vod精煉法詳解

1、VOD精煉法詳解,2010年9月,不銹鋼爐外精煉,(以18－8型低碳不銹鋼的爐外精煉為例，詳解VOD法）目錄:1、VOD法2、VOD法設備3、工藝流程圖解4、操作工藝5、真空氧氣脫碳精煉工藝分析6、VOD工藝效果及存在問題7、AOD法與VOD法比較,1、真空氧氣脫碳（VOD）法 （ vacuum oxygen decarburization）,一種在真空條件下吹氧脫碳并吹氬攪拌生產高鉻不銹鋼的爐外精煉技術。是真空吹氧脫碳

2、法的簡稱，VOD法是在真空減壓條件下頂吹氧氣脫碳，并通過包底吹氬促進鋼液循環(huán)，在冶煉不銹鋼時能容易的把鋼中碳降到0.02％～0.08％范圍內而幾乎不氧化鉻。并對鋼液進行真空處理，加上氬氣的攪拌作用，反應的動力學條件很有利，能獲得良好的去氣、去夾雜物的效果。1965年聯(lián)邦德國Edelstahlwerk Witten公司于1965年開發(fā)的(50tVOD爐)。世界VOD爐的總數(shù)已有50臺以上，容量在5～150t之間，最大的是日本新日鐵八幡制

3、鐵廠的150t VOD爐。中國采用VOD法精煉雖起步較晚(1978年在大連)，但也有了一定的基礎和規(guī)模，除大連外，重慶、上海、撫順、西寧、北京等均先后建有VOD爐，并各自取得了具有本廠特色的經(jīng)驗。,2、VOD法的設備,由真空罐、真空泵、鋼包、氧槍、加料系統(tǒng)及取樣、測溫裝置和終點控制儀表等組成。(見圖1)充足的蒸汽、水、氧氣和氬氣來源，高質量的耐火材料，適用的扒渣工具及高效率的鋼包烘烤裝置也是保證VOD爐正常生產的必要條件。 1一

4、氧槍；2一取樣、測溫13一熱電偶；4一氬氣 5一鋼包；6一合金料倉}7一罐蓋；8一防濺蓋  9一廢氣排出0；10一廢氣溫度測量；  ll一真空罐；12一滑動水0； 13一冷卻水泵；14一EMK電池； 15一循環(huán)泵,（圖1） VOD爐(罐式)設備概觀,真空罐,VOD爐有兩種型式：鋼包置于真空罐內進行精煉的罐式和在鋼包上直接加真空蓋的桶式。罐式VOD爐有許多優(yōu)點：罐蓋面積大，易于布置不

5、同用途的裝置；罐內可容納大小不同的鋼包；易與真空泵連接；鋼包上部不必帶法蘭，結構簡單且可以使用較小的自由空間；易于設置防濺蓋；真空罐密封法蘭較大，罐蓋落下時易于對準，較易保證密封等。由此罐式VOD爐得到較大的發(fā)展。為了減少鋼渣噴濺和防止罐蓋過熱，在精煉鋼包和罐蓋之間設有防濺蓋。大連鋼廠的VOD爐采用將防濺蓋懸掛于罐蓋下部的結構，其優(yōu)點是閉罐時防濺蓋隨罐蓋下落，可以自動地對準中心蓋于鋼包上，簡化了蓋罐操作。此外罐底還設有可容納鋼水和爐渣的

6、防漏盤，以防漏鋼燒壞真空罐。,鋼包,罐式VOD爐與桶式VOD爐的鋼包是有區(qū)別的：前者的鋼包不設密封法蘭，其自由空間因鋼包容量不同波動于610～1400mm之間；而后者為了保持密封設有法蘭，且自由空間比前者要加高25％～50％，即要有1500～2000mm的自由空間以承受激烈的攪拌和沸騰。VOD爐的包襯承受溫度較高，鋼液攪動激烈，它經(jīng)受的化學侵蝕和機械沖刷也比其他爐外精煉方法的更為嚴重，故對包襯耐火材料的選擇應特別嚴格，多采用鎂鉻磚式鎂白

