1、VOD 法在冶炼低碳不锈钢中的应用【摘要】本文介绍了 VOD 冶炼不锈钢的操作要点、相关讨论以及不锈钢冶炼工艺的发展，希望能够对 VOD 法冶炼低碳不锈钢提供一些借鉴。【关键词】VOD；低碳不锈钢；操作要点；发展趋势 中图分类号：TF764 文献标识码： A 前言 炉外精炼技术的发展促进了不锈钢生产进步，尤其是在低碳不锈钢冶炼生产中，VOD 方法比传统的电炉冶炼具有非常明显的优势。 二、VOD 冶炼不锈钢操作要点 VOD(VacuumOxygenDecarburization)真空吹氧脱碳法是现今世界范围内第二位的不锈钢冶炼手段，可以冶炼超低碳、高难度、高纯度的不锈钢产品。此法是原西德维腾特殊
2、钢厂(Edel-stahlwerkWitten)于 1965年所发明的，容量为 50t。现全世界共有近百台，其容量为 5150t。我国第一台 VOD 容量为 13t，于 1982 年在大连钢厂投产。VOD 主要装备有:钢包、真空罐、氧枪、加料系统、测温取样系统、真空系统和控制系统。该工艺是生产不锈钢最合适的真空方法之一，被认为是生产低碳、低氮不锈钢的最有效的方法。笔者对国内某厂 4 炉 0Cr19Ni9 型、4 炉 SUS304型和 4 炉 SUH409L 型低碳不锈钢的冶炼操作过程进行了跟踪分析,并总结出利用 LDVOD 法冶炼低碳不锈钢的操作要点。 1、VOD 的工作原理 VOD 法通过抽
3、真空降低 CO 分压进行脱碳保铬。它的主要优点为: （1）降碳保铬效果好。通过控制真空度，可在铬几乎不被氧化的情况下脱碳。脱碳后用于还原渣中氧化铬的还原剂用量少； （2）由于是在钢包中精炼，精炼后不吸收氮、碳，更适合冶炼超低碳、超低氮不锈钢； （3）脱氧效果好。 2、工艺特点 LDVOD 法冶炼不锈钢的全过程大致分为两个步骤。第一步是先在转炉中熔化和初炼(初脱碳、脱硅、脱硫),使钢水含碳量和温度等达到 LDVOD 精炼的要求。也有厂家首先在电炉中熔化和脱硫,然后转入顶底复合吹转炉中脱碳及初调温度、成分。第二步是将经初脱碳后的钢液用 LDVOD 法继续脱碳和还原精炼,生产出符合要求的不锈钢。 （
4、1）脱碳(脱氮)操作 LDVOD 法的脱碳由供氧速度、氧枪高度、真空度和底吹氩气流量控制。在脱碳初期,为防止钢水激烈喷溅,需适当提高氧枪高度,降低真空度,减少 A 氩气流量。脱碳中期,随着脱碳反应的进行而提高真空度。到脱碳末期,由于脱碳反应速度的限制性环节由供氧节制变成钢中C的扩散节制,所以要减小供氧速度,强化氩气搅拌。在终点碳附近停止吹氧,用氩气搅拌促使钢中C和O的反应快速进行。 利用 LDVOD 法在冶炼上述 3 种类型的低碳不锈钢时,每炉冶炼时间因钢种的不同以及冶炼时的具体情况而有较大的差异,但主要操作工艺大致为:已形成或基本形成了铁水预处理复吹转炉炉外精炼连铸的现代化典型工艺流程。 （
5、2）还原和最终精炼 LDVOD 脱碳过程中大约有 l%的Cr氧化,钢中的O的质量分数也达到数百个 ppm(110-6),所以脱碳结束后要向真空室中加入CaO,CaF2 等造渣材料和硅铁粉等还原剂,还原渣中的氧化铬(Cr2O3),并脱氧和脱硫。LDVOD 后期渣的碱度对脱氧、脱硫以及铬的回收率都有较大的影响,合适的碱度为 1.3。如低于 1.1,渣中 Cr2O3 的含量将急剧增加。另外,搅拌也是一个重要影响因素。终点C根据不同钢种的目标成分确定。例如该厂 SUS304 钢的终点C一般按 0.08%控制,0Cr19Ni9 钢按0.08%控制。终点碳通常是根据排气成分的变化来判断,也有的是按排气成分
