AOD与VOD精炼工艺综合规整

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AOD与VOD精炼工艺综合规整
1.绪论 
　　1.1 研究背景 
　　钢铁工业曾经是世界工业化进程中最具成长性的产业之一，在过去的100多年中，钢铁工业在产值、产品结构、工业技术都得到了飞速的发展。钢铁仍然是人类不可替代的原材料，是衡量一个国家综合国力和工业水平的重要指标。中国的钢铁工业经过几十年的发展，钢铁生产在数量和质量上都有了极大提高。然而，从钢铁产品结构上来看，矛盾十分突出，传统产品过剩，高附加值产品供不应求。因此，钢铁产品的竞争力同发达国家相比，还存在一定的差距。 
% Z' U1 n  D$ f0 I　　1.2 选题意义 
　　2012年中国不锈钢产量达到1400多万吨，预计到2015年，中国不锈钢产能将达到2000万吨，不锈钢产量将超过1900万吨，国内不锈钢需求量将增加至1600万吨。AOD与VOD二种精炼法都是当前精炼不锈钢种的主要方法，它们在实际生产中具有各自的特点。本文就AOD与VOD两种精炼法的工艺原理、工艺操作、冶金效果和成本进行全面的研究和评估。 
+ f% V7 r+ ]* k( m9 }5 L　　1.3 铸造技术国内外发展现状 
& H7 k6 t5 E) D! j+ `　　国外发达国家总体上铸造技术先进、产品质量好、生产效率高、环境污染少、原辅材料已形成商品化系列化供应[1]。铸造生产全过程主动、从严执行技术标准，标准更新快（标龄4-5年），普遍进行ISO9000、ISO14000等认证。而我国，铸造领域的学术研究并不落后，很多研究成果居国际先进水平，但转化为现实生产力的少。铸件质量低，材料、能源消耗高，经济效益差，劳动条件恶劣，污染严重。另一方面，铸造系统研究固然起步晚，但进步快。先后推出了型砂质量治理专家系统、铸造缺陷分析专家系统、自硬砂质量分析专家系统、压铸工艺参数设计及缺陷诊断专家系统等。 
　　1.4 AOD精炼设备的概述及工作原理 
2 l0 F" u* P8 I　　1.4.1 AOD设备基本概述 
　　AOD炉氩氧精炼法精炼设备[2]，炉体安放在一个可以前后倾翻的托圈上。在炉子的底侧部装有向熔池水平方向吹入气体的喷枪。喷枪延长线的汇合点与炉子的竖轴重合。喷枪由内管与外管两层组成，内管导入主吹炼气体，内管与外管之间的环形缝隙导入Ar、N2或空气起冷却作用以保护喷枪，喷枪在筑炉时埋入耐火材料层，在冶炼过程中与炉衬同步烧损。吹入的氧气主要用于氧化碳升温，吹入的氩气主要用于强对流搅拌。炉体用镁钙砖或者铬镁砖或富镁白云石砖砌筑，喷枪周围采用质量更高的电熔铬镁砖砌筑，以承受高温及钢液冲刷。可移动式炉帽用铬镁砖或铝镁砖砌筑，也可以用耐热混凝土浇灌，炉膛尺寸比例大致是：熔池深度/炉膛直径/炉膛总高=1/2/3。炉子在前倾一定角度的情况下，由转移钢包倒入初炼水中，此时气体喷枪处于钢液面以上。炉子恢复到竖直位置时，喷枪没入钢水深处，开始吹气精炼。精炼完成后，仍经炉帽出钢。 
　　1.4.2 AOD精炼法基本概念 
　　AOD精炼法是氩氧脱碳法（Argon？Oxygen？Decarburization）的简称，如图1所示。在精炼不锈钢时，通过降低CO分压，达到假真空的效果，从而使碳含量降到很低的水平，并且抑制钢中铬的氧化[3]。 
$ ?" |$ C- w( L: w1 k　　1.4.3 AOD精炼法工作原理 
0 C+ H3 v5 ?% e: S1 k9 ^6 |　　AOD吹氧脱碳的原理是吹入炉内的氧气进入钢液后，与钢液中的碳和铬反应，钢液中的铬与氧反应生成氧化铬进入渣层，另外，钢液中碳与渣中氧化铬反应，将渣中Cr2O3还原为铬，重新回到钢液中，其中，碳铬平衡是温度和CO分压的函数。根据铁碳相图上碳铬氧化反应吉布斯能曲线的相对位置关系达到降碳保铬，就得使碳优构成选择性的氧化关系。通过向钢液中不断地吹入氮和氩来降低CO分压，从而使上述反应向生成CO的方向进行，将渣中还原为铬溶入钢液中，从而达到降碳保铬的目的。 
　　1.5 VOD精炼设备基本概念及其工作原理 
　　1.5.1 VOD精炼设备介绍 
