電爐和精煉爐VOD雙聯(lián)法冶煉0Cr18Ni9

靳 鵬，李衛(wèi)東，王紀(jì)元，陳培紅，許益華

（太原重工冶鑄分公司，山西太原 030024）

20世紀(jì)80年代以來(lái)，世界鋼總產(chǎn)量增長(zhǎng)緩慢，而不銹鋼的生產(chǎn)一直快速持續(xù)增加。近幾年我國(guó)不銹鋼生產(chǎn)的發(fā)展緩慢，我國(guó)不銹鋼生產(chǎn)在企業(yè)規(guī)模、專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)、產(chǎn)量、質(zhì)量、品種和工藝技術(shù)等各方面與發(fā)達(dá)國(guó)家都有很大的差距，不能滿足我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高的需要。為了優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，公司開(kāi)發(fā)了不銹鋼鑄件。

VOD法是真空脫碳生產(chǎn)不銹鋼。它是1965年由德國(guó)維騰公司開(kāi)發(fā)出的技術(shù)，設(shè)備示意圖與V D設(shè)備構(gòu)成基本相同，主要的區(qū)別在于VOD法增加了氧槍及其升降系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)，如圖1所示。VOD法是在真空內(nèi)由爐頂向鋼液吹氧，同時(shí)由鋼包底部吹氬攪拌鋼水，當(dāng)精煉達(dá)到脫碳要求時(shí)，停止吹氧，然后提高真空度進(jìn)行脫氧。主要用于生產(chǎn)不銹鋼或超低碳合金鋼。

1 技術(shù)要求

化學(xué)成分如表1所示。

2 冶煉難點(diǎn)分析[1]

不銹鋼的化學(xué)成分特點(diǎn)和高表面質(zhì)量要求決定了其冶煉的特殊性：

圖1 VOD設(shè)備示意圖

表10 Cr18Ni9熔煉化學(xué)成分要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1）冶煉化學(xué)成分嚴(yán)格，碳含量要求≤0.08%；

2）脫碳保鉻：鉻比鐵易于氧化；鉻的氧化物熔點(diǎn)高，渣子黏稠；鉻含量很高（17%～20%）；碳含量極低（0.01%～0.08%）.

3）不銹鋼脫磷問(wèn)題。到目前為止，不銹鋼的脫磷問(wèn)題一直是不銹鋼冶煉方面的難題。

3 主要工藝流程

根據(jù)我廠的設(shè)備狀況及冶煉澆注難點(diǎn)分析，其冶煉澆注工藝流程為：

配料（優(yōu)質(zhì)生鐵及優(yōu)質(zhì)廢鋼）→15 t出鋼槽式電爐初煉出鋼（調(diào)整 Cr、Ni、C、Mn）→25 t LF（微調(diào)合金）→調(diào)整溫度→扒渣→25t VOD→破真空→精煉微調(diào)→吊包澆注鑄件。

4 冶煉過(guò)程控制

4.1 初煉爐操作要點(diǎn)

生產(chǎn)低碳不銹鋼的關(guān)鍵在于VOD冶煉，因?yàn)椴讳P鋼合金含量高，精煉過(guò)程中不宜進(jìn)行合金化，初煉爐出鋼成分就顯得尤為重要。冶煉前爐體必須保持良好，并無(wú)殘余鋼水。采用氧化法冶煉，配入鋼輪和車(chē)軸切頭精料。

熔化初期要求吹碳一般不低于0.30%，因停吹氧過(guò)低，鋼中鉻燒損嚴(yán)重；但也不能太高，因?yàn)樘己刻?，鋼液在真空吹氧時(shí)反應(yīng)激烈，并引起飛濺嚴(yán)重，且又降低金屬的收得率，所用在電爐內(nèi)的停吹碳一般均控制在0.30%～0.50%之間。電爐用石灰和螢石造渣做到低溫去磷，氧化期鋼液均勻沸騰，以達(dá)到去氣去夾雜的目的，扒除氧化渣。隨后根據(jù)計(jì)算量加入鎳板，然后再用用石灰和螢石造渣，渣子化好后，方可加鉻鐵，邊還原邊合金化。

4.2 LF爐控制要點(diǎn)

L F的主要任務(wù)是微調(diào)成分及調(diào)整溫度。包襯采用鎂鉻磚，鋼包必須清潔并且烘烤良好。

L F爐進(jìn)行合金微調(diào)，溫度達(dá)到1625℃～1635℃，合金成分符合要求，即可吊包扒渣。扒渣要求：包內(nèi)氬氣壓力≤0.2 MPa，扒渣后，鋼液裸露面積要在2/3以上。扒渣后溫度≥1580℃；確保氬氣壓力使鋼水沸騰面直徑達(dá)0.5 m～0.7 m；蓋好防濺蓋，進(jìn)VOD處理。

