真空攪拌VD與VOD

1、 VD 和VOD1 概述VD 的功能是真空加攪拌，主要用于軸承鋼脫氧VOD （Vacuum and stir and injection oxygen ）是西德維滕特殊鋼廠于 1965 年發(fā)明, VOD 主要用于不銹鋼冶煉 1977 年大連鋼廠自行設(shè)計(jì)制造的 18 噸 VOD 建成投產(chǎn)，撫順?shù)搹S從德國(guó)引進(jìn)一套 30t VOD 鋼包爐，于 1982 年投入生產(chǎn)。鋼包脫氣與真空罐脫氣主要設(shè)備: 真空罐、鋼桶、真空泵、氧槍、加料系統(tǒng)、 吹煉終點(diǎn)控制、儀表取樣、測(cè)溫裝置反應(yīng)平衡的移動(dòng) 對(duì)于某一確定的化學(xué)反應(yīng)，其平衡常數(shù)在一定溫度下為一確定值，不受體系壓強(qiáng)變化的影響。若反應(yīng)的氣相生成物和氣相反應(yīng)物的摩爾

2、數(shù)不相等，則體系的壓強(qiáng)的變化會(huì)使平衡移動(dòng)，真空將使平衡向氣相摩爾數(shù)較高的方向移動(dòng)，在冶金領(lǐng)域內(nèi)，主要是導(dǎo)致碳氧反應(yīng)向脫碳方向移動(dòng)。 減壓操作的效應(yīng)碳氧反應(yīng)式： C + O = CO (g)其反應(yīng)平衡常數(shù) 其中：aC和aO鋼液中碳和氧的活度 (%) Pco氣相中一氧化碳的分壓 (atm) 在煉鋼溫度(1600)下，可求知 KCO=419熔池中合金元素含量很少的中低碳鋼 ,則 fc1，fO1， CO0.0025PCO任何使一氧化碳分壓改變的操作都會(huì)影響碳氧平衡的移動(dòng)。 在真空條件下，碳的還原能力大大提高，有利于夾雜物的去除，例如碳與 SiO2 夾雜和 Al2O3 夾雜的反應(yīng)： 其反應(yīng)平衡常數(shù) 其中

3、： aC和aSi 鋼液中碳和硅的活度（%） Pco 氣相中一氧化碳的分壓（atm） 若鋼中碳含量一定，PCO 降低，反應(yīng)向 SiO2 被還原的方向移動(dòng)。 Al2O3(s)+3C =2Al+3CO(g) 其反應(yīng)平衡常數(shù) 其中： aC 和 aAl 鋼液中碳和鋁的活度（%） Pco 氣相中一氧化碳的分壓（atm） 若鋼中碳含量一定，PCO 降低，反應(yīng)向 Al2O3 被還原的方向移動(dòng)。 真空對(duì)耐火材料的影響真空對(duì)耐火材料在高溫下的穩(wěn)定性的影響主要有以下兩個(gè)方面： 氧化物的分解鋼液中的碳的還原能力增強(qiáng) 煉鋼用耐火材料是高熔點(diǎn)的氧化物，氧化物在某一溫度下具有一定的分解壓。某些氧化物分解反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)氧化

4、物熔點(diǎn)分解反應(yīng)式平衡常數(shù)J MgO2800 2MgO(s)=2Mg(g)+O2(g)708510Al2O32030716030ZrO22700744040CaO2600861920SiO2171379268氧化物的分解某些氧化物向鋼液供氧的計(jì)算值 耐材用氧化物SiO2MgOAl2O31600平衡氧分壓PO2(Pa)6.8910-23.5610-29.7310-6與PO2平衡的鋼液中氧濃度%O2.21.60.026鋼液中的碳的還原能力增強(qiáng) 在高真空度下，氣相壓力很低，鋼液中的碳和耐材中的碳元素的還原能力增強(qiáng)，從而使耐材浸蝕加重，鋼液中含氧量增加。 主要反應(yīng)有： 2 工藝流程VD 主要應(yīng)用于軸承鋼

