氩氧脱碳工艺

氩氧脱碳工艺

氩氧脱碳 (AOD) 是一种主要用于生产不锈钢和其他高级合金的工艺，例如硅钢、工具钢、镍基合金和钴基合金，其中含有铬和铝等可氧化元素。 AOD 于 1954 年由联合碳化物公司的 Lindé 部门发明，该部门于 1992 年更名为普莱克斯。AOD 转换器如图 1 所示。

图1 AOD转换器

今天，世界上超过 75% 的不锈钢是使用 AOD 工艺制造的。该工艺非常受欢迎，因为它结合了更高的金属产量和更低的材料成本。它提供了一种生产不锈钢的经济方法，同时将贵重元素的损失降至最低。它是双工工艺的一部分，其中废料或原始原材料首先在电弧炉 (EAF) 或感应炉 (IF) 中熔化。然后将熔融金属在 AOD 转炉中脱碳和精炼至碳含量低于 0.05%。 AOD 转炉的主要特点是脱碳用氧气与氩气或氮气等惰性气体混合，并通过浸没式风口注入。这种氩气稀释氧气可最大限度地减少特种钢中所含的贵重元素（如铬）的不必要氧化。 AOD 工艺的其他优点包括化学控制的精确度低至 0.01% 及以下，快速脱硫低于 0.001%，以及铅去除率低于 0.001%。最终结果是更清洁的金属以及更高的生产率。

AOD工艺采用稀释技术对钢浴进行脱碳。惰性气体（氩气或氮气）的注入降低了浴中 CO 的分压，从而使较高的铬含量与较低的碳含量保持平衡。通过地下风口吹出的气体产生的搅拌能量以及在金属熔池深处形成的一氧化碳导致转炉过程成为搅拌最剧烈的冶金反应器之一。气体-金属的紧密接触和良好的渣-金属混合促进了精炼反应。

AOD 工艺精炼有三个主要步骤。这些是（i）脱碳，（ii）还原，以及（iii）最终化学和温度调整。

AOD 过程的输入是 EAF 或 IF 过程的输出。钢水含有满足最终热成分所需的大部分铬和镍，在 1500 至 1600 摄氏度的温度下，从电弧炉或中频炉将钢水倒入转移钢包中。液态金属从转移钢包转移到 AOD 转炉。 AOD转炉可向下旋转，使侧装风口在钢水装料过程中高于熔池液位。

将含铁、铬、碳和镍的钢水从电弧炉或中频输送到AOD转炉后，加入高碳铬铁，吹入惰性气体（氩气、氮气）和氧气混合物开始吹炼。在初始阶段，氧气与氩气的比例为 5:1 至 3:1，通过侧风口吹入。该比率随着脱碳的进行而降低。由于吹气与氩气一起进行，因此可以在较低温度下进行脱碳。当碳减少到原始值的 30% 时，氧气与氩气的比例变为 2:1。当氧气与惰性气体的比例为 1:1 时，与稀释过程相关的主要好处就会发挥作用。碳的氧化继续进行，但铬的氧化受到限制。这是由于气体混合物的氧势非常低，从而最大限度地减少了铬的氧化。持续吹气达到0.09%~0.012%C。

工艺气体通过安装在转炉侧壁或底部的浸没式风口注入。侧壁注入通常为浴液提供最大的搅拌能量，以实现最大的混合效率。底部注入通常会改善转炉筒段的磨损特性。风口的数量和相对位置部分取决于转炉尺寸、加热尺寸范围、工艺气体流速和精炼合金类型。

气体控制系统以 1.0–3.0 N cum/min/ton 的标称速率供应工艺气体。该系统可精确控制流速并监测注入槽内的气体量，使操作员能够控制过程并测量注入的总氧气量。

当溶解的碳还原形成的铬和铁氧化物时，就会发生脱碳。脱碳反应如下。

3O? (g) + 4Cr =2Cr?O?

