,192 北京科技大学学报 2009年增刊1 脱碳速度与温度的关系可用下式来表示： 炼前期，氧气流量由低到高变化，提高了供氧强度， gv-4nC+9.91 (5) 加快了脱碳反应速率；在吹炼后期，氧气流量又开始 降低，原因为此时脱碳的限制性环节为碳在熔池中 式中，V为脱碳速度；R为常数；T为钢液温度 的扩散，降低氧气流量避免了铬的大量氧化 由此可见，提高初钢水温度是加快脱碳的一个 2.4氧枪高度 重要手段，脱碳是放热反应，所以可以适当提高初 降低氧枪高度，脱碳速度会明显增大，原因是降 钢水的碳含量，以提高VOD冶炼过程温度，本实验 低氧枪高度后会使钢液面的凹坑面积增大，当然采 过程中V0D开吹温度控制在1600℃左右，停吹温 用此项措施时应当与防止喷溅结合起来考虑，我们 度在1750~1800℃左右，温度继续升高势必对炉 将氧枪高度控制在75mm,自由空间l00mm,氧气 衬耐火材料造成侵蚀，故V0D炉内升温在150~ 利用率达到70% 200℃左右为宜 2.5供氩强度 2.3供氧强度 VOD精炼过程中高碳区为吹氧脱碳过程，供氩 VOD吹氧脱碳时分为两个阶段：大于临界碳含 强度不变，氩气流量控制在48.4 NL'min1左右. 量的粗真空度脱碳过程，高真空度下低碳区的碳脱 关键在于提高低碳区即真空碳脱氧供氩量，此时氩 氧过程，碳的氧化模式可分为： 气流量控制在117.5 NL'min1左右，如表4所示. 直接氧化： 在低碳区，钢水表面由于铬的氧化形成了一层块状 [c]+[o]=[co] 的富铬渣，分析结果表明铬的氧化在1%左右，该层 间接氧化： 氧化物阻碍了钢液内的循环，恶化了间接氧化的动 MxOy+Y[C]=X[M]+Y[CO] 力学条件，增大吹氩量不仅能增加传质系数，还能 在高碳区，碳的直接氧化和间接氧化是同时发 把这层氧化物吹开，并使之卷入钢中，增加钢渣接触 生的，此时反应的限制性环节是供氧强度，提高供氧 面.同时，增大吹氩量加快了钢包内钢水环流速度， 强度将加快脱碳反应速度，在低碳区，脱碳反应为 增加了悬空液滴脱碳，也就加快了钢水表面更新 间接氧化，脱碳的动力学公式为： 速度 d@=-×8[%c]-[%c])(o) dt 表4VOD吹炼供氩流量 (NL 'min) 式中，S为接触面积；V为钢水体积；D为钢液中碳 序号 开吹氩流量 高碳区吹氩流量 低碳区吹氩流量 的扩散系数；δ为钢液侧扩散厚度；K为传质系数， No.I 7.0 47 107 K=D/8. No.2 6.0 44 114 由式(6)可知，在低碳区脱碳的限制性环节为碳 No.3 7.5 56 122 在熔池中的传质，此时如果继续供氧或提高供氧强 No.4 7.8 52 117 度都将造成铬被大量氧化 No.5 7.0 43 119 由表3中VOD吹炼供氧参数也可以看出，吹 No.6 6.5 44 123 表3VOD吹炼供氧参数 No.7 7.5 50 120 No.8 7.0 51 118 序号 氧气压力 氧气流量开吹/(Nm3h一)吹氧时间/ 8.3 53 122 变化/MPa No.9 开吹最大 吹炼后期 min No.1 0.610.63 547.9567.0 556.0 27 No.2 0.58-0.65 553.1573.2 555.3 34 3 结论 No.3 0.50-0.66 547.7 566.2 555.4 32 (1)影响脱碳工艺的主要因素有真空度、钢水 No.40.57~0.65 545.3568.5 554.4 28 温度、供氧强度、氧枪高度、吹氩强度等，利用VOD No.50.60-0.62545.2566.1 554.7 29 炉冶炼超低碳马氏体不锈钢应合理控制这些参数， No.60.59-0.64548.3565.5 550.0 30 (2)真空度主要影响临界碳含量和脱碳速度， No.70.61-0.62544.1565.9 555.5 25 极限真空度主要影响终点碳含量，VOD精炼不锈 No.80.60-0.63553.1567.0 555.3 29 钢吹氧时，真空度在26660Pa左右，停吹氧时真空 N0.90.590.63552.8572.1 555.4 30 度在7998Pa左右，其终点碳的质量分数小于脱碳速度与温度的关系可用下式来表示： lg V ＝ 45300 RT ＋9∙91 （5） 式中‚V 为脱碳速度；R 为常数；T 为钢液温度． 