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精炼（LF/VD）工艺优化及开发VD炉脱碳工艺研究

伴随中国能源和基础设施建设发展，要求高强度低合金钢板含有较高屈服强度、良好焊接性、高断裂韧性和低韧脆转变温度、良好冷成型性等。而低碳贝氏体钢因为含有高强度、高韧性、焊接性能优良、低成本特点，故在欧美发达国家广泛应用于油气管线、工程机械、重型汽车、集装箱、造船、桥梁、压力容器等很多领域。
我厂开发出VD真空氧脱碳等新工艺，不仅提升了宽厚板厂综合技术水平，还确保了WH70、X70、WDB620、X60等低碳高强度贝氏体钢成功开发，扩大了高技术含量、高附加值产品范围，增强了企业在市场上竞争力和影响力。
本文就VD真空氧脱碳工艺进行了分析研究。
1　真空氧脱碳冶金原理
真空氧脱碳原理和真空碳脱氧原理是一致。换句话说，真空氧脱碳是依据真空碳脱氧原理反推出来一个新脱碳工艺，它们区分只在于冶金侧关键不一样而已。它服从以下冶金热力学规律：
[C]+[O]=CO↑
依据冶金学原理，真空下[O]和[C]反应能力随真空度提升而提升，所以真空过程伴随CO分压降低，钢中富氧和C反应被重新激活，从而达成降C目标。以脱氧元素0.1%质量分数为例，当PCO=10132.5Pa时，C/O反应能力超出Si-O反应能力；当PCO=133.32Pa时，[C]和[O]亲和力又大于[Al]和[O]结协力。另外，因为转炉熔炼时采取强化供氧方法冶炼，氧化末期钢水中总氧含量通常大于10-3。所以利用宽厚板厂现有VD真空设备，在钢水未经硅、铝等脱氧还原情况下，进行真空氧脱碳能够使钢中成品w([C])降到0.05%以下。
2　真空脱碳工艺
2.1　转炉冶炼工艺
显然，在转炉冶炼过程中，增加钢液中氧含量，对确保VD炉真空氧脱碳冶炼效果是有利。同时，为了提升冶炼速度，扩大生产规模，对转炉冶炼操作提出以下要求：
(1)降低炉料配碳量，生铁配入量以20t为宜，同时，须降低炉料中易氧化元素，如锰钢、渣钢等不许可加入，返回废钢不宜配入过多；
(2)提升钢液温度，以增大钢液中氧溶解度；
(3)加大供氧强度，增加供氧量，确保氧压在10kg以上；
(4)出钢大包温度大于1600℃，出钢w([C])<0.08%。严禁加入任何脱氧剂及渣料。
2.2　VD真空氧脱碳工艺
依据实践经验，把从开抽到破坏真空时间限定为10～12min，真空度须达成200Pa～250Pa，开抽温度要控制在1590℃～1640℃，真空过程温降为(2.2±0.2)℃/min，氩气流量控制在200Nm3/h左右。经此处理后，钢水w([C])低于0.01%，从而为确保成品w([C])≤0.05%打下了基础。
在抽真空操作中，进泵速度要均匀平衡，预防钢水猛烈沸腾引发溢渣，真空度达成26.7kPa左右和4kPa左右时，出现两次真空度上升缓慢或停滞现象，说明此时C-O反应猛烈，产生CO较多。
2.3　LF2VD后期精炼工艺
2.3.1　LF精炼要求
能否在50～60min内完成所精炼钢种对LF过程所要求全部冶金任务，对顺利实现连浇起着决定性作用。而20min内完成变渣，40min内完成脱硫则更是精炼操作重中之重。所以，为加紧生产节奏，我们对精炼工艺作了以下改善：
2.3.1.1　对原辅材料要求
真空残氧脱碳后，钢液中仍含有大量氧，需要进行充足沉淀脱氧和扩散脱氧。但为降低钢液进碳量，在进行脱氧操作时，应注意选择使用适宜脱氧剂，如：铝线、铝粉等。对于硅铁粉，要求其w(C)必需小于0.15%，且应合适降低其使用量。对于碳含量高扩散脱氧剂(如：电石)则严禁使用。
2.3.1.2　钢水快速脱氧
真空后喂入铝线700～850m/炉、Ca-Si块100～150kg/炉。经过强制性强脱氧剂沉淀脱氧，钢水中[O]T含量实际上已降至比较低水平，基础上不需再补铝线已可确保成品w([Al]T)≥0.030%，并为快速脱硫发明了条件。
2.3.1.3　合金化
依据出钢量，提前计算所需合金用量，并准备到位。除Ti等易氧化元素外，其它合金在真空后于精炼位一次性加入。精炼样渣变白，即以上元素被充足还原后，再微调至内控中限，以降低LF控制成份所需时间。
2.3.1.4　造渣、变渣
自然氧脱碳后，炉渣中(FeO)、(MnO)等含量很高，变渣十分困难，渣碱度和流动性不易控制。
从生产组织需要出发，须在15～20min内将炉渣变白。所以我们按以下方法造渣：石灰加入量1200～1500kg/炉，m(CaO)∶m(CaF2)=10∶3，用强扩散脱氧剂变渣。扩散脱氧剂有：金属铝粉200kg/炉、Fe2Si粉50～100kg/炉、Ca/Si块100kg，并加强吹氩搅拌，加紧扩散传质，确保了15～20min内造出理想白渣，这既为脱硫发明了条件，又使得渣中MnO等被还原，便于正确控制钢水成份。
