真空感應(yīng)爐冶煉高純鐵的工藝

彭 娟，姜周華，龔 偉，王 承，萬(wàn) 萬(wàn)，龐 昇

(東北大學(xué)冶金學(xué)院，沈陽(yáng)110819 )

?

真空感應(yīng)爐冶煉高純鐵的工藝

彭 娟，姜周華，龔 偉，王 承，萬(wàn) 萬(wàn)，龐 昇

(東北大學(xué)冶金學(xué)院，沈陽(yáng)110819 )

在30 kg真空感應(yīng)爐上進(jìn)行脫氧、脫氮試驗(yàn)，結(jié)果表明，通過(guò)控制冶煉的溫度及真空度來(lái)控制坩堝熱分解的供氧和碳脫氧反應(yīng)速率，可將原料純鐵中的氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到20×10-6以下.通過(guò)加強(qiáng)鋼液的C-O反應(yīng)，降低鋼液中的氧含量，有利于鋼液的脫氮.通過(guò)對(duì)夾雜物的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，隨著鋼中全氧含量的降低，殘留在鋼中的氧化物夾雜數(shù)量明顯減少，夾雜物尺寸明顯變小.

真空感應(yīng)熔煉；坩堝供氧；脫氧；脫氮；夾雜物數(shù)量

當(dāng)鐵中雜質(zhì)元素的含量降到很低的水平時(shí)，即為高純鐵.高純鐵在4.2 K的低溫下無(wú)沿晶斷裂現(xiàn)象[1].高純鐵中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.02%至2×10-6之間時(shí)，其屈服應(yīng)力隨溫度的增加而降低，微量的碳含量能細(xì)化晶粒，提高高純鐵的力學(xué)性能[2].由于高純鐵具有良好的電磁性能與力學(xué)性能，其在國(guó)防、科研、工業(yè)生產(chǎn)以及人們的日常生活中均有著廣泛的應(yīng)用，可作為電磁材料、包裝材料、電磁屏蔽材料以及冶煉高溫合金、耐熱合金、精密合金等的原料等等[3].高純鐵性能優(yōu)異，同時(shí)存在著巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，因此高純鐵的研制越來(lái)越受到人們的關(guān)注.目前，金屬提純的方法很多，包括電解提純、區(qū)域提純、懸浮熔煉、冷坩堝熔煉、固態(tài)電遷移、真空熔煉.而工業(yè)上大多數(shù)使用電解法制備高純鐵，但由于原料中的氧、氮含量特別高，因此，需研究在真空感應(yīng)爐中冶煉高純鐵，通過(guò)改善脫氧、脫氮反應(yīng)的熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)條件，使得冶煉終點(diǎn)的氧含量和氮含量降低到較低的水平.另外由于真空感應(yīng)爐有電磁攪拌功能，有利于溫度及成分的均勻化[4].與其他提純方法相比較，利用真空感應(yīng)爐冶煉高純鐵不僅成本更低，還可以擴(kuò)大生產(chǎn)，提高產(chǎn)量[5].

1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)在30 kg真空感應(yīng)爐上進(jìn)行，使用氧化鎂坩堝，實(shí)驗(yàn)用原料經(jīng)過(guò)打磨除銹后進(jìn)行真空熔煉，其原料的主要成分如表1所示.

表1 原料主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

本實(shí)驗(yàn)選擇的脫氧劑為碳和鋁，通過(guò)真空感應(yīng)冶煉，欲將高氧工業(yè)純鐵中的氧降低到20×10-6以下，氮降低到20×10-6以下.共設(shè)計(jì)了三組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)加入的脫氧劑如表2所示.其中，1#實(shí)驗(yàn)為先用鋁脫氧，將氧降低到200×10-6，再用碳脫氧；2#實(shí)驗(yàn)為先用鋁脫氧，將氧降低到700×10-6，再用碳脫氧；3#實(shí)驗(yàn)為只用碳進(jìn)行真空脫氧.