5、脫氧VOD 爐可配電爐、轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)不銹鋼等鋼種目前鋼廠中普遍采用以下工藝流程： 電爐冶煉初煉鋼水出鋼、同爐渣洗脫硫扒渣吊鋼桶入真空罐、吹氬蓋罐、抽真空真空吹氧脫碳停氧真空碳脫氧加脫氧劑及鐵合金充氣開(kāi)罐停氬、吊出鋼桶鎮(zhèn)靜澆注VOD 工作原理 抽真空以降低 C-O 反應(yīng)產(chǎn)物 CO 的濃度和分壓，促使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。因此，真空度越高，反應(yīng)越深度，碳含量可降得越低。為增大吹氧沖擊區(qū)深度和面積，鋼水表面盡可能少渣或無(wú)渣，為此必須在進(jìn)入 VOD 前扒渣，為防止吹煉噴濺，鋼包足夠的凈空高度和加防濺蓋是必要的。 鋼包底吹氬攪拌，能夠均勻鋼水溫度、成份，促使鋼中夾雜物上浮，鋼-渣充分接觸，有良好的脫硫、去除夾雜物的

6、作用。因此，在 VOD 精煉爐中，極大地改善了化學(xué)反應(yīng)間的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，使得鋼中的 O、H、N 顯著下降，夾雜物數(shù)量減少，硫含量降低，提高了鋼的純潔度，機(jī)械性能顯著增加。 VD 工藝軸承鋼最重要的性能指標(biāo)是疲勞壽命。影響軸承鋼壽命的重要指標(biāo)是鋼中氧含量，鋼中 O 控制在 10 ppm 為好。最好水平 O 35ppm。國(guó)內(nèi) 10 ppm 左右。控制鋼中非金屬夾雜物和碳化物級(jí)別。GCr15 是最常用軸承鋼：%C：0.95-1.05 %Mn: 0.9-1.20 %Si:0.40-0.65 %Cr: 1.30-1.65 S,P0.020以軸承鋼冶煉為例冶煉工藝：UHPLF+VD（或RH）+CC

7、LF 出鋼后，扒渣（倒渣）2/3，渣層厚度應(yīng)保持 4070 mm，扒渣時(shí)間 3 min。 扒渣完畢 LF 鋼包入 VD 處理工位，接通氬氣，調(diào)節(jié)流量 5080 NL/min，同時(shí)測(cè)溫、取樣，加入硅石 2 kg/mm，調(diào)整爐渣堿度 R = 1 .21 .5。 測(cè)溫、取樣后 VD 加蓋密封，抽真空。 真空泵啟動(dòng)期間，調(diào)整氬氣流量保持 30 40 NL/min。VD 工藝以某廠軸承鋼冶煉為例真空保持時(shí)間：真空啟動(dòng)后，工作壓力達(dá)到 67 Pa 時(shí)，保持時(shí)間15min。真空保持期間調(diào)整氬氣流量 70 NL/min 左右，并通過(guò)觀察孔觀察鋼水沸騰情況，及時(shí)調(diào)整，保持均勻沸騰。終脫氧后解除真空、開(kāi)蓋、測(cè)溫，

8、軟吹 1525 min，氬氣流量 70-100 NL/min左右，控制渣面微動(dòng)為宜。軟吹結(jié)束后，測(cè)溫、取樣，加保溫劑出鋼，出鋼溫度 15301540 。VOD 工藝初煉爐將碳控制在 0.20.5 ，P 0.03 % 以下；鋼液溫度為 1630 ；初煉爐除渣后，將 VOD 鋼包吊入真空室，接底吹氬，開(kāi)始抽真空，此時(shí)溫度 1550-1580 ;以冶煉超低碳不銹鋼為例當(dāng)真空度達(dá)到 1320 kpa 時(shí)，開(kāi)始吹氧脫碳；碳含量降低的同時(shí)，提高真空度，保鉻不氧化；當(dāng)碳合格時(shí)，停止吹氧，加大真空到 100 Pa 以下，并加大攪拌，進(jìn)一步脫碳，鋼液溫度達(dá)到16701750 ；加合金、微調(diào)成分、加鋁吹氬攪拌幾分

