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真空氧气脱碳( VOD)
评价报告

组长: 林雨菲
组员: 金宜家 , 胡小宇
郭烈, 洪建武
李思雯, 李力婕

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真空氧气脱碳( VOD) 法评价报告
摘要: 真空吹氧脱碳法( vacuumoxygendecarburizationprocess,VOD) : 在真空室中向钢液吹氧, 产生沸腾, 同时由于真空中碳脱氧的能力增强, 也有氧化脱碳作用, 进一步加强了精炼效果。是现今世界范围内第二位的不锈钢冶炼手段。能够冶炼超低碳、 高难度、 高纯度的不锈钢产品。本报告将会从VOD法的设备以及工艺流程等方面的优缺点, 存在安全问题进行评价, 提出对应的措施意见。
一、 真空氧气脱碳( VOD) 法简介
一种在真空条件下吹氧脱碳并吹氩搅拌生产高铬不锈钢的炉外精炼技术。是真空吹氧脱碳法的简称, VOD法是在真空减压条件下顶吹氧气脱碳, 并经过包底吹氩促进钢液循环, 在冶炼不锈钢时能容易的把钢中碳降到0.02％～0.08％范围内而几乎不氧化铬。并对钢液进行真空处理, 加上氩气的搅拌作用, 反应的动力学条件很有利, 能获得良好的去气、 去夹杂物的效果。
1965年联邦德国Edelstahlwerk Witten公司于1965年开发的(50tVOD炉)。世界VOD炉的总数已有50台以上, 容量在5～150t之间, 最大的是日本新日铁八幡制铁厂的150t VOD炉。中国采用VOD法精炼虽起步较晚(1978年在大连), 但也有了一定的基础和规模, 除大连外, 重庆、 上海、 抚顺、 西宁、 北京等均先后建有VOD炉, 并各自取得了具有本厂特色的经验。
二、 VOD设备组成评价
VOD设备组成: 真空罐、 真空泵、 钢包、 氧枪、 加料系统及取样、 测温装置和终点控制仪表等部分组成;
真空罐
真空罐 VOD炉有两种型式: 钢包置于真空罐内进行精炼的罐式和在钢包上直接加真空盖的桶式。
罐式VOD炉有许多优点:
Ø 罐盖面积大, 易于布置不同用途的装置;
Ø 罐内可容纳大小不同的钢包; 易与真空泵连接; 钢包上部不必带法兰, 结构简单且能够使用较小的自由空间;
Ø 易于设置防溅盖;
Ø 真空罐密封法兰较大, 罐盖落下时易于对准, 较易保证密封等。
由此罐式VOD炉得到较大的发展。
防范于未然:
为了减少钢渣喷溅和防止罐盖过热, 在精炼钢包和罐盖之间设有防溅盖。大连钢厂的VOD炉采用将防溅盖悬挂于罐盖下部的结构, 其优点是闭罐时防溅盖随罐盖下落, 能够自动地对准中心盖于钢包上, 简化了盖罐操作。另外罐底还设有可容纳钢水和炉渣的防漏盘, 以防漏钢烧坏真空罐。
钢包
盛钢水的容器,用钢制成,内砌耐火砖,钢水由底部的口流出,进行浇铸。
优点: 10 吨以下的钢水包可带有回转减速箱, 能够方便倒渣。
存在的安全隐患:
Ø 使用前应仔细检查各联结部位是否牢固, 各受力部位有无裂纹及松动现象, 传动部位是否灵活可靠, 在明确浇包没有任何损伤后, 严格按操作规程使用。
Ø 各传动机构、 滑动部位应保证润滑良好, 经常注油润滑。
Ø 浇包大修期 2 年, 其工作时间不超过 5500 小时, 同进在大修期内应该常检查各机件的磨损情况。若不注意到这些细节可能会造成钢包的脱落而危害到工人的生命安全。
真空泵
优点:
Ø 较高的真空度易于达到较高的技术经济指标。
Ø 与其它精炼设备相比．VOD炉所配的真空泵抽气能力较大一些
安全隐患与环境污染:
Ø 同时考虑到向真空室吹入氧气进行脱碳时, 会产生大量CO气体, 必须及时抽出, 否则会污染环境和危害人体健康。
Ø 对真空系统的除尘也要采取相应措施加以解决。
氧枪
设在VOD炉的真空盖上, 经过活动密封装置插入真空室内。
氧枪有两种类型, 一种是在钢管上涂耐火材料的消耗式氧枪, 为ASEA—SKl7精炼炉所用; VOD炉多采用水冷式非消耗氧枪, 喷嘴为拉瓦尔式。当氧气压力为0．49～0．59MPa, 氧枪设计马赫数为3, 扩张半角为5。时, 吹氧过程是十分平稳的。氧枪距钢水面高度对13tVOD炉约为1．0m左右, 而对50tVOD炉则为1．4～1．8m。
优点: 由于这种氧枪喷出的氧气射流速度为超音速, 在入口压强不高的条件下也能够获得较大的射流全压, 因而允许在氧气压强较低和离钢水面较远的情况下吹氧, 这不但对提高氧枪寿命有益, 对不易获得高压氧气的特殊钢厂, 采用它也是极为适宜的。
终点控制仪表
一般采用氧浓差电池为主, 废气温度和真空计为辅的废气检测系统。
氧浓差电池控制吹炼过程的原理是:

