CN101457276A - 可调节阳极氧分压的熔渣无污染脱氧方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调节阳极氧分压的熔渣无污染脱氧方法及装置，属于冶金精炼工艺技术领域。本发明方法通过利用其专用装置来进行钢液或金属液的脱氧净化。本发明方法以熔渣作为电解质，以插入熔渣的脱气空腔电极为阳极，以钢液或金属液为阴极；所述的脱气电极带有电极空腔并通过导管与真空真空室连通；由外加直流电源施加直流脉冲电压，在钢液或金属液和熔渣氧极之间形成电场，通过控制直流电源的电流值和电压值，以及熔渣的成分来控制氧离子在熔渣体系中的传导及溶解氧在钢液中的传质。通过控制电极空腔的氧分压，使氧气从熔渣向电极空腔扩散，并通过抽气系统排出。

Description

可调节阳极氧分压的熔渣无污染脱氧方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种可调节阳极氧分压的熔渣无污染脱氧方法及其装置，属于冶金精炼工艺技术领域。

背景技术

现代科学技术的发展，对各种金属和钢质量的要求越来越高。钢中的氧是有害元素，会对钢的质量造成不良影响。为了去除钢中的氧，传统的脱氧方法主要以脱氧剂直接脱氧为主，真空脱氧起辅助作用，由于脱氧反应的反应物和生成物全部处在钢液中，因此无法彻底的避免对钢液造成污染。随着人们对钢的洁净度的要求越来越高，传统的脱氧方法已无法满足人们的要求。降低甚至避免脱氧产物对钢液的污染是降低钢中全氧含量，提高产品表面和内在质量的一个重要途径为了解决这些问题，就必须将钢中的氧有方向的引出熔体，于是许多冶金学家提出了一些新的脱氧方法。

冶金工作者尝试了电化学脱氧方法来进行金属液的脱氧。其中主要的方法集中于利用氧化锆固体电解质，通过电解法、原电池法和脱氧体法等将氧离子加以定向引导，使与固体电解质内的脱氧剂如氢气、一氧化碳或活泼金属反应，相关反应产物如：水、二氧化碳或氧化物与金属熔体不发生接触，从而达到脱氧而不污染金属液的目的。这些研究思路体现在公开号CN1215759A、CN1187542A、CN1335413A的中国发明专利申请案中，以及公开号CN2432220Y的中国实用新型专利申请案中。尽管利用固体电解质为传导介质的脱氧方法有无污染、脱氧速度快等优点，但是也存在设备复杂、成本较高、不易在现场推广等问题。

在这样的背景下，针对已有工艺存在的问题，在固体电解质无污染脱氧的基础上，提出了一种新的无污染脱氧方法：渣金间外加直流电场脱氧法，即用炉渣代替固体电解质，在渣金间施加电场来强化脱氧，通过控制氧离子在熔渣体系中的传导方向和速度，从而实现金属液的无污染脱氧。其研究思路体现在一些专利文献中，如公开号为CN1453371A、CN101235430A等的中国发明专利。这些该方法具有设备简单、成本低、可连续作业、无需还原剂等优点。这种方法对于电极的选择比较苛刻，电极工作的环境往往是高温和高腐蚀性介质。常用的电极材料包括金属材料，炭素材料和陶瓷材料。金属材料存在容易被熔渣侵蚀，耐高温金属价格昂贵。炭阳极本身具有固有缺点：不断消耗，经常更换，污染环境等等。特别是冶炼超低碳钢时，炭素阳极材料中的灰分杂质可进入到电解质中，污染钢液质量，给钢液增碳。只能采用惰性阳极，而氧在惰性阳极的析出氧气，电极表面被大量阳极气体覆盖，在阳极和熔渣之间积聚一层气网膜，妨碍熔渣对电极的润湿，堵塞电流通道，形成阳极效应，制约了脱氧效率的进一步提高。

发明内容

本发明的目的是在渣-金间外加直流电场脱氧法的基础上，提出一种可调节阳极氧分压的熔渣无污染脱氧方法，以进一步提高脱氧效率。

本发明一种可调节阳极氧分压的熔渣无污染脱氧方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：

a、在放置有钢液或金属液的电熔炉中，加入特定的熔渣；以熔渣作为电解质，并在熔渣中插入作为阳极的脱气电极；该脱气电极带有电极空腔，并通过导管与炉外的气氛控制室相连接；所述的阳极脱气电极，设有导线与直流电源连接；另外在炉内底层的钢液或金属液中，设置有底电极，作为阴极的钢液或金属液通过该底电极与直流电源相连；

b、通过外加直流电源，在炉内施加和生成一直流脉冲电场；直流电源输入的电压为0.1~10V；通过控制直流电源的电压和电流，以及熔渣的成分，来控制氧离子在熔渣体系的传质方向和速度，以及控制溶解氧在钢液或金属液中的传质；另外通过控制阳极脱气电极的空腔气氛，来降低其氧分压，以使氧气从熔渣透过多孔陶瓷向电极空腔扩散，氧气则通过炉外的抽气系统从熔渣中逸出进入气氛控制室再排出；使钢液或金属液脱氧净化。

