VOD精炼不锈钢过程中真空喷溅的预防与控制

D0L:10.13374M.issn1001-053x.2011.s1.022 第33卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.33 Suppl.1 2011年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2011 VOD精炼不锈钢过程中真空喷溅的预防与控制 李实池和冰刘竑董志平成伟 宝山钢铁股份有限公司不锈钢事业部，上海200431 ☒通信作者，E-mail:ihi@baosteel.com 摘要对VOD真空精炼不锈钢过程中普遍存在的一种棘手的工艺控制问题一“真空喷溅”进行了研究与讨论.首先，阐 述了真空喷溅的形成原因、表现形式以及带来的危害：其次，介绍了大生产中有效预防和控制真空喷溅的具体措施.结果表 明，真空喷溅的事前预防可以通过稳定VOD起始钢水条件及加强VOD钢包状态管理来实现，真空喷溅有效控制的关键是合 理控制VOD真空精炼过程及相关参数，此外，真空盖系统的革新设计也可以在一定程度上削弱真空喷暖的危害. 关键词不锈钢：真空喷溅：精炼：脱碳 分类号T℉769.4 Prevention and controlling of vacuum boiling in the process of VOD refining for stainless steel LI Shi,CHI He-bing.LIU Hong,DONG Zhi-ping,CHENG Wei Stainless Steel Business Unit,Baoshan Iron Steel Co.Ltd.,Shanghai 200431,China Corresponding author,E-mail:lishi@baosteel.com ABSTRACT In the process of vacuum oxygen decarburization(VOD)refining for stainless steel,the vacuum boiling of molten slag and steel is a kind of intractable and ubiquitous metallurgical problem.The generation,performance,and harm of vacuum boiling were described.Some effective measures to prevent and control the vacuum boiling were introduced.The results show that,the prevention can be realized by stabilizing the initial condition of melts and strengthening the management of ladle state:controlling the process and technical parameters of VOD vacuum refining reasonably is the key to avoid vacuum boiling:in addition,the innovatory design of the VOD vacuum cover can also weaken the harm of vacuum boiling to a certain extent. KEY WORDS stainless steel;vacuum boiling:refining;decarburization 真空氧气脱碳(vacuum oxygen decarburization, 艺的稳定及优化过程也比较漫长. V0D)作为一种先进的真空精炼方法，于1962年由 大量实践表明，VOD精炼生产中特别是新设备 德国Standard Messo公司和Witten钢厂共同开发， 运行初期会出现各种各样的工艺问题，诸如氧气利 并于1967年在Witten钢厂开始工业化应用. 用率偏低、还原剂及渣料消耗过大、真空精炼时间偏 VOD精炼法在真空状态下吹氧脱碳，能较好地满足长等：此外，还普遍存在一种非常棘手的工艺控制问 高铬钢液冶炼中“脱碳保铬”的要求，具有超低碳氨题一真空喷溅.严重的真空喷溅不仅影响VOD真 含量冶炼能力强、金属收得率高、冶炼成本低等诸多 空冶炼过程的稳定顺畅，而且容易造成顶吹氧枪及 优势，成为一种颇受欢迎的冶炼特殊钢和高端不锈 真空盖设备的损坏，进而严重影响VOD精炼装备的 钢的精炼工艺.但是，VOD精炼控制工艺相对复杂， 稳定运行和冶炼功能的正常发挥. 对设备及工况的条件依赖程度很高，且对起始钢水 为了实现VOD真空精炼炉稳定、安全和高效运 条件的要求也非常严格，以致于几乎任何一台新投 行，本文对VOD真空精炼不锈钢过程中普遍存在的 产的VOD精炼装备调试周期都比较长，同时后续工 “真空喷溅”问题进行了研究和讨论，为已拥有或正 收稿日期：20110805

