真空精煉是在低於或遠低於常壓下脫除粗金屬中雜質的火法精煉方法。真空處理的主要任務是脫氣，並通過鋼水循環使得非金屬夾雜物上浮、均勻鋼水成分和溫度，同時通過物料添加系統使其具有脫氧、脫碳、脫硫、脫磷、成分微調等多項冶金功能。工藝是與十九世紀以來迅猛發展的煉鋼技術(特別是轉爐煉鋼)密切相關的一種二次冶金技術。
基本介紹
- 中文名：真空精煉
- 外文名：vacuum refining
- 性質：火法精煉方法
- 作用：脫除粗金屬中雜質
- 任務：脫氫
歷史,概念原理,特點,工藝,輕處理模式,本處理模式,
歷史
隨著氧氣頂吹轉爐幾十年的發展，該種煉鋼法的生產節奏、鋼的冶煉品種與質量等都己基本挖掘到極限。而現代工業的發展，對鋼的產量、品種和質量等又提出了越來越高的要求，這就迫使煉鋼工作者尋求新的煉鋼工藝，於是產生了爐外精煉法(即二次冶煉)。爐外精煉是把由煉鋼轉爐初煉的鋼水倒入鋼包或專用容器內進一步精煉的一種方法，即把全部冶煉任務只由轉爐完成的一步煉鋼法，轉變為轉爐只承擔熔化、粗脫碳、去磷、初調成分及溫度等初煉任務，然後通過二次精煉，完成脫氣、脫硫、脫磷、脫碳、合金微調、溫度調整等功能的分步煉鋼法，從而大大地縮短了轉爐的冶煉周期，提高了鋼的質量，並能生產出用一步煉鋼法不能生產的某些鋼種(如超低碳鋼等)。實現了高效、低耗、優質和多品種的最佳化生產。爐外精煉法起始於二十世紀50年代初期，80年代後獲得了迅速發展。
真空處理是眾多的爐外精煉法中的一種，它是1957年由原西德魯爾(Ruhrstahl)和海拉斯(Heraeus)鋼廠聯合研製的真空循環脫氣精煉法，取兩公司名稱的首字母簡稱而來。
真空處理的主要任務是脫氣，並通過鋼水循環使得非金屬夾雜物上浮、均勻鋼水成分和溫度，同時通過物料添加系統使其具有脫氧、脫碳、脫硫、脫磷、成分微調等多項冶金功能。RH工藝是與十九世紀以來迅猛發展的煉鋼技術(特別是轉爐煉鋼)密切相關的一種二次冶金技術。
真空處理既是轉爐充分發揮效率的可靠保證，又是為連鑄提供優質鋼水、穩定連鑄生產的重要手段，同時在轉爐與連鑄之間起著重要的緩衝作用。
概念原理
這種方法在一定條件下還可綜合回收粗金屬中的有價元素。真空精煉除能防止金屬與空氣中氧、氮反應和避免氣體雜質的污染外，更重要的是對許多精煉過程(特別是脫氣過程)還能創造有利於金屬和雜質分離的熱力學和動力學條件。真空精煉主要包括真空蒸餾(升華)和真空脫氣。此外，人們也常把在真空下進行的碘化物熱離解法、歧化冶金以及化學氣相沉積劃歸真空精煉範疇。
真空蒸餾(升華)在真空條件下，利用各物質在同一溫度下蒸氣壓和蒸發速度不同，控制適當的溫度，使某種物質選擇性揮發和選擇性冷凝，來獲得純物質的方法。這種方法主要用來提純某些沸點較低的金屬(或化合物)，如汞、鋅、硒、碲、鈣、鎂、鈹及某些重稀土金屬等。純度為97.5%的金屬鋅，經一次真空蒸餾後純度可達99.94%；稀土金屬釓在真空度0.133kPa、蒸餾溫度2173K、冷凝溫度1373～1473K的條件下蒸餾，產品中雜質含量可降低1～2個數量級；工業純鎂經真空升華後純度可達99.99%。真空蒸餾亦可用於分離某些冶金中間產品以製取純金屬。如將鉛鋅合金、鋁鎂合金、釔鎂合金蒸餾分離製取純金屬，將稀有金屬氯化物鎂還原法或鈣還原法所得的產品蒸餾除去殘餘的鎂(或鈣)及其氯化物以製得純稀有金屬，混合硫化礦分離等。
特點
真空蒸餾與常壓蒸餾相比，具有蒸餾溫度低和蒸餾速度快的特點。
蒸餾溫度低
