CN105779699A - 利用溶解气体上浮法去除金属夹杂物的方法及增压真空感应炉精炼装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用溶解气体上浮法去除金属夹杂物的方法及增压真空感应炉精炼装置，利用气体在钢液中不同压力下的溶解度不同，压力越大，溶解度越大，压力越小，溶解度越小，由于异质形核吉布斯自由能较低，气泡倾向于在夹杂物上异质形核并长大，夹杂物被形成的气泡带到钢液表面得到去除。其次，溶解的氢可以与熔体中的氧反应生成水蒸气得到去除，不产生二次夹杂。最后在真空的条件下，氢在高合金钢或合金熔体中的溶解度非常低，容易得到去除，克服了传统方法中氮气在真空下较难脱除的缺点。利用这种方法去除高合金钢或合金中熔体的夹杂物，简单方便，成本较低，有利于大规模工业化生产应用。

Description

利用溶解气体上浮法去除金属夹杂物的方法及增压真空感应炉精炼装置

技术领域

本发明涉及一种金属精炼方法和工艺装置，特别是涉及一种金属液夹杂物去除的方法及精炼装置，应用于特种钢铁和合金精炼及回收技术领域。

背景技术

夹杂物的含量和尺寸对于钢和合金的组织和性能有很重要的影响，研究表明向钢液中溶入氮气，然后降低压力，过饱和的气体在熔体中形成微气泡可以去除钢液中的夹杂物并提高铸锭质量。但是，如果高合金钢或者合金中含有较高含量的Ti、Cr、或者Al等可以和氮形成较稳定氮化物的元素时，增大了氮在熔体中的溶解度，溶解的氮在脱气的过程中很难将氮脱除。所以，如何在高合金熔体中溶解氮气后深脱氮是一直追求但难以实现的目标。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种利用溶解气体上浮法去除金属夹杂物的方法及增压真空感应炉精炼装置，利用氢气产生微气泡的方法，利用钢液中气体的溶解度与压力的关系，压力变小，气体倾向于在夹杂物上异质形核并长大，夹杂物被形成的气泡带到钢液表面得到去除。其次，溶解的氢可以与熔体中的氧发生反应，生成水蒸气得到去除。最后在真空的条件下，氢在高合金钢或合金熔体中的溶解度非常低，容易得到去除，克服了传统方法中氮气在真空下较难脱除的缺点。利用这种方法去除高合金钢或合金中熔体的夹杂物，简单方便，成本较低，有利于大规模工业化生产应用。

为达到上述发明创造目的，采用下述技术方案：

一种利用溶解气体上浮法去除金属夹杂物的方法，利用产生微气泡的方法，由还原性性气体和惰性气体中的任意一种气体或几种气体的混合气体形成金属液表面的气氛，使金属液处于设定气压的气氛中，或向金属液中输入还原性性气体和惰性气体中的任意一种气体或几种气体的混合气体，通过对金属液进行0.5～1小时保温，使金属液中溶解气体达到饱和，然后快速降低金属液表面的气压，使溶解气体在金属液中的夹杂物上异质形核并长大，夹杂物被形成的微气泡上浮带到金属液表面，使得夹杂物富集到金属液表面而被去除，实现对金属液的精炼。

作为本发明优选的技术方案，用产生微气泡的方法进行金属液溶解氢气时，控制金属液外部的气体压力不高于8atm。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，利用产生微气泡的方法，形成金属液表面的气氛时，还原性性气体采用氢气，惰性气体采用氩气和氦气。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，利用产生微气泡的方法，对金属液进行夹杂物去除时，适用于高合金钢精炼。

一种增压真空感应炉精炼装置，包括感应炉，在感应炉内部炉腔中设有精炼坩埚和浇注模壳，精炼坩埚内容纳待处理的金属液或金属材料，通过加热线圈为精炼坩埚内的金属液或金属材料提供热能，浇注模壳的上口设有漏斗口，感应炉的炉壳具有承压结构，感应炉的炉壳上设有加料口、真空泵连接管、进气口和观察口，加料口设置于精炼坩埚敞口的上方，待精炼的金属材料能通过加料口添加到精炼坩埚内，真空泵连接管与真空泵连接，通过真空泵抽取感应炉内的气体，通过进气口向感应炉内输入设定种类的气体，使精炼坩埚内金属液表面的形成具有设定气体种类和设定气体压力的气氛，通过观察口能观察精炼坩埚内金属液表面的状态，利用产生微气泡的方法，首先通过真空泵抽取感应炉内的空气，然后关闭真空泵，再通过进气口向感应炉内输入还原性性气体和惰性气体中的任意一种气体或几种气体的混合气体，形成精炼坩埚内的金属液表面的设定气压的气氛，然后关闭进气口，通过控制加热线圈加热，对精炼坩埚内的金属液进行保温0.5～1小时，使金属液中溶解气体达到饱和，然后再次开启真空泵，抽取感应炉内的气体，使金属液表面的气压快速降低，使溶解气体在金属液中的夹杂物上异质形核并长大，夹杂物被形成的微气泡上浮带到金属液表面，使得夹杂物富集到金属液表面而被去除，此时观察口观测到有小气泡从精炼坩埚内的金属液表面冒出，直至精炼坩埚内的金属液表面停止气泡冒出为止，精炼过程结束，将精炼坩埚内的金属液通过漏斗口倾倒入浇注模壳的型腔内进行凝固。