Cr?O? + 3C =2 Cr + 3CO (g)

脱碳发生在由注入的惰性气体形成的上升气泡的表面或在被还原并产生一氧化碳（CO）的氧化铬颗粒表面。

在脱碳过程中，添加添加剂以获得适当的最终化学成分。这些添加物通常由所需量的高碳铬铁、不锈钢废料、碳钢废料、镍、铁、高碳锰铁和氧化钼组成。由于碳和铬的氧化是放热的，因此这些添加物还有助于降低浴温。一般来说，镀液温度控制在 1720 摄氏度以下。合金添加的总重量在出钢重量的 5% 到 30% 范围内。在吹制的最后阶段，将氧气与氩气的比例改为1：3至1：2，以使碳达到所需的值，可小于0.03 %。

下一步是还原步骤，其中加入还原添加物并与惰性气体一起搅拌所需的时间。还原混合物由硅合金（例如硅铁或铬-硅）和/或铝组成，它们被添加用于从熔渣和助熔剂（例如石灰、白云石灰和萤石）中还原金属氧化物。然后将浴液与惰性气体一起搅拌，通常大约 5 到 8 分钟。

Cr?O? + 2Si =3Cr + 2 SiO?

如果需要硅来满足某些不锈钢的硅规格，则需要额外添加硅。

炉渣在反应中沉淀时要小心操作，这一点很重要。任何未被碳还原的氧化铬最终都会进入炉渣中，从而形成复杂的尖晶石。还原步骤的有效性取决于许多因素，包括渣碱度和成分、温度、转炉内的混合条件和固体添加溶解动力学。

通常在吹氧之前添加石灰和/或白云石灰，以助熔金属中的转移渣和硅。在吹氧期间，硅在碳之前被氧化。有时在吹炼结束前加入石灰和白云石灰，以冷却浴液并减少还原添加量。熔渣助熔剂的添加量，例如石灰、白云石灰和晶石，通常占总熔池重量的 3% 至 7%。

高碱度熔渣的形成和金属浴中氧势的降低是脱硫的良好条件。例如，起始硫0.03%，还原处理2-3公斤铝/吨，2-3公斤晶石/吨，最终渣碱度约1.7，温度1700℃，最终硫含量0.003-可以得到0.005%。

吹炼期的长短取决于装入 AOD 转炉的铁水的起始碳和硅含量。现代转炉的脱碳时间范围为 20 至 35 分钟（从 1.5 % 至 2.5 % 开始，目标碳为 0.04 %）。通常，将转炉调低至水平位置，然后对含碳量约为 0.1 % 的钢水样品进行分析。

除硫是在工艺还原阶段发生的炉渣-金属反应。磷需要氧化条件，在转炉处理中无法去除。

氮气控制是一种气体-金属反应。根据不锈钢等级的最终氮气规格，脱碳初始阶段的惰性气体可以是氮气。在达到一定的碳水平后，氮气被氩气取代。钢铁制造商通常采用这种方法来减少氩气的使用和成本，同时仍能达到所需的氮规格。在从氮气变为氩气之后，通过放出的一氧化碳和氩气从浴中除去氮气。铅、锌、铋等高蒸气压的挥发性元素在脱碳过程中被去除。

高碱渣的形成和钢液中氧势的降低是脱硫的良好条件。这些是通过炉渣中的高石灰浓度和金属浴中的低氧活性来实现的。硫向炉渣的转移按以下反应进行。

S(浴)+CaO(渣)=CaS(渣)+O(浴)

添加石灰以稀释液态钢浴中的硫。此外，可以添加铝或硅以去除氧。例如，起始硫含量为 0.03%，还原处理量为 2 至 3 千克铝/吨，2 至 3 千克晶石/吨，最终渣碱度约为 1.7 和 1700 摄氏度的温度会降低硫含量至 0.003– 0.005 %。如果要生产的等级需要超低硫含量，则在还原步骤后将镀液除渣并添加另一种碱性炉渣。然后将钢水和熔剂混合以完成脱硫反应。在现代实践中，使用这种双渣实践很容易实现 0.001% 或更低的硫含量。在该步骤结束时可能会添加其他修整合金添加物。达到硫含量后，将炉渣从 AOD 容器中除去，金属浴即可出钢。

