液态钢真空脱气：提升钢材强度与质量的关键技术
液态钢真空脱气工艺概述
初炼过程中氧（O₂）、氢（H₂）、氮（N₂）等气体溶解于液态钢，危害钢力学物理性能。液态钢溶解氧不能以分子氧形式去除，其去除称脱氧。H₂和N₂气体去除称脱气。因液态钢脱气在真空下进行，亦称液态钢真空脱气。真空脱气在钢包中进行。
去除H₂和N₂必要因两气均害钢性能。H₂在钢中室温溶解度低。过量H₂凝固时析出形成针孔造成固态钢气孔。几ppm H₂致鼓包和拉伸延性损失。N₂在液态铁中最大溶解度450ppm，室温<10ppm。凝固时过量N₂析出形成气孔或氮化物。过量N₂还致焊接热影响区脆化、损害钢冷成形性。
1950s早期前苏联科学家AM Samarin和LM Novik于1940年提出钢包真空处理液态钢方法，1952年Enakievskii冶金厂首次工业试验，1954年联邦德国Bochumer Verein尝试金属流脱气法。1955年苏联首次工业引入钢包真空处理法，开启钢真空处理新趋势。
真空脱气发展历程与一般特征
钢包真空处理始于钢包-钢包和钢包-铸型真空脱气去除H₂。原始真空脱气在还原气氛0.5-10 mbar（1 mbar=0.75 mm Hg或0.00102 kg/cm²）下进行，目标H₂<2 ppm。
1950s末多特蒙德-赫德（DH）和鲁尔施塔尔-海劳斯（RH）更高效真空脱气工艺普及。1960s中真空电弧脱气（VAD）、ASEA-SKF工艺、真空氧脱碳（VOD）处理高铬钢成功实施。
初期真空脱气概念主要用于去除液态钢H₂，但很快服务于生产洁净钢的许多其他目的。1980s起真空脱气用于生产超低碳（ULC）钢（C≤30 ppm）日益增加。随着间隙原子自由（IF）钢（C和N₂≤30 ppm）开发，真空处理成为必需。目前真空脱气处理已成生产优质钢炼钢车间必备设施。
真空脱气一般特征：
- 气体解吸是气/金属界面反应。原子H₂或N₂从液态钢扩散至气/金属界面转化为分子H₂或N₂再解吸。真空处理效果随液态钢暴露真空表面积增加而增强。如细流或气体诱导搅拌增加暴露表面积加速脱气。
- 液态钢温度真空脱气中下降。暴露真空表面积越大温降越高。
- 脱气时间须最小化。
- 脱气程度随真空度增加而提高。实践采用1 mm Hg甚至<1 mm Hg（1 mm Hg=1 torr）真空。真空泵抽速须充足。
真空脱气工艺分类
现用真空脱气工艺分三类：①流式脱气；②循环式脱气；③钢包/罐式脱气。
流式脱气
液态钢注入真空容器。液流骤暴露真空因破碎成液滴大幅增加表面积致极快脱气。助溶解氢经真空泵排出。主要脱气发生于液流下落。浇注流高度为重要设计参数。变体：
- 钢包-铸型脱气：预热带热帽铸型置真空室。钢包上置中间包。铁水过热度当量30℃。钢包置中间包上方。底浇入中间包为宜。图1示意。
- 钢包-钢包脱气：带塞棒钢包置真空室。含初炼铁水钢包置真空室顶部真空密封。真空下加合金。液流落入钢包脱气。真空下加合金。
部分厂出钢时脱气。铁水从初炼炉出钢入中间包/小钢包，从小钢包液流落入抽真空钢包。钢包顶部特制盖含排气口。25-30℃过热度铁水入钢包。
循环式脱气
