22 炉外精炼的理论基础(真空).ppt

钢铁冶金研究所,第二章 炉外精炼的理论基础,2.2 真空,高压？,主要内容,简介 钢液的真空脱气 钢液脱气的热力学 钢液脱气的动力学 降低钢中的气体可采取的措施真空泵抽气能力的选定,真空是炉外精炼中广泛应用的一种手段。目前常用的四十余种炉外精炼方法中，将近有三分之二配有抽真空装置。随着真空技术的发展、抽空设备的完善和抽空能力的扩大，在炼钢中应用真空将愈来愈普通。,气体在钢液中的溶解和析出 用碳脱氧 脱碳反应 钢液或溶解在钢液中的碳与炉衬的作用 合金元素的挥发 金属夹杂及非金属夹杂的挥发去除 由于具备真空手段的各种炉外精炼方法，其工作压力均大于50Pa，所以炉外精炼所应用的真空只对脱气、碳脱氧、脱碳等反应产生较为明显的影响。,真空处理过程对以下反应产生影响：,对一切增容反应(增加容积的物理过程或化学反应都有有益的影响。这类过程很多，如：物质M气化 M凝聚态M气态 金属的汽化、蒸发，在真 空中物质的沸点降低氧化物MO被还原剂R还原 R+MO凝聚态M凝聚态+RO气态 金属氧化物还原成 固态或液体金属 R+MO凝聚态M气态+RO气态 金属氧化物还原成 气态金属,溶解了气体的金属放出气体 G金属G 熔融金属脱气 金属与气体生成的化合物分解放出气体 MGG十M 金属化合物热分解 真空对这些过程都有利，即加快了反应进行的速度或是降低反应进行的温度。,2.2.1 钢液的真空脱气,2.2.1.1 钢液脱气的热力学 氧、氢、氮是钢中主要的气体杂质，真空的一个重要目的就是去除这些气体。但是，氧是一较活泼的元素，它与氢不一样，通常不是以气体的形态被去除，而是依靠特殊的脱氧反应形成氧化物而被去除。氢和氮在各种状态的铁中都有一定的溶解度，溶解过程吸热(氮在Fe中的溶解例外)，故溶解度随温度的升高而增加。,气态的氢和氮在纯铁液或钢液中溶解时，气体分子先被吸附在气钢界面上，并分解成两个原子，然后这些原子被钢液吸收。因而其溶解过程可写成下列化学反应式：1/2H2=H lgKH=-1670/T-1.68 1/2N2=N lgKN=-564/T-1.095,在小于105Pa的压力范围内，氢和氮在铁液(或钢液)中的溶解度都符合平方根定律：,在固态的纯铁中，气体的溶解度除与温度有关外，还取决于铁的相结构。也就是说在不同的相结构中，气体溶解反应的热力学数据不同溶解度不同，溶解度随温度变化的速率不同。表1 不同状态下，气体在铁中溶解反应的热力学数据,可见，当铁液凝固时，在相同的温度下（1534），溶解度急剧地减小。且随温度的降低溶解度减小。原因：这是因为气体原子在铁中的溶解是形成间隙式固溶体。凝固后，固体铁中原子间的间距要比液态时紧密得多，造成了溶解度的急剧下降。Fe和Fe系体心立方，点阵常数为0.286nm Fe是面心立方，点阵常数较大，达到0.356nm 氮在Fe中的溶解度是例外，它随温度的降低而升高。这是因为此时有氮化物(Fe4N)的折出，所以增加了氮的溶解度，又因为该反应是放热的，所以随温度降低溶解度增大。,表2 不同温度下，气体在铁中的溶解度,如果在铁内除溶解有氢(或氮)之外，还溶解有其他元素，那么其他元素必然会影响气体的溶解。这种影响通常用气体的活度系数来描述：表3 j组元对氢或氮在铁中溶解的相互作用系数,各种元素对氮活度系数,304钢实验结果分析,304钢实验结果分析,316L钢实验结果分析,316钢实验结果分析,不同元素及不同含量对Fe-i二元系中氮溶解度的影响,氮气：在空气中约占79 炉气中氮的分压力：0.77 1050.79 105Pa氢气：空气中氢的分压力很小，5.3710-2Pa(5.3 10-7atm)左右，与此相平衡的钢中含氢量是0.02ppm。由此可见，决定钢中含氢量的不是大气中氢的分压，而应该是空气中的水蒸汽的分压和炼钢原材料的干燥程度。