2.3.1.5　快速脱硫
在完成脱氧、变渣操作以后，为脱硫发明了极好条件，再依据样结果报回后，微调Mn、
Ni、Mo、Nb等进入内控中下限。强吹氩搅拌(约150Nm3/h)5min，即总精炼约40min，钢中w([S])≤0.010%，精炼结束之前强吹氩3min，使钢中w([S])≤0.007%。
2.3.1.6　精炼过程碳含量控制
真空氧脱碳后，钢中w([C])≤0.01%，为确保精炼过程尽可能不增碳，也必需采取部分方法。
(1)送电前在电极处加入部分渣料，所以时钢液面上渣子比较少，电极轻易和钢水接触；
(2)使用合理配电制度，电功率大小影响电弧长短，影响电极和钢液接触；
(3)随时观察钢液面上有没有电极头，在冶炼前尽可能避免电极带头精炼。
2.3.2　对VD二次真空处理要求第1次真空处理完成真空氧脱碳，确保钢中碳质量分数较低(≤0.01%)。精炼完成后对钢液进行第2次真空处理，确保钢中N、H、夹杂物等深入降低，以提升钢水纯净度。真空工艺要求：真空度67Pa保持时间大于15min。在真空处理前喂入Ca-Si线300～400m，以球化夹杂物。
3　真空氧脱碳工艺应用
多年来陆续开发了WH70、X70、WDB620、X60等低碳高强度贝氏体钢，累计500余炉，成品钢中平均w(C)为0.04%、平均w(S)为0.003%、w(H)在2×10-6左右、w(O)≤20×10-6、w(N)≤100×10-6。成品钢中w(C)≤0.05%炉次达成86.67%，部分炉次w(C)超出0.06%，关键是因出钢温度低造成精炼时间长造成电极进碳，和少数原、辅材料碳高，由此说明真空氧脱碳工艺已能够适应冶炼高技术含量、高附加值产品需要。
4　存在问题
即使现在已经处理了低碳高强度贝氏体钢冶炼问题，不过其双真空生产工艺影响了生产组
织及生产效率。采取真空氧脱碳工艺冶炼钢种连浇率很低，只能连浇3炉(VOD投产后，这一矛盾即可得四处理，连浇炉数能够提升到6～8炉)，限制了电炉产量。原因是冶炼时间比较长，每炉钢从电炉出钢到上连铸基础全部在3h左右。
所以要加强真空氧脱碳工艺研究，如：初炼炉钢中C和O控制在什么水平，既能使氧脱碳后钢中C和O能够最低，又能后期精炼可快速脱氧，降低精炼时间。对于钢中增碳问题，需合理控制出钢温度，降低因出钢温度低造成精炼时间长造成电极进碳；加强原辅材料管理，降低原、辅材料进碳，提升[C]合格率。
5　结　论
(1)研究开发了真空氧脱碳工艺，丰富了炼钢手段；
(2)真空氧脱碳工艺能够满足冶炼w([C])≤0.05%、w([S])≤0.005%高强度、高技术含量、高附加值钢种需要；
(3)需要深入加强真空氧脱碳工艺研究，降低精炼时间，提升连铸连浇炉数。
0　序言
宽厚板厂现有120t转炉两台，120tLF精
炼炉三台，VD炉一台，RH炉一台，形成了转炉冶炼→LF精炼→VD处理→CC这一含有国际优异水平生产线。VD炉关键起净化钢液和脱C冶金效果，在提升最终产品———钢板冶金质量，冶炼低C钢方面发挥着关键作用。
1　VD处理对提升钢板冶金质量作用
1.1　基础原理
依据西维茨定律，一定温度下，气体在钢液内溶解度和液相面上气压平方根成正比。一定真空度下，氢、氧、氮在钢液中溶解度全部有不一样程度降低；经过底吹Ar强烈搅拌作用和Ar气泡真空室作用，促进气体从钢液中溢出、夹杂物上浮进入渣中、脱氧、脱硫反应继续进行、钢液成份、温度达成均匀化。
1.2　脱气
钢中气体对钢板质量危害极大，是造成钢板探伤不合关键原因，尤其是氢，当造成“白点”缺点时必需报废，降低钢中气体含量是提升钢板冶金质量和探伤合格率必需路径。实际生产中，控制合适Ar气流量，真空度最低到30Pa，时间达成20～25min，气体含量基础稳定在2×10-6左右、全[O]<20×10-6、[N]<100×10-6。脱氢率能够达成40%左右，脱氮率能够达成10%～15%，继续延长真空时间，气体含量虽能够继续降低，但脱除速度显著减慢，综合考虑多种原因，抽真空时间不宜过长。表1
是真空处理前后钢液[H]含量情况，图1、图2分别
是真空处理钢板[O]、[N]含量情况。1.3　去夹杂
真空处理含有显著去夹杂作用，依据LF精炼
过程脱氧程度，喂入AL线和Ca-Si线，调整钢液面
上渣子成份，真空处理后钢中夹杂含量较少，夹杂
物形态也得到了控制，图3为真空处理后，钢中夹杂
