（1）不可忽视有些工厂采用钢液炉外精炼的必要性

1）为提高钢的力学性能，特别是钢的韧性，不可忽视采用钢液炉外精炼技术来提高该钢种钢液的纯净度。钢液炉外精炼是将由电弧炉、感应电炉、转炉或平炉中初炼的钢液移至炉外精炼装置中，继续完成一些必要的精炼任务，目的是去除钢液中的气体和非金属夹杂物，降低硫、磷含量，调整化学成分和温度，创造最佳浇注条件，从而在提高钢液冶金质量基础上，确保要求高的钢铸件，特别是大型钢铸件质量，并提高生产效率。

已知铸钢件的内在质量与钢液的纯净度有很大的关系。近年来，国内外在生产高强度钢和超高强度钢方面，日益强调对钢中气体和非金属夹杂物的控制，提出了“清洁钢”的要求。在一般的炼钢方法中，为了清除钢液中的气体和夹杂物，是利用脱碳反应形成的钢液沸腾，为此就需要使钢液强烈地氧化。接着为了除去钢液中残余的大量的氧，就需要对钢液进行脱氧。因此又产生大量的夹杂物，这是在一般炼钢方法中难以解决的矛盾。采用炉外精炼方法，以真空和惰性气体气泡的作用实现精炼过程，从而免除了采用脱氧剂进行脱氧的工艺要求，这就从根本上改革了炼钢工艺，而所炼得的钢液在纯净度方面大幅度提高，因而钢的力学性能，特别是韧性有很大的改善。

表3-136 碱性感应电炉不氧化法炼钢中合金元素收得率

表3-137 碳钢、ZG1Cr18Ni9Ti钢、ZGMn16Al3Si2钢碱性感应电炉冶炼工艺

（续）

①在还原期，往炉渣面上加的脱氧剂，对碳钢来说，其脱氧剂的质量比为：石灰粉∶炭粉=2∶1；对ZG1Cr18Ni9Ti钢来说为石灰粉∶铝粉=2∶1；对ZGMn16Al3Si2钢来说为石灰粉∶氟石粉=2∶1。

2）为顺利冶炼出既具有低碳（w（C）≤0.06%）、超低碳（w（C）≤0.03%），甚至极低碳（w（C）≤0.01%），又不增加其氧含量的钢液，决不可忽视采用钢液炉外精炼技术。在一般的炼钢条件下，钢的碳含量难以降得很低。这是由于在钢液中存在有碳-氧平衡关系（见图3-114）。如果要钢的碳含量很低，则钢中的氧含量必然很高。为此将会加重还原期脱氧的负担，并使钢的质量恶化。采取炉外精炼技术，依靠真空和惰性气体的作用，可以做到既降低碳量，又不增加氧。因为一些研究和冶金生产实践已证明，将在大气条件下冶炼的钢液，连同盛钢桶一起，放置在真空装置内，由于改变了C-O平衡关系，使得钢液碳含量进一步降低，并实现在真空下碳脱氧的过程+[Fe]}。例如炉外精炼常使用氩气作为隋性气体，氩不溶解于钢液，且不与钢中的元素反应，不会形成非金属夹杂物。吹氩所形成的钢液沸腾，不仅能清除钢液中溶解的气体和非金属夹杂物起净化作用，而且还能起到一定的脱氧作用。其原理是处于钢液中的氩气泡内CO的分压力为零，因而促使钢液中的碳与氧化亚铁进行反应，从而氧被脱去。图3-115所示是碳（以及锰、硅、铝）在不同真空度下的脱氧能力。因此将氩气（有时还吹氧）和真空结合，可从根本上解决低碳型（w（C）≤0.06%）和超低碳型（w（C）≤0.03%）钢的冶炼问题。

图3-114 在1700℃和不同CO压力下，C-O之间的平衡关系

3）为精确控制某些合金钢的化学成分，最大限度地降低所需合金元素的熔炼损耗，不可忽视炉外精炼技术。在采用电弧炉与炉外精炼相结合的炼钢工艺中，合金元素一般都是在炉外精炼过程中加入的。在真空或惰性气体作用下，合金元素的熔炼损耗极轻微，因而合金元素的吸收率极高，同时也便于准确控制钢的化学成分。因此炉外精炼技术的开发和发展，对满足工业各方面不断增加的高质量合金钢的需求，具有十分重要的意义。