,空气中水蒸汽的分压随气温和季节而变化，在干燥的冬季可低达304Pa，而在潮湿的雨季可高达6080Pa，相差20倍。至于实际炉气中水蒸汽分压有多高，除取决于大气的湿度外，还受到燃料燃烧的产物，加入炉内的各种原材料、炉衬材料(特别是新炉体)中所含水份多少的影响。其中主要是原材料的干燥程度。实测表明，即使空气很干燥(pH2O=300400Pa)，由于石灰烘烤不好及废钢锈多，所测炉气中pH2O可高达4053Pa(0.04atm)。,可算出1600时，KH2O=1.2610-3。氧化性钢液：O%0.05，H=11.3ppm已脱氧钢液：O%=0.002，H=56.4ppm,炉气中的H2O可与钢液进行如下反应：,由此可见，钢液中氢的含量主要取决于炉气中水蒸汽的分压，并且已脱氧钢液比未脱氧钢液更容易吸收氢。如使用未经烘烤的铁合金或未经充分干燥的钢包、流钢砖等，对于氢的增加就成为不可避免的了。真空脱气时，因降低了气相分压，而使溶解在钢液中的气体排出。从热力学的角度，气相中氢或氮的分压为l00200Pa时，就能将气体含量降到很低水平。,1）脱气反应的步骤：溶解于钢液中的气体向气相的迁移过程，由以下步骤所组成：a通过对流或扩散(或两者的综合)，溶解在钢液中的气体原子迁移到钢液气相界面；b气体原子由溶解状态转变为表面吸附状态；c表面吸附的气体原子彼此相互作用，生成气体分子，d气体分子从钢液表面脱附；e气体分子扩散进入气相，并被真空泵抽出。,2.2.1.2 钢液脱气的动力学,在气相中，尤其是压力小于0.1MPa时，扩散速率非常快,限制环节：控制速率的环节只是气体原子穿过钢液扩散边界层时的扩散速率。,2)真空脱气的速率：,3)熔池沸腾时脱气的速率：在脱气的同时若有碳氧反应发生，则反应生成的一氧化碳气泡通过钢液排出，必然会在扩大气液界面和促进钢液搅动等方面影响脱气的进行。,由式可见，在熔池沸腾时，脱气速率与钢中气体含量的平方及脱碳速率成正比。,钢液脱气t时间后钢液中的气体浓度,钢液脱气前钢液中的气体浓度,脱气钢液的体积,反应界面积,传质系数,脱气时间,钢液中排出的气体量,平衡常数,气体的分子量,钢中气体含量,脱碳速率,4)吹氩搅拌时脱气的速率：氩气泡通过钢液时，溶解于钢中的气体会以气体分子的形式进入氩气气泡中。,可见，当钢液中有气体排出时，可促进钢液的脱气。,2.2.1.3 降低钢中的气体可采取的措施,1)使用干燥的原材料和耐火材料；2)降低与钢液接触的气相中气体的分压：一、降低气相的总压，即采用真空脱气，将钢液处于低压的环境中。也可采用各种减小钢液和炉渣所造成的静压力的措施。二、用稀释的办法来减小气泡中气体的分压力PG2，如吹氩、碳氧反应产生一氧化碳气体所形成的气泡中，PG2就极低。3)在脱气过程中增加钢液的比表面积：使钢液分散是增大比表面积的有效措施。真空脱气时使钢液流滴化，如倒包法、真空浇注、出钢真空脱气等。使钢液以一定的速度喷入真空室，如RH法、DH法等。采用搅动钢液的办法，使钢液与真空接触的界面不断更新也起到了扩大比表面积的作用使用吹氩搅拌或电磁搅拌的各种真空脱气的方法都是属于这种类型。,4)提高传质系数：各种搅拌钢液的方法都能不同程度地提高钢中气体的传质系数。5)适当地延长脱气时间：真空脱氢时，在开始的10min内脱氢速率相当显著，然后逐渐减慢。对于那些钢液与真空接触时间不长的脱气方法，如RH或DH法，适当地延长脱气时间可以提高脱气效果。6)利用生成的氮化物被去除以脱氮：氮在钢中的溶解度比氢大一个数量级，而氮在钢中的扩散系数却比氢小二个数量级，所以钢液的真空脱气中，去氮的效率比去氢效率低得多。但是氮可以与某些合金元素形成不溶解于钢的氮化物，依靠这些氮化物的被排除而脱除部分的氮。例如含钛钢种加钛铁后，会形成一些TiN，然后促使TiN从钢液中排出，这样可脱除14左右的氮。,精炼炉内的真空度主要是根据钢液脱氢的要求来确定。通常钢液产生白点时的H2ppm，而将氢脱至2ppm的氢分压是100Pa左右。