钢中所含的氢气、氮气不仅会降低钢的机械性能，而且是形成裂纹、皮下气泡、中心疏松等缺陷的主要原因。因此，把钢中气体含量降低到最低限度是VD精炼的一项重要任务。100tVD装置是安阳钢铁集团有限责任公司(以下简称安钢)100t电炉一连铸工程的配套设施。VD设备的投入使用可以有效降低钢中氢、氮含量，提高钢水洁净度，有利于开发高附加值产品，进一步增强安钢钢材市场竞争力。本文主要结合热调试和试生产对100tVD脱氢、脱氮、去除夹杂等工艺实践和精炼效果进行分析和总结。

1主要设备及技术参数

　 100tVD主要设备有真空罐、真空罐盖、真空罐盖车、真空抽气管道、主真空截止阀、破真空供氮装置、真空加料装置、蒸汽喷射泵、搅拌装置、取样装置等，其主要技术参数如下。

平均处理钢水量	l00t
最小处理钢水量	70t
处理周期	25～55min
蒸汽喷射泵能力	320kg/h
工作真空度	66.7Pa
极限真空度	26.7Pa
抽气时间	5min
蒸汽压力	1.2MPa
蒸汽温度	195℃
蒸汽耗量	14.3t/h
真空罐盖车行程	16m
真空罐盖车行走速度	0～12m/min
吹氩流量	50～400L/min

2脱气工艺分析

2.1真空脱氢

　　从真空脱氢的热力学分析:

　　1/2H₂=[H] 　ω_[H]=K_H(P_H2)^1/2

　　式中，w_[H]为钢液中氢质量分数，%；K_H为氢在钢液中溶解的平衡常数;P_H2为气相中氢的分压力，MPa 。

　　在减压条件下降低P_H2可以进行脱氢反应，通过计算只要真空度达到66.7 Pa，真空处理后钢中w_[H]都可达到1×10^-6以下。

　　从真空脱氢的动力学分析:一般认为，在炼钢高温下，溶解在钢中的氢原子向钢液一气相界面迁移是真空脱氢速度的限制性环节，那么:

　　ln(ω_[H]t/ω_[H]o)=－(F/V_m)K_H·t

　　式中，w_[H]为t脱气时间后钢液中氢质量分数，%; w_[H]0为真空脱气前钢液中氢质量分数，0o;K_H为氢在钢液中传质系数，cm/min; t为真空脱气时间，min; F为气一液反应界面积，cm² ;V_m为钢液体积，cm³。

　　由上式可知:真空脱气时间长有利于降低钢中氢含量，提高脱氢率，这一点与试验结果一致，如表1。

表1　 66.7Pa高真空时间对脱氢率的影响

真空时间/min	炉数	脱氢率范围/%	平均脱氢率/%
≤10	3	51.8～60.3	55.3
11～15	4	53.8～69.0	61.9
16～25	5	60.6～78.6	71.3

　

　　在脱氢过程中增加钢液比表面积(F/V_m)即增大吹氩流量，充分搅拌能使钢液与真空接触的界面不断更新，提高脱氢率。这一点与试验结果一致，如表2。

表2 底吹氩流量对真空脱氢率的影响

底吹氩流量/（L·min-1）	炉数	脱氢率范围/%	平均脱氢率/%
＜200	3	50.5～63.8	55.8
200～300	6	56.1～77.0	66.9
＞300	5	61.2～78.5	71.6

　

　　真空脱氢还与渣量的大小有关，试验的还原渣量在500～2500 kg之间，而氢在高碱度渣中有很大的溶解度。渣量对真空脱氢率的影响如图1。

图1精炼渣量对真空脱氢率的影响

　　由图1可知，渣量增大真空脱氢率降低，因此，真空处理应尽量减少渣量。

2.2真空脱氮

　　从真空脱氮的热力学分析，同样可计算出在真空度为66.7 Pa时脱氮后钢液中氮含量完全达到要求，在热力学上是可行的。

　　从真空脱氮的动力学分析，最近文献认为脱氮的动力学方程式为:

　　－dω_[H]/dt=k(F/Vm)ω[H]²

　 1/ω_[H]t－1/ω_[H]0= k′(F/Vm)t

　 式中，w_[H]t为t脱气时间后氮的质量分数，%; w_[H]0为脱气前氮的质量分数，%;k为表现反应速度常数，㎝/(S·%);t为脱气时间，min。F为气一液反应界面积，㎝²;V_m为钢液体积，cm³。

　 由实验室研究可知:k′随着钢水中的氧浓度和硫浓度的增加而减少。界面活性元素对于脱氮化学反应速度常数的影响如下式:

　 k_c =3.15f_N2{1/1+300a_o+130a_s}

　 (k′=k_c)

