（钢铁冶金专业论文）采用eaflf——vod精炼炉冶炼超低碳不锈钢生产大型铸件的研究.pdf

鞍山科技大学工程硕士论文 摘要 虽然我国的不锈钢产量逐年增加，但不锈钢铸件特别是一些大型超 低碳不锈钢铸件全部靠进口。 本文针对鞍钢集团机械制造公司铸钢厂的生产现状，系统研究了单 炉v o d 冶炼中初炼成分、吹氧温度、吹氧真空度对停氧温度的影响及加 入冷料的钢水温降，得出以下结论： 1 、在铸钢厂现有两座公称容量2 0 吨电弧炉，一台4 0 吨l f v o d 精炼炉 情况下，可以建立一个最多罐数为四罐的多罐合浇生产超低碳不锈钢大 型铸件的生产工艺模式； 2 、v o d 吹氧后钢水的温升主要取决于热量的传递和分配，而不仅仅在于 热量的产生。也就是说在正常的冶炼条件下，吹氧后温度与开吹成分无 明显关系； 3 、根据铸钢厂单炉不锈钢冶炼的生产实践，在相同的真空度，开吹温度 越高，吹氧后的温度就越高；开吹真空度越低，吹氧后的温升也越高； 4 、加入冷料的钢水降温实际值与理论计算值相同，均为3 0 吨钢水加入 1 0 0 0 k g 冷料温降为5 c 。 关键词：超低碳；不锈钢；v o d ；工艺模式 鞍山科技大学工程硕士论文 a b s t r a c t a l t h o u g ht h eo u t p u to fs t a i n l e s ss t e e li n c r e a s e sf o ry e a r s ，t h es t a i n l e s ss t e e l c a s t s ，e s p e c i a l l y1 a r g e s i z e de x t r a l o w c a r b o ns t a i n l e s ss t e e lc a s t s ，e n t i r e l yd e p e n do n i m p o r t i nt h i sa r t i c l e ，t h ee f f e c to fr e f i n i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e ro fs i n g l e - f u r n a c ev o d i n c l u d i n gi n i t i a lg r a d i e n t ，t h et e m p e r a t u r ea n dv a c u u ml e v e lo f o x y g e n j e t t i n g ，o nt h e t e m p e r a t u r eo fa f t e rj e t t i n ga n dt h et e m p e r a t u r ed e c r e a s ea f t e rf e e d i n gc o l db u r d e n w a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 、ap r o c e s s i n gm o d u l eo fm u l t i l a d l e c a s t i n g f o r p r o d u c i n gl a r g e s i z e d e x t r a - l o w c a r b o ns t a i n l e s ss t e e lc a s t sc a rb ee s t a b l i s h e du n d e rt h ec u r r e n tc o n d i t i o n o ft w oa r c f u r n a c e sw i t h2 0 - t o nn o m i n a lc a p a c i t ya n do n el f v o dw i t h4 0 - t o n c a p a c i t yi ns t e e l c a s t i n gf o u n d r y 2 、t h em o l t e ns t e e lt e m p e r a t u r ei n c r e a s ea f t e ro x y g e nj e t t i n gd o e s n td e p a n d so n t h eh e a tp r o d u c i n g ，b u tt h et r a n s f e ra n dd i s t r i b u t i o no fh e a t i no t h e rw o r d s ，t h ei n i t i a l g r a d i e n th a sn o te f f e c to nt h et e m p e r a t u r ea f t e ro x y g e nj e t t i n g 3 、t h em o l t e ns t e e lt e m p e r a t u r ea f t e ro x y g e nj e t t i n gi n c r e a s e sw i t ht h eo x y g