物评级情况，(共26炉，在钢板上取样，根据
GB10561-89进行检验、评级)。由图3能够看出，
夹杂物评级绝大部分在1级以下，A、B类夹杂较少，
C、D类夹杂多在0.5～1.0级。
图3　夹杂物评级示意图
1.4　脱硫
真空脱硫原理以下[2]
：
　　[S]+[C]+CaO[S]=CaS[S]+CO
　　[S]+[Si]=SiS[g]
真空处理前，控制适宜渣况，真空过程含有很强脱S作用，脱S率能够达成50%以上。真空处理后，能够确保钢中[S]小于0.010%，最低能够达成0.003%。图4为真空处理后钢中[S]分布情况。
图4　[S]含量分布示意图
1.5　真空处理和钢板探伤合格率钢板探伤合格率受钢种、真空处理、成材方法、压缩比等多方面原因影响，VD炉投用前，经过扩氢退火处理来确保钢板探伤质量，从舞钢几年来生产实践看，用真空处理替换扩氢处理，钢板探伤合格率能够提升约15%。
1.6　真空处理和钢板机械性能
经真空处理钢板机械性能普遍优于未经真空处理钢板，韧性、塑性指标大幅提升，从舞钢几年来生产实践看，相同轧制条件下，真空处理延伸率平均提升5%，-20℃低温冲击平均提升近50J。D级、E级钢真空处理后，性能合格率大幅提升。
2　真空自然氧脱碳2.1　基础原理
真空自然氧脱碳是依据真空碳脱氧原理反推出来一个新脱碳工艺，它服从以下热力学规律：
　　[C]+[O]=CO
真空下[O]和[C]反应能力随真空度提升而升高，从理论上分析，当真空度达成1Torr以下时，[C]和[O]亲和力大于[Al]和[O]亲和力[3]。电炉冶炼氧化期强化供氧，出钢后钢中总[O]含量在1000×10-6以上，加上吹Ar作用，真空条件下，实现氧脱碳是完全可能。同时真空氧脱碳产物是CO气体，不会污染钢液，且含有一定去处气体和粘附夹杂作用。
2.2　真空自然氧脱碳操作
2.2.1　电炉冶炼
显然，氧化期强化吹氧，增加钢中氧含量，对确保真空自然氧脱碳冶炼效果是有利，同时，为了提升冶炼速度，初炼炉操作做了以下调整：1)降低炉料配碳量，降低生铁配入量，同时，降低炉料中易氧化元素。
2)氧化期加大供氧量，确保氧压大于1.0MPa。
3)[C]<0.08%许可出钢；提升出钢温度，确保出钢后大包测温在1600℃以上，用以增大氧在钢液中溶解度；出钢不加任何脱氧剂和渣料。
2.3　VD操作
2.4　LF精炼操作
真空后钢中仍含有很高氧含量，要适应钢种质量及现场生产节奏要求，对精炼操作来说，快速变渣、快速脱氧、快速脱硫至关关键，对精炼工艺进行了以下调整后，基础上实现了在60min内完成精炼任务目标。
2.4.1　对原、辅材料严格要求
VD处理后，钢中[C]降到了较低水平，但[O]含量仍然很高，脱氧剂用量较大，避免精炼过程因多种原、辅材料及合金令钢液大量增碳很关键，实际操作时，经过挑选使用碳含量低原、辅材料，确保了熔炼分析[C]≤0.06%。
2.4.2　快速脱氧
真空后喂AL线约300kg/炉、加Fe-Si块100～
200kg/炉、Ca-Si块100～150kg/炉，经过强脱氧剂
强制沉淀脱氧，钢中全[O]很快降至比较低水平，
同时，也为脱S发明了良好条件。
2.4.3　造渣、变渣
真空后，炉渣中(FeO)、(MnO)含量很高，炉渣碱
度及流动性不易控制，变渣十分困难，而要适应生产
组织需要，需在15～20min内将炉渣变白，所以我
们采取了以下方法：石灰加入量1.8～2.0t/炉，用强
扩散脱氧剂AL粉、Fe-Si粉、Ca-Si块变渣，加强
吹Ar搅拌，加紧扩散传质，确保在15～20min内造
出了理想白渣，为脱S发明了条件，同时，渣中
(MnO)等被还原，方便了正确控制钢水成份。
2.4.4　快速脱硫
完成脱氧、变渣以后，也为脱S发明了极好条
件，强吹Ar搅拌，总精炼时间约40min，钢中[S]可达
到0.010%以下，到精炼结束，钢中[S]可达成
0.004%。
2.4.5　合金化
依据出钢量及目标成份要求，提前计算所需合
金总量并准备到位。除Ti、B等易氧化元素外，其它
合金真空结束后在精炼位一次性加入，进行合金粗
调，渣变白后，视过程成份分析情况再微调至内控中限，Ti、B等易氧化元素在精炼后期进行调整。
2.4.6　温度控制
EAF大包温度，连铸第一包1580℃～1620℃，第
二包1580℃～1620℃，第三包以后温度稍高一点即
可。真空后温度控制在1550℃～1580℃。
2.5　真空自然氧脱碳工艺应用
完成工艺试验，～陆续开发
了WH70、X70、WDB620、X60等低碳高强度钢，累计
200余炉，熔炼分析[C]平均为0.04%、[S]平均为0.
