[摘 要] 鋼鐵工業(yè)曾經(jīng)是世界工業(yè)化進(jìn)程中最具成長(zhǎng)性的產(chǎn)業(yè)之一，是衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和工業(yè)水平的重要指標(biāo)。行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈。降低成本，改進(jìn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)、搶占新市場(chǎng)成為各大鋼鐵公司為在競(jìng)爭(zhēng)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(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)不同的鋼種及其冶煉時(shí)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(shè)備構(gòu)造及其特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)的共異性、工藝操作、冶金效果、投資成本等方面進(jìn)行了全面的比較和評(píng)估。并拓展延伸，對(duì)各自的工藝操作進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。通過(guò)收集數(shù)據(jù)實(shí)例驗(yàn)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(gè)新的體系結(jié)構(gòu)和探究方法，同時(shí)具有較高的設(shè)備價(jià)值。
[關(guān)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(jīng)是世界工業(yè)化進(jìn)程中最具成長(zhǎng)性的產(chǎn)業(yè)之一，在過(guò)去的100多年中，鋼鐵工業(yè)在產(chǎn)值、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工業(yè)技術(shù)都得到了飛速的發(fā)展。鋼鐵仍然是人類(lèi)不可替代的原材料，是衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和工業(yè)水平的重要指標(biāo)。中國(guó)的鋼鐵工業(yè)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，鋼鐵生產(chǎn)在數(shù)量和質(zhì)量上都有了極大提高。然而，從鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上來(lái)看，矛盾十分突出，傳統(tǒng)產(chǎn)品過(guò)剩，高附加值產(chǎn)品供不應(yīng)求。因此，鋼鐵產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力同發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在一定的差距。
1.2 選題意義
2012年中國(guó)不銹鋼產(chǎn)量達(dá)到1400多萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)到2015年，中國(guó)不銹鋼產(chǎn)能將達(dá)到2000萬(wàn)噸，不銹鋼產(chǎn)量將超過(guò)1900萬(wàn)噸，國(guó)內(nèi)不銹鋼需求量將增加至1600萬(wàn)噸。AOD與VOD二種精煉法都是當(dāng)前精煉不銹鋼種的主要方法，它們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中具有各自的特點(diǎn)。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(jìn)行全面的研究和評(píng)估。
1.3 鑄造技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家總體上鑄造技術(shù)先進(jìn)、產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、環(huán)境污染少、原輔材料已形成商品化系列化供應(yīng)。鑄造生產(chǎn)全過(guò)程主動(dòng)、從嚴(yán)執(zhí)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)更新快（標(biāo)齡4-5年），普遍進(jìn)行ISO9000、ISO14000等認(rèn)證。而我國(guó)，鑄造領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究并不落后，很多研究成果居國(guó)際先進(jìn)水平，但轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的少。鑄件質(zhì)量低，材料、能源消耗高，經(jīng)濟(jì)效益差，勞動(dòng)條件惡劣，污染嚴(yán)重。另一方面，鑄造系統(tǒng)研究固然起步晚，但進(jìn)步快。先后推出了型砂質(zhì)量治理專(zhuān)家系統(tǒng)、鑄造缺陷分析專(zhuān)家系統(tǒng)、自硬砂質(zhì)量分析專(zhuān)家系統(tǒng)、壓鑄工藝參數(shù)設(shè)計(jì)及缺陷診斷專(zhuān)家系統(tǒng)等。
1.4 AOD精煉設(shè)備的概述及工作原理
