VOD不锈钢精炼工艺因素对各种元素的影响.pdf

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1、2 0 0 7 年第 1 期 总第 1 3期 重工与起重技术 HE AVY I NDUS I 1 l I AL&H0I SnNG MAC HI NER Y N0 1 2 0 0 7 S er i a I No 1 3 V O D不锈钢精炼 工艺因素对各种 元素的影 响 大连重工铸钢有限公司 孙植刚 刘宝惜 摘要：分析了V O D炉在精炼不锈钢过程中工艺因素对易 氧化元素、磷、硫及气体元素、不易氧化元素和五害元素的影 响。关键词：不锈钢；V O D；工艺因素 上 J l 刖 舌 V O D精炼不锈钢的主要目的是降碳保铬，成分 微调优化，降低冶炼成本，提高冶金质量。本文通过 V O D炉在精炼不锈

2、钢过程中总结的经验，分析了工 艺因素对铝、钛、硅、碳、铬、锰及易氧化元素；碳、硫 和气体元素；铜、镍、钼、铌、钨及不易氧化元素；铅、锡、砷、锑和铋五害元素产生的影响。2 设备概况 2 1 冶炼设备 V O D炉设计冶炼容量为 1 0 0 t，L F(钢包)装 1 0 0 t 钢水时自由空间高度为 1 2 5 0 m m，真空系统由5 级 蒸汽喷射泵组成工作泵组，并带有 2 级辅助泵(完 成真空吹氧降碳脱气任务)，启动 5 级蒸汽喷射主 泵、在 2 0 o I=情况下 8 k P a 时抽气量为 2 9 0 0 k g h，6 7 P a 抽气量为 4 0 0 k g h。2 2 分析设备及元素

3、的分析方法 化学分析和检测设备概况及其主要性能参数 见表 1。表 1 化学分析和检测设备概况及其主要性能参数 序号 设备名称 规格型号 数量 主要技术参数与性能 产地 1 快速直读光谱仪 G B 2 6 5 7 5 I台 可测金属材料中合金元素和残余元素 美国 2 快速直读光谱仪 A R L 1台 可测金属材料中合金元素和残余元素 美国 分析钢中c、s含量。3 碳硫分析仪 C S一2 0 o 1台 美国 分析范围 c：4 p p m一 3 5 ；S：4 p p m-0 4 分析成品钢中0、N、H。4 氧氮氢联测仪 T C H 6 0 0 1台 分析范围 0：O 0 5 p p m 一 5 0；

4、美国 N：0 0 5 p p m一 3 0 t H：0 1 p p m一 2 5 0 p p m 5 V O D定氢仪 MU I Y D EL 1 台 分析钢水中 H、德国 6 V O D定氧测温仪 Mu h i-1 a b I n 1 台 分析钢水中0、测量钢水温度 德国 7 MT A多功能分析仪 1台 德国 脱碳过程中尾气测量、C O、C 一 金属反应曲线 走势分析、C O及 C o 含量、脱碳速度测定等 不锈钢中的碳、硫含量的分析方法：合金钢钻头 取粉末样，利用 C S 一 2 0 0分析仪分析碳、硫；成品钢 中气体元素含量 的分析 方法：加工为 O 5 m mx 6 m m 的标准试样

5、，在 T C H6 0 0氧氮氢联合测定仪上进行 测定；其余元素的分析均采取快速直读光谱仪分析。3 VO D精炼工艺流程 及要 点 电弧炉初炼 出钢一L F炉精炼调整一V O D工位 真空吹氧降碳一高真空碳脱氧一还原一调整精炼一 吊包浇注。精炼时主吹氧真空度 8 0 0 0 P a，开始吹氧 温度 1 5 7 0-1 6 2 0 C，氧气 压力 0 5-0 7 MP a；流量 1 0 0 0 1 4 0 0 m3A h。真空 自由脱碳期真空度小于 6 7 P a，平均温度 1 6 4 2 o C，氩气流量 0 1 5-0 2 0 m h。4 工艺因素对各种元素的影响(1)易氧化元素 V O D

