真空感應爐冶煉高純鐵的工藝

彭 娟，姜周華，龔 偉，王 承，萬 萬，龐 昇

(東北大學冶金學院，沈陽110819 )

?

真空感應爐冶煉高純鐵的工藝

彭 娟，姜周華，龔 偉，王 承，萬 萬，龐 昇

(東北大學冶金學院，沈陽110819 )

在30 kg真空感應爐上進行脫氧、脫氮試驗，結果表明，通過控制冶煉的溫度及真空度來控制坩堝熱分解的供氧和碳脫氧反應速率，可將原料純鐵中的氧的質量分數降低到20×10-6以下.通過加強鋼液的C-O反應，降低鋼液中的氧含量，有利于鋼液的脫氮.通過對夾雜物的統計發現，隨著鋼中全氧含量的降低，殘留在鋼中的氧化物夾雜數量明顯減少，夾雜物尺寸明顯變小.

真空感應熔煉；坩堝供氧；脫氧；脫氮；夾雜物數量

當鐵中雜質元素的含量降到很低的水平時，即為高純鐵.高純鐵在4.2 K的低溫下無沿晶斷裂現象[1].高純鐵中的碳的質量分數在0.02%至2×10-6之間時，其屈服應力隨溫度的增加而降低，微量的碳含量能細化晶粒，提高高純鐵的力學性能[2].由于高純鐵具有良好的電磁性能與力學性能，其在國防、科研、工業生產以及人們的日常生活中均有著廣泛的應用，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].高純鐵性能優異，同時存在著巨大的潛在應用價值，因此高純鐵的研制越來越受到人們的關注.目前，金屬提純的方法很多，包括電解提純、區域提純、懸浮熔煉、冷坩堝熔煉、固態電遷移、真空熔煉.而工業上大多數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，需研究在真空感應爐中冶煉高純鐵，通過改善脫氧、脫氮反應的熱力學及動力學條件，使得冶煉終點的氧含量和氮含量降低到較低的水平.另外由于真空感應爐有電磁攪拌功能，有利于溫度及成分的均勻化[4].與其他提純方法相比較，利用真空感應爐冶煉高純鐵不僅成本更低，還可以擴大生產，提高產量[5].

1 實驗方案

實驗在30 kg真空感應爐上進行，使用氧化鎂坩堝，實驗用原料經過打磨除銹后進行真空熔煉，其原料的主要成分如表1所示.

表1 原料主要化學成分(質量分數)

本實驗選擇的脫氧劑為碳和鋁，通過真空感應冶煉，欲將高氧工業純鐵中的氧降低到20×10-6以下，氮降低到20×10-6以下.共設計了三組實驗，實驗加入的脫氧劑如表2所示.其中，1#實驗為先用鋁脫氧，將氧降低到200×10-6，再用碳脫氧；2#實驗為先用鋁脫氧，將氧降低到700×10-6，再用碳脫氧；3#實驗為只用碳進行真空脫氧.

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.

在實驗的過程中，控制碳脫氧的真空壓力在10～20 Pa，脫氣時，控制功率為50 kW，通過增大功率來促進脫氧反應的進行.

表2 脫氧劑加入量

2 實驗結果及討論

2.1 真空脫氧分析

脫氧后利用直讀光譜和TC-500氮氧測定儀進行成分檢測，結果如表3所示，可以看出，三組實驗都能將氧的質量分數降低到30×10-6以下，而1#和3#實驗的氧的質量分數更低，達到20×10-6以下，其中，3#實驗的脫氧效果最好，最終氧的質量分數達到16×10-6.

真空條件下，碳脫氧的反應式為[6]：

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

(1)

反應的平衡常數為：

(2)

平衡常數與溫度的關系：

(3)

表3 脫氧后鋼化學成分(質量分數)

真空碳氧反應會同時消耗鋼液中的碳和氧，使得碳含量和氧含量同時降低，因此，可以用鋼液中的碳氧積w[C]·w[O] 來表示鋼液中碳脫氧的反應程度.在T=1 873 K時，KC=493.9.當鋼液中的C、O含量很少時，fC=1、fO=1，則碳氧積的表達式為[6]：

(4)

溫度與CO分壓對碳氧積的綜合影響如圖1所示.本實驗冶煉溫度為 1 600 ℃，真空度在10～20 Pa，從圖中可以看出此時的碳氧積大約為2.4×10-7，當鋼液中w[C]為0.02%時，此時與之平衡的w[O]應該為1.2×10-5.

