真空精煉概念原理

這種方法在一定條件下還可綜合回收粗金屬中的有價元素。真空精煉除能防止金屬與空氣中氧、氮反應(yīng)和避免氣體雜質(zhì)的污染外，更重要的是對許多精煉過程(特別是脫氣過程)還能創(chuàng)造有利于金屬和雜質(zhì)分離的熱力學(xué)和動力學(xué)條件。真空精煉主要包括真空蒸餾(升華)和真空脫氣。此外，人們也常把在真空下進行的碘化物熱離解法、歧化冶金以及化學(xué)氣相沉積劃歸真空精煉范疇。

真空蒸餾(升華)在真空條件下，利用各物質(zhì)在同一溫度下蒸氣壓和蒸發(fā)速度不同，控制適當(dāng)?shù)臏囟龋鼓撤N物質(zhì)選擇性揮發(fā)和選擇性冷凝，來獲得純物質(zhì)的方法。這種方法主要用來提純某些沸點較低的金屬(或化合物)，如汞、鋅、硒、碲、鈣、鎂、鈹及某些重稀土金屬等。純度為97.5%的金屬鋅，經(jīng)一次真空蒸餾后純度可達99.94%；稀土金屬釓在真空度0.133kPa、蒸餾溫度2173K、冷凝溫度1373～1473K的條件下蒸餾，產(chǎn)品中雜質(zhì)含量可降低1～2個數(shù)量級；工業(yè)純鎂經(jīng)真空升華后純度可達99.99%。真空蒸餾亦可用于分離某些冶金中間產(chǎn)品以制取純金屬。如將鉛鋅合金、鋁鎂合金、釔鎂合金蒸餾分離制取純金屬，將稀有金屬氯化物鎂還原法或鈣還原法所得的產(chǎn)品蒸餾除去殘余的鎂(或鈣)及其氯化物以制得純稀有金屬，混合硫化礦分離等。

隨著氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐幾十年的發(fā)展，該種煉鋼法的生產(chǎn)節(jié)奏、鋼的冶煉品種與質(zhì)量等都己基本挖掘到極限。而現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對鋼的產(chǎn)量、品種和質(zhì)量等又提出了越來越高的要求，這就迫使煉鋼工作者尋求新的煉鋼工藝，于是產(chǎn)生了爐外精煉法(即二次冶煉)。爐外精煉是把由煉鋼轉(zhuǎn)爐初煉的鋼水倒入鋼包或?qū)Ｓ萌萜鲀?nèi)進一步精煉的一種方法，即把全部冶煉任務(wù)只由轉(zhuǎn)爐完成的一步煉鋼法，轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)爐只承擔(dān)熔化、粗脫碳、去磷、初調(diào)成分及溫度等初煉任務(wù)，然后通過二次精煉，完成脫氣、脫硫、脫磷、脫碳、合金微調(diào)、溫度調(diào)整等功能的分步煉鋼法，從而大大地縮短了轉(zhuǎn)爐的冶煉周期，提高了鋼的質(zhì)量，并能生產(chǎn)出用一步煉鋼法不能生產(chǎn)的某些鋼種(如超低碳鋼等)。實現(xiàn)了高效、低耗、優(yōu)質(zhì)和多品種的最佳化生產(chǎn)。爐外精煉法起始于二十世紀(jì)50年代初期，80年代后獲得了迅速發(fā)展。

真空處理是眾多的爐外精煉法中的一種，它是1957年由原西德魯爾(Ruhrstahl)和海拉斯(Heraeus)鋼廠聯(lián)合研制的真空循環(huán)脫氣精煉法，取兩公司名稱的首字母簡稱而來。

真空處理的主要任務(wù)是脫氣，并通過鋼水循環(huán)使得非金屬夾雜物上浮、均勻鋼水成分和溫度，同時通過物料添加系統(tǒng)使其具有脫氧、脫碳、脫硫、脫磷、成分微調(diào)等多項冶金功能。RH工藝是與十九世紀(jì)以來迅猛發(fā)展的煉鋼技術(shù)(特別是轉(zhuǎn)爐煉鋼)密切相關(guān)的一種二次冶金技術(shù)。

真空處理既是轉(zhuǎn)爐充分發(fā)揮效率的可靠保證，又是為連鑄提供優(yōu)質(zhì)鋼水、穩(wěn)定連鑄生產(chǎn)的重要手段，同時在轉(zhuǎn)爐與連鑄之間起著重要的緩沖作用。