图3-115 不同真空度下，钢液中碳-氧反应的平衡值（1873K）

（2）不可不知当前钢液炉外精炼可供选用的部分技术

1）为提高盛钢桶（钢包）吹氩精炼法净化钢液的效果，不可无促使氩气泡细小而分散的透气砖（塞）[也叫多孔塞砖]；氩气压力也不可太大。吹氩工艺具有设备投资少、操作成本低、操作简单等优点，目前已被广泛地应用于钢的温度调整和夹杂物去除等方面。

采用盛钢桶（俗称钢包）吹氩的方法基本上可以分为两种方式：一种是顶吹氩枪方式，一种是使用包底透气砖（塞）。图3-116所示是一种盛钢桶吹氩装置示意图。吹氩是通过包底透气砖（塞）进行的，采用具有一定孔隙度的透气砖（塞）或多孔塞砖，其目的在于使氩气通过透气砖时，能在钢液中形成细小而分散的氩气泡，以减缓气泡在钢液中的上浮速度，使大量细小氩气泡在其上浮的过程中，将钢液中的氢、氧、氮等气体和悬浮在钢液中的非金属夹杂物清除掉，从而起到提高净化钢液的效果。吹氩前后钢液含气量的变化如图3-117所示。透气砖（塞）的结构如图3-118所示，是由耐火度很高的高铝质[刚玉（Al₂O₃）和莫来石（Al₂O₃·2SiO₂）]或镁质材料以及粘结剂和附加剂所组成的混合料压制成坯，并在高温下烧结而成。在透气砖（塞）的下部包有一厚1～1.5mm的铁皮，底部开有一小孔并与管子一端相焊接，管子的另一端有细纹，可以用活接头连接耐压橡胶管。

图3-116 盛钢桶（钢包）吹氩示意图

1—氩气瓶 2—减压阀 3—耐压橡胶管 4—透气砖（塞） 5—活接头 6—盛钢桶支架 7—钢液 8—炉渣

图3-117 吹氩前后钢中含气量的比较

图3-118 吹氩用透气砖（塞）

吹氩枪则是由厚壁钢管和高铝（或粘土质）砖组成，顶端装有透气砖（塞）。氩枪装在吹氩台的升降机上，吹氩台结构示意图如图3-119所示。

大气压下吹氩时，为了达到搅拌钢液去除夹杂物的目的，且要减少大气对钢液的二次氧化，要求氩气压力不要太大。一般以能克服钢液的静压力（根据钢液高度而定），刚好能在透气砖表面形成气泡为宜。随钢液量不同，吹氩压力随之而改变，一般在0.1～0.3MPa之间。

图3-119 吹氩台

1—吹氩平台 2—氩枪 3—流量计

盛钢桶加盖吹氩后，桶内气氛很快就变成还原气氛，故在钢液温度允许的条件下，可以适当增加吹氩量，或延长精炼时间。足够的吹氩量，可以保证钢渣之间的良好搅拌，促进夹杂物上浮，特别是加速Al₂O₃的上浮速度。

吹氩处理时钢液的降温速度因钢液量的多少而不同。经验数据为：处理10t钢液时的平均降温速度为8℃/min左右；处理18t钢液时的平均降温速度为6.5℃/min左右。

2）为使钢液通过炉外精炼具有良好脱碳与净化作用，以便利用廉价的高碳和返回钢生产低碳和超低碳不锈钢，不可忽视选取氩氧脱碳精炼法（AOD法）。当钢液采用氩气和氧气联合吹炼时，具有良好的脱碳与净化作用。这种方法称为氩氧脱碳精炼法或AOD（Argon-Oxygen Decar-burization）法，其所用的典型设备如图3-120所示。采用氩氧脱碳精炼的过程如图3-121所示。

①将≥1560℃高温钢液装入AOD容器中。

②回转容器至竖直位置，通过侧壁下方的风口吹入被氩或氮稀释了的氧气进行吹炼，即使吹炼操作进入氧化期，一般可分为三个阶段，目前也有四个阶段的。第一个阶段喷吹的氩氧比例为1∶3左右，碳的质量分数可脱至约0.3%；第二阶段氩氧比例为（1∶2）～（1∶1），碳的质量分数可降至0.09%～0.12%左右；第三个阶段氩氧比为（3∶1）～（2∶1），碳的质量分数可降至0.02%左右。吹炼过程中，O₂/Ar比的变化工艺类型，各厂有所不同，情况见表3-138，由表可以看出，O₂/Ar比有由原来的三级变为四级的趋势，同时O₂/Ar比中氩的比例也有加大趋势。当吹炼w（C）≤0.01%的钢种时，O₂/Ar比四级可为1∶4。当冶炼不要求低氮时，则可以用低纯度氩气或部分氮气（40%～70%）代替纯氩。

