VOD原理及理论基础

VOD原理及理论基础概述：不锈钢冶炼高铬钢水脱碳反应平衡公式：实现降碳保铬采取以下两个途径。（1）在铬含量和PCO不变的情况下，提高钢水温度，即电炉返回吹氧法冶炼。（2）在一定温度和铬含量下降低PCO。不锈钢冶炼方法：感应炉合金熔炼法、电炉返回吹氧法、蒸汽与氧气混吹CLU、新日铁RH-OB法、AOD法和VOD法等。概述：不锈钢冶炼实现第二种途径，可以采用两种方法，即：a.稀释法，利用Ar、N2等气体降低PCO，以便降碳保铬，即氩氧脱碳法（AOD），向钢水中吹入规定比例的Ar和O2的混合气体进行脱碳。优点：可以冶炼超低碳不锈钢，大幅降低不锈钢的成本，铬的回收率较高。缺点：难以冶炼较多钢种，钢中H、N气体含量高，C含量控制在0.01%以下难度很大。b.真空法，利用真空降低PCO，达到降碳保铬的效果，即真空吹氧脱碳法（VOD）。1.VOD不锈钢冶炼设备VOD法是1965年西德首先开发应用的，是真空吹氧脱碳的简称，它是将钢包放入真空罐内从顶部的氧枪向钢包内吹氧脱碳，同时从钢包底部向上吹氩搅拌。VOD炉主要组成：钢包、真空罐、氧枪、加料系统、真空系统和控制系统，过程判断设备包括氧浓差电势仪、红外线废气检测分析仪及CO、CO2浓度分析仪等。

VOD原理：在真空条件下用氧枪向熔池吹氧，降低钢包中CO分压，使钢液中的碳和氧进一步反应，同时碳氧反应产生的热量，提高钢液温度，抑制钢液中铬元素的氧化，达到脱碳保铬的目的。此方法适合生产超低碳不锈钢。实现了超低碳不锈钢冶炼必要的热力学和动力学的条件－高温、真空、搅拌。2.VOD原理

VOD工艺流程：VOD处理过程可以分为吹氧脱碳、高真空深脱碳、加料还原三个阶段。3.VOD工艺流程

吹氧阶段的主要任务是脱碳。

在吹氧阶段，VOD接除渣后的精炼钢水，将钢包放在真空罐中，通氩透气；进罐就位，测温取样，测定钢液面标高。钢水翻动良好，启动真空盖小车至工作位置，合上罐盖，根据搅拌程度，调整氩气流量。

启动真空泵。开始脱气，抽气顺序开始。抽真空，观察炉况，真空度达到工艺规定后开始吹氧。吹氧过程应及时调整氩流量等参数，避免熔池过度沸腾、钢渣严重喷溅。吹氧阶段

VOD炉的吹氧过程设置为预吹阶段、主吹阶段、动态吹炼阶段三个阶段，这三个吹氧阶段的主要特点如下：1)预吹阶段：喷吹的氧气主要与硅发生氧化反应；2)主吹阶段：喷吹氧气主要与熔池中的碳反应，脱碳速度最大，基本恒定，钢中碳含量被脱至临界碳含量；3)动态吹炼阶段：熔池中碳向反应界面的扩散是限制性环节，脱碳反应主要受碳的传质速度影响，脱碳速度逐渐降低。该阶段熔池碳含量被脱至0.05%；随吹炼的进行，熔池中[C]含量减少，为保证Cr的回收率，熔池中供氧量应逐渐减小。吹氧阶段

真空脱气阶段的主要任务是深脱碳和脱气。

吹氧结束，真空系统蒸汽喷射泵全部打开，真空室压力迅速下降至67Pa以下，同时适当增加底吹氩流量，在此真空度下，钢和渣中的氧进一步脱碳，促进碳氧反应进一步发生达到碳脱氧的目的。全泵投入后废气中CO含量急剧上升，达到顶峰后又缓慢下降到直至5%以下，此时预测的碳含量基本稳定在一较低水平(如0.005%)不再变化，自由脱碳过程即可结束。高真空脱碳脱气阶段

还原阶段的主要任务是，造渣脱硫，还原渣中的铬、微合金化和除气去夹杂。

还原期主要操作为：打开真空罐，测温取样，根据分析结果，当终点C含量达到设定目标以后，再根据吹氧量计算还原渣料的加入量。如果加渣料(活性石灰、萤石)、还原剂(Fe-Si、Al等)、少量需补加合金(称量后加入料斗罐内)。加入顺序为：应先Fe-Si、Al后渣料分批加入。还原阶段