e n j e t t i n gt e m p e r a t u r ew i t ht h es a m ev a c u u ml e v e l al o w e rv a c u u ml e v e la l s ol e a d s t o h i g h e rm o l t e ns t e e lt e m p e r a t u r ea f t e rj e t t i n g 4 、t h ec o n c l u s i o nr e s u l to f t h ed e c r e a s eo f m o l t e ns t e e la f t e rp u t t i n gi nc o l db u r d e ni s t h es a m ea st h ea c t u a lm e a s u r e m e n tv a l u e ，5 d e c r e a s ea f t e rf e e d i n g1 0 0 k gc o l d b u r d e nt o3 0 t o nm o l t e ns t e e l k e yw o r d s ：e x t r a l o w - c a r b o n ；s t a i n l e s ss t e e l ；v o d ；p r o c e s s i n gm o d u l e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得鞍山科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：赵事象二日期： 沙疗占弘 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 签名：起噎疑导师签名：日期：竺= _ 6 、了。 鞍山科技大学工程硕士论文 1 1 不锈钢概述 1 1 1 不锈钢概述 1 文献综述 不锈钢是在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金 钢，不锈钢是具有美观的表面和耐腐蚀性能好，不必经过镀色等表面处 理，使用领域广泛的钢铁产品。代表性的有1 3 铬钢，1 8 铬镍钢等高合 金钢。 通俗地说，不锈钢就是不容易生锈的钢，实际上一部分不锈钢，既 有不锈性，又有耐酸性( 耐蚀性) 。不锈钢的不锈性和耐蚀性是由于其 表面上富铬氧化膜( 钝化膜) 形成的原因。这种不锈性和耐蚀性是相对 的。试验表明，钢在大气、水等弱介质中和硝酸等氧化性介质中，其耐 蚀性随钢中铬含水量的增加而提高，当铬含量达到一定的百分比时，钢 的耐蚀性发生突变，即从易生锈到不易生锈，从不耐蚀到耐腐蚀。 不锈钢的分类方法很多。按室温下的金相组织分类，有马氏体型、 奥氏体型、铁素体和双相不锈钢：按主要化学成分分类，基本上可分为 铬不锈钢和铬镍不锈钢两大系统；按用途分则有耐硝酸不锈钢、耐硫酸 不锈钢、耐海水不锈钢等等，按耐蚀类型分可分为耐点蚀不锈钢、耐应 力腐蚀不锈钢、耐晶间腐蚀不锈钢等；按功能特点分类又可分为无磁不 锈钢、易切削不锈钢、低温不锈钢、高强度不锈钢等等。由于不锈钢材 具有优异的耐蚀性、成型性、相容性以及在很宽温度范围内的强韧性等 系列特点，所以在重工业、轻工业、生活用品行业以及建筑装饰等行业 中获取得广泛的应用【1 1 。 鞍山科技大学工程硕士论文 1 1 2 不锈钢钢种的研究与发展 随着科学技术的发展，一般的合金钢材料，已经不能满足需要，特 别是原子能、宇宙航行、海洋开发等尖端科学以及石油、化工、化肥、 化学纤维等工业的飞速发展，对不锈钢的产量、品种和性能等各方面提 出了多方面的要求，目前不锈钢的生产趋向是：发展抗应力腐蚀的不锈 钢，超低碳不锈钢、强度不锈钢、节镍不锈钢以及有特殊用途的耐腐蚀 的不锈钢等等。因为不锈钢在耐腐蚀，抗高温氧化、抗蠕变等方面具有 化学稳定性和热稳定性，从而各国在不锈钢生产中都得到不断的发展， 产量逐年增长。 尽管钢铁材料防锈的方法很多，但对要求材料整体都有防蚀性的某 些机械零件、化工容器、生活用品及其它特殊用品( 如医疗用的针、手 术刀具，钳和假牙等) 来说，添加合金元素提高钢铁耐腐蚀性能的方法 无疑是最吸引人的。不锈钢的诞生和大多数科研成果一样，并非个别人 的研究结果，而是许多冶金工作者长期努力、互相借鉴，不断研究的结 果。最后于本世纪初，在社会已具有一定的物质生产条件( 主要是低碳 铬铁的制成) 以及理论研究已取得进展( 主要是铁铬合金中碳耐腐烛性 的影响) ，而产业部门又急需的情况下，不锈钢才应运而生了。从开始 研究不锈钢到初步研制成功( 1 7 9 71 9 1 0 年) 经历了整整一个世纪。 1 9 l o 1 9 1 4 年诞生的组织分别为马氏体、铁素体和奥氏体的不锈 钢，从化学成分来看，主要属f e c r 和f e c 卜n i 两大体系。从第一次世 界大战结束到第二次世界大战结束的近三十年中( 即1 9 1 9 年至1 9 4 5 年) 。 