理想情况下，在该过程的这个阶段，钢水的化学成分应符合最终规格，以便可以释放热量。如有必要，可能会在出钢前收取额外的原材料以进行小的化学调整。出钢后，经常搅拌钢包以使成分均匀化和温度均匀，同时浮选夹杂物。这是在配备有搅拌设施的钢包中完成的，可以使用或不使用钢包炉。经过钢包处理后，钢就可以浇铸了。在 AOD 工艺的早期，转炉是倾斜的，用于添加原材料、取样和使用浸入式热电偶测量温度。提高生产率的愿望导致在吹炼期和减量期连续加入原材料。已经开发出现代仪器，可以使用专门设计的副枪在转炉处于直立位置时采集熔体样品和钢温度。

AOD 转换器

AOD 转炉是一种梨形容器，通常内衬基本耐火材料。它有一个可拆卸的锥形盖。 AOD 转换器的重要特征是它通常是侧吹的。对于那些可以耐受氮的钢种，也可以吹制氧和氮的混合物。由于熔融不锈钢不会产生泡沫，并且大多数不锈钢精炼工艺是侧吹或底吹，因此不锈钢精炼转炉的尺寸小于可比的 BOF（碱性氧气炉）转炉。 AOD 转炉的典型内部容积在 0.4 – 0.8 cum / 公吨浴重的范围内。

对于进入由起重机固定的钢包的转炉，通常使用切片的锥形顶部。切片部分允许起重机靠近转炉口。进入钢包车的转炉通常具有 BOF 型同心锥形顶部。

高产量车间通常具有三个可互换的转换器，以实现 100% 的工艺可用性。在任何给定时间，其中一个转炉在可倾斜的耳轴环精炼钢中，第二个新衬砌的转炉在预热站，第三个转炉在换衬站。耳轴环中的转换器通常可以在不到一个小时的时间内更换为预热的转换器。

AOD 转换器的风口安装在侧壁或底部。这些风口通常由带有不锈钢外管的铜管组成。在铜管和不锈钢管之间形成环形空间。吹过外环（护罩）的冷却气体在风口尖端形成金属或氧化物堆积物（称为蘑菇状）。这种堆积物保护了风口和周围的耐火材料。氧气/惰性混合物的工艺气体吹过内环。存在用于标准化环形间隙中的流动的特殊设计。风口尺寸和数量取决于具体的工艺参数。 AOD 容器中通常有 2 到 9 个风口。

侧壁安装的风口在加工时被浸没。当容器旋转时，风口位于浴缸上方。此时，可以关闭工艺气体，小冷却流保护风口

底吹转炉有多种风口配置，具体取决于所需的流量。底部通常有两到四个风口。

AOD 工艺的一项重大改进包括使用顶吹喷枪和侧吹风口。喷枪可用于以所需的吹气速率注入氧气以增加脱碳和/或后燃烧。顶部喷枪还可设计用于吹送惰性气体-氧气混合物等混合气体。在脱碳的早期安装喷枪和引入氧气可以减少加热时间。该技术可用于提高炼钢车间的生产率（吨/小时）。大多数最近的转炉装置都包括使用顶部喷枪吹氧。

AOD 工艺的另一项修改包括在转炉上施加真空，以减少氩和硅的消耗以及制造低碳等级时的工艺时间。这种修改称为AOD-VCR。

AOD 转炉耐火材料

风口尖端的高温和高熔池搅拌对转炉耐火材料提出了很高的要求。典型的 BOF 耐火材料生产周期为数月或数年，而不锈钢转炉则为数天或数周。耐火材料成本占总运营成本的很大一部分。

耐火材料有两种基本选择，镁铬矿和白云石。耐火材料的选择取决于容器运行模式、最终产品规格和经济性。

镁铬铁矿耐火材料耐磨性高，但单位成本比白云质耐火材料高。可以从砖中提取铬。镁铬砖既是酸性又是碱性，必须保持严格的熔渣成分，以防止快速磨损。

白云质耐火材料通常比镁铬铁矿耐火材料便宜，而且铬的吸收不是一个因素。白云质耐火材料通常更容易脱硫到非常低的水平，因为可以使用非常碱性的炉渣而不会对砖产生不利影响。

转炉通常按厚度和砖质量进行分区，以最大限度地延长炉衬寿命并最大限度地降低成本。转炉的高磨损区域，通常是风口壁、渣线和转炉，比转炉其他部位划得更厚，耐火材料质量更高。