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1、1/42,4.6 AOD炉的设备和工艺,钢铁冶金研究所战东平,2/42,4.6.1 简介,AOD法氩氧脱碳法（Argon Oxygen Decarburization）该方法是在大气压力下向钢水吹氧的同时，吹入惰性气体（Ar、N2），通过降低pCO以实现脱碳保铬目的。1954年美国UCC公司开发，1968年乔斯林钢公司研制成第一台AOD炉（15t）。目前日本65%的不锈钢、美国95%的不锈钢用AOD炉生产。与电弧炉相比，具有如下优点：（1）容易生产低碳和超低碳不锈钢；（2）可以利用廉价的高碳铬铁和返回钢生产不锈钢；（3）设备简单，操作方便，基建投资低和经济效益显著。,3/42,4.6.2 设备
2、,O2/Ar或N2,4/42,AOD炉设备一般由炉子本体、供气系统、供料系统和除尘系统组成。4.6.2.1 炉子本体 AOD炉炉子本体类似于转炉，由炉体、托圈、支座和倾动机构组成。炉体：炉体由炉底、炉身和炉帽组成。炉体为倒锥形，其侧壁与炉身间的夹角为2025。采用这种夹角的炉底侧壁对防止气流对炉衬的冲刷有利。吹入氩、氧气体的喷枪就装设在炉底侧壁风口处。喷枪多为套管结构，内管为紫铜所作，用以通入氩氧混合气体，外管为不锈钢所作，用以通入冷却气体氩。,5/42,炉帽的作用在于防止吹炼过程的喷溅和装入初炼钢水时钢水进入风口。炉子最初采用圆顶型，由于砌筑困难，后来逐步改为斜锥型。为了进一步改进砌筑条件，
3、目前又改为正锥型。,AOD炉炉帽演变情况,6/42,AOD炉的形状 1 炉帽；2风口；3炉底,炉子的熔池深度、熔池面直径、炉膛有效高度之比大体为1：2：3，对具体炉子来说，可能会有小的变动，如我国太原钢铁公司18t氩氧炉的上述比例为1：2：3.86。炉容比与同容量的氧气顶吹转炉相比要小一些，顶吹转炉的炉容比大体为1m3/t，而AOD炉的炉容比约为0.60.7m3/t。显然，适当增加炉膛有效高度和炉容比对提高炉内反应速度和防止喷溅都是极为有效的措施。,7/42,托圈起支持，倾动和换炉体作用。托圈上栓有耳轴，耳轴通过轴承将全部炉体重量承担于两个支座上。倾动机构通过马达和减速装置可使炉体向前或向后倾
4、动以便进行兑初炼钢水，出钢、扒渣和测温、取样等操作。我国太原钢铁公司18t AOD炉可以前倾160，后倾70。,8/42,4.6.2.2 供气系统,AOD炉是氩、氧和氮气的使用大户，为了保证AOD炉的正常生产，必须有大的能够分离氩气的制氧机作为气源，否则建造AOD炉的理想只能变成空想。为了贮存足够的气体，需要分别配置贮存氩、氧、氮气的球罐。为了向AOD炉输送气体，需要铺设相应的管道和配备必要的阀门。在AOD炉上使用着两种气体：1）按一定比例混合的气体，称工艺气体；2）冷却喷枪的气体。为了按一定的压力和比例配备混合气体和冷却气体，需要装设相应的混气包和配气包以及流量计、压力调节阀和流量调节阀等。
5、,9/42,10/42,4.6.2.3 供料系统,为了减轻劳动强度，使造渣材料（石灰、萤石）和铁合金（硅铁、硅铬等）装炉机械化，需要设置足够数量的悬空料仓以贮存这些散状材料；为了准确地进行称量，每个料仓下面均应装设电磁振动给料器；而为了运送这些材料还需要装置抓斗和皮带运输机等运输工具。,11/42,4.6.2.4 除尘系统,由于在AOD炉中进行吹氧脱碳，排放的CO、CO2等气体量极大，由此挟带出的粉尘量也极为可观，如不采取措施消除，势将超过国家规定的粉尘排放标准。国外AOD炉上多采用干式滤袋除尘法，我国也不例外。实践结果表明，经除尘后烟气含尘器为45mg/m3，大大低于国家规定的粉尘排放标准（
