[摘 要] 鋼鐵工業(yè)曾經是世界工業(yè)化進程中最具成長性的產業(yè)之一，是衡量一個國家綜合國力和工業(yè)水平的重要指標。行業(yè)競爭激烈。降低成本，改進技術，開發(fā)、搶占新市場成為各大鋼鐵公司為在競爭中取勝而采取的主要戰(zhàn)略。不銹鋼因其具有不銹、耐蝕、高壽命、可回收，低的壽命周期成本、美觀等優(yōu)良性能而廣泛用于國計民生的各個領域。根據(jù)不同的鋼種及其冶煉時不同的外加條件，AOD、VOD精煉法是目前不可或缺的兩種精煉法。本文就這兩種方法的各自工作原理、設備構造及其特點、優(yōu)缺點的共異性、工藝操作、冶金效果、投資成本等方面進行了全面的比較和評估。并拓展延伸，對各自的工藝操作進行簡要介紹。通過收集數(shù)據(jù)實例驗證該精煉法的現(xiàn)狀。論文的研究為AOD、VOD兩種精煉方法提供的一個新的體系結構和探究方法，同時具有較高的設備價值。
[關鍵詞]AOD VOD 精煉法 工藝分析 參數(shù)比較
1.緒論
1.1 研究背景
鋼鐵工業(yè)曾經是世界工業(yè)化進程中最具成長性的產業(yè)之一，在過去的100多年中，鋼鐵工業(yè)在產值、產品結構、工業(yè)技術都得到了飛速的發(fā)展。鋼鐵仍然是人類不可替代的原材料，是衡量一個國家綜合國力和工業(yè)水平的重要指標。中國的鋼鐵工業(yè)經過幾十年的發(fā)展，鋼鐵生產在數(shù)量和質量上都有了極大提高。然而，從鋼鐵產品結構上來看，矛盾十分突出，傳統(tǒng)產品過剩，高附加值產品供不應求。因此，鋼鐵產品的競爭力同發(fā)達國家相比，還存在一定的差距。
1.2 選題意義
2012年中國不銹鋼產量達到1400多萬噸，預計到2015年，中國不銹鋼產能將達到2000萬噸，不銹鋼產量將超過1900萬噸，國內不銹鋼需求量將增加至1600萬噸。AOD與VOD二種精煉法都是當前精煉不銹鋼種的主要方法，它們在實際生產中具有各自的特點。本文就AOD與VOD兩種精煉法的工藝原理、工藝操作、冶金效果和成本進行全面的研究和評估。
1.3 鑄造技術國內外發(fā)展現(xiàn)狀
國外發(fā)達國家總體上鑄造技術先進、產品質量好、生產效率高、環(huán)境污染少、原輔材料已形成商品化系列化供應。鑄造生產全過程主動、從嚴執(zhí)行技術標準，標準更新快（標齡4-5年），普遍進行ISO9000、ISO14000等認證。而我國，鑄造領域的學術研究并不落后，很多研究成果居國際先進水平，但轉化為現(xiàn)實生產力的少。鑄件質量低，材料、能源消耗高，經濟效益差，勞動條件惡劣，污染嚴重。另一方面，鑄造系統(tǒng)研究固然起步晚，但進步快。先后推出了型砂質量治理專家系統(tǒng)、鑄造缺陷分析專家系統(tǒng)、自硬砂質量分析專家系統(tǒng)、壓鑄工藝參數(shù)設計及缺陷診斷專家系統(tǒng)等。
1.4 AOD精煉設備的概述及工作原理
1.4.1 AOD設備基本概述
AOD爐氬氧精煉法精煉設備，爐體安放在一個可以前后傾翻的托圈上。在爐子的底側部裝有向熔池水平方向吹入氣體的噴槍。噴槍延長線的匯合點與爐子的豎軸重合。噴槍由內管與外管兩層組成，內管導入主吹煉氣體，內管與外管之間的環(huán)形縫隙導入Ar、N2或空氣起冷卻作用以保護噴槍，噴槍在筑爐時埋入耐火材料層，在冶煉過程中與爐襯同步燒損。吹入的氧氣主要用于氧化碳升溫，吹入的氬氣主要用于強對流攪拌。爐體用鎂鈣磚或者鉻鎂磚或富鎂白云石磚砌筑，噴槍周圍采用質量更高的電熔鉻鎂磚砌筑，以承受高溫及鋼液沖刷?？梢苿邮綘t帽用鉻鎂磚或鋁鎂磚砌筑，也可以用耐熱混凝土澆灌，爐膛尺寸比例大致是：熔池深度/爐膛直徑/爐膛總高=1/2/3。爐子在前傾一定角度的情況下，由轉移鋼包倒入初煉水中，此時氣體噴槍處于鋼液面以上。爐子恢復到豎直位置時，噴槍沒入鋼水深處，開始吹氣精煉。精煉完成后，仍經爐帽出鋼。
