摘要:简要介绍了我国浦钢30t AOD、太钢40t AOD、宝钢不锈钢分公司120t AOD不锈钢精炼炉的经济技术指标及应用;叙述了AOD精炼技术-脱碳、脱硫、以N2代Ar和顶枪技术的发展;讨论了AOD精炼的供气形式的完善和炉衬寿命等技术问题。
关键词:不锈钢 AOD精炼 应用 发展
近30年来,不锈钢AOD精炼工艺以其独特的优点得到了迅速发展。据美国普莱克斯公司统计，2000年全球80%以上的不锈钢，美国98%的不锈钢和78%的工具钢是用AOD生产的。
1 不锈钢AOD精炼技术的应用和发展
1.1 AOD精炼技术的应用
1.1.1 浦钢特钢30t AOD
浦东钢铁公司特钢分厂30t AOD不锈钢精炼炉的主要原料为不锈钢返回料、碳钢重废料、镍板、高碳铬铁、中碳铬铁等，其消耗指标见表1。
表1 浦钢特钢30t AOD精炼奥氏体不锈钢的经济技术指标
|
钢种 |
气体消耗/(m3·t-1) |
渣料消耗/(kg·t-1) |
合金收得率/% |
兑钢至出钢时间/min |
|
Ar |
O2 |
N2 |
还原硅 |
石灰 |
Cr |
Ni |
Mn |
合金总计 |
|
304 |
10 |
56 |
11 |
9.5 |
55.0 |
99.0 |
99.5 |
92.0 |
99.0 |
50 |
|
304L/316L |
10 |
29 |
13 |
12.0 |
62.0 |
99.0 |
99.5 |
92.0 |
99.0 |
60 |
30t AOD智能精炼系统冶炼不锈钢工艺流程如图1。钢水从30t EAF出钢经称量后兑入AOD,操作人员将冶炼钢种的编号、温度、钢水重量、相应钢水成分的初始值和目标值输入智能系统，然后选择冶炼的阶段，系统将自动按不同冶炼阶段，选择不同比例的惰性气体和氧气的混合气体从风口和顶枪同时进行吹炼。操作人员可通过计算机提示加入合金及渣料，达到终点碳后，系统计算还原剂加入量，并进行还原冶炼。
图1 AOD智能精炼系统冶炼不锈钢工艺流程
在整个精炼过程中，随着碳含量的降低和钢水温度的升高，氧气与隋性气体的比率从6:1连续变化到1:3。在保证成品含氮量的前提下，可最大限度的以N2代替Ar。
1.1.2 太钢40t AOD
1999年太钢对18t AOD进行改造，先后建成40t AOD 3座，生产能力达到30～35万t/a。
通过提高供氧强度，提高碱度，降低氧化末期温度，控制冷却气体的流量，改善熔池内的物化反应，对传统的氧氢比由过去的2～3个台阶，增为4～6个，脱碳初期O2/A r(N2)由3:1改为6:1。双渣法操作改为单渣法操作，铬的回收率达到99%(表2)。
表2 太钢40t AOD精炼奥氏体不锈钢的经济技术指标
|
气体消耗/(m3·t-1) |
FeSi消耗/(kg·t-1) |
耐火材料消耗/(kg·t-1) |
合金收得率/% |
|
O2 |
Ar |
N2 |
Cr |
Ni |
|
40-45 |
20 |
30 |
20 |
50-60 |
97-99 |
96.5 |
太钢经过自身工艺的改进和优化，采用了新的工艺和技术，包括吹氩喂Ti线工艺;顶侧吹工艺;微机控制炼钢;铁水直接兑入AOD炼钢等。
1.1.3 上钢一厂(宝钢不锈钢分公司)120t AOD
上钢一厂AOD引进的是西马克德马格的技术，其主要原料为EAF含铬母液，在AOD中，进行脱碳保铬处理。当钢液碳含量达到出钢要求时，钢水移至VOD或LF装置进行精炼，直至达到成品要求。为强化AOD在高碳区的快速脱碳功能，AOD配备了顶部氧枪，并配有副枪进行测温，炉底设置了7个侧吹风口，并通过智能精炼系统，使AOD的冶炼操作更为方便和准确。AOD几2004年4月投入生产，其经济技术指标见表3。
