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.甘肅鋼鐵職業技術學院，甘肅 嘉峪關 735100；2.酒泉鋼鐵責任有限公司不銹鋼分公司，甘肅 嘉峪關 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高鉻不銹鋼的爐外精煉技術。VOD法是在真空條件下頂吹氧氣脫碳，并通過包底吹氬促進鋼液循環，在冶煉不銹鋼時能容易的把鋼中碳降到目標范圍內而幾乎不氧化鉻。并對鋼液進行真空處理，加上氬氣的攪拌作用，營造了良好的動力學條件，能獲得很好的去氣、去夾雜物的效果[1-3]。國內外不銹鋼企業普遍采用VOD來冶煉超純鐵素體不銹鋼。酒鋼2014年底VOD投產，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量。

1 脫碳工藝研究

VOD脫碳熱力學分析：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；②增加Cr2O3活度；③增加反應溫度；④降低PCO。

VOD去氮熱力學分析：1/2 N2=[N]

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

得出有效的脫氮措施：①高的初始碳含量；②高的真空度；③加強處理過程中的氬氣攪拌。酒鋼根據VOD設備狀況和生產情況，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，而且促進了脫碳和脫氮反應的進行。

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

（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，結合現場的具體情況，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利用質譜儀對廢氣成分進行連續分析，從底吹攪拌氬氣吹入量計算出廢氣總量，再依據CO+CO2組分含量得到鋼水中[C]含量，從而決定停吹時刻。沸騰時間依據終點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脫氧產物的區域越小，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℃，脫氧結束后Si目標值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脫氧工藝的規律性與Si相同，但脫氧效果較好；當鋼液中VOD處理溫度1650℃～1700℃，脫氧結束的Al目標含量為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復合脫氧示意圖。從圖中可以看出，3Al2O3·2SiO2產物的所占區域較大，鋼液溫度越高，所占區域縮小。Al-Si復合脫氧，不論其先后還原順序，只影響了初始脫氧產物的類型，如單一Al2O3、SiO2，若具有足夠的脫氧時間，鋼液中平衡的脫氧產物為硅鋁酸鹽3Al2O3·2SiO2。

圖4 409L鋼液Al-Si復合脫氧示意圖

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行鈣處理時，會加速耐材中的Mg溶解，進而Al的脫氧產物與Mg結合生成鎂鋁尖晶石，造成后面的鈣處理沒有明顯效果。然而鋁脫氧后先進行鈣處理再加入鈦，可得到熔點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 結論

（1）根據VOD設備狀況和生產情況，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；利用質譜儀對廢氣成分進行連續分析。

（2）Al-Si復合脫氧，不論其先后還原順序，只影響初始脫氧產物的類型，脫氧時間能夠滿足鋼液中的脫氧產物全部轉變為硅鋁酸鹽3Al2O3·2SiO2。

（3）鋁脫氧后先進行鈣處理再加入鈦，可得到熔點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量。