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電爐和精煉爐VOD雙聯(lián)法冶煉0Cr18Ni9

2013-11-20 09:56:54李衛(wèi)東王紀(jì)元陳培紅許益華
鑄造設(shè)備與工藝 2013年5期
關(guān)鍵詞:碳氧氧槍鋼液

靳 鵬,李衛(wèi)東,王紀(jì)元,陳培紅,許益華

(太原重工冶鑄分公司,山西太原 030024)

20世紀(jì)80年代以來,世界鋼總產(chǎn)量增長(zhǎng)緩慢,而不銹鋼的生產(chǎn)一直快速持續(xù)增加。近幾年我國(guó)不銹鋼生產(chǎn)的發(fā)展緩慢,我國(guó)不銹鋼生產(chǎn)在企業(yè)規(guī)模、專業(yè)化生產(chǎn)、產(chǎn)量、質(zhì)量、品種和工藝技術(shù)等各方面與發(fā)達(dá)國(guó)家都有很大的差距,不能滿足我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高的需要。為了優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu),公司開發(fā)了不銹鋼鑄件。

VOD法是真空脫碳生產(chǎn)不銹鋼。它是1965年由德國(guó)維騰公司開發(fā)出的技術(shù),設(shè)備示意圖與V D設(shè)備構(gòu)成基本相同,主要的區(qū)別在于VOD法增加了氧槍及其升降系統(tǒng)、供氧系統(tǒng),如圖1所示。VOD法是在真空內(nèi)由爐頂向鋼液吹氧,同時(shí)由鋼包底部吹氬攪拌鋼水,當(dāng)精煉達(dá)到脫碳要求時(shí),停止吹氧,然后提高真空度進(jìn)行脫氧。主要用于生產(chǎn)不銹鋼或超低碳合金鋼。

1 技術(shù)要求

化學(xué)成分如表1所示。

2 冶煉難點(diǎn)分析[1]

不銹鋼的化學(xué)成分特點(diǎn)和高表面質(zhì)量要求決定了其冶煉的特殊性:

圖1 VOD設(shè)備示意圖

表10 Cr18Ni9熔煉化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

1)冶煉化學(xué)成分嚴(yán)格,碳含量要求≤0.08%;

2)脫碳保鉻:鉻比鐵易于氧化;鉻的氧化物熔點(diǎn)高,渣子黏稠;鉻含量很高(17%~20%);碳含量極低(0.01%~0.08%).

3)不銹鋼脫磷問題。到目前為止,不銹鋼的脫磷問題一直是不銹鋼冶煉方面的難題。

3 主要工藝流程

根據(jù)我廠的設(shè)備狀況及冶煉澆注難點(diǎn)分析,其冶煉澆注工藝流程為:

配料(優(yōu)質(zhì)生鐵及優(yōu)質(zhì)廢鋼)→15 t出鋼槽式電爐初煉出鋼(調(diào)整 Cr、Ni、C、Mn)→25 t LF(微調(diào)合金)→調(diào)整溫度→扒渣→25t VOD→破真空→精煉微調(diào)→吊包澆注鑄件。

4 冶煉過程控制

4.1 初煉爐操作要點(diǎn)

生產(chǎn)低碳不銹鋼的關(guān)鍵在于VOD冶煉,因?yàn)椴讳P鋼合金含量高,精煉過程中不宜進(jìn)行合金化,初煉爐出鋼成分就顯得尤為重要。冶煉前爐體必須保持良好,并無殘余鋼水。采用氧化法冶煉,配入鋼輪和車軸切頭精料。

熔化初期要求吹碳一般不低于0.30%,因停吹氧過低,鋼中鉻燒損嚴(yán)重;但也不能太高,因?yàn)樘己刻?,鋼液在真空吹氧時(shí)反應(yīng)激烈,并引起飛濺嚴(yán)重,且又降低金屬的收得率,所用在電爐內(nèi)的停吹碳一般均控制在0.30%~0.50%之間。電爐用石灰和螢石造渣做到低溫去磷,氧化期鋼液均勻沸騰,以達(dá)到去氣去夾雜的目的,扒除氧化渣。隨后根據(jù)計(jì)算量加入鎳板,然后再用用石灰和螢石造渣,渣子化好后,方可加鉻鐵,邊還原邊合金化。