1.4.2 AOD精煉法基本概念
AOD精煉法是氬氧脫碳法的簡稱。在精煉不銹鋼時，通過降低CO分壓，達到假真空的效果，從而使碳含量降到很低的水平，并且抑制鋼中鉻的氧化。
1.4.3 AOD精煉法工作原理
AOD吹氧脫碳的原理是吹入爐內的氧氣進入鋼液后，與鋼液中的碳和鉻反應，鋼液中的鉻與氧反應生成氧化鉻進入渣層，另外，鋼液中碳與渣中氧化鉻反應，將渣中Cr2O3還原為鉻，重新回到鋼液中，其中，碳鉻平衡是溫度和CO分壓的函數(shù)。根據(jù)鐵碳相圖上碳鉻氧化反應吉布斯能曲線的相對位置關系達到降碳保鉻，就得使碳優(yōu)構成選擇性的氧化關系。通過向鋼液中不斷地吹入氮和氬來降低CO分壓，從而使上述反應向生成CO的方向進行，將渣中還原為鉻溶入鋼液中，從而達到降碳保鉻的目的。
1.5 VOD精煉設備基本概念及其工作原理
1.5.1 VOD精煉設備介紹
VOD型鋼包精煉爐是在真空下吹氧、脫碳、真空除氣、真空下合金成分微調，主要用于精煉超低碳不銹鋼和電工純鐵等。主要形式：VOD型鋼包精煉爐可采用單獨工位，也可采用雙工位，真空罐為高架式或地坑式，也可采用車載式，真空罐蓋的移動方式通常采取車載移開式。
1.5.2 VOD精煉法概念介紹
VOD精煉法是真空吹氧脫碳法的簡稱。它是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，在真空條件下頂吹氧氣脫碳，并通過鋼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，能獲得良好的去除有害氣體、有去除夾雜物的效果。
2.AOD、VOD精煉綜合概述
2.1 精煉流程
2.1.1 AOD精煉流程
AOD接收來自電爐的不銹鋼預熔體，脫碳后進入還原階段，用硅鐵還原渣中鉻、錳和鐵；加入石灰、氟化鈣（CaF2）造渣脫硫。在還原過程中調整鋼的成分和溫度。還原后可直接出鋼。對一些特殊鋼種可還原后取樣。如需要，可在LF/LATS調整最終的成分和溫度，然后將合格鋼液送連鑄機回轉臺。對于超低碳、氮鋼種，AOD作為中間處理環(huán)節(jié)將碳脫到一定程度后送VOD最終處理。
2.1.2 VOD精煉流程
行車將盛有鋼液的鋼包吊入VOD爐真空罐內，人工接通吹氬管，同時進行測溫取樣。而后，真空罐蓋車從停車工位開到VOD工位，并下降罐蓋。接下來，真空處理、吹氧脫碳，合金微調、吹氬攪拌，待處理結束后，關閉真空主閥→破空→提升罐蓋→真空罐蓋車開到停車工位→測溫取樣→停止吹氬→加入保溫劑→鋼包吊運至澆鑄工位。
2.2 工藝操作特點
2.2.1 AOD工藝操作特點
AOD工藝操作的核心是降碳保鉻，提高金屬收得率，降低生產成本。其特點：
1） 配置連續(xù)測溫裝置監(jiān)測熔池溫度，并通過爐口鋼渣混沖出鋼，提高合金收得率；
2） 配置容量大、數(shù)量多的合金及散狀料系統(tǒng)進行合金化和造渣脫硫操作；
3） 優(yōu)化供配氣系統(tǒng)以降低氬氣消耗；
4） 配置氧槍系統(tǒng)縮短冶煉周期，改善與前后工序的匹配關系；
5） 配置爐襯維護系統(tǒng)及爐殼快速更換系統(tǒng)，提高爐襯壽命，降低耐火材料消耗，縮短更換爐殼時間，提高作業(yè)率；
6） 配置煙氣凈化系統(tǒng)實現(xiàn)能源回收及環(huán)境保護。
2.2.2 VOD工藝操作特點
VOD型真空精煉設備是目前世界上使用最廣泛的爐外精煉設備之一。它具有設備簡單、投資少、成本低、精煉鋼種多、質量高、操作方便等諸多優(yōu)點。
2.3工藝設備
