摘要:简要介绍了AOD设备结构特点以及冶炼不锈钢工艺操作、工艺设计要求。

关键词: AOD氩氧脱碳 AOD炉 不锈钢冶炼 工艺特点

1 前言

　 进入21世纪以来，世界不锈钢产量以6％的速度增长，截止2004年，世界不锈钢产量已达到2400万吨，预测到2010年世界不锈钢产量将要达到3000万吨，其中亚洲将占主要份额。中国2004年不锈钢表观消费量达到447万吨，连续四年保持世界第一；不锈钢产量跃居到世界第三位。

　 近年来国内投资建设了太钢、上钢一厂、酒钢等多个大型不锈钢厂。不锈钢冶炼工艺主要分为二步法和三步法，AOD在不锈钢的生产领域中充当着非常重要的角色。

2 AOD工艺特点

2.1 工艺原理

　 AOD是氩氧脱碳法(Argon Oxygen Decarburization)的简称。这是1968年由美国碳化物公司开发的，它采用常压操作，炉体一侧设多个风口，通过风口可向炉内输送氧气、氩气和氮气，在操作中可根据不同的操作阶段，通过调节供给的气体种类和气量降低CO的分压以实现降碳保铬目的的重要精炼方法。该法具有原料适应性强、操作简便、投资费用低等优点。

　 AOD吹氧脱碳的原理是：吹入炉内的氧气进入钢液后、与钢液中的碳和铬反应，即：

　 钢液中的碳和氧反应生成气态的一氧化碳

　 [C]+{O}=(CO)↑

　 钢液中的铬与氧反应生成氧化铬进入渣层

　 2[Cr]+3{O}=(Cr₂O₃)

　 另外，钢液中的碳与渣中的氧化铬反应，将渣中的 Cr₂O₃还原为铬，重新回到钢液中。

　 3[C]+(Cr₂O₃)=2[Cr]+3(CO)↑

　 反应平衡常数：

　 K(T)＝(a_Cr²·2P_CO³)/(a_C³·a_Cr2O3)

　 式中，a_cr为钢液中铬的活度；a_c为钢液中碳的活度；Pco为CO的分压；a_cr2O3为渣中Cr₂O₃ 的活度。

　 由上式可见，碳－铬平衡是温度和一氧化碳分压的函数。根据铁碳相图上碳和铬氧化反应吉布斯能曲线的相对位置关系，要达到降碳保铬，就得使碳优先于铬氧化，构成选择性的氧化关系。通过向钢液中连续不断地吹入N₂和Ar来降低CO分压，从而使上述反应向着生成CO的方向进行，将渣中的Cr₂O₃还原为铬溶入钢液中，从而达到降碳保铬的目的。

　 正因为AOD具有该功能，使得不锈钢生产采用高碳和高硅含量原材料成为可能，从而改善了整个不锈钢生产线的物料消耗，降低了冶炼成本费用。

2.2 典型的AOD工艺操作过程

　 AOD接收来至电炉的不锈钢预熔体，根据不锈钢采用二步法或三步法生产工艺路线、将处理后的不锈钢钢水送LF进行最终成份温度的均匀、调整或送VOD进行终脱碳。

　 对于二步法工艺，终脱碳通过顶底复合吹氧在AOD内完成。首先氧气通过顶枪和底部侧吹风口吹入炉内，脱硅、脱碳并通过CO的二次燃烧迅速将钢液温度提升到约1700℃，随后根据目标钢液成分和渣成份确定需要加入的冷却剂的种类和数量，以控制过程温度。在脱碳过程中，O₂和惰性气体(N₂/Ar)的比例根据钢液的实际含碳量和温度不断调整，以降低CO分压确保在脱碳过程中避免铬的氧化。

　 脱碳之后，进入还原阶段，用FeSi还原钢中铬、锰和铁；加入石灰、CaF₂造渣脱硫。在还原过程中进行出钢成份和温度的调整。

　 还原后可直接出钢。对于一些特殊钢种还原后取样，在等待分析结果过程中可通过倾炉扒部分渣，剩余的渣随钢液直接出至钢水罐中。如果需要，在LF炉进行最终成份和温度的调整，之后将合格钢水送连铸机回转台。

　 对于超低碳、氮钢种，AOD作为中间处理环节将碳脱到一定程度送VOD进行最终处理。

2.3 AOD工艺操作特点

　 为了达到不锈钢精炼的各项冶金目标，AOD在工艺操作、设备配置及工艺设计各方面均具体其特殊性，详见表1。

表1 　AOD工艺操作及工艺设计特点

3 AOD主要设备及工艺设计特点

　 AOD主要工艺设备包括：炉体设备、供配气系统、铁合金及副原料加料系统、烟气净化系统四部分组成。不锈钢冶炼的特殊性，决定了AOD设备和工艺设计方面的特殊性，现将其与大家熟知的碳钢转炉相比的特殊部分分述如下。

3.1 炉体设备设计特点

　 AOD炉体设备主要由炉壳、悬挂机构、托圈、倾动装置组成。

3.1.1 炉壳结构特点

　 1)炉容比小

　 炉容比与同容量的碳钢转炉相比较小，仅为0.58m³/t～0.65m³/t，而碳钢转炉的炉容比≥0.9m³/t。

　 2)无出钢口

　 AOD没有出钢口，直接从炉口钢渣混冲出钢，有利于脱硫和合金的还原，对脱硫特别有利。

　 3)侧吹风口

　 炉壳下部一侧安装有侧吹风口，风口采用双层套管型式，内管通氧气或氧气与氮气、氩气的混合气体，外层套管通入冷却气体氮气或氩气。

　 4)连续测温

　 钢液温度控制是AOD 高合金收得率的一项重要保证，因此AOD设有连续测温装置。

　 5)耐火材料

　 炉衬耐火材料分为永久层、工作层，综合考虑炉衬寿命、经济性等各方面因素，大多采用白云石砖。在风口区域采用富镁的白云石砖，两步法操作的AOD炉壁工作层用低碳白云石砖砌衬。