随着各种工业的发展，不锈钢为适应工作条件而发生了分化，即在原来 两大体系三种组织状态的基础上，通过增减碳含量和添加多种其它的合 金元素而衍生出了许多新型的不锈钢。从二次大战结束直至目前为止， 主要为适应抗海水或盐类腐烛，吸收y 射线及中子、获得超高强度、节 2 鞍山科技大学工程硕士论文 约镍等需要而发展了抗点蚀不锈钢、原子能工业用不锈钢、沉淀硬化不 锈钢和锰氮代镍不锈钢。近年来为了解决奥氏体不锈钢的晶间腐烛和 应力腐蚀问题，又分别发展了超低碳不锈钢和超纯铁素体不锈钢。 目前，已投入市场的不锈钢的品种已达到2 3 0 种以上，经常使用的 也有近5 0 种，其中约有8 0 是奥氏体不锈钢( 1 8 铬一8 镍) 的衍生物， 而其余2 0 贝i j 是由1 3 铬钢演变而成的。 不锈钢大量生产与应用始于二战后5 0 年代末，而现代不锈钢则应该 说是由于6 0 年代末期几乎是同时出现的v o d ( v a c u u mo x y g e nd e c a r b u r i z a t i o n ) 和a o d ( a r g o no x y g e nd e c a r b ur i z a t i o n ) 法的发明，使钢中的间 隙元素大幅度降低，不锈钢发生了质的飞跃。从而进入了现代不锈钢的 发展进程。随后发展起来的连铸，森机米尔轧机问世以及炼钢工艺中部 分的用铬、镍精矿入炉，使生产成本显著下降，性能价格比不断上升。 因此，不锈钢产品的应用领域不断扩大。产量逐渐增加。到1 9 9 5 年，世 界不锈钢年产量达1 5 7 0 万吨，比上一年增加1 2 7 ，比7 0 年代末增加 4 倍。日本是不锈钢生产第一大国，其次是美国、德国、韩国1 2 1 6 1 。 1 1 3 不锈钢的应用 据统计，全世晃每年因腐蚀而报废的钢材约占钢材年产量的1 4 。 而不锈钢的产量占钢铁总产量的1 。因此，材料受到腐蚀而失效是当 今材料研究与发展中的三大主要问题之一( 另两个问题是疲劳与磨损) 。 石油、化工、化肥、合成纤维和石油提炼等工业部门中许多容器、管道、 阀门、泵等一般都因与各种腐蚀性介质接触遭受腐蚀而报废。不锈钢是 广泛使用的耐腐蚀金属材料。 不锈钢不但具有良好的耐腐蚀性能，而且具有良好的外观等多种特 性。因此不锈钢的的经济效益和漂亮的装饰性深受用户欢迎，应用范围 3 鞍山科技大学工程硕士论文 越来越广泛。表1 1 是关于不锈钢的应用方面的简单事例7 1 。 表1 1 不锈钢的应用方面的简单事例 行业 主要使用事例 汽车用外装部品 热装部品 f l a t w a r e s p o o n ( 勺) 、f o r k ( 叉) 出口或内销 ( 一种器皿) 刀类- 出1 3 或内销 h o l l o w w a r e 餐具 深拉加工( d d q ) 拉伸比大于1 5 ( 二种器皿) d r a w i n g ( 一般拉伸) 拉伸比小于1 5 p r e s s ( 冲压) s p i n n i n g ( 旋压) 厨房设备 洗涤槽( s i n k ) 一般拉伸材( 表面要求高) 电器用具 钢管用 煤气灶一表面要求高 电冰箱( 冰柜内胆) 洗衣机、烘干机 微波炉 电子部件( 无磁性) 装饰管 构造管( 工业用) 排管用 建筑材料 m i r r o r ( 镜面材) 再研磨 电梯 建筑内外装饰材 窗户、门材 4 鞍山科技大学工程硕士论文 化学设备 一般用途 运输设备 热交换器 锅炉、罐 化学工业炉 化学设备部件 r e r o l l ( 再轧钢用) 高硬度用 加工厂用 市场流通用 特殊用途 集装箱 铁道车辆 1 1 4 不锈钢的特点 由于不锈钢用途广泛，价格- 寿命比低，可1 0 0 回收使用，以及冶 金和材料的新工艺、新技术的迅速发展，使世界不锈钢成本大幅度下降， 产量高速增长，也使不锈钢产量占钢总产量的比例有较大提高。同时， 不锈钢的品种质量也有显著发展。 目前已知的化学元素有1 0 0 多种，在工业中常用的钢铁材料中可以 遇到的化学元素约二十多种。对于人们在与腐蚀现象作长期斗争的实践 而形成的不锈钢这一特殊钢系列来说，最常用的元素有十几种，除了组 成钢的基本元素铁以外，对不锈钢的性能与组织影响最大的元素是：碳、 铬、镍、锰、硅、铝、钛、铌、钛、锰、氮、铜、钴等。这些元素中除 碳、硅、氮以外，都是化学元素周期表中位于过渡族的元素。当几种元 素共存于不锈钢这一个统一体中时，它们的影响要比单独存在时复杂得 多，因为在这种情况下不仅要考虑各元素自身的作用，而且要注意它们 鞍山科技大学工程硕士论文 互相之间的影响，因此不锈钢的组织决定于各种元素影响的总和。从金 相学角度分析，因为不锈钢含有铬而使表面形成很薄的铬膜，这个膜隔 离开与钢内侵入的氧气起耐腐蚀的作用。为了保持不锈钢所固有的耐腐 蚀性，钢必须含有1 2 以上的铬8 1 。 1 1 5 国内外不锈钢的发展动向 从全世界看，近年来不锈钢材产量占钢材总产量的比例大致在1 6 左右，其中瑞典、法国、日本、意大利分别达到1 0 1 、4 1 、3 o 和 2 5 左右。亚洲地区近几年不锈钢需求增长迅速，除日本外，亚洲各国 的不锈钢冷轧板带材消费量增长率平均都在1 0 以上，有些达到2 0 左 右。