6、150mg/m3）。这说明滤袋除尘器的净化效果是相当理想的。,12/42,目前，不锈钢二次精炼工艺设备主要以AOD和VOD为主，而AOD法较VOD法的发展速度快，其主要原因是：1）采用电炉-AOD炉双联炼钢工艺法，由于AOD炉可吹入大量气体，因此炉料的选择灵活性大，脱碳速度快，可使用100%废不锈钢或廉价的高碳铬铁及废普通碳钢来配料，对Si、S等含量限制范围较宽，故生产效率高，成本低，而VOD炉脱C量只有0.5%左右，必须在电炉或顶底吹转炉中进行脱C粗炼。,13/42,2）AOD炉热效率好，脱C时可添加大量的冷却材料（废钢或其它冷料），添加总量可占出钢量的15%，甚至可增加到25%，而VOD炉
7、废钢或其它冷料的加入总量仅为出钢量的百分之几（使用特殊设备可以增加到6%）。因此，AOD炉除二次精炼外，还可承担部分冶炼任务。3）采用电炉-AOD炉双联，电炉只进行熔化升温，熔化完毕，钢中含碳在1.5%2.0%即可精炼，因而生产率高，一座AOD炉可配两座电弧炉进行生产。4）AOD炉可以随时扒渣和进行二次造渣，故容易生产含硫极低的钢（S10ppm）。,14/42,5）AOD与VOD精炼设备相比，设备简单、投资省，据报道AOD的投资额是VOD的1/21/3；维修简便、不易发生差错或事故，若生产中有些耽搁或其它问题，用AOD法钢水可以较长时间地停在炉内，通过后吹提温不会影响成分或产品质量。6）AOD
8、法比VOD法精炼过程更容易控制，易于实现自动化。,15/42,16/42,但VOD法也有它的独到之处，如：1）通过对真空度控制，可完全控制C氧化进行脱C，脱C后，还原渣中的Cr2O3只需添加少量的还原剂即可。2）在钢包内精炼，精炼后不吸收N、C，一般CN含量0.02，而AOD炉则在0.03以上。所以VOD更易于冶炼超低碳、氮及氧不锈钢。3）VOD法的氩气消耗量少，小于1Nm3/t，而AOD精炼不锈钢氩气消耗在1112Nm3/t钢，消耗氩气费用占成本的40%。目前国内虽然有较大的制氧能力，但早期建的制氧机附带制氩装置的极少。,17/42,通过比较可知：AOD炉设备简单、基建投资少、操作维修便利，
9、重复性高，对原料要求不严格，可以全部使用返回钢及高碳铬铁等廉价材料，生产率高，经济性好，不仅能生产不锈钢、耐热钢、耐蚀钢、高温合金、硅钢及纯铁，还可冶炼结构钢、工具钢。而VOD法则特别适合于生产C、N、O含量极低的特殊钢。,18/42,4.6.3 AOD冶炼工艺,AOD炉可与电炉双联，可与转炉双联，也可与感应炉双联，但与电炉双联者占绝大多数。以AOD炉与电炉双联为例，其工艺流程为：,电炉熔化,氧化期,还原精炼期,19/42,4.6.3.1 电炉熔化 与VOD相比，对配碳量的要求比较宽松，一般熔清碳高达13%，这对采用廉价的高碳铬铁作原料以降低成本是非常有利的。铬、镍、钼含量应满足最后钢种规格要