式中R为气体常数, 8．315J／mol•℃; T为绝对温度, K; F为法拉第常数, 96500C／mol; E为固体电池的电势, 1000mV。
根据上式 废气中氧的分压PO2(废)愈低, 则电池电势E愈大; PO2(废)愈高, 则电池电势愈小, 当PO2(废)=0．021MPa时, E就变为零(因为PO2(空)=0．021MPa)、 PO2(废)>0．021MPa时, E变为负值。由于吹氧过程中产生大量CO会改变PO2(废), 脱碳激烈时PO2(废)极小, E增大; 脱碳微弱时, CO很少, E会趋近于零, 因此根据氧浓差电势的开始上升, 在一定E值下波动和趋近于零, 即可确定吹氧脱碳的起点、 正常进行和终点。氧浓差电池只适用于控制趋低碳(C<0．03％)钢的终点, 对中、 高碳钢及极低碳钢(含C在10-6级), 则需要用质谱仪来控制。

设备优点:
1、 运用自动化控制系统, 控制仪器的精度, 减少故障率, 方便监控每一步的进行, 降低了事故发生的可能性;
2、 此技术采用的还原剂的含量相对较少, 在一定程度上保护了环境;
3、 由于自动化的操作, 工作人员出错的可能大大降低, 但也需要定期的设备和系统进行停机检查, 保障后续安全。
3、 设备技术采用两次真空处理, 第一次的大气微调所产生的数据, 能有效的监控含量是否超标, 若不符合设备运行条件, 则停止, 若符合则继续进行真空处理, 这是一种有效的防范措施, 降低了事故的发生
设备缺点及改进措施:
1、 主要的设备冷却回路全部集中在真空盖上, 一旦发生泄漏、 冷却水将直接进入钢水, 将会造成严重的事故。
( 应对措施: 在出入口添加温度计和流量计, 经过流量差的来判断冷却水的状态)
2、 设备采用高耐火新型材料, 其价格昂贵, 但又必不可少。
3、 钢水的运输采用吊运方式, 也就是悬空, 这在一定程度上有掉落的危险, 对人员财产存在威胁。
( 改进方式: 采用阶梯式运输纽带, 让钢水有支撑的倒入真空罐中, 这样能够防止突然掉落而引起的危害, 单相对成本比较高)