2 0 0 3 年，中国生产不锈钢1 7 8 万吨，同比增长5 6 ，占国内市场的 4 2 3 ，2 0 0 2 年仅为3 5 1 。2 0 0 0 年的时候，中国不锈钢产量只有4 6 万 吨，不足消费量的2 5 。以上数据显示，我国不锈钢产量近年有显著增 长。 我国从5 0 年代初开始生产不锈钢，起步较早，但发展缓慢，近年来 不锈钢材仍然自给率很低。工艺及装备水平比较落后，冶炼设备( 电炉) 全部小于3 0t ，很难配备二次精炼设旌，浇铸仍沿用落后的模铸工艺， 连铸比仅为1 5 。轧钢设备总体水平不高，产品实物质量与国外差距较 大。现有生产能力小而分散，均达不到合理经济规模。据统计，国内目 前生产不锈钢的厂家多达2 0 余家，其中l l 家重点特殊钢厂的不锈钢平 均生产能力仅3 万t ( 能力最大的太钢只有l o 多万t ) ，主要生产厂家有太 钢、上钢三厂、上钢五厂、抚顺钢厂和长城特钢等，所生产的不锈钢材 中，铬镍系奥氏体不锈钢占7 0 7 5 、铬系铁素体不锈钢占2 5 3 0 ，板带材产量约占5 0 ，由于工艺技术落后等原因，不锈钢的综合 成材率仅为6 5 左右。 我国的不锈钢生产厂家分散，专业化程度较差，各个品种的生产都 6 鞍山科技大学工程硕士论文 达不到合理的经济规模。其中水力发电站核心部位的主要部件一上冠、 下环、叶片，材质要求为0 0 c r l 3 n i 4 m o 、0 0 c r l 3 n i 5 m o 、0 0 c r l 6 n i s m o 等 超低碳马氏体不锈钢，是具有高附加值，高技术含量的高科技铸件产品。 因其具有较高的强度和韧性，良好的抗气蚀和水蚀性和可焊性，在大型 水轮电机、高压水泵制造中被广泛的应用。但由于铸造产品重量大，对 冶炼工艺要求严格，受装备水平的限制，特殊钢厂有精炼设备又没有铸 造，有大型铸造能力的铸钢厂又没有精炼设备，过去我国只能生产一些 重量小的叶片。因此，虽然我国的不锈钢产量逐年增加，但不锈钢铸件 特别是一些大型超低碳不锈钢上冠等几乎全部靠进口。国内仅能生产含 碳较高的( c 0 0 6 ) 马氏体不锈钢铸件 s l 【1 2 l 。 1 1 6 不锈钢的主要生产工艺发展过程： 不锈钢目前的主要精炼法发展过程见表1 2 。 表1 2 不锈钢精炼法的发展过程示意表 鞍山科技大学工程硕士论文 8 鞍山科技大学工程硕士论文 液脱碳的v o d 法美国u c c 公司及j o s l y n 厂发表氩- 氧混吹稀释脱碳的a o d 法 1 9 7 2 瑞典u d d e h o l m 公司发表水蒸气一氧气混吹 的c l u 法 1 9 7 5 新日铁宝兰厂发表r h 一0 b 法 1 9 7 5a s e a - - s k f 法及f i n k i - - v a d 法都配置真 空下吹氧设备，精炼不锈钢 1 2 炉外精炼的概述 精炼炉的产生和发展与国民经济的需要和科学技术的发展水平是分 不开的。在很早以前，人们就产生了利用真空去除钢中气体的想法，如 1 8 6 0 年英国贝塞麦尔( s h b e s s e m e r ) 就曾有过罐内钢桶去气的设想。 1 8 8 4 年英国艾特肯( a a i t k e n ) 也曾提出过提升去气法( 类似d h 法) ； 1 9 3 2 年捷克人科贝尔( k o r b e r s ) 曾提出并实现了带盖钢桶去气法。 现代技术的发展，使各工业部门对钢质量和使用性能要求愈来愈高，要 求将钢的成分控制在较窄的范围内和高的纯洁度。此外，为了使连铸工 艺顺行和确保多炉连浇，也要求降低钢中硫、氧含量以及均匀钢包中钢 水成分和温度。降低磷、硫含量能改善钢的冲击性能、抗层状裂性能、 热脆性和冷脆性，并减少中心偏析和防止连铸坯的表面缺陷。降低氧、 氢、氮含量，以减少超声探伤缺陷和条状裂纹，从而改善钢材的制管性 能等。 为此，必须采用先进的精炼技术，才能满足各部门对钢质量的各种 特殊需要，如采用钙处理则能控制夹杂物的形态、防止氢致裂纹和满足 z 向钢三向均匀力学性能的要求。 q 鞍山科技大学工程硕士论文 炉外精炼是指把转炉或电炉中初炼的钢水移到另一个容器中( 主要 是钢包) 进行精炼的过程，也叫二次冶金。它把传统的炼钢方法分为两 步，即初炼和精炼。炉外精炼的冶金功能是：脱硫、脱碳、去除氧化物、 用c o 还原、脱气( 包括h 、0 、n ) 、合金化、均匀化( 成分和温度) 、 控制夹杂物形态和加热( 包括化学加热和电加热) 调温。 目前，钢厂普遍采用了炉外精炼工艺流程，它已成为现代炼钢工艺中 不可缺少的重要环节。由于这种技术可以提高炼钢设备的生产能力，改善 钢材质量，降低能耗，减少耐材、能源和铁合金消耗，因此，炉外精炼技术己 成为当今世界钢铁冶金发展的方向【1 4 1 6 1 。 1 2 1 国内外精炼炉的发展概况 随着炉外精炼技术和发展，合金化、去气、脱氧、脱硫、去除夹杂 物和钢水温度调整等，均可在炉外精炼炉中完成，这样就可能用转炉一 炉外精炼冶炼出高质量的特殊钢种。现在日本用转炉生产的特殊钢已占 其特殊钢总量的5 8 以上，特殊钢不再主要是由电炉来冶炼了。何况由 于废钢中的有害元素不断积累和增多，电炉冶炼的钢水化学成分也不能 满足一些特殊钢种对性能的要求。 