7、云石磚，其包襯壽命一般為25～30爐，最高可達100爐。為了加速脫碳，透氣磚裝于鋼包底部中心部位，以便上涌的氬氣泡將鋼水面的爐渣推向包壁，使新鮮鋼液暴露于氧氣射流之下。,真空泵,較高的真空度易于達到較高的技術經(jīng)濟指標，同時考慮到向真空室吹入氧氣進行脫碳時，會產生大量CO氣體，必須及時抽出，故與其他精煉設備相比．VOD爐所配的真空泵抽氣能力較大一些。對真空系統(tǒng)的除塵也要采取相應措施加以解決。,氧槍,設在VOD爐的真空蓋上，通過活動密封裝置

8、插入真空室內。氧槍有兩種類型，一種是在鋼管上涂耐火材料的消耗式氧槍，為ASEA—SKl7精煉爐所用；VOD爐多采用水冷式非消耗氧槍，噴嘴為拉瓦爾式。當氧氣壓力為0．49～0．59MPa，氧槍設計馬赫數(shù)為3，擴張半角為5。時，吹氧過程是十分平穩(wěn)的。氧槍距鋼水面高度對13tVOD爐約為1．0m左右，而對50tVOD爐則為1．4～1．8m。由于這種氧槍噴出的氧氣射流速度為超音速，在入口壓強不高的條件下也可以獲得較大的射流全壓，因而允許在氧氣壓

9、強較低和離鋼水面較遠的情況下吹氧，這不僅對提高氧槍壽命有益，對不易獲得高壓氧氣的特殊鋼廠，采用它也是極為適宜的。,終點控制儀表,一般采用氧濃差電池為主，廢氣溫度和真空計為輔的廢氣檢測系統(tǒng)。氧濃差電池控制吹煉過程的原理是：式中R為氣體常數(shù)，8．315J／mol?℃；T為絕對溫度，K；F為法拉第常數(shù)，96500C／mol；E為固體電池的電勢，1000mV。根據(jù)上式，廢氣中氧的分壓PO2(廢)愈低，則電池電勢E愈大；PO2(廢)愈高，

10、則電池電勢愈小，當PO2(廢)=0．021MPa時，E就變?yōu)榱?因為PO2(空)=0．021MPa)、PO2(廢)>0．021MPa時，E變?yōu)樨撝?。由于吹氧過程中產生大量CO會改變PO2(廢)，脫碳激烈時PO2(廢)極小，E增大；脫碳微弱時，CO很少，E會趨近于零，因此根據(jù)氧濃差電勢的開始上升，在一定E值下波動和趨近于零，即可確定吹氧脫碳的起點、正常進行和終點。氧濃差電池只適用于控制趨低碳(C<0．03％)鋼的終點，對中、高

11、碳鋼及極低碳鋼(含C在10-6級)，則需要用質譜儀來控制。,3、工藝流程圖解,工藝流程 VOD爐可以與電爐雙聯(lián)，也可以與轉爐雙聯(lián)其精煉過程的主要特點是碳一氧反應的產物為C0氣體，可在真空處理中被抽走，從而促進脫碳，達到抑制鉻氧化的目的。電爐一VOD雙聯(lián)法 正常進行精煉的關鍵是正確地控制初煉鋼水的成分和開始吹氧的溫度，采用合理的真空吹煉參數(shù)及準確地控制吹煉終點。初煉鋼水的碳含量主要取決于包襯和透氣磚材料的質量，耐火材料質量高時，可將碳含

12、量控制高一些，這樣有利于更多地使用高碳鉻鐵。在耐火材料質量不高的條件下，開始吹氧的碳含量以控制在0．3％～0．4％為宜。鉻含量控制在上限。硅含量不應太高，否則會使冶煉時間拖長，實際硅含量控制在0．4％以下。硫、磷含量應低于規(guī)格。電爐出鋼時，利用同爐渣洗可進一步把硫降低(≤0．015％)。然后將爐渣扒除，以便吹煉時氧氣流可以與鋼液面直接反應并防止回硫。此后，將鋼包吊入真空罐內，通氬氣攪拌鋼水，開始抽真空，當真空度達到0．013～0．02M