4.2 LF爐控制要點(diǎn)

L F的主要任務(wù)是微調(diào)成分及調(diào)整溫度。包襯采用鎂鉻磚,鋼包必須清潔并且烘烤良好。

L F爐進(jìn)行合金微調(diào),溫度達(dá)到1625℃~1635℃,合金成分符合要求,即可吊包扒渣。扒渣要求:包內(nèi)氬氣壓力≤0.2 MPa,扒渣后,鋼液裸露面積要在2/3以上。扒渣后溫度≥1580℃;確保氬氣壓力使鋼水沸騰面直徑達(dá)0.5 m~0.7 m;蓋好防濺蓋,進(jìn)VOD處理。

4.3 VOD控制要點(diǎn)

4.3.1 真空下吹氧脫碳的工藝參數(shù)

為了達(dá)到最佳吹氧脫碳效果,需要根據(jù)鋼液重量,成份和溫度合理控制以下吹氧物理量:a)吹氧流量;b)吹氧壓力;c)氧槍高度;d)吹氧真空度;e)底吹氬流量。要想實(shí)現(xiàn)吹氧脫碳目標(biāo),合理調(diào)節(jié)吹氧過程物理因數(shù)的關(guān)鍵是需要直接知道處理過程中鋼液碳含量的變化情況。VOD爐氧槍為拉瓦爾式氧槍,確定供氧參數(shù)時(shí),應(yīng)綜合考慮下列的要求:設(shè)備安全;鋼液噴濺少;脫碳速度大;氧氣利用率高。

氧槍高度:鋼包應(yīng)當(dāng)給鋼水留出足夠的空間,一般為1 m~1.2 m;氧槍距鋼水液面高度為1250mm;為了防止在吹氧過程中鋼水噴濺損失大,要求空包高度≥900 mm.

吹氧真空度:VOD吹煉開始階段,C含量較高,另外吹煉過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CO十分劇烈,過高真空度也無法得到保證。參照其他各廠的經(jīng)驗(yàn),VOD開始吹煉的真空度要求為12.3 kPa~8 kPa.停氧后提高到1 kPa,利用高真空度的條件進(jìn)一步降低鋼液中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù),即所謂的真空碳脫氧過程(VCD).

底吹氬流量:需要保證鋼液裸露直徑達(dá)到0.5 m~0.7 m.根據(jù)氧槍距鋼水液面的高度及氧槍喉口直徑,可計(jì)算出,并留有適當(dāng)余量。

吹氧流量:VOD氧槍為拉瓦爾式水冷氧槍,喉口直徑為12.5 mm,供氧強(qiáng)度為氧氣流量460 m3/h左右,工作壓力0.5 MPa~0.7 MPa.

4.3.2 VOD終點(diǎn)碳的控制

由于VOD精煉是在真空密閉室內(nèi)進(jìn)行,目前尚無成熟實(shí)用的真空在線測(cè)溫取樣技術(shù),所以,不能在線頻繁直接獲取鋼液成分?jǐn)?shù)據(jù)。

VOD吹氧過程終點(diǎn)碳控制綜合使用氧濃差電勢(shì)法、真空度變化趨勢(shì),廢氣溫度變化法等。

(1)氧濃差電勢(shì)法

氧濃差電池的基本原理是將氧化鋯探頭安裝在VOD系統(tǒng)真空排氣管道上,當(dāng)碳氧反應(yīng)開始,煙氣大量產(chǎn)生CO,降低了廢氣中氧氣的分壓,根據(jù)下式可知:

式中:R——?dú)怏w常數(shù),8.315 J/(mol.K);

T——絕對(duì)溫度,K,使用時(shí)控制在1000 K;

F——法拉第常數(shù),96500℃;

P空O2——參比氣體空氣中氧氣分壓,0.021 MPa;

P廢O2——廢氣中氧氣分壓,MPa;

E——氧化鋯傳感器產(chǎn)生的電勢(shì),V.

可以看出,精煉過程碳氧反應(yīng)沒有進(jìn)行時(shí),廢氣中的CO氣體含量較少,廢氣中氧氣的分壓P廢O2為0.021 MPa,于是氧化鋯探頭輸出電勢(shì)為零。碳氧反應(yīng)開始后,廢氣中含有大量CO氣體,此時(shí)廢氣中氧氣分壓迅速降低,于是氧化鋯輸出電勢(shì)E增大,隨著碳氧反應(yīng)的激烈進(jìn)行,E值保持高位。隨著碳氧反應(yīng)的進(jìn)行,鋼液中的含碳量降低到超低碳,廢氣中的CO氣體量減少,廢氣中氧氣分壓開始上升,于是氧化鋯探頭輸出電勢(shì)E開始下降,此時(shí)就是終點(diǎn)吹氧時(shí)刻。電勢(shì)二次峰值是停吹氧后,高真空下碳脫氧反應(yīng)結(jié)果。