4.3 VOD控制要點(diǎn)

4.3.1 真空下吹氧脫碳的工藝參數(shù)

為了達(dá)到最佳吹氧脫碳效果，需要根據(jù)鋼液重量，成份和溫度合理控制以下吹氧物理量：a）吹氧流量；b）吹氧壓力；c）氧槍高度；d）吹氧真空度；e）底吹氬流量。要想實(shí)現(xiàn)吹氧脫碳目標(biāo)，合理調(diào)節(jié)吹氧過(guò)程物理因數(shù)的關(guān)鍵是需要直接知道處理過(guò)程中鋼液碳含量的變化情況。VOD爐氧槍為拉瓦爾式氧槍?zhuān)_定供氧參數(shù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮下列的要求：設(shè)備安全；鋼液噴濺少；脫碳速度大；氧氣利用率高。

氧槍高度：鋼包應(yīng)當(dāng)給鋼水留出足夠的空間，一般為1 m～1.2 m；氧槍距鋼水液面高度為1250mm；為了防止在吹氧過(guò)程中鋼水噴濺損失大，要求空包高度≥900 mm.

吹氧真空度：VOD吹煉開(kāi)始階段，C含量較高，另外吹煉過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CO十分劇烈，過(guò)高真空度也無(wú)法得到保證。參照其他各廠的經(jīng)驗(yàn)，VOD開(kāi)始吹煉的真空度要求為12.3 kPa～8 kPa.停氧后提高到1 kPa，利用高真空度的條件進(jìn)一步降低鋼液中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即所謂的真空碳脫氧過(guò)程（VCD）.

底吹氬流量：需要保證鋼液裸露直徑達(dá)到0.5 m～0.7 m.根據(jù)氧槍距鋼水液面的高度及氧槍喉口直徑，可計(jì)算出，并留有適當(dāng)余量。

吹氧流量：VOD氧槍為拉瓦爾式水冷氧槍?zhuān)砜谥睆綖?2.5 mm，供氧強(qiáng)度為氧氣流量460 m3/h左右，工作壓力0.5 MPa～0.7 MPa.

4.3.2 VOD終點(diǎn)碳的控制

由于VOD精煉是在真空密閉室內(nèi)進(jìn)行，目前尚無(wú)成熟實(shí)用的真空在線測(cè)溫取樣技術(shù)，所以，不能在線頻繁直接獲取鋼液成分?jǐn)?shù)據(jù)。

VOD吹氧過(guò)程終點(diǎn)碳控制綜合使用氧濃差電勢(shì)法、真空度變化趨勢(shì)，廢氣溫度變化法等。

（1）氧濃差電勢(shì)法

氧濃差電池的基本原理是將氧化鋯探頭安裝在VOD系統(tǒng)真空排氣管道上，當(dāng)碳氧反應(yīng)開(kāi)始，煙氣大量產(chǎn)生CO，降低了廢氣中氧氣的分壓，根據(jù)下式可知：

式中：R——?dú)怏w常數(shù)，8.315 J/（mol.K）；

T——絕對(duì)溫度，K，使用時(shí)控制在1000 K；

F——法拉第常數(shù)，96500℃；

P空O2——參比氣體空氣中氧氣分壓，0.021 MPa；

P廢O2——廢氣中氧氣分壓，MPa；

E——氧化鋯傳感器產(chǎn)生的電勢(shì)，V.

可以看出，精煉過(guò)程碳氧反應(yīng)沒(méi)有進(jìn)行時(shí)，廢氣中的CO氣體含量較少，廢氣中氧氣的分壓P廢O2為0.021 MPa，于是氧化鋯探頭輸出電勢(shì)為零。碳氧反應(yīng)開(kāi)始后，廢氣中含有大量CO氣體，此時(shí)廢氣中氧氣分壓迅速降低，于是氧化鋯輸出電勢(shì)E增大，隨著碳氧反應(yīng)的激烈進(jìn)行，E值保持高位。隨著碳氧反應(yīng)的進(jìn)行，鋼液中的含碳量降低到超低碳，廢氣中的CO氣體量減少，廢氣中氧氣分壓開(kāi)始上升，于是氧化鋯探頭輸出電勢(shì)E開(kāi)始下降，此時(shí)就是終點(diǎn)吹氧時(shí)刻。電勢(shì)二次峰值是停吹氧后，高真空下碳脫氧反應(yīng)結(jié)果。