一种可调节阳极氧分压的熔渣无污染脱氧方法中，所述的熔渣可以是酸性熔渣，也可以是碱性熔渣。较适合的优选为具有氧离子电导率的碱性熔渣。

本发明一种可调节阳极氧分压的熔渣无污染脱氧方法所用的专用装置，该装置包括有：直流电源，电熔炉绝缘炉体，钢液或金属液，底电极，熔渣，保温炉盖，阳极脱气空腔电极，阳极导线，气氛控制室，导气管，导电陶瓷，多孔透气陶瓷，密封件和空腔；其特征在于：在电熔炉绝缘炉体内放置有钢液或金属液以及熔渣；钢液或金属液放于炉体下层，而熔渣放于上层；在炉体上部设置有多个阳极脱气空腔电极，该电极部分插入熔渣内，并有阳极导线与直流电源相连；阳极脱气空腔电极由底部的多孔透气陶瓷，侧壁的导电陶瓷和顶部的密封件各部件所组成；各部件包围组合形成一空腔；阳极脱气空腔电极顶部密封件上面开有圆孔连接有导气管；所述导气管穿过保温炉盖与炉外的气氛控制室相连接；在炉底设有一与钢液或金属液接触的底电极，作为阴极的钢液或金属液通过底电极和导线与直流电源的负极相连；阳极脱气空腔电极的下部部分插入于熔渣内，在其上部侧壁部分导电陶瓷上连接引出阳极导线，通过导线与直流电源的正极相连。

所述的气氛控制室或调节电极空腔的气氛可以是真空，也可以是还原性气氛CO，还可以是惰性气氛氮气或氩气。

所述的脱气空腔电极的外形可以为圆柱体形，也可以为四方立柱体形。本发明的原理或机理

本发明的原理是：根据电化学原理，在脱氧过程中，钢液或金属液中的溶解氧(氧原子)在钢液或金属液/熔渣界面发生阴极反应，解离为氧离子，同时使钢液或金属液/熔渣界面积累正电荷；氧离子在化学势梯度的作用下，通过熔渣，迁移到氧离子熔渣/阳极接触界面，在界面发生阳极反应，生成O₂气体，同时使熔渣/阳极的接触界面积累负电荷，从而产生阻碍电场，阻止氧离子在熔渣中的迁移。通过外加电场，从而克服阻碍电场，使氧离子不断地向渣中迁移，氧离子并在惰性阳极上生成O₂气体。带空腔的多空陶瓷电极通过气氛控制系统调节电极空腔形成的氧分压，降低了电极空腔氧分压，氧气就会从熔渣透过多孔陶瓷向电极空腔扩散，使得生成的气体通过抽气系统排出熔渣，从而不会导致该气体影响脱氧效率。脱氧过程持续下去，直到平衡为止。

本发明与现有技术相比，具有如下明显优点：本方法不需要加入常规的金属或复合合金脱氧剂，脱氧过程不会生成任何脱氧夹杂，同时改善环境污染；与已有渣金间外加直流电场脱氧法相比，通过特制的电极，促进了氧在阳极的电化学反应以及氧气在熔渣中的排除，提高了脱氧效率。本发明可以根据应用场合，设定所需数量的脱气电极，以达到有效脱氧，脱氧速度达到工业实用化的要求。总之，本发明能够快速，经济，无污染的对钢液进行脱氧。适合单独精炼炉以及金属液连续反应器的无污染脱氧工艺。

附图说明

图1为本发明方法中使用的专用装置的简单示意图。

图2为本发明方法专用装置中的阳极脱气空腔电极的结构示意图。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例详细叙述于后。本发明方法主要是通过其专用装置来实现钢液或金属液脱氧净化目的的。参见图1和图2，本发明方法所用的专用装置包括有：直流电源1，电熔炉绝缘炉体2，钢液3，底电极4，熔渣5，保温炉盖6，阳极脱气空腔电极7，阳极导线8，气氛控制室9，导气管10，导电陶瓷11，多孔透气陶瓷12，密封件13和空腔14；在电熔炉绝缘炉体2内放置有钢液3以及熔渣5；钢液放于炉体下层，而熔渣放于上层；在炉体上部设置有多个阳极脱气空腔电极7，该电极部分插入熔渣5内，并有阳极导线8与直流电源1相连；阳极脱气空腔电极7由底部的多孔透气陶瓷12，侧壁的导电陶瓷11和顶部的密封件13各部件所组成；各部件包围组合形成一空腔14；阳极脱气空腔电极7顶部密封件13上面开有圆孔连接有导气管10；所述导气管10穿过保温炉盖6与炉外的气氛控制室9相连接；在炉底设有一与钢液3接触的底电极4，作为阴极的钢液3通过底电极4和导线与直流电源1的负极相连；底电极的材料为耐高温金属或合金；阳极脱气空腔电极7的下部部分插入于熔渣5内，在其上部侧壁部分导电陶瓷11上连接引出阳极导线8，通过导线8与直流电源1的正极相连。

