VOD精炼工艺的研究

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1986.01.017 北京钢铁学院学报 1986年3月 Journal of Beijing University No.1 第1期 of Iron and steel Technology March 1986 VOD精炼工艺的研究 马廷温李士琦韩华 (电治企教研室) 摘要 本文以工业试验和大藏生产数据为基础，对VOD法治旅不锈银的工艺进行了分析，着重讨论了VOD 过程钢水温度变化规律及工艺因紫对它的影响，并指出，供氧制度（包括枪高，氧气流量和氧气压力），真空 制度的合理配合是控制氧化期钢水温度的关键。还原期的温降受吹后的温度、还原处理时间及铁合金冷却 剂、造渣剂的加人量等因素的综合影响。通过建立随机模型进行了定量的描述。针对氧化期喷藏问题，给出 了合理的供氧强度范围。对VOD过程元素变化及去碳保铬反应做了热力学分析讨论。 关键词：不锈钢、VOD精栋、钢被温度、喷溺、脱碳。 A Study of the VOD Refining Process Ma Tingwen Li Shiqi Han Hua Abstract Based upon the industrial test and production data,the VOD process formaking stainless steel is discussed in this paper.Temperature varition during VOD treatment was analysed.The result shows that the technical parameters influence the temperature greatly.It is important to control the temperature of oxidation period,which it depend on adjusting oxygen supply system (including lance height,oxygen supply rate and oxygen pressure) and vacuum system reasonably.The temperature dropping during reducing treatment was influe nced by the temperature after oxygen blowing,amount of additions,such as ferroalloy coolants and reduction mix,and redu- cing treatment time.A suitable range of oxygen supply rate was given to avoid splashing of steel.And also,analysing the element variation and dec- arburization reaction on the basis of thermodynamics. Key words:stainless steel,VOD refining,temperature of steel,splashing, decarburization. 1985一10-11收到 ·13

年 月 第 期 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 精炼工艺的研究 马廷温 李士 琦 韩 华 电冶金教 研 室 摘 要 木 文 以 工业 试验 和人量 生 产数据 为基础 ， 对 法冶炼 不锈钡的 工 艺进行 了 分析 ， 着重 讨论了 过程钢水温度变化规律及 工艺 因素对它的 影响 ， 并指 出 ， 供氧制度 包括 枪 高 ， 氧气流量 和氧气压 力 ， 真空 制度的 合理配合是控制 氧化期钢水温度的 关键 。 还原期的 温降受吹 后的 温度 、 还 原 处理时间及 铁 合 金 冷 却 剂 、 造 渣 剂的 加人 量 等因素的 综合影响 。 通 过 建立 随机模 型进 行 了定量的 描述 。 针对氧化期喷 溅问 题 ， 给 出 了 合理的 供氧强 度范围 。 对 过 程元 素变化 及 去碳保铬反 应做 了 热力学 分析讨论 。 关键 词 不锈 钢 、 精炼 、 钢液温度 、 喷 溅 、 脱 碳 。 ” 夕切 “ ， 了 、 ， ， 了 了 一 ， ， ， 一 ， 。 一 ， ， ， ， 一 一 收到 “ DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．01．017

