20tVOD炉冶炼不锈钢的工艺研究

20tVOD 炉冶炼不锈钢的工艺研究摘要：通过对VOD炉的不断认识，掌握了采用EAF---VOD双联法冶炼超低碳不锈钢的工艺，并确定了主要工艺参数。

2006年上半年生产的38炉就节约合金价值达到 344.5353万元，取得较大的经济效益。

关键词：VOD 超低碳不锈钢工艺参数1 前言VOD精炼炉是国内外主要用于生产超低碳不锈钢的冶炼设备，它的显著优点在于可进一步提高不锈钢质量，降低冶炼成本，减轻工人劳动强度。

二重集团公司每年都要完成几千吨不锈钢生产，它包括叶片、导叶、上冠和下环等，主要用于水轮机发电设备，是集团公司每年生产的长线、高附加值产品。

随着国内水电装机容量的不断增加，电炉车间每年的低碳不锈钢铸件产量和商值逐年递增，已成为集团公司新的经济增长点, 2005年仅低碳不锈钢铸件的商值达1亿多。

如果采用电弧炉直接冶炼，成本高，操作难度大。

为此集团公司2005年在电炉车间新上一台20tVOD精炼炉，该种设备是二重以前从没有操作使用过的，如何在尽快短的时间里摸索掌握和使用该设备成为集团公司上上下下考虑的重大问题，同时掌握其操作，对于完成今年的不锈钢铸锻件任务至关重要（2006年计划完成4000多吨）。

并且车间长期积压了多达2000吨的高P废钢不能充分利用，厂内废钢车间也积压大量的Ni钢屑，严重影响公司成本节能降耗。

采用EAF---VOD双联法方式可以在很大程度上消化使用不锈钢返回料，节约合金，降低库存积压，极大地盘活集团公司流动资金。

2 研究思路由于VOD炉是集团公司尚未使用过的精炼设备，一开始就直接用VOD炉冶炼超低碳不锈钢是不现实的，这要求不论是技术人员还是操作人员都要有一个摸索和熟悉的过程，通过分析研究决定分四步展开工作。

第一阶段：碳素钢VOD工艺试验选择三炉碳素钢进行了VOD工艺试验，目的：熟悉VOD炉的操作，验证VOD炉的脱碳能力，掌握氧枪操作要领，初步掌握氧枪高度、氧气压力、氧气流量、真空度、氧势及CO曲线与终点碳和温度的关系。

第二阶段：低合金钢VOD工艺试验选择了五炉低合金钢（含Cr钢）进行VOD工艺试验，目的：掌握粗水的C+Si的含量和温度与停吹后钢水温度关系，VOD炉的喷溅与钢水量、氧枪高度、氧气压力、氧气流量、氩气流量、真空度的关系，进一步掌握如何控制粗水的C+Si的含量和温度、氧枪高度、氧气压力、氧气流量、氩气流量、真空度，粗水的炉渣对VOD冶炼的影响。

第三阶段：低碳不锈钢的VOD法工艺试验在前面两个阶段的基础上，编制VOD炉试制工艺，在改进了氩气控制装置后，进行低碳不锈钢的VOD法工艺试验。

着重解决以下几个问题：（1）VOD炉开炉前的准备工作：设备如何检查、氩气准备、蒸汽准备、分析手段的准备。

（2）电炉粗水的C+Si含量、Cr含量、Ni含量、钢水温度与渣量对VOD冶炼的影响。

（3）真空吹氧脱碳的操作：氧枪高度、氧气压力、氧气流量、氩气流量、真空度对脱碳速度和喷溅的影响。

（4）终点碳的判断：废气温度、真空度、氧势及CO曲线与终点碳的关系。

（5）终脱氧剂用量、碱度、VCD的极限真空度和终点碳对Cr回收率的影响第四阶段：生产阶段（巩固与提高阶段）在总结第三阶段试验的基础上，制定出VOD炉的专用工艺规程，并正式推广于生产，重点解决以下问题：（1）电炉粗水的成分和温度控制；（2）V OD炉冶炼前的检查和准备：氩气系统、氧枪系统、真空系统、水系统、密封系统；（3）V OD冶炼的操作过程控制；（4）事故处理。