圖1 溫度與CO分壓對w[C]·w[O]的影響

MgO=Mg(g)+[O]

(5)

真空碳脫氧的過程中存在著鋼液中的[C]與[O]的反應：

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

(6)

因此，爐襯材料MgO與鋼液中[C]的反應方程為[8]：

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

(7)

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

(8)

式中，P為真空室的壓力，Pa.

此平衡常數與溫度的關系為：

(9)

不同溫度和真空度下反應(7)達到平衡時的碳的質量分數如圖2所示.當鋼液中溶解的碳含量較高時，坩堝會發生分解向鋼液中供氧.本實驗設定的三組實驗由于都加入了一定的碳進行脫氧，鋼液中的碳含量較高，且實驗在較高的真空度下進行，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，利用氧化鎂坩堝進行真空碳脫氧，在實驗過程中控制好真空度和冶煉終點的溫度，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(質量分數)

2.2 真空脫氮分析

真空條件下可以有效地去除鋼中的氮，當真空度為67 Pa時，鋼液的脫氮反應為一級反應，液相邊界層傳質是整個脫氮過程的限制性環節，脫氮的速率為[10]：

(10)

對式(10)積分后可得：

(11)

式中， [N]0、[N]分別為初始氮含量(質量分數)和脫氮后的氮含量(質量分數)；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，cm·s-1；t為脫氮時間，s.

當鋼液采用真空處理時，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].但實驗結果中，2#和3#氮含量降低到20×10-6以下，1#氮含量為42×10-6，都未達到理論值，主要原因是鋼液中氧、硫含量較高，真空處理時的脫氮速率受到限制，不利于脫氮.而1#實驗脫氮效果明顯不如2#和3#實驗脫氮效果的原因是1#實驗的碳氧反應不如2#和3#實驗劇烈，影響了脫氮反應進行.

2.3 夾雜物的尺寸和分布

經金相顯微分析，原料中夾雜物的平均直徑為 2.2 μm，經過脫氧后的試樣，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.而夾雜物的總數也大大減少了，3#實驗脫氧后鋼液的全氧含量最低，其夾雜物總數也最少，夾雜物面積占所觀察視場的面積的比例也最少，約為0.025%.同時，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#實驗鋼錠夾雜物中最大直徑和單位面積夾雜物個數統計結果，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數減少，且3#實驗的夾雜物的最大直徑最小，單位面積夾雜物個數最少，說明只用真空碳脫氧的效果最好.

表4 夾雜物統計結果

圖3 夾雜物中最大直徑和單位面積夾雜物個數統計結果

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夾雜物為Al2O3夾雜，少數夾雜物中除含Al2O3外還含有少量的MgO.鋼中含有的MgO是來自感應爐冶煉時的MgO坩堝的分解，這也說明真空感應冶煉時坩堝的分解也是供氧源之一.

3 結 論

(1)真空碳脫氧有很好的脫氧效果，在冶煉過程中控制好真空度和冶煉的溫度，減少氧化鎂坩堝的分解，能使鋼液中氧的質量分數降低到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，當鋼液中氧、硫含量較高時，真空處理時的脫氮速率受到限制，因此，加強鋼液中的C-O反應，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過程研究[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]鄧長輝, 桑海峰, 王福利, 等. 真空感應爐熔化期工藝優化控制[J]. 冶金工業自動化, 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. 超純凈工業純鐵生產工藝研究[D]. 武漢: 武漢科技大學, 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: 冶金工業出版社, 2002. (Huang Xihu. Ferrous metallurgy theory [M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2002.)

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

[8]高俊波. 真空感應熔煉過程爐襯供氧對鋼液深脫氧影響[D]. 武漢: 武漢科技大學, 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. 超低氧鋼熔煉過程中爐襯與鋼液的相互作用[J]. 武漢科技大學學報, 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. 鋼液真空脫氮動力學研究[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