上述进气口优选为可控流量进气口，由控制系统或手控阀对进气口的气体流量进行控制。

本发明利用溶解氢气上浮法去除高合金钢或合金夹杂物，特别是去除钢液中微尺寸的夹杂物，可以用于高合金钢和合金精炼及回收领域。本发明利用气体在钢液中不同压力下的溶解度不同，压力越大，溶解度越大，压力越小，溶解度越小，由于异质形核吉布斯自由能较低，气泡倾向于在夹杂物上异质形核并长大，夹杂物被形成的气泡带到钢液表面得到去除。其次，溶解的氢可以与熔体中的氧反应生成水蒸气得到去除，不产生二次夹杂。最后在真空的条件下，氢在高合金钢或合金熔体中的溶解度非常低，容易得到去除，克服了传统方法中氮气在真空下较难脱除的缺点。利用这种方法去除高合金钢或合金中熔体的夹杂物，简单方便，成本较低，有利于大规模工业化生产应用。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明利用钢液中气体的溶解度与压力的关系，压力变小，气体倾向于在夹杂物上异质形核并长大，夹杂物被形成的气泡带到钢液表面得到去除，其次，溶解的氢可以与熔体中的氧发生反应，生成水蒸气得到去除。最后微气泡的尺寸比传统吹气形成的气泡尺寸小许多，大大增加了气泡与夹杂物的碰撞即吸附概率，更容易去除钢液中的夹杂物，通过改变气体溶解度，使气泡在夹杂物上形核，气泡与夹杂物一起上浮得到去除，这在传统底吹气泡法熔炼过程中是不存在的；

2.本发明使用的氢气可以与熔体中的氧发生反应生成水蒸气，从熔体中析出，不会产生二次夹杂，从而深脱氧；

3.本发明产生的微气泡的气体在真空的高合金熔体中的溶解度非常低，很容易在真空下得到去除，克服了传统方法使用的氮脱气困难的缺点；

4.本发明采用的设备和操作工艺简单，便于大规模工业利用。

附图说明

图1为本发明实施例一增压真空感应炉精炼装置的结构示意图。

图2为本发明实施例一溶解气体上浮去除夹杂物的原理示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1和图2，一种增压真空感应炉精炼装置，包括感应炉3，其在感应炉3内部炉腔中设有精炼坩埚8和浇注模壳5，精炼坩埚8内容纳待处理的金属液9或金属材料，通过加热线圈10为精炼坩埚8内的金属液9或金属材料提供热能，浇注模壳5的上口设有漏斗口4，感应炉3的炉壳具有承压结构，感应炉3的炉壳上设有加料口1、真空泵连接管7、进气口11和观察口2，加料口1设置于精炼坩埚8敞口的上方，待精炼的金属材料能通过加料口1添加到精炼坩埚8内，真空泵连接管7与真空泵连接，通过真空泵抽取感应炉3内的气体，通过进气口11向感应炉3内输入氢气，使精炼坩埚8内金属液表面的形成气压为8atm的氢气气氛，通过观察口2能观察精炼坩埚8内金属液表面的状态，利用产生微气泡的方法，首先通过真空泵抽取感应炉3内的空气，然后关闭真空泵，再通过进气口11向感应炉3内输入氢气，形成精炼坩埚8内的金属液9表面的8atm气压的氢气气氛，然后关闭进气口11，通过控制加热线圈10加热，对精炼坩埚8内的金属液9进行保温0.5小时，使金属液9中溶解氢气达到饱和，然后再次开启真空泵，抽取感应炉3内的氢气，使金属液9表面的气压快速降低，使溶解气体在金属液9中的夹杂物上异质形核并长大，夹杂物被形成的氢气微气泡上浮带到金属液9表面，使得夹杂物富集到金属液表面9而被去除，此时观察口2观测到有小气泡从精炼坩埚8内的金属液9表面冒出，直至精炼坩埚8内的金属液9表面停止气泡冒出为止，精炼过程结束，将精炼坩埚8内的金属液9通过漏斗口4倾倒入浇注模壳5的型腔内进行凝固。本实施例感应炉3的炉壳和真空泵7皆可以承受较大压力，满足金属液精炼的需要。

在本实施例中，参见图1，进气口11为可控流量进气口，由控制系统或手控阀对进气口11的气体流量进行控制。

在本实施例中，参见图1和图2，溶解气体上浮法去除钢液中夹杂物时，通过气体在钢液中溶解度的不同，降低熔体上方的压力，使气体在钢液中形核，由于异质形核的吉布斯自由能较低，所以气泡易于在夹杂物上形核，如图2所示。然后气泡长大并携带夹杂物上浮至钢液表面。本实施例采用方法和操作工艺简单，便于大规模工业利用。

