CN101845538B - 一种真空吹氧脱碳精炼炉冶炼不锈钢剧烈喷溅控制方法 - Google Patents

Abstract

一种真空吹氧脱碳精炼炉冶炼不锈钢剧烈喷溅控制方法，其包括步骤如下：1)合理控制精炼钢包底吹透气性、清洁度，钢包内壁残渣残钢量小于钢水重量的5％；2)控制VOD来料钢水起始碳含量重量百分比为0.20～0.80％，硅≤0.20％，钢水起始温度≥1580℃；控制VOD起始钢包留渣重量≤1％的钢水重量；3)真空吹氧脱碳精炼过程根据钢水碳含量的不断降低进行分级控制；控制高碳区域吹氧流量恒定，低碳区域吹氧流量随钢水中碳含量逐渐减少而降低；氧枪枪位与氧气流量匹配控制；控制真空吹氧脱碳过程底吹氩气流量随钢水碳含量的降低而增加。本发明能有效地避免钢包真空精炼不锈钢过程的剧烈喷溅。

Description

一种真空吹氧脱碳精炼炉冶炼不锈钢剧烈喷溅控制方法

技术领域

本发明属于不锈钢冶炼控制技术，尤其涉及一种真空吹氧脱碳精炼炉冶炼不锈钢剧烈喷溅控制方法。

背景技术

钢包真空吹氧脱碳精炼(即VOD精炼)不锈钢过程中，由于钢包底吹氩和真空顶吹氧(脱碳)的共同作用，钢包内钢液不可避免地会出现喷溅现象，若不进行有效控制，则将产生真空状态下的剧烈喷溅。实践证明，VOD真空剧烈喷溅对设备的危害性比较大，且严重影响真空精炼不锈钢的冶金效果。据报道，绝大多数不锈钢厂VOD精炼装备的运行均面临真空剧烈喷溅问题，严重制约了VOD精炼能力的发挥和提升。

《钢包炉真空精炼过程中钢液沸腾与控制》(《工业加热》，虞明全，1998，第4期)文中指出VOD真空冶炼过程中存在真空飞溅和喷溅两种现象，从工艺角度分析了产生这两种异常现象的部分影响因素，如吹炼真空度、供氧压力、供氩强度等，并从设计和工艺两个角度简要提出了一些理论上解决真空飞溅和喷溅的途径和方法，具体如下：

(1)制定精炼工艺时考虑飞溅和喷溅影响因素，飞溅工艺影响参数包括：吹炼真空度、供氧压力、供氩压力、原始硅含量；喷溅工艺影响参数包括：钢液和炉渣的氧含量、真空度提高速度、钢包内的自由空间高度。

(2)真空精炼过程中要有及时发现沸腾即喷溅的手段，一种为依靠操作人员或电视摄像机通过真空工作的观察孔直接观察钢液在真空时的沸腾程度；另一种为在真空泵的抽速以及其它工艺参数恒定条件下，通过观察真空度的变化来发现钢液中气体溢出速度的变化；

(3)真空精炼过程中要有合适的手段来抑制钢液非正常沸腾，国内大都通过安装放气阀及时放气或减少真空泵抽速来抑制钢液非正常沸腾，手动或自动控制。

由于真空剧烈喷溅严重影响了VOD精炼装备的稳定运行、真空精炼功能优势的充分发挥以及超低碳、氮高附加值不锈钢新产品的成功开发，因此，有必要对VOD真空剧烈喷溅的产生原因进行深入分析，对原有整个真空精炼过程的控制方法进行改进，形成一种有针对性、易于实现的冶炼控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种真空吹氧脱碳精炼炉冶炼不锈钢剧烈喷溅控制方法，对整个真空精炼过程进行可行的、有效控制。

为达到上述目的，本发明的技术方案

经研究得知，真空剧烈喷溅是由于VOD真空状态下的吹氧脱碳控制方法不当，脱碳速度过大，即钢包内钢水脱碳反应过于激烈，在对钢水进行抽真空、顶吹氧和底吹氩气搅拌的共同作用下，钢水中产生的大量CO气泡快速上浮逸出，造成大量钢水和炉渣虽CO气泡剧烈喷出所致。本发明是根据引起VOD真空剧烈喷溅的原因和特点，通过对VOD真空精炼用钢包状态、起始钢水条件控制以及真空吹氧脱碳精炼等过程控制的改进，形成的一种全新的、有效的技术方案，具体如下：

