影響VOD精煉的工藝因素

祁一星 張彥召 薛良良 郭亞非 楊金安 莊偉黎

(1.中信重工機械股份有限公司，河南 471003；2.河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南471003)

影響VOD精煉的工藝因素

祁一星1，2張彥召1，2薛良良1，2郭亞非1，2楊金安1莊偉黎1

(1.中信重工機械股份有限公司，河南 471003；2.河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南471003)

以工業(yè)試驗和生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對不銹鋼VOD法進行了分析，討論了影響VOD過程的工藝因素。結(jié)果表明：通過合理控制真空度、氧槍高度、供氧強度及吹氬強度等參數(shù)，可以準(zhǔn)確判斷VOD吹煉終點，實現(xiàn)真空下“脫碳保鉻”的有效控制。

VOD精煉；真空度；氧槍高度

VOD法是在真空條件下用氧槍向熔池吹氧，降低鋼包中CO分壓，使鋼液中的C和O進一步反應(yīng)，同時碳氧反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，提高鋼液溫度，抑制鋼液中Cr元素的氧化，達(dá)到脫碳保鉻的目的。

1 VOD設(shè)備結(jié)構(gòu)及參數(shù)

VOD爐如圖1所示。

圖1 VOD精煉爐示意圖

表1為VOD設(shè)備的主要參數(shù)。在真空管道上還配有氧濃差電勢儀、紅外線廢氣檢測分析儀及CO濃度分析儀，為判斷吹煉終點提供依據(jù)。氧濃差電勢值判定鋼中C-O反應(yīng)的原理是[1]：當(dāng)鋼液所進行的碳氧反應(yīng)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(chǎn)生的濃差電勢就在電位表上顯示出來。

表1 VOD設(shè)備的主要參數(shù)

2 工藝參數(shù)對VOD過程的影響

VOD精煉過程控制相對復(fù)雜，對工藝參數(shù)依賴程度很高。VOD精煉過程中會出現(xiàn)各種各樣的問題，諸如氧電勢和CO濃度不顯示，無法判斷VOD吹煉終點；真空噴濺嚴(yán)重，包壁形成渣圈；Cr元素?zé)龘p嚴(yán)重等。產(chǎn)生上述問題的關(guān)鍵是真空度、氧槍高度、供氧強度及吹氬強度等工藝參數(shù)的合理性。

2.1 真空度的影響

VOD吹氧脫碳過程中的碳氧反應(yīng)的熱力學(xué)規(guī)律為[C]+[O]=CO↑，其平衡常數(shù)為：

lgK=lg(PCO/a[C]a[O])=-1160/T+2.003

式中，K為鋼液碳氧反應(yīng)的平衡常數(shù)；a[C]、a[O]分別鋼液中C、O的活度；PCO為真空中CO的分壓；T為鋼液絕對溫度(K)。

從公式可以看出：PCO通過抽真空降到很低，[O]與[C]的反應(yīng)能力隨真空度的提高而提高，考慮到真空吹氧過程中的噴濺問題，吹氧過程真空度需要控制在合理的范圍之內(nèi)。

圖2為VOD吹煉調(diào)試實例1，槍位為1100 mm。從圖2可以看出，VOD吹煉前真空度為20 kPa，吹氧后真空度迅速降至30 kPa左右，氧濃差電勢一直保持無變化；當(dāng)真空度調(diào)整至20 kPa左右時，氧濃差電勢急劇增高至峰值，CO濃度也急劇增加至峰值。當(dāng)C含量接近臨界值時，C-O反應(yīng)趨慢，氧電勢值迅速降低，直至反應(yīng)停止；此時停吹氧氣，將有效真空度升到67 Pa以下，氧電勢值再次迅速升高。當(dāng)氧電勢值從高峰快速下跌時，說明鋼水中的C-O反應(yīng)漸漸趨于平衡，達(dá)到吹煉終點。