005%、[O]小于20×10-6
。[C]≤0.05%炉次
达成86.67%，部分炉次[C]含量超出0.06%，关键
受出钢温度低造成精炼时间长造成电极进碳及少数
原、辅材料碳高所至，由此说明真空自然氧脱碳工艺
已能够适应冶炼高技术含量、高附加值产品需要。
3　结论
1)经过真空处理，钢板纯净度大为提升，钢中
[H]在2×10-6
左右、[O]≤20×10-6
、[N]≤100×
10-6
，提升钢板探伤合格率15%以上，钢板韧性、塑
性指标得到改善。
2)真空自然氧脱碳工艺能够适应冶炼[C]≤
0.05%、[S]≤0.005%高强度、高技术含量、高附
加值钢种需要。真空精炼是现在钢铁生产中缩普遍采取精炼手段，已称为高质量钢生产工艺路线上不可或缺一部分。在含有真空处理功效精炼设备中，真空脱气（VD）和真空循环（RH）装置利用最为广泛。RH关键冶金功效是脱碳，现在是中国外生产极低碳或超低碳关键手段。VD则多被用作钢水脱氢、脱氮等目标。实际上，VD处理过程一样含有良好脱碳动力学条件，国外部分钢厂已经有采取生产极低碳或超低碳钢实践，并达成了很好处理效果，开发VD脱碳工艺，对扩大低碳/超低碳钢生产能力，和拓宽品种范围全部含有十分关键意义。
相关真空脱碳理论中国外很多学者已做了深入研究，尤其是对RH精炼过程，已提出了很多数学模型，积累了很多经验参数，但在VD脱碳研究方面还未引发注意，研究结果极少，本工作依据VD处理过程脱碳机理，建立了钢液流动和脱碳数学模型，以描述VD处理过程脱碳行为，为VD脱碳工艺制订和优化提供依据和指导。VD过程脱碳反应发生在气液两相区钢液—气泡界面、钢液自由表面和熔池内部CO气泡脱碳，总脱碳精炼效果为其贡献之和；不考评渣—金反应，即不考虑熔渣向钢液中进行传氧；假定气泡一直为球形，同一时间吹入气泡，其上浮过程和脱碳过程相同；
不考虑脱碳过程对钢液流动影响，
VD脱碳机理模型
Ar气泡脱碳模型VD过程Ar气泡由钢包底部透气砖吹入钢液，在钢液内部形成局部相对CO气泡真空，气泡在上浮过程不停发生脱碳反应，和RH过程不一样是VD过程Ar气泡弥散于整个钢包体，而RH过程Ar气泡关键集中在上升管内，Ar气泡脱碳通常全部以上升管一维过程来处理，显然这么模型无法描述VD过程Ar气泡脱碳。本工作在Lagrange坐标下描述了但气泡运动和脱碳过程，继而统计得到Ar气泡总体脱碳速率。

各脱碳机制对VD脱碳过程贡献
VD脱碳过程关键是依靠钢液内部CO气泡脱碳；Ar气泡脱碳和钢液自由表面脱碳贡献相比较小，钢液内部CO气泡脱碳是和钢液中碳氧过饱和度相关，VD处理早期，当真空室压力降低到一定值时，钢液内部CO气泡脱碳便占据了主导地位，但伴随钢中碳、氧含量降低，钢中碳氧过饱和度急剧下降，到VD处理后期，三个脱碳机制几乎达成了同一水平，这时脱碳速度变得缓慢，这个结果和文件提供结论相符。依据VD处理过程脱碳机理，建立了VD脱碳过程数学模型，利用该模型能够对不一样工艺条件下VD脱碳过程进行模拟研究，为VD脱碳工艺制订和优化提供依据和指导。在VD处理早期，伴随真空室压力降低，脱碳速度急剧升高，达成某一最大值后，又随钢中碳氧含量降低而快速下降，大约处理15min后，脱碳速度已变得很缓慢。VD脱碳过程关键是依靠钢液内部CO气泡脱碳，氩气泡脱碳和钢液自由表面脱碳贡献相对较小。

　　VD装置是一个应用广泛真空精炼设备，具
有良好脱氢、脱氧、脱碳、脱氮和脱硫等功效。目
前，VD装置在高质量钢生产中发挥着关键作用。
在中国，VD处理常见于钢液脱氢和脱氮。实际上，
VD处理过程一样含有良好脱碳条件，国外已经有
部分钢厂开始采取VD处理来生产极低碳或超低碳
钢，而且已取得了很好处理效果。开发VD精
炼脱碳工艺，对扩大低碳或超低碳钢生产能力，以
及拓宽产品范围全部含有十分关键意义。
　　中国外很多学者已对真空脱碳理论进行过深入
研究，并提出了多个数学模型
，但对VD精炼
脱碳模型研究还不多。笔者依据VD处理过程
脱碳机理，建立了VD精炼脱碳过程数学模型，并
经过此模型模拟研究了各工艺原因对VD处理过程
中钢液脱碳影响，意在为VD精炼脱碳工艺制
定和优化提供指导。

1　数学模型