一种真空吹氧脱碳精炼炉冶炼不锈钢剧烈喷溅控制方法，其包括步骤如下：

1)合理控制精炼钢包底吹透气性、清洁度，

确保钢包底吹透气性良好，即正常真空吹氧脱碳时对应的氩气流量能保证吹开二分之一及以上的钢水渣面；

控制钢包内壁清洁度，即要求钢包使用前钢包内壁残渣残钢量小于钢水重量的5％，重量百分比计；

2)前道工序稳定控制进入VOD的钢水起始成分、温度，

前工序控制VOD钢水起始碳含量重量百分比为0.20～0.80％，起始硅含量≤0.20％，奥氏体不锈钢钢水起始温度≥1580℃，铁素体、或马氏体不锈钢钢水起始温度≥1600℃；

真空精炼前对冶炼前工序钢渣混出的钢水进行完全扒渣，控制VOD起始钢包留渣重量≤1％的钢水重量；

3)真空吹氧脱碳精炼过程根据钢水碳含量的不断降低进行分级控制，真空吹氧脱碳过程随着钢液中碳含量不断降低，真空度应在20～2kpa范围内由高到低进行分级控制；

钢液碳含量脱至0.10％之前，保持恒定的最大吹氧流量吹炼；

碳含量降到≤0.10％以后，吹氧流量在最大工作流量的1/4流量区间范围内逐级降低控制；

控制氧枪枪位即氧枪喷嘴距钢水面距离，与氧气流量的有效匹配，要求枪位与氧气流量的数值相同或低50～100；

控制真空吹氧脱碳过程底吹氩气流量随钢水碳含量的逐渐降低而增加，控制范围为3.5～6Nl/min·t。

进一步，步骤1)中，控制钢包使用前耐材内衬热量足够，即接受钢水前钢包耐材内壁温度≥1000℃。

步骤2)中，前工序控制钢水量不应超出设计吨位的10％，确保钢包足够的净空高度。

在本发明方法中：

步骤1：合理控制钢包底吹透气性、清洁度和耐材内衬温度等状态条件

①确保钢包底吹透气性良好，即正常真空吹氧脱碳时对应的氩气流量能保证吹开二分之一及以上的钢水渣面。

钢包热态使用后，即下一个新的炉次使用前，应认真、规范清理钢包底吹透气砖上方凝结的渣钢，且清理后必须进行氩气反吹，通过反吹气体的流量和压力情况测试透气效果是否良好，否则，重新清理钢包底吹透气砖，或选用透气性良好的其它钢包。

②控制钢包内壁清洁度，即要求钢包使用前钢包内壁残渣残钢量小于钢水重量的5％。

整个不锈钢冶炼过程炉渣碱度和黏度的控制要适中，并要求确保钢包前一次浇铸结束进行快速处理，及时倒除钢包内剩余的渣钢。

③控制钢包使用前耐材内衬热量足够，即接受钢水前钢包耐材内壁温度≥1000℃。

钢包受钢前对钢包耐材进行充分的烘烤，或者直接使用从连铸浇铸结束快速周转下来的热态钢包，杜绝使用烘烤不充分和冷态下的钢包。

步骤2：前道工序稳定控制进入VOD的钢水起始成分、温度等条件

①前工序控制VOD钢水起始碳含量重量百分比为0.20～0.80％。

VOD真空处理所允许的碳含量应控制一定的范围内，太高时高碳区脱碳反应过于激烈，容易产生喷溅，太低时吹氧脱碳困难，不锈钢钢水中铬等贵重金属氧化严重，也容易造成剧烈喷溅，因此，前工序应通过合理配料和初步脱碳处理，将VOD来料钢水起始碳含量控制在0.20～0.80％。