由此可见‚提高初钢水温度是加快脱碳的一个 重要手段．脱碳是放热反应‚所以可以适当提高初 钢水的碳含量‚以提高 VOD 冶炼过程温度．本实验 过程中 VOD 开吹温度控制在1600℃左右‚停吹温 度在1750～1800℃左右‚温度继续升高势必对炉 衬耐火材料造成侵蚀‚故 VOD 炉内升温在150～ 200℃左右为宜． 2∙3 供氧强度 VOD 吹氧脱碳时分为两个阶段：大于临界碳含 量的粗真空度脱碳过程‚高真空度下低碳区的碳脱 氧过程．碳的氧化模式可分为： 直接氧化： ［C］＋［O］＝［CO］ 间接氧化： M XOY＋ Y ［C］＝X ［M ］＋ Y ［CO］ 在高碳区‚碳的直接氧化和间接氧化是同时发 生的‚此时反应的限制性环节是供氧强度‚提高供氧 强度将加快脱碳反应速度．在低碳区‚脱碳反应为 间接氧化‚脱碳的动力学公式为： d［％C］ d t ＝－ S V × D δ （［％C］－［％C］平） （6） 式中‚S 为接触面积；V 为钢水体积；D 为钢液中碳 的扩散系数；δ为钢液侧扩散厚度；K 为传质系数‚ K＝ D／δ． 由式（6）可知‚在低碳区脱碳的限制性环节为碳 在熔池中的传质‚此时如果继续供氧或提高供氧强 度都将造成铬被大量氧化． 由 表3中VOD吹炼供氧参数也可以看出‚吹 表3 VOD 吹炼供氧参数 序号 氧气压力 变化／MPa 氧气流量开吹／（Nm 3·h －1） 开吹 最大 吹炼后期 吹氧时间／ min No．1 0∙61～0∙63 547∙9 567∙0 556∙0 27 No．2 0∙58～0∙65 553∙1 573∙2 555∙3 34 No．3 0∙50～0∙66 547∙7 566∙2 555∙4 32 No．4 0∙57～0∙65 545∙3 568∙5 554∙4 28 No．5 0∙60～0∙62 545∙2 566∙1 554∙7 29 No．6 0∙59～0∙64 548∙3 565∙5 550∙0 30 No．7 0∙61～0∙62 544∙1 565∙9 555∙5 25 No．8 0∙60～0∙63 553∙1 567∙0 555∙3 29 No．9 0∙59～0∙63 552∙8 572∙1 555∙4 30 炼前期‚氧气流量由低到高变化‚提高了供氧强度‚ 加快了脱碳反应速率；在吹炼后期‚氧气流量又开始 降低‚原因为此时脱碳的限制性环节为碳在熔池中 的扩散‚降低氧气流量避免了铬的大量氧化． 2∙4 氧枪高度 降低氧枪高度‚脱碳速度会明显增大‚原因是降 低氧枪高度后会使钢液面的凹坑面积增大‚当然采 用此项措施时应当与防止喷溅结合起来考虑‚我们 将氧枪高度控制在75mm‚自由空间100mm‚氧气 利用率达到70％． 2∙5 供氩强度 VOD 精炼过程中高碳区为吹氧脱碳过程‚供氩 强度不变‚氩气流量控制在48∙4NL·min －1左右． 关键在于提高低碳区即真空碳脱氧供氩量‚此时氩 气流量控制在117∙5NL·min －1左右‚如表4所示． 在低碳区‚钢水表面由于铬的氧化形成了一层块状 的富铬渣‚分析结果表明铬的氧化在1％左右‚该层 氧化物阻碍了钢液内的循环‚恶化了间接氧化的动 力学条件．增大吹氩量不仅能增加传质系数‚还能 把这层氧化物吹开‚并使之卷入钢中‚增加钢渣接触 面．同时‚增大吹氩量加快了钢包内钢水环流速度‚ 增加了悬空液滴脱碳‚也就加快了钢水表面更新 速度． 表4 VOD 吹炼供氩流量 （NL·min －1） 序号 开吹氩流量 高碳区吹氩流量 低碳区吹氩流量 No．1 7∙0 47 107 No．2 6∙0 44 114 No．3 7∙5 56 122 No．4 7∙8 52 117 No．5 7∙0 43 119 No．6 6∙5 44 123 No．7 7∙5 50 120 No．8 7∙0 51 118 No．9 8∙3 53 122 3 结论 （1） 影响脱碳工艺的主要因素有真空度、钢水 温度、供氧强度、氧枪高度、吹氩强度等‚利用 VOD 炉冶炼超低碳马氏体不锈钢应合理控制这些参数． （2） 真空度主要影响临界碳含量和脱碳速度‚ 极限真空度主要影响终点碳含量．VOD 精炼不锈 钢吹氧时‚真空度在26660Pa 左右‚停吹氧时真空 度在7998Pa 左 右 ‚其 终 点 碳 的 质 量 分 数 小 于 ·192· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1