冶煉工藝為：裝料—抽真空—加熱—爐料熔清—加脫氧劑—抽真空—鋼液平靜后澆注.

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，控制碳脫氧的真空壓力在10～20 Pa，脫氣時(shí)，控制功率為50 kW，通過(guò)增大功率來(lái)促進(jìn)脫氧反應(yīng)的進(jìn)行.

表2 脫氧劑加入量

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 真空脫氧分析

脫氧后利用直讀光譜和TC-500氮氧測(cè)定儀進(jìn)行成分檢測(cè)，結(jié)果如表3所示，可以看出，三組實(shí)驗(yàn)都能將氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到30×10-6以下，而1#和3#實(shí)驗(yàn)的氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)更低，達(dá)到20×10-6以下，其中，3#實(shí)驗(yàn)的脫氧效果最好，最終氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到16×10-6.

真空條件下，碳脫氧的反應(yīng)式為[6]：

[C]+[O]=CO(g)

(1)

反應(yīng)的平衡常數(shù)為：

(2)

平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系：

(3)

表3 脫氧后鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

真空碳氧反應(yīng)會(huì)同時(shí)消耗鋼液中的碳和氧，使得碳含量和氧含量同時(shí)降低，因此，可以用鋼液中的碳氧積w[C]·w[O] 來(lái)表示鋼液中碳脫氧的反應(yīng)程度.在T=1 873 K時(shí)，KC=493.9.當(dāng)鋼液中的C、O含量很少時(shí)，fC=1、fO=1，則碳氧積的表達(dá)式為[6]：

(4)

溫度與CO分壓對(duì)碳氧積的綜合影響如圖1所示.本實(shí)驗(yàn)冶煉溫度為 1 600 ℃，真空度在10～20 Pa，從圖中可以看出此時(shí)的碳氧積大約為2.4×10-7，當(dāng)鋼液中w[C]為0.02%時(shí)，此時(shí)與之平衡的w[O]應(yīng)該為1.2×10-5.

圖1 溫度與CO分壓對(duì)w[C]·w[O]的影響

MgO=Mg(g)+[O]

(5)

真空碳脫氧的過(guò)程中存在著鋼液中的[C]與[O]的反應(yīng)：

[C]+[O]=CO(g)

(6)

因此，爐襯材料MgO與鋼液中[C]的反應(yīng)方程為[8]：

MgO+[C]=Mg(g)+CO(g)

(7)

從式(7)可以看出，系統(tǒng)中CO氣體的分壓與鎂蒸氣的分壓相等，即PCO=PMg. 因此，PMg等于系統(tǒng)壓力的1/2，因此反應(yīng)的平衡常數(shù)為：

(8)

式中，P為真空室的壓力，Pa.

此平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系為：

(9)

不同溫度和真空度下反應(yīng)(7)達(dá)到平衡時(shí)的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖2所示.當(dāng)鋼液中溶解的碳含量較高時(shí)，坩堝會(huì)發(fā)生分解向鋼液中供氧.本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的三組實(shí)驗(yàn)由于都加入了一定的碳進(jìn)行脫氧，鋼液中的碳含量較高，且實(shí)驗(yàn)在較高的真空度下進(jìn)行，坩堝向熔池有一定程度供氧，因此，脫氧鋼中的氧含量高于理論值(平衡值).

可見(jiàn)，利用氧化鎂坩堝進(jìn)行真空碳脫氧，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制好真空度和冶煉終點(diǎn)的溫度，能將原料中的氧含量降低到很低的水平.

圖2 不同溫度和真空度下坩堝分解所需的碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2.2 真空脫氮分析

真空條件下可以有效地去除鋼中的氮，當(dāng)真空度為67 Pa時(shí)，鋼液的脫氮反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，液相邊界層傳質(zhì)是整個(gè)脫氮過(guò)程的限制性環(huán)節(jié)，脫氮的速率為[10]：

(10)

對(duì)式(10)積分后可得：

(11)

式中， [N]0、[N]分別為初始氮含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和脫氮后的氮含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；V為鋼液的體積，cm3；A為鋼液的表面積，cm2；k為脫氮速率常數(shù)，cm·s-1；t為脫氮時(shí)間，s.