②前工序控制VOD钢水起始硅含量≤0.20％。

为了减少VOD吹氧脱碳过程中的钢包顶渣量，避免大渣量情况下的真空剧烈喷溅，VOD来料钢水起始硅含量还应控制在≤0.20％，从而吹氧脱碳之前不需向钢包内添加CaO进行中和，达到减少真空吹氧脱碳过程钢包顶渣量的效果。

③前工序控制VOD不锈钢钢水起始温度≥1580℃(其中铁素体、马氏体不锈钢要求≥1600℃)。

为了保证能量平衡和冶金热力学条件，实现“脱碳保铬”和快速脱碳，VOD起始钢水温度不得低于钢水最低起始温度要求；通常情况下，最低起始温度为1580℃(其中铁素体、马氏体不锈钢最低起始温度为1600℃)。

④前工序控制钢水量不超出设计吨位的10％，确保钢包足够的净空高度。

合适的净空高度应能将剧烈喷溅部分遏制在钢包盖以内，所以，应根据自身钢包条件和设备特点制定合理的净空高度要求，即制定相应的起始钢水量要求。通常情况下，VOD起始钢水量不应超出设计吨位的10％。

⑤真空精炼前对来料钢水进行完全扒渣，控制VOD起始钢包留渣重量≤1％的钢水重量。

钢包顶渣量过多将影响真空吹氧脱碳效果，在底吹氩气流量控制相对过低即搅拌强度不足情况下，极易造成不锈钢中铬贵重金属烧损严重，后续深真空自由脱碳阶段将出现剧烈喷溅现象，因此，要求VOD真空处理之前对来料钢水进行完全扒渣，即控制≤1％钢水重量的钢包起始留渣量，即所谓的“零渣量”。

步骤3：真空吹氧脱碳精炼过程根据钢水碳含量的不断降低进行分级控制

实践表明，VOD真空剧烈喷溅主要发生在真空吹氧脱碳阶段，因此，必须对此阶段的真空度、氧气流量、氧枪枪位、吹氩流量等重要冶炼控制参数进行正确合理和有效匹配控制。

①真空吹氧脱碳过程的真空度要求在20～2kpa范围内从高到低进行分级控制。

真空吹氧脱碳过程，随着钢液中碳含量不断降低，真空度应相应提高，否则，金属铬过氧化烧损严重，钢水表面覆盖一层比较硬的粘稠状的富铬渣，容易后续自由脱碳阶段深真空状态下真空剧烈喷溅。因此，真空吹氧脱碳过程随着钢液中碳含量不断降低，真空度应在20～2kpa范围内由高到低进行分级控制。

②在最大吹氧流量的1/4流量区间范围内分步控制真空吹氧脱碳过程氧气流量。

真空吹氧脱碳过程中起始碳含量越高，起始吹氧流量越大，此外，随着钢水中碳含量不断减少，吹氧流量应相应降低，以防止铬大量氧化烧损造成剧烈喷溅。通常情况下，要求吹氧流量在最大工作流量的1/4流量区间范围内控制，其中钢液碳含量脱至0.10％以前，保持恒定的最大吹氧流量吹炼；碳含量降到≤0.10％以后，逐级降低控制。

③控制氧枪枪位(氧枪喷嘴距钢水面距离)与氧气流量的有效匹配，要求枪位与氧气流量的数值相同或低50～100。

真空吹氧脱碳过程中氧气流量大时，喷溅严重，枪位相应控制得高，反之则低；原则上，氧枪枪位与氧气流量相同，或者适当偏低，如某钢厂1600m³/h氧气流量对应1600mm(或1500mm)的枪位。

④控制真空吹氧脱碳过程底吹氩气流量随钢水碳含量的逐渐降低不断增加，控制范围为3.5～6Nl/min·t。

吹氧脱碳前期(特指钢液碳含量＞0.10％)脱碳顺利进行的情况下，氩气流量将不作任何调整；当废气中CO含量下降过快以及脱碳后期(钢液碳含量≤0.10％)，应根据废气曲线走势情况以较小的幅度(0.25Nl/min·t)适当增加氩气流量。