6、真空吹氧初期，主要氧化铝、钛、硅、锰及 铬等元素，氧化这些元素所释放 的化学反应热使钢 液温度逐渐升高，吹氧约 5 mi n后开始氧化碳，进入 主吹氧阶段，操作时应加大氩气搅拌能力(氩气流量 0 2 0 m 3A n i n)，以提高碳 向钢液表面的迁移速度。此时 碳氧反应较为激烈，表现在控制仪表上的废气温度、氧碳反应快速上升，随着碳氧反应的进行，仪表显示 废气温度上升缓慢，表明钢液中碳浓度降低，脱碳速 率减慢，操作时应加大氧气压力，提高真空度，降低 C O分压。生产 中 V O D氧化期的脱 碳速率平均为 一7 维普资讯 http:/ 重工与起重技术 HEAVY I NDU I 瞰 AL H

7、OI S T I NG MACHI NE RY(0 0 1 0-0 0 1 3)mi n，钢中碳可降到 0 0 5 以下，实 际测定氧化钢 中 0 1 0 的碳使钢液升温约 1 2 1 5 C，平均氧化钢中 0 6 的碳使钢液升温 7 5-9 0 C，与理 论计算有一定的差别，因而操作中通常将开始吹氧 温度制定在 1 5 7 O 1 5 8 O C 之间，这样对后期操作时温 度的控制较为有利。对于开始吹氧温度较低的钢液，可视炉中情况加入适量的铝块或硅铁，当废气温度 明显下降、从 M T A分析仪检测出 O与 c反应量下 降，钢液的温度最高(j恿 常大于 1 6 5 0 C)。V O D真空吹

8、氧结束后，进入真空碳脱氧期，如果真空度小于 6 7 P a，温度大于 1 6 5 0 C，氩气流量保持在 0 2 0 m Y m i n，处理 时间 1 0 1 5 m i n，能去除钢 中 0 0 4 以上 的碳，碳可控制在 0 0 1 以下。由于不锈钢中铬含量较高，在精炼中铬呈波浪 型变化，其氧化量约为 0 8 0 1 5 0，工艺因素对铬 的氧化量影响较大。实际操作中，理论计算的降碳保 铬开始吹氧温度高于初炼炉出钢温度，停止吹氧后 的平衡铬低于标准下限要求的不锈钢，在精炼时铬 的氧化量则更大，对铬的控制较为困难，因而在精炼 前应用关系式：4 6【C】+O 0 2 3 7【N i】+O 0

9、 4 7 6【C r】+O 0 3 2【C u】+2 1 g C 卜 1 5 1 g c d一 2 1 g P c 0=2 4 3 o 0，】1 _ 1 6 o 7 (1)对停止吹氧后平衡铬进行计算，确定初炼炉出 钢成分的铬，估算铬的氧化量和降碳保铬开始吹氧 温度。例如在 V O D吹氧降碳结束后钢液的平衡【C r】可由式(1)计算，假定在 V O D精炼时吹氧真空度为 8 k P a，近似为 C O分压 P e o，【N i】=4 0 0、初炼炉出 钢以及停吹氧后的【q为 0 4 0 和0 0 3；停吹氧温 度为 1 6 5 0 C，代入式(1)得 c d=1 5 3 0。考虑 V O D

10、精炼可能氧化损耗铬 0 5 0，以及在 V O D还原时补 加其他合金元素对钢 中铬的相对浓度的影响(约降 低 0 2 0)，吹氧前铬的最低含量应达到 1 6 0 0，因 而初炼炉出钢成分的铬应按 1 6 0 0-1 5 2 0 控制，铬的氧化量则为 0 9 0。理论计算 C r l 8 N i 9 钢的氧 化量为 1 5 0，实际上 C r l 3 N i 4 M o 钢经过 V O D精炼 还原后铬的氧化损耗量约为 0 3 5，比C r l 8 N i 9 钢 的氧化损耗量 0 7 4 要低。显然除工艺因素外，钢中 镍、铜、铝对铬的活度系数有一定的影响，这种影响 效果与理论计算的相符合，因