VOD設備存在鋼包壽命低的缺陷，波動在25-60次之間，為此，必須在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解決爐前快速分析問題，VOD法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。AOD爐壽命是溫度與精煉時間的函數(shù)，若氧化末期溫度在1720℃左右，爐齡就與時間成正比，因此在控制溫度、堿度的同時盡力縮短精煉時間。
2.4 工藝操作概述
2.4.1 AOD精煉法的操作（以冶煉不銹鋼為例）
在初煉鋼水兌入AOD爐后通常分為三或四個階段，按照爐內的碳含量和溫度再調整氧氬比在吹煉初期鋼水的w（C）較高，可用O2∶Cr=4∶1（或3∶1）此為第一個階段；當w（C）降到0.2%左右，可用O2∶Ar=2∶1的比例供氣，此時熔池溫度大約為1690～1720℃，此為第二個階段；當w（C）降到0.1%左右時，改O2∶Ar=1∶2，將w（C）降到0.02%，此時熔池溫度大約為1730℃，此為第三個階段；當吹煉w（C）小于0.01%的超低碳鋼種時可增設第四個階段。最后用純氬吹煉幾分鐘，使溶解氧繼續(xù)脫碳。
加入一定量的硅鐵、鋁和石灰對爐渣中的Cr2O3進行還原，同時進一步降低鋼中的溶解氧，并繼續(xù)吹氬攪拌，然后扒渣。進行少量合金微調，繼續(xù)吹氬攪拌，在鋼水溫度達到1580～1630℃時出鋼。AOD精煉法的冶煉周期一般在70～100min。
2.4.2 VOD精煉法的操作（以冶煉不銹鋼為例）
初煉爐（電弧爐或氧氣轉爐）出鋼的鋼水除渣后將VOD鋼包吊入真空室，接通底吹氬開始合蓋抽真空，此時熔池溫度大約為1550～1580℃。當真空度達到13～20kPa時，開始吹氧脫碳。為保證鋼中的碳始終優(yōu)先于鉻氧化，隨著含碳量的降低相應提高真空度。當碳降到規(guī)定值停止吹氧，提高真空度，以促進鋼液和渣中的氧進一步脫碳。
然后在真空條件下加脫氧劑脫氧，脫硫并微調成分再經吹氬攪拌后，即可破壞真空，吊出鋼包進行澆注。VOD精煉法的冶煉周期一般在60～80min。
2.5 冶金效果概覽
2.5.1AOD精煉法冶金效果
經過AOD精煉法冶煉的鋼水中的夾雜物主要是由鈣硅酸鹽組成，其顆粒細小、分布均勻。成坯后的其它夾雜物主要由鋼包和澆注過程中形成的。
2.5.2 VOD精煉法冶金效果
經過VOD精煉法后的鋼錠中氧化物夾雜呈細小分散，優(yōu)于AOD精煉法的冶金效果。
2.6 投資、生產成本和其他的探究
2.7 AOD、VOD冶煉中的不足與注意事項
2.7.1 AOD法冶煉的注意事項
1） 供氣形式尚不夠完善；
2） 爐襯壽命仍然較短。
2.7.2 VOD法冶煉不銹鋼時的注意事項
1） 保持高的真空度；
2） 精煉開始吹氧溫度為1550-1580°C，精煉后溫度控制在1700-1750°C；
3） 由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；
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、早渣材料和鐵合金，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。
3.小結
目前，較多冶金企業(yè)選擇了AOD精煉法。因AOD精煉法可以在不太高的冶煉溫度下將大氣中將高鉻鋼液中的碳降到極低的水平，而鉻又沒有明顯燒損。且精煉工藝及設備具有投資省、生產效率高、生產費用低、產品質量高和操作簡便等優(yōu)點。但是與VOD精煉法相比較也存在不足之處，首先AOD精煉法冶煉在還原期要加入硅鐵來還原鉻，加入石灰調整爐渣。這就勢必引起鋼中氫含量的增高，精煉后又要經過一次出鋼，增加了空氣對鋼液的玷污，無疑將使精煉效果受到影響。其次，AOD精煉法沒有通用性，只能用于冶煉不銹鋼，而VOD精煉法作為真空脫氣裝置具有通用性，可適用于各種鋼種。故在不同的冶煉條件下，AOD精煉法與VOD精煉法均有著各自的優(yōu)勢應用領域。
來源：冶金技術網
冀公網安備13050002001422號