近年来，国外炉外精炼设备发展很快。目前世界炉外精炼设备的总 数已超过i 0 0 0 座，其中l f 炉约2 2 0 座，a o d 和v o d 炉近2 0 0 座，d h 和 r h ( 含r i i - o b ，r h p b ) 装置约1 5 0 余台，v d 装置1 3 0 多台，a s e a 和v a b 近1 0 0 座，其他精炼设备2 0 0 多台。 我国早在2 0 世纪5 0 年代末，6 0 年代中期就在炼钢生产中采用高碱 度合成渣在出钢过程中脱硫冶炼轴承钢、钢包静态脱气等初步精炼技术， 但没有精炼的装备。6 0 年代中期至7 0 年代有些特钢企业( 大冶、武钢等) 引进一批真空精炼设备。8 0 年代我国自行研制开发的精炼设备逐渐投入 1 0 鞍山科技大学工程硕士论文 使用( 如l f 炉、喷粉、搅拌设备) ，至9 0 年代，我国各钢厂已普遍设有吹 氩精炼调温装置。到1 9 9 9 年，我国各种型式的二次精炼装置已超过1 0 0 台，2 0 0 0 年我国二次精炼的处理能力已达全国钢产量的2 1 左右( 不含钢 包吹氩喂丝处理) 1 7 1 f 1 9 1 。 1 2 2 精炼炉的类型及特点 由于炉外精炼技术可以提高炼钢设备的生产能力，改善钢材质量，降 低能耗，减少耐材、能源和铁合金消耗，因此，炉外精炼技术已成为当今世 界钢铁冶金发展的方向。 现在各种炉外精练方法已达几十种之多，但其共同特点均为：( 1 ) 有一个理想的精炼气氛条件，通常是应用真空气氛、惰性气氛或还原性气 氛；( 2 ) 采用电磁力、惰性气体或机械搅拌的方法搅动钢水；( 3 ) 采用 电弧加热、等离子加热或应用化学热等补偿精炼过程中的钢水温度损失 炉外精炼一般可分为两种类型：( 1 ) 钢包处理型( 没有加热功能的) 炉 外精炼法，如d h 、r h 、v d 、钢包喷粉和喂线法等；( 2 ) 钢包精炼型( 具 有加热功能的) 炉外精炼炉，如v a d 、v o d 、a s e a s k f 、l f 和a o d 炉等。其共同特点为：( 1 ) 有一个理想的精炼气氛条件，通常是应用真空 气氛、惰性气氛或还原性气氛；( 2 ) 采用电磁力、惰性气体或机械搅拌 的方法搅动钢水；( 3 ) 采用电弧加热、等离子加热或应用化学热等补偿 精炼过程中的钢水温度损失。各种炉外精炼方法的功能如表1 3 所示 2 0 1 2 3 1 。 表1 3 炉外精炼基本方法 鞍山科技大学工程硕士论文 注：a o d 一氩氧脱碳；a s m 一用氩气炉外精炼；v o d c 一真空氧气脱碳转炉；v d 一 真空脱气；v o d 一真空氧气脱碳；v a d 一真空电弧加热脱气：r h 一真空循环法； a p 一吹氩处理；i p 一喷吹处理；l f 一钢包炉。 1 2 3 不锈钢精炼工艺的特点 目前世界上8 8 不锈钢采用二步法生产，主要由a o d 和v o d 工艺生产，并 且设备不断更新，工艺不断改进。前者是真空吹氧脱碳，后者是用氩气和氮气稀 释气体来脱碳。将这两种精炼设施的任何一种与电炉相配合，这就形成了不锈钢 的二步法生产工艺。采用电炉与v o d 二步法炼钢工艺比较适合小规模多品种的 兼容厂的不锈钢生产。采用电炉与a o d 的二步法炼钢工艺生产不锈钢比较适合 大型不锈钢专业厂使用。 a o d 的二步法炼钢工艺生产不锈钢具有如下优点：1 、a o d 生产工 艺对原材料要求较低，电炉出钢含c 可达2 左右，因此可以采用廉价 的高碳f e c r 和2 0 的不锈钢废钢作为原料，降低了操作成本。2 、a o d 法可以一步将钢水中的碳脱到0 0 8 ，如果延长冶炼时间，增加a r 量， 还可进一步将钢水中的谈脱到o 0 3 以下，除超低碳。超低氮不锈钢外， 9 5 的品种都可以生产。3 、不锈钢生产周期相对v o d 较短，灵活性较 鞍山科技大学工程硕士论文 好。4 、生产系统设备总投资较v o d 贵，但比三步法少。5 、a o d 炉生 产一步成钢，人员少，设备少，所以综合成本较低。6 、a o d 能够采用 含c 1 5 以下的初炼钢水因此可以采用低价高碳f e c r 、f c n i 4 0 以及3 5 的碳钢废钢进行配料，原料成本较低。 其缺点是：1 、炉衬使用寿命短；2 、还原硅铁消耗大；3 、目前还不 能生产超低c 、超低氮不锈钢，且钢中含气量较高；4 、氩气消耗量大。 a o d 炉的炉体类似于氧气转炉，是由钢板围制的炉壳和内砌耐火材料的 炉衬所组成。精炼用混合气体的输送和调节系统是主要的控制系统。 a o d 炉的设备除路体的机械倾动装置和支撑该装置的金属结构外，还有 料仓、称量、输送和投入炉内等部件的加料系统。此外还有炉体的干燥 和预热装置等。 v o d 是真空吹氧脱碳法的简称，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。此方法适合生产 超低碳不锈钢，达到保铬去碳的目的。它的优点是实现了低碳不锈钢冶炼 的必要的热力学和动力学的条件高温、真空、搅拌。