關于45 t AOD 脫碳過程的探討

姚呂金， 譚建興， 張海飛

（太鋼不銹鋼股份有限公司煉鋼一廠， 山西 太原 030003）

太鋼不銹鋼股份有限公司（全文簡稱太鋼）45 t AOD 爐于2004 年經過奧鋼聯改造后，結合當時生產條件制定了專門的二級冶煉系統，通過十幾年的運行，總體指標良好，但也存在還原Si 耗高、氬耗高、CRE（脫碳用氧利用率）偏低的問題，本文就通過與先進鋼廠頂槍期冶煉以及氣體比例對標，結合實際情況對AOD 爐頂槍期冶煉做了分析研究和優化，并在實踐中進行運用，取得效果明顯[1]。

現代科技的創新，雖然不排除單打獨斗的成功，但更多的是來自不同學科的交叉融合和集智攻關。在市場經濟的大環境下，不同學科領域甚至不同單位的高效協作，既對科技工作者的素質提出了要求，也對管理模式，諸如學術民主、大協作、保護知識產權，切實加強基礎研究、提高國際化水平，解決好科技成果轉化“最后一公里”的問題等，提出了新的要求。

1 AOD 脫碳基礎理論

1.1 AOD 脫碳機理

不銹鋼中含有大量的鉻、鎳元素，鉻、鎳等元素可極大的提高鋼的耐蝕性能，而不銹鋼中的碳降低了鋼的耐腐蝕性能，對于大部分不銹鋼其含碳量都是很低的。因此，不銹鋼的化學組成中要求較低的含碳量和較高的的含鉻量。

“我和小表姐商量：偷偷接近柴垛，然后突然出現在二表哥面前，嚇他一跳。我們踮著腳尖來到柴垛旁，但卻并未見到二表哥，只有一個未完工的木筏和散落在地上的工具。

在AOD 精煉過程中，經頂槍、側槍向熔池內吹入氧氣和惰性氣體(氬氣或氮氣)，吹入的氧氣先后與溶于鋼液中的Ti、Al、Si、Nb、Cr、Fe、Ni 等元素發生反應生成各種氧化物，生成Cr2O3等其他氧化物吸附在惰性氣體形成的氣泡表面，隨氣泡在熔池內上下運動。與此同時，鋼液中的C 向附著著Cr2O3的氣泡表面傳遞并發生脫碳反應，生成的CO 進入氣泡內。由于氣泡內存在惰性氣體，使得氣相中的CO 氣體得以稀釋，其分壓相應降低，從而有效促進碳氧反應的進行，并防止了Cr 的大量氧化，由此達到脫碳保鉻的目的。隨著氣泡的攪拌運動，脫碳反應不斷進行，直到氣泡離開熔池逸出。在此過程中，各主要精煉反應發生在鋼液和氣泡表面，并在競爭中達到平衡。

1.2 脫碳的熱力學

不銹鋼脫碳過程存在著兩個氧化反應：

在普通噴吹純氧情況下，除了在一定溫度下與一定的鉻相平衡的碳外，其余的碳都以CO 氣體形式逸出。將式（1）與（2）合并可得脫碳反應：

目前，45 t AOD 脫碳過程中，以304 鋼種為例，在前三步完成主要金屬冷料（高鉻、鎳鐵、高錳等）添加后，下二級操作，根據計算C 進行跳步（停頂槍），同時關注計算溫度不超過1 800 ℃。只是在選擇跳步時的計算C 方面，配氣工不統一，0.15%～0.30%不等，存在頂槍吹煉時間相對較長，氧氣利用率不高的情況。

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a為活度，pθ標準氣壓從上述兩式可以看出：

反應的平衡常數Kθ為：

1）一氧化碳分壓pco的影響。降低體系中的pco，也可以獲得較低的aC，從而實現“脫碳保鉻”，在AOD 精煉不銹鋼過程中主要通過吹入惰性氣體（Ar、N2），以降低pco。

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2）溫度的影響：Kθ是溫度的函數，提高熔池溫度，可以使Kθ升高，使反應式（3）向右進行，實現“脫碳保鉻”，但過高的熔煉溫度，使耐火材料的壽命降低。