引 言 近些年，国内各特殊钢厂相继安装了VOD精炼设备，并且大分已投入工业生产。这 样，保证工艺的稳定，设备的顺行成了当前重要的课题。 国内外许多冶金学者已对高铬钢水脱碳反应进行了研究1~5)，但是，研究工作一般在真 空感应炉上进行，其结果较难直接用来指导实际生产。因此，有必要探索在大型VOD设备 中的冶炼工艺，以便合理地控制VOD治炼过程。 钢水温度控制是VOD精炼操作的重要环节，这方面的研究工作报道不多。吹氧过程喷 溅也是VOD生产中经常发生的问题。为此本研究对VOD过程钢水温度变化，喷溅的原因及 影响因素和熔池化学成分变化等做了工业试验，并进行理论分析。 1实验设备及研究方法 工业试验及现场数据的采集在抚顺钢厂由西德引进的30吨VOD设备上进行。该设备具 有六级蒸汽喷射泵，专用十二吨三通道快速锅炉，在蒸汽喷射泵的末端废气放散管上装有微 分分析仪，根据电势值的变化，可决定吹氧终点，真空加料采用微处理机控制，冶炼钢种为 18一8型不锈钢。 数据处理采用本院M一150型计算机。实验包括工业实验的单因素分析及现场数据的多 因素综合分析。 2 实验结果及讨论 2.1吹炼中熔池温度的变化 对现场采集的数据做多元回归分析，得到氧化期温度模型如下式： t2=13866-1935.7〔%P)-4.22A1+0.59(t,-1500)·P,×102+0.214P2 -0.478×10-2。H·V。+678.2W。+1.372A+14.22ΨAr/G〔℃) (1) 吹氧过程钢水温度升高是钢中各元素氧化放热的结果。假设元素氧化放出的热量全部 为钢水所吸收，可得到表1的数据。根据实际生产中各元素的烧损情况，可大致求出吹氧过 程的理论温升应为300℃以上。但是，从统计分析生产数据来看，实际钢水温升均值在70℃ 左右，仅为理论值的1/4。因此，钢水的温升主要取决于热量的传递和分配，而不在于热量 的产生。换言之，在VOD过程吹氧阶段所放出的化学热远远超过钢水所吸收的热，故不需 从热力学角度来讨论钢水升温的影响因素。从氧化期温度模型也可看出，吹氧后温度与开吹成 份无明显关系，而与影响元素氧化速度及氧化顺序的因素一开吹温度，氧气压力，氧枪高度， 供氧强度，吹氧时压力，供氩强度等因素有显著关系。图1是对t,模型进行生产验证得到的 结果。 ·14·

趁 吉‘ 二翻 近 些 年 ， 国 内各特殊 钢厂 相 继安装 了 精炼设 备 ， 并且大部分 已投入工 业 生产 。 这 样 ， 保证工 艺的稳定 ， 设备的顺行成 了当前重要 的课题 。 国内外许多冶金 学者 已对高铬钢水脱碳反 应进 行 了研究〔 一 〕 ， 但是 ， 研究工作一般在真 空 感 应炉上进 行 ， 其结果较难直 接用来指导实际生产 。 因此 ， 有 必要探索在 大 型 设备 中的冶炼工艺 ， 以便合理地控制 冶炼过程 。 钢水温度 控制是 精炼操 作 的重要环节 ， 这 方面 的研究工作 报道不多 。 吹氧过 程 喷 溅也是 生产 中经常发 生 的 间题 。 为此本研究对 过程 钢水温度变化 ， 喷溅的原 因 及 影 响因素和 熔池化 学成 分变化等做 了工 业试验 ， 并进 行理论分析 。 实验设备及研究方法 工业试验及 现场数据 的采集在抚顺 钢厂 由西德引进 的 吨 设备上进 行 。 该 设 备具 有六 级蒸汽 喷射泵 ， 专用 十二 吨 三通 道快速锅炉 ， 在蒸汽喷射泵 的末 端废气放散管上装有微 分分析仪 ， 根据 电势值的变化 ， 可 决定吹氧终点 ， 真空加料采用 微处理机 控制 ， 冶炼钢种为 一 型不锈钢 。 数据处理采用 本院 一 型计算机 。 实验包括工业实验 的单因素分析及现场数据 的 多 因素综合分析 。 实验结果及讨论 吹炼中熔池 温度的变化 对 现场采 集的数据做多元 回归 分析 ， 得到氧化期温度模型如下式 二 一 〔 〕 、 一 三 ‘ 一 · ， 一 苦 一 一 “ · · 。 班 。 月 犷， 〔 ℃ 〕 吹氧过程钢水温度升高是钢 中各元素氧化 放热的结果 。 假设元 素 氧化放 出的热 量 全 部 为钢水所 吸收 ， 可得到表 的数据 。 根据 实际生产 中各元素 的烧 损情况 ， 可大致求出吹氧过 程 的理论温升应为 ℃ 以上 。 但是 ， 从 统计分析 生产 数据来看 ， 实 际钢水 温升均值 在 ℃ 左右 ， 仅 为 理论值 的 。 因此 ， 钢水 的温升主 要取决 于热量 的传递和分配 ， 而不在于 热 量 的产生 。 换言之 ， 在 过程吹氧阶段所 放 出 的化 学热 远远超过钢水所 吸 收 的热 ， 故不 需 从热 力学角度来讨论 钢水升温 的影 响因素 。 从氧化期温度模型 也可 看 出 ， 吹氧后 温度与开吹成 份 无明显关系 ， 而 与影 响元素氧化速度及氧化顺序的因素一开吹温度 ， 氧气压 力 ， 氧 枪高度 ， 供氧强 度 ， 吹氧时压 力 ， 供氢强 度等 因素有显著关系 。 图 是 对 模型进 行生产验证得到 的 结果