6、、流量、真空度连续判定,或者采用定氧仪判断。VOD 的终点碳命中率可以达到 99%以上。出钢目标温度可用下式决定: 出钢目标温度=凝固温度+过热度+出钢过程温降 凝固温度和过热度根据钢种确定,出钢过程的温降则要根据各厂的具体生产条件确定,一般为 3040。SUS304 凝固温度为 1454、出钢目标温度为 1555。该厂 4 炉 SUS304 型低碳不锈钢出钢温度不太稳定,其他 4 炉 0Cr19Ni9 型和 4 炉 SUH409L 型低碳不锈钢出钢温度比较稳定。 三、讨论 1、脱碳保铬 由冶金热力学原理知,钢水温度越高越有利于脱碳反应的进行(但应注意这里的高温应为适当的高温,因为仅仅依靠过高
7、的温度会对炉衬产生较大损失);VOD 炉内 CO 的分压越低越有利于铬的还原,在吹氧脱碳的同时,可抑制铬元素的氧化损失。为了符合热力学理论基础的要求,在 VOD 炉内通常采用的是稀释精炼法即以大流量的底吹 Ar 来稀释 VOD 炉内因脱碳反应所产生的 CO 的浓度。同时,也可促进钢水的搅拌,加速脱碳反应。钢水中的碳氧反应的控制环节是在扩散领域,即碳和氧向反应区扩散是整个脱碳反应速度的控制环节。因为在高温下,C+O=CO 化学反应非常迅速,实际上是个瞬时反应。所以,用 VOD 炉精炼低碳不锈钢和超低碳不锈钢时,在高碳区的脱碳速度主要受氧的扩散控制,即供氧强度越大,脱碳速度也越大。但是,当碳含量降
8、低到一定程度时,碳的扩散速度减小了,成为反应的控制环节。因此,为了加速低碳区的脱碳,应当采取如下措施： (1)加强对钢水的搅拌,以增大反应界面积和扩散速度,即尽量使钢水处于细小的液滴状态; (2)提高钢水温度,以增大碳的扩散速度和降低临界含碳量(高碳区与低碳区的界限); (3)提高真空度以降低临界碳量。用 VOD 炉精炼超低碳不锈钢(SUH409L)的各个参数比用 VOD 炉精炼低碳不锈钢(0Cr18Ni9、SUS304)的各个参数都大,同时前者比后者沸腾脱碳时间长。但是,用 VOD 炉精炼SUH409L 超低碳不锈钢时,由于进站温度、真空度、吹氧量和底部吹 Ar 量都比精炼 0Cr18Ni9
9、、SUS304 低碳不锈钢时的高,进一步说明精炼 SUH409L超低碳不锈钢时铬的损失较少,由此可以得出用 VOD 炉精炼 SUH409L 超低碳不锈钢所耗费还原时间最少(仅用 10min)。 另外,我们又发现,0Cr18Ni9 型、SUS304 型这两种低碳不锈钢液中含铬量高,对应的钢液中含碳量也高;而 SUH409L 型这种超低碳不锈钢液中含铬量低,对应的钢液中含碳量也低。因此,在用 VOD 炉精炼含铬量较高而含碳量较低的不锈钢时,需要采取更高的真空度和适当高的温度,因为仅依靠过高的温度会对炉衬损害大。 2、脱硫和脱氮问题 炉渣的碱度愈高或真空度越高愈有利于脱硫反应(CaO)+S+C=(C
10、aS)+CO)的进行。若碱度在 1.5 以上时脱硫率可达 80%以上。关于这一点,我们已经通过 VOD 炉精炼低碳不锈钢的实践得到验证。 同理,脱氮速度与真空度、吹 Ar 搅拌强度有关。随着真空度的提高、吹 Ar 搅拌强度的提高脱氮速度也将增大。这里特别指出,用 VOD 炉精炼像 SUH409L 型的超低碳不锈钢时,一定注意进站钢水成分中氮含量的严格控制。 3、VOD 炉精炼发展趋势 目前,VOD 炉不仅只精炼不锈钢,它还可对各种特殊钢进行真空精炼或真空脱气处理。这样可以简化电炉操作,提高电炉生产率;而 VOD 装置中就不需要象冶炼不锈钢那样强烈吹氧去碳,处理时间可控制在 1h 以内,这样钢包
