有一些钢,如轴承钢、耐热钢、超高强度导弹和飞机用钢和转子用钢,都有超过一般碳素钢和普通低合金钢更高的质量要求和严格的成分控制。特种钢的
生产要求具有真空感应或电重熔的能力。因为超纯净度的钢生产要求较长的持续冶炼和更大的合金添加量,以及在二次冶炼中对钢进行二次加热所必要的设施。这些方法提供了以下的好处:● 气体的含量(如氢、氮和氧)被大大地降低。● 纯净度得到提高,即非金属夹杂物更少了。● 由于采用钢的顺序熔化和凝固,消除由浇铸造成钢锭的心部疏松和偏析。● 金属的热变形加工性得到改善。● 提高了重熔钢在室温和高温下的力学性能,如塑性、耐冲击性、抗疲劳性和蠕变断裂强度。1、真空感应熔炼( VIM)
钢铁工业应用油芯型和无芯型两种感应电炉。在重熔工艺中,装载炉料的化学分析成分与其最终液态金属的基本相同。除了降低残留物质和夹杂物之外,不再进行其他重要的提炼或冶炼工作。在重熔合金钢时,要在受控的条件下加入某些易于汽化或氧化的合金元素。根据经验要进行氧化的合金元素应尽可能晚地加入,难以溶解的元素则应早一些并在强烈搅拌的阶段加入。炉衬决定于炉渣的性质以及所要求的温度。真空熔化常作为重熔工序应用于要求非常纯净的钢上,并成为双重熔炼工艺中的第一阶段,这时从真空感应炉(如VIM)出来的钢液,再进入真空自耗电极(真空电弧重熔或VAR)炉或者电渣重熔(ESR)炉进行重熔。氧、氢还有一定程度的氮都能在真空熔化中去除。碳也能被降低,以便生产某些型号的不锈钢。在这些炉里使用低至5μmHg 高的压力。借助于对压力和气体成分的控制,有可能利用碳或氢对液态金属进行脱氧,因为它们可产生气态的脱氧产物而防止形成非金属夹杂物。使用低压还可以去除由钢所吸取的氮。有些元素如铬、铝和锰具有的挥发性会导致其损耗,为此可以在添加过程中通过用惰性气体气氛替代真空覆盖在液态金属上面,以此将它们的损耗降至最低。经改进的真空感应设备(如Therm⁃I⁃Vac 工艺)可以作为低压下的真空感应熔化炉或金属液流脱气炉使用。该系统能够用于感应炉的冷态装料,并在低压下进行钢的熔化、提炼和浇铸。钢液还能在低压下热态装料真空炉,在里面进行金属液流的脱气,并再度加热用于补偿脱气所造成的损耗,通过调节合金元素的添加使之达到化学成分指标,并进行浇铸,所有这些都是在低压下进行。如果进行的是热态装料则钢液不要求过热。钢液在进入真空感应熔炉之前可以先行部分脱氧。这个设备大都作为真空感应单元熔化冷态炉料。
2、再加热真空脱气
钢包精炼炉可在二次炼钢工艺中加热,而在其熔炼中又能进行较大量的合金添加,以满足某些特种钢和不锈钢的要求。这种电炉在其提炼过程中,利用电极为其电弧再加热提供热量,从而具有脱硫、脱氧和使用合成炉渣进行冶炼生产的能力。这种冶炼炉可以进行再加热,或再加热和真空脱气。普通的加热炉能进行成分和温度的控制、脱氧,并便于进行显微纯净化。如果给炉子配备真空脱气,则还能增加钢的脱硫工序。作为一种有名的工艺改型设计,除了再加热之外还采用气体搅拌或感应搅拌。芬格尔⁃莫尔(Finkl⁃Mohr)VAD 脱气系统使用的是气体搅拌,而ASEA⁃SKF 钢包冶炼炉使用的是感应搅拌。气体搅拌是用于脱硫和包括脱气在内的其他炼钢精炼工序。在钢包脱气工艺中利用惰性气体对钢液进行搅拌。 在进行感应搅拌(ASEA⁃SKF 工艺)时,系统由钢包炉、可移动的感应线圈、带有排气管道的真空罐顶盖、蒸汽喷头系统以及配装三根碳棒电极的炉盖所组成。炉体的外壳是用无磁性的奥氏体不锈钢制成。同样的钢包可以用于转炉里的钢液出炉,然后起到加热炉、真空罐和浇铸钢包的作用。出钢时不需要过热也不需添加任何脱氧剂。此外采用的是无渣出钢。将钢包放置在可移动的感应线圈里,并且用有三根电极的顶盖盖上。当再加热和冶炼过程开始时,激发电弧放电。加入熔剂是为了形成碱性炉渣,合金添加是为了达到其成分指标。ω(S)可被降低到0. 005%以下。热损耗可以补偿,而且真空罐也随时可供脱气。顶盖用真空炉盖替代,罐内被抽成真空。到脱气快结束时,加入铝和硅。脱气结束后将钢包移至浇铸平台进行钢锭浇注,或者把钢液倒入流槽连续浇铸。