v o d 精炼工艺成 熟，控制容易，适应中小型钢厂和铸钢厂的多钢种、小吨位精炼生产需要， 对发展铸钢行业的精炼生产会起到很大积极作用，具有广阔的发展前景 【2 4 】 【2 6 1 。 冶炼是由电炉供应半钢。电炉的配料应保证达到规格要求。半钢中 含碳量偏高时，对铬的回收率有利。在v o d 炉中脱碳量为o 3 o 6 。 采用消耗式喷枪或水冷喷枪。v o d 炉一般不造精炼渣，对在真空下冶炼 超低碳及超低氮钢十分有利。采用电炉冶炼不锈钢时，由于对原料中的 碳、铬含量加以限制，所以低碳铬铁用量多，生产成本高。v o d 炉可冶 炼极低碳和氮含量的不锈钢。用炉外精炼法生产的不锈钢，其微量杂质 ( 铅、锡等) 均比电炉生产的低。 1 3 鞍山科技大学工程硕士论文 v o d 的具体特点如下： ( 1 ) v o d 精炼不锈钢时，氧化钢中的碳所释放的化学反应热，能为精 炼过程提供足够的热源，通过工艺手段能将钢中碳降到o 0 0 2 的水平。 精炼中铬含量呈波浪型变化，其氧化量主要与初炼炉出钢时的铬含量、 真空开始吹氧温度有关。 ( 2 ) 硅在精炼中既可作为温度调节剂，又可作为还原剂，在一定条件 下，高硅钢中的硅对冶炼超低碳不锈钢有一定的有利作用。 ( 3 ) v o d 精炼不锈钢时对气体元素的作用较为明显，氮、氢、氧含量 分别随着脱碳量、真空度、真空碳脱氧时间和钢中残余铝的增加而下降。 ( 4 ) ) 3 i i 大渣量，提高渣温、碱度和氩气流量，能去除钢中5 0 左右的硫。 v o d 炉设备由真空罐、钢桶、真空泵、氧枪、加料系统、终点控制仪表 和取样测温装置等组成。其特点是真空泵的排气能力大，采用类似转炉 的氧枪，喷嘴为拉乌尔式，精炼用钢包应承担真空吹氧、脱碳、精炼和 浇注等功能。脱气罐由罐本体和罐盖组成，罐盖上有测温、取样、加合 金料和吹氧的设备。为了防止脱碳飞溅，在钢包与真空盖间安装了一个 挡渣盖【27 1 。 1 4 鞍山科技大学工程硕士论文 2 课题研究意义及研究方法 2 1 铸钢厂现状 鞍钢集团机械制造公司铸钢厂( 以下简称铸钢厂) 隶属于鞍钢集团 机械制造公司，座落于辽宁省鞍山市鞍钢厂区。 铸钢厂始建于1 9 3 6 年，当年日伪时期，只是一个小型铸钢件生产厂， 生产能力很低，工艺水平落后。随着生产不断发展，几十年来，特别是 建国五十年来，几经改造扩建，如今已成为具有铸钢件生产能力1 5 0 0 0 吨，单件重1 5 0 吨，外加各种合金钢锭及管坯为一体的全国最大的铸钢 件专业生产企业之一。 铸钢厂占地面积5 0 1 6 7 平方米，建筑面积4 2 8 4 5 平方米，固定资产 2 0 3 亿元，现有职工1 8 6 0 人，有中、高级技术管理人员1 4 8 人。集冶 炼、木型、铸造、热处理、清整为一体。由于管理水平及工艺水平的不 断提高，产品结构也发生根本的变化。随着国企不断深化改革，八十年 代初，铸钢厂就由原来的只面向鞍钢生产服务的封闭型管理开始转变为 积极参与鞍钢外市场竞争的开放型管理，为国内外广大用户服务，并且 拥有独立自主经营权，可以充分发挥鞍钢技术、设备、原材料、动力等 优势，不断开发研制新产品，使产品更新换代。 随着企业深化改革，铸钢厂为适应市场经济的应变力和竞争力，加 速了自身改造，9 3 年完成的改造中，投入了2 亿元，改建了冶炼设备， 将平炉取消，改为两座公称容量为2 0 吨的电炉和一座4 0 吨的l f v o d 精炼炉。同时扩大了造型能力，厂房跨度达3 0 米宽，最大吊车起重能力 为1 2 5 吨，轨道标高1 9 米，并配以相应的大型浇注地坑。为拓宽铸钢件 1 5 鞍山科技大学工程硕士论文 市场，提供了物质基础。改造后铸件生产能力达1 5 0 0 0 吨，单件最大可 生产1 5 0 吨，产品对象由原来只为冶金系统生产一些低附加值的产品改 变为生产出口产品、大型冶金机械设备、水电设备、军工产品为代表的 高附加值产品。企业的竞争力明显增强，取得了较好的经济效益。如今 的铸钢厂已是集先进的企业管理和现代化技术工艺装备水平为一体的大 型铸钢件专业生产厂。 2 2 课题研究意义 大型水电机组用上冠是水力发电站核心部位的主要部件，材质要求 为超低碳不锈钢，铸造产品重量大，对冶炼工艺要求严格，是具有高附 加值，高技术含量的高科技产品。过去由于我国受装备水平的限制，特 殊钢厂有精炼设备的却没有铸造能力，而有大型铸造能力的铸钢厂又没 有精炼设备，因此在大型水轮电机、高压水泵等设备制造中被广泛的应 用一些大型超低碳不锈钢铸钢件全部靠进口。国内仅能生产含碳较高的 大型马氏体不锈钢铸件。 而在铸钢厂，由于只有一个精炼炉，只能生产需要钢水量较少的小 型铸件，铸件产品的技术含量低，附加值少。为此，通过铸钢厂近几年 单炉冶炼生产超低碳不锈钢的经验，利用铸钢厂现有的两座电炉、一个 精炼炉，采用冶炼三、四罐的钢水合浇，生产具有高附加值的大型超低 碳不锈钢铸件，保证国内水电行业建设的需要。从而占领国内市场，并 为企业创造可观的经济效益。 本课题就是根据铸钢厂现有设备情况，研究开发电炉配加l f v o d 精炼设备多罐合浇大型不锈钢铸件生产工艺，此工艺模式的开发成功， 将使铸钢厂能够利用现有的精炼设备生产符合用户要求的大型超低碳不 锈钢铸件，替代同类进口产品。