11、而在计算平衡铬时要 考虑这些元素。铬的损耗主要取决于真空碳脱氧时 间、真空度和还原剂的组成元素及用量，真空碳脱氧 时间越 长，真空度越高，还原铬的效果越好，铬的损-8-耗量越少，对于经过 1 0 m i n 高真空碳脱氧处理后的 钢液能还原铬0 2 0-0 4 O。从表 2中渣样分析结果 可以看出，在真空吹氧期，不但只是氧化了碳，同时 还氧化了铬和其他元素，在选择还原剂时，既要考虑 脱氧与还原铬的效果，同时还须考虑还原剂组成元 素的平衡分配问题，操作时通常选择的还原剂及用 量是：7 5 S i F e 5 k g 4，3 4 S i-C a 3 5 k g t，铝块 2 5 k g t，钛在还

12、原后 出坑前 5 ra i n按计算量加入，经过精炼后 的 C r l 8 N i 9钢 中铬、钛平均回收率分别达到 9 7 6 2、7 9 5 8，比用 电炉直接冶炼提高了 7 1 0 和 1 4 3 3。初炼炉出钢时的碳、硅、铝及钛应严格控制，这 些元素的多少直接影响钢液的温度、耗氧量和冶炼 时间。经真空碳脱氧后，硅的含量 0 0 1 0-0 0 1 5，显然工艺因素对硅的影响较为明显，实质上硅在精 炼中既可作为温度调节剂，又可作为还原剂，对于初 炼炉出钢温度偏低的钢液，可适当增加硅含量，经测 定氧化钢中0 0 1 的硅能使钢液升温3。V O D还 原时，渣料使低硅钢液增碳 0 0 1 0

13、 0 0 1 5，而高硅 钢液中的硅不但具有还原铬的能力，在一定条件下 对冶炼超低碳不锈钢中碳的控制有一定的有利作 用，因而初炼炉出钢时硅的控制要视出钢温度而定。铝是一个较活泼的元素，易氧化，在精炼铝含量 较低的不锈钢时铝通常作为还原剂，在 V O D还原期 加入，初炼时不予考虑；对于精炼铝含量较高的不锈 钢 时铝应在 VO D还原后期 出坑前 2-3 m i n按计算 量加入，回收率约为 7 0-8 0。锰在真空状态下易挥发，精炼低碳、低锰钢时锰 可以在还原期加入，这样既可提高锰的回收率又可 作为降温材料。但在精炼超低碳不锈钢时，为了有效 地控制碳，降低生产成本，锰则应在初炼炉中加入，V O

14、 D氧化期约氧化 5 0 的锰，还原时锰的综合回收 率约 8 0。对于低碳高锰不锈钢不宜采用 V O D冶 炼，锰在初炼炉加入。通过推算，在V O D吹氧过程中 锰挥发损失约 5 0 7 0，若在 V O D吹氧后加入金 属锰，不仅使钢中碳含量难以控制而且钢液温度损 失大。以往冶炼高锰不锈钢时，曾在真空感应炉中往 真空室冲氩气或冲氮气后加锰，锰的回收率为 6 0 7 0。(2)碳、硫及气体元素 V O D精 炼期磷、硫的变化不 明显，从表 2可 以 看出，熔渣 S i O 、A I 2 0 3、C r 2 0 3 含量较高，虽然 V O D还 原期钢中氧含量低，但熔渣碱度=0 5 6)远远达不