表1各元素烧损的热力学计算结果 Table 1 Thermodynamical results of oxidizing of elements Temperature risi- Elements Coeffcients of temperature(C/%]) Amounts of oxidizing(%)ng in terms of theory(C) C 120 0.53 63.6 Si 347 0.15 52.1 Mn 82 0.50 41.0 Fe 50 1.00 50.0 Al 368 Cr 115 1.00 115.0 Total 321.7 1750m Test heats:30 、1730 1013 1710 ±15℃ 1670t 1650外 16306301601670169017101730170 tz:Value of test,℃ 图1氧化期温度模型验证钻果 Fig.1 Results of the temperature model of oxidizing period 对氧化期进行热平衡分析可得下式： G·C。=9e+9x-9Ar-91-9R (2) 一般来说，耐火材料及氩气的吸热速度可以看为定值。因此，不难理解氧化期钢水的温升主 要受元素的氧化速度及顺序的影响。 在式(1)中，供氧制度对吹后温度的影响较为显著。当〔%P〕i=0.030%、A,=4min、 t,=1560℃、p,50mb、A=50min、VA,=80N1/min时，氧气压力Po2,氧枪高度H,供氧 强度W。对tz的影响如图2所示。其中，供氧强度的影响最为明显。当W。由0.3提高到0.5 〔Nm3/min-t)(相应于26t钢水供氧速度为8Nm3/min~13Nm3/min)时，吹后温度提 高近100℃，枪高不变提高氧气压力，或氧压不变降低枪位都会使吹后温度提高。 ·15·

表， 各完索烧担的热力学计算结果 。 〔 〕 一 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 尸， 多 乃 。 了 少 尹 几 上 多 “ 一‘ 山 曰‘ ， 可 二 飞 ， 户 不义 衬响相。日。田。” ， ， 图 氧 化期温度模型验证结 果 对氧化期进行热平衡分析可得下式 与 。 ， ，万二 。 二 一 ， 一 考 一 尺 ‘ 一般来说 ， 耐火材料及氢 气的吸热 速度可 以看为 定值 。 因此 ， 不难理解氧化期钢水 的温升主 要受元 素 的氧化 速度及顺序的影 响 。 在式 中 ， 供氧制度对吹后 温度的影 响较为显著 。 当 〔 〕 、 ， 二 、 二 ℃ 、 刀 ， 二 、 且 、 犷， ， 二 时 ， 氧气压 力 ， 氧枪高度 ， 供氧 强度研 。 对 的影响如 图 所 示 。 其中 ， 供氧强 度的影 响 最 为 明显 。 当不 。 由 提高到 〔 “ 一 〕 相应 干 钢水供氧速度为 “ 一 “ 时 ， 吹后 温度提 高近 ℃ ， 枪高不变提高氧气压 力 ， 或氧压 不 变降低枪 位都会使吹后 温度提高