111　基础假设
　　①脱碳反应发生在气、液两相区钢液-氩气泡界面、熔池中钢液内部及钢液自由表面。
　　②假定气泡一直为球形，同一时间吹入气泡，其运动过程和脱碳过程相同。
112　氩气泡表面脱碳模型
　　氩气泡经钢包底部透气砖吹入钢液，在钢液内部形成局部相对CO气泡真空，气泡在上浮过程中不停发生脱碳反应。氩气泡表面脱碳反应可用动力学关系式来表示，即：
113　钢液内部CO气泡脱碳模型
　　在熔池内部，当和钢液平衡CO分压高于钢
液静压力时，钢液内部会自发生成CO气泡，形成
CO沸腾区。但形核数量及分布无法定量计算，因
而只能从宏观上考虑。钢液内部CO气泡脱碳速率
114　钢液自由表面脱碳模型
S包含氩气泡脱碳、钢液内部CO气泡脱碳和钢液
自由表面脱碳3个部分。
2　模拟分析及讨论
　　笔者利用建立脱碳模型对150t钢包在VD处
理过程中脱碳情况进行了模拟。钢包直径为3m，
钢液深度为219m。分别对不一样工艺原因：吹氩制度、
真空制度、初始碳含量和氧含量，等进行了模拟研
究，分析了各工艺原因对VD精炼脱碳过程影响。211　吹氩制度
　　图1为吹氩量QAr对VD精炼脱碳过程影响。
可见，增加吹氩量能够在一定程度上提升VD精炼
脱碳速率，降低钢液终点碳含量ω[C]
e
。首先，氩
气泡本身含有一定脱碳能力，同时，吹氩搅拌作
用能加速碳、氧由钢液侧向反应区域传输。但在
VD处理早期，因为钢液中碳、氧含量较高，脱碳速
率较快，大量CO气泡和氩气共同作用，会加剧熔
池沸腾，假如吹氩量和真空度控制不妥，轻易造成
钢液喷溅或溢渣。所以，提议采取先低后高吹氩
制度，这么既不会影响总脱碳速率，又能降低终点
碳含量。
212　真空制度
21211　真空度
　　图2(a)给出了真空室压力对VD精炼脱碳过程
影响。可见，真空室压力pV对VD精炼脱碳过程
影响很显著：首先，真空度直接影响VD脱
碳速率。真空度愈高，即真空室压力愈小，脱碳速率
愈快；其次，从碳2氧反应热力学角度分析可
知，真空度也决定了VD处理后钢液最终碳含量。
当pV=2616kPa时，钢液碳氧积为010006，假设
钢液中氧含量为0104%，则对应钢中平衡碳含量
为01015%。所以，要满足碳含量不超出0.015%
要求，就必需降低真空室压力。从图2(a)模拟结
果能够看到，当pV=2616kPa时，处理25min后，
钢液最终碳含量只能达成010165%；当pV=
01133kPa时，处理25min后，钢液最终碳含量可
以达成010034%。显然，降低真空室压力对VD
精炼脱碳是相当有利。不过，真空度过高也轻易
造成钢液喷溅或溢渣。所以，只有在工艺条件(炉渣
特征和钢液碳、氧含量等)及设备条件(钢包自由空间和真空泵抽气能力等)全部许可情况下，才能使真
空室压力维持在较低水平。
21212　抽真空速度
　　图2(b)给出了抽真空速度对VD精炼脱碳过程
影响。笔者计算了3种降压时间(真空室由1个
大气压降到01133kPa所需时间)下脱碳过程，
可见，抽真空速度对脱碳速率影响较大，尤其是在
VD处理早期，抽真空速度快，即降压时间短，很
快就能取得较大脱碳速率，缩短VD处理周期，对
脱碳过程有利。但高真空度轻易造成钢液喷溅或溢
渣。所以，提升抽真空速度时，还应考虑实际工艺条
件和设备条件，避免钢液喷溅或溢渣。
213　初始氧含量及初始碳含量
　　图3(a)示出了钢液初始氧含量ω[O]
0
对VD精
炼脱碳过程影响。能够看出，钢液初始氧含量对
脱碳过程影响很大。笔者计算了4种氧碳比
ω[O]
0
/ω[C]
0
情况下钢液脱碳速率，当ω[O]
0
=
0104%，ω[O]
0
/ω[C]
0
=1时，钢液中氧不能完全满
足脱碳需要，因为碳2氧反应氧碳比应该为4/3。
所以在脱碳末期，因为氧含量不足而无法继续脱碳。
当碳含量降到0101%时，钢液中碳和氧含量已靠近平衡，提升氧碳比后，脱碳速率显著提升，钢液
终点碳含量ω[C]
e
也显著降低。但当氧碳比大于2
后，再提升钢液初始氧含量，对脱碳速率影响不
大，此时脱碳反应关键受碳扩散限制。
　　其次，钢液初始氧含量越高，脱碳结束后，
钢中残余氧含量就越大，消耗脱氧剂也就越多，这