所述的气氛控制室9采用真空负压状态。

所述的熔渣采用氧离子电导率较好的碱性熔渣。

所述的脱气空腔电极的外形为四方立柱体形。

本发明方法的工艺过程如下所述：在放置有钢液的电熔炉中，加入特定的熔渣，以熔渣作为电解质，并在熔渣中插入作为阳极的脱气电极，该脱气电极带有电极空腔，并通过导管与炉外的气氛控制室相连接；另外在炉内底层的钢液中，设置有底电极，作为阴极的钢液通过该底电极与直流电源相连；通过外加直流电源，在炉内施加和生成一直流脉冲电场；直流电源输入的电压为1~3V；通过控制直流电源的电压和电流，以及熔渣的成分，来控制氧离子在熔渣体系的传质方向和速度，以及控制溶解氧在钢液或金属液中的传质；另外通过控制阳极脱气电极的空腔气氛，来降低其氧分压，以使氧气从熔渣透过多孔陶瓷向电极空腔扩散，氧气则通过炉外的抽气系统从熔渣中逸出进入气氛控制室再排出；使钢液脱氧净化。

附图标记列表

1   直流电源

2   电熔炉绝缘炉体

3   钢液

4   底电极

5   熔渣

6   保温炉盖

7   阳极脱气空腔电极

8   阳极导线

9   气氛控制室

10  导气管

11  导电陶瓷

12  多孔透气陶瓷

13  密封件

14  空腔。

Claims (6)

1.一种可调节阳极氧分压的熔渣无污染脱氧方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：

a)在放置有钢液或金属液的电熔炉中，加入特定的熔渣；以熔渣作为电解质，并在熔渣中插入作为阳极的脱气电极；该脱气电极带有电极空腔，并通过导管与炉外的气氛控制室相连接；所述的阳极脱气电极，设有导线与直流电源连接；另外在炉内底层的钢液或金属液中，设置有底电极，作为阴极的钢液或金属液通过该底电极与直流电源相连；

b)通过外加直流电源，在炉内施加和生成一直流脉冲电场；直流电源输入的电压为0.1～10V；通过控制直流电源的电压和电流，以及熔渣的成分，来控制氧离子在熔渣体系的传质方向和速度，以及控制溶解氧在钢液或金属液中的传质；另外通过控制阳极脱气电极的空腔气氛，来降低其氧分压，以使氧气从熔渣透过多孔陶瓷向电极空腔扩散，氧气则通过炉外的抽气系统从熔渣中逸出进入气氛控制室再排出；使钢液或金属液脱氧净化；

2.如权利要求1所述的一种可调节阳极氧分压的熔渣无污染脱氧方法，其特征在于所述的熔渣可以是酸性熔渣，也可以是碱性熔渣。

3.如权利要求2所述的一种可调节阳极氧分压的熔渣无污染脱氧方法，其特征在于所述的熔渣，较适合的优选为具有氧离子电导率的碱性熔渣。

4.一种可调节阳极氧分压的熔渣无污染脱氧方法所用的专用装置，该装置包括有：直流电源(1)，电熔炉绝缘炉体(2)，钢液或金属液(3)，底电极(4)，熔渣(5)，保温炉盖(6)，阳极脱气空腔电极(7)，阳极导线(8)，气氛控制室(9)，导气管(10)，导电陶瓷(11)，多孔透气陶瓷(12)，密封件(13)和空腔(14)；其特征在于：在电熔炉绝缘炉体(2)内放置有钢液或金属液(3)以及熔渣(5)；钢液或金属液放于炉体下层，而熔渣放于上层；在炉体上部设置有多个阳极脱气空腔电极(7)，该电极部分插入熔渣(5)内，并有阳极导线(8)与直流电源(1)相连；阳极脱气空腔电极(7)由底部的多孔透气陶瓷(12)，侧壁的导电陶瓷(11)和顶部的密封件(13)各部件所组成；各部件包围组合形成一空腔(14)；阳极脱气空腔电极(7)顶部密封件(13)上面开有圆孔连接有导气管(10)；所述导气管(10)穿过保温炉盖(6)与炉外的气氛控制室(9)相连接；在炉底设有一与钢液或金属液(3)接触的底电极(4)，作为阴极的钢液或金属液(3)通过底电极(4)和导线与直流电源(1)的负极相连；阳极脱气空腔电极(7)的下部部分插入于熔渣(5)内，在其上部侧壁部分导电陶瓷(11)上连接引出阳极导线(8)，通过导线(8)与直流电源(1)的正极相连。

5.如权利要求4所述的一种可调节阳极氧分压的熔渣无污染脱氧方法所用的专用装置，其特征在于所述的气氛控制室(9)或调节电极空腔(14)的气氛可以是真空，也可以是还原性气氛CO，还可以是惰性气氛氮气或氩气。

6.如权利要求4所述的一种可调节阳极氧分压的熔渣无污染脱氧方法所用的专用装置，其特征在于所述的脱气空腔电极(7)的外形可以为圆柱体形，也可以为四方立柱体形。

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