第 33 卷 增刊 1 2011 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 Suppl． 1 Dec． 2011 VOD 精炼不锈钢过程中真空喷溅的预防与控制 李 实 池和冰 刘 竑 董志平 成 伟 宝山钢铁股份有限公司不锈钢事业部，上海 200431 通信作者，E-mail: li-shi@ baosteel． com 摘 要 对 VOD 真空精炼不锈钢过程中普遍存在的一种棘手的工艺控制问题———“真空喷溅”进行了研究与讨论． 首先，阐 述了真空喷溅的形成原因、表现形式以及带来的危害; 其次，介绍了大生产中有效预防和控制真空喷溅的具体措施． 结果表 明，真空喷溅的事前预防可以通过稳定 VOD 起始钢水条件及加强 VOD 钢包状态管理来实现，真空喷溅有效控制的关键是合 理控制 VOD 真空精炼过程及相关参数，此外，真空盖系统的革新设计也可以在一定程度上削弱真空喷溅的危害． 关键词 不锈钢; 真空喷溅; 精炼; 脱碳 分类号 TF769. 4 Prevention and controlling of vacuum boiling in the process of VOD refining for stainless steel LI Shi ，CHI He-bing，LIU Hong，DONG Zhi-ping，CHENG Wei Stainless Steel Business Unit，Baoshan Iron ＆ Steel Co． Ltd． ，Shanghai 200431，China Corresponding author，E-mail: li-shi@ baosteel． com ABSTRACT In the process of vacuum oxygen decarburization ( VOD) refining for stainless steel，the vacuum boiling of molten slag and steel is a kind of intractable and ubiquitous metallurgical problem． The generation，performance，and harm of vacuum boiling were described． Some effective measures to prevent and control the vacuum boiling were introduced． The results show that，the prevention can be realized by stabilizing the initial condition of melts and strengthening the management of ladle state; controlling the process and technical parameters of VOD vacuum refining reasonably is the key to avoid vacuum boiling; in addition，the innovatory design of the VOD vacuum cover can also weaken the harm of vacuum boiling to a certain extent． KEY WORDS stainless steel; vacuum boiling; refining; decarburization 收稿日期: 2011--08--05 真空氧气脱碳( vacuum oxygen decarburization， VOD) 作为一种先进的真空精炼方法，于 1962 年由 德国 Standard Messo 公司和 Witten 钢厂共同开发， 并于 1967 年在 Witten 钢厂开始工业化应用［1］． VOD 精炼法在真空状态下吹氧脱碳，能较好地满足 高铬钢液冶炼中“脱碳保铬”的要求，具有超低碳氮 含量冶炼能力强、金属收得率高、冶炼成本低等诸多 优势，成为一种颇受欢迎的冶炼特殊钢和高端不锈 钢的精炼工艺． 但是，VOD 精炼控制工艺相对复杂， 对设备及工况的条件依赖程度很高，且对起始钢水 条件的要求也非常严格，以致于几乎任何一台新投 产的 VOD 精炼装备调试周期都比较长，同时后续工 艺的稳定及优化过程也比较漫长． 大量实践表明，VOD 精炼生产中特别是新设备 运行初期会出现各种各样的工艺问题，诸如氧气利 用率偏低、还原剂及渣料消耗过大、真空精炼时间偏 长等; 此外，还普遍存在一种非常棘手的工艺控制问 题—真空喷溅． 严重的真空喷溅不仅影响 VOD 真 空冶炼过程的稳定顺畅，而且容易造成顶吹氧枪及 真空盖设备的损坏，进而严重影响 VOD 精炼装备的 稳定运行和冶炼功能的正常发挥． 为了实现 VOD 真空精炼炉稳定、安全和高效运 行，本文对 VOD 真空精炼不锈钢过程中普遍存在的 “真空喷溅”问题进行了研究和讨论，为已拥有或正 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.s1.022

增刊1 李实等：VOD精炼不锈钢过程中真空喷溅的预防与控制 ·89· 准备增设VOD真空精炼炉的不锈钢及特殊钢相关 VOD精炼起始钢水碳含量需控制在合理的范 企业设备的顺利投用、生产的有效管理和工艺的合 围内，尤其是不能太高.若起始碳含量超出一定上 理优化提供了指导 限，在真空度、吹氧流量、枪位、吹氩流量等过程控制 参数匹配不当时，前期吹氧阶段的碳氧反应将异常 1真空喷溅的形成原因及危害 剧烈，以致出现渣钢严重喷溅的几率非常大).为 VOD真空精炼过程中极易产生真空喷溅.真空 了防止渣钢严重喷溅，通常要求VOD起始钢水碳含 喷溅主要是因为工况条件不良，或在正常工况下，真 量（质量分数）≤0.60%. 