不仅会增加成本，也轻易使钢液纯净度下降。所以，
在能确保脱碳速率和终点碳含量前提下，应尽可能
降低终点残余氧含量。从碳2氧反应热力学分析可
见，当真空室力pV=01133kPa时，终点残余氧含量
ω[O]
e，r
=0101%～0102%时，就能够使钢液终点碳含
量达成01003%左右，即钢液初始氧含量按式(5)
控制，基础上就能够满足VD精炼脱碳要求。必
要时还能够经过调整渣成份来增加钢液氧含量。
　　　　ω[O]
0
=1133ω[C]
0
+ω[O]
e，r
(5)
式中，ω[O]
e，r
=0101%～0102%。
　　图3(b)给出了钢液初始碳含量ω[C]
0
对VD精
炼脱碳过程影响。能够看到，在初始氧含量相同
情况下，初始碳含量越高，则初始脱碳速率越大，
但在脱碳处理中后期，脱碳速率和初始碳含量
关系不大，初始碳含量越高，处理结束时，钢中碳含
量也就越高。不过，假如能够很好地控制钢液初始氧含量，则初始碳含量对整个VD精炼脱碳过程
影响不大。所以，只要吹炼结束时钢液氧碳比
能够满足后续VD处理需要，无须将初炼炉中钢
液碳吹至很低，以减轻初炼炉负担。
3　结　论
　　(1)加大吹氩量能在一定程度上提升VD处理
过程中钢液脱碳速率，但效果不显著，而且吹氩
量过大时，轻易造成钢液喷溅或溢渣(尤其在脱
碳早期)。所以，提议采取吹氩量先小后大吹
氩制度。
　　(2)真空度对VD精炼脱碳过程影响很大，在
工艺条件和设备条件许可情况下，提升抽真空速
度，降低真空室压力有利于钢液脱碳。
　　(3)钢液初始氧含量对VD精炼脱碳过程影
响很显著。钢液初始氧含量控制应依据钢中碳含
量而定，分析表明，假如钢液初始氧含量按式(6)
控制，基础上就能满足VD精炼脱碳要求。必需
时，还能够经过调整渣成份来增加钢液氧含量。

精炼系统工艺优化

序言
钢纯净度对钢铁制品性能影响极大，所以怎样利用二次冶金手段，完善精炼工艺过程，提升钢纯净度，降低钢中非金属夹杂物，已成为冶金工作者必需认真处理问题。钢包精炼炉，含有加热升温、合金微调、造渣精炼、电磁搅拌、吹氩搅拌及真空脱气功效。经过对脱氧、脱硫、去夹杂等工业性试验研究，不停完善精炼工艺，已使高碳钢中T.O<15*10-6、钢中硫【S】《0.010%、夹杂总量为0.0023%。
精炼工艺步骤及其冶金原理

精炼工艺步骤
精炼处理工艺步骤为：初炼钢水→除氧化渣（加渣料造新渣）→加热处理（加热、合金微调、白渣精炼）→真空精炼（脱气、去夹杂）→复合终脱氧→净化搅拌→浇铸。、
关键工艺步骤冶金原理
在上述步骤中，包含到三个关键工艺步骤，即加热造渣精炼、真空处理、复合终脱氧，各工艺步骤冶金功效及怎样衔接是精炼工艺完善确保。
造渣精炼理论
钢包精炼炉特点之一是能够保持炉内还原气氛，精炼工艺步骤中确保了在初炼钢水注入精炼包时，避免了氧化渣进入。造渣精炼目标就是经过造高碱度、高还原性炉渣深入脱除钢中硫、氧。
熔渣脱氧能力决定于熔渣aFeO，其对钢液脱氧反应式为：
真空脱气原理、

钢液中碳脱氧反应式为：

因为碳脱氧产物是CO气体，在体系降低压力后，平衡向产生CO方向移动，使碳脱氧能力提升。经过计算可知，真空下碳脱氧能力很强，当气相压力降低至1.013*104Pa时，碳脱氧能力将超出硅，继续降低压力至133pa时，碳脱氧能力大于铝。不过，在实际情况下，钢液中碳脱氧能力伴随压力降低而提升是有一定程度，所以将真空脱氧压力控制在10133~203pa即可。
硅铝钡终处理
Si-Al复合脱氧剂脱氧产物关键为3Al2O3-2SiO2或Al2O3。在钢液中【O】含量较高时脱氧产物关键为3Al2O3-2SiO2，而伴随氧含量降低脱氧产物以Al2O3为主。

在Si-Al复合脱氧剂基础上引入钡，形成Si-Al-Ba复合脱氧剂，钡高沸点优于钙和镁，钡作用关键表现为对夹杂物变性处理，即降低夹杂物熔点、改变夹杂物形状和尺寸、使夹杂物分布均匀。所以，含钡合金应用于炼钢中，除能降低铝消耗外，还能改变钢中夹杂物形态及结晶组织弥散度和均匀性，降低钢中夹杂物含量，净化钢液，从而提升钢质量、优化使用性能。
冶金效果及分析