3 VOD精炼炉设备如图一所示，VOD炉精炼是在真空条件下从钢包顶部吹氧、底部供氩进行脱碳精炼的。

主要参数：炉容量15～20t 氧压0.6—1.0Mpa氧气流量300—500m3/h 最大真空度30pa150kg五级蒸汽喷射泵拉瓦儿水冷氧枪图一、VOD精炼炉装置图4 VOD冶炼超低碳不锈钢工工艺特点按照预先制定的研究思路，在进行完前两步，经总结后在第三步确定了工艺过程。

4.1 工艺过程2#EAF提供低C、P、S粗水——→3#EAF化返回料——→3#EAF熔清加HCr、中Cr及初还原后扒净炉渣----→入VOD罐----→ VOD ----→VCD ----→加渣料、脱氧剂、合金后VD ----→成分微调及终脱氧出钢由于采用2#EAF冶炼低C、P、S粗水，可以解决车间2000吨返回料积压问题。

4.2工艺参数根据超低碳钢不同特点和特性要求，结合热力学、动力学条件及实际生产条件，我们制定了合理工艺及工艺参数。

4.2.1 枪位：氧化期枪位1200m左右为宜，既保证一定脱碳速度又可减少喷溅，利于包衬寿命提高。

4.2.2 氧气流量：15t钢包Q O2为300～400Nm3/h此时供氧强度是0.33～0.45 Nm3/min.t钢，在此控制值下，获得了良好的冶炼指标：单位钢水耗氧量9～13Nm3/min.t钢，并保持高真空下碳脱氧，铬收得率可达到95%。

众所周知，VOD钢水脱碳由吹氧脱碳和真空碳脱氧两个过程组成，而吹氧脱碳又可分为大于临界碳含量的高碳区和小于临界碳含量的低碳区两个阶段，一般碳氧化模式为：直接氧化[C]+[O]={CO}↑（1）间接氧化（MexOy）+Y[C]=x[Me]+Y{CO}↑（2）在高碳区，碳的直接氧化和间接氧化是同时发生的，其反应限制性环节是供氧强度。

此时提高供氧强度会加快脱碳速度，且有利于脱气，故主吹选择420Nm3/h左右，而在低碳区脱碳的动力学公式为：d[%C]/dt=-A/V×D/δ（[%C]-[%C]平）=-A/V×Kc（[%C]-[%C]平）（3）式中：A—界面积；V—钢水体积；D—钢中碳扩散系数；δ—钢液到扩散层厚度；Kc—传质系数。

当[C]降低，△C=[%C]- [%C]平变小时，脱碳的限制性环节为[C]在熔池中的扩散过程（传质），此时，若提高供氧强度只会加速铬的氧化，因此，预缓吹选为Q O2 300Nm3/h左右，同时控制合适的供氩量。

4.2.3 氩流量，从动力学角度来看，当进入低碳区，一方面提高氩流量，增大传质系数Kc和A；另一方面，由于铬的氧化，在钢液表面形成了一层粘稠的富铬渣，阻碍了氧气流和钢液的直接接触，恶化了碳的直接氧化和间接氧化的动力学条件，而增大了氩流量，提高搅拌能可吹开这层氧化物，并使之卷入钢中，从而增加脱炭反应，减少铬的氧化，此外在停吹氧后进入的真空碳脱氧期的脱碳反应，是在气液界面进行的，增大吹氩量，不仅加快钢包内钢液环流速度，表面更新的速度，而且还进一步降低气泡中CO分压，增加气液相界面积，从而使脱碳反应继续进行，有效地降低了终点碳含量，确保成品碳≤0.03%，实际表明，供氩量控制在2～50Nl/min范围是合适的。

4.2.4 真空度：氧化期真空度控制在15～20Kpa，既加速碳氧反应，又利于操作。

4.2.5 初钢成分：初炼炉钢水成分对精炼时间、铬的回收、喷溅有一定影响，对Cr，一般控制在中上限，精炼无须（或少量）加入，以节省昂贵的铁合金，降低冶炼成本，缩短精炼时间。

初钢成分须严格控制[C]和[Si]，以减少喷溅，缩短吹氧时间，确保精炼过程的温升率较为合理的是[C]初+[Si]初＜0.75%，即控制[Si]＜0.35% [C]：0.3～0.4%（≯0.6%）为宜，同时，适当提高开吹温度也有利于缩短冶炼时间。