本发明针对引起真空精炼不锈钢过程剧烈喷溅的各种影响因素，从钢包状态条件、钢水起始条件、真空吹氧脱碳过程参数和作业控制等三个方面提出了具体的有效措施。本发明与公开论文文献中措施内容对比，不同点及效果如下：

首先，现有技术中对如何预防和控制真空剧烈喷溅的措施描述不充分，而过多地强调了对真空剧烈喷溅的观察和事后处理，而本发明重点放在了真空剧烈喷溅的如何预防和控制，即偏重事前的控制，预防效果更好；

其次，现有技术中工艺控制基本上均是定性的，如真空度、供氩压力、起始Si含量均没有提出合理的控制范围，仅简单阐述了相对比较模糊的控制原则，无具体的控制范围，可操作性差，而本发明工艺控制基本上均是定量的，具有可操作性；

最后，现有技术中分析的影响因素和控制措施不全面，仅考虑了过程控制工艺参数对真空剧烈喷溅的影响，忽略了钢包状态以及温度、Si含量之外的其它钢水起始条件对真空喷溅的影响作用，而本发明考虑的工艺影响因素更全面、更系统，采取的控制措施更详细、更具针对性。

本发明的有益效果

实践证明，通过对VOD精炼钢包状态、钢水起始条件及真空吹氧脱碳精炼过程按照上述控制步骤进行有效控制，确保经VOD真空处理的钢包状态、钢水条件以及相关控制参数和作业过程满足上述条件要求，就能有效地避免钢包真空精炼不锈钢过程的剧烈喷溅，可以确保不锈钢VOD真空精炼装备高效稳定运行。

本发明实施后，VOD真空剧烈喷溅得到了有效控制，从而确保了VOD真空精炼装备的稳定顺行，且促进了VOD冶炼能力的大幅提升，具体效果如下：

(1)真空剧烈喷溅得以避免，真空精炼过程实现了高效顺行，氧气利用率得到了提高，还原剂及渣料等各种消耗明显减少(据实际测算，吨钢综合成本降低约200元左右)；

(2)真空盖设备不再因喷溅受到损坏，运行周期明显延长，维护工作量明显减少，且氧枪头部和氧枪孔不再粘结渣钢，氧枪头部不再出现熔穿现象，氧枪寿命大幅提高(某钢厂由实施前的平均15炉提升到了平均300炉左右，最高使用寿命超过700炉)；

(3)VOD真空精炼不锈钢过程中钢包真空防溅盖结渣钢明显减少，钢包盖使用寿命大幅提升(某钢厂由平均15次提升到了平均27次)，且钢包防溅盖的清理难度和工作量也得以减小。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

(1)实施钢种：铁素体不锈钢。

(2)实施过程

①钢包条件

底吹情况	钢包残渣残钢量(t)	钢包使用前温度℃
			吹开渣面约二分之一	2.3	1020

②起始钢水条件

C％	Si％	钢水量(t)	温度(℃)	渣量(t)	净空高度(mm)
						0.533	0.19	117.4	1626	0.5	1950

③真空吹氧脱碳过程控制

钢液实时碳含量％	底吹Ar流量Nl/min.t	真空度kpa	吹氧流量m3	氧枪枪位mm
					0.50	3.5	20	2000	2000
0.08	4.0	9	1800	1800
					0.04	5.0	3	1600	1600

(3)实施效果

①冶金效果

冶金指标	单位	实绩
			真空终了[C]	％	0.0092
氧气利用率	％	41
			真空处理时间	min	65
还原Si消耗	Kg/t	3.9
			CaO消耗	Kg/t	20
CaF2消耗	Kg/t	7.5

②喷溅控制效果

氧枪头部无渣钢粘结(第302次使用)，且无任何熔损；真空盖内顶无任何喷溅粘结物，钢包防溅盖(第18次使用)边部粘结少量渣钢，无需清理可以继续冶炼下一炉次。

实施例2

(1)实施钢种：奥氏体不锈钢。

(2)实施过程

①钢包条件

底吹情况	钢包残渣残钢量(t)	钢包使用前温度℃
			吹开渣面约三分之二	1.8	1056

②起始钢水条件

C％	Si％	钢水量(t)	温度(℃)	渣量(t)	净空高度(mm)
						0.275	0.16	117	1594	0.4	1900

③真空吹氧脱碳过程控制

钢液实时碳含量％	底吹Ar流量Nl/min.t	真空度kpa	吹氧流量m3	氧枪枪位mm
					0.25	3.6	12	2000	2000
0.09	4.0	9	1800	1800
					0.06	4.6	4	1700	1700

