VOD冶煉超純鐵素體不銹鋼過程工藝問題研究

李 靜，黃培軍

（1.甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 嘉峪關(guān) 735100；2.酒泉鋼鐵責(zé)任有限公司不銹鋼分公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

真空氧氣脫碳（VOD）法是一種在真空條件下吹氧脫碳并吹氬攪拌生產(chǎn)高鉻不銹鋼的爐外精煉技術(shù)。VOD法是在真空條件下頂吹氧氣脫碳，并通過包底吹氬促進(jìn)鋼液循環(huán)，在冶煉不銹鋼時能容易的把鋼中碳降到目標(biāo)范圍內(nèi)而幾乎不氧化鉻。并對鋼液進(jìn)行真空處理，加上氬氣的攪拌作用，營造了良好的動力學(xué)條件，能獲得很好的去氣、去夾雜物的效果[1-3]。國內(nèi)外不銹鋼企業(yè)普遍采用VOD來冶煉超純鐵素體不銹鋼。酒鋼2014年底VOD投產(chǎn)，開始冶煉超純鐵素體不銹鋼。本文對VOD冶煉超純鐵素體不銹鋼過程脫碳、脫氮、還原、鈣處理工藝順序進(jìn)行了研究，目的在于解決酒鋼VOD冶煉過程中的工藝問題，提高超純鐵素體不銹鋼的鋼水質(zhì)量。

1 脫碳工藝研究

VOD脫碳熱力學(xué)分析：2[Cr]+3[O]=Cr2O34[C]+4[O]=4CO↑

合并得：Cr2O3(固)＋3[C]=2[Cr]+3CO↑

得出有效脫碳的措施：①提高鋼液中碳的活度系數(shù)；②增加Cr2O3活度；③增加反應(yīng)溫度；④降低PCO。

VOD去氮熱力學(xué)分析：1/2 N2=[N]

機(jī)理：①鋼液中的氮原子擴(kuò)散到碳氧反應(yīng)形成的CO微氣泡液界；②在氣液界面上：[N]+[N]=N2↑；③氮分子擴(kuò)散到氣相中。

得出有效的脫氮措施：①高的初始碳含量；②高的真空度；③加強(qiáng)處理過程中的氬氣攪拌。酒鋼根據(jù)VOD設(shè)備狀況和生產(chǎn)情況，制定出了具體的脫碳脫氮控制措施：

（1）真空度控制到0.5torr以下，不僅降低了平衡碳含量，而且促進(jìn)了脫碳和脫氮反應(yīng)的進(jìn)行。

（2）在超低碳區(qū)的脫碳取決于碳的擴(kuò)散速度，所以必須加強(qiáng)鋼水的攪拌。酒鋼VOD鋼包采用雙底吹設(shè)計，底吹氬攪拌由原來的400L/min提高到800L/min，促進(jìn)了碳的降低。

（3）高的冶煉溫度有利于脫碳和脫氮，但過高的溫度大幅降低鋼包的包齡，結(jié)合現(xiàn)場的具體情況，入爐溫度從原來的1600℃提高到1620℃以上。

（4）通過底吹流量、氧氣流量和槍位三者之間的不斷調(diào)整，最終形成了如圖所示的控制方式。

圖1 底吹流量、氧氣流量和槍位曲線圖

（5）停吹點(diǎn)碳含量、沸騰脫碳時間以及最高真空度決定了最終碳含量。酒鋼VOD利用質(zhì)譜儀對廢氣成分進(jìn)行連續(xù)分析，從底吹攪拌氬氣吹入量計算出廢氣總量，再依據(jù)CO+CO2組分含量得到鋼水中[C]含量，從而決定停吹時刻。沸騰時間依據(jù)終點(diǎn)碳含量的要求控制在10分鐘～15分鐘。

2 還原工藝研究

圖2為409L鋼液不同溫度的[Si]-[O]平衡濃度示意圖。從圖中可以看出，鋼液溫度越高，生成SiO2脫氧產(chǎn)物的區(qū)域越小，即平衡的[Si]-[O]含量越高，生成的SiO2含量越少。因此，過高的鋼液溫度并不利Si的脫氧效果。目前，鋼液的溫度約1650℃～1700℃，脫氧結(jié)束后Si目標(biāo)值0.25%，平衡[O]約60ppm～90ppm。

圖3為409L鋼液不同溫度的[Al]-[O]平衡濃度示意圖。從圖中可以看出，Al脫氧工藝的規(guī)律性與Si相同，但脫氧效果較好；當(dāng)鋼液中VOD處理溫度1650℃～1700℃，脫氧結(jié)束的Al目標(biāo)含量為0.02%，平衡[O]約為40ppm～70ppm。

圖2 409L鋼液不同溫度的[Si]-[O]平衡濃度示意圖

圖3 409L鋼液不同溫度的[Al]-[O]平衡濃度示意圖

圖4為409L鋼液Al-Si復(fù)合脫氧示意圖。從圖中可以看出，3Al2O3·2SiO2產(chǎn)物的所占區(qū)域較大，鋼液溫度越高，所占區(qū)域縮小。Al-Si復(fù)合脫氧，不論其先后還原順序，只影響了初始脫氧產(chǎn)物的類型，如單一Al2O3、SiO2，若具有足夠的脫氧時間，鋼液中平衡的脫氧產(chǎn)物為硅鋁酸鹽3Al2O3·2SiO2。

圖4 409L鋼液Al-Si復(fù)合脫氧示意圖

3 鈣處理工藝研究

圖5為Al、Ti、Ca脫氧順序下夾雜物組成和形貌變化。圖6為Al、Ca、Ti脫氧順序下夾雜物組成和形貌變化。從圖中可以看出，鋁脫氧后先鈦合金化再進(jìn)行鈣處理時，會加速耐材中的Mg溶解，進(jìn)而Al的脫氧產(chǎn)物與Mg結(jié)合生成鎂鋁尖晶石，造成后面的鈣處理沒有明顯效果。然而鋁脫氧后先進(jìn)行鈣處理再加入鈦，可得到熔點(diǎn)較低的鋁酸鈣夾雜物，從而延緩或抑制MgO·Al2O3夾雜的生成。

圖5 Al、Ti、Ca脫氧順序下夾雜物組成和形貌變化

圖6 Al、Ca、Ti脫氧順序下夾雜物組成和形貌變化

4 結(jié)論

（1）根據(jù)VOD設(shè)備狀況和生產(chǎn)情況，制定出了具體的脫碳脫氮控制措施：真空度控制到0.5torr以下；底吹氬攪拌提高到800L/min；入爐溫度從原來的1600℃提高到1620℃以上；利用質(zhì)譜儀對廢氣成分進(jìn)行連續(xù)分析。

（2）Al-Si復(fù)合脫氧，不論其先后還原順序，只影響初始脫氧產(chǎn)物的類型，脫氧時間能夠滿足鋼液中的脫氧產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣桎X酸鹽3Al2O3·2SiO2。

（3）鋁脫氧后先進(jìn)行鈣處理再加入鈦，可得到熔點(diǎn)較低的鋁酸鈣夾雜物，從而延緩或抑制MgO·Al2O3夾雜的生成，提高超純鐵素體不銹鋼鋼水質(zhì)量。