4.2.6吹氧终点判断：需根据废气温度变化，氧浓差电势图，吹O2时间，∑O2流量等综合参数来判断终停氧时间，正常情况，以废气温度出现明显拐点5～15分钟，及氧浓差电势E值趋于到零作为终点判断，由于电炉车间氧浓差电势图后来显示不出来，则主要通过废气温度出现明显拐点来判断，停吹碳达到0.04%以下，最低可达到0.01%。

满足成分控制要求。

4.2.7 脱氧剂用量：冶炼超低碳不锈钢为确保成品碳≤0.06%（有的产品要求成品碳≤0.03%），就超低碳（C≤0.03%）钢而言，因终点碳低，钢中含氧量较高，单靠真空脱碳氧，很难将钢中[O]降到低的水平，在确保渣量及碱度条件下，还需用Al、Mn、Fe-Si、Ti等脱氧来控制钢中[O]及[S]，故而选择用Al量5～8kg/t钢，可使钢中[O] ＜60ppm，平均ηs达到60%，铬收得率＞95%。

5 结果分析5．1 2006年8月份前采用VOD炉冶炼了58炉不锈钢，1000多吨钢水，冶炼的钢种为ZG0Cr13Ni4Mo、ZG0Cr13Ni5Mo、ZG0Cr13Ni6Mo、Z G06Cr16Ni5Mo等主要用于叶片、导叶、上冠和下环之类的产品。

如表一所示，成分全部达到规格要求，成品C：0.02-0.04%，最低达0.01%，达到国内先进水平；成品P平均为0.0219%；最低为0.014%；成品S平均为0.0116%，最低为0.004%。

以往电炉生产不锈钢，成分不易准确控制，主要是C、Si、Mn、Cr，波动比较大，温度偏高，而现在采用VOD可以准确控制成分和温度。

5.2渣样分析表二如表二所示，106-58、106-59炉出钢分析的渣样，Cr2O3含量都较高达到7%以上。

终脱氧的AL按5Kg/t加入，致使Cr的回收率仅为91%。

以后调整终脱氧的AL、Ti的加入量，106-133炉出钢分析的渣样Cr2O3含量达到1.76%，Cr的回收率达到95%。

取得比较明显的效果。

5.3对106-59炉取气体样分析：[H]达到0.5ppm，[O]为63 ppm。

由于渣样分析FeO≥1%，Cr2O3≥7%，反映出脱氧不良，故[O]为63 ppm 106-133炉了加强终脱氧力度，气体样分析：[H]达到0.7ppm，[O]为29ppm。

5．4今年上半年VOD精炼生产了38炉，节约镍14.802 吨,钼铁4.552 吨,微铬 59.661吨.合金节约费用达到344.5353万元,若按去年完成4000多吨不锈钢,则全年仅合金就节约费用 1千多万元。

5.5成分控制的准确度高，可以严格按照工艺要求的内控成分控制，特别是C可以控制在0.02—0.04%的范围内，为热处理创造了有利的条件。

VOD精炼中通过真空和吹氩强力搅拌，夹杂物易于上浮，有害气体得到进一步去除，钢水的纯净度大大提高。

5.6 Cr的回收达到95%，还有潜力可挖，除终脱氧的铝和钛足够外，还需要从下几个方面开展工作：（1）加大炉渣碱度和加强搅拌；（2）提高钢液的温度和精炼的真空度；（3）终点碳的控制在规格范围内，但不能太低，否则对Cr的氧化加重，终点碳高一些，控制碳过吹，可减少Cr的氧化。

6 结论6.1制定的研究思路，对于前期开展的研究工作及以后开展工艺性试验都有很强的指导意义；6.2 采用的VOD参数用于冶炼超低碳不锈钢能完全达到工艺要求；6.3制定的工艺过程解决了返回料中P、S高的难题，已经冶炼的58炉不锈钢成品成分P平均达到0.0219%, S平均达到0.0116%,控制在比较低的水平；6.4终点碳的控制采取最直接的判断，即废气温度出现明显拐点5～15分钟，停吹碳达到0.03%以下，最低可达到0.01%；满足成分C的控制；6.5 VOD炉冶炼超低碳不锈钢，用价廉的高铬代替昂贵的微铬合金，大大节约冶炼成本。