专利名称：钢水脱气方法
技术领域：
本发明涉及钢水真空脱气方法，其中通过添加固体来加速脱气过程。
背景技术：
以下，示出了脱气过程的主要的热动态原理和运动原理，所述原理是不同的脱气机理的基础。
在热动态方面，脱气过程基于冶金反应容器的压力同以原子状态溶于钢水中的化学元素的关系。
原则上，以下关系适用于元素氢和氮(1)2[H]->{H2}和2[N]->{N2}(2)[H]＝kH*(P{H})1/2和[N]＝kN*(P{N})1/2在双原子分子中，以原子状态溶解的元素的浓度与其周围气相中的分压的平方根成比例(Sievert定律)。
如果是元素氧，则按照以下公式，通过与溶于钢中的碳反应而被尽可能地除去，(3)同时生成气态的反应产物一氧化碳。这个过程决定了这两种元素的含量同时共同降低。
(4)[C]*[O]＝kco*P{co}在这种情况下，氧浓度和碳浓度的乘积与周围气相中的一氧化碳分压成正比。
通过借助连续抽出工作气体地减少在气相中的分压，可因而在真空设备里引起钢水中元素含量的降低。如果处理时间足够长，则这个作业一直进行到化学元素的取决于压力的平衡含量。
这一过程在所有的钢水-气相界面上进行。相应地，不仅钢水池表面加入到反应中，而且在熔液中的所有气泡意味着当时元素低分压处的所有气泡也加入其中。这尤其适用于在所有真空方法里被输入钢水里的惰性气体。在这个位置上，在所有真空方法里输入的惰性气体都明显有双重作用。一方面，这些气体造成熔液充分混合并由此因对流输送而均匀化，另一方面，气泡表示溶于钢水的气体的低分压点并因而直接有助于脱气。
与脱气运动相关地，原则上的脱气过程的前提条件就是元素从溶解状态过渡到气态。溶于金属液中的气体转变到气相的这种过渡由许多分步骤构成，这些分步骤合起来确定了脱气过程的速度-从熔液内部对流输送到接近表面的金属区。从近表面区开始，通过扩散继续输送向界层。
-气体原子从溶解状态过渡到吸附在金属表面上的状态。
-在吸附层中的气体原子或是在形成双原子分子的情况下相互反应，或是与其它原子反应，例如在形成一氧化碳的情况下。
-气体分子从表面解吸。
-气体分子扩散到周围气体空间里。
除了气体分子过渡到在已存在的界层(液池表面，惰性气体气泡)上的气体空间外，通过瞬间形成气泡来脱气扮演着一个重要的角色。
这个脱气过程的前提就是存在能生长的气泡芯核。为此，在气泡芯核内的平衡压力必须至少高到等于熔液上方的环境压力与在气泡之上的液柱的铁静压以及由表面张力决定的毛细管压力之和。
其中，在熔液内形成气泡原则上是在均匀和不均匀地形成芯核之后按照不同的方式进行的。
均匀地形成稳定的氢气泡芯核只有在104atm的平衡压力之上进行。在炼钢厂作业中不出现相应的气体成分。因此，在元素氢和氮情况下的均匀成核是不太可能的并且在技术工艺中是无关紧要的。
比较容易在固体的界面上发生可生长气泡芯核的不均匀生成。这种情况尤其是出现在多孔的粗糙龟裂表面上，这是因为，在这里，气泡芯核的接触角是小的(小于180度)，因此，可生长气泡的内压力可能低于在周围熔液中的平衡压力。
人们还知道，由于这个原因，在钢水中的气泡的生成是在耐火衬表面和固体渣颗粒上进行的。
在脱气中因不均匀成核而出现的气泡在熔液中造成附加的搅拌作用。这样一来，加速了对流输送过程。这又促进了脱气，因此，出现了自动催化的并由此自动加速的处理作业。
上述性能和关系数十年来被大规模地用于脱除溶于钢水中的化学元素如氢、氮和氧。
与本发明技术领域相关地，在文献中有以下指导。如Okada等人所述，在RH技术中，通过借助顶喷枪来喷入粉末状氧化铁(三氧化二铁)来加速在20ppm液池碳含量以下的脱碳反应。在这里，喷入的氧化铁颗粒一方面起到形成一氧化碳气泡的芯核的作用，另一方面，所述颗粒起到脱碳作业的氧载体的作用。必须如此选择容器压力(1-2乇，1.3-2.6毫巴)以及喷枪距液池表面的距离(3米)，即要确保粉末材料足够深地进入熔液里。三氧化二铁粉末的粒度为100网目，这相当于0.149毫米。脱碳用三氧化二铁粉末的添加速度为20-60公斤/分。