1.4.1 AOD設(shè)備基本概述
AOD爐氬氧精煉法精煉設(shè)備，爐體安放在一個(gè)可以前后傾翻的托圈上。在爐子的底側(cè)部裝有向熔池水平方向吹入氣體的噴槍。噴槍延長(zhǎng)線的匯合點(diǎn)與爐子的豎軸重合。噴槍由內(nèi)管與外管兩層組成，內(nèi)管導(dǎo)入主吹煉氣體，內(nèi)管與外管之間的環(huán)形縫隙導(dǎo)入Ar、N2或空氣起冷卻作用以保護(hù)噴槍?zhuān)瑖姌屧谥t時(shí)埋入耐火材料層，在冶煉過(guò)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(qiáng)對(duì)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?chē)捎觅|(zhì)量更高的電熔鉻鎂磚砌筑，以承受高溫及鋼液沖刷?？梢苿?dòng)式爐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(zhuǎn)移鋼包倒入初煉水中，此時(shí)氣體噴槍處于鋼液面以上。爐子恢復(fù)到豎直位置時(shí)，噴槍沒(méi)入鋼水深處，開(kāi)始吹氣精煉。精煉完成后，仍經(jīng)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(jiǎn)稱(chēng)。在精煉不銹鋼時(shí)，通過(guò)降低CO分壓，達(dá)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(nèi)的氧氣進(jìn)入鋼液后，與鋼液中的碳和鉻反應(yīng)，鋼液中的鉻與氧反應(yīng)生成氧化鉻進(jìn)入渣層，另外，鋼液中碳與渣中氧化鉻反應(yīng)，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(yīng)吉布斯能曲線的相對(duì)位置關(guān)系達(dá)到降碳保鉻，就得使碳優(yōu)構(gòu)成選擇性的氧化關(guān)系。通過(guò)向鋼液中不斷地吹入氮和氬來(lái)降低CO分壓，從而使上述反應(yīng)向生成CO的方向進(jìn)行，將渣中還原為鉻溶入鋼液中，從而達(dá)到降碳保鉻的目的。
1.5 VOD精煉設(shè)備基本概念及其工作原理
1.5.1 VOD精煉設(shè)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(diào)，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(dú)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(chē)載式，真空罐蓋的移動(dòng)方式通常采取車(chē)載移開(kāi)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(jiǎn)稱(chēng)。它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)，在真空條件下頂吹氧氣脫碳，并通過(guò)鋼包底吹氬促進(jìn)鋼液循環(huán)，在冶煉不銹鋼時(shí)能容易的把鋼中碳降到0.02%～0.08%范圍內(nèi)而幾乎不氧化鉻。并對(duì)鋼液進(jìn)行真空處理，加上氬氣的攪拌作用，反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)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(lái)自電爐的不銹鋼預(yù)熔體，脫碳后進(jìn)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(guò)程中調(diào)整鋼的成分和溫度。還原后可直接出鋼。對(duì)一些特殊鋼種可還原后取樣。如需要，可在LF/LATS調(diào)整最終的成分和溫度，然后將合格鋼液送連鑄機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)。對(duì)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(chē)將盛有鋼液的鋼包吊入VOD爐真空罐內(nèi)，人工接通吹氬管，同時(shí)進(jìn)行測(cè)溫取樣。而后，真空罐蓋車(chē)從停車(chē)工位開(kāi)到VOD工位，并下降罐蓋。接下來(lái)，真空處理、吹氧脫碳，合金微調(diào)、吹氬攪拌，待處理結(jié)束后，關(guān)閉真空主閥→破空→提升罐蓋→真空罐蓋車(chē)開(kāi)到停車(chē)工位→測(cè)溫取樣→停止吹氬→加入保溫劑→鋼包吊運(yùn)至澆鑄工位。
2.2 工藝操作特點(diǎn)
2.2.1 AOD工藝操作特點(diǎn)
AOD工藝操作的核心是降碳保鉻，提高金屬收得率，降低生產(chǎn)成本。其特點(diǎn)：
1） 配置連續(xù)測(cè)溫裝置監(jiān)測(cè)熔池溫度，并通過(guò)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(jìn)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(guān)系；
5） 配置爐襯維護(hù)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(shí)間，提高作業(yè)率；
6） 配置煙氣凈化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源回收及環(huán)境保護(hù)。