圖2 VOD調(diào)試過程實例1

上述現(xiàn)象表明，真空度在25～30 kPa，碳氧反應(yīng)不劇烈，生成的CO量少，并且供氧量大，大量未參與碳氧反應(yīng)的氧氣進入廢氣中，CO氣體又與廢氣中的殘氧反應(yīng)，生成CO2氣體，導(dǎo)致廢氣中CO值一直為零，氧濃差電勢低(或為負(fù)值)。隨著真空度的提高，加速了碳氧反應(yīng)的進行，生成大量的CO量，使廢氣中的CO量明顯增加，O含量降至很低，氧濃差電勢值急劇升高。因此，提高真空度有利于碳氧反應(yīng)的進行，真空度應(yīng)控制在20 kPa以下。

2.2 氧槍高度的影響

氧槍槍位也是真空吹氧脫碳過程中1個重要的控制參數(shù)，其合理控制是確保較高的氧氣利用率，防止氧槍粘結(jié)渣鋼和真空噴濺嚴(yán)重形成渣圈的前提。通常，氧槍槍位應(yīng)根據(jù)裝備特點及工藝要求控制在合理的范圍內(nèi)。降低氧槍高度后會使鋼液面的凹坑面積增大，脫碳反應(yīng)激烈，且射流沖擊力大，真空噴濺嚴(yán)重。

圖3為VOD吹煉調(diào)試實例2。槍位為800 mm，開吹前真空度為20 kPa左右，吹氧后真空度迅速降至30 kPa左右，氧濃差電勢急劇增高至峰值，CO濃度也急劇增加至峰值。當(dāng)C含量接近臨界值時，C-O反應(yīng)趨慢，氧電勢值迅速降低，直至反應(yīng)停止；停吹氧氣，將有效真空度升到67 Pa以下，在高真空的作用下，鋼水中富余氧與碳繼續(xù)反應(yīng)，氧電勢值再次迅速升高。當(dāng)氧電勢值從峰值快速下跌時，說明鋼水中的C-O反應(yīng)漸漸趨于平衡，達(dá)到吹煉終點。

圖3 VOD調(diào)試過程實例2

VOD調(diào)試過程對比表明，當(dāng)槍位調(diào)整為800 mm，真空度在25～30 kPa，碳氧反應(yīng)劇烈，吹煉結(jié)束后發(fā)現(xiàn)包壁形成渣圈。因此，降低槍位有利于碳氧反應(yīng)的進行，真空度需控制在合理的范圍之內(nèi)。

2.3 供氧強度及吹氬強度的影響

真空吹氧脫碳過程中氧氣流量應(yīng)根據(jù)起始鋼水C含量及脫碳的不同階段進行有效控制，這樣才能保證有效的“脫碳保鉻”，同時也能避免吹氧流量控制不當(dāng)引起的嚴(yán)重真空噴濺。真空精煉過程中，氧氣流量過大時，在底吹氬良好的情況下脫碳反應(yīng)過于激烈，易造成真空噴濺；若氧氣流量過小，則影響真空吹氧脫碳效率，帶來冶煉時間長和過程溫降大等問題。

為了防止真空噴濺，不僅要求VOD鋼包底吹透氣性良好，而且要求吹氧脫碳過程中底吹氬流量必須合理控制。吹氬流量過低或過高均對脫碳不利，控制得過高，鋼液翻騰劇烈，脫碳過程生成的大量CO氣泡引起沸騰，出現(xiàn)嚴(yán)重噴濺。

3 工藝參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)超低碳鋼不同特點和特性要求，結(jié)合熱力學(xué)、動力學(xué)條件及實際生產(chǎn)條件，優(yōu)化工藝及工藝參數(shù)。

3.1 槍位及真空度

槍位的高低與真空度的高低密切相關(guān)，直接影響碳氧反應(yīng)的速率、氧濃差電勢及CO值的高低。為避免VOD過程劇烈噴濺，應(yīng)選擇合適的槍位和真空度。VOD過程槍位1000～1200 mm為宜，既保證一定脫碳速度又可減少噴濺，又利于提高包襯壽命。對應(yīng)真空度控制在10～20 kPa，既加速碳氧反應(yīng)，又利于操作。