13、Pa時，開始吹氧，此時氧壓為0．49～0．59MPa，氧槍距鋼水面高度為1．0m以上，吹煉過程中固定不動。開始吹氧的溫度隨鋼種和碳含量而定；吹煉超低碳不銹鋼時取澆注溫度的下限或稍低，而吹煉純鐵及不含鉻的合金時，則應略高于澆注溫度，實際開始吹氧的溫度控制在以下范圍：不銹鋼1550～1580℃；純鐵1580～1620℃；鎳(鈷)合金1560～1570℃。生產中用氧濃差電勢E、真空度聲及廢氣溫度f的變化控制精煉過程，其控制實例見圖2。,工藝流

14、程中停氧后的操作有三種方式(圖3)。實踐證明，方式Ⅲ的效果較好。從圖2中可以看出，開始吹氧后，氧濃差電勢E會上升到600～800mV之間，真空度聲和廢氣溫度f也會上升，當停氧前E、聲和t則會下降；加合金和渣料等后，進一步抽真空中，E和P還會再度升高起來，這就是進行真空碳脫氧的明顯標志。,轉爐一VOD雙聯(lián)法 工藝流程見圖4。 將經(jīng)過預處理的鐵水倒入轉爐后，首先進行一次吹煉，熔煉基體鋼水，脫除Si，C和P。然后為了防止回磷，出鋼以便

15、排掉脫磷后的爐渣，接著向鋼水中加入熔融的高碳Fe—Cr，繼續(xù)進行二次吹煉脫除Si和C。為了防止鉻的燒損，對SHS430來說，二次吹煉停吹時的碳量應為0．4％～0．6％之間，而溫度應在1770℃以上，然后從轉爐出鋼，向真空罐內的鋼包倒包以除去爐渣，進而合上真空蓋，達到適當?shù)恼婵斩群?，開始吹氧脫碳。真空吹氧結束后，繼續(xù)吹氬進行真空碳脫氧。最后加合金和脫氧劑，調整成分并進一步吹氬攪拌，使鋼中最終含氧量降低到(30～40)×10-6。

16、有時為了脫硫，還可向鋼包中加入石灰、螢石等渣料。用VOD爐可將有害元素脫除到以下范圍(×10-4％)：[C]3～300I[S]～30；[H]1～2．5；[O]30～50；[N]15～80。,4、操作工藝,A 初煉鋼水a LD轉爐作為初煉爐 將脫硫鐵水、廢鋼和鎳（按規(guī)格配入）倒入轉爐進行一次脫碳，去除鐵水中硅、碳和磷后，進行出鋼除渣，以防回磷。然后倒回轉爐內，加入高碳鉻鐵（按規(guī)格配入），再進行熔化和二次脫碳。終點碳

17、不能太低，否則鉻的燒損嚴重，通?？刂圃?.4％～0.6％。停吹溫度保持在1770℃以上，將初煉鋼水倒入鋼包爐內。b 電弧爐作為初煉爐 爐料中配入廉價的高碳鉻鐵，配碳量在1.5％～2.0％（應配入部分不銹鋼返回料，如全部用高碳鉻鐵，則鋼水熔清后含碳量高達2.0％以上）。含鉻量按規(guī)格上限配入，以減少精煉初期補加低碳鉻鐵的量，鎳也按規(guī)格要求配入。在電弧爐內吹氧脫碳到0.3％～0.6％范圍，初煉鋼水含碳量不能過低，否則將增加鉻的氧化

18、損失，但也不能過高，否則在真空吹氧脫碳時，碳氧反應過于劇烈，會引起嚴重飛濺，使金屬收得率低，還會影響作業(yè)率。為了減少初煉鋼水鉻的燒損，在吹氧結束時，對初煉渣進行還原脫氧，回收一部分鉻。初煉鋼水倒入鋼包爐后，應將爐渣全部扒掉。最好用偏心爐底出鋼。,B 真空吹氧脫碳合上真空蓋，開動抽氣泵，同時包底吹氬攪拌鋼液。當爐內壓力減小到20～6.67KPa進行吹氧脫碳，隨著碳氧反應進行，真空泵逐級開動，可根據(jù)爐內碳氧反應情況（觀察由CO氣泡造成