9、鐘后，破真空澆鑄。VOD能量輸入3 工藝參數(shù)影響真空脫碳的因素影響鉻回收率的因素溫度控制吹氧終點(diǎn)的控制影響真空脫碳的因素（1）臨界含碳量 臨界含碳量是指在一定溫度下，脫碳速度Vc 與鋼中碳含量無(wú)關(guān)的高碳區(qū)和 Vc 隨 %C 降低而減小的低碳區(qū)之間的交界含碳量。 臨界含碳量越低，脫碳越容易進(jìn)行。 VOD 冶煉不銹鋼的臨界含碳量波動(dòng)在 0.02 0.06 之間（2）真空度 真空度越高，鋼中碳含量可越低。提高開(kāi)吹真空度，可以改變鋼中碳硅氧化次序，使碳優(yōu)先氧化，從而縮短吹氧脫碳時(shí)間。而停吹氧真空度越高，臨界終點(diǎn)碳量越低。（3）其他因素 真空脫碳還與供氧量有關(guān)，耗氧量越大，鋼中碳含量將降得越低。 提高鋼

10、液溫度和限制初煉鋼液中的含硅量，能降低鋼中碳含量。 精煉后期造渣、脫氧、調(diào)整成分等均會(huì)使碳含量增加。影響鉻回收率的因素（1）提高真空度 真空度越高，精煉后鉻的回收率越高（2）控制合理的吹氧量和終點(diǎn)碳 當(dāng)初煉鋼液含碳量為 0.30.6 時(shí)，供氧量控制在 10 m3/t 較為合適。 在吹氧后期，當(dāng)鋼中含碳量達(dá)到臨界值時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)販p少供氧量，以免造成鉻的大量燒損。（3）造好精煉還原渣 真空脫氧結(jié)束后，及時(shí)加入石灰等造渣材料，造堿度大于 2 的精煉爐渣。（4）提高初煉爐內(nèi)鉻的回收率 初煉爐內(nèi)吹氧終點(diǎn)碳不能控制過(guò)低，以免增加鉻的燒損量。 鉻的回收率可達(dá)到 93 ，但要進(jìn)一步提高鉻的回收率較為困難。溫度控

11、制提高真空度和控制開(kāi)吹溫度 開(kāi)吹溫度控制在 15501580 為宜。適當(dāng)控制供氧量真空脫碳反應(yīng)結(jié)束后，如溫度過(guò)高，可加入冷料降溫 綜上所述，VOD 冶煉不銹鋼時(shí)，應(yīng)注意的幾個(gè)方面為：保持高的真空度精煉開(kāi)吹溫度為 15501580 ，精煉后溫度控制在 17001750 有條件時(shí)應(yīng)加大包底供氬量控制合理的供氧量初煉鋼液的含硅量應(yīng)限制在較低的水平較少鉻的燒損和精煉后渣中（Cr2O3）的含量在耐火材料允許的條件下，提高初煉鋼水的含碳量精選脫氧劑、造渣材料和鐵合金，并在真空下進(jìn)行后期造渣，脫氧和調(diào)整成分等操作4 精煉效果 易氧化元素磷、硫及氣體元素不易氧化元素五害元素以 VOD 冶煉不銹鋼為例易氧化元素

12、VOD 真空吹氧初期，主要氧化鋁、鈦、硅、錳、鉻等元素，氧化這些元素所釋放的化學(xué)反應(yīng)熱使鋼液溫度逐漸升高，約 5 min 后開(kāi)始氧化碳。生產(chǎn)中 VOD 氧化期的脫碳速率平均為(0.010 0.013) %/min，鋼中碳可降到 0.05 % 以下。VOD 真空吹氧結(jié)束進(jìn)入真空碳脫氧期，如果真空度小于 66 Pa，溫度大于 1650 ，氬氣流量保持在 0.20 m3/min ，處理時(shí)間 1015 min，能去除鋼中 0.40 % 以上的碳，碳可控制在 0.01 %以下。 由于不銹鋼中鉻含量較高，在精煉中鉻呈波浪型變化，氧化量約 0.80 %1.50 % ，工藝因素對(duì)鉻的氧化量影響較大，對(duì)鉻的控制