11、的寿命可大大提高;结构钢因耐火物沾染的可能性减少,其质量得到进一步改善。 由于钢包底部的 Ar 气流搅拌,VOD 的脱气、去除夹杂的效果较好,反应动力学较为有利。如处理时间短,钢包采用适当的预热措施,钢水在处理过程中,虽未进行补充加热,钢水的降温不致太大。当然也可考虑在真空罐内的钢包上进行感应加热,这样就增加了设备投资。同时也要注意底吹透气砖型号和数量的选择。冶炼 S0.001%的不锈钢,应保持钢渣碱度为 2.5 以上,使硫的分配比(渣中硫与钢中硫的比)达到 200。有的厂家用特殊氧枪喷粉进行强化脱硫,使硫的分配比高达 600。冶炼氮含量0.005%的不锈钢,起始 C 量可在 0.5%以上,用
12、约 1200L/min 底吹氩气进行搅拌,铸锭氩气保护等措施。 四、不锈钢冶炼工艺的发展 1、不锈钢二步法冶炼工艺 Witton 公司和联合碳化物公司相继发明 VOD 和 AOD 精炼法之后，EAF-VOD 或 EAF-AOD 生产不锈钢的二步法取代了电炉单炼法。近十年来，二步法有了新发展，例如开发出 KMS-S+K-OBM-S、MRP(金属精炼法)等新工艺，同时德国、日本又相继开发开发出三步法的生产工艺。不锈钢二步法是指初炼炉熔化结合精炼炉脱碳的工艺流程。初炼炉可以是电炉，也可以是转炉；精炼炉一般指以脱碳为主要功能的装备，如AOD、VOD、RH-OB（KTB） 、K-OBM-S、MRPL 等
13、。转炉冶炼不锈钢技术可以分作两大类，第一类是以铁水为原料，不用电弧炉化钢，在转炉内用铁水加铬矿或铬铁合金直接熔融还原、初脱碳，在经真空处理脱碳精炼；第二类是采用部分铁水冶炼。先用电炉熔化废钢和合金，然后与三脱处理后的铁水混合，再倒入转炉进行吹炼。世界上先后采用转炉铁水冶炼不锈钢的厂家共有 10 余家，目前仍继续生产的仅有 4 家，它们是新日铁八幡、川崎千叶、巴西阿谢西塔和中国太钢。需要说明的是，其它停下来的厂家都不是因为工艺或产品质量原因。转炉铁水冶炼不锈钢的工艺技术是成熟可靠的。 采用转炉铁水冶炼不锈钢的优点如下； （1）原料中有害杂质少； （2）转炉中可实现熔融还原铬矿； （3）氩气消耗低
14、； （4）利用廉价铁水，节约电能，缓解废钢资源紧张； （5）转炉炉衬寿命长； （6）有利于连铸匹配； （7）产品范围广，特别适于生产超低碳、氮和铬不锈钢； （8）利于降低成本。 2、不锈钢三步法冶炼工艺 三步法是冶炼不锈钢的先进方法，冶金质量好，有利于初炼炉精炼炉连铸机之间的匹配，适用于专业化的生产厂家，也适用于联合钢铁企业生产不锈钢和特殊钢。不锈钢三步法则是在二步法的基础上增加深脱碳的装备。三步法的基本步骤是：初炼炉转炉VOD（或 RH） 。通常的三步法有初炼炉AODVOD（LF）CC，初炼炉MRPLVOD（LF）CC 等多种形式。第一步，初炼炉只起熔化和合金化作用，为第二步的转炉冶炼提供液态金属。第二步是快速脱碳并防止铬的氧化。第三步是在 VOD 或 RH-OB、RH-KTB 的真空条件对钢水进一步脱碳和调整成分。 五、结束语 使用 VOD 进行低碳不锈钢冶炼时候，要根据炉体结构了解钢水化学成分、数量、温度等要素，并结合钢种制定出相关操作规程，只要做到精细操作，VOD 法将比其他方法能够冶炼出更加适宜的不锈钢产品。 参考文献 1李朝前.转炉高效冶炼不锈钢技术J.钢铁研究，2012 2赵俊学张丹力马杰等.冶金原理M.西安:西北工业大学出版社,2010