Kikuchi等人(第六届国际钢铁会议记录报告，1990，Nagoya，ISIJ，“Develpoment of the deoxidation technique for clean steelproduction by the pressure elevating and reducing method” ，第527页)以NK-PERM方法(Pressure elavating and reducingmethod)为名描述了一种钢包真空脱气的变型方案，它利用在非金属固体夹杂上的氮气的不均匀成核来冲蚀夹杂并且这样一来有助于氧化纯净度的提高。为此，熔液先通过底部冲洗接受氮气。在随后的真空处理中，溶解的氮气沉积在夹杂上并冲蚀夹杂。
在US6235084B1中，描述了一种在RH处理中的铝热热处理法。在这里，为了真空脱碳，在第一步骤中吹入氧气，随后加入可燃金属物质如铝粉。分散于熔液中的固体反应产物氧化铝(三氧化二铝)可以在随后的脱碳步骤中起到一氧化碳气泡的成核点的作用。这样，脱碳速度可以提高并且可以缩短脱碳时间。
总而言之，脱气反应是与压力有关的反应，其中包括脱除溶于钢中的气体如氢气和氮气以及形成一氧化碳地还原溶于钢水中的氧气。这些反应基本上由在钢水池表面上的压力状况和混合比如钢回收率和设备技术装备来决定。
在已知方法中出现了以下问题。其一，用于实现低工作压力的真空泵的抽气功率高。此外，用于实现所需钢回收率的介质(氩气、氮气)用量高。结果，真空处理时间长，这导致冶金容器耐火材料消耗高。
本发明的任务是提供一种加速脱气过程的改进方法。尤其是，应一方面实现设备生产率的提高(真空处理时间缩短，冶金容器使用寿命延长)，另一方面，应获得处理钢的质量的改善，即溶于钢水中的气体的最终含量应比较低。
利用具有权利要求1特征的方法来完成该任务。有利的改进方案在从属权利要求中公开了。
根据本发明，在脱气过程中，在真空设备中连续装入块状固体，尤其是细颗粒，以便目的明确地不均匀成核。通过在真空处理中添加(倒入，吹入和顶吹)固体，不均匀的成核加速了脱气反应。
本发明提出的块状材料的大小和比重(0.2-50毫米粒度)能够使固体深沉到熔液中，而不需要特殊设备费用，例如离液池比较近并因而很容易堵住地使用一支喷枪。
此外，尽可能避免了因从真空容器中抽气而造成的材料损耗。与顶吹粉末相比，由此造成更高的效率。随之而来的就是真空源工作负担(弄脏)有所减轻。
块状固体在脱气开始阶段中且尤其是在头5分钟里就被加入熔液中并且明显加速了脱气过程且特别是脱碳过程。
由材料物理性能决定，这种作业可以在更高的压力水平上进行，即在2毫巴的压力之上进行。高于2毫巴的压力对形成一氧化碳有利。添加速度为20-100公斤/分。压力上限可以设定为150毫巴。
此外，与加入粉末相比，可以省掉喷枪。根据一优选的变型方法，固体存储在真空料仓中并且通过计量装置且特别是一配料滑槽或叶轮闸门计量地被送入熔液中。
由于脱气过程加速，所以在钢中气体最终含量不变的情况下，脱气时间可以缩短。这样一来，提高了设备生产率。此外，在使用RH设备时，容器的及钢包的耐火衬的规定使用寿命延长了。由此导致运营成本降低。
在保持传统技术的处理时间不变的情况下，获得了溶解气体最终含量的降低。因此，直接获得了钢的技术性能的改善。如果是脱碳过程，则可以获得这样的碳含量水平，即可以添加含碳的廉价添加物如FeMn或冷废铁，而不超过目标成分。在这种情况下，可省掉添加电解液FeMn。