表3 上钢一厂120t AOD精炼奥氏体不锈钢的经济技术指标
|
工艺 |
气体消耗/(m3·t-1) |
渣料消耗/(kg·t-1) |
耐火材料消耗/(kg·t-1) |
合金收得率/% |
时间/min |
|
Ar |
O2 |
N2 |
还原硅 |
石灰 |
Cr |
Ni |
Mn |
合金总计 |
吹氧 |
兑钢至出钢 |
|
两步法 |
12-15 |
60 |
11 |
12-15 |
75 |
8-12 |
97.0 |
99.0 |
92.0 |
93.0 |
61 |
82 |
|
三步法 |
4-15 |
55-65 |
20 |
12-15 |
60 |
8-12 |
98.0 |
99.0 |
92.0 |
93.5 |
40 |
65 |
1.2 AOD精炼技术的发展
1.2 1 脱碳工艺的改进
AOD脱碳按以下化学反应式进行:
(Cr2O3)+3[C]=2[Cr]+3｛CO｝↑
当钢水中含Cr 18%温度为1705℃时，与其平衡的碳含量因CO的分压不同而异;CO分压为0.01MPa时，[C]为0.05%; CO分压为0.10 MPa时，[C]为0.50%。因此，用惰性气体A r(N2)降低CO分压就可以达到降碳保铬的目的，而无须提高温度。
动力学研究认为，脱碳还与碳和Cr2O3的传递速度有关，特别是钢中碳含量高时，脱碳己不单由Cr2O3来完成，这时脱碳所需的氧主要由吹入的氧气供给。因此，AOD供气方式己经由最初的O2:Ar(N2)为3: 1,1:1, 1:2, 1:3,而发展为高碳区主气路供纯氧及多台阶供气方式。
新日铁光制铁所当[C]≥0.70%时，在60t AOD采用纯氧气吹炼，温度≥1580℃时，[Cr]20%,先氧化碳;当[C]≤0.70%时，采用O2:Ar(N2)连续变化方式脱碳;当[C]≤0.10%时，用纯氩吹炼，用钢中余氧及渣中的Cr2O3进一步脱碳。
新日铁光制铁所采用的这种方法，前期氧利用率与传统方法一致，但脱碳速度得到提高，氧枪没有出现熔损加大的问题，后期氧利用率CRE提高6%，结果使还原剂FeSi消耗降低了0.70kg/t。
1.2.2 脱硫工艺的发展
根据普莱克斯/内曼格公司的技术交流资料，按照传统AOD操作，脱碳终了加入FeSi进行Cr2O3的还原操作，然后扒去85%以上的渣子再加入CaO,CaF2及粉状FeSi或CaSi进行脱硫的精炼操作。这样对成本、精炼时间、操作条件都十分不利。通过采用A1+FeSi代替FeSi进行脱硫，在实际生产中取得了满意的效果，硫含量可控制在0.004%以下，还原精炼时间可缩短10min(表4)。
表4 AOD精炼加A1+FeSi与加FeSi的脱硫效果比较
|
脱硫剂 |
渣料消耗量/(kg·t-1) |
渣量/(kg·t-1) |
氧活度/10-6 |
碱度 |
Cs(1640℃)×1000 |
Ls(硫分配比) |
终点硫/% |
|
Si |
SiO2 |
Al2O3 |
MgO |
CaO |
CaF2 |
|
Al+FeSi |
8.7 |
22.1 |
7.7 |
6.0 |
69.6 |
10.0 |
115.4 |
5 |
0.774 |
23.57 |
254 |
0.0017 |
|
FeSi |
11.0 |
26.8 |