三、 VOD炉方法的基本工艺流程
1、 VOD炉方法基本工艺流程可分为四个阶段: 钢液准备; 吹氧去碳; 沸腾去气; 还原微调。每一阶段的精炼任务依各厂家的工艺流程不同而有所差异, 但吹氧去碳阶段大致一致, 而且是VOD工艺的控制核心。
A 初炼钢水
a LD转炉作为初炼炉
将脱硫铁水、 废钢和镍( 按规格配入) 倒入转炉进行一次脱碳, 去除铁水中硅、 碳和磷后, 进行出钢除渣, 以防回磷。然后倒回转炉内, 加入高碳铬铁( 按规格配入) , 再进行熔化和二次脱碳。
Ø 终点碳不能太低, 否则铬的烧损严重, 一般控制在0.4％～0.6％。停吹温度保持在1770℃以上, 将初炼钢水倒入钢包炉内。
b 电弧炉作为初炼炉
炉料中配入廉价的高碳铬铁, 配碳量在1.5％～2.0％( 应配入部分不锈钢返回料, 如全部用高碳铬铁, 则钢水熔清后含碳量高达2.0％以上) 。含铬量按规格上限配入, 以减少精炼初期补加低碳铬铁的量, 镍也按规格要求配入。
Ø 在电弧炉内吹氧脱碳到0.3％～0.6％范围, 初炼钢水含碳量不能过低, 否则将增加铬的氧化损失, 但也不能过高, 否则在真空吹氧脱碳时, 碳氧反应过于剧烈, 会引起严重飞溅, 使金属收得率低, 还会影响作业率。为了减少初炼钢水铬的烧损, 在吹氧结束时, 对初炼渣进行还原脱氧, 回收一部分铬。初炼钢水倒入钢包炉后, 应将炉渣全部扒掉。最好用偏心炉底出钢。
B 真空吹氧脱碳
合上真空盖, 开动抽气泵, 同时包底吹氩搅拌钢液。当炉内压力减小到20～6.67KPa进行吹氧脱碳, 随着碳氧反应进行, 真空泵逐级开动, 可根据炉内碳氧反应情况( 观察由CO气泡造成的沸腾程度) , 将真空度调节在13.33～1.33KPa范围内。钢中碳含量的变化可根据真空度、 抽气量、 抽出气体组成的变化等判断, 在减压条件下很容易将终点碳降至0.03％以下。终点碳的判断一般是用固体氧浓差电池进行测定。
C 真空下碳氧反应( 碳脱氧)
吹氧结束后, 继续吹氩气搅拌, 在真空下进行碳脱氧( 钢中碳和氧同时降低) 和去气, 并进行取样和测温( 吹氧过程中一般不取样, 如需要取样应停止吹氧) 。如果温度过高, 可加入本钢种返回料降温, 并加入脱氧剂和石灰等造渣材料, 以及添加合金调整成分 然后继续进行真空脱气。当钢的化学成分和温度符合要求, 处理完毕即进行浇铸。一般精炼时间约需1h左右。
影响真空脱碳的因素
影响真空脱碳的因素有:
①临界含碳量: 临界含碳量是指在一定温度下, 脱碳速度vc与钢中碳含量无关的高碳区和vc随[％C]降低而减小的低碳区之间的交界含碳量。临界含碳量越低, 脱碳越容易进行。
②真空度: 真空度是影响钢中碳含量的重要因素, 真空度越高, 钢中碳含量可越低。提高开吹真空度, 能够改变钢中碳硅氧次序, 使碳优先氧化, 从而缩短吹氧脱碳时间。而停吹氧真空度越高, 临界终点碳量越低。
③其它因素: 真空脱碳还与供氧量有关, 耗氧量越大, 钢中碳含量将降的越低。但要考虑可能会增加铬的烧损; 提高钢液温度和限制初炼钢液中的含硅量, 同样能降低钢中碳含量; 另外, 在精炼后期进行造渣、 脱氧、 调整成分等操作, 都会使碳含量增加, 因此这些操作都应在真空下进行, 以防增碳。
总之, 真空脱碳时应当把提高真空度放在优先地位, 而供氧量要控制适当, 以免增加铬的烧损, 有条件时可加大供氩量, 而脱碳后的钢液温度则控制在1700～1750℃之间为宜。
影响铬回收率方法
① 提高真空度: 真空度高, 精炼后铬的回收率就高。可见提高真空度是从工艺角度提高铬回收率最有力的手段。
② 控制合理的吹氧量和终点碳。当初炼钢液含碳量为0.3％～06％时, 供氧量控制在10m3/t较为合适。因为吹入钢液的氧除了氧化碳外, 同时也氧化部分铬, 因此供氧量增加必然会增大铬的烧损; 吹氧终点碳的控制一般不宜低于临界含碳量值过多, 否则由于脱碳速度减慢而增加铬的氧化, 而含碳量在随后的真空碳脱氧时还会继续下降。必须指出, 在吹氧后期, 当钢中含碳量达到临界值时, 更应该适当的减少供氧量, 以免造成铬的大量烧损。
③ 造好精炼还原渣: 这是提高铬回收率的另一重要工艺措施。真空脱氧结束后, 应及时加入石灰等造渣材料, 造碱度大于2的精炼炉渣。次时, 渣中必然含有一定量的氧化铬, 一般渣中( Cr2O3) 约为5％, 因此在真空下加粉状强脱氧剂 对提高铬的回收率是必要的。
④ 提高初炼炉内铬的回收率: 初炼炉内吹氧脱碳后铬的烧损约2％～4％, 如果初炼渣渣量为3％, 则在初炼渣中( Cr2O3) 含量约为11％～22％。因此, 在吹氧结束后, 必须对初炼渣进行还原, 同时初炼渣的碱度要大于2, 当碱度R<2时, 初炼钢液铬的回收率将明显降低。另外, 初炼炉内吹氧终点碳不能控制过低, 以免增加铬的烧损量。
总之, 提高精炼炉的真空度、 适当控制供氧量、 调整初炼炉渣和精炼炉渣的碱度及对炉渣的脱氧还原、 合理控制初炼炉吹氧量和碳量, 使铬总回收率达到93％是不成问题的, 但要进一步提高铬的回收率就较为困难。
C 温度控制