2.2.2 VOD工藝操作特點(diǎn)
VOD型真空精煉設(shè)備是目前世界上使用最廣泛的爐外精煉設(shè)備之一。它具有設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、成本低、精煉鋼種多、質(zhì)量高、操作方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。
2.3工藝設(shè)備
VOD設(shè)備存在鋼包壽命低的缺陷，波動(dòng)在25-60次之間，為此，必須在提高耐火材料的質(zhì)量、縮短精煉時(shí)間、改進(jìn)吹氧方法和造渣制度等方面加以研究。其次，是進(jìn)一步提高真空度和解決爐前快速分析問(wèn)題，VOD法可對(duì)各種特殊鋼進(jìn)行真空精煉或真空脫氣處理。但是鋼包要采取適當(dāng)?shù)念A(yù)熱措施，而且處理時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，以防鋼液降溫過(guò)多。AOD爐壽命是溫度與精煉時(shí)間的函數(shù)，若氧化末期溫度在1720℃左右，爐齡就與時(shí)間成正比，因此在控制溫度、堿度的同時(shí)盡力縮短精煉時(shí)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(gè)階段，按照爐內(nèi)的碳含量和溫度再調(diào)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(gè)階段；當(dāng)w（C）降到0.2%左右，可用O2∶Ar=2∶1的比例供氣，此時(shí)熔池溫度大約為1690～1720℃，此為第二個(gè)階段；當(dāng)w（C）降到0.1%左右時(shí)，改O2∶Ar=1∶2，將w（C）降到0.02%，此時(shí)熔池溫度大約為1730℃，此為第三個(gè)階段；當(dāng)吹煉w（C）小于0.01%的超低碳鋼種時(shí)可增設(shè)第四個(gè)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(duì)爐渣中的Cr2O3進(jìn)行還原，同時(shí)進(jìn)一步降低鋼中的溶解氧，并繼續(xù)吹氬攪拌，然后扒渣。進(jìn)行少量合金微調(diào)，繼續(xù)吹氬攪拌，在鋼水溫度達(dá)到1580～1630℃時(shí)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(zhuǎn)爐）出鋼的鋼水除渣后將VOD鋼包吊入真空室，接通底吹氬開(kāi)始合蓋抽真空，此時(shí)熔池溫度大約為1550～1580℃。當(dāng)真空度達(dá)到13～20kPa時(shí)，開(kāi)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(yīng)提高真空度。當(dāng)碳降到規(guī)定值停止吹氧，提高真空度，以促進(jìn)鋼液和渣中的氧進(jìn)一步脫碳。
然后在真空條件下加脫氧劑脫氧，脫硫并微調(diào)成分再經(jīng)吹氬攪拌后，即可破壞真空，吊出鋼包進(jìn)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(jīng)過(guò)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(xì)小、分布均勻。成坯后的其它夾雜物主要由鋼包和澆注過(guò)程中形成的。
2.5.2 VOD精煉法冶金效果
經(jīng)過(guò)VOD精煉法后的鋼錠中氧化物夾雜呈細(xì)小分散，優(yōu)于AOD精煉法的冶金效果。
2.6 投資、生產(chǎn)成本和其他的探究
2.7 AOD、VOD冶煉中的不足與注意事項(xiàng)
2.7.1 AOD法冶煉的注意事項(xiàng)
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(shí)的注意事項(xiàng)
1） 保持高的真空度；
2） 精煉開(kāi)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(shí)應(yīng)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(yīng)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(jìn)碳分，并在真空下進(jìn)行后期造渣，脫氧和調(diào)整成分等操作。
3.小結(jié)
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(méi)有明顯燒損。且精煉工藝及設(shè)備具有投資省、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)費(fèi)用低、產(chǎn)品質(zhì)量高和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。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(lái)還原鉻，加入石灰調(diào)整爐渣。這就勢(shì)必引起鋼中氫含量的增高，精煉后又要經(jīng)過(guò)一次出鋼，增加了空氣對(duì)鋼液的玷污，無(wú)疑將使精煉效果受到影響。其次，AOD精煉法沒(méi)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(shì)應(yīng)用領(lǐng)域。
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