2.0 |
6.0 |
64.9 |
15.0 |
114.7 |
5 |
0.755 |
12.20 |
131 |
0.0031 |
1.2.3 以N2代Ar及供氧强度的提高
不锈钢精炼时用N2代Ar可以较大幅度地降低生产成本，其代Ar率达到20%～40%,对于产品[N]为(400～800)×10-6的钢，可以在脱碳1期,2期用N2代Ar产品[N]要求(1500～2500)×10-6的钢，可以在脱碳期全部用N2代Ar,产品[N]要求3000×10-6的钢，可以全程用N2代Ar经过不断研究，供氧强度己提高到1.0～1.5 m3/(min·t),有顶枪时应≥2.0m3/(m in·t)。供氧强度提高后，熔池温度的控制，可采用加入5%～10%的冷料，这样初炼炉(电弧炉)的冶炼时间及电耗也得到了改善。
1.2.4 顶枪技术的发展
日本大同特殊钢公司星崎工厂发现，只有碳生成CO再氧化成CO2时，其反应热最高，相对成本最低。于是发明了AOD顶枪工艺(AOD-CB法)，与传统工艺相比，升温速度由7℃/ min提高到17.5℃/min氧利用率CRE提高5%，脱碳速度由0.055%/min提高到0.087%/min电耗降低78kWh/t，还原剂FeSi减少25%，冶炼时间减少11min。
顶吹工艺有“硬吹”和“软吹”2种方式，“硬吹”就是通过顶枪吹入的氧100%同熔池反应;“软吹”就是通过顶枪吹入的氧，约60%同熔池反应，40%与CO进行二次燃烧成CO2。“硬吹”工艺比传统的AOD工艺可缩短脱碳时间44%。“软吹”可缩短31% , 而且由于它能产生附加热能并传递给熔池，还可以提高废钢加入量，降低FeSi消耗及电弧炉出钢温度。
2 AOD精炼工艺面临的问题
2.1 供气形式的完善
AOD是通过侧吹喷枪向钢水中吹入氩气等混合气体，降低产物CO的分压，从而实现脱碳保铬。当钢水中碳含量较高时，脱碳不能仅靠Cr2O3来完成，这时脱碳所需的氧主要由吹入的氧气供给;当钢中碳含量降到一定程度后，脱碳所需的氧量减少了，此时应减少氧气吹入量，避免剩余的氧氧化钢中的铬;同时需加大惰性气体的比例，以进一步降低CO分压，减少铬元素的氧化，促进脱碳反应的进行。通过建立数学模型，可以根据原材料的条件，计算出合适的供气量和气体比例为优化不锈钢AOD精炼的控制，提供了有用的信急和可靠的基础。
2.2 炉衬寿命的提高
AOD精炼炉的最大不足之处是炉衬寿命短。AOD炉衬的寿命是温度与精炼时间的函数。若氧化末期温度在1720℃左右，炉龄就与时间成反比。因此，国外在控制温度、炉渣碱度的同时尽力缩短精炼时间。南韩浦项公司采用AOD-CB法，将精炼周期缩短为60min平均炉龄由原来的50次提高到240次。
另外，AOD过程中出现的喷枪及其附近耐火材料的过量蚀损，在一定程度上与这种水平浸没式气体射流所出现的反冲有很大关系。现有的研究结果表明，提高喷吹压力，采用扁平型、微孔组合型或螺旋型等截面喷枪，减小套管式喷枪的环缝(副枪)宽度等，均可以在不同程度上降低反冲频率。通过实验结果表明，AOD工艺中多枪喷吹时，喷枪吹气量、喷枪间的夹角以及喷枪结构，都会影响熔池内流体流动和射流对炉衬的蚀损。
3 结语
随着AOD精炼不锈钢工艺的不断应用，以及对AOD精炼不锈钢工艺的数学模拟和物理模拟的深化研究和完善，能逐步解决氩耗高和炉衬寿命短等难题对于工业应用的潜力将是巨大的。
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