真空蒸餾與常壓蒸餾相比，具有蒸餾溫度低和蒸餾速度快的特點。

蒸餾溫度低

例如在常壓下鋅的沸點為1180K，其蒸餾溫度要在1273K以上，而在0.133kPa壓力下，沸點僅759K，因此蒸餾溫度可降到773～873K。降低蒸餾溫度一方面可以減少設(shè)備材料對金屬的污染，延長設(shè)備壽命；另一方面增大了金屬與雜質(zhì)蒸氣壓的差距，提高了分離效果。根據(jù)特魯頓(Trouton)法則，物質(zhì)的沸騰熵大體相等，可推出A、B兩物質(zhì)蒸氣壓之比PBθ/PBθ與溫度的關(guān)系TA、TB分別為A、B的沸點，PAθ、PBθ分別為在TK時A、B的蒸氣壓，△Sθ為A、B的沸騰熵。當(dāng)A的沸點比B低時，PAθ/PBθ隨溫度的降低而增加，即溫度降低使它們的分離系數(shù)增大，有利于兩者分離。

蒸餾速度快

物質(zhì)的蒸發(fā)速度v為物質(zhì)的蒸發(fā)速度，g/(cm2·s)；Pθ和P1分別為被蒸發(fā)物質(zhì)的蒸氣壓和其在氣相的分壓，提高真空度便導(dǎo)致P1的降低，即蒸發(fā)速度加快。真空蒸餾過程一般在真空電阻爐或真空感應(yīng)爐內(nèi)進行。

真空脫氣 在真空條件下脫除氣體雜質(zhì)，包括通過化學(xué)反應(yīng)而使某些雜質(zhì)以氣體形態(tài)的脫除，例如通氧使碳成CO而被脫除。真空脫氣于1938年開始在鋼鐵工業(yè)中應(yīng)用，20世紀(jì)60年代后逐步擴展用于鉭、鈮、鋯、鉿、釩、鈦等高熔點金屬的提純。

真空在脫氣過程中的作用主要是降低氣體雜質(zhì)在金屬中的溶解度。根據(jù)西韋茨定律，雙原子氣體在金屬中的溶解度與其在氣相中分壓的平方根成正比，因此提高系統(tǒng)的真空度，便相當(dāng)于降低氣體的分壓，亦即能降低氣體在金屬中溶解度，超過溶解度的部分氣體雜質(zhì)便從金屬中逸出而脫除。真空脫氣主要用于脫除金屬中的氫、氮和氧、碳。

金屬中氫的脫除氫在釩、鈮、鉭中的溶解度與其關(guān)系在973K下當(dāng)氫分壓為1kPa時，釩、鈮、鉭中H：Me在0.01以下，或相當(dāng)于金屬中含氫在50×10-4%以下。

真空精煉設(shè)備和操作隨著實際應(yīng)用不斷發(fā)展，從單一的脫氫處理發(fā)展為充分利用真空下的碳氧反應(yīng)，于是出現(xiàn)了輕處理、本處理、深脫碳等處理方式。

真空精煉輕處理模式

(1)輕處理的目的

利用真空狀態(tài)下的碳氧反應(yīng)可使鋼水中碳和氧同步下降這一原理，轉(zhuǎn)爐在生產(chǎn)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼時適當(dāng)提高終點碳，出鋼時鋼包內(nèi)按沸騰鋼脫氧強度脫氧，這樣渣中氧化鐵降低，金屬收得率提高，停吹時鋼水殘錳提高，并可用高碳錳鐵代替中碳錳鐵。通過RH輕處理，使碳、氧同步下降，減輕了轉(zhuǎn)爐脫碳負擔(dān)，其脫氧產(chǎn)物(一氧化碳氣泡)不污染鋼水，而且上浮過程中使鋼水純凈度大大提高，最后僅用少量鋁終脫氧，鋁收得率高達70%以上而且十分穩(wěn)定鋼水純凈度的提高，消除了連鑄堵水口事故。

(2)輕處理的操作要點

輕處理是在67~266mbar的低真空度下對鋼水溫度、成分進行調(diào)整，根據(jù)真空槽內(nèi)鋼水沸騰情況適當(dāng)調(diào)整真空度；

環(huán)流氣體流量由小(最大流量的60%)到大(最大流量的80%)；

當(dāng)真空槽內(nèi)鋼水沸騰情況逐漸微弱時加鋁終脫氧，加鋁后鋼水繼續(xù)環(huán)流3分鐘以上；

低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼輕處理中的脫碳量約為0．04%，當(dāng)轉(zhuǎn)爐出鋼[C]過高時，可以用頂槍吹氧脫碳。

真空精煉本處理模式

(1)本處理的目的

真空脫氫處理是RH最傳統(tǒng)最成熟的處理工藝，又稱本處理。本處理的操作是在0.67mbar的真空度下，使鋼水以最大環(huán)流速度處理一定時間，使氫降到2ppm以下。