1 k: V0 c; {* o, o1 Q　　VOD型钢包精炼炉是在真空下吹氧、脱碳、真空除气、真空下合金成分微调，主要用于精炼超低碳不锈钢和电工纯铁等。主要形式：VOD型钢包精炼炉可采用单独工位，也可采用双工位，真空罐为高架式或地坑式，也可采用车载式，真空罐盖的移动方式通常采取车载移开式。 
' K9 [1 t& L( c! ?, z. P　　1.5.2 VOD精炼法概念介绍 
' J3 X5 v$ S4 B  B# g　　VOD精炼法是真空吹氧脱碳法（Vacuum？Oxygen？Decarburization）的简称。它是一种在真空条件下吹氧脱碳并吹氩搅拌生产高铬不锈钢的炉外精炼技术，在真空条件下顶吹氧气脱碳，并通过钢包底吹氩促进钢液循环，在冶炼不锈钢时能容易的把钢中碳降到0.02%～0.08%范围内而几乎不氧化铬。并对钢液进行真空处理，加上氩气的搅拌作用，反应的动力学条件很有利，能获得良好的去除有害气体、有去除夹杂物的效果[3]。 
4 T0 J* j' A. L6 F+ a8 A　　2.AOD、VOD精炼综合概述 
% F: u, W/ `: ^* q) Y( [3 t# t% d　　2.1 精炼流程
4 f; w' d& ]8 q% e  　2.1.1 AOD精炼流程AOD接收来自电炉的不锈钢预熔体，脱碳后进入还原阶段，用硅铁还原渣中铬、锰和铁；加入石灰、氟化钙（CaF2）造渣脱硫。在还原过程中调整钢的成分和温度。还原后可直接出钢。对一些特殊钢种可还原后取样。如需要，可在LF/LATS调整最终的成分和温度，然后将合格钢液送连铸机回转台。对于超低碳、氮钢种，AOD作为中间处理环节将碳脱到一定程度后送VOD最终处理。 
* n- ?! O) O# |3 x0 R　　2.1.2 VOD精炼流程 
$ K/ Z9 ?6 h8 h0 U, O2 V0 C　　行车将盛有钢液的钢包吊入VOD炉真空罐内，人工接通吹氩管，同时进行测温取样。而后，真空罐盖车从停车工位开到VOD工位，并下降罐盖。接下来，真空处理、吹氧脱碳，合金微调、吹氩搅拌，待处理结束后，关闭真空主阀→破空→提升罐盖→真空罐盖车开到停车工位→测温取样→停止吹氩→加入保温剂→钢包吊运至浇铸工位。 
　　2.2 工艺操作特点 
$ x* @" x9 M6 t　　2.2.1 AOD工艺操作特点 
　　AOD工艺操作的核心是降碳保铬，提高金属收得率，降低生产成本。其特点： 
　　1） 配置连续测温装置[4]监测熔池温度，并通过炉口钢渣混冲出钢，提高合金收得率； 
　　2） 配置容量大、数量多的合金及散状料系统进行合金化和造渣脱硫操作； 
4 [! p& J# u% m2 Q* H4 \+ C! Q# Q　　3） 优化供配气系统[5]以降低氩气消耗； 
　　4） 配置氧枪系统缩短冶炼周期，改善与前后工序的匹配关系； 
5 ^3 ~5 h4 z$ E5 S; K　　5） 配置炉衬维护系统及炉壳快速更换系统[5]，提高炉衬寿命，降低耐火材料消耗，缩短更换炉壳时间，提高作业率； 
  d: E8 {6 F6 s  t/ B3 l  i: D　　6） 配置烟气净化系统实现能源回收及环境保护。 
0 E2 k6 I+ l) V+ v  @　　2.2.2 VOD工艺操作特点 
　　VOD型真空精炼设备是目前世界上使用最广泛的炉外精炼设备之一。它具有设备简单、投资少、成本低、精炼钢种多、质量高、操作方便等诸多优点， 
, N, a8 g/ M: d8 n" I+ m　　2.3工艺设备概览 
　　表1列出AOD和VOD精炼法的主要设备。 
　　VOD设备存在钢包寿命低的缺陷，波动在25-60次之间，为此，必须在提高耐火材料的质量、缩短精炼时间、改进吹氧方法和造渣制度等方面加以研究。其次，是进一步提高真空度和解决炉前快速分析问题，VOD法可对各种特殊钢进行真空精炼或真空脱气处理。但是钢包要采取适当的预热措施，而且处理时间不能过长，以防钢液降温过多。AOD炉寿命是温度与精炼时间的函数，若氧化末期温度在1720℃左右，炉龄就与时间成正比，因此在控制温度、碱度的同时尽力缩短精炼时间。 
9 P4 a5 _& ~5 O! ]2 g　　2.4 工艺操作概述 
$ U, G/ |+ d7 c  {5 s　　2.4.1 AOD精炼法的操作（以冶炼不锈钢为例）