接下來的兩期漫談，我們來聊一聊鋼琴二重奏在教學上的應用。分別針對教學條件只有一臺鋼琴和兩臺鋼琴的不同情況，來設計一些教學的方案 。首先談一談關于一臺鋼琴上的四手聯彈。

1.3 脫碳的動力學

2）提高鋼水溫度。

圖1 AOD 脫碳的Fruehan 模型

2 “臨界含碳量”

根據脫碳階段別目標[C]，氣體比和脫碳速度如表1 所列。

在AOD 精煉過程中，在一定溫度下，脫碳速度隨碳含量的減少而減少，此時碳在鋼液內的擴散是脫碳反應的限制環節，而我們習慣把高碳區與低碳區的界限稱為臨界含碳量。

當然“臨界含碳量”并不一定是一個固定值，它一般也隨鋼水含鉻量、溫度和真空度（VOD 精煉時）的變化而改變。即當鋼水溫度升高，鉻含量降低和真空度增高時，臨界含碳量是降低的，反之，則是增高的。在AOD 脫碳過程中，比較受到公認的臨界含碳量為0.15%。

3 提高高碳區脫碳速度應采取的措施

1）增大供氧速度。

在眾多AOD 脫碳模型中，Fruehan 模型是最經典的脫碳模型[2]。在模型中作者假想：反應最初產物為Cr2O3。它作為氧的傳遞者使熔池中碳在氣泡表面氧化；碳的氧化為液體金屬中碳向氣泡表面的擴散控制；熔池中鐵的氧化量為鉻氧化量的十分之一；硅優先氧化而不考慮錳的氧化。同時，在吹煉第一期，采用過程的平均溫度來計算脫碳曲線，完全忽略了碳和鉻的相對氧化速度與溫度強烈的依賴關系。此外，模型還認為在高碳區的脫碳速率由供氧量控制，在低碳區的脫碳速率由碳向氣泡表面的擴散控制。

3）改變氧槍高度，改進氧槍結構和改進吹氧方式等以增大氧氣與鋼水的接觸面積。

4 提高低碳區脫碳速度應采取的措施

1）加強對鋼水的攪拌，以增大反應界面積和擴散速度。

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2）提高鋼水溫度，以增大碳的擴散速度和降低臨界含碳量。

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3）通過氣體比例轉換，降低CO 分壓。

5 太鋼45 t AOD 吹煉模式

控制熱力學條件，使反應向右進行，其綜合效果為“脫碳保鉻”，這對AOD 精煉不銹鋼來說是至關重要的。

在一定溫度下，AOD 脫碳過程大以可以分作兩個階段：當w（C）＞0.15%（簡稱高碳區），脫碳速度與含碳量無關，是一個常數；而當w（C）＜0.15%（簡稱低碳區）脫碳速度隨碳含量的減少而減少。

表1 太鋼45 t AOD 設定吹煉模式

6 對目前45 t AOD 頂槍冶煉工藝的改進

筆者之前對比分析過太鋼45 t AOD，太鋼180 t AOD 以及張浦150 t AOD 吹煉氣體比例，得出如下結論：

1）45 t AOD 頂槍期供氧量偏大，尤其是頂氧槍流量與側氧槍流量的氧流量合理分配，對高碳期脫碳氧利用率影響較大。

2）45 t AOD 頂氧槍結束的目標碳含量偏低，導致冶煉前期Cr 的氧化偏高。

3）45 t AOD 低碳區氧/氬比例偏大，直接影響到氬耗的升高。

研究資料顯示，紡織、服裝、食品加工、家具制造業等屬于低進入壁壘的行業[13](見表1).服裝及其它纖維制品制造業、紡織業、家具制造業在較低進入壁壘行業中分別排在第1、第8和第10位.

改進措施：

1）304 系列鋼種，DEC 3 頂槍跳步計算w（C）按目標0.25%（范圍0.22%～0.28%）執行，綜合考慮爐殼、爐齡影響，同時注意計算溫度不超過1 800 ℃。

2）后續對頂槍流量、底槍流量設定進行優化試驗。