VOD精炼过程控制相对复杂，对工艺参数依赖程度很高。

VOD精炼过程中会出现各种各样的问题，诸如氧电势和CO浓度不显示，无法判断VOD吹炼终点；真空喷溅严重包壁形成渣圈；铬元素烧损严重；氧电势波动等。产生上述问题的关键是工艺参数的合理性，即开吹温度、真空度、氧枪高度、氧气流量及氩气流量等。4.关键工艺参数确定

VOD开吹温度的确定原则是在保证吹炼终点碳在标准范围之内，与之平衡温度主要靠C、Si与O反应放热来完成，这样才能使VOD过程中Cr的氧化较少。根据计算，在不考虑热损的情况下每氧化1%的Cr可使钢液升温113℃，每氧化1%的C可使钢液升温118℃，每氧化1%的Si可使钢液升温347℃。VOD起始钢水最低温度与起始钢水碳、硅元素含量有关，国内外钢厂的通用计算方法如经验公式所示：开吹温度氧枪枪位控制熔池的搅拌，枪位越低，对熔池形成的搅拌能就越大，但氧枪离钢液也不能太近，这易造成氧枪粘钢及渣，影响氧枪寿命。在吹炼过程中，氧枪枪位不变，工艺要求1000-1200mm，一般选择为1100mm。既保证一定脱碳速度又可减少喷溅，利于包衬寿命提高。氧枪高度

根据VOD冶炼的方法特点，主要是通过降低CO分压，来促进钢液中的碳氧反应的正向进行，达到去碳保铬的目的。由于随VOD精炼过程的进行，熔池中碳含量减少，脱碳能力减弱，为保证熔池强的脱碳能力，精炼过程脱碳所须真空度应逐渐增强，确定VOD冶炼各个阶段的真空度。预吹10kPa以内，主吹5-10kPa，缓吹2kPa以内；VCD阶段进入高真空60Pa以内。（可根据钢种和罐内喷溅情况提高真空度）。镍含量高的钢种不易喷溅，可提高主吹阶段真空度。真空度

随吹炼的进行，熔池中[C]含量减少，为保证Cr的回收率，熔池中供氧量应逐渐减小。主吹阶段供氧强度

0.25～0.30Nm3/min.t钢，在此控制值下，获得了良好的冶炼指标。30t钢水选用供氧流量为400～600Nm3/h，50t钢水选用供氧流量为600～800Nm3/h，预吹和缓吹阶段供氧流量300～400Nm3/h。氧气流量

从动力学角度来看，增大了氩气流量，提高搅拌能可吹开钢液表面的氧化物，并使之卷入钢中，从而增加脱碳反应，减少铬的氧化，在停吹氧后进入的真空碳脱氧期的脱碳反应，是在气液界面进行的，增大吹氩流量，不仅加快钢包内钢液环流速度，表面更新的速度，而且还进一步降低气泡中CO分压，增加气液相界面积，从而使脱碳反应继续进行，有效地降低了终点碳含量。氩气流量

真空准备：低吹氩流量，保证一定要求的真空度快速、均匀、稳定的形成，供氩量控制在40～60L/min。吹氧脱碳：由于碳氧反应速度大，熔池的搅拌能大，为防止熔池喷溅，底吹氩流量控制得较低，供氩量控制在60～80L/min。真空脱碳：由于钢中碳很低小，碳氧反应速度小，氧枪停止供氧，熔池的搅拌能减小，需要大的氩气流量保证熔池的搅拌能，同时大的氩气流量可进一步降低CO分压，有利于深脱碳反应的进行，底吹氩流量设定为80～100L/min。氩气流量

5.吹氧终点判断终点判断方法：采用计算法，压力、温度特征控制法，废气分析法，氧浓度差电池法控制吹氧终点时间。（1）计算VOD精炼所需供氧量，按供氧量确定吹氧结束时间；（2）测定废气总量及其CO、CO2的含量，计算出脱碳量；（3）可以根据氧浓差电池电势图、真空度和废气温度来对吹氧过程进行终点控制；（4）CO、CO2浓度变化进行终点控制。