图3-120 AOD法精炼装置示意图

1—加料，取样，出钢口 2—转轴 3—吹氩、氧用风口

图3-121 AOD法精炼过程示意图

AOD法的吹炼过程从冶金反应方面可大体上分为三个阶段：

a.吹氧阶段：吹炼初期，钢液碳含量较高，吹氧脱碳反应顺利进行。碳的氧化有以下两种方式：

表3-138 AOD炉O₂/Ar比的变化

经过一个阶段的吹炼，碳的氧化反应接近平衡。

b.吹氧氩混合气体阶段：由于气泡中含有Ar气，降低CO分压力，因而改变了原来的C-O平衡关系，促使脱碳反应进一步进行：

其结果是使钢液碳含量进一步降低。

c.吹氩阶段：由于停止供氧，故钢液中的FeO量不再得到补充。更由于吹氩促进钢液中碳的进一步氧化，实现了碳脱氧的过程。所以在吹氩阶段中钢液碳含量更进一步降低。

在整个吹炼过程中，生成的CO气泡和氩气泡一起对钢液进行搅拌，清除钢液中原有的气体（H、N）和非金属夹杂物。碳和氧反应产生的热量使钢液温度上升。而吹炼用混合气体成分的变化，可根据从容器中排出的炉气成分，用电子计算机进行自动控制。

氧化期完成后进入还原精炼期。吹炼过程中有质量分数为2%左右的铬被氧化。加入硅铁和石灰作还原剂，并用氩气进行强烈搅拌，由于渣钢之间反应强烈，反应进行比较完全，故铬的收v得率可达98%～99%，锰的收得率为90%。另外，由于还原期有碱性还原渣，高温和强搅拌的条件，可以容易地把硫脱至质量分数为0.01%的水平。

③化学成分和温度达到要求时倾炉出钢。

采用AOD法精炼可得到以下效果：

①化学成分控制准确。因为AOD炉发生的全部化学反应均可用相当精确的方法预先计算，所以最终化学成分的控制可以非常准确。碳的质量分数可控制在±0.005%范围内，硅、锰的质量分数可控制在±0.04%范围内。此外，氩氧脱碳可有效地去除钢中有害元素铅、锑、铋、锡等，对改善钢的加工性能和提高钢的表面质量有利。

②钢中气体含量低。AOD炉在吹炼过程中吹入氩气、氧气，改善了热力学条件和动力学条件，有利于气体的排出。

③钢中非金属夹杂物含量减少。由于钢的纯洁度提高，硫和氧的含量很低，氧化物和硫化物的含量减少，夹杂物自然就减少。

④提高钢的力学性能。用AOD精炼钢的塑性有所改善。

AOD法生产不锈钢与电弧单炼法相比，具有以下优点：(www.daowen.com)

①容易生产低碳和超低碳不锈钢。

②可以利用廉价的高碳和返回钢生产不锈钢。

③设备简单，操作方便，基建投资低和经济效益显著。

3）为便于使用高碳铬铁等廉价原料生产低碳和超低碳不锈钢，不可忽视选用钢液炉外精炼技术中的真空吹氧脱碳法（VOD法）。真空吹氧脱碳（Vacuum Oxygen Decarburization）法简称VOD法，其要点是，在真空条件下，从盛钢桶（钢包）顶部吹入氧气，同时从钢包底部通过透气砖（多孔塞）吹入氩气搅拌钢液，降低CO分压，加速氧-碳反应，可在抑制铬氧化的情况下，进行脱碳精炼。此法主要用于不锈钢生产。图3-122所示是VOD法设备简图，包括真空抽气设备、氧枪、VOD炉、真空室、合金加料装置。用该法熔炼超低碳不锈钢其操作过程如下：

