金属材料生产工艺

（2）降氮的实践
氮分子从气相向气体－金属界面的传质
N2气
N2气 N2气 [N 2 ] 吸
N2气
2N气
[N 2 ] 吸
2[N]吸
2N气
2[N]吸 2[N]吸 2[N]液
2[N]液 2[N]
萨凡尔斯公式：
{N2}=2[N]
1 A 1 Lg[%N]=lgK[N]+ lgP{N2}=－ +B+ lgP{N2} 2 T 2
铁水物理热＋元素氧化化学热
冶金特点：
（1）生产效率高 例如：300吨转炉1炉钢只要42分钟， 实际吹炼时间只要12分钟。 （2）产品质量好 （3）经济效益好
（4）容易实现自动化控制，产品质量稳定。
存在问题：
（1）操作频繁 （2）烟尘大，必须除尘
2、电弧炉炼钢
外加热源：直流或交流电弧
冶金特点：可造还原期，脱O、S及合金化优点明显，是合金钢厂主要冶金设备 氧化期脱P条件好。
缺点：
（1）坩埚反应 （2）基本不能去磷
四个条件：
（1）设备 （2）原料 （3）工艺 （4）坩埚
四个关键：
（1）高真空 （2）高温精炼 （3）熔化期长 （4）精炼期短
四个操作：
（1）送电搅拌 （2）低温合金化 （3）中温出钢 （4）带电出钢
4、VAR（真空电弧重熔） 原理：
真空、高温电弧、薄层熔化、 熔滴过渡、在水冷铜结晶器 里凝固
配炭量＝C的中限＋(每分钟降炭量）×氧化期时间
3、脱硫
（1）硫的危害
对于高温合金而言，一是形成有害的硫化物，二 是偏聚在晶界造成晶界的弱化，最终导致合金塑性的 降低和高温持久性能的急剧下降。最终导致合金的成 材率和收得率降低。
例1：1988年5月美国Cannon-Muskegen奎克来华讲学时提供了 一张Ni-S塑性图。
优点：
去气、去有害金属杂质、无 渣及耐火材料污染、改善了 结晶组织
ຫໍສະໝຸດ Baidu
缺点：
不能脱硫、表面及结晶组织 不如ESR。
VAR的新进展：
氦气冷却VAR
5、ESR（电渣重熔） 原理：
渣阻热、渣池活跃、薄层熔化、熔 滴过渡、水冷铜结晶器凝固
优点：
（1）去夹杂 （2）脱硫 （3）表面质量好 （4）结晶组织好、塑性好 （5）操作灵活
（2）脱硫的实践
脱硫有如下三种主要方法： （1）气化脱硫 [S]+{O }={SO }
2 2
此外，还有CS、COS、CS 等气相产物，真空下S 也会有少量的蒸发进入气相。
2
（2）沉淀脱硫 x[Me]+y[S]=(MexSy) Me通常为Ce、La、Ca、Ba、Mg （3）炉渣脱硫 [S]+（O ）=[O]+（S） f[S] . γ (O=) (%S) Ls= ＝K’ f[O] .γ (S=) [%S]
金属材料生产工艺概论
北京科技大学 胡尧和
绪论
成分 组织结构 工艺 性能
冶 炼 （ 浇 注 ）
压 力 加 工
热 处 理
机 焊 加 接 工
一、金属材料冶金质量的评价
1、化学成分“准”
2、纯洁度“净” 3、铸态组织“好”
（一）化学成分“准”
1、符合技术条件 2、最佳成分控制
例：GH132采用电子空位数控制σ 相析出 ΔNv=[Ni]-3[Ti]-3.5[Al]-1.7[Si]-0.9Cr-4.7
2、脱炭 钢水中：[C]+[O] ={CO} [C]+2[O]={CO2}
1 吹O2：[C]+ 2 {O2} ={CO}
[C]+ {O2} ={CO2} 加铁矿石:(FeO)+[C]={CO}+[Fe] 作用：
(1)降C，合金成分中限 (2)炭氧反应沸腾搅拌加速传质、传热、去气、去夹杂 (3)真空下炭脱氧 (4)去炭保Cr炼不锈钢 (5)炼钢热源之一
影响因素：
（1）T ↑，[%N]↑ 齐钢电弧炉的实验：
出钢T，℃ [N]，％ （2）气相分压力 P{N2}，mmHg 760 1 0.1 [N]，％ 0.045 0.002 <0.001 （3）金属与气体的本质决定A,B值 1500 0.075 1520 0.079 1515 0.080 1535 0.128 1570 0.161
[N]向金属－气相界面迁移→ 穿过边界层→ [N]原子在表面吸附→ 吸 附的氮原子分子化→ 形成的N2分子解析→ 氮分子穿过气相边界层从 表面排除。
a)高真空、强搅拌 b)利用真空下的炭氧反应 c)吹氩清洗 工业实施 a)净化原材料 b)改善冶炼工艺
6、去夹杂
浮升法：斯托克斯公式
V=
2 9
1 · · 2 · 金－γ 夹) r (γ η
（4）合金元素的影响
a[N]=f[N] · [%N]
交互作用的参数： ei
j