10、求。硅含量可以有某些波动，但希望能限制在0.25%以下，这样可以减轻炉称的侵蚀，缩短冶炼时间和防止升温过高。出钢温度应不低于1550。,20/42,主要的任务是脱碳，采用氩（或其他惰性气体）与氧的混合气体经风口吹入钢水以实现低CO分压下的脱碳。O2/Ar比变化于3/1到纯Ar之间。第一阶段：O2/Ar=3/1；加入合金或废钢以降低钢水温度，减轻炉衬侵蚀第二阶段：随着碳含量降低到一定值，可降到2/1或1/1；第三阶段：继续到一预定碳含量，可改用1/3到脱碳终点第四阶段：对碳含量小于0.01%的钢种，可用1/4 当要求钢中氮含量低时，可以使用纯氩吹炼；如不要求低氮含量时，则可用粗氩或部分氮气（40
11、70%）代替纯氩。,4.6.3.2 氧化期,21/42,AOD炉O2/Ar比的变化类型,22/42,铬：在吹炼过程中会氧化一部分铬（2%），为了还原此部分铬和稀释吹炼后十分粘稠的富铬渣，希望钢水温度在1700 以上。用FeSi粉和石灰作还原剂，并用氩气进行强烈搅拌。由于渣钢间反应剧烈，使（Cr3O4）+2Si=3Cr+2（SiO2）的反应进行的比较完全，所以铬的回收率可达99%，锰的回收率为90%。脱硫：还原期具有碱性还原渣、高温和强搅拌条件 单渣法：硫脱到0.01%的水平 双渣法：硫含量小于0.005%时采用,4.6.3.3 还原精炼期,23/42,AOD炉与电炉和VOD炉精炼能力和钢质量对
12、比,24/42,4.6.4 AOD炉的发展,4.6.4.1 AOD炉吹炼不锈钢工艺的完善,4.6.4.1.1 完善吹炼工艺A 脱碳工艺的改进1）根据原工艺实测高碳区（C0.7%）碳含量高于pCO=101.325kPa，Cr=20%的条件下，按下列二式计算的碳含量，证明AOD炉的脱碳并不受氩气稀释的影响，故在高碳区采用了纯氧吹炼，简称OOB，结果所得脱碳的氧利用率与O2/Ar为4/1时一样。,25/42,2）根据C0.7%时，脱碳服从如下的动力学规律：,为了加速脱碳速度，需要从降低%C平着手，而为了降低钢水平衡碳含量，就需要降低pCO，所以此阶段采用了电子计算机连续控制O2/Ar比的措施，简称O
13、RC。,26/42,3）在第三阶段，由于要通过下列反应从渣中还原（Cr2O3）：（Cr2O3）=2Cr+3O C+O=CO 故采用纯氩气吹炼，以发挥低pCO下的碳脱氧作用简称OAB。,27/42,普通法与改进法的吹炼条件,28/42,B 还原工艺的改进 为了延长AOD炉衬寿命，降低耐火材料消耗，缩短还原期是首要问题。根据原工艺的数据，还原前碱度越高，渣中（Cr2O3）越高。同时（CaO+Cr2O3）/（SiO2）越高，铬的还原速度常数和脱硫速度常数均越变小，这说明粘稠的富铬渣的确是还原铬和脱硫的限制环节。所以采取了改变还原前炉渣成分和加大氩气流量（由1900 m3/h增大到2400 m3/h）
14、强化搅拌以加速还原的措施。AOD炉衬明显提高，创525炉的纪录。,29/42,改进后工艺的经济效果,30/42,4.6.4.1.2 以空气代替氮气和氧气 美国Allegheny Ludlum公司提出无油干燥压缩空气代替外购氮气和氧气对AOD炉工艺进行改进。除1：9阶段吹入178.38m3的氩气外，其余阶段均未使用氩气，结果使氩气量降为1.71m3/t。用上述供气方法后，脱碳的氧利用率和铬的回收率与原工艺相比并未恶化，但却使购气费用降低了46.5%。,31/42,用空气代替氮气的AOD炉吹炼制度,32/42,日本住友金属工业和歌山制铁厂为了减少昂贵的铬铁消耗量，试验在AOD炉冶炼过程中加铬矿的方