在我国能源短缺，大力发展水电行业的 1 6 鞍山科技大学工程硕士论文 今天，将具有巨大的社会效益和经济效益。 2 3 研究方法 通过研究铸钢厂单炉超低碳不锈钢的生产工艺，研究在铸钢厂单炉 l f v o d 生产时，各种冶炼参数( 开吹温度、吹氧真空度、初始钢水成 分等) 对钢水温度的影响关系，综合各种冶炼参数的影响关系，对各种 工艺参数优化，使v o d 处理后，钢水能够达到一个较高的温度，然后 通过加入冷料( 钢种返回) 调整温度，使各罐钢水同时符合出钢温度， 并据此建立一个能够连续生产同时浇注的多罐合浇生产工艺模式28 1 。 鞍山科技大学工程硕士论文 3 v o d 工艺的理论分析 v o d 法也称真空吹氧脱碳法，是2 0 世纪6 0 年代发展起来的生产不 锈钢的新方法，它是将钢包放入真空罐内在真空下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。此方法适合生产超低碳不锈 钢，达到保铬去碳的目的。他的优点是实现了低碳不锈钢冶炼的必要的热 力学和动力学的条件一高温、真空、搅拌。 3 1 真空吹氧中含铬钢水成分、温度及真空度的平衡 钢液中同时存在 c 、 c r 时的氧化反应式如下2 9 1 ， 合并得： n c 3 十n 0 3 2 n c o “1 2 ；忑；：西i ( 3 - 1 ) d h m c r + n 0 3 = ( c r 一。n ) k z 2 二主j 专( 3 - 2 ) n 【c 】+ ( c r 。o 。) = m 【c r 】+ n c o ) ( 3 - 3 ) 根据d c h i l t y 的数据【3 们，因铬含量不同，高铬钢水中所生成的氧化物 有三种形态：如果 o r 】 9 时，生成c r 3 0 4 ，此时m = 3 ，n = 4 ，高铬钢 液中氧化生成的c r 3 0 4 很快在渣中达到饱和状态而析出，所以oc r 3 0 4 = l 则反应为f 3 1j ： ( c r 。0 4 ) = 3 c r + 4 0 1 8 l g k = 一5 4 r 2 0 0 + 2 4 2 6 ( 3 4 ) 篆互种 妒 鞍山科技大学工程硕士论文 结合 c + 0 = ( c 0 ) 得脱碳反应： ( c r 。0 ) + 4 c = 3 o r + 4 ( c 0 ) l g k 。- l g 等3 4 = 一掣1 埘。e 略1 l g k = 半+ 2 0 0 3 ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 为使反应向右进行，创造炼钢的条件为升温、降压。v o d 法超低碳不锈 钢冶炼就是利用这一道理。在高温、真空条件下，实现降碳保铬的。将 上式变换后，可得到钢液中碳的活度和各组成的关系： o = p c 0 x 帮3 4 ( 3 7 ) 从( 3 - 7 ) 式表明，只要熔池温度升高，k 值增大，就可使平衡碳的活度 降低。同理降低p c o 也获得较低的碳活度。 根据d c h i l t y 的数据，在【c r 】= 3 - 3 0 时，【c r 】和 c 】的温度关系式如下： l g c r e c o 一堂+ 8 7 6 ( 3 - 8 ) c 1r 根据k o n o 等的数据，在冶炼含镍的不锈钢时，有如下回归式： l g 篇8 9 y 7 5 + 6 3 7 7 + 0 0 0 9 n i l ( 3 _ 9 ) 高c r 钢液中碳氧化的物化关系式可用下述方法求出： 主 c r + 2 c o = 2 c + i i c r m o n a g o c2 4 6 5 6 6 2 + 3 0 7 9 7 t j m 。1 ( 3 1 0 ) 由化学反应的等温方程可知3 2 】： a g = a g + 1 9 1 5 5 t l gk ：r 。c 式中一。一一非平衡态的浓度比值 1 9 ) ll 一 3 ， ( 鞍山科技大学工程硕士论文 当反应平衡时， a e s e e z + s 。z - 。，t = 一，。s s t s ：；i j 2 ；】_ 吾( 3 - 1 2 ) 将c 、c r 、n i 的活度系数代入上式，则有 2 1 9 c 卜1 5 1 9 c r 卜2 l g p c o + 0 4 6 c + o 0 2 3 7 n i - 0 0 4 7 6 c r ：2 4 3 0 _ _ 0 1 6 0 7( 3 - 1 3 ) 由( 3 - 1 3 ) 式可求出 c 、 c r 、 n i 、t 、p a o 间的平衡值，以此估量 熔池吹氧、温度、真空度和钢液成分的影响。 将终点成分及温度：c ：0 0 3 、c r ：1 2 0 0 、n i ：4 0 0 、t ： 1 6 3 0 ( 1 9 0 3 k ) 带入式中，得p = o 1 2 2 ，即9 3 乇( 1 2 4 1 0 3 p a ) 。 这说明，要保证碳氧化而铬少损失使终点成分合格，就必须保证停 氧真空度达到9 0 乇以下。就目前铸钢厂的设备能力( 真空度可达到o 5 乇) 和生产实践( 停氧真空度为3 0 乇以下) 来看，保证这个要求是没有 问题的。 