铸造AOD精炼炉系统浅析

铸造AOD精炼炉系统浅析

刘新峰张鹏程何永亮李万青沈阳铸

刘新峰张鹏程何永亮李万青沈阳铸造研究所110000

摘要本文从AOD精炼炉的原理、设备、工艺流程、冶金功能及经济效益等方面做一介绍，以方便广大冶金及铸钢企业对此有所了解。

关键词AOD工艺冶金功能经济效益

1、AOD介绍

AOD（ArgonOxygenDecarburization）氩氧脱碳是一项用来精炼不锈钢、超低碳不锈钢，以及优质合金钢的先进工艺。它是双联工艺的一部分，熔融金属从单独熔化炉转到AOD精炼炉中。通常熔化炉可有多种，但最常用的是电弧炉或感应炉。AOD工艺最初是用来降低不锈钢的生产成本。同时能明显降低钢中有害的残余元素和气体含量，从而改善钢水质量，获得高的纯净度和优良的力学性能。目前AOD工艺已用于许多合金的精炼，包括：不锈钢、工具钢、硅钢、耐热钢和超级合金、军用钢、低合金和碳钢。

2、AOD原理

AOD采用氧气和惰性气体（氮气或氩气）混合物代替纯氧，通过炉体侧面的喷枪吹入熔池中。其核心是改变脱碳热力学，以及氩气惰性气体的真空效果和强烈的气体搅动能力的冶金动力学。

降低一氧化碳分压可使碳含量脱到很低的水平而不需要过份的铬氧化。这项工艺能在装炉料中使用高碳铁合金，而基本上避免使用昂贵的低碳铁合金。另外，气体由侧面吹入熔池带来工艺过程的优越性。这些包括良好的钢渣－钢液和气体－钢液间的接触，优越的脱碳动力学条件，及吹入熔池的氧气100％与熔池发生反应。浸入式喷吹方式还可以去除非金属夹杂物和有害的溶解气体，如氮气和氢气。

3、AOD设备

AOD炉由一个耐火材料作为炉衬的可拆卸的钢壳构成，。工艺气体通过埋在AOD炉侧壁喷枪吹入。侧吹给熔池以最大的搅动能力实现最大的混合效率。喷枪的数量和相对位置部分取决于炉子尺寸，每炉容量范围，工艺气体的流量和精炼合金的类型。

气体控制系统提供工艺气体的公称速率在吨钢1.0M3／分~3.0M3／分间变化。系统精确控制流量并监测吹入熔池的气体量，以使操作者能控制工艺并记录吹入的总氧气量。

高产量的AOD车间应有三套可替换使用的AOD炉壳，以保证100％有效利用AOD生产。通常都是一个炉体在托圈上炼钢，第二个炉体在预热状态，第三个炉体在砌炉衬。托圈上的炉体在不到l小时内就可以更换一只预热的炉体。

AOD工艺气体、炉体倾动和辅助设备的控制方式均能在手动到全自动间变化。大多数装置都实现计算机辅助工艺控制，如计算所需氧量及合金添加量。一些AOD还装有计算机控制气控系统的输入设置点和流速。

4、工艺流程

炉料（废钢和铁合金）在电弧炉或感应炉中熔化。它们与按规格中限配入的络、镍和锰铁一起熔化，根据使用最低成本炉料的情况，碳在熔清后的含量可在0.5％至3％间变化。一旦炉料熔化，则出钢，并在转入AOD炉之前，除渣和称重。

在精炼不锈钢时，氧气和惰性气体以分步方式吹入熔池。氧气对惰性气体比率是随含碳量下降而减小。一旦目标碳含量达到，还原料（石灰、硅和铝）被加入。如果需要非常低的含硫量，可加入第二次脱硫渣料。每次添加都伴随着吹氩气搅动。还原后，通常取一个全分析试样。根据分析结果，进行成分调整。

碳钢和低合金钢的AOD精炼工艺采用二步操作方式：降碳和还原/加热。这些钢中较低的合金含量不需要吹入低于75％氧与惰性气体的混合气体。一旦所要求的含碳量和温度达到后，即可按处理不锈钢的工艺处理碳钢。

