超高强度钢是结构材料强度的引领者,在航空、航天、高铁、风电、汽轮机、燃汽轮机等高端机械装备制造行业中应用广泛。它总是采用最先进的纯净熔炼技术,代表一个国家的冶金最高水平。目前,超高强度钢多采用VIM（真空感应炉）+VAR（真空自耗炉）的双真空熔炼工艺,从超高强度钢开发之初,人们就注意到了纯净度与强韧性的关系,给予了充分的关注和研究。我国铁合金杂质元素的控制水平与国外先进水平存在明显的差距,这导致在VIM真空冶炼合金化过程中合金（金属铬和钒铁）中的杂质会进入金属熔池,使得超低Al和Ti元素的控制十分困难。本文提出采用EAF+LF+MC工艺流程生产高合金的纯净金属原料,该原料的Cr或V（根据钢种需要）等元素基本达到成品钢的要求。工艺特点在于:（1）在EAF熔炼时,重点解决普通工业纯铁中的Al、P、Ti、As、Sb、Bi等易氧化元素的去除问题;（2）在LF精炼前期通过氧位的控制,利用Cr、V、Al和Ti对氧的亲和力不同,实现Al、Ti氧化进入炉渣,而Cr、V合金化进入金属熔池。之后进行扒渣去除Al和Ti的氧化物。利用该工艺生产高铬或钒金属原料可以为VIM熔炼提供更为纯净的原材料,但是Al、Ti和Cr、V的选择性氧化控制机理需要进一步研究。论文针对提出的新工艺,使用FactSage软件分别计算分析了 1600℃条件下,在体系内铬的质量分数为12%和钒的质量分数为0.5%时,元素铝、钛和氧的氧化反应平衡关系。计算结果表明:体系内氧的质量分数控制在0～0.08%范围内,可以发生Al、Ti氧化生成A12O3、Ti2O3和TiO2,而铬不发生氧化。同时体系内氧的质量分数为0～0.11%条件下,Al、Ti发生氧化反应,而钒以单质形式存在。由于热力学计算未考虑炉渣的影响,论文利用实验室1 kg二硅化钼电阻炉开展了渣金反应平衡的热态模拟实验,考察炉内加顶渣的条件下,合金元素和氧的反应平衡关系。实验温度选择1600℃,坩埚材质是高纯度MgO,渣系选择CaO-SiO2-MgO-Al2O3-FeO五元渣系。实验通过改变渣系中FeO质量分数来改变坩埚熔池内的氧位,实验的另一个变化条件是炉渣和金属的质量比（渣金比）。实验研究表明:渣中FeO的质量分数和渣金比对元素Al、Ti、Cr和V的氧化反应有明显的影响。当初始渣中FeO的质量分数为18.4%,渣金比为10%时,金属熔池内Al和Ti的质量分数可以被控制到0.005%以下,而Cr的收得率高达99.16%;而当初始渣中FeO的质量分数为24%,渣金比为10%时,金属熔池内Al和Ti的质量分数可以被控制到0.005%以下,V的收得率高达99.11%。最后基于液-液反应的薄膜理论和渗透理论建立动力学反应模型,计算分析熔池内合金元素的质量分数随时间的变化规律。模型计算结果显示,熔池内Al和Ti的氧化反应速度很快,在15 min内反应就可以达到平衡。计算结果和实验结果吻合。