(3)实施效果

①冶金效果

冶金指标	单位	实绩
			真空终了[C]	％	0.0260
氧气利用率	％	45
			真空处理时间	mm	60
还原Si消耗	Kg/t	3.0
			CaO消耗	Kg/t	18
CaF2消耗	Kg/t	6

②喷溅控制效果

氧枪头部无渣钢粘结，且无任何熔损(第552次使用)；真空盖内顶无任何喷溅粘结物，钢包防溅盖(第26次使用)边部几乎无渣钢粘结，无需清理可以继续冶炼下一炉次。

实施例3

(1)实施钢种：马氏体不锈钢。

(2)实施过程

①钢包条件

底吹情况	钢包残渣残钢量(t)	钢包使用前温度℃
			吹开渣面约五分之三	2	1010

②起始钢水条件

C％	Si％	钢水量(t)	温度(℃)	渣量(t)	净空高度(mm)
						0.774	0.16	118.6	1641	0.6	1900

③真空吹氧脱碳过程控制

钢液实时碳含量％	底吹Ar流量Nl/min.t	真空度kpa	吹氧流量m3	氧枪枪位mm
					0.60	3.5	18	2000	2000
0.08	4.0	9	1800	1800
					0.07	4.5	5	1700	1700

(3)实施效果

①冶金效果

冶金指标	单位	实绩
			真空终了[C]	％	0.045
氧气利用率	％	48
			真空处理时间	min	63
还原Si消耗	Kg/t	3.7
			CaO消耗	Kg/t	19
CaF2消耗	Kg/t	6.5

②喷溅控制效果

氧枪(第635次使用)无渣钢粘结，且无任何熔损；真空盖内顶无任何喷溅粘结物，钢包防溅盖(第12次使用)边部粘结少许渣钢，无需清理可以继续冶炼下一炉次。

Claims (1)

1.一种真空吹氧脱碳精炼炉冶炼不锈钢剧烈喷溅控制方法，其包括步骤如下：

1)合理控制精炼钢包底吹透气性、清洁度，

确保钢包底吹透气性良好，即正常真空吹氧脱碳时对应的氩气流量能保证吹开二分之一及以上的钢水渣面；

控制钢包内壁清洁度，即要求钢包使用前钢包内壁残渣残钢量小于钢水重量的5％，重量百分比计；

控制钢包使用前耐材内衬热量足够，即接受钢水前钢包耐材内壁温度≥1000℃；

2)前工序稳定控制进入VOD的钢水起始成分、温度，

前工序控制VOD来料钢水起始碳含量重量百分比为0.20～0.80％，起始硅含量≤0.20％，奥氏体不锈钢钢水起始温度≥1580℃，铁素体、或马氏体不锈钢钢水起始温度≥1600℃；

真空精炼前对冶炼前工序钢渣混出的钢水进行完全扒渣，控制VOD起始钢包留渣重量≤1％的钢水重量；

前工序控制钢水量不超出设计吨位的10％，确保钢包足够的净空高度；

3)真空吹氧脱碳精炼过程根据钢水碳含量的不断降低进行分级控制，

真空吹氧脱碳过程随着钢液中碳含量不断降低，真空度应在20～2kPa范围内由高到低进行分级控制；

钢液碳含量脱至0.10％之前，保持恒定的最大吹氧流量吹炼；碳含量降到≤0.10％以后，吹氧流量在最大工作流量的1/4流量区间范围内逐级降低控制；

控制氧枪枪位即氧枪喷嘴距钢水面距离，与氧气流量的有效匹配，要求枪位与氧气流量的数值相同或低50～100；

控制真空吹氧脱碳过程底吹氩气流量随钢水碳含量的逐渐降低而增加，控制范围为3.5～6Nl/min·t。