从高铬钢液中碳铬氧化理论可知, 温度越高越有利于脱碳。但过高的温度会缩短钢包炉内衬寿命, 不锈钢炉外精炼并不担心温度过低, 而是怕温度过高, 因此操作中要注意控制升温。
温度控制可按下列几个方面考虑:
①提高真空度和控制开吹温度: 提高吹氧脱碳过程中的平均真空度, 能够降低停吹后的钢液温度; 开吹温度适当低些也是降低精炼后钢液温度的一个重要手段, 从下表实测得到的数据:

VOD工艺效果及存在问题
Ø VOD法用高碳铬铁冶炼超低碳不锈钢, 超低碳成功率达100％, 成品中[C]≤0.03％。与电炉返回吹氧法冶炼相比较, 提高生产率45％, 节约电能30％, 钢锭成本降低30％以上; 由于显著提高钢的质量, 降低钢中气体及夹杂物含量, 消除了锻轧废品。
Ø VOD法是作为冶炼不锈钢而发展起来的, 它具有很多优点, 但仍有一些问题尚未完满解决。首先是钢包寿命低, 波动在25～60次之间。为此, 必须从提高耐火材料的质量, 缩短精炼时间, 改进吹氧方法和造渣制度等方面加以研究。其次, 是进一步提高真空度和期待解决炉前快速分析问题。
Ø VOD法不但适用于冶炼不锈钢, 也可对各种特殊钢进行真空精炼或真空脱气处理。可是钢包要采取适当的预热措施, 而且处理时间不能过长, 以防钢液降温过多。当然也可在VOD设备上增加加热设备。例如在真空下进行电弧加热, 使钢水温度能够随时调整, 真空精炼及处理时不受时间的限制。带有真空电弧加热设备的VOD炉即所谓MVOD法, 如果MVOD法去掉吹氧装置即成为VAD法。
VOD工艺过程中可能出现的安全事故
(1)在吹氧、 真空脱气过程中, VOD装置可能发生的较为严重的事故是钢水遇水的爆炸事故。若真空罐冷却系统及其它水冷设施泄漏, 则遇钢水会发生爆炸。
(2)VOD精炼炉的起重、 吊装作业特点是重量大、 频率高, 因而存在着钢包漏钢的危险性。
(3)VOD装置中的液动、 气动、 电动、 计算机控制等系统, 可能因系统失灵、 失控及操作失误而引发事故。
(4)可能因电缆老化或电路短路而引发火灾事故。
(5)在VOD装置的生产过程中, 还存在着触电、 高处坠落、 机械伤害、 物体打击的可能性。
四、 VOD法冶炼不锈钢时, 应注意以下几个方面:
1) 保持高的真空度。
2) 精炼开始吹氧温度为1550～1580℃, 精炼后温度控制在1700～1750℃。
3) 有条件时应加大包底供氩量。
4) 控制合理的供氧量。
5) 初炼钢液的含硅量应限制在较低的水平。
6) 减少铬的烧损和精炼后渣中( Cr2O3) 的含量。
7) 在耐火材料允许的条件下, 提高初炼钢水的含碳量。
8) 精选脱氧剂、 造渣材料和铁合金, 防止混进碳分, 并在真空下进行后期造渣, 脱氧和调整成分等操作。

五、 总结及安全生产管理建议
人、 物和环境因素作用, 是事故的根本原因。人的不安全行为和物的不安全状态都是酿成事故的直接原因。
² 物的不安全状态已在上文详尽叙述过在此不做累述。
² 对人的不安全行为的控制方法对人的不安全行为的控制方法:
1) 加强员工安全教育, 提高员工安全意识和安全素质
2) 加强员工的纪律检查和监督
3) 加强员工的人员调整和必要的惩戒措施 
4) 提高生产的自动化程度
5) 采用物质、 精神激励法等控制措施
综上所述, 尽管在真空氧气脱碳的过程中人的不安全行为、 物的不安全状态是不可避免的, 但能够经过采取恰当的措施来减少它们对生产过程的影响, 进而减少或避免事故的发生。作为安全工作人员的我们任重而道远。
六、 参考资料
以上资料均来自网络检索

报告编写: 林雨菲
PPT制作, 评价总结: 林雨菲, 洪建武
工艺流程评价: 李思雯, 李力婕
设备评价: 金宜家 , 胡小宇, 郭烈