3.2 氧氣流量

50 t鋼包選用供氧流量為700～800 Nm3/h，此時噸鋼供氧強度是0.31～0.35 Nm3/min，在此控制值下，獲得了良好的冶煉指標(biāo)。

當(dāng)[C]降低，脫碳的限制性環(huán)節(jié)為[C]在熔池中的擴散過程，此時，若提高供氧強度只會加速鉻的氧化，預(yù)緩吹選用供氧流量為400 Nm3/h左右，同時控制合適的氬氣流量。

3.3 氬氣流量

從動力學(xué)角度來看，增大氬氣流量，提高攪拌能力可吹開鋼液表面的氧化物，并使之卷入鋼中，從而增加脫碳反應(yīng)，減少鉻的氧化。在停吹氧后進入真空碳脫氧期的脫碳反應(yīng)，是在氣液界面進行的，增大吹氬流量，不僅加快鋼包內(nèi)鋼液環(huán)流速度和表面更新的速度，而且還進一步降低氣泡中CO分壓，增加氣液相界面積，從而使脫碳反應(yīng)繼續(xù)進行，有效地降低終點碳含量，確保成品碳≤0.03%。實踐表明，供氬量控制在60～80 L/min是合適的。

4 生產(chǎn)實踐

依據(jù)優(yōu)化后的工藝參數(shù)(表2)，采用VOD法冶煉00Cr13Ni5Mo超低碳不銹鋼轉(zhuǎn)輪。

表2 VOD工藝參數(shù)

圖4為VOD吹煉過程中電勢、尾氣溫度、真空度的變化。從圖4可以看出，吹煉4min后氧濃差電勢陡然上升至峰值，CO值也急劇增加至峰值。當(dāng)C含量接近臨界值時，C-O反應(yīng)趨慢，氧濃差電勢值趨于到零、CO值趨于到零，標(biāo)志著真空下的碳氧反應(yīng)接近終點，這時停止供氧，將有效真空度升到67 Pa以下。在高真空的作用下，鋼水中富余氧與碳繼續(xù)反應(yīng)，氧電勢值再次迅速升高，此次反應(yīng)是在外界因素作用下進行的，表明鋼水中的碳已經(jīng)降到很低。當(dāng)氧電勢值從高峰快速下跌時，說明鋼水中的C-O反應(yīng)漸漸趨于平衡，達(dá)到吹煉終點。

00Cr13Ni5Mo超低碳不銹鋼轉(zhuǎn)輪成品化學(xué)成分如表3所示。

圖4 電勢、尾氣溫度、真空度的變化

表3 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

5 結(jié)論

生產(chǎn)實踐表明，VOD過程工藝參數(shù)控制如下：真空度10～15 kPa，氧槍高度1000～1200 mm，氧氣流量400～600 Nm3/h，氬氣流量60～80 L/min，可以觀察到氧電勢值的變化曲線、尾氣溫度變化及CO濃度變化情況，準(zhǔn)確判斷VOD吹煉終點，從而達(dá)到“脫碳保鉻”的效果，滿足超低碳不銹鋼的生產(chǎn)。

[1] 徐匡迪. 不銹鋼精煉[M]. 上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985：41-43.

編輯 杜青泉

Influence Factors to VOD Refining Process

Qi Yixing，Zhang Yanzhao，Xue Liangliang，Guo Yafei，Yang Jinan，Zhuang Weili

Based on the industrial test and production data, the VOD process for making stainless steel is analyzed, and the influence factors to VOD process is discussed in this paper. The results show that under a reasonable control of vacuum degree, the height of oxygen lance, the supplying oxygen and argon intensity, the blow end point of VOD can be accurately determined, the effective control of "decarbonization and chromium conservation" under vacuum condition can be realized.

VOD refining, vacuum degree, height of oxygen lance

2017—03—15

TF764.1

B