1710 B=13bar 1700 1720 1690 O t1610℃ 1700 H=1100mm B=9 1680 t1=1580C 1680 t1=1550C H=1200mm 1700 1660 1660 1640 650 1620 164 1600 30 4050607080 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 W。,Nm°/min.t B8,mb 图2供氧制度对氧化期温度的影响 图3开欧温度真空度对t,的影响 Fig.2 Relation between t:and oxygen supply system Fig.3 Influence of t and vacuum on ta) 在P=0.030%、A1=4min、Po2=11.0bar、H=1200mm、V=10.0Nm/min、 G=26.t0、VA,=80N1/min、A=50min条件下，绘出t1,p1对吹氧温升影响的关系曲 线，如图3所示。在相同的真空度下吹氧，开吹温度越高，吹氧后的温度就越高，而在相同 的开吹温度条件下，炉内残压越高，吹氧后的温度也越高。这可以从温度，压力等因素对元 素选择氧化及对反应速度的影响加以解释。 (3)式是吹氧过程温升随机模型的另一种形式： t2=1768.8+72.61〔%Si):-3590.0 〔%P〕i+4.896A2-4.11A,+0.435×10-2(t1-1500)P,〔℃) (3) A2称为“过吹时间”。从式(3)可知，过吹2min与不过吹比较，t2增加近10℃。氧浓差电 势下降意味着脱碳已到临界值，继续吹氧会引起Cr、Fε等金属元素的过量氧化，因此，应 尽量避免过吹。 VOD还原期主要任务是，造渣脱硫，还原渣中铬，微合金化和除气去夹杂。因此，还 原期操作的关键在于保证有一定时间完成上述任务的条件下，决定合适的操作终点以达到出 钢成份和温度的规格。通过分析得到VOD还原期热平衡关系为： GC,2=-9w-9s-9a-94-90 (4) 因此，影响还原期温降的主要因素是，造渣剂、铁合金、冷却剂的加入量，钢液向环境的散热 速度和氩气流量。 以下两式是经多元逐步回归分析得到的还元期温度数学模型： ta=595.0+0.662t2-2.960·Gcao/G-1.466GFer:/G-0.341G1/G-1.187A' [℃〕 (5) ·16·

， 二 ’ 、 。公 八 泌 〔产 义例梦 卜 】 会 二 ， 沪 聆 交火 了 卜 ’ “ ’ 护 夕刀了 夕 一 、 、 二尹尸 。 ， 多 ’ ， 红 乡 。 乃 、 、 ， 罗 内以门︺气八气」﹄广门 的“刀 ‘改几 钾 。 ， 如 。 一 图 供 氧 制度 对 氧化期 温 度 的 影响 图 开吹 温 度真空 度对 的影响 一 在 、 ， 、 、 、 犷 “ 、 二 、 厂 ， ， 、 左 条件下 ， 绘 出 ，， 王对 吹氧 温升影 响 的 关 系 曲 线 ， 如 图 所 示 。 在 相同的真空度 下吹氧 ， 开 吹温度越高 ， 吹氧后 的温度就越高 ， 而在相同 的 开 吹温度条件下 ， 炉 内残压 越高 ， 吹 氧后 的温度 也越高 。 这 可 以从 温 度 ， 压 力等因素对元 素选 择氧 化及 对反 应速度 的影 响加 以解释 。 式是 吹氧过程温升随机模型 的另一种形式 〔 〕 一 〔 〕 月 一 一 ， 一 卫 〔 〕 称 为 “ 过吹时 间” 。 从式 可 知 ， 过吹 与不 过吹 比较 ， 考 增加近 ℃ 。 氧浓 差 电 势 下 降意味着脱 碳 已到 临界值 ， 继续吹 氧会 引起 、 等金 属元 素的过量氧化 ， 因此 ， 应 尽 量避 免过吹 。 还 原 期主要任务是 ， 造渣脱硫 ， 还 原渣 中铬 ， 微 合金 化和 除气去 夹 杂 。 因 此 ， 还 原 期操 作 的关键在 于保证有一定 时 间完成 上述任务 的条件下 ， 决定合适 的操 作终点 以达到 出 钢 成 份和 温度 的规格 。 通 过分析得到 还 原 期热 平衡关系 为 场 饰 、 石万 一 一 伽 一 一 咖 一 礼 一 咖 因此 ， 影 响还 原 期温 降的主 要因素是 ， 造渣 剂 、 铁合金 、 冷却剂的加入量 ， 钢 液 向环 境的散热 速度 和氢 气流量 。 以下两式是经 多元逐步 回归分析得到 的还元期温度 数学模型 一 · 。 一 。 ‘ 一 ， 一 ， 〔 ℃ 〕