15、到 维普资讯 http:/ 重工与起重技术 HE AVY I NDUs 删AL&HOI S，I 1 NG MAC HI N ERY 表2 精炼时熔渣的组成()及碱度 R的变化 项目 S i O：o 3 铁的氧化物 Ms o Mn O，T i O 2 钙的化合物 C r,_ O 3 R 钢包 中 2 9 7 0 1 2 0 4 0 9 8 9 I 2 1 3 1 l 2 5 5 2 1 8 0 7 5 7 0 7 4 真空碳脱氧 2 0 2 4 1 1 3 4 2 3 3 5 7 2 9 5 4 1 2 7 5 8 7 4 3 3 0 0 2 9 还原 3 1 9 6 1 69 1 0 9 9

16、7 1 6 4 8 9 1 9 3 1 7 9 4 1 0 1 l 05 6 脱硫要求，对装有加热装置的精炼炉，增大渣量提高 渣温，并加大氩气搅拌能力，可脱硫 5 0 左右，对于 钢 中硫含量小于 0 0 1 0，其脱硫效果不明显。由此可 见，碱度、渣量和渣温是影响脱硫效果的主要原因。工艺因素对气体元素的影响较为明显，氮含量 随脱碳量与钢中碳含量的增加而降低，与常压冶炼 相吻合，当真空度小于 6 o P a，碳含量小于 0 0 2 时，钢中氮含量变化不明显。这种现象有可能表明，在高 真空状态下，液态金属晶体结构倾向于艾林教授提 出的“有效结构理论”。图 1 真空脱碳时间与钢中氧含量的关系 钢中

17、氧含量随着高真空碳脱氧时间与真空度的 增加而降低 图 1)。利用这种工艺手段 能去除钢 中 7 0 的氧，要使氧 降到一 定的水平，可向钢包 中 加入沉淀脱氧剂，同时提高氩气搅拌能力和真空度 或采取喂线吹氩等工艺处理，能将钢 中氧达到 2 0 x 1 0-6 的水平 见图 2)。图 2表明，随着脱氧剂的增加(钢 中残余铝的增加)，钢中氧含量减少。钢中氢含量随真空度的提高而降低，恢复常压 后，钢液回升氢约(2 3)x l 0 ，在无保护装置浇注的成 品氢比常压下冶炼无保护装置浇注的成品氢要低。(3)不易氧化元素 从表 2可以看出，VO D氧化期镍、铜和钼不易 氧化，在钢中略有上升 的主要原因是：

18、由于精炼 中氧 化了相当一部分的碳和氧化了少量与氧亲和力较强 的元素，使其钢水量相对减少，因而在初炼炉出钢成 图 2 钢中铝含量与氧含量 的关系 分设计时，这些元素都应按 中下限控制。重金属钨是不活泼元素，但回收率较低且不稳 定。在初炼炉和 V O D氧化期一般不加人，精炼含钨、铌钢时，钨、铌应选择在 V O D还原期按计算量加人，要求块度控制在 1 0 3 0 m m之间，置于合金料中间与 渣料一同加入，加钨、铌后采取大氩气流量高真空处 理。这有利于钨、铌的熔化与扩散，回收率可达到 8 0-9 0。(4)五害元素 从理论上讲，在 VO D精炼不锈钢过程 中，低熔 点的五害元素在高温高真空状态

19、下容易挥 发去 除。因分析精度不够，结果不准确，尤 其是铅、铋，V O D 精炼过程 中对去除锑有一定的作用，但对砷、锡 的作 用不明显，对精炼五害要求较严的不锈钢和合金时 可采取一些预防措施，如石油用不锈钢、铁基高温合 金(GH1 0 4 0)、电渣母材，应选用低五 害元素含量 的 原材料(如配人 2 0 一 4 0 的直接还原铁)和铁合金。5 结束语(1)V O D精炼不锈钢时，氧化钢 中的碳所释放 的化学热能为精炼过程提供足够 的热源，通过工艺 手段能将钢 中碳降到 目前为止 0 0 0 2 水平。精炼中 铬含量呈波浪型变化，其氧化量主要与初炼出钢时 的铬含量、真空开始吹氧温度有关。(2