當(dāng)鋼液采用真空處理時(shí)，在真空度為67 Pa，1 600 ℃ 的條件下，鋼液中氮的平衡值為10×10-6[10].但實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，2#和3#氮含量降低到20×10-6以下，1#氮含量為42×10-6，都未達(dá)到理論值，主要原因是鋼液中氧、硫含量較高，真空處理時(shí)的脫氮速率受到限制，不利于脫氮.而1#實(shí)驗(yàn)脫氮效果明顯不如2#和3#實(shí)驗(yàn)脫氮效果的原因是1#實(shí)驗(yàn)的碳氧反應(yīng)不如2#和3#實(shí)驗(yàn)劇烈，影響了脫氮反應(yīng)進(jìn)行.

2.3 夾雜物的尺寸和分布

經(jīng)金相顯微分析，原料中夾雜物的平均直徑為 2.2 μm，經(jīng)過(guò)脫氧后的試樣，其夾雜物的平均直徑明顯減小，分別為 1.4 μm，1.4 μm 和 1.1 μm.而夾雜物的總數(shù)也大大減少了，3#實(shí)驗(yàn)脫氧后鋼液的全氧含量最低，其夾雜物總數(shù)也最少，夾雜物面積占所觀察視場(chǎng)的面積的比例也最少，約為0.025%.同時(shí)，可以看到，原料中夾雜物尺寸主要分布在1～5 μm 之間，約占90.7%，脫氧后的夾雜物尺寸明顯減小，主要集中在0～1.5 μm 之間，而3#只用碳脫氧的夾雜物尺寸在0～1.5 μm 間的約占87.1%.表4表明，隨著鋼液中全氧含量的降低，鋼樣中夾雜物的數(shù)量減少，夾雜物的平均直徑減小，夾雜物的尺寸明顯減小.

圖3為原料及1#、2#、3#實(shí)驗(yàn)鋼錠夾雜物中最大直徑和單位面積夾雜物個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從圖中可以看出脫氧后夾雜物的最大直徑減小和單位面積夾雜物個(gè)數(shù)減少，且3#實(shí)驗(yàn)的夾雜物的最大直徑最小，單位面積夾雜物個(gè)數(shù)最少，說(shuō)明只用真空碳脫氧的效果最好.

表4 夾雜物統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖3 夾雜物中最大直徑和單位面積夾雜物個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖4 夾雜物形貌及成分

2.4 夾雜物的形貌和成分變化

通過(guò)掃描電鏡(SEM)觀察鋼中的夾雜物，部分夾雜物形貌、能譜如圖4所示.(a)圖夾雜物以Al2O3為主，還有少量的MgO，(b)圖夾雜物全為Al2O3.脫氧后的鋼中大多數(shù)夾雜物為Al2O3夾雜，少數(shù)夾雜物中除含Al2O3外還含有少量的MgO.鋼中含有的MgO是來(lái)自感應(yīng)爐冶煉時(shí)的MgO坩堝的分解，這也說(shuō)明真空感應(yīng)冶煉時(shí)坩堝的分解也是供氧源之一.

3 結(jié) 論

(1)真空碳脫氧有很好的脫氧效果，在冶煉過(guò)程中控制好真空度和冶煉的溫度，減少氧化鎂坩堝的分解，能使鋼液中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到20×10-6以下.

(2)脫氮速率與鋼液中的氧、硫等表面活性元素的含量有關(guān)，當(dāng)鋼液中氧、硫含量較高時(shí)，真空處理時(shí)的脫氮速率受到限制，因此，加強(qiáng)鋼液中的C-O反應(yīng)，降低鋼液中的氧、硫等活性元素的含量，提高真空度，有利于鋼液的脫氮.