5、AOD冶金功能

（1）脱碳。对不锈钢和低合金钢而言，惰性气体对氧气的稀释作用可在没有过量金属氧化烧损下增加脱碳效率。精炼不锈钢时，0.01％的含碳量是容易达到的。

（2）化学成分控制。充分的钢渣－钢液混合和有效的还原工艺使AOD精炼具有极高的金属回收率和准确的成份控制。吹入计量的氧气，和已知钢水承重量可以使炼钢工人对最终含碳量进行非常准确的控制。

（3）脱硫。硫的含量可达到0.01％或低些。通常采用单渣操作可使含硫量低于0.005％，当超低硫被要求时（小于0.003％），也只需经过2分钟的单独渣处理就足够了。

（4）渣还原。有效的渣还原，连同计算好的硅和铝，使大多数金属元素回收率达到99％~l00％。

（5）氮气和氢气控。AOD中脱气是通过气泡反应（每一个氩气和一氧化碳气泡离开熔池时带走少量溶解的氮气和氢气）。氮含量在碳钢和低合金钢中可达40~50ppm，在不锈钢中为l00~200ppm。氢含量在碳钢中为l~2ppm，在不锈钢中可达2~3ppm。另外，如果需要用氮气来替代氩气，金属中氮含量能增加到接近溶解饱和度，这有助于以氮气代替高氮铁合金材料进行含氮钢的冶炼。

6、AOD经济效益

AOD所具备的冶金功为用户创造了节省原材料和操作成本的机会。

（1）采用最低成本炉料的能力。AOD独特的脱碳和脱硫能力及与真空工艺相媲美的脱气能力，允许使用最低成本的原材料，不但没有损害质量，反而改善了最终产品的质量。原材料费用的降低是通过采用高碳铁合金替代较贵的低碳铁合金；采用低成本的受硫、碳、氮、氢污染较严重的废钢和采用较低成本的金属氧化物而获得的。AOD可以采用氮气来达到成分中要求的含氮水平而不用非常昂贵的含氮铁合金。

（2）净化被污染的废钢的能力。在铸造生产和回收过程中被金属所吸收的一些污染物，可能影响大量的未经重新处理的返回废钢的使用，受污染的废钢不得不降级用于不重要的产品，或廉价销售出去，这两种结果都导致合金价值的损失。对比之下，AOD工艺能除去许多污染物，可以使铸件废钢作为符合标准的原材料而保持其全部价值。

（3）减少化学成分超标的炉次。为了达到所要求的最终成分和出钢温度，AOD工艺具有成分预测性、再现性，以及最大的调整灵活性，出钢前进行化学分析核对，如需要可调整成分。

（4）很高的生产率。一台电弧炉配置一台AOD炉的产钢量是仅用一台电弧炉产量的两倍。采用高的特定的吹气速率，顶吹氧枪，工艺过程的计算机化和自动装料。对不锈钢精炼，从装料到出钢的时间缩短为45分钟（一般情况为60~75分钟）。在受电弧炉熔化时间和/或电能供给和成本限制的生产情况下，AOD炉中加入25％~35％冷料，可增加生产率和降低电弧炉的费用。一台电炉配置一套AOD系统每天可生产7~l2炉不锈钢，二台电炉配置一套AOD系统每天生产l5~28炉。高生产率的AOD炉特别适合与连浇生产相结合。

（5）改进产品质量。AOD精炼不锈钢质量优于常规冶炼的不锈钢，主要是由于降低了气体含量、硫含量和在小的范围内控制了化学成分。典型气体（钢坯）含量：氧40~70ppm，氮100~200ppm（全部用氩气），氢2~4ppm。用氮代氩可精确控制钢中的含氮量水平。硫的含量可从高达0.25％降到0.00l％，初始硫含量为0.020％~0.060％时，典型产品硫含量可在0.003％~0.006％之间。铅的含量通常少于0.001％，这在不锈钢生产中已不再是一个问题。

7、结论

AOD精炼工艺作为成熟工艺，已成为冶金及铸造行业优先选择的精炼工艺。如充分利用，不仅扩大产品生产的种类，同时也会给产品性能及质量带来巨大的提高。

参考文献

【1】张仲秋.纯净铸钢及其精炼[J].铸造，1998.1

【2】李强AOD法在铸造不锈钢中的应用[J].特种铸造及有色合金1998.5

【3】张鉴炉外精炼的理论与实践.北京：冶金工业出版社，1999