氧电势、尾气温度、CO浓度、真空度的变化

计算VOD精炼所需供氧量，按供氧量确定吹氧结束时间，计算公式为：式中Qo——供氧量，m3；W——钢水量，t；Z——废气中CO2含量，%；ΔC，ΔMn，ΔCr——元素的脱除量。经验公式：Q=（5.0+7.5×（C+Si））×钢水量抚顺特钢利用氧气量为依据，在氧气量消耗1/2时，提高真空度降低氧气流量，总的耗氧量也作为吹氧终点的判断依据之一。我公司没有氧气计量设备，该种方法暂不适用于我公司。计算法为了控制吹炼过程，最好采用以氧浓度电池为主。式中R——气体常数，8.315J/（mol·K）；T——绝对温度，K；F——法拉第常数，（96500）；n——电池反应得失电子数，1mol氧为4；——参比气（空气）中氧的分压（0.206atm，0.021MPa），atm；——废气中氧的分压，atm；E——氧浓差电池的电势，mV。氧浓度电池法（氧化锆探头）有上式可知，废气中氧的分压愈低，则氧浓差电池的电势E愈大；废气中氧的分压愈高，则氧浓差电池的电势E愈小。由于VOD过程中，脱碳反应的开始和终止随着废气中CO分压的突然增加和减少，从而导致废气中氧分压的突然减少和增加，这种现象反映在氧浓差电池输出电势的突然升高和降低。正是利用氧电势的这种变化有效控制脱碳终点。由于大量激烈CO产生所放出的热量使废气温度升高，随着碳含量的降低，CO的产生量减少，反应趋于平稳，废气温度降低，所以废气温度的升高和降低是碳氧反应开始和终止的一个标志。总结2014年-2016年00Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢冶炼过程，发现废气温度达到最高点开始降低5分钟，可作为吹氧终点判断依据之一；总结2015年-2016年304（316）奥氏体不锈钢冶炼过程，发现废气温度达到最高点开始降低10分钟，可作为吹氧终点判断依据之一。废气温度特征方法用红外线分析仪分析VOD精炼中废气的CO、CO2及O2成分，参考真空度变化，控制VOD精炼过程。因为吹氧后几分钟，开始碳氧反应，废气中CO的成分突然升高。这种CO含量约保持30min后，又突然下降。它标志着碳氧反应结束。废气中CO浓度的升高和降低是碳氧反应开始和终止的一个标志。废气浓度特征方法由于碳氧反应放出大量的CO气体，真空度发生变化，即真空室压力缓慢上升，真空度有缓慢下降。随着碳含量的降低，脱碳速度下降，废气中CO气体量减少，真空室压力缓慢降低，真空度又开始缓慢升高。真空度是碳氧反应开始和终止的一个标志。此方法需要真空泵在8-15kPa的抽气能力与钢液的排气量基本平衡，否则真空度变化趋势对碳氧反应不敏感，不能有效分析碳氧反应。2016年因氧气流量设备、氧浓差电势及CO分析仪故障，利用真空度判断氧气流量及吹氧终点。真空度从钢液熔池内部、钢液表面和悬空液滴谈论脱碳反应。熔池内部在高铬钢水的熔池内部进行脱碳，为了产生CO气泡，需要克服气相压力PCO、熔渣压力P渣、钢液静压力P钢和表面张力2ᵟ/ᵞ。即气相压力可以通过抽真空降到很低，但是熔渣和钢液的压力很难消除，这就是限制熔池脱碳反应的主要环节，主要通过倒包除渣和加大包底吹氩强度进行改善。6.脱碳反应钢液表面在钢液表面进行真空脱碳时，无钢渣压力，脱碳反应主要取决于气相压力，因此真空度愈高，钢液表面愈大，钢中含碳量应当愈低。因此保持较低的钢液深度，对降低钢中碳含量是有利的。钢液表面的脱碳反应易于达到平衡，真空的作用可以充分的发挥出来。悬空液滴这种条件下的脱碳反应不仅容易达到平衡，而且还可以超过原有平衡，因此可以在泵的极限真空度以上发挥充分真空作用。RHOB法利用循环脱气把钢水喷射成液滴，随着真空度的提高将钢中碳含量降到极低的水平（0.002%），而且可以使钢中的铬几乎不烧损。这些原理对VOD法操作有借鉴意义，在脱碳保铬操作中总结经验。为了进一步降