空脱碳工艺不合理和操作控制不当，造成了脱碳 (2)起始温度的控制 反应或渣钢反应过于激烈，产生了大量C0等气 为了实现VOD精炼不锈钢过程有效地脱碳保 泡，在底吹氩搅拌及抽真空的双重作用下气泡从 铬，作为热力学条件之一的起始钢水温度，必须满足 钢包内钢水中快速上浮逸出，带动大量钢水和顶 VOD真空精炼过程的能量平衡和最低吹炼温度要 渣喷出所致) 求.VOD最低起始钢水温度要求一般与起始钢水 VOD真空喷溅危害较多，尤其是渣钢严重喷 碳、硅元素含量有关，国内外钢厂的通用计算方法如 溅.实践表明，真空严重喷溅对设备的破坏力度比 经验公式(1)所示： 较大，轻则造成VOD真空盖结渣钢难以清理，重则 TWo=1680-([C]+2[Si]) (1) 可能成为安全事故隐患，造成设备被迫停产.如某 式中T为最低起始钢水温度，[C]为起始钢水碳 厂VOD精炼设备运行初期，曾因剧烈喷溅造成顶吹 的质量分数，[S]为起始钢水硅的质量分数 氧枪端部频繁粘结大量渣钢，导致氧枪冷却效果不 起始钢水温度的高低将影响到VOD真空吹氧 佳，枪体端部出现熔穿漏水，造成VOD真空精炼过 脱碳效果的好坏.若起始温度偏低，吹氧前期脱碳 程多次被迫紧急中断，险些发生爆炸等重大事故. 速度缓慢，在标准供氧流量和真空度参数控制下，铬 此外，渣钢严重喷溅也会造成顶吹氧枪喷嘴容易被 等金属元素烧损严重，造成钢水表面形成一层流动 渣钢堵塞而难以清理，从而影响VOD真空精炼过程 性较差的富铬渣，渣中氧化铬的质量分数 吹氧脱碳的冶金效果 (%Cr0,)将远远高于通常的20%~30%含量范 围.在底吹氩气不足以大面积推开渣面时，富铬 2真空喷溅的预防与控制 渣将严重阻碍氧气射流与钢水的充分接触，不仅影 VOD真空精炼生产中，渣钢严重喷溅应尽可能 响脱碳顺利进行（此种情况较正常吹氧结束时钢水 地通过有效手段进行预防和控制，以确保VOD精炼 中的碳含量要高)，而且也为后续冶炼过程埋下了 生产的稳定、高效和安全.为了避免或减轻VOD真 的极大隐患.进入深真空自由脱碳阶段，真空度快 空精炼过程中的亚重喷溅，不仅需要合理优化V0D 速提高，底吹氩搅拌力度增强，钢液中残留的碳将与 真空精炼工艺，还需要提高现场生产管理水平，为 渣中的氧化铬产生急剧反应，钢液中瞬间产生大量 VOD精炼创造良好的工况条件.根据VOD真空喷 C0气体，出现大喷现象，危害极其严重 溅的形成原因，渣钢严重喷溅大致可以从四个方面 (3)起始残渣量的控制 进行预防和控制：稳定VOD起始钢水条件，加强 真空精炼前钢包中残留的顶渣量过多，会影响 VOD钢包状态管理，合理控制VOD真空精炼过程， 真空吹氧脱碳效果，尤其是在底吹氩流量匹配不到 及革新设计VOD真空盖系统. 位、搅拌强度略显不足时，钢水与氧气的接触面积较 2.1稳定VOD起始钢水条件 小，极易造成脱碳反应不充分和铬等金属大量氧化， 稳定且合格的起始钢水条件是防止VOD真空 造成深真空自由脱碳阶段出现大喷现象. 喷溅、确保真空精炼顺利进行的前提.首先应根据 因此，为了避免深真空自由脱碳时发生严重喷 VOD精炼装备的自身工况特点，确定合适的起始钢 溅，要求VOD真空精炼之前进行完全扒渣处理，即 水参数，其次对VOD精炼的前道工序进行稳定控 原则上控制钢水顶部“零渣量” 制，确保VOD获得稳定、优越的来料钢水条件. (4)起始钢水量的控制. (1)起始碳含量的控制 起始钢水量决定钢包上部净空高度，起始钢水 起始钢水碳含量不仅决定了VOD真空精炼时 量大，净空高度低，反之亦然.为了避免和减轻严重 间长短和生产节奏快慢，而且影响最佳真空吹氧脱 真空喷溅造成的危害，保证VOD精炼过程足够的钢 碳控制工艺的制定. 包净空高度至关重要，即起始钢水量不应超过一定

增刊 1 李 实等: VOD 精炼不锈钢过程中真空喷溅的预防与控制 准备增设 VOD 真空精炼炉的不锈钢及特殊钢相关 企业设备的顺利投用、生产的有效管理和工艺的合 理优化提供了指导． 1 真空喷溅的形成原因及危害 VOD 真空精炼过程中极易产生真空喷溅． 真空 喷溅主要是因为工况条件不良，或在正常工况下，真 空脱碳工艺不合理和操作控制不当，造成了脱碳 反应或渣钢反应过于激烈，产生了大量 CO 等气 泡，在底吹氩搅拌及抽真空的双重作用下气泡从 钢包内钢水中快速上浮逸出，带动大量钢水和顶 渣喷出所致［2］． VOD 真空喷溅危害较多，尤其是渣钢严重喷 溅． 实践表明，真空严重喷溅对设备的破坏力度比 较大，轻则造成 VOD 真空盖结渣钢难以清理，重则 可能成为安全事故隐患，造成设备被迫停产． 如某 厂 VOD 精炼设备运行初期，曾因剧烈喷溅造成顶吹 氧枪端部频繁粘结大量渣钢，导致氧枪冷却效果不 佳，枪体端部出现熔穿漏水，造成 VOD 真空精炼过 程多次被迫紧急中断，险些发生爆炸等重大事故． 此外，渣钢严重喷溅也会造成顶吹氧枪喷嘴容易被 渣钢堵塞而难以清理，从而影响 VOD 真空精炼过程 吹氧脱碳的冶金效果． 2 真空喷溅的预防与控制 VOD 真空精炼生产中，渣钢严重喷溅应尽可能 地通过有效手段进行预防和控制，以确保 VOD 精炼 生产的稳定、高效和安全． 为了避免或减轻 VOD 真 空精炼过程中的严重喷溅，不仅需要合理优化 VOD 真空精炼工艺，还需要提高现场生产管理水平，为 VOD 精炼创造良好的工况条件． 根据 VOD 真空喷 溅的形成原因，渣钢严重喷溅大致可以从四个方面 进行预防和控制: 稳定 VOD 起始钢水条件，加强 VOD 钢包状态管理，合理控制 VOD 真空精炼过程， 及革新设计 VOD 真空盖系统． 2. 1 稳定 VOD 起始钢水条件 稳定且合格的起始钢水条件是防止 VOD 真空 喷溅、确保真空精炼顺利进行的前提． 