真空脱气（VD）和真空吹氧脱C（VOD）已开发成功并利用它在熔化炉外进行了精炼操作。VD/VOD系统的优势是可在一台设备中完成所有的冶金步骤。2008年，一台150t VD/VOD新设备在TK AST钢厂投入使用。它可生产多种锻造钢，主要生产铁素体不锈钢，其中包括某些优质铁素体不锈钢。
1优质铁素体钢优质铁素体钢是20世纪70年代发展起来的一种新型材料。它具有铁素体显微结构、极低含量的C+N、11%~30%Cr以及不同含量的钼、钛、镍和其他合金元素。这种优质铁素体钢可代替昂贵的优质合金或钛合金，并在许多领域得以应用。目前，铁素体钢已经广泛用于各行各业。首先是用于接近海岸发电厂的热交换器和各种近海设备；其次是化工行业的运输容器和食品工业，太阳能电池和锂电池；特别值得一提的是用于电动汽车催化剂转换器以及其他各种不同行业。由于镍价猛涨，在某些地方铁素体钢已经代替了高价的奥氏体钢不锈钢。优质铁素体钢二次冶金追求两个基本目标：一是在各种情况下使钢中的C和N含量降至最低；二是用最经济和最有效的方法实现此目标。为此，在真空条件下采用强制脱C相对比较容易实现上述目标。特别是初始含C量较高，直至到达临界含C量之前的短暂时刻，脱C反应极易发生且速度极快。对脱C反应速度进行最后限制也仅需通过真空泵抽力和钢包内的适用空间高度即可完成。研究指出，去N2反应速度由N原子扩散到钢液/气体表面间的速度和反应生成物也就是N2的脱离速度所决定。有效的脱N2反应表面积的大小在很大程度上取决于真空压力和从容器底部搅拌气体及脱C反应生成的气泡上升数量的多少和大小，也就是从钢液“沸腾”上浮气泡的多少与大小。此外，反应表面活性元素例如O2和S的存在也不利于去N2。由此可见，去N2反应最容易在吹O2开始时发生。这是因为刚吹O2时，脱C生成的CO在强烈搅拌增大反应面的同时也降低了钢液面上方的N2分压，加上高C含量降低了表面活性元素O2的结果。为了达到最高的脱C速度，从而实现最高的脱N2速度以保证在短时间内完成二次冶金处理，20世纪70年代，钢厂开发成功一种叫做强烈搅拌SS-VOD工艺。其特点是依靠非常高的初始含C量（0.8%~1.2%或更高2.0%）和特别高的底吹气10L~40L/t·min（s.t.p）搅拌以及相应较高的钢包净空高度（1.8m~2.0m）。然而今天，多数钢厂已不再使用这一极端的操作工艺。当前，生产铁素体钢的常用路线是所谓的“三步法”，即EAF-AOD-VOD路线。这种生产路线中，电炉的任务是熔化炉料、脱C和还原炉渣中的Cr。由于AOD装置内腔尺寸具有良好的几何比例，所以，它也担负着主要的脱C任务和炉渣还原。从AOD装置出钢后去除还原渣和加入合金。紧接着在VOD中经顶吹O2完成脱C同时降低真空罐压力，完成温度调整和分析。就理论而言，采用二步法即EAF-VOD路线也可冶炼铁素体钢。但是必须具有很高的初始含C量才能实现钢中的最低含N量。因而，为达此目的，VOD装置不得不进行多次循环导致处理时间的延长。尤其是采用单真空罐时更是如此。理论和实践均证明，如果在二步法中增加AOD装置，由于反应空间较大，使脱C速度提高3~4倍。因此，三步法EAF-AOD-VOD冶炼铁素体不锈钢比二步法有着更为明显的优势。2 TK AST钢铁厂位于意大利的ThyssenKrupp Acciai Speciali Terni（TK AST）钢厂生产特殊钢的历史已有100多年。1994年AST钢厂并入蒂森克虏伯（TK）不锈钢集团，该钢厂利用出钢量为150t和120t的两座电弧炉，3台板坯连铸机和轧机，年产板材和带材达到约145万t。首先将各种炉料包括废钢和铬铁加入电弧炉冶炼，从电炉出钢后去除还原渣进入AOD装置并在大气中进行脱C和炉渣再还原。