①在初炼炉（电弧炉或感应电炉）中熔化炉料、预脱碳、还原并脱氧。为了更多地利用廉价的高碳铬铁，可增高炉料的配碳量（质量分数）到1.5%。初炼炉操作有两种作法：一种是将炉料全部熔化后再进行下一个脱碳操作；另一种是炉料70%熔化后即开始脱碳操作。前种方法的优点是铬的熔炼损耗小和氧耗量少，其缺点是熔化时间长和电耗高。调整化学成分，将碳的质量分数调整至w（C）=0.3%～0.4%，硅w（Si）≤0.3%，P、S调到规范以下。为了回收铬及脱硫，要对炉渣进行还原，还原剂一般使用含硅合金。出钢时还原渣要求流动性良好，并保证一定的温度。

图3-122 VOD炉本体简图

1—透气砖（多孔砖） 2—真空室 3—盛钢桶 4—真空抽气管 5—盛钢桶盖 6—真空盖 7—合金料斗 8—氧枪 9—取样测温装置 10—密封圈 11—钢液 12—滑动水口

②将初炼钢液倒入VOD盛钢桶（钢包），扒渣，使渣量≤0.5%。测定钢液自由空间高度，以准确控制氧枪高度。

③将盛钢桶放入真空罐，并开始供氩。

④进行吹氧预脱碳，并使硅渣化。

⑤在真空条件下进行吹氧脱碳：当使用水冷氧枪时，氧枪高度应高于液面1m左右，氧气压力为0.8～1.0MPa，氧气流量为900m³/h左右，吹氧时要保持一定的抽气量和真空度。采用拉瓦尔喷枪吹氧时，由于喷射流具有较大动能，因而允许氧枪提升到钢液面以上1.60m的地方进行吹氧，以提高氧枪寿命。通过吹炼终点控制仪表控制吹炼终点。一般可以从废气温度和真空罐内压力开始明显下降进行判断，也可以根据钢液成分和加料情况计算出耗氧量等进行判断。

⑥停氧后，立即提高真空度，进行真空碳脱氧。这个过程需要在133Pa以下保持10～15min。

⑦调整成分和造渣。

⑧在真空条件下进行还原，真空度应大于67Pa，保持一定时间后加铝粒进行脱氧。

⑨真空处理后加铝进行终脱氧。

经VOD法精炼处理其效果如下：

①气体含量明显低于电弧炉钢液：VOD炉与电弧炉冶炼的不锈钢气体含量比较见表3-139。

表3-139 VOD炉与电弧炉冶炼的不锈钢气体含量比较（质量分数，×10^-4%）

②非金属夹杂物含量：VOD炉精炼过程中，由于吹氩搅拌促进了夹杂物上浮，因而可以获得很纯洁的钢液。氧化物、氮化物、钛化物都能大幅度下降。

③脱硫：脱硫效果比较明显，脱硫率与原始硫含量，扒渣量程度及还原渣情况有关，一般最低脱硫率为20%，最高为80%，平均脱硫率为50%～60%，硫的绝对值（质量分数）可小于0.005%。

④合金收得率：VOD炉冶炼时，铬和钛的收得率都较高，其与电弧炉钢液的比较见表3-140。

表3-140 合金收得率比较（%）

⑤经济效益：由于在真空下吹氧脱碳，不仅降碳保铬效果好，而且作为初炼炉的电弧炉生产率大为提高，与电炉沉淀法相比，生产率提高30%。同时，由于用VOD炉冶炼时，可采用廉价的合金返回料代替昂贵的低碳铬铁，较之电炉冶炼低碳、超低碳不锈钢有明显的经济效益。