首先应根据 VOD 精炼装备的自身工况特点，确定合适的起始钢 水参数，其次对 VOD 精炼的前道工序进行稳定控 制，确保 VOD 获得稳定、优越的来料钢水条件． ( 1) 起始碳含量的控制． 起始钢水碳含量不仅决定了 VOD 真空精炼时 间长短和生产节奏快慢，而且影响最佳真空吹氧脱 碳控制工艺的制定． VOD 精炼起始钢水碳含量需控制在合理的范 围内，尤其是不能太高． 若起始碳含量超出一定上 限，在真空度、吹氧流量、枪位、吹氩流量等过程控制 参数匹配不当时，前期吹氧阶段的碳氧反应将异常 剧烈，以致出现渣钢严重喷溅的几率非常大［3］． 为 了防止渣钢严重喷溅，通常要求 VOD 起始钢水碳含 量( 质量分数) ≤0. 60% ． ( 2) 起始温度的控制． 为了实现 VOD 精炼不锈钢过程有效地脱碳保 铬，作为热力学条件之一的起始钢水温度，必须满足 VOD 真空精炼过程的能量平衡和最低吹炼温度要 求． VOD 最低起始钢水温度要求一般与起始钢水 碳、硅元素含量有关，国内外钢厂的通用计算方法如 经验公式( 1) 所示: Tmin VOD = 1 680 －( ［C］+ 2［Si］) ( 1) 式中 Tmin VOD为最低起始钢水温度，［C］为起始钢水碳 的质量分数，［Si］为起始钢水硅的质量分数． 起始钢水温度的高低将影响到 VOD 真空吹氧 脱碳效果的好坏． 若起始温度偏低，吹氧前期脱碳 速度缓慢，在标准供氧流量和真空度参数控制下，铬 等金属元素烧损严重，造成钢水表面形成一层流动 性 较 差 的 富 铬 渣，渣 中 氧 化 铬 的 质 量 分 数 ( % Cr3O4 ) 将远远高于通常的 20% ～ 30% 含量范 围［4］． 在底吹氩气不足以大面积推开渣面时，富铬 渣将严重阻碍氧气射流与钢水的充分接触，不仅影 响脱碳顺利进行( 此种情况较正常吹氧结束时钢水 中的碳含量要高) ，而且也为后续冶炼过程埋下了 的极大隐患． 进入深真空自由脱碳阶段，真空度快 速提高，底吹氩搅拌力度增强，钢液中残留的碳将与 渣中的氧化铬产生急剧反应，钢液中瞬间产生大量 CO 气体，出现大喷现象，危害极其严重． ( 3) 起始残渣量的控制． 真空精炼前钢包中残留的顶渣量过多，会影响 真空吹氧脱碳效果，尤其是在底吹氩流量匹配不到 位、搅拌强度略显不足时，钢水与氧气的接触面积较 小，极易造成脱碳反应不充分和铬等金属大量氧化， 造成深真空自由脱碳阶段出现大喷现象． 因此，为了避免深真空自由脱碳时发生严重喷 溅，要求 VOD 真空精炼之前进行完全扒渣处理，即 原则上控制钢水顶部“零渣量”． ( 4) 起始钢水量的控制． 起始钢水量决定钢包上部净空高度，起始钢水 量大，净空高度低，反之亦然． 为了避免和减轻严重 真空喷溅造成的危害，保证 VOD 精炼过程足够的钢 包净空高度至关重要，即起始钢水量不应超过一定 ·89·

·90· 北京科技大学学报 第33卷 的吨位. 圈严重的钢包用于VOD真空精炼，必须经下线处理 最佳的钢包净空高度应能将真空喷溅部分地遏 干净后才能使用. 制在钢包空间内、不会大量喷出.因此，应根据VOD 2.3正确合理地控制真空精炼过程 精炼设备特点和钢包自身尺寸制定合理的净空高度 对于真空喷溅的预防及控制，VOD起始钢水条 要求，即限制钢包内钢水的最大装入量.如某厂 件和钢包状态的稳定是前提，整个精炼过程的正确 120tVOD精炼炉钢包净空高度要求≥1200mm,对 合理控制是根本和关键，其不仅需要关注真空吹氧 应起始钢水吨位要求≤130t.多年的冶炼实践证 脱碳过程的炉内真空度、底吹氩流量、吹氧流量、氧 明，起始吨位处于控制范围内的炉次较超过上限吨 枪枪位等过程参数的合理控制，还需重视还原脱硫 位炉次的真空喷溅及设备损坏现象明显减少 阶段的加料操作控制和原辅材料的干燥度管理. 2.2加强VOD钢包状态的有效管理 (1)炉内真空度控制. VOD作为一种先进的真空精炼方法，由于其特 作为VOD真空精炼过程重要的热力学参数，脱 殊的装备及工艺特点，对钢包起始状态要求非常苛 碳过程炉内真空度的合理控制是实现有效脱碳保铬 刻，尤其是对底吹透气性和钢包清洁度的要求.若 的前提，同时真空度的好坏也是能否最终获得超低 钢包状态不良，不仅真空精炼任务难以完成，而且也 碳含量的关键，因此，对真空度的控制非常关键 容易引起真空喷溅. VOD真空吹氧脱碳过程中，随着钢液中碳含量 (1)确保透气砖透气性良好 不断降低，真空度随之提高，即真空度和碳含量之间 钢包底吹氩搅拌作为一种有效的精炼手段，是 应实现合理的匹配，否则，不能确保有效的“脱碳保 实现各种钢包冶金功能的前提.底吹氩搅拌不仅能 铬”，金属铬烧损较多，将导致后期脱碳难以进 均匀钢液温度和成份、促进夹杂物上浮去除，而且能 行，进而出现前文所述的深真空自由脱碳阶段剧 实现钢水的有效传质，为关键的冶金反应创造良好 烈喷溅现象.因此，真空吹氧脱碳期间，首先，在真 的动力学条件 空吹氧脱碳的不同阶段应采取不同的、合理的真空 VOD真空精炼过程中，良好的钢包底吹氩是实 度控制参数，确保最佳的脱碳保铬效果；其次，不同 现高效脱碳的必要前提.若底吹氩效果良好，则钢 阶段的真空度必须确保稳定，不允许发生蒸汽供应 包残留的顶渣面将能被大面积吹开，这样氧气射流 压力不足造成的炉内真空度回升现象 能与钢液充分接触，氧气利用率较好，同时能提高钢 (2)底吹氩流量控制 液的传质扩散速度，有利于碳的传质及渣钢的混合， 为了防止真空喷溅，不仅要求VOD钢包底吹透 从而提高真空吹氧脱碳速率；若钢包吹氩效果不良， 气性良好，而且要求吹氧脱碳过程中底吹氩流量必 侧吹氧过程中碳不能快速的从钢包底部传送至钢液 须合理控制.