若处理钢液时氢占放出气体的40%，折算成真空室内压力约为700Pa。但从真空碳脱氧的角度来说，高的真空度是有利的，因此一般精炼设备的极限真空度应达到20Pa左右的能力。,2.2.2 真空泵抽气能力的选定,控制真空程度的关键是选择合适的真空泵。真空泵的抽气能力指标：在规定时间内将系统的压力降低到规定的要求，所规定的真空度根据精炼工艺确定。真空泵有相对稳定且足够大的抽气能力，以保持规定的真空度。真空精炼系统所采用的真空泵一般是蒸汽喷射泵。,真空泵是用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装置。真空泵可以定义为：利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。极限压力(极限真空)从粗真空到10-12Pa以上的超高真空范围。,机械真空泵的分类,原理：工作蒸汽通过蒸汽喷嘴的加速后，以超音速进入真空泵内，并与被抽气体碰撞、混合，并将速度头传给被抽气体，在通过扩散器的时候转换为压力头。在扩散器喉部之前的混合气体是超音速的，在喉部入口处产生垂直压缩冲击波而被压缩成为亚音速流，在扩散器的渐扩部分继续被压缩，当压力大于排气口的反压强时便排出泵体，从而实现抽气功能。,蒸汽喷射泵的优点：在处理钢液的真空度下具有大的 抽气能力 适于抽出含尘气体 没有运动部件，操作安全可靠，维修方便,在短时间内(通常35min)将真空系统由常压抽空至精炼所要求的真空度(一般为3070Pa)，要求真空泵具有相当大的抽气能力，为此常使用多级水蒸汽喷射泵作为抽空装置。,带中间冷凝器的四级水蒸汽喷射泵,真空泵系统由两部分组成：启动真空泵 工作真空泵,启动真空泵 启动真空泵是在规定时间内将真空室内压力降低到所需值。因此，启动泵的抽气能力为：,（2-1）,耐火材料的放气量：耐火材料所吸附的气体 钢水中碳与耐火材料中的氧反应而生成的CO 在101.3kPa抽到24kPa的范围内，耐火材料的放气量是微不足道的，因此可以忽略，而式(21)可简化成：(22)从式(21)和(22)可以看出，该式考虑泵的抽气能力，只能是在t时间内将真空系统中的空气抽到P1所具备的能力，没有考虑到钢液的放气。所以这两个式子，只适用于确定启动泵的能力。,工作真空泵 工作泵工作时被抽去的气体：钢液反应生成的气体，如H、O、CO等 钢中碳与耐火材料反应产生的气体 向钢液吹入的惰性气体钢水在恒定工作压力下处理时，抽气能力：,（2-3）,各级泵的抽气能力应根据各种不同精炼方法的钢液放气规律和真空系统的体积来确定。但是由于计算的原始数据不足，特别是钢液在精炼时放气规律不易掌握，只能根据精炼工艺的要求，假定几个真空度和达到该真空度的时间进行计算确定。例如某厂60120t RH所配真空泵的确定是这样进行的。为适应RH精炼钢液内钢液的放气规律和满足精炼不同钢种的要求，设计了三个特定的操作真空度和达到该真空度所要求的时间。,第一个特定的真空度是24kPa，达到该真空度的时间是2min。之所以选定24kPa，是因为在该真空度下，钢包中的钢液在大气压的作用下，能沿RH的插入管上升一定的高度，在驱动气体的推动下钢液能经过真空室循环。抽空时间是兼顾到尽量缩短精炼时间又不使真空泵的抽气能力过大而确定的。此时泵的抽气能力S可由式（2-1）或（2-2）确定。,第二个特定的真空度是5.3kPa 选这样真空度的目的是为了适应精炼沸腾钢或末脱氧钢的需要。这类钢若立即处于高真空下，会因放气量过大而造成严重的喷溅，所以要求在不太高的真空下保持一定时间。在该真空度下。真空泵的抽气能力可用式（2-3）确定。,第三/四个特定真空度是0.4/0.07kPa 这是精炼的最终工作真空度，钢液在该真空度下保持一定时间，以最终完成真空精炼任务。表4 100t RH装置的抽气能力计算的实例,谢谢大家！,