# n. a# l7 w; f+ {　　在AOD法精炼不锈钢时，AOD炉对初炼钢水的一般要求见表2。 
　　在初炼钢水兑入AOD炉后通常分为三或四个阶段，按照炉内的碳含量和温度再调整氧氩比在吹炼初期钢水的w（C）较高，可用O2∶Cr？=？4∶1（或3∶1）此为第一个阶段；当w（C）降到0.2%左右，可用O2∶Ar？=？2∶1的比例供气，此时熔池温度大约为1690～1720℃，此为第二个阶段；当w（C）降到0.1%左右时，改O2∶Ar？=1∶2，将w（C）降到0.02%，此时熔池温度大约为1730℃，此为第三个阶段；当吹炼w（C）小于0.01%的超低碳钢种时可增设第四个阶段。最后用纯氩吹炼几分钟，使溶解氧继续脱碳。 
' W- J( s1 _1 S$ Q  L5 z　　加入一定量的硅铁、铝和石灰对炉渣中的Cr2O3进行还原，同时进一步降低钢中的溶解氧，并继续吹氩搅拌，然后扒渣。进行少量合金微调，继续吹氩搅拌，在钢水温度达到1580～1630℃时出钢。AOD精炼法的冶炼周期一般在70～100min。 
　　2.4.2 VOD精炼法的操作（以冶炼不锈钢为例）
　　VOD法冶炼工艺对初炼钢水的要求见表3。 
　　初炼炉（电弧炉或氧气转炉）出钢的钢水除渣后将VOD钢包吊入真空室，接通底吹氩开始合盖抽真空，此时熔池温度大约为1550～1580℃。当真空度达到13～20kPa时，开始吹氧脱碳。为保证钢中的碳始终优先于铬氧化，随着含碳量的降低相应提高真空度。当碳降到规定值停止吹氧，提高真空度，以促进钢液和渣中的氧进一步脱碳[7]。
　　然后在真空条件下加脱氧剂脱氧，脱硫并微调成分再经吹氩搅拌后，即可破坏真空，吊出钢包进行浇注。VOD精炼法的冶炼周期一般在60～80min。 
" E( \5 d, j) T- `: F1 ^* Y0 B　　2.5 冶金效果概览 
　　2.5.1AOD精炼法冶金效果 
: H( U+ e+ J" j7 d　　经过AOD精炼法冶炼的钢水中的夹杂物主要是由钙硅酸盐组成，其颗粒细小、分布均匀。成坯后的其它夹杂物主要由钢包和浇注过程中形成的[8]。 
- i+ I3 M' ^/ A, B　　2.5.2 VOD精炼法冶金效果 
　　VOD精炼法处理后的冶金效果见表5。 
　　VOD精炼法处理后的钢材夹杂物情况见表6。 
; n4 z9 V# W5 w$ G- S% _2 R　　经过VOD精炼法后的钢锭中氧化物夹杂呈细小分散，优于AOD精炼法的冶金效果。
$ r+ C+ Y, S) h, R2 {　　2.6 投资、生产成本和其他的探究 
　　2.7 
" t) S/ q- V8 j3 X; t9 c& b! y2 a　　AOD、VOD冶炼中的不足与注意事项 
　　2.7.1 AOD法冶炼的注意事项 
　　1） 供气形式尚不够完善； 
　　2） 炉衬寿命仍然较短。 
　　2.7.2 VOD法冶炼不锈钢时的注意事项 
$ G5 N1 H! t8 z& C/ o　　1） 保持高的真空度； 
　　2） 精炼开始吹氧温度为1550-1580°C，精炼后温度控制在1700-1750°C； 
　　3） 由条件时应加大包底供氩量； 
0 r( @# g4 ?: y7 }# ^( l) e$ J% p　　4） 控制合理的供氧量； 
　　5） 初炼钢液的含硅量应限制在较低的水平； 
* H) I7 V% ^, x4 [  D　　6） 减少铬的烧损和精炼后渣中Cr2O3的含量； 
　　7） 在耐火材料允许的条件下，提高初炼钢水的含碳量；　　
' G& B( `/ F% \; m, Q7 x; c      8） 精选脱氧剂、早渣材料和铁合金，防止混进碳分，并在真空下进行后期造渣，脱氧和调整成分等操作。 
9 Z) S! D7 e  Y5 d  M9 Q　　3.小结 
　　目前，较多冶金企业选择了AOD精炼法。因AOD精炼法可以在不太高的冶炼温度下将大气中将高铬钢液中的碳降到极低的水平，而铬又没有明显烧损。且精炼工艺及设备具有投资省、生产效率高、生产费用低、产品质量高和操作简便等优点[9]。但是与VOD精炼法相比较也存在不足之处，首先AOD精炼法冶炼在还原期要加入硅铁来还原铬，加入石灰调整炉渣。这就势必引起钢中氢含量的增高，精炼后又要经过一次出钢，增加了空气对钢液的玷污，无疑将使精炼效果受到影响。其次，AOD精炼法没有通用性，只能用于冶炼不锈钢，而VOD精炼法作为真空脱气装置具有通用性，可适用于各种钢种。故在不同的冶炼条件下，AOD精炼法与VOD精炼法均有着各自的优势应用领域。