吹氩流量过低或过高均对脱碳不利， 表面，在强脉冲顶吹氧气射流的冲击下，极易造成钢 底吹氩流量控制得过低，等同于钢包透气砖透气性 水表面铬金属过多的氧化，并造成真空吹氧脱碳反 不良：控制得过高，钢液翻腾剧烈，加上脱碳过程生 应几乎停滞，进而会出现前文所述的深真空自由 成的大量C0气泡引起沸腾，出现严重喷溅在所 脱碳阶段同类真空喷溅事故.因此，为了避免VOD 难免 真空严重喷溅，良好的钢包底吹透气效果必须得到 为了防止VOD真空严重喷溅，真空精炼之前， 保障. 要求确定满足吹氧脱碳要求的起始氩气流量.根据 (2)确保包壁无亚重渣圈 先进钢厂的实践经验，真空精炼之前吹氩流量应控 钢包包壁清洁度问题主要包括包底凝结的渣钢 制在能吹开约23的钢包残渣面，起始阶段可保持 过多、包壁结渣圈严重、以及包口不清洁等方面. 此氩气流量吹炼，当脱碳后期炉气中C0、C0,含量 VOD真空精炼过程中，若钢包内壁结渣圈严重，随 下降过快时，应根据废气曲线走势不断增加氩气流 着钢液温度及炉气温度的不断上升，渣圈将逐渐熔 量，否则，在脱碳后期钢液碳含量较低，钢液表面的 化而覆盖于钢水表面.此种情况对真空吹氧脱碳的 碳得不到及时补给，顶部吹入的氧气将严重氧化金 影响类似于起始残渣量过多，难免不会发生顶渣大 属铬，真空喷溅的可能性将明显增加 量飞溅和渣钢严重喷溅的情况. (3)吹氧流量控制 为了防止发生严重的真空喷溅，首先应改进整 真空吹氧脱碳过程中氧气流量应根据起始钢水 个不锈钢冶炼过程的造渣工艺，改善现场生产管理， 碳含量及脱碳的不同阶段进行有效控制，这样才能 以防止钢包包壁粘结大量渣圈；其次应禁止将结渣 保证有效的“脱碳保铬”，同时也能避免吹氧流量控

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 的吨位． 最佳的钢包净空高度应能将真空喷溅部分地遏 制在钢包空间内、不会大量喷出． 因此，应根据 VOD 精炼设备特点和钢包自身尺寸制定合理的净空高度 要求，即限制钢包内钢水的最大装入量． 如某厂 120 t VOD 精炼炉钢包净空高度要求≥1 200 mm，对 应起始钢水吨位要求≤130 t． 多年的冶炼实践证 明，起始吨位处于控制范围内的炉次较超过上限吨 位炉次的真空喷溅及设备损坏现象明显减少． 2. 2 加强 VOD 钢包状态的有效管理 VOD 作为一种先进的真空精炼方法，由于其特 殊的装备及工艺特点，对钢包起始状态要求非常苛 刻，尤其是对底吹透气性和钢包清洁度的要求． 若 钢包状态不良，不仅真空精炼任务难以完成，而且也 容易引起真空喷溅． ( 1) 确保透气砖透气性良好． 钢包底吹氩搅拌作为一种有效的精炼手段，是 实现各种钢包冶金功能的前提． 底吹氩搅拌不仅能 均匀钢液温度和成份、促进夹杂物上浮去除，而且能 实现钢水的有效传质，为关键的冶金反应创造良好 的动力学条件． VOD 真空精炼过程中，良好的钢包底吹氩是实 现高效脱碳的必要前提． 若底吹氩效果良好，则钢 包残留的顶渣面将能被大面积吹开，这样氧气射流 能与钢液充分接触，氧气利用率较好，同时能提高钢 液的传质扩散速度，有利于碳的传质及渣钢的混合， 从而提高真空吹氧脱碳速率; 若钢包吹氩效果不良， 则吹氧过程中碳不能快速的从钢包底部传送至钢液 表面，在强脉冲顶吹氧气射流的冲击下，极易造成钢 水表面铬金属过多的氧化，并造成真空吹氧脱碳反 应几乎停滞［5］，进而会出现前文所述的深真空自由 脱碳阶段同类真空喷溅事故． 因此，为了避免 VOD 真空严重喷溅，良好的钢包底吹透气效果必须得到 保障． ( 2) 确保包壁无严重渣圈． 钢包包壁清洁度问题主要包括包底凝结的渣钢 过多、包壁结渣圈严重、以及包口不清洁等方面． VOD 真空精炼过程中，若钢包内壁结渣圈严重，随 着钢液温度及炉气温度的不断上升，渣圈将逐渐熔 化而覆盖于钢水表面． 此种情况对真空吹氧脱碳的 影响类似于起始残渣量过多，难免不会发生顶渣大 量飞溅和渣钢严重喷溅的情况． 为了防止发生严重的真空喷溅，首先应改进整 个不锈钢冶炼过程的造渣工艺，改善现场生产管理， 以防止钢包包壁粘结大量渣圈; 其次应禁止将结渣 圈严重的钢包用于 VOD 真空精炼，必须经下线处理 干净后才能使用． 2. 3 正确合理地控制真空精炼过程 对于真空喷溅的预防及控制，VOD 起始钢水条 件和钢包状态的稳定是前提，整个精炼过程的正确 合理控制是根本和关键，其不仅需要关注真空吹氧 脱碳过程的炉内真空度、底吹氩流量、吹氧流量、氧 枪枪位等过程参数的合理控制，还需重视还原脱硫 阶段的加料操作控制和原辅材料的干燥度管理． ( 1) 炉内真空度控制． 作为 VOD 真空精炼过程重要的热力学参数，脱 碳过程炉内真空度的合理控制是实现有效脱碳保铬 的前提，同时真空度的好坏也是能否最终获得超低 碳含量的关键，因此，对真空度的控制非常关键． VOD 真空吹氧脱碳过程中，随着钢液中碳含量 不断降低，真空度随之提高，即真空度和碳含量之间 应实现合理的匹配，否则，不能确保有效的“脱碳保 铬”，金属铬烧损较多，将导 致 后 期 脱 碳 难 以 进 行［6］，进而出现前文所述的深真空自由脱碳阶段剧 烈喷溅现象． 因此，真空吹氧脱碳期间，首先，在真 空吹氧脱碳的不同阶段应采取不同的、合理的真空 度控制参数，确保最佳的脱碳保铬效果; 其次，不同 阶段的真空度必须确保稳定，不允许发生蒸汽供应 压力不足造成的炉内真空度回升现象． ( 2) 底吹氩流量控制． 为了防止真空喷溅，不仅要求 VOD 钢包底吹透 气性良好，而且要求吹氧脱碳过程中底吹氩流量必 须合理控制． 吹氩流量过低或过高均对脱碳不利， 底吹氩流量控制得过低，等同于钢包透气砖透气性 不良; 控制得过高，钢液翻腾剧烈，加上脱碳过程生 成的大量 CO 气泡引起沸腾，出现严重喷溅在所 难免． 为了防止 VOD 真空严重喷溅，真空精炼之前， 要求确定满足吹氧脱碳要求的起始氩气流量． 根据 先进钢厂的实践经验，真空精炼之前吹氩流量应控 制在能吹开约 2 /3 的钢包残渣面，起始阶段可保持 此氩气流量吹炼，当脱碳后期炉气中 CO、CO2 含量 下降过快时，应根据废气曲线走势不断增加氩气流 量，否则，在脱碳后期钢液碳含量较低，钢液表面的 碳得不到及时补给，顶部吹入的氧气将严重氧化金 属铬，真空喷溅的可能性将明显增加． ( 3) 吹氧流量控制． 真空吹氧脱碳过程中氧气流量应根据起始钢水 碳含量及脱碳的不同阶段进行有效控制，这样才能 保证有效的“脱碳保铬”，同时也能避免吹氧流量控 ·90·