从上述工艺及效果可知，VOD法具有的特点如下：

①可以使用高碳铬铁等廉价原料生产低碳不锈钢。

②可节省用来回收氧化铬的还原元素。

③脱碳反应快。

④能将碳含量脱得很低（w（C）＜0.01%），而铬的氧化很少。

⑤可采用特殊的技术实现真空碳脱氧、脱硫除氢、使钢液达到很高的纯洁度。

VOD法的缺点是没有外来热源，准确控制温度有一定困难。同时，由于大量吹入氧气，钢液喷溅严重，使盛钢桶寿命降低。

4）盛钢桶电弧加热精炼法，简称为LF法，为便于选用，不可不知其设备梗概，具有的独特的精炼功能、效果及其用途。盛钢桶（钢包）电弧加热精炼法采用盛钢桶（钢包）精炼炉LF（Ladle furnace），简称为LF法，具有真空、电极加热和炉底氩气搅拌三大功能，是20世纪70年代出现的新型精炼设备。该法的装置如图3-123所示，主要由精炼盛钢桶（钢包）（包底部装有多孔塞吹气装置）、加热炉盖（包括加热用电极及附属用的电气系统）、真空炉盖（包括附属蒸气喷射泵和附属的控制系统）、调整化学成分用的原材料添加装置、钢包移动装置以及除尘系统等部分构成。新设计的LF钢包盖上安装了氧枪，可向包内钢液吹氧，用于降低碳含量；在钢包盖上或包侧安装了喷嘴，可向包内喷吹粉料，进行喷粉处理；还可以将喂线设备与钢包连接，进行喂线精炼处理等。是具有多种精炼功能的最典型的一种精炼设备，适用于冶金和重型机械制造工业中较大容量钢液精炼，国内重型机械制造企业已有35～170t的LF炉10余座，多应用于动力工程和大型铸件纯净钢的精炼，但在铸钢生产企业应用尚不太多。这种精炼炉是1971年由日本首先开发成功的。炉的结构复杂、庞大，我国已能制造25～130t容量的LF炉。

LF盛钢桶精炼炉有以下四个独特的精炼功能：

①氩气搅拌：氩气搅拌加速钢-渣之间的化学反应，有利钢液的脱硫、脱氧，还可以促进非金属夹杂物上浮，特别是Al₂O₃类型的夹杂物。吹氩搅拌的另一个作用是可以加速钢液的温度和成分均匀。

②埋弧加热：LF（V）精炼炉一般是采用三相石墨电极进行加热，加热时电极插入渣层中，即采用埋弧加热法。这种方法辐射热小，对炉衬有保护作用，且加热的热效率高。要达到埋弧的目的，就要有较大厚度的渣层，但是精炼过程又不允许渣量过大，这就要求造泡沫渣。目前造还原泡沫渣的基本方法，是在渣料中加入一定量的石灰石等。

图3-123 LF精炼法装置（LF炉）示意图

1—加热炉盖 2—加热电极 3—电弧 4—钢液 5—滑动水口 6—移动车 7—透气塞 8—真空炉盖 9—真空接管 10—加料孔

③渣精炼：LF（V）炉与其他真空除气精炼法不同，渣在LF炉内具有很强的还原性，这是炉内良好的还原气氛和氩气搅拌的结果。通过渣精炼（后期为白渣），可以去除钢中氧和硫，并降低夹杂物含量。一般渣量为钢液质量分数的2%～5%。

④炉内气氛控制：在精炼时，即使在不抽真空的大气压下进行精炼时，由于盛钢桶上的水冷法兰盘与水冷炉盖之间的密封作用（橡胶圈密封），再加上加热时石墨电极与渣中FeO、MnO、Cr₂O₃等氧化物作用生成CO气体，增加了炉气的还原性。

上述LF炉的四种精炼功能，它们是互相影响、互相依存与互相促进的（见图3-124）。

钢液通过真空除气精炼，达到的效果有：

①除氢：一般合金钢和轴承钢除氢率为50%～60%，氢质量分数可降到（2.5～3.0）×10^-4%。

②脱氧：脱氧率为40%左右。

③脱氮：脱氮率为15%左右，氮质量分数可降至50×10^-4%。

④脱硫：脱硫率为50%～70%，硫的最低质量分数可达0.005%以下。

⑤力学性能：明显提高了铸钢件的力学性能。

⑥钢液质量：提高钢液的冶金质量，夹杂物质量分数可下降40%，表3-141为GCr15轴承钢精炼前后夹杂物含量的变化。

LF炉作为精炼设备具有下列用途：

①LF炉与电炉相连，加快了电炉的生产周期并提高电炉钢质量。

②LF炉具有保温钢液的性能，可以利用小炉子生产大钢锭，或将一炉钢液浇注成数个成分不同的钢锭。

③LF炉能准确调节钢液的成分和温度，对钢的淬透性有利。

④LF炉能加热和对钢液保温并能长时间的存放钢液，可以保证连铸的顺利进行。因此是连铸车间不可缺少的设备。

图3-124 LF炉各精炼功能的相互关系

表3-141 GCr15轴承钢夹杂物变化（质量分数，%）