从AOD出钢后进入钢包加热至下一步工艺VOD所需的初始温度，同时加入合金。之后，利用LF进行再脱渣以获得无渣表面，有利于钢液在VOD中进行并完成精炼。之后，钢液送至连铸机铸成钢坯。2008年，TK AST钢厂建造和安装的新式VD/VOD投入使用。一方面用它处理锻造钢，利用其脱气优势将钢中的H2含量脱至1.0ppm以下和在一定程度上进行脱S。另一方面是利用VD/VOD生产铁素体钢，首先是生产优质铁素体不锈钢和各种特殊合金钢。由于考虑到时间问题，TK AST钢厂也采用EAF-AOD-VOD三步法生产铁素体不锈钢。新的VD/VOD采用单真空罐，一次最大处理量为150t，计划年处理能力达10万t（见原创图1）。这台新的VD/VOD可与AK AST钢厂的40t、64t和144t等三种不同容量的钢包配合使用。为了应对将来工厂扩产，已考虑今后采用双真空罐。在TK AST钢厂，真空罐设置在车间地平面，拥有手工吹Ar并配合插入钢包底部的高温耐久软管进行吹Ar搅拌。新的VD/VOD有一个可移动的、安装有中心氧枪的真空盖。在真空盖上装备有半自动取样、测温和在大气下进行H2含量测定的仪器。真空盖可用液压机构提升和下降，此外在真空盖还装有一套真空锁和喷入系统，以便在真空处理期间和真空处理后分别加入块料和喂入冶金丝。为了监控处理过程，在不同角度安装了两台摄像机进行视频监视。真空盖子上有一防止喷溅的耐火材料里衬和具有中心孔的热辐射防护罩。盖子可在真空处理期间下降到钢包边缘，盖子边缘通水冷却以防止处理期间钢包边缘的热辐射。2.1 真空发生器为了获得需要的真空度，给真空发生器安装了四级蒸汽喷射器真空泵。在蒸汽喷射器3A、3B和B2的蒸汽喷嘴中装有针型阀，以便将真空度调控在300MBAr~30Mbar之间，同时使其在低真空状态下蒸汽消耗成为最佳，即在蒸汽压为16bar时，蒸汽消耗约16t/h。在压力为0.67bar时，真空泵的额定抽吸能力为500kg/h。用抽气泵抽出废气，通过废气分析装置对废气中的CO、CO2、O2和H2进行连续测量，使操作者每时每刻都能正确控制工艺。产生的废气和粉尘在进入抽气泵之前，被安装在上游的废气冷却器冷却后预以去除。在废气管末端安装了一个硫燃烧器，用它确保CO含量过高时产生二次燃烧，从而将多余的CO变成CO2。2.2合金化用14座料仓贮存合金及附加介质。料仓正下方装有4台大小不同的称量漏斗，完成合金等料称重。用两台皮带运输机和一台旋转料槽将已称重的合金送至真空闸阀。2.3自动化为帮助全体操作人员正确操作和掌控相关参数，专门安装了一套2级自动化系统。用它存贮处理数据和详细记录处理工艺，并利用工艺模型和假定数据做出预先计算，再用预计算值对工艺进行连续跟踪计算，同时给操作者提出关于工艺各个步骤的正确处理建议。3 冶炼优质铁素体钢的VOD处理工艺现将TK AST钢厂处理优质铁素体钢的详细工艺介绍如下。TK AST钢厂生产的四种典型的优质铁素体钢的化学成分见原创表1。VOD处理前钢液的原始分析数据见原创表2。从AOD装置出钢后钢液去渣同时进入VOD。当钢包放入真空罐后，将底部搅拌系统与钢包底部的两块多孔塞砖联通，并立即进行底吹气搅拌，同时调整搅拌强度，使之与处理工艺的需要相适应。之后人工测量钢包净空高度和钢液熔池温度。如果钢液重量为125t，钢包净空高度约为1500mm~1800mm，钢液熔池的初始温度为1620℃~1640℃。该工艺在TK AST钢厂不是一种经典的SS-VOD工艺，而是一种折衷的标准的VOD工艺。真空罐用移动式真空盖小车进行密封，真空泵的启动和VOD处理部分在降压下进行。具体处理可细分为以下三个阶段：1）吹氧阶段；2）真空C脱O2阶段（精炼）；3）脱O2和炉渣还原。以下将对几个处理阶段进行详细介绍。