19、的沸騰程度），將真空度調節(jié)在13.33～1.33KPa范圍內。鋼中碳含量的變化可根據(jù)真空度、抽氣量、抽出氣體組成的變化等判斷，在減壓條件下很容易將終點碳降至0.03％以下。終點碳的判斷通常是用固體氧濃差電池進行測定。,C 真空下碳氧反應（碳脫氧）吹氧結束后，繼續(xù)吹氬氣攪拌，在真空下進行碳脫氧（鋼中碳和氧同時降低）和去氣，并進行取樣和測溫（吹氧過程中一般不取樣，如需要取樣應停止吹氧）。如果溫度過高，可加入本鋼種返回料降溫，并加入脫氧

20、劑和石灰等造渣材料，以及添加合金調整成分，然后繼續(xù)進行真空脫氣。當鋼的化學成分和溫度符合要求，處理完畢即進行澆鑄。通常精煉時間約需1h左右。,5、真空氧氣脫碳精煉工藝分析,A 影響真空脫碳的因素 影響真空脫碳的因素有：①臨界含碳量：臨界含碳量是指在一定溫度下，脫碳速度vc與鋼中碳含量無關的高碳區(qū)和vc隨[％C]降低而減小的低碳區(qū)之間的交界含碳量。臨界含碳量越低，脫碳越容易進行。臨界含碳量的值與鋼液中含鉻量、冶煉真空度和溫度，以

21、及是否吹氬等因素有關，通常冶煉真空度及溫度越高，臨界含碳量就越低。對于18－8型不銹鋼而言，VOD法精煉時的臨界含碳量波動在0.02％～0.06％之間，而電弧爐返回吹氧法的臨界含碳量大于0.15％。例如：國內某廠吹氧平均真空度為6.67～13.33KPa，采用水冷拉瓦爾噴槍深坑硬吹，采用氬氣攪拌，其臨界含碳量為0.02％～0.03％?？梢姡赩OD精煉條件下，冶煉含碳量小于0.03％的超低碳不銹鋼是十分有利的。,②真空度：真空度是影響鋼

22、中碳含量的重要因素，真空度越高，鋼中碳含量可越低。提高開吹真空度，可以改變鋼中碳硅氧次序，使碳優(yōu)先氧化，從而縮短吹氧脫碳時間。而停吹氧真空度越高，臨界終點碳量越低。③其它因素：真空脫碳還與供氧量有關，耗氧量越大，鋼中碳含量將降的越低。但要考慮可能會增加鉻的燒損；提高鋼液溫度和限制初煉鋼液中的含硅量，同樣能降低鋼中碳含量；此外，在精煉后期進行造渣、脫氧、調整成分等操作，都會使碳含量增加，所以這些操作都應在真空下進行，以防增碳?？傊?/p>

23、空脫碳時應當把提高真空度放在優(yōu)先地位，而供氧量要控制適當，以免增加鉻的燒損，有條件時可加大供氬量，而脫碳后的鋼液溫度則控制在1700～1750℃之間為宜。,B 影響鉻回收率的因素VOD法精煉高鉻鋼液時，鉻的回收率波動在97.5％～100％之間。如果將初煉爐內鉻的損失一并計算，則鉻的回收率在93％～96％之間。為了提高鉻的回收率，應注意以下幾個方面。①提高真空度：真空度對鉻回收率的影響見下表：真空度/KPa精煉爐鉻的回收率/％開始

24、吹氧脫碳期平均值停吹氧碳脫氧6.67～13.332.67～8.0＜0.6670.107～0.16約為10020～246.67～20＜2.670.133～0.496從表中數(shù)據(jù)可知，真空度高，精煉后鉻的回收率就高?？梢娞岣哒婵斩仁菑墓に嚱嵌忍岣咩t回收率最有力的手段。,②控制合理的吹氧量和終點碳。當初煉鋼液含碳量為0.3％～0.6％時，供氧量控制在10m3/t較為合適。因為吹入鋼液的氧除了氧化碳外，同時也氧化部分鉻，所以供氧量增加必然會增大