　　式中，k为脱氮反应的化学反应速度常数，cm/ ( s·%);f_N为氮的活度系数;a₀为钢水中氧的活度，%;a_S为钢水中硫的活度，%。

　　可见要增大脱氮率应尽可能地降低真空处理时钢水中的[S]及[O]，而在脱氮操作后添加使氮活度降低的元素，即增大k′。

　　增大脱碳量、增大脱氢量(即增大反应界面F)可以降低钢中氮含量。

　　延长真空处理时间t也可降低钢中氮含量，提高脱氮率。其关系如图2。

　　提高真空处理时的搅拌氩气流量能增大钢液脱氮率。这一点与试验结果一致，如表3。

图2真空处理时间和硫活度对钢中氮含量的影响

表3 底吹氩流量对真空脱氮率的影响

吹氩流量/（L·min-1）	炉数	真空脱氮率范围/%	平均真空脱氮率/%
＜200	3	5.7～19.64	11.6
200～300	6	11.6～23.7	19.4
＞300	5	21.5～33.8	28.4

　

2.3脱氢、脱氮效果

　　在VD热调试中，对典型钢种采用HYDRIS浸人式定氢仪，对钢液脱气前后的氢含量进行测定，结果如表4。

表4　 VD热调试典型钢种脱氢前后的氢含量及脱氢率

钢种	炉次	VD前w([H])/10-6	VD后w([H])/10-6	脱氢率%
Q235B	1025156	7.3	2.9	60.1
	1025240	7.8	3.6	53.9
	1025370	7.1	2.8	60.6
Q345B	1025570	5.6	1.2	78.6
	1025571	6.3	1.4	77.0
A32	1026246	6.1	2.0	67.2
	1026247	6.4	2.1	67.2
	1026031	5.8	2.1	63.8
A36	1025734	5.5	1.7	69.0
	1025735	5.9	1.8	69.5
平　　　　　　 均		6.4	2.1	66.7

　　在VD热调试中，对典型钢种脱氮前后的氮含量进行测定，结果如表5。

3对脱氧、去除夹杂影响及效果

　　钢液在进入钢包前用铝强制脱氧，使钢液中溶解的氧急剧下降，一般可由700×10^-6下降到50×10^-6左右，但钢中总氧量下降并不多，氧仍以氧化物夹杂形式存在于钢中，经真空处理和底吹氩搅拌后钢液w(O)可达到(5～20) ×10^-6。在一定范围内吹氩搅拌强度越大脱氧速度越大;真空处理时间越长，钢水中发生的气泡成核越多，使悬浮在钢水中的微细氧化物夹杂充分聚集、析出上浮，从而使脱氧速度增大。VD热调试中典型炉次的脱氧效果如表6。

表6　 VD热调试典型钢种脱氧前后的氧含量

炉次	VD前w([O])/10-6	VD后w([O])/10-6
1025156	54.1	22.5
1025240	51.0	23.0
1025370	60.6	30.6
1025570	27.3	15.9
1025571	16.8	11.6
1026246	35.5	24.0
1026247	38.5	12.9
1025735	50.0	25.5

　

　　钢液在真空中长时间的搅拌，使钢中夹杂物有充分聚集、长大、上浮的机会，与LF精炼过程钢水试样中的非金属夹杂物相比，经VD处理后钢中非金属夹杂物的数量减少，尺寸变小，VD处理后钢水试样中非金属夹杂物绝大多数在10μrn以下，钢中非金属夹杂物向低熔点塑性夹杂物转变，明显提高了钢液的洁净度。

4结论

　　(1) VD平均真空脱氢率为66.7%，最高脱氢率达到78. 6%，真空处理后的平均w([H])为2.1×10^-6，最低w([H])达到1.2 × 10^-6。影响真空脱氢率的主要因素有真空处理时间、搅拌氩气流量、渣量。

　　(2) VD平均真空脱氮率为18.9%，最高脱氮率达到27.7%，真空处理后的平均w([N])为56.9×10^-6，最低w([N])达到42×10^-6。影响真空脱氮率的主要因素为钢水中[O]和[S]含量、脱碳量、脱氢量、真空处理时间、搅拌氩气流量。

　　(3) VD具有良好的脱氧和去除夹杂物的能力，VD处理前钢中平均w([O])为41.7×10^-6，VD处理后钢中平均w([O])降到20.7×10^-6;VD处理后钢中夹杂物总量，颗粒尺寸和夹杂形态都得到了明显的改善。其影响因素为搅拌氩气流量和真空处理时间。