3、真空电弧重熔
在真空下,自耗电极熔化或VAR 是一种用于特种钢和不锈钢的冶炼工艺,这种钢先用常规的炼钢方法冶炼,然后浇铸成或锻造成电极,以便在0. 1Torr非常低的压力下用于真空滴熔进入水冷铜模里。由于电弧高温和液态金属小熔池,得以生产出具有致密晶体组织、低氢和氧含量以及最少的化学和非金属偏析的优质钢锭。熔化用的是直流电、电极的直径及其与熔炉的关系是关键,而且必须与其熔化速率相匹配。高达1150kg/ h(2500lb/ h)的熔化速率用于生产直径大到1. 5m(5ft)的钢锭。
4、非真空冶炼
用于特种和纯净钢生产的并且在大气压力下无需任何补充加热的二次炼钢工艺,包括氩气吹泡工艺[例如加盖氩气吹泡(CAP)、密封氩气吹泡成分调节
(CAS)]、氩⁃氧脱碳(AOD)、ESR 和钢包喷射法。氩气吹泡工艺。氩气吹泡——氩气搅拌、调整和冲洗——用于合金成分快速、均匀的混合,温度的等温作用,化学成分的调节以及非金属夹杂物的部分去除。这些功能都是通过从下降到离钢包底部300mm(12in)以内的一根经耐火材料保护的吹管吹入氩气,或者通过钢包底部或侧壁上的耐火多孔塞吹入氩气得以完成。氩气吹泡常常还能补充进行一些其他二次炼钢的工序:促进钢液在钢包里的整体运动,以使化学成分和热量均匀化、加强夹杂物的飘浮以及让金属⁃炉渣紧密混合,以利于精炼工序如脱硫和脱氧的进行。氩气搅拌是最有效的吹泡处理,吹气以最高可达0.3m3/min(10scfm)的速率通过钢液。通常出钢之后的搅拌用于将炉渣和金属混合,并有助于温度和化学物质的均匀化。高速率能破开其表面的合成炉渣层,为合金和脱氧剂的进入提供了一个开口。有时候通过搅拌促使辐射热的损耗,使出炉钢液适合于连续浇铸。由转炉带来的炉渣应当尽量减少。搅拌后的氩气冲洗可以帮助夹杂物飘浮进入炉渣, 这时气体的吹速低于0.15m3/ min(5scfm)。在氩气冲洗过程中柔和的氩气吹速,可以防止新的热辐射表面形成。如果需要通过铁合金的添加来调节钢的成分,就要在搅拌与冲洗步骤之间的氩气调整期间进行这种调节。在其调整期(0.15~0.3m3 /min 或5~10scfm)的气流正好足够铁合金在钢中的混合,而不会损失在炉渣层里。以上所确定的速率大小还要取决于钢包的大小。用于氩气吹泡的CAB 和CAS 方法就是为了控制给钢包的加料,并提高其精炼能力。CAB工艺利用带盖的常规钢包,并在出钢之后合成炉渣覆盖于钢液表面,像海绵似地吸收非金属夹杂物。通过底部的多孔堵塞进入带盖钢包里的氩气能强劲地搅拌液态金属并且形成炉渣⁃金属混合物,与其他氩气吹泡方法不同,这种混合物要求有完整的炉渣层保护钢液不受氧化。钢包加盖是为了防止空气进入影响金属。炉渣⁃金属乳化体有助于增进显微纯净化、化学成分的均质化、脱硫和脱氧。CAS 工艺利用一根耐火衬里的通风管并让其下伸到钢液里面,故当氩气搅拌时通风管内的钢液里不会有炉渣。这样也保证添加铁合金和脱氧剂时不会受到炉渣的干扰,于是成为成分得到控制的、卓有成效的二次炼钢工艺。