25、鉻的燒損；吹氧終點碳的控制一般不宜低于臨界含碳量值過多，否則由于脫碳速度減慢而增加鉻的氧化，而含碳量在隨后的真空碳脫氧時還會繼續(xù)下降。必須指出，在吹氧后期，當鋼中含碳量達到臨界值時，更應該適當?shù)臏p少供氧量，以免造成鉻的大量燒損。③造好精煉還原渣：這是提高鉻回收率的另一重要工藝措施。真空脫氧結束后，應及時加入石灰等造渣材料，造堿度大于2的精煉爐渣。次時，渣中必然含有一定量的氧化鉻，通常渣中（Cr2O3）約為5％，所以在真空下加粉狀強脫氧

26、劑，對提高鉻的回收率是必要的。,④提高初煉爐內鉻的回收率：初煉爐內吹氧脫碳后鉻的燒損約2％～4％，如果初煉渣渣量為3％，則在初煉渣中（Cr2O3）含量約為11％～22％。因此，在吹氧結束后，必須對初煉渣進行還原，同時初煉渣的堿度要大于2，當堿度R<2時，初煉鋼液鉻的回收率將明顯降低。另外，初煉爐內吹氧終點碳不能控制過低，以免增加鉻的燒損量。總之，提高精煉爐的真空度、適當控制供氧量、調整初煉爐渣和精煉爐渣的堿度及對爐渣的脫氧還原、

27、合理控制初煉爐吹氧量和碳量，使鉻總回收率達到93％是不成問題的，但要進一步提高鉻的回收率就較為困難。,C 溫度控制從高鉻鋼液中碳鉻氧化理論可知，溫度越高越有利于脫碳。但過高的溫度會縮短鋼包爐內襯壽命，不銹鋼爐外精煉并不擔心溫度過低，而是怕溫度過高，所以操作中要注意控制升溫。溫度控制可按下列幾個方面考慮：①提高真空度和控制開吹溫度：提高吹氧脫碳過程中的平均真空度，可以降低停吹后的鋼液溫度；開吹溫度適當?shù)托┮彩墙档途珶捄箐撘簻囟鹊囊?/p>

28、個重要手段，從下表實測得到的數(shù)據(jù)：,但是，應以提高真空度為主要手段，而不能過分強調降低開吹溫度。因為開吹溫度過低，將使脫碳速度降低，鉻的燒損增加。通常認為開吹溫度控制在1550～1580℃為宜。②適當控制供氧量：如前所述，過多的供氧量，除了脫碳外，還會使其它元素大量氧化，鉻的燒損也會增加，所以適當控制供氧量和精煉后期逐漸減少供氧量是非常必要的。③真空脫碳反應結束后，如溫度過高，可加入冷料（渣料、本鋼種返回料、合金）降溫。也可事先適當

29、降低鋼包的烘烤溫度，但不能低于700～800℃，以免烘烤不良而向鋼中帶入水份。,D 真空精煉吹氧終點的控制目前多數(shù)爐子是用固體氧濃差電池測定氣相中的氧分壓的變化，從而判斷鋼中碳氧反應的情況。當鋼液所進行的碳氧反應發(fā)生變化，氣相中的氧分壓就隨之改變，此時固體氧濃差電池產生的濃差電勢就在電位表上顯示出來。其規(guī)律為：開始吹氧時，由于氧化鋼中硅，爐氣中的氧分壓與空氣中的氧分壓相等，電勢為零，濃差電勢停在零位不動。開始吹氧時，由于氧化鋼中

30、硅，爐氣中的氧分壓與空氣中的氧分壓相等，電勢為零，濃差電勢停在零位不動。隨后碳氧反應開始，電勢指針離開零位上升，吹氧2～3min后，碳、氧反應激烈，指針在數(shù)秒鐘內躍升到高峰值，隨后較穩(wěn)定的保持這一數(shù)值。電勢指針又從高峰值突然跌落到較低的數(shù)值，隨后較穩(wěn)定的較穩(wěn)定的保持這一數(shù)值。當電勢指針從高峰突然跌落，說明鋼中碳含量已降低到臨界值。這時鋼中碳、氧反應驟然減弱，脫碳速度突然大大減慢。此時，熔池中有極高的超平衡氧，應該立即停止吹氧，隨著超平衡