增刊1 李实等：VOD精炼不锈钢过程中真空喷溅的预防与控制 91· 制不当引起的严重真空喷溅 过程中的喷溅遏制于钢包内，防止高温钢渣剧烈喷 真空精炼过程中，吹氧脱碳之前应根据起始钢 溅到真空盖上或真空罐内引起设备烧坏 水条件合理设定整个脱碳过程各个阶段的氧气流量 常见的钢包防溅盖为球冠形或球缺型设计，中 参数.各阶段氧气流量不可过大也不可过小，氧气 心开孔以便炉气抽出及顶枪升降，且分为水冷钢管 流量控制过大时，在底吹氩良好的情况下脱碳反应 或非水冷耐材结构形式.一般，两种形式的使用效 过于激烈，此时需要非常大的钢包净空高度，否则真 果均比较好，真空精炼过程中喷溅的大部分钢渣均 空喷溅的负面影响严重：若氧气流量过小，则影响真 能被阻挡于钢包盖内表面，从而减少了喷溅对真空 空吹氧脱碳效率，带来真空冶炼时间过长和过程温 盖设备的破坏.图1为球缺型钢包防溅盖及水冷保 降偏大的不利后果. 护翻板示意图. (4)氧枪枪位控制 氧枪枪位也是真空吹氧脱碳过程中一个重要 的控制参数，其合理控制是确保较高的氧气利用 测温取样枪 率和防止氧枪粘结渣钢的前提.通常来说，氧枪枪 位应根据装备特点及工艺要求控制在合理的范围 真空盖 测温取样枪 内，但是，为了防止真空喷溅造成氧枪损坏，应摸 氧枪水冷 0000 水冷保护翻板 索找出适合各自工况条件的最低枪位，同时根据 保护橱板 钢包防湲盖 不同阶段的要求进行合理控制，与氧气流量做到 对应和匹配).原则上，氧气流量大时，脱碳反应 激烈，且射流冲击力大，真空喷溅严重，为了减少 钢包 喷溅对顶枪的损坏，枪位相应控制得高一些，反之 真空罐 则低. (5)还原脱硫加料控制 为了避免真空严重喷溅，真空状态下加入还原 图1VOD球缺型钢包防溅盖及水冷保护翻板示意图 剂和脱硫渣料也必须合理控制.开始加料时的真空 Fig.1 Sketch of the VOD segmental ladle cover and the water-cooled 度应控制在≥10kPa,待所有物料添加完毕，再开启 heat radiation shield 全泵进入深真空还原脱硫阶段，否则，加料过程过早 地进入深真空强搅拌阶段，容易造成渣料与钢液反 (2)增设保护性翻板 应激烈，产生大量气体而发生严重喷溅 尽管钢包防溅盖能很大程度上削弱真空喷溅的 (6)原料干燥度管理 破坏影响，但还是难免出现钢渣从钢包盖中心孔喷 真空状态下加入的还原剂和脱硫渣料应保持干 溅到真空盖上的现象.为了进一步防止剧烈喷溅对 燥，否则潮湿的渣料加入钢液后，与渣钢充分搅拌， 真空盖上的顶吹氧枪和真空测温取样枪的损坏，应 水分与高温的钢液接触，受热后体积急剧膨胀，溢出 在真空盖关键部位加设保护性翻板 过程将引起钢水剧烈喷溅.因此，VOD真空冶炼过 同样如图1所示，某公司120tV0D精炼炉氧 程要求合金料干燥、渣料新鲜，尤其是要做好阴雨天 枪孔和真空测温取样孔下方均设有可旋转的水冷保 气下的防潮保管，避免渣料水分偏高. 护翻板，氧枪和真空测温取样枪处于待机位时，保护 2.4合理设计真空盖系统 翻板完全关闭，从而可以阻止钢渣喷溅到氧枪和测 为了防止VOD真空严重喷溅，除了从工艺操作 温取样枪上. 上进行控制之外，还应从设备设计和改进的角度加 3结论 以考虑，如在VOD真空盖内部增设防喷溅的设备部 件，增加对重要设备的保护，从而可以遏制严重真空 (1)VOD精炼不锈钢过程中，真空喷溅主要是 喷溅对关键设备的破坏8] 因为工况条件不良、以及在正常工况下的真空脱碳 (1)钢包防溅盖特殊设计 工艺不合理和操作控制不当，造成脱碳反应或渣钢 由于真空喷溅是无法绝对和完全避免的，所以 反应过于激烈，产生的大量C0等气泡从钢水中快 在真空盖内部增设钢包防溅盖.真空盖密闭的同 速上浮逸出，带动大量钢水和顶渣喷出所致. 时，钢包防溅盖同步盖于钢包口上，可以将真空精炼 (2)严重的真空喷溅不仅影响VOD真空精炼

增刊 1 李 实等: VOD 精炼不锈钢过程中真空喷溅的预防与控制 制不当引起的严重真空喷溅． 真空精炼过程中，吹氧脱碳之前应根据起始钢 水条件合理设定整个脱碳过程各个阶段的氧气流量 参数． 各阶段氧气流量不可过大也不可过小，氧气 流量控制过大时，在底吹氩良好的情况下脱碳反应 过于激烈，此时需要非常大的钢包净空高度，否则真 空喷溅的负面影响严重; 若氧气流量过小，则影响真 空吹氧脱碳效率，带来真空冶炼时间过长和过程温 降偏大的不利后果． ( 4) 氧枪枪位控制． 氧枪枪位也是真空吹氧脱碳过程中一个重要 的控制参数，其合理控制是确保较高的氧气利用 率和防止氧枪粘结渣钢的前提． 通常来说，氧枪枪 位应根据装备特点及工艺要求控制在合理的范围 内，但是，为了防止真空喷溅造成氧枪损坏，应摸 索找出适合各自工况条件的最低枪位，同时根据 不同阶段的要求进行合理控制，与氧气流量做到 对应和匹配［7］． 原则上，氧气流量大时，脱碳反应 激烈，且射流冲击力大，真空喷溅严重，为了减少 喷溅对顶枪的损坏，枪位相应控制得高一些，反之 则低． ( 5) 还原脱硫加料控制． 