20、)硅在精炼中既可作为温度调节剂，又可作为 还原剂，在一定条件下，高硅钢 中的硅对冶炼超低碳 不锈钢起到有利作用。(下转第 l 2 页)-9-维普资讯 http:/ 重工与起重技术 HE AVY I N DUSI 1 UAL&H0I S，nNG MACHI NE RY 么加工问题也就迎刃而解，基于这个思路设计了一 套铣齿胎，见图3。3 总装工艺方案 L _ L J 图 3 铣齿胎 3 1 装配基准 总 装 开 始 时，首先在总 装 场地铺设基础 钢板 并返平，作 为基准水平面，并 划 出 翻车 机 中心线、两侧端 环 钢 轨 中 心 线 等装配基准线。在 基 础 钢 板 上 安装托辊装置，并按要

21、求调整其各部尺寸，然后安 装总装靠背胎具。3 2 安装端环(1)检查确认端环与平台连接的凹口处尺寸是 否合格，端环 的前、后梁段点焊是否牢 固，位置是否 正确。(2)将驱动端环安装在托辊上，把可调螺杆与 靠背胎联接，并用吊线法使端环在垂直方向的十字 中心线与水平面垂直，并保证垂直度在公差尺寸范 围之内，然后将端环与靠背胎固定牢固。(3)安装从动端环时，应将其与驱动端环的中 心距调控在 1 0 0 0 0 m m，并保证合理的公差尺寸，其 余要求与驱动端环相同。(4)当按(2)、(3)工序调整时，注意 吊车不能与工 件脱开，否则会发生危险。(5)两个端环安装后，在 下部用 4个支承顶住 以防转动

22、。3 3 安装平台(1)在平台下垫 4个垫铁，垫铁上设置可调千 斤顶。(2)将参加总装 的平台及端环的平台段用吊车 抬起，通过端环 的”0”形 口，然后垂直落入端环 的凹 口中，并用水平仪、经纬仪监测调整平台的位置。同 时确认端环 的平 台段上其盖板上 的 1 0 0 0 0 m m尺寸 线与端环上的线是否在同一直线上，确定位置后，将端环的平台段与端环焊接牢固，并注意出现焊接 变形的情况。3 4 安装前后梁(1)前、后梁下垫 2个垫铁，垫铁上设置 4个千 斤顶。(2)用吊车吊起前、后梁及端环的前、后梁段，然后采用 吊线法，使用水 平仪、经纬仪监测调整其 位置，使其正确就位，然后将端环的前、后梁

23、段与端 环焊接牢固，并注意出现焊接变形的情况。4 结论 通过对新式“0”型翻车机的结构进行分析，以 及对主体钢结构、平台段轴孔及齿块等关键件的制 造过程进行研 究，总结 出以上制造方案。经过生产 制造及装配过程 的检验，证明该工艺制造方案切 实 可行，对 同类型产品的制造有一定的借鉴意义。目 前，该产品已在现场投入使用，运行状况 良好。(上接第 9页)(3)V OD精炼不锈钢对气体元素的作用较明显，氮、氢及 氧含量随着脱碳量、真空度、真空脱碳时间 和钢中残余铝的增加而下降。(4)加大渣量、提高渣温、碱度和氩气流量，能 去除钢中 5 0 左右的硫。一1 2一 参考文献 1 徐匡迪 不锈钢精炼 上海：上海科技大学出版社，1 9 8 3 2 黄希钴 钢铁冶金原理：北京：冶金工业出版社，1 9 8 1，1 3 张承甫 液态金属的净化与变质 上海：上海科技大学出 版社，1 9 8 9，9 维普资讯 http:/