例如在常壓下鋅的沸點為1180K，其蒸餾溫度要在1273K以上，而在0.133kPa壓力下，沸點僅759K，因此蒸餾溫度可降到773～873K。降低蒸餾溫度一方面可以減少設備材料對金屬的污染，延長設備壽命；另一方面增大了金屬與雜質蒸氣壓的差距，提高了分離效果。根據特魯頓(Trouton)法則，物質的沸騰熵大體相等，可推出A、B兩物質蒸氣壓之比PBθ/PBθ與溫度的關係TA、TB分別為A、B的沸點，PAθ、PBθ分別為在TK時A、B的蒸氣壓，△Sθ為A、B的沸騰熵。當A的沸點比B低時，PAθ/PBθ隨溫度的降低而增加，即溫度降低使它們的分離係數增大，有利於兩者分離。
蒸餾速度快
物質的蒸發速度v為物質的蒸發速度，g/(cm2·s)；Pθ和P1分別為被蒸發物質的蒸氣壓和其在氣相的分壓，提高真空度便導致P1的降低，即蒸發速度加快。真空蒸餾過程一般在真空電阻爐或真空感應爐內進行。
真空脫氣 在真空條件下脫除氣體雜質，包括通過化學反應而使某些雜質以氣體形態的脫除，例如通氧使碳成CO而被脫除。真空脫氣於1938年開始在鋼鐵工業中套用，20世紀60年代後逐步擴展用於鉭、鈮、鋯、鉿、釩、鈦等高熔點金屬的提純。
真空在脫氣過程中的作用主要是降低氣體雜質在金屬中的溶解度。根據西韋茨定律，雙原子氣體在金屬中的溶解度與其在氣相中分壓的平方根成正比，因此提高系統的真空度，便相當於降低氣體的分壓，亦即能降低氣體在金屬中溶解度，超過溶解度的部分氣體雜質便從金屬中逸出而脫除。真空脫氣主要用於脫除金屬中的氫、氮和氧、碳。
工藝
真空精煉設備和操作隨著實際套用不斷發展，從單一的脫氫處理髮展為充分利用真空下的碳氧反應，於是出現了輕處理、本處理、深脫碳等處理方式。
輕處理模式
(1)輕處理的目的
利用真空狀態下的碳氧反應可使鋼水中碳和氧同步下降這一原理，轉爐在生產低碳鋁鎮靜鋼時適當提高終點碳，出鋼時鋼包內按沸騰鋼脫氧強度脫氧，這樣渣中氧化鐵降低，金屬收得率提高，停吹時鋼水殘錳提高，並可用高碳錳鐵代替中碳錳鐵。通過RH輕處理，使碳、氧同步下降，減輕了轉爐脫碳負擔，其脫氧產物(一氧化碳氣泡)不污染鋼水，而且上浮過程中使鋼水純淨度大大提高，最後僅用少量鋁終脫氧，鋁收得率高達70%以上而且十分穩定鋼水純淨度的提高，消除了連鑄堵水口事故。
(2)輕處理的操作要點
輕處理是在67~266mbar的低真空度下對鋼水溫度、成分進行調整，根據真空槽內鋼水沸騰情況適當調整真空度；
環流氣體流量由小(最大流量的60%)到大(最大流量的80%)；
當真空槽內鋼水沸騰情況逐漸微弱時加鋁終脫氧，加鋁後鋼水繼續環流3分鐘以上；
低碳鋁鎮靜鋼輕處理中的脫碳量約為0．04%，當轉爐出鋼[C]過高時，可以用頂槍吹氧脫碳。
本處理模式
(1)本處理的目的
真空脫氫處理是RH最傳統最成熟的處理工藝，又稱本處理。本處理的操作是在0.67mbar的真空度下，使鋼水以最大環流速度處理一定時間，使氫降到2ppm以下。
(2)本處理的操作要點
-鋼包應連續使用5爐以上，出鋼時耐材表面溫度應在1000℃以上；
-處理前鋼水成分在目標成分中下限，鋼水溫度不可過低；
-真空槽和浸漬管應處理3次以上，才能進行本處理；
-真空泵啟動後應在4分鐘內達到工作真空度，應採用預抽真空方式；
-處理前要檢查設備、頂槍、各密封圈的冷卻、法蘭等不得有漏水；
-合金微調後繼續在最低壓力下處理5分鐘以上。
深脫碳處理模式
(1)深脫碳處理的目的
具有優異深沖性能的高品質冷軋薄鋼板是最主要的高附加值產品，而鋼中固溶碳量嚴重影響冷軋鋼板深沖性能。同樣，碳在高牌號無取向電工鋼中也是導致磁性能惡化的主要元素。因此，要求處理要在儘可能短的時間內把W(C)降至很低範圍(30ppm以下)。
(2)深脫碳處理的操作要點
-確保最大的環流速度，即浸漬管及真空室狀況良好；
-不得使用含碳鋼包覆蓋劑；
-要求轉爐控制好出鋼溫度，儘量避免RH升溫造成處理時間過長：
-採取措施消除真空槽壁凝結的冷鋼，或處理超低碳鋼前3爐不處理中高碳鋼，而應處理低碳鋁鎮靜鋼。