Mn(-0.02) Al(-0.028) Cr(-0.047) Nb(-0.06) V(-0.093) Ti(-0.53)
降氮动力学： A C=C0exP(－D/δ · ·τ ) V
脱氮实践
氮的去除主要是由解吸过程完成的。
3、真空感应熔炼 （1）非真空感应炉
热源：感应加热 E=4.44×10 -8 φ · ·n f 集肤效益： δ =2030 μ ρ f 电磁搅拌 作用： a.熔化 b.调整成分 c.控制温度 d.部分脱氧脱硫
（2）真空感应炉
优点：
（1）化学成分控制好 （2）去气 （3）去除有害金属杂质 （4）特种冶炼的基础
当前短流程生产的基础条件：
超高功率电炉－炉外精炼－连铸－直接轧制，从废钢入炉到成品仅需3小时。
宝钢三炼钢厂150吨直流电弧炉
连铸
优点： 1、收得率高 2、机械化程度高 3、效益好 缺点： 1、非金属夹杂物问题 2、各种裂纹
炉外精炼
1、渣洗法 2、稀释法 AOD、CLU、LF 3、真空法 VOD、VAD(VHD)、 RH-OB、DH等
MgO CaO
4、脱磷
炉渣氧化法脱磷：P→ P +5
2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3CaO · 2O5)+5[Fe] P 脱磷的影响因素：三高一低 三高： R、(Σ FeO)、大渣量 一低： 低温脱磷 还原法脱磷：P →P
-3
3[Ca]+2[P]=(Ca3P2)
5、降氮
（1）氮的危害 氮化物导致疲劳性能下降、氮会引起偏析，国际 上已提出要求将高温合金中的氮控制在溶解度的 范围以内，以抑制氮化物的析出。
具有良好的结晶组织，小的二次枝晶间距，
轴向发展的柱状晶。
VAR氦气冷却必要性、电极退火的重要性。
二、冶金基本原理
添 加 剂 气 氛
金属熔体
炉 渣
炉 衬
以EAF为例：
添加剂
（炉渣）
{气氛}
炉衬 [金属熔体]
炼钢的基本任务
O
C
S
P
四脱二去一化
气体、夹杂
合金化
1、脱氧
（1）沉淀脱氧 x[Me]+y[O]=(MexOy) （2）扩散脱氧 (FeO)+[C]={CO} （3）综合脱氧：先沉淀、后扩散 （4）真空下炭脱氧：[C]+[O]={CO} （5）真空下氢脱氧：{H2}+[O]={H2O}
缺点：
（1）电耗高 （2）铝、钛易烧损
关键：渣系
ESR的新发展：
保护性气氛ESR 快速电渣炉等
谢谢！
北京科技大学 胡尧和 2007.7.
3、最佳微量元素
（二）纯洁度“净”
1、非金属杂质S、P
例：进口的Allvac Waspaloy棒，盘中S均小于0.0003%。
2、气体H、N、O
例：进口的Allvac Waspaloy棒，盘中O均小于0.0002%， N=0.0028％
3、非金属夹杂物
4、有害金属杂质
例1：进口的Allvac Waspaloy棒，盘中Pb<0.0001%，Bi<0.00001％， Se<0.00005%，Ag<0.0001%，Si=0.04%，Mn=0.02%
＝ ＝
. N(O=) . [%O]
影响因素：
N L a）渣成分 R↑ ， (O=)↑，γ (S=) ↓，s ↑
L b)（FeO↑），[%O] ↑， s↓ c)搅拌钢渣接触面大，动力学条件好， Ls 增加 Ls ↑ d)真空熔炼时[％O] ↓↓，↑ 氧化钙坩埚脱硫 3(Cao)+2[Al]+3[S]=3(CaS)+(Al2O3 )
例2：1991年6月，M.SingLetum，P.Nash，and K.J.Lee 三人的 一篇文章中指出，硫在Ni中具有强烈的晶界偏聚作用， 9ppm S在Ni中就具有脆化作用。 例3：长钢李守军硕士论文，In 690合金脱硫至12ppm管坯成材 率达到80％。他们厂U710脱硫至10ppm收得率从20％提 高到60％。
例2：于永泗论文，Pb>0.0002%，GH132就存在中温低塑性。
（三）铸态组织“好”
1、外在质量好 不短尺，不出短锭
不翻皮，夹渣，结疤
缩孔小，部位高，减少切头率
当采用三联工艺时，VIM铸造电极必需要除掉氧化 皮，否则会给ESR冶炼带来麻烦！
2、内在质量好
疏松少，气泡少，緻密
成分、组织均匀，偏析小
渣洗法：最好的办法是ESR 过滤法：如泡沫陶瓷过滤
7、合金化 合金元素加入时机、合金元素收得率 合金成分最佳量－钢中该元素成分 合金元素加入量＝ 合金中元素含量×收得率
8、挥发反应 [i]={i} Pi K= a(i)
9、铸锭《造块》“三分炼七分浇”
三、冶炼方法
1、氧气转炉炼钢 热源：自热炼钢