为了避免真空严重喷溅，真空状态下加入还原 剂和脱硫渣料也必须合理控制． 开始加料时的真空 度应控制在≥10 kPa，待所有物料添加完毕，再开启 全泵进入深真空还原脱硫阶段，否则，加料过程过早 地进入深真空强搅拌阶段，容易造成渣料与钢液反 应激烈，产生大量气体而发生严重喷溅． ( 6) 原料干燥度管理． 真空状态下加入的还原剂和脱硫渣料应保持干 燥，否则潮湿的渣料加入钢液后，与渣钢充分搅拌， 水分与高温的钢液接触，受热后体积急剧膨胀，溢出 过程将引起钢水剧烈喷溅． 因此，VOD 真空冶炼过 程要求合金料干燥、渣料新鲜，尤其是要做好阴雨天 气下的防潮保管，避免渣料水分偏高． 2. 4 合理设计真空盖系统 为了防止 VOD 真空严重喷溅，除了从工艺操作 上进行控制之外，还应从设备设计和改进的角度加 以考虑，如在 VOD 真空盖内部增设防喷溅的设备部 件，增加对重要设备的保护，从而可以遏制严重真空 喷溅对关键设备的破坏［8］． ( 1) 钢包防溅盖特殊设计． 由于真空喷溅是无法绝对和完全避免的，所以 在真空盖内部增设钢包防溅盖． 真空盖密闭的同 时，钢包防溅盖同步盖于钢包口上，可以将真空精炼 过程中的喷溅遏制于钢包内，防止高温钢渣剧烈喷 溅到真空盖上或真空罐内引起设备烧坏． 常见的钢包防溅盖为球冠形或球缺型设计，中 心开孔以便炉气抽出及顶枪升降，且分为水冷钢管 或非水冷耐材结构形式． 一般，两种形式的使用效 果均比较好，真空精炼过程中喷溅的大部分钢渣均 能被阻挡于钢包盖内表面，从而减少了喷溅对真空 盖设备的破坏． 图 1 为球缺型钢包防溅盖及水冷保 护翻板示意图． 图 1 VOD 球缺型钢包防溅盖及水冷保护翻板示意图 Fig． 1 Sketch of the VOD segmental ladle cover and the water-cooled heat radiation shield ( 2) 增设保护性翻板． 尽管钢包防溅盖能很大程度上削弱真空喷溅的 破坏影响，但还是难免出现钢渣从钢包盖中心孔喷 溅到真空盖上的现象． 为了进一步防止剧烈喷溅对 真空盖上的顶吹氧枪和真空测温取样枪的损坏，应 在真空盖关键部位加设保护性翻板． 同样如图 1 所示，某公司 120 t VOD 精炼炉氧 枪孔和真空测温取样孔下方均设有可旋转的水冷保 护翻板，氧枪和真空测温取样枪处于待机位时，保护 翻板完全关闭，从而可以阻止钢渣喷溅到氧枪和测 温取样枪上． 3 结论 ( 1) VOD 精炼不锈钢过程中，真空喷溅主要是 因为工况条件不良、以及在正常工况下的真空脱碳 工艺不合理和操作控制不当，造成脱碳反应或渣钢 反应过于激烈，产生的大量 CO 等气泡从钢水中快 速上浮逸出，带动大量钢水和顶渣喷出所致． ( 2) 严重的真空喷溅不仅影响 VOD 真空精炼 ·91·

·92· 北京科技大学学报 第33卷 过程的顺行进行和冶金效果的发挥，而且容易造成 1993:425) 顶吹氧枪等真空盖关键设备损坏，进而严重影响到 [3]Sun J.Zhou Y M.Xia J G.Making new ultra-ow-earbon stainless VOD的稳定生产. steel made in VOD/Proceedings of the Ninth Chinese National Conference on Stainless Steels.Shanghai,1992:231 (3)VOD精炼不锈钢过程真空喷溅可以从两 (孙炯，周元明，夏金刚.VOD治炼新型超低碳不锈钢/1第九 个方面得到事前预防：首先是稳定钢水起始条件，即 届全国不锈钢年会.上海，1992：231) 起始钢水碳含量、温度、残渣量及钢水量须控制在合 [4]Cai H D.Thermodynamic and Kinetic about Secondary Refining 理的范围内；其次是加强钢包状态管理，确保钢包底 for Stainless Steel.Metall Sichuan,1995,17(3):24 (蔡怀德.不锈钢精炼的热力学和动力学.四川冶金，1995， 吹透气性良好，且包壁无严重渣圈 17(3):24) (4)控制真空喷溅的关键是合理控制VOD真 [5]Xu K D.Secondary Refining about Stainless Steel.Shanghai:Sci- 空精炼过程及相关参数，即对顶吹氧流量、底吹氩流 ence and Technology Press.1985:154 量、炉内真空度、及氧枪枪位等关键工艺参数和还原 (徐匡迪.不锈钢精炼.上海：上海科学技术出版社，1985： 脱硫加料过程进行有效控制；此外，可通过增设钢包 154) 防溅盖、氧枪保护翻板等一些真空盖保护性装置，在 [6]Chen C.The application of VOD process in smelting of low-arbon stainless steel.Spec Steel Technol,2007,13(50):37 一定程度上削弱真空喷溅破坏的影响. (陈聪.VOD法在冶炼低碳不锈钢中的应用.特钢技术， 2007,13(50):37) 参考文献 [7]Peng F.Tang ZX.Zhang S C.et al.Application of VOD process [1]Zhao L P.Controlling of carbon and nitrogen content in ferritic on smelting ZG06Cr13Ni4Mo martensitic stainless steel.Foundry stainless steel melts during VOD refining.Friend Sci Amateurs, Technol..2010.31(6):696 2009.14(5):43 (彭凡，唐钟雷，张生存，等.VOD治炼工艺在马氏体不锈钢 (赵立平.VOD法冶炼铁素体不锈钢的碳氮控制.