空脱气法，是将装有真空密封盖的大钢包放在炉子的前面，并与真空系统相通。密封盖上装有辅助用的中间小钢包。钢水从炉内直接流入中间钢包中，在通过中间小钢包的注口流入大钢包（即真空室）中进行真空除气。

该方法的特点：

①缩短真空脱气处理时间；

②不需要固定的真空室；

③可减少钢水的热损失；

④不必提高出钢温度；

⑤出钢速度受限，出钢速度比较小；

⑥钢水经中间小包进入大钢包；

（2）钢包脱气法。先将装满钢水的钢包置于真空室中，抽真空或通入搅拌气体进行除气。从出钢到钢包放入真空室到抽空除气操作所需时间较长，如对真空室预热不足，除气的钢水因伴有较大的温度损失不能进行满意的浇注。

（3）钢流脱气法。钢流脱气法，又称倒包脱气法。它是一种特别快的除气方法。钢水自出钢钢包注入置于真空室内的钢包的过程中便开始真空除气。

此法的特点是：

①钢流进入真空室后变成极细的熔滴，大大增加了表面积，钢水中溶解的气体被大量除去。

②在这种操作中，因真空室及待盛装钢水用的钢包，在钢水注入之前，均已被抽成真空，所以可使用较小的抽气设备。

③在这预先抽成真空的过程中，钢包内衬的耐火砖中的水分也被大量除去，这些水分往往是钢中氢气来源之一。

④钢水通过中间包熔穿密封用的铝板而进入到真空室内的钢包中，此即所谓的“倒包”。在注口处流速为10t/min。在这种速度下，可使除气接近平衡。

⑤此法不需要搅拌或加热。

⑥这种除气方法，氢气的含量小于3 标准cm3/100g、防止锻件发裂的要求是可以达到的。

⑦此法需要两个大钢包和一个中间小钢包，耗费较大。

（4）钢水在锭模中真空除气。这种浇注单个钢锭的方法也属钢流脱气法。类似倒包脱气法（如将钢锭模代替大钢包的作用），钢锭在真空下浇注过程中除气，可对重型钢锭能有效除气。

其特点是：

①经过真空除气净化的钢锭直到凝固不再和氧气及耐火材料接触。

②钢水可直接通过真空室的盖子注入到锭模中，钢包与真空室盖子之间有铝板真空密封。

（5）车铸多锭真空脱气法。钢水是通过隧道式真空室浇注其中的车铸平台上的锭模中，移动锭车实现多锭浇注。

这种钢流脱气法的特点：当钢流进入真空后，钢流出现喷射分散现象，其分散角度与中间包的注口形状，处理前钢水中的含气量以及钢水的压力等因素有关。利用钢流调节器可以得到控制其分散不致于喷到锭模外。

（6）提升除气法。此法又称分批除气法或D-H 除气法。它是将部分钢水周期性的被提升到真空室中进行除气，然后再返回到钢包中。这样一来，钢水进入真空室得到一次脱气，但它仅是一部分钢水得到脱气。在这种方法中，钢水通常要升降25～30 次脱气，以致使全部钢水至少进入真空室3 次脱气。每次提升的钢水相当于全部钢水的10%。

这种提升出气法的特点是：

①抽入真空室内的部分钢水表面积增大，而深度小，除气效率高，还能彻底混合。

②温度损失，可用电力、燃气或燃油来对真空室预热补偿热损失。

③脱气效果决定于每滴钢水在真空室中停留的时间，每t 钢水除气表面按8m2 计算，在真空室中停留的时间平均为24s。

④加入一定量的合金料可在钢水中混合均匀，使钢中夹杂物保持最低的限度。

（7）真空循环脱气法。这种方法又称RH 脱气法。它是将钢水通过悬挂在钢水包上面的小型真空室的吸入管吸入真空室中，经1min 抽至133Pa，在此压力下可向吸入管输入氩气驱动钢水循环，氩气的数量以（10～30）kg/t 钢，可使钢水达到全速循环。当氩气达到钢水温度时，体积要膨胀上百倍。当钢水中气体逸出至上升管的上部体积会更大，这时钢水的速度可达2m/s。循环速度是直接用放射性指示剂测定的。其钢水处理速度可达（8～12）t/min。如对真空室的吸入管和返回管的直径选择合适，用同样尺寸的除气室，可对不同容量的钢包进行脱气处理，如钢包（30~120）t 容量可用同样的真空室进行脱气处理。

这种方法的特点有：

①在30t 钢包中钢水有（10～50）℃的温降。

②在100t 钢包中钢水有（20～30）℃的温降。

③对100t 钢包的钢水需处理23min。

④由于钢水的流动性较大，钢水可比正常温度约低20℃时浇注。

⑤除通入氩气外，还可以按需要与钢水中的氧和氮发生作用，可以通入其他反应气体。

⑥由于钢水的对流运动使钢水混合和分布均匀。

此法也多在钢水炉外精炼时应用。

（8）钢水浇注后钢锭的真空除气法。钢水浇注后钢锭的真空除气法是真空除气技术中最简单的一种方法，主要用于成组或单个浇注的20t 以上的碳钢板坯的钢锭。钢锭模在浇注后，立即进行真空密封，以软管连接到真空系统上进行抽空，需要的压力为（266～2660）Pa，实际实现并不困难。对钢锭模的上部和下部均要进行有效的真空密封，处理时间为（1.5～22）min，钢水在需要的压力下沸腾除气。夹杂物的数量及大小均能降低，中心偏析几乎消失。

钢液真空脱气技术的发展及评价为了使平炉、转炉、电炉中熔炼出来的钢液免受大气污染, 防止氢、氮、氧等气体存在钢中产生钢材缺陷, 把钢液置于真空中进行脱气, 早在十九世纪末就已出现。但当时工业水平较低，抽气设备能力有限，所以直到二次世界大战后才逐渐走向工业化， 从而解决了炼钢操作中不易解决的脱氢问题。这种真空脱气方法实际上就是炉外脱气精炼方法的一种原始技术。近年来， 为了使钢液组织均匀化和提高精炼效果，确保浇注温度，又采用了搅拌和加热技术。因此,现代的真空脱气方法已经不仅仅是单纯的脱气， 而是把它做为制取夹杂和不纯物元素极少的纯净钢的一种手段而活跃在钢材制备的过程中2。

但应指出， 钢液真空处理除冶金方面的优越性外， 它的成本对评价真空工艺也很重要。除了设备操作净成本外， 还应考虑炼钢过程中因某些附加工序而引起的消费。诸如为解决钢水温降而提高出钢温度所增加的费用；为搅拌钢液所增加的费用等。此外， 真空处理所造成的时间损失还可能降低其生产率。所以，只有在着重考虑这些附加费用后，才能结合炼钢工艺的要求来判断和选择最合理的真空处理工艺3。