加热造渣精炼，加热处理过程中，为了降低渣中（FeO），在合金微调结束后，使用碳粉及硅铁粉作为还原剂，开始造还原渣，还原10~15min后，炉渣转为白色。加热全过程均采取电磁搅拌。
依据炉渣离子理论，高碱度炉渣为脱硫提供了大量（O2-），高还原性炉渣为脱硫降低了【O】，所以使反应正向进行，深入脱除钢中硫。
真空处理
真空处理真空度为66.7pa，真空保持时间为10~15min，真空处理过程中采取吹氩搅拌，氩气量为50~100vL/min，真空处理后。全氧含量升高，这是因为真空处理时，压力降低使碳氧反应猛烈进行，加之有氩气体搅拌，钢包内发生强烈沸腾，钢液在进行渣洗，此时钢液接触面最大，脱氧、脱硫动力学条件得到充足改善，还原后炉渣在真空处理时仍有一定脱氧、脱硫能力
所以真空处理前后（FeO）含量升高，钢中硫【S】和T.O均降低。但试验发觉，真空处理时间是有一定限制，当初间过长时钢中氧量将有所增加。伴随真空处理时间延长，钢中氧含量不停降低；但当真空处理时间超出10min后，钢中氧就基础稳定不变，而且伴随真空处理时间深入延长，钢中氧还略有增加。这是因为，在真空碳脱氧初始阶段，有大量气泡出现，5~7min后，气泡显著降低，约10min后，气泡极少，脱氧反应基础结束，此时，假如继续进行真空处理，因为耐火材料在真空条件下发生分解反应，分解产生氧溶入钢液中，造成钢中氧含量增加。适宜处理时间为10~15min。在精炼条件下，脱氧过程就是夹杂物去除过程，通常可将。可见精炼时间越长，钢中氧含量越低，即经过有效搅拌和足够精炼时间，能够使Al2O3上浮去除，从而降低钢中氧含量。
精炼系统工艺优化
在一炉钢精炼过程中，各工艺步骤合理衔接是充足发挥精炼炉多种功效，提升工作效率，经济效益和产品质量确保。从初炼钢水到精炼结束时TO及【S】改变图所表示。
真空处理过程钢中全氧下降最多，这不光得益于真空碳脱氧，而且因为在真空处理过程中同时进行吹氩搅拌，钢渣反应面积加大，精炼渣和钢液混冲，产生良好渣洗反应，但良好渣洗前提是渣中（FeO）必需低，试验表明渣中（FeO）《0.80%时为好。所以，为了取得良好脱氧效果，必需加强LF处理过程还原操作，尽可能降低（FeO）。终处理是深入降低钢中氧关键，延长终处理后净化搅拌时间对脱氧有利，但考虑到搅拌过程温降，必需确定一个合适净化搅拌时间。脱硫贯穿于整个精炼过程，除了降低（FeO），提升渣碱度外，良好搅拌十分必需，对于只进行LF处理，不真空处理钢种，为了降低钢中硫含量，能够增加吹氩搅拌，吹氩搅拌较之于电磁搅拌钢渣混合愈加好，钢渣反应面积更大。
经过精炼炉生产实践和各工艺步骤不停优化，得到以下结论，加热造渣精炼、真空处理、复合终脱氧这些工艺步骤均含有良好脱氧、脱硫、去夹杂热力学条件。
经过完善精炼工艺，配好渣料，充足发挥底吹氩和电磁搅拌冶金功效，发明了良好动力学条件。优化精炼工艺组合是：避免初炼钢水注入精炼包时带入氧化渣，加热造渣精炼
结束时确保渣中（FeO）<0.80%，真空处理时间为10~15min，加入Si-Ba-Al终处理后，应有10min净化搅拌时间，并选择合理搅拌气量。

众所周知，硫在钢中是以FeS和MnS形式存
在。在钢液凝固过程中，因为选分结晶被推向
钢液内部或上部，形成硫偏析。FeS在晶界上
呈网状分布，MnS在压力加工过程中沿变形方向
延伸呈线、链状分布。由此引发产品三向性能
显著差异，从而恶化了钢材塑性和沿厚度方向
断面收缩率，使得钢制品受多种复杂应力作
用而破坏。
尽管硫对钢危害，不管是理论上还是实践
中全部已认识清楚，不过因为国际上通行标准中
对硫要求往往不高，比如美国AAR标准对铁道
用钢硫要求是≤0.040%(质量百分数)，这对
于现在通常炼钢工艺全部不难达成，所以，很轻易
使炼钢工作者对其脱硫工作不很重视，认为只
要满足其标准即可。实际上，在国外生产钢中，硫控制大大低于标准要求，以期炼出超低硫钢，
来全方面改善和提升产品性能。所以研究炼钢过
程脱硫问题仍然是一项极有价值工作。本文主
要对马钢90tLF-VD精炼炉脱硫工艺进行研
究，揭示各阶段硫改变情况和影响脱硫主
要原因，为提升炼钢产品质量提供必需确保。
2　工艺步骤及操作关键点
