VOD冶炼超纯铁素体不锈钢过程工艺问题研究

李 静，黄培军

（1.甘肃钢铁职业技术学院，甘肃 嘉峪关 735100；2.酒泉钢铁责任有限公司不锈钢分公司，甘肃 嘉峪关 735100）

真空氧气脱碳（VOD）法是一种在真空条件下吹氧脱碳并吹氩搅拌生产高铬不锈钢的炉外精炼技术。VOD法是在真空条件下顶吹氧气脱碳，并通过包底吹氩促进钢液循环，在冶炼不锈钢时能容易的把钢中碳降到目标范围内而几乎不氧化铬。并对钢液进行真空处理，加上氩气的搅拌作用，营造了良好的动力学条件，能获得很好的去气、去夹杂物的效果[1-3]。国内外不锈钢企业普遍采用VOD来冶炼超纯铁素体不锈钢。酒钢2014年底VOD投产，开始冶炼超纯铁素体不锈钢。本文对VOD冶炼超纯铁素体不锈钢过程脱碳、脱氮、还原、钙处理工艺顺序进行了研究，目的在于解决酒钢VOD冶炼过程中的工艺问题，提高超纯铁素体不锈钢的钢水质量。

1 脱碳工艺研究

VOD脱碳热力学分析：2[Cr]+3[O]=Cr2O34[C]+4[O]=4CO↑

合并得：Cr2O3(固)＋3[C]=2[Cr]+3CO↑

得出有效脱碳的措施：①提高钢液中碳的活度系数；②增加Cr2O3活度；③增加反应温度；④降低PCO。

VOD去氮热力学分析：1/2 N2=[N]

机理：①钢液中的氮原子扩散到碳氧反应形成的CO微气泡液界；②在气液界面上：[N]+[N]=N2↑；③氮分子扩散到气相中。

得出有效的脱氮措施：①高的初始碳含量；②高的真空度；③加强处理过程中的氩气搅拌。酒钢根据VOD设备状况和生产情况，制定出了具体的脱碳脱氮控制措施：

（1）真空度控制到0.5torr以下，不仅降低了平衡碳含量，而且促进了脱碳和脱氮反应的进行。

（2）在超低碳区的脱碳取决于碳的扩散速度，所以必须加强钢水的搅拌。酒钢VOD钢包采用双底吹设计，底吹氩搅拌由原来的400L/min提高到800L/min，促进了碳的降低。

（3）高的冶炼温度有利于脱碳和脱氮，但过高的温度大幅降低钢包的包龄，结合现场的具体情况，入炉温度从原来的1600℃提高到1620℃以上。

（4）通过底吹流量、氧气流量和枪位三者之间的不断调整，最终形成了如图所示的控制方式。

图1 底吹流量、氧气流量和枪位曲线图

（5）停吹点碳含量、沸腾脱碳时间以及最高真空度决定了最终碳含量。酒钢VOD利用质谱仪对废气成分进行连续分析，从底吹搅拌氩气吹入量计算出废气总量，再依据CO+CO2组分含量得到钢水中[C]含量，从而决定停吹时刻。沸腾时间依据终点碳含量的要求控制在10分钟～15分钟。

2 还原工艺研究

图2为409L钢液不同温度的[Si]-[O]平衡浓度示意图。从图中可以看出，钢液温度越高，生成SiO2脱氧产物的区域越小，即平衡的[Si]-[O]含量越高，生成的SiO2含量越少。因此，过高的钢液温度并不利Si的脱氧效果。目前，钢液的温度约1650℃～1700℃，脱氧结束后Si目标值0.25%，平衡[O]约60ppm～90ppm。

图3为409L钢液不同温度的[Al]-[O]平衡浓度示意图。从图中可以看出，Al脱氧工艺的规律性与Si相同，但脱氧效果较好；当钢液中VOD处理温度1650℃～1700℃，脱氧结束的Al目标含量为0.02%，平衡[O]约为40ppm～70ppm。

图2 409L钢液不同温度的[Si]-[O]平衡浓度示意图

图3 409L钢液不同温度的[Al]-[O]平衡浓度示意图

图4为409L钢液Al-Si复合脱氧示意图。从图中可以看出，3Al2O3·2SiO2产物的所占区域较大，钢液温度越高，所占区域缩小。Al-Si复合脱氧，不论其先后还原顺序，只影响了初始脱氧产物的类型，如单一Al2O3、SiO2，若具有足够的脱氧时间，钢液中平衡的脱氧产物为硅铝酸盐3Al2O3·2SiO2。

图4 409L钢液Al-Si复合脱氧示意图

3 钙处理工艺研究

图5为Al、Ti、Ca脱氧顺序下夹杂物组成和形貌变化。图6为Al、Ca、Ti脱氧顺序下夹杂物组成和形貌变化。从图中可以看出，铝脱氧后先钛合金化再进行钙处理时，会加速耐材中的Mg溶解，进而Al的脱氧产物与Mg结合生成镁铝尖晶石，造成后面的钙处理没有明显效果。然而铝脱氧后先进行钙处理再加入钛，可得到熔点较低的铝酸钙夹杂物，从而延缓或抑制MgO·Al2O3夹杂的生成。

图5 Al、Ti、Ca脱氧顺序下夹杂物组成和形貌变化

图6 Al、Ca、Ti脱氧顺序下夹杂物组成和形貌变化

4 结论

（1）根据VOD设备状况和生产情况，制定出了具体的脱碳脱氮控制措施：真空度控制到0.5torr以下；底吹氩搅拌提高到800L/min；入炉温度从原来的1600℃提高到1620℃以上；利用质谱仪对废气成分进行连续分析。

（2）Al-Si复合脱氧，不论其先后还原顺序，只影响初始脱氧产物的类型，脱氧时间能够满足钢液中的脱氧产物全部转变为硅铝酸盐3Al2O3·2SiO2。

（3）铝脱氧后先进行钙处理再加入钛，可得到熔点较低的铝酸钙夹杂物，从而延缓或抑制MgO·Al2O3夹杂的生成，提高超纯铁素体不锈钢钢水质量。