(2)本處理的操作要點

-鋼包應(yīng)連續(xù)使用5爐以上，出鋼時耐材表面溫度應(yīng)在1000℃以上；

-處理前鋼水成分在目標(biāo)成分中下限，鋼水溫度不可過低；

-真空槽和浸漬管應(yīng)處理3次以上，才能進行本處理；

-真空泵啟動后應(yīng)在4分鐘內(nèi)達到工作真空度，應(yīng)采用預(yù)抽真空方式；

-處理前要檢查設(shè)備、頂槍、各密封圈的冷卻、法蘭等不得有漏水；

-合金微調(diào)后繼續(xù)在最低壓力下處理5分鐘以上。

深脫碳處理模式

(1)深脫碳處理的目的

具有優(yōu)異深沖性能的高品質(zhì)冷軋薄鋼板是最主要的高附加值產(chǎn)品，而鋼中固溶碳量嚴(yán)重影響冷軋鋼板深沖性能。同樣，碳在高牌號無取向電工鋼中也是導(dǎo)致磁性能惡化的主要元素。因此，要求處理要在盡可能短的時間內(nèi)把W(C)降至很低范圍(30ppm以下)。

(2)深脫碳處理的操作要點

-確保最大的環(huán)流速度，即浸漬管及真空室狀況良好；

-不得使用含碳鋼包覆蓋劑；

-要求轉(zhuǎn)爐控制好出鋼溫度，盡量避免RH升溫造成處理時間過長：

-采取措施消除真空槽壁凝結(jié)的冷鋼，或處理超低碳鋼前3爐不處理中高碳鋼，而應(yīng)處理低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼 。2100433B

根據(jù)對鎂質(zhì)量的要求，可以采用不同的精煉方法。鎂的精煉方法主要有鎂熔劑精煉、鎂沉降精煉、鎂真空蒸餾精煉和鎂添加難熔金屬精煉等。前兩種方法主要是脫除粗鎂中的非金屬氧化物和鐵等雜質(zhì)。后兩種方法主要除去金屬雜質(zhì)，用于生產(chǎn)高純鎂。鎂精煉產(chǎn)出的精鎂通稱商品鎂 。

爐外精煉把傳統(tǒng)的煉鋼分成兩步，第一步叫初煉，在氧化性氣氛下進行爐料的熔化、脫磷、脫碳和主合金化；第二步叫精煉，在真空、惰性氣氛或可控氣氛下進行脫氧、脫硫、去除夾雜、夾雜物變性、微調(diào)成分、控制鋼水溫度等。20世紀(jì)60年代以來，各種爐外精煉方法相繼出現(xiàn)。全世界這一技術(shù)已經(jīng)得到了飛速發(fā)展。

爐外精煉在現(xiàn)代化的鋼鐵生產(chǎn)流程中已成為一個不可缺少的環(huán)節(jié)，尤其爐外精煉與連鑄相結(jié)合，是保證連鑄生產(chǎn)順行，擴大連鑄品種，提高鑄坯質(zhì)量的重要手段。

在煉鋼生產(chǎn)流程中，采用轉(zhuǎn)爐（或電爐）－爐外精煉－連鑄已成為鋼廠技術(shù)改造的普遍模式。

各種爐外精煉方法的工藝各不相同，其共同的特點是：有一個理想的精煉氣氛，如真空、惰性氣體或還原性氣體；采用電磁力、吹惰性氣體攪拌鋼水；為補償精煉過程中的鋼水溫度降損失，采用電弧、等離子、化學(xué)法等加熱方法。

與連鑄相匹配的鋼包精煉，在于提高鑄坯質(zhì)量和保證連鑄工藝的穩(wěn)定性。選擇合適的爐外精煉方法是連鑄鋼水準(zhǔn)備，提供合格質(zhì)量鋼水的重要手段，為此結(jié)合產(chǎn)品質(zhì)量要求選擇鋼包精煉設(shè)備應(yīng)滿足以下基本要求：

1.調(diào)節(jié)鋼水溫度，達到連鑄所要求的澆注溫度范圍；

2.提高鋼水清潔度，特別是減少鋼中大型夾雜物的含量；

3.降低鋼中氣體含量（如氫、氮含量

4.降低鋼中有害雜質(zhì)（如硫、磷）含量；

5.使鋼水中溫度和成分均勻化，并微調(diào)成分使成品鋼的化學(xué)成分范圍非常窄；

6.改變鋼中夾雜物的形態(tài)和組成，改善鋼水的流動性；

7.減輕煉鋼爐的冶煉負荷，縮短冶煉周期，提高生產(chǎn)率；

8.鋼包精煉爐成為煉鋼爐和連鑄機之間的一個“緩沖器”平衡兩者之間的生產(chǎn)節(jié)奏，有利于提高連鑄機的生產(chǎn)率。