工艺步骤：出钢→倒包站→真空站→静化搅
拌→出站浇钢
各工艺过程操作要求以下。
出钢：加Si、Mn、C、Al等元素进行预脱氧和合
金化；
倒包：采取大水口倒包，并加入石灰、萤石等
造渣材料；
加热(LF)：造渣、脱氧、电磁搅拌、成份微调；
真空(VD)：真空度<100Pa，搅拌(电磁搅拌、吹氩搅拌)；
净化：加入Ca类合金，并搅拌净化。
3　试验结果及数据处理
3.1　精炼过程各阶段脱硫情况
精炼过程分4个阶段。
倒包阶段：出钢到LF取第一个钢样；
LF阶段：LF取第一个钢样至LF结束；
VD阶段：LF结束至真空结束；
净化阶段：真空结束→终脱氧→浇注。
依据160炉生产数据统计结果见表1～表3。
表1　精炼过程中各阶段钢中硫含量(w)%
项目原始
硫含量
倒包后
硫含量
LF结束
硫含量
真空后
硫含量
终点
硫含量
Min0.0170.0110.0080.0040.002
Max0.0410.0320.0290.0220.019
均值0.0290.0210.0170.0110.009
表2　精炼过程中各阶段钢中硫去除值(w)%
项目倒包ΔS1LFΔS2VDΔS3净化ΔS4
Min0000
Max0.0150.0090.0160.006
均值0.0080.0030.0060.002
、表3　精炼过程中各阶段脱硫所占百分比%
项目倒包S1LFS2VDS3净化S4
Min0000
Max88456432
均值.2　顶渣碱度和脱硫关系
经过研究发觉，在现有渣系和操作工艺条
件下，钢中硫含量和炉渣碱度有一定关系，对顶
渣碱度R[w(CaO)Πw(SiO2)]和成品钢中硫含量
相关数据进行回归分析，结果表明：硫含量同R
存在显著线性关系。硫含量和R线性回归
方程为：w([S])×10
5
=-9.91R+34.50，相关系
数为r=0.815。成品钢中硫含量和顶渣碱度关
系见图1。
3.3　钢中酸溶铝和脱硫关系
经过研究大量工业数据发觉，在目前精
炼操作工艺条件下，钢中硫含量和钢中酸溶铝存
在一定关系，对钢中酸溶铝和成品钢中硫含量图1　成品钢中硫含量和顶渣碱度关系
相关数据进行回归分析，结果表明：w([S])同
钢中Als存在显著线性关系。它们相关系数
为r=0.72，线性回归方程为w([S])×10
3
=
-3.22w([Als])+20。成品钢中硫含量和钢中酸
溶铝关系见图2。
图2　成品钢中硫含量和钢中酸溶铝关系4　分析和讨论
4.1　倒包阶段脱硫
倒包工艺即使有温降大缺点，但它优点
是除渣洁净。马钢现在所采取倒包工艺是经过
滑动水口装置将钢水从一般钢包倒入精炼专用钢
包。在倒包过程中，首先把氧化性炉渣根本清
除；其次不停地向精炼炉加入石灰、萤石等造
渣材料，来满足精炼工艺需要。这么倒包过程
实际上就是钢水和固体渣渣洗过程，其过程
关键脱硫反应为：
(CaO)+[S]=(CaS)+[O](1)
K=
α(CaS)α[O]
α(CaO)α[S]
(2)
式中　K———反应平衡常数
　α———活度
因为倒包过程要连续15min左右，石灰加
入量为钢水重量1%，这么大量CaO和CaF2
共同作用生成一个较强脱硫渣系，而且钢水通
过出钢过程脱氧反应，有利于反应向脱硫方向进

行；同时因为钢水在倒包过程中落差>2m，其冲
击搅拌作用很大，为脱硫反应提供了良好动力
学条件，愈加有利于深度脱硫。表1、表2、表3给
出结果表明：倒包过程脱硫反应是最猛烈，倒
包阶段脱硫值是多个阶段中最显著，其脱硫
值占全过程脱硫量40%。
4.2　LF工位脱硫
从工艺步骤来看，LF阶段是石灰熔化成渣
期，炉渣碱度R[w(CaO)Πw(SiO2)]在2～3之间，
同时采取电炉造白渣技术，(FeO)控制在0.5%左
右，而且在顶渣溶化完成后，向钢水中加入一定量
铝，深入脱氧，使得钢液处于良好脱氧状
态。所以钢中溶解氧含量将关键由铝含量控
制，其反应式以下：2[Al]+3[O]=(Al2O3)(3)
K=
α(Al
2
O3
)
α[Al]·α[O]
(4)
α2
[Al]α3
[O]=4.3×10
-14
(5)
　　由此可算得钢液中α[Al]和α[O]关系如表4
所表示，其依据实测结果钢中[