液态钢经特殊装置在真空室连续循环。真空室位于钢包上方，具伸入液钢浴的吸管（单/双）。两类（图2）：①鲁尔施塔尔-海劳斯（RH）脱气；②多特蒙德-赫德（DH）脱气。RH双吸管浸入钢包；DH单吸管反复吸液钢入真空室再放回钢包。RH详见单独文章。
RH脱气工艺：圆柱耐火衬里壳体双腿（吸管）设计使液钢一腿上升经另一腿脱气回钢包。壳体顶部设排气、加合金、观察控制窗。上部耐火粘土砖、下部Al₂O₃砖耐高温。吸管Al₂O₃耐材。氩气（提升气）注入入口吸管增加液钢入口速度。
RH脱气器操作：
- 圆柱室加热至所需温度（900-1500℃）
- 室降入液钢至所需液位
- 抽真空室使液钢上升
- 引入提升气膨胀产生浮力增大液钢入口吸管上升速度
- 液钢室内脱气经另一吸管回钢包。脱气钢比钢包钢稍冷。密度差（冷液钢密度大）产生浮力搅拌浴
- 圆柱室液钢循环速率控制脱气。循环速率取决提升气量和真空度。110吨液钢20分钟循环速率12吨/分钟脱气。Ar比耗~0.075 m³/吨
- 视过热度脱气末期可加铁合金
RH优势：①热损失相对低；②合金加入可更精确调整；③抽真空体积较钢包-钢包或流式脱气小，较小真空泵抽速足够。
DH脱气工艺：每次脱气总液钢质量10-15%，重复至达要求脱气程度。装置布局类似但：①DH圆柱容器单吸管；②容器有加热装置。DH室配加热、加合金、排气系统。容器底部吸管可浸入液钢。上部耐火粘土砖、下部Al₂O₃砖。吸管高质量Al₂O₃砖。吸管长度足够实现大气压对钢上升效果。操作步骤：
- DH室预热降入钢包吸管尖浸入液钢面下
- 抽真空室上下移动使钢入室
- 室移动50-60次，循环周期20秒
- 20-30循环可达充分脱气
- 钢包保留渣层减少热损失
- DH有加热装置可比RH低过热度操作
钢包/罐式脱气
钢包置真空罐中，惰性气搅拌同时抽真空。或钢包周边密封装盖形成真空室。
罐式脱气可无电弧再热处理液钢。两种搅拌系统：①液钢浴感应搅拌；②钢包底透气砖氩气鼓泡搅拌。
罐式脱气用于：①降低液钢溶解气体浓度；②均匀化液钢成分和浴温；③除去液钢氧化物夹杂物；④提供有利于脱硫技术条件。硫去除通过渣金属反应，真空包络内强氩冲洗（鼓泡）促进。罐式脱气要求：①真空罐快速抽真空；②维持真空同时抽出大流量惰性气体；③即时可用性；④防尘；⑤恶劣条件下安全操作。
钢包底部透气砖吹氩。钢包置真空室。真空室配料斗按需添加元素。搅拌气体从顶部通过浸入式耐火管或钢包底透气砖引入。全镇静钢有效脱气最好通过钢包底吹氩。搅拌浴增强气体去除速率。剧烈去气致液钢飞溅。故钢包不装满，保留~25%高度自由板容纳飞溅液滴。压力维持1-10 mm Hg有效脱气。脱气中加脱氧合金。某情况钢包加热补偿脱气热损。为脱气有效，初炼炉带入渣须尽可能低。带入渣含FeO，钢氧含量与渣FeO平衡，钢氧含量升高。
钢包脱气基本要求：①钢包足够自由板容纳真空诱导渣钢沸腾；②惰性气渗透钢浴搅拌、夹杂分离、增强真空脱气性能；③钢足够过热度避免结壳；④钢包在真空罐内有添加剂输送手段。
钢包定位真空罐内时建立氩连接。真空泵系统抽真空罐至操作压力。排放经真空泵系统收集于泵前或排入带堰墙混凝土热井水中。工艺气体含夹带在中冷凝器排水中的气体经电机驱动风机排热井通过带燃烧器火炬排气筒。热井水泵入接触水系统冷却塔。
重要钢包脱气工艺示意图3所示。
主要真空脱气工艺详解
真空脱气（VD）工艺