氧化鋯電池可以定性分析終點(diǎn)碳，控制終點(diǎn)吹氧。對(duì)于冶煉超低碳不銹鋼，要求碳含量控制在0.03%以下時(shí)，可較好地控制終點(diǎn)碳。圖2為VOD過(guò)程中氧勢(shì)、廢氣溫度變化趨勢(shì)圖。

圖2 VOD過(guò)程中氧勢(shì)、廢氣溫度變化趨勢(shì)

（2）真空度趨勢(shì)判斷法

VOD過(guò)程，由于產(chǎn)生大量的CO氣體，真空度將發(fā)生變化，即真空度有緩慢下降，真空室壓力緩慢上升。隨著鋼液中碳含量的減少，廢氣中CO氣體量減少，真空度有開(kāi)始緩慢提高，真空室壓力緩慢降低。這樣的真空度趨勢(shì)判斷法，結(jié)合氧濃差電勢(shì)法、廢氣溫度可有效控制終點(diǎn)碳。圖3為真空度變化趨勢(shì)圖。

圖3 真空度變化趨勢(shì)圖

（3）廢氣溫度分析法

由于碳氧反應(yīng)要釋放出大量熱能，所以廢氣溫度降升高，隨著碳氧反應(yīng)激烈程度下降，廢氣溫度開(kāi)始緩慢下降，此時(shí)，就是終點(diǎn)吹氧時(shí)刻。

實(shí)際使用中，通常把氧濃差分析儀，真空度變化曲線和廢氣溫度變化曲線結(jié)合起來(lái)，判斷終點(diǎn)氧。

4.4 真空碳脫氧和還原精煉

為了充分發(fā)揮真空下碳的脫氧作用，在停吹氧后要進(jìn)行一段時(shí)間的真空碳脫氧的反應(yīng)。對(duì)ZG0Cr18Ni9來(lái)說(shuō)，此項(xiàng)操作十分必要。隨著爐內(nèi)真空度的提高，碳氧平衡值降低，能達(dá)到同時(shí)去除鋼中的碳和氧。對(duì)于小容量精煉爐來(lái)說(shuō)，由于鋼液少，溫降較大，如何按照澆注要求控制好精煉末鋼液溫度是另一個(gè)重要問(wèn)題。停吹氧后，鋼液降溫能達(dá)到2℃/min～4℃/min.為了順利完成還原精煉，確保澆注，真空碳脫氧時(shí)間不宜超過(guò)20 min.吹氧結(jié)束后，先提槍后關(guān)氧氣，開(kāi)啟三、二、一級(jí)泵，真空度達(dá)到0.4 k Pa～67 k Pa，保持 8 min～12 min，調(diào)整氬氣壓力到0.3 MPa.

VOD過(guò)程中大約有1%的［Cr］氧化，鋼中的［O］濃度達(dá)到1×10-4，所以脫碳結(jié)束后要向真空室中加入CaO，CaF2等造渣材料和硅粉等還原劑，還原渣中的氧化鉻，并脫氧和脫硫。渣量的確定：

1）準(zhǔn)備真空下用低碳硅鐵5kg/t～7kg/t、硅鈣2 kg/t～3 kg/t，粒度 5 mm～50 mm.

2）準(zhǔn)備粒度為5 mm～50 mm的石灰、螢石真空造渣，石灰∶螢石=3∶1，按出鋼量1%～2%計(jì)算。精煉后期根據(jù)鋼種要求，真空下加入造渣劑CaO、CaF2，加入后保持8 min，隨后加入還原劑硅鐵、硅鈣，并保持8 min.

5 冶煉澆注效果

熔煉的化學(xué)成分見(jiàn)表1，化學(xué)成分全部達(dá)到目標(biāo)值，尤其是碳得到精確控制。澆注溫度控制在1550℃～1560℃，澆注時(shí)合理控制注速，機(jī)殼的表面質(zhì)量良好。

表1 熔煉的化學(xué)成分

6 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)10余爐鋼的生產(chǎn)實(shí)踐，通過(guò)使用電爐和精煉爐VOD雙聯(lián)法，可以控制進(jìn)VOD時(shí)溫度及鋼水成分，經(jīng)VOD處理，成功地冶煉了ZGO Cr 18 Ni 9，為低碳不銹鋼的冶煉提供了經(jīng)驗(yàn)。

參考文：

［1］韓全軍，成國(guó)光.0Cr 18 Ni9不銹鋼的冶煉工藝研究［J］.寬厚板，2006，12（2）：8-11.

［2］黃希祜，鋼鐵冶金原理［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2006.