(3)降低鋼中的全氧含量，可以明顯減少鋼中夾雜物的數(shù)量，減小夾雜物的尺寸.

[1]Kimura H. Low tempreture mechanical properties of high purity iron and effects of small amounts of solute on them[J]. Transaction of the Japan institute of metals, 1985, 26(8): 527-541.

[2]Abriko K. Why do we study ultra-high purity base metals[J].Meterial transactions, 2000, 41(1): 233-237.

[3]劉瓊. 電解法制備高純鐵及其電化學(xué)過(guò)程研究[D]. 北京: 北京有色金屬研究總院, 2013. (Liu Qiong. Study on the process of electro - refining of high purity iron and the electrochemical mechanism [D].Beijing: General Research Institute for Nonferrous Metals, 2013.)

[4]鄧長(zhǎng)輝, 桑海峰, 王福利, 等. 真空感應(yīng)爐熔化期工藝優(yōu)化控制[J]. 冶金工業(yè)自動(dòng)化, 2005(1): 28-31. (Deng Changhui, Sang Haifeng, Wang Fuli,etal. Option control of melting stage process in vacuum induction melting furnace [J]. Metallurgical Industry Automation, 2005(1): 28-31.)

[5]齊江華. 超純凈工業(yè)純鐵生產(chǎn)工藝研究[D]. 武漢: 武漢科技大學(xué), 2006. (Qi Jianghua. Research on producing ultraclean industrial pure iron [D]. Wuhan: Wuhan University of Science and Technology, 2006.)

[6]黃希祜. 鋼鐵冶金原理[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2002. (Huang Xihu. Ferrous metallurgy theory [M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2002.)

[7]曲英. 煉鋼學(xué)原理[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1980. (Qu Ying. Principles of steelmaking [M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1980.)

[8]高俊波. 真空感應(yīng)熔煉過(guò)程爐襯供氧對(duì)鋼液深脫氧影響[D]. 武漢: 武漢科技大學(xué), 2006. (Gao Junbo. Influence of oxygen contamination from crucible material on deep deoxidation of molten steel during vacuum induction melting [D] . Wuhan: Wuhan University of Science and Technology, 2006.)

[9]薛正良, 齊江華, 高俊波. 超低氧鋼熔煉過(guò)程中爐襯與鋼液的相互作用[J]. 武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 28(2): 119-121. (Xue Zhengliang, Qi Jianghua, Gao Junbo. Interaction between molten steel and lining material in refining of extra-low oxygen steel [J] .Journal of Wuhan University of Science and Technology, 2005, 28(2): 119-121.)

[10]傅杰, 唱鶴鳴, 迪林, 等. 鋼液真空脫氮?jiǎng)恿W(xué)研究[J]. 鋼鐵, 2000, 35(10): 24-26,47. (Fu Jie, Chang Heming, Di Lin,etal. Study on kinetics of nitrogen removal from liquid steel under vacuum [J] . Iron and Steel, 2000, 35(10): 24-26, 47.)

Metallurgical technology of highly pure iron with VIM process

Peng Juan, Jiang Zhouhua, Gong Wei, Wang Cheng, Wan Wan, Pang Sheng

(School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Deoxidation and denitrification were conducted in a 30 kg vacuum induction furnace. Results showed that oxygen in the smelted raw material (pure iron) can be decreased to below 20×10-6through controlling the smelting temperature and the vacuum degree, so that the rates of oxygen feed and deoxidizing reaction can be controlled. It is beneficial for the hot metal to the deoxidized through enhancing C-O reaction and decreasing the oxygen content. The statistics of inclusions show that the amount of oxide inclusions residual in the molten steel and the size of inclusions decrease with decrease of total oxygen content.

vacuum induction smelting; oxygen contamination from crucible; deoxidation; denitrification; number of inclusions

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.03.007

TF 133

A

1671-6620(2016)03-0195-05