以下，描述按照本发明方法处理ULC材料的结果。
在265吨RH设备上进行的、加速脱碳过程的实验产生这样的结果，即在超低碳ULC物质中的脱碳效果的明显改善。在大于2毫巴的容器压力下，在脱碳开始阶段中通过真空料仓的震动滑槽连续送入块状铁矿石。输送速度为40公斤/分。矿石大小为3-10毫米。在这里，在10-15分钟脱碳后，从具有200-250ppm的原始碳含量的熔液中取样。
图1表示在脱碳10分钟后添加和没有添加铁矿时的累积频率(总频率，单位％)与碳含量(单位ppm)之比的试验结果。
图2表示在脱碳15分钟后添加和没有添加铁矿时的累积频率(总频率，单位％)与碳含量(单位ppm)之比的试验结果。
具体实施例方式
附图表示在脱碳10分钟(图1)后和15分钟(图2)后添加和没有添加铁矿石时的累积频率(总频率，单位％)与碳含量(单位ppm)之比的试验结果。
在相同的脱碳时间之后，铁矿石被加入其中的熔液平均显示出低得多的碳含量。在这里，在脱碳10分钟后测量的碳含量显示出了脱碳速度且尤其是在脱碳过程早期阶段里的脱碳速度提高了，其中在该早期阶段中也加入铁矿石。
总之，本发明提出了一种在二次真空冶炼处理钢水时通过适当添加成块状或颗粒状的固体来加速或促进脱气过程或与气态反应产物的化学反应的方法。通过使用本发明的基础原理，可以提高设备的生产率，改善钢的质量并且降低生产成本。
用于钢包真空脱气、钢包脱气或部分脱气的设备作为真空设备，例如RH(真空循环法，它是Rheinstahl-Heraeus-Verfahren的缩写)、DH(真空虹吸法，它是Dortmund-Hrder-Verfahren的缩写)，VD(真空脱气法)以及REDA(Revolutionary Degassing Accelerator的缩写)。
以下，举出有相应的固体装料可能性的设备的其它实施例VD设备，它具有伸入钢水池中的浸没式喷枪；
REDA和RH设备，它在抽吸口下有Hockey杆(Hockeystick)；REDA、RH和VD设备，它具有带给料槽的真空料仓或闸门；RH设备，它通过喷气管喷入料；REDA、RH和VD设备，它借助喷枪把料顶吹到钢水液池中。
权利要求
1.一种钢水真空脱气方法，其中通过添加固体来加速脱气过程，其特征在于，在脱气的初始阶段里，尤其是在最初的5分钟里，所述固体以具有2-50毫米粒度的团块形式被添加到熔液中。
2.如权利要求1所述的脱气方法，其特征在于，所述固体在大于2毫巴的容器压力下以20-100公斤/分的添加速度被加入。
3.如权利要求1或2所述的脱气方法，其特征在于，所述固体是多孔的。
4.如权利要求1-3之一所述的脱气方法，其特征在于，所述固体以颗粒形式被添加进去。
5.如权利要求1-4之一所述的脱气方法，其特征在于，所述固体是金属、矿石，尤其是铁矿石，和/或渣。
6.如权利要求1-5之一所述的脱气方法，其特征在于，所述固体存放在真空料斗中并且通过计量装置且尤其是一配料滑槽或一叶轮闸门定量地被送入熔液里。
7.如权利要求1-5之一所述的脱气方法，其特征在于，在循环脱气中，所述固体借助池底喷嘴被吹入熔液中。
8.如权利要求1-6之一或权利要求7所述的脱气方法，其特征在于，在循环脱气或在钢包真空脱气中，所述固体借助浸没喷枪被吹入熔液中。
全文摘要
为了在利用添加固体来加速的钢水真空脱气方法中进一步改善脱气效果，在脱气的初始阶段里，尤其是在最初的5分钟里，所述固体以具有2－50毫米粒度的团块形式被添加到熔液中。
文档编号C21C7/076GK1506473SQ20031012029
公开日2004年6月23日 申请日期2003年12月12日 优先权日2002年12月13日
发明者R·迪彻, R·特沃特, D·田伯根, , R 迪彻, 痔 申请人:Sms梅瓦克有限责任公司