t降=t2-t3=-595.0+0.338t2+2.960Gcao/G +1.466Grer:/G+0.341G,/G+1.187A[℃] (6) 图4是利用现场数据进行验证得到的结果。由图可见，温度模型与热平衡关系式吻合较 好。t,受t2,造渣剂，铁合金冷却剂加入量及还原期时间的影响。抚顺钢厂VOD钢液量为25 吨，供氩量不大，一般在60~100N1/min范围内变化，因此，对t3影响不明显。 1680% Test heat6:31 1660 P 1640 /936/ 1620 ±10°C 1600 1580叶 156029 15601580160016201640166016801 钅，：Value of estimation,℃ 图4还原期温度摸型验证结果 Fig.4 Results of the temperature model of reducing period 对式(6)求导，可得V0D炉散热率为1.187℃/min。从式(5)还可得，在一定的出 钢温度要求下，吹后温度越高，还原期治炼时间越长，相反，吹后温度过低会造成还原期过 短，影响脱硫，除气，去夹杂等的操作。图5示出了吹后温度对还原期操作时间的影响。吹 后温度在1650~1700℃时还原期时间 约为20~60min。如果f2过高，可以 t3=1570℃ One ingot of 加冷锭降温。这样，既减轻了耐火材 G=26.37t coolant:680kg 料的热负荷，又缩短了还原精炼时 80 CAO=500kg 间。 FETI=418kg 60 2.2氧化期钢液喷澱问题 VOD生产过程中，在吹氧脱碳 40 No coolant 期间有时发生了不同程度的钢水喷 8 One ingot 溅，危害着生产的顺利进行。 20 Two ingot VOD过程中，钢水的溅出可分 思 成两种类型：一种是氧气流股对钢水 1600162516501675170017251750 的机械冲击所造成的，这种现象称之 Temp.after oxygen blowing,C 为飞溅，另一种是脱碳速度过大，产 生大量的CO气体从钢水中上浮逸出， 图5t2对还原期时间影响 造成钢水的溅出，称之为喷溅。实际 Fig.5 Influence of t:on reducing time ·17·

降 “ 一 。 二 一 。 ， ， 〔 〕 图 是 利用 现场数据进 行验证得到 的结果 。 由图可见 ， 温度 模型 与热平衡关系式吻 合较 好 。 受 ， 造渣 剂 ， 铁合金冷却剂加入量及 还 原 期时间的影 响 。 抚顺钢 厂 钢 液量 为 吨 ， 供氢量不大 ， 一般在 范围内变化 ， 因此 ， 对 影 响不 明显 。 飞 一 ’ 一 ’ ’ 『 ’ ‘ ’ 气 ‘ 乡 弓 色不 碑 尸 曰 卜 卢 厂丫 士 红 护户 抽材衬。 ‘ 户 尹 今呼 洲， 匕尸 及 。”的 艺石月 多 习石 、 飞 。 。 。 。 、 、 ， ℃ 图 还原期 温度模型验证结果 魂 ， 对式 求导 ， 可得 炉散热 率为 ℃ 。 从 式 还 可 得 ， 在 一 定 的 出 钢 温度要 求下 ， 吹后 温度越高 ， 还 原期冶炼时 间越 长， 相反 ， 吹后 温度 过低会 造成 还 原期过 短 ， 影 响脱硫 ， 除 气 ， 去夹杂等的操作 。 图 示 出了吹后温度对 还 原 期操 作时 间 的 影 响 。 吹 后温度在 ℃ 时还 原 期时间 约为 。 如果 过高 ， 可 以 加冷锭降温 。 这 样 ， 既 减轻 了耐 火材 料 的热 负荷 ， 又 缩短 了还 原 精 炼 时 间 。 妞化期 钢液喷溅 问题 生产 过程 中 ， 在 吹氧脱 碳 期间有时 发生 了不 同程度 的 钢 水 喷 溅 ， 危 害着生产 的顺利进行 。 过 程 中 ， 钢水 的 溅出可 分 成两 种类型 一种是 氧气流 股对钢水 的机械 冲击所造成 的 ， 这 种现 象称之 为 飞溅， 另一 种是脱碳速度 过大 ， 产 生 大量 的 气体从钢水 中上浮 逸 出 ， 造成钢水的溅出， 称之 为喷溅 。 实际 乃产 衬口日‘ 闰切口。 如 气访燕万摘万亩了前有洒 ￡ 吕 ， 图 对 还 原 期 时 间 影响 土