　 6)活炉座

　 由于AOD炉衬寿命比较短，采用活炉座型式，因此在炉壳上带有吊耳，以便吊运和更换。

3.1.2 AOD炉衬维护

　 AOD与碳钢转炉不同，强烈的搅拌加速耐材的浸蚀，炉衬寿命低，视实际操作情况约100炉～200炉不等，因此需要多个炉壳更换。其炉衬寿命的高低和炉壳更换时间直接影响着不锈钢生产线的生产节奏，因此AOD炉衬的维护对于不锈钢的生产而言是很重要的一项工作。

　 AOD炉衬的维护包括在线烘烤和离线修砌干燥烘烤。在线烘烤用于生产间隙炉衬保温、防止炉衬激冷激热、提高炉衬寿命。离线修砌区设置拆炉站和修砌干燥烘烤区，用于一个炉役结束后，离线拆炉、砌炉、烘炉壳，主要有以下环节：

　 ·拆除风口，由起重机将炉壳吊运至维修区进行修砌；

　 ·冷却、拆除炉帽；

　 ·将下部炉壳吊运至拆炉站，拆除废砖；

　 ·修砌、安装炉帽；

　 ·干燥、预热，准备待用；

　 ·由起重机吊运至工作位，然后连接风口各管线等。

　 一个炉壳的修砌周期约4～5天，因此，每座AOD一般设置3个炉壳，用于周转。

　 为了适应更换炉壳的需要，在设计中需要考虑设置专门的风口更换平台，炉前操作平台设置活动平台。

3.1.3 托圈及悬挂机构

　 由于AOD采用活炉座，因此比较成熟的托圈结构型式主要有“U”形托圈或“O”形托圈开出式两种，详见表2。

表2 “U”型托圈和“O”型托圈比较表

3.1.4 倾动装置

　 倾动装置与碳钢转炉的基本相同。

3.2 供配气系统

　 以前氩气消耗高是AOD的一个突出弱点，近年来由于顶抢的引入和底吹供配气系统和制度的不断完善，使其氩气消耗明显降低，进一步奠定了AOD在不锈钢生产领域的主导地位。

　 AOD供配气系统：在氧气、氩气、氮气总管上均设置有快速切断阀、流量调节阀和止回阀，根据钢种含氮量要求和精炼过程中钢液温度和钢中含碳量情况，控制顶枪供氧量及供氧时间，同时控制风口供氧量及供氧时间、氮气氩气的比例，从而节省昂贵的氩气、准确控制熔池温度、降低CO分压避免铬的氧化。

　 每个风口支路上均设有流量控制和调节以及压力检测，以便掌控每个风口的供气量和风口是否堵塞等情况。

　 不锈钢合金含量高、为了尽量减少合金的氧化，AOD的供氧强度较低，一般不超过2Nm³/t.min，正因如此，AOD氧枪寿命相对于碳钢转炉要高、且一个炉次内顶枪非作业时间长达半个小时左右，可以在线换枪，因此AOD只在处理位设1支氧枪，氧枪只升降、不横移。

3.3 加料系统的设置

　 为了准确控制合金含量和造渣，AOD需设置一套加料系统，根据冶炼钢种一般设置16～22个高位料仓。主要贮存造渣料石灰、白云石、CaF₂，冷却废钢、铁合金FeSi、FeCr-HC、Ni、FeNi、FeMn-HC，FeMn-LC、FeMo等。

　 为了准确配料，每个料仓下部均应安装电磁式振动给料机，通过皮带机将物料送至炉旁料斗；系统配置了卸错料系统。

3.4 烟气净化系统的配置

　 烟气净化系统包括汽化冷却系统和除尘系统。

3.4.1 汽化冷却系统

　 AOD在吹炼过程中产生大量的高温烟气，但由于不锈钢冶炼的特殊性，其入炉预熔体含碳量较低、一般为1.7％～2.0％，产生的煤气量少，回收价值不高，因而一般均是采用燃烧法，即烟气中所含的CO要求在汽化冷却烟道内完全燃烧，对煤气不进行回收。所以，AOD 汽化冷却装置的主要作用是降低烟气温度，回收高温烟气中的余热，为AOD烟气除尘创造条件。

3.4.2 除尘系统

　 AOD一次除尘系统多采用燃烧法、干式布袋除尘，避免了湿法除尘水中带有Cr^6＋，污染环境。为了有效地控制AOD作业过程中产生的大量烟尘，设一次除尘、门形罩、屋顶罩、加料系统除尘相结合的排烟方式实现AOD冶炼全过程的烟尘控制。

　 一次除尘捕集AOD冶炼过程中从炉内排出的烟尘；门形罩捕集加料、冶炼和出钢过程中从AOD炉口外逸的二次烟尘；屋顶罩捕集在兑铁初期和结束时瞬间产生的大量烟气。

　 AOD内排烟的高温含尘烟气经强力风冷器降温后，与门型罩、屋顶罩和加料除尘系统排出的烟气混合、并经混风冷却至120℃以下进入布袋除尘器过滤、收尘，通过风机、消声器、烟囱排入大气。净化后的气体排放浓度≤35mg/m³。

3.5 起重机的配置

　 加料起重机能力需要考虑吊运炉壳，比通常起重机能力要大一些。

4 结束语