13、較為困難，對(duì)停止吹氧后平衡鉻進(jìn)行計(jì)算，確定初煉爐出鋼成分的鉻，估算鉻的氧化量和降碳保鉻開(kāi)始吹氧溫度。鋁是一個(gè)較活潑的元素，易氧化，在精煉鋁含量較低的不銹鋼時(shí)鋁通常作為還原劑。在 VOD 還原期加入，初煉時(shí)不予考慮。錳在真空狀態(tài)下易揮發(fā)，精煉低碳低錳鋼時(shí)錳可以在還原期加入，這樣一方面可提高錳的回收率，另一方面可作為降溫材料。磷、硫及氣體元素 VOD 精煉期磷、硫的變化不明顯，因熔渣中SiO2、Al2O3、Cr2O3 含量較高，雖然 VOD 還原期鋼中氧含量低，但熔渣堿度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到脫硫要求，對(duì)裝有加熱裝置的精煉爐，增大渣量提高渣溫，并加大氬氣攪拌能力，可脫硫 50 % 左右，對(duì)于鋼中硫含量小于 0

14、.010 %，其脫硫效果不明顯。由此可見(jiàn),堿度、渣量和渣溫是影響脫硫效果的主要原因。工藝因素對(duì)氣體元素的影響較為明顯，氮含量隨脫碳量與鋼中碳含量的增加而降低，與常壓冶煉相吻合。當(dāng)真空度小于 60 Pa、碳含量小于 0.02 % 時(shí)，鋼中氮含量變化不明顯。鋼中氧含量隨著高真空碳脫氧時(shí)間與真空度的增加而降低，利用這種工藝手段能去除鋼中 70 % 的氧，要使氧降到一定的水平，可向鋼包中加沉淀脫氧劑，同時(shí)提高氬氣攪拌能力和真空度或采取喂線吹氬等工藝處理，能將鋼中氧達(dá)到 20 ppm。不易氧化元素 VOD 氧化期鎳、銅、鉬不易氧化，在鋼中略有上升的主要原因是由于精煉中氧化了相當(dāng)一部分的碳和氧化了少量與氧

15、親和力較強(qiáng)的元素，使其鋼水量相對(duì)減少，因而在初煉爐出鋼成分設(shè)計(jì)時(shí)，這些元素都應(yīng)按中下限控制。 重金屬鎢、鈮雖然屬不活潑元素，但回收率較低且不穩(wěn)定，在初煉爐和 VOD 氧化期一般不加入。精煉含鎢、鈮鋼時(shí)鎢、鈮應(yīng)選擇在 VOD 還原期按計(jì)算量加入，要求塊度控制在 1030 mm 之間，置于合金料中間與渣料一同加入。加鎢、鈮后采取大氬氣流量高真空處理,這樣有利于鎢、鈮的熔化與擴(kuò)散，回收率可達(dá)到 80 %90 %。五害元素理論上講在 VOD 精煉不銹鋼過(guò)程中，低熔點(diǎn)的五害元素在高溫高真空狀態(tài)下容易揮發(fā)去除，因分析精度不夠，結(jié)果不準(zhǔn)確，尤其是鉛、鉍。VOD 精煉過(guò)程中對(duì)去除銻有一定的作用，但對(duì)砷、錫的作用不明顯，對(duì)精煉五害元素要求較嚴(yán)的不銹鋼和合金時(shí)可采取一些預(yù)防措施，如石油用不銹鋼、鐵基高溫合金 (GH1040)、電渣母材，應(yīng)選用低五害元素含量的原材料(如配入 20 %40 % 的直接還原鐵)和鐵合金。VOD 與 VD 相比較相同點(diǎn)：都可生產(chǎn)超低碳（C0.003-0.005）的優(yōu)質(zhì)鋼種。 A. 處理周期約為