31、氧與鋼中[C]的繼續(xù)氧化，電勢繼續(xù)緩慢下降直至零，無疑多吹進氧量，反而會使鉻氧化增加。停吹氧后真空度很快增高，數(shù)分鐘內即可使鋼液在低壓下碳脫氧（真空碳脫氧），再次發(fā)生沸騰現(xiàn)象，此時氧濃差電池的電勢出現(xiàn)第二次峰值。當電勢從第二次峰值下跌，則說明碳、氧反應停止，達到了真空保持期的終點。此外。觀察真空管道里的溫度，也能判斷精煉過程的進行情況。開吹后，鋼中碳、硅、鋁、錳等元素不斷被氧化而放熱，尤其是碳被氧化后，生成氣相反應產物CO的析出，使

32、管道溫度以明顯的速度上升。而當碳氧反應中止，CO氣體不再產生，熱量就不再被CO氣體大量帶出來，則管道溫度就不再上升，或者開始下降。因此，真空管道內的溫度變化，可以作為精煉過程中碳氧反應變化的參考數(shù)值。,VOD法冶煉不銹鋼時，應注意以下幾個方面：①保持高的真空度。②精煉開始吹氧溫度為1550～1580℃，精煉后溫度控制在1700～1750℃。③有條件時應加大包底供氬量。④控制合理的供氧量。⑤初煉鋼液的含硅量應限制在較低的水平。

33、⑥減少鉻的燒損和精煉后渣中（Cr2O3）的含量。⑦在耐火材料允許的條件下，提高初煉鋼水的含碳量。⑧精選脫氧劑、造渣材料和鐵合金，防止混進碳分，并在真空下進行后期造渣，脫氧和調整成分等操作。,6、VOD工藝效果及存在問題,VOD法用高碳鉻鐵冶煉超低碳不銹鋼，超低碳成功率達100％，成品中[C]≤0.03％。與電爐返回吹氧法冶煉相比較，提高生產率45％，節(jié)約電能30％，鋼錠成本降低30％以上；由于顯著提高鋼的質量，降低鋼中氣體及夾雜物含

34、量，消除了鍛軋廢品。VOD法是作為冶煉不銹鋼而發(fā)展起來的，它具有很多優(yōu)點，但仍有一些問題尚未完滿解決。首先是鋼包壽命低，波動在25～60次之間。為此，必須從提高耐火材料的質量，縮短精煉時間，改進吹氧方法和造渣制度等方面加以研究。其次，是進一步提高真空度和期待解決爐前快速分析問題。VOD法不僅適用于冶煉不銹鋼，也可對各種特殊鋼進行真空精煉或真空脫氣處理。但是鋼包要采取適當?shù)念A熱措施，而且處理時間不能過長，以防鋼液降溫過多。當然也可在V

35、OD設備上增加加熱設備。例如在真空下進行電弧加熱，使鋼水溫度可以隨時調整，真空精煉及處理時不受時間的限制。帶有真空電弧加熱設備的VOD爐即所謂MVOD法，如果MVOD法去掉吹氧裝置即成為VAD法。,7、AOD法與VOD法比較,從AOD法和VOD法的使用情況來看，較多工廠選擇了AOD法。因為AOD法雖然在非真空下冶煉，但操作自由，能直接觀察，造渣及取樣方便，原料適應性強，可以使鋼中的含硫量降的很低，生產率比VOD法高，而且易于實現(xiàn)計算機自

36、動控制。但是與VOD法相比較也存在很多不足之處，首先AOD法冶煉在還原期要加入15～20Kg/t的硅鐵來還原渣中的鉻，以及加入石灰調整爐渣。這就勢必引起鋼中氫含量的增高，而且精煉后又要經(jīng)過一次出鋼，增加了空氣對鋼液的玷污，無疑將使精煉效果受到影響。特別是在冶煉抗點腐蝕及應力腐蝕的超純鐵素體不銹鋼時，VOD法顯示出其獨特的優(yōu)越性，能煉出[C]＋[N]<0.02％的超低氮不銹鋼。其次，AOD法沒有通用性，只能用于冶煉不銹鋼，而VOD法