科技之友， ZC06Cr13NiMo上的应用.铸造技术，2010,31(6)：696) 2009,14(5):43) [8]Zhang H.Zhou J.Boiling of molten steel during SKF&VD vacuum [2]Zhang J.Theory and Practice of Secondary Refining.Beijing:Met- refining.J Anhui Vocat Coll Metall Technol,2005,15(2):20 allurgical Industry Press,1993:425 (张虎，周见.SKF和VD炉真空精炼过程中钢水的沸腾.安 (张鉴.炉外精炼的理论与实践.北京：治金工业出版社， 徽冶金科技职业学院学报，2005,15(2)：20)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 过程的顺行进行和冶金效果的发挥，而且容易造成 顶吹氧枪等真空盖关键设备损坏，进而严重影响到 VOD 的稳定生产． ( 3) VOD 精炼不锈钢过程真空喷溅可以从两 个方面得到事前预防: 首先是稳定钢水起始条件，即 起始钢水碳含量、温度、残渣量及钢水量须控制在合 理的范围内; 其次是加强钢包状态管理，确保钢包底 吹透气性良好，且包壁无严重渣圈． ( 4) 控制真空喷溅的关键是合理控制 VOD 真 空精炼过程及相关参数，即对顶吹氧流量、底吹氩流 量、炉内真空度、及氧枪枪位等关键工艺参数和还原 脱硫加料过程进行有效控制; 此外，可通过增设钢包 防溅盖、氧枪保护翻板等一些真空盖保护性装置，在 一定程度上削弱真空喷溅破坏的影响． 参 考 文 献 ［1］ Zhao L P． Controlling of carbon and nitrogen content in ferritic stainless steel melts during VOD refining． Friend Sci Amateurs， 2009，14( 5) : 43 ( 赵立平． VOD 法冶炼铁素体不锈钢的碳氮控制． 科技之友， 2009，14( 5) : 43) ［2］ Zhang J． Theory and Practice of Secondary Refining． Beijing: Met￾allurgical Industry Press，1993: 425 ( 张鉴． 炉外精炼的理论与实践． 北京: 冶金工业出版社， 1993: 425) ［3］ Sun J，Zhou Y M，Xia J G． Making new ultra-low-carbon stainless steel made in VOD / / Proceedings of the Ninth Chinese National Conference on Stainless Steels． Shanghai，1992: 231 ( 孙炯，周元明，夏金刚． VOD 冶炼新型超低碳不锈钢/ /第九 届全国不锈钢年会． 上海，1992: 231) ［4］ Cai H D． Thermodynamic and Kinetic about Secondary Refining for Stainless Steel． Metall Sichuan，1995，17( 3) : 24 ( 蔡怀德． 不锈钢精炼的热力学和动力学． 四川冶金，1995， 17( 3) : 24) ［5］ Xu K D． Secondary Refining about Stainless Steel． Shanghai: Sci￾ence and Technology Press，1985: 154 ( 徐匡迪． 不锈钢精炼． 上海: 上海科学技术出版社，1985: 154) ［6］ Chen C． The application of VOD process in smelting of low-carbon stainless steel． Spec Steel Technol，2007，13( 50) : 37 ( 陈聪． VOD 法在冶炼低碳不锈钢中的应用． 特钢技术， 2007，13( 50) : 37) ［7］ Peng F，Tang Z X，Zhang S C，et al． Application of VOD process on smelting ZG06Cr13Ni4Mo martensitic stainless steel． Foundry Technol，2010，31( 6) : 696 ( 彭凡，唐钟雷，张生存，等． VOD 冶炼工艺在马氏体不锈钢 ZG06Cr13NiMo 上的应用． 铸造技术，2010，31( 6) : 696) ［8］ Zhang H，Zhou J． Boiling of molten steel during SKF＆VD vacuum refining． J Anhui Vocat Coll Metall Technol，2005，15( 2) : 20 ( 张虎，周见． SKF 和 VD 炉真空精炼过程中钢水的沸腾． 安 徽冶金科技职业学院学报，2005，15( 2) : 20) ·92·