简单钢包脱气装置带合金加入功能。真空泵系统建立真空，压力低至0.5 mm Hg。工艺能力：①液钢浴温度成分均匀化；②化学成分微调；③改善脱氧降低H₂、N₂、O₂含量。直接从初炼炉经VD处理的热脱硫是大问题。但通过确保送VD前钢包低渣和强化渣金属混合可解决。
真空电弧脱气（VAD）工艺
VAD为罐式脱气加电极再热液钢。单元工艺：钢包坐真空罐，底部透气砖惰性气搅拌，带电极加热和合金加入。钢包液钢加石灰后，250-300 mm Hg压力下电弧升温熔融石灰，随后短时脱气、成分调整加入、深度脱气至1 mm Hg低压。全操作步骤持续Ar搅拌，不同操作调整流量。升温速率3-4℃/分钟，加热期间Ar流量保持低侧。真空下C-O₂反应和高温电弧下C-Al₂O₃反应助获低氧含量无固态反应产物。因Ar强化传质和CO稀释降低H₂分压，H₂低至1.5 ppm。主要优势：脱硫度高达80%，生产硫低至0.005%钢。VAD现为生产洁净钢广泛用工艺。
ASEA-SKF工艺
集成处理单元组：通常含分离脱渣、电弧加热、真空处理单元。重新倒包除渣防止脱磷后再磷，后加铁合金。电弧加热升温补偿合金加入冷却效应，后真空脱气降氧、脱氢达H₂低至1.5 ppm。采用电磁搅拌助浮夹杂生产洁净钢。现ASEA-SKF单元引入基本惰性气搅拌实现脱硫。
真空氧脱碳（VOD）工艺
VOD为罐式脱气额外配氧枪。额外氧供应用于：①超低碳不锈钢生产（强制脱碳）；②配合Al/Si（硅）添加化学加热液钢（VD-OB工艺）。真空泵设计更高容量应对增加脱气量。
VOD被视为生产不锈钢重要真空工艺。主要适用要求极低C、N₂、H₂水平特殊不锈钢。钢包置真空室，配真空密封氧枪和合金加入。基本工艺：碳优先氧化于铬前致铬损失最小。
因钢包自由板减少，液钢初始碳含量须≤1%。氧枪100-250 mm Hg注氧。Si先氧化后碳。脱碳通过共沸起始由初始温度和液钢Si含量决定。恒定脱碳速率取决氧流量。监测CO/CO₂比，浴碳0.08%时比值急增。超此碳限，脱碳速率独立氧流量下降伴随铬同步氧化。停止吹氧降压继续Ar搅拌促进溶解氧与剩余碳反应。报道剧烈搅拌可降碳至0.005%，总C+N₂<0.015%。
精炼序列一般由氧流量变化、枪尖-浴面距离控制、真空压力控制、Ar流量控制组合控制。加足量石灰和Al助液钢优异脱硫。
真空泵系统
真空泵系统是液态钢真空脱气工艺驱动力。建立真空三基本型真空泵系统：①带必要冷凝级蒸汽喷射器；②蒸汽喷射器组合水环泵；③干式机械泵系统。各有优劣。蒸汽喷射器恒质量流量基础工作，水环真空泵恒体积基础工作。联用可达经济盈亏平衡点发挥各最佳特性。蒸汽喷射器及蒸汽喷射器配水环泵真空泵系统见图4。
选择真空泵系统因素：
- 待除溶解气体量。绝对压力、钢化学成分、Ar流量均影响真空泵系统除气速率。
- 系统设计压力下“干空气当量”负荷。
- 系统在不同压力下需满足负荷（如脱气系统要求）。
- 系统涉及体积。
- 大气至深真空工艺时间要求。
- 系统最终绝对压力。决定所需级数。
- 所需Ar量。决定搅拌能量和溶解气体去除速率。
- 系统空气漏入率。
- 蒸汽喷射器系统蒸汽压力温度。
- 蒸汽喷射器系统冷却水温度。
- 蒸汽和电力成本
每套脱气系统须设计满足特定真空脱气工艺要求。
制造工艺