3.1 吹氧阶段当真空压力约160Mbar时开始吹O2。TK AST钢厂吹O2速度在1000m3/h~1400m3/h（s.t.p）之间，吹O2距离在1600mm~1900mm内。理论吹O2速度可高达2500m3/h（s.t.p），有利于缩短吹O2时间，但可能增加在喷溅防护板上的结壳。吹O2还可细分为初期、静态和动态三个时期。吹O2初期，仅持续几分种，吹O2在低速和近距离（喷嘴与熔池间的距离）状态下进行。一旦产生强烈的CO反应便开始了所谓的“点火”期，此时吹O2速度和距离随之增加。静态期，吹O2速度和距离保持不变，而真空压力却在不断下降以便降低CO分压和防止Cr氧化。动态期，吹O2速度采用一次或多次降低的方式以便降低CO反应强度。吹O2快结束时，随着真空压力的进一步降低，吹O2距离也随之减小。接近动态期末，真空压力降至大约10Mbar范围内。维持相对较低的压力是为了在含Cr量很高的情况下使Cr的成渣度降至最低。当初始含C量为0.30%~0.40%时，总的吹O2时间大约在60min~70min。3.2 真空C脱氧（“精炼期”）一旦吹O2结束，利用喷射器4A+3A+B2+B1，以降低真空压力，通过真空C脱O2将钢液中的C降至尽可能低。这个阶段的持续时间取决于成品钢的终C含量，一般为15min~20min，也有可能达到35min。这时的钢液温度在1680℃~1720℃之间。3.3 脱氧和炉渣还原阶段一旦确定了“精炼”期，便立即加入脱O2剂、炉渣还原剂和造渣剂。这个处理步骤通常是为了还原炉渣中的铬氧化物以回收在吹O2期间因氧化转移至炉渣的Cr。FeSi通常作为还原剂加入，根据钢种的不同也可加入少量Al作还原剂。FeSi作为还原剂的平均加入量为4kg~6kg/t钢。为了中和SiO2的增加，根据还原期间的炉渣碱度，需要加入大量的石灰，必要时还应加入荧石以降低炉渣粘性。因为脱O2过程在金属和炉渣之间必然发生强烈反应，所以，在这个阶段同样需要在低真空状态下利用相应的高达4L/t·min（s.t.p）底吹气进行搅拌处理。附加处理目标是进一步降低含N2量。实验得知，降低钢液和渣液中的O2活性不仅有利于N原子扩散降低钢液中的N2含量，而且随着N2含量的降低，S含量也会降低至要求的低水平。这个处理阶段完成后，借助半自动氧枪完成钢液温度测量和取样。3.4 后处理阶段后处理在大气中进行，主要任务是调整钢液温度和化学成分。通过加入块状FeSi或废钢或喂入含有与O2亲和力较强的铌或钛元素的冶金丝以完成上述目标调整。TK AST钢厂后处理工艺通常在LF中进行。可以清楚地看到，在每个处理阶段，N2含量与Cr含量是成正比的。也就是说较高的N2含量可以获得较高的Cr含量。其原因是N与Cr的亲和力大于C与Cr的亲和力。4 二级工艺自动化TK AST钢厂的二级工艺自动化系统与集成VOD模型一起依靠同一台PC服务器运行。设计成功的二级工艺自动化系统已成为帮助工厂操作者运行和管理整个处理工艺的重要工具。除了模型计算外，常利用二级工艺自动化系统存贮所有超长时间的处理数据和为每一次单独的钢液处理准备详细的处理报告。处理初期，即吹O2阶段连续计算的主要目的是分配吹O2以完成C、Si、Cr、Mn和Fe等元素的氧化反应。此外，为比较脱C反应的测量值，为了分析废气的CO、CO2和氧气含量以及为了测量废气流量，也需要进行连续计算。5 结论VOD装置至今仍是生产优质铁素体钢的主要设备。由于Ni价不断上涨，可以肯定，价格相对低廉的铁素体钢用量的增加一定会促进钢厂产量的扩大。由于VOD的冶金性能和脱气、脱硫性能优越，加之它既能处理铁素体钢也能处理非不锈钢和优质锻造钢。所以，VOD炉外处理工艺的应用前景将会十分光明。  （来源：炼钢）

备注：数据仅供参考，不作为投资依据。