15、法，其工艺流程为：,4.6.4.1.3 AOD炉吹炼过程中加铬矿石,铬矿于脱碳初期加入AOD炉内，最大加入量为50kg/t。靠铁水中C可使4080%的铬矿被还原，进一步加FeSi则可将其全部还原。提高钢水温度有利于加速还原过程，铬矿加入量超过25kg/t，则需增大吨钢FeSi加入量来弥补热量的不足。,33/42,4.6.4.1.4 在AOD炉上采用顶吹氧,日本大同特殊钢公司星崎工场为了减少20t AOD炉的FeSi消耗和初炼电炉的电耗，发展了AOD炉顶吹氧法（AOD-Counter-Blowing）。在20t AOD炉上设置顶吹氧枪供给二次氧以使从AOD炉熔池内放出的CO燃烧成CO2，由此产生
16、的热量靠炉底侧面风口吹入的O2、Ar（N2）等气体强烈搅拌而直接传入钢水。,34/42,在AOD炉上采用顶吹氧1熔池表面；2吹炼时熔池表面；3风口,35/42,在 AOD炉第一阶段（C0.3%）吹炼中使用上法取得的效果如下：1）钢水升温速度从7/min上升为17.5/min，提高了150%；脱碳的氧利用率提高了5%。2）脱碳速度从0.055%/min上升为0.087%/min，提高了58%。3）电能消耗减少78kWh/t，吨钢电耗降到385kWh/t；FeSi消耗减少了25%；精炼时间缩短11min（达到68min）。4）炉衬寿命达到235炉，吨钢耐火材材料消耗减少到6.7kg/t（此中有用M
17、gO为主对炉渣进行控制的效果）。,36/42,日本太平洋金属公司八户工场为了节约原材料和降低能耗，开发了用液态FeCr，FeNi原料直接冶炼不锈钢的方法。即直接用Fe-Cr-Ni铁水在AOD炉内进行吹炼。其效果如下：1）铬的回收率提高到99%，与电炉、电炉-AOD和LD-AOD法相比，AOD炉直接吹炼法的能耗为最低；2）采用顶吹氧后，脱硅、脱碳速度各增加了0.018%/min和0.009%/min与此相应，升温速度提高了2070%，FeSi消耗量减少了1015%。,4.6.4.1.5 AOD炉直接吹炼法,37/42,4.6.4.2 从AOD炉派生的新方法,4.6.4.2.1 VODC法 德国蒂
18、森（Thyssen）公司考虑到用VOD炉吹炼含碳量高的钢水会拖延时间，而且将盛有钢水的钢包放在真空罐内会使设备庞大。为了在这方面有所改进，他们开发了55t转炉加真空盖后炼不锈钢的新方法转炉VOD法（VOD Converter，简称VODC或VODK）。,38/42,39/42,用VODC炉精炼的铬回收率为98.5%，钢中硫含量可达0.006%，精炼时间最短为84min，平均为102min。而最引人注目的是可以将吨钢氩耗量降低到1m3/t。,40/42,CLU法基本上与AOD法类似，只是为了减小pCO不采用昂贵的氩气而代之以廉价的水蒸气。1972年法国克勒索特洛勒(Creusot-Loire)公司和瑞典的乌德霍尔姆(Uddeholm)公司在6t试验炉上开发研究，1973年乌德霍尔姆公司70t上生产。,4.6.4.2.2 CLU法,41/42,CLU法的操作工艺与AOD炉极相似，为了减少铬的烧损，在吹炼过程中随着碳含量的降低，要相应地调整氧气和水蒸气的比例。由于不能使用废钢冷却，要靠水蒸气分解的吸热反应和水蒸气量来控制钢水温度。还原过程中仅水蒸气进入风口，水蒸气分解所产生的氢会进入钢中，为此需要吹氩或氩和氮的混合气体进行脱氢。,42/42,生活快乐！,