氧化鋯電池可以定性分析終點(diǎn)碳,控制終點(diǎn)吹氧。對(duì)于冶煉超低碳不銹鋼,要求碳含量控制在0.03%以下時(shí),可較好地控制終點(diǎn)碳。圖2為VOD過程中氧勢(shì)、廢氣溫度變化趨勢(shì)圖。

圖2 VOD過程中氧勢(shì)、廢氣溫度變化趨勢(shì)

(2)真空度趨勢(shì)判斷法

VOD過程,由于產(chǎn)生大量的CO氣體,真空度將發(fā)生變化,即真空度有緩慢下降,真空室壓力緩慢上升。隨著鋼液中碳含量的減少,廢氣中CO氣體量減少,真空度有開始緩慢提高,真空室壓力緩慢降低。這樣的真空度趨勢(shì)判斷法,結(jié)合氧濃差電勢(shì)法、廢氣溫度可有效控制終點(diǎn)碳。圖3為真空度變化趨勢(shì)圖。

圖3 真空度變化趨勢(shì)圖

(3)廢氣溫度分析法

由于碳氧反應(yīng)要釋放出大量熱能,所以廢氣溫度降升高,隨著碳氧反應(yīng)激烈程度下降,廢氣溫度開始緩慢下降,此時(shí),就是終點(diǎn)吹氧時(shí)刻。

實(shí)際使用中,通常把氧濃差分析儀,真空度變化曲線和廢氣溫度變化曲線結(jié)合起來,判斷終點(diǎn)氧。

4.4 真空碳脫氧和還原精煉

為了充分發(fā)揮真空下碳的脫氧作用,在停吹氧后要進(jìn)行一段時(shí)間的真空碳脫氧的反應(yīng)。對(duì)ZG0Cr18Ni9來說,此項(xiàng)操作十分必要。隨著爐內(nèi)真空度的提高,碳氧平衡值降低,能達(dá)到同時(shí)去除鋼中的碳和氧。對(duì)于小容量精煉爐來說,由于鋼液少,溫降較大,如何按照澆注要求控制好精煉末鋼液溫度是另一個(gè)重要問題。停吹氧后,鋼液降溫能達(dá)到2℃/min~4℃/min.為了順利完成還原精煉,確保澆注,真空碳脫氧時(shí)間不宜超過20 min.吹氧結(jié)束后,先提槍后關(guān)氧氣,開啟三、二、一級(jí)泵,真空度達(dá)到0.4 k Pa~67 k Pa,保持 8 min~12 min,調(diào)整氬氣壓力到0.3 MPa.

VOD過程中大約有1%的[Cr]氧化,鋼中的[O]濃度達(dá)到1×10-4,所以脫碳結(jié)束后要向真空室中加入CaO,CaF2等造渣材料和硅粉等還原劑,還原渣中的氧化鉻,并脫氧和脫硫。渣量的確定:

1)準(zhǔn)備真空下用低碳硅鐵5kg/t~7kg/t、硅鈣2 kg/t~3 kg/t,粒度 5 mm~50 mm.

2)準(zhǔn)備粒度為5 mm~50 mm的石灰、螢石真空造渣,石灰∶螢石=3∶1,按出鋼量1%~2%計(jì)算。精煉后期根據(jù)鋼種要求,真空下加入造渣劑CaO、CaF2,加入后保持8 min,隨后加入還原劑硅鐵、硅鈣,并保持8 min.

5 冶煉澆注效果

熔煉的化學(xué)成分見表1,化學(xué)成分全部達(dá)到目標(biāo)值,尤其是碳得到精確控制。澆注溫度控制在1550℃~1560℃,澆注時(shí)合理控制注速,機(jī)殼的表面質(zhì)量良好。

表1 熔煉的化學(xué)成分

6 結(jié) 語

經(jīng)過10余爐鋼的生產(chǎn)實(shí)踐,通過使用電爐和精煉爐VOD雙聯(lián)法,可以控制進(jìn)VOD時(shí)溫度及鋼水成分,經(jīng)VOD處理,成功地冶煉了ZGO Cr 18 Ni 9,為低碳不銹鋼的冶煉提供了經(jīng)驗(yàn)。

參考文:

[1]韓全軍,成國(guó)光.0Cr 18 Ni9不銹鋼的冶煉工藝研究[J].寬厚板,2006,12(2):8-11.

[2]黃希祜,鋼鐵冶金原理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006.

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