3 2 不同元素氧化1 时所造成的温升值理论计算 吹氧过程中钢水温度升高的原因是c 、s i 、m n 、c r 、f e 等元素氧化 时的放热反应。表3 1 列出冶炼温度下一些物质的热容( 1 8 0 0 k ) 【33 1 。 表3 1 冶炼温度下一些物质的热容( 1 8 0 0 k ) 鞍山科技大学工程硕士论文 把0 2 加热到冶炼温度的热焓h 1 9 0 0 k h 2 9 9 k = 5 1 7 4 8 j m o l 。 计算0 0 c r l 3 n i 4 m o 不锈钢的热容和平均原子量： c p l 8 0 岍旷( 羔4 3 9 6 + 盏4 5 1 3 + 三5 8 7 1 3 8 m 羔+ 盖+ 志h s 7 7 j m 5 5 0 15 87 1 。t 8 55 2 。 平均原子量= 8 3 5 5 8 5 + 1 3 5 2 0 1 + 4 5 8 7 1 = 5 5 4 7 碳：2 【c + 0 2 = 2 c o a g 。一2 7 9 2 5 9 5 6 4 2 5 8 tj( 3 - 1 4 ) 氧化含碳1 的钢水生成2 m o l c o 所升高的钢水温度： a t ：( 2 7 9 2 5 9 5 6 5 1 7 4 8 ) ，( 4 3 7 7 三业+ 2 3 5 9 6 ) ：1 1 2 c 5 5 4 7 同理可求出其它元素氧化1 时所造成的温升值见表3 2 。 表3 2 不同元素氧化1 时所造成的温升值 3 3 加冷料降温的理论计算 以在3 0 t 钢水中加入1 0 0 k g 废钢为例，计算加入冷料的钢水降温： 钢的固态平均热容为0 7 k j k g k ，熔化潜热为2 7 2k j k g ，液态平均热 容为0 8 4 k j k g k 【3 钔，则 1 0 0 k g 废钢从2 56 c 加热到1 5 0 04 c 需要吸热： 1 0 0 0 7 ( 1 5 0 0 - 2 5 ) = 1 0 3 2 5 x1 0 3 k j 1 0 0 k g 废钢从1 5 0 0 。c 固态熔化成液态需要吸热： 1 0 0 x 2 7 2 = 2 7 2 1 0 3 k j 2 1 鞍山科技大学工程硕士论文 l o o k g 钢液从1 5 0 0 c 加热到1 6 0 0 需要吸热： 1 0 0 0 8 4 x ( 1 6 0 0 - 1 5 0 0 ) = 8 4 x 1 0 3 k j l o o k g 废钢从2 5 加热到1 6 0 0 。c 需要吸热： 1 0 3 2 5 1 0 3 + 2 7 2 x1 0 3 + 8 4 x1 0 3 = 1 3 8 8 5 k j 设冶炼时有2 的渣量，加热的包衬相当于钢水量的5 ，平均热容均为 1 2 3 k j k g k ，则钢包内3 0 吨钢水下降1 放出热量为： 3 0 x 1 0 3 x 0 8 4 + 3 0 x 1 0 3 x ( 0 0 2 + 0 0 5 ) 1 2 3 1 = 2 7 7 8 x 1 0 3 k j 所以l o o k g 废钢能使钢包内3 0 吨钢水下降为 1 3 8 8 5 x1 0 3 2 7 7 8 x1 0 3 = 5 经过生产实践的检验，加入冷料的钢水降温实际值与理论计算值相同。 鞍山科技大学工程硕士论文 4 单炉v o d 炉外精炼的工艺研究 4 1 铸钢厂v o d 基本工艺流程 铸钢厂现有两座公称容量2 0 吨普通功率电弧炉( 出钢量可达3 5 吨) ， 一台4 0 吨l f v o d 精炼炉，精炼炉又两座罐车，可交替加热，也可同时 进行加热和真空操作。 冶炼超低碳不锈钢采用的工艺流程如下： l 电炉采用返回吹氧法冶炼 l l f 炉调整成分、温度 l i扒 渣 l v o d 真垂吹氧脱碳 i加还原渣l 料，合金化 l l真空去气 l浇注 图4 i 铸钢厂v o d 基本工艺流程 鞍山科技大学工程硕士论文 其中电炉的冶炼时间约为1 8 0 分钟，l f 处理时间为4 0 m i n ，v o d 处 理时间为4 0 m i n 。 4 2 v o d 基本精炼工艺实验 试验钢种为0 0 c r l 3 n i 4 m o ，其成分要求见表4 1 表4 10 0 c r l 3 h i 4 m o 成分要求 精炼罐进入真空工位抽真空，当真空度达到1 5 0 2 5 0 乇，下降氧枪 距液面1 1 1 米，吹氧，氧流量7 8 m 3 m i n ，压力o 6 o 7 m p a ，此时 调节氩气3 0 5 0 l m i n 。浓差电势值下降为零，停止吹氧。停吹氧后， 进行真空碳脱氧，浓差电势值升起又下降为零后，真空脱氧结束。破真 空，v o d 处理结束。 正常吹氧操作过程中吹氧强度、真空度、浓差电势值、氩气、废气 关系如图4 2 所示。( 某炉次v o d 实际数据) 鞍山科技大学工程硕士论文 i 氯讯麓电移 n t e 1 k 耋 氧 、 + 1 二带m ， 妻 + l 。 。2 c 1 0 氟_ 一一 4 0 乒 4 。 8 。 支 氓 。5 1 2 0 。 爪7 1 0 、 2 0 0 - + 一