在本实施例中，参见图1和图2，本实施例利用气体在熔体中的溶解度受气体分压的影响。先让熔体处在一个相对较高的气体压力下，使气体在熔体中充分溶解并达到饱和，然后迅速降低气体分压，这时气体在熔体中的溶解度下降，这时多余的气体形核并长大，形成微气泡上浮至熔体表面。有些微气泡在夹杂物上异质形核，把夹杂物带至熔体表面，有些微气泡均质形核，这时的微气泡上浮的过程中与夹杂物碰撞，吸附并携带夹杂物至熔体表面。这样，夹杂物得到去除。溶解的氢气可以与熔体中的氧反应生成水蒸气，从而深脱氧。

实施例二：

本实施例与实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，利用产生微气泡的方法，向感应炉3内输入氩气、氦气和氢气的混合气，形成高合金钢液的金属液9表面的混合气体气氛。这时各种气体在高合金钢液中的溶解度不同，然后根据溶解度调节不同的气体压力，实现对精炼坩埚8内的高合金钢液中微小尺寸的夹杂物的有效去除，并同时实现高合金钢液的有效脱气，保证了高合金钢液的洁净水平。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明利用溶解气体上浮法去除金属夹杂物的方法及增压真空感应炉精炼装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种利用溶解气体上浮法去除金属夹杂物的方法，其特征在于：利用产生微气泡的方法，由还原性性气体和惰性气体中的任意一种气体或几种气体的混合气体形成金属液表面的气氛，使金属液处于设定气压的气氛中，或向金属液中输入还原性性气体和惰性气体中的任意一种气体或几种气体的混合气体，通过对金属液进行0.5～1小时保温，使金属液中溶解气体达到饱和，然后快速降低金属液表面的气压，使溶解气体在金属液中的夹杂物上异质形核并长大，夹杂物被形成的微气泡上浮带到金属液表面，使得夹杂物富集到金属液表面而被去除，实现对金属液的精炼。

2.根据权利要求1所述利用溶解气体上浮法去除金属夹杂物的方法，其特征在于：用产生微气泡的方法进行金属液溶解氢气时，控制金属液外部的气体压力不高于8atm。

3.根据权利要求1或2所述利用溶解气体上浮法去除金属夹杂物的方法，其特征在于：利用产生微气泡的方法，形成金属液表面的气氛时，还原性性气体采用氢气，惰性气体采用氩气和氦气。

4.根据权利要求1或2所述利用溶解气体上浮法去除金属夹杂物的方法，其特征在于：利用产生微气泡的方法，对金属液进行夹杂物去除时，适用于高合金钢精炼。

5.一种增压真空感应炉精炼装置，包括感应炉（3），其特征在于：在所述感应炉（3）内部炉腔中设有精炼坩埚（8）和浇注模壳（5），所述精炼坩埚（8）内容纳待处理的金属液（9）或金属材料，通过加热线圈（10）为所述精炼坩埚（8）内的金属液（9）或金属材料提供热能，所述浇注模壳（5）的上口设有漏斗口（4），所述感应炉（3）的炉壳具有承压结构，所述感应炉（3）的炉壳上设有加料口（1）、真空泵连接管（7）、进气口（11）和观察口（2），所述加料口（1）设置于所述精炼坩埚（8）敞口的上方，待精炼的金属材料能通过所述加料口（1）添加到所述精炼坩埚（8）内，所述真空泵连接管（7）与真空泵连接，通过真空泵抽取所述感应炉（3）内的气体，通过所述进气口（11）向所述感应炉（3）内输入设定种类的气体，使所述精炼坩埚（8）内金属液表面的形成具有设定气体种类和设定气体压力的气氛，通过所述观察口（2）能观察所述精炼坩埚（8）内金属液表面的状态，利用产生微气泡的方法，首先通过真空泵抽取感应炉（3）内的空气，然后关闭真空泵，再通过所述进气口（11）向所述感应炉（3）内输入还原性性气体和惰性气体中的任意一种气体或几种气体的混合气体，形成所述精炼坩埚（8）内的金属液（9）表面的设定气压的气氛，然后关闭所述进气口（11），通过控制所述加热线圈（10）加热，对所述精炼坩埚（8）内的金属液（9）进行保温0.5～1小时，使金属液（9）中溶解气体达到饱和，然后再次开启真空泵，抽取所述感应炉（3）内的气体，使金属液（9）表面的气压快速降低，使溶解气体在金属液（9）中的夹杂物上异质形核并长大，夹杂物被形成的微气泡上浮带到金属液（9）表面，使得夹杂物富集到金属液表面（9）而被去除，此时观察口（2）观测到有小气泡从所述精炼坩埚（8）内的金属液（9）表面冒出，直至所述精炼坩埚（8）内的金属液（9）表面停止气泡冒出为止，精炼过程结束，将所述精炼坩埚（8）内的金属液（9）通过所述漏斗口（4）倾倒入所述浇注模壳（5）的型腔内进行凝固。

6.根据权利要求5所述增压真空感应炉精炼装置，其特征在于：所述进气口（11）为可控流量进气口，由控制系统或手控阀对所述进气口（11）的气体流量进行控制。