VOD法

冶金技术

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。第一台为1965年德国Edelstahlwerk Witten公司于1965年开发的50 tVOD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，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。

设备组成

由真空罐、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组成。(见图1)充足的蒸汽、水、氧气和氩气来源，高质量的耐火材料，适用的扒渣工具及高效率的钢包烘烤装置也是保证VOD炉正常生产的必要条件。

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：罐盖面积大，易于布置不同用途的装置;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，结构简单且可以使用较小的自由空间;易于设置防溅盖;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。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，可以自动地对准中心盖于钢包上，简化了盖罐操作。此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

罐式VOD炉与桶式VOD炉的钢包是有区别的：前者的钢包不设密封法兰，其自由空间因钢包容量不同波动于610～1400mm之间;而后者为了保持密封设有法兰，且自由空间比前者要加高25%～50%，即要有1500～2000mm的自由空间以承受激烈的搅拌和沸腾。VOD炉的包衬承受温度较高，钢液搅动激烈，它经受的化学侵蚀和机械冲刷也比其他炉外精炼方法的更为严重，故对包衬耐火材料的选择应特别严格，多采用镁铬砖式镁白云石砖，其包衬寿命一般为25～30炉，最高可达100炉。为了加速脱碳，透气砖装于钢包底部中心部位，以便上涌的氩气泡将钢水面的炉渣推向包壁，使新鲜钢液暴露于氧气射流之下。

真空泵

较高的真空度易于达到较高的技术经济指标，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，故与其他精炼设备相比，VOD炉所配的真空泵抽气能力较大一些。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，通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-SKF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。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可以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，这不仅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级)，则需要用质谱仪来控制。

工艺流程

VOD炉可以与电炉双联，也可以与转炉双联其精炼过程的主要特点是碳—氧反应的产物为CO气体，可在真空处理中被抽走，从而促进脱碳，达到抑制铬氧化的目的。

电炉—VOD双联法

正常进行精炼的关键是正确地控制初炼钢水的成分和开始吹氧的温度，采用合理的真空吹炼参数及准确地控制吹炼终点。初炼钢水的碳含量主要取决于包衬和透气砖材料的质量，耐火材料质量高时，可将碳含量控制高一些，这样有利于更多地使用高碳铬铁。在耐火材料质量不高的条件下，开始吹氧的碳含量以控制在0.3%～0.4%为宜。铬含量控制在上限。硅含量不应太高，否则会使冶炼时间拖长，实际硅含量控制在0.4%以下。硫、磷含量应低于规格。电炉出钢时，利用同炉渣洗可进一步把硫降低(≤0.015%)。然后将炉渣扒除，以便吹炼时氧气流可以与钢液面直接反应并防止回硫。此后，将钢包吊入真空罐内，通氩气搅拌钢水，开始抽真空，当真空度达到0.013～0.02MPa时，开始吹氧，此时氧压为0.49～0.59MPa，氧枪距钢水面高度为1.0m以上，吹炼过程中固定不动。开始吹氧的温度随钢种和碳含量而定;吹炼超低碳不锈钢时取浇注温度的下限或稍低，而吹炼纯铁及不含铬的合金时，则应略高于浇注温度，实际开始吹氧的温度控制在以下范围：不锈钢1550～1580℃;纯铁1580～1620℃;镍(钴)合金 1560～1570℃。生产中用氧浓差电势E、真空度p及废气温度t的变化控制精炼过程，其控制实例见图2。工艺流程中停氧后的操作有三种方式(图3)。实践证明，方式Ⅲ的效果较好。从图2中可以看出，开始吹氧后，氧浓差电势E会上升到600～800mV之间，真空度p和废气温度t也会上升，当停氧前E、p和t则会下降;加合金和渣料等后，进一步抽真空中，E和p还会再度升高起来，这就是进行真空碳脱氧的明显标志。

转炉—VOD双联法

工艺流程见图4。将经过预处理的铁水倒入转炉后，首先进行一次吹炼，熔炼基体钢水，脱除Si，C和P。然后为了防止回磷，出钢以便排掉脱磷后的炉渣，接着向钢水中加入熔融的高碳Fe-Cr，继续进行二次吹炼脱除Si和C。为了防止铬的烧损，对SHS430来说，二次吹炼停吹时的碳量应为0.4%～0.6%之间，而温度应在1770℃以上，然后从转炉出钢，向真空罐内的钢包倒包以除去炉渣，进而合上真空盖，达到适当的真空度后，开始吹氧脱碳。真空VSC吹氧结束后，继续吹氩进行真空碳脱氧。最后加合金和脱氧剂，调整成分并进一步吹氩搅拌，使钢中最终含氧量降低到(30～40)×10。有时为了脱硫，还可向钢包中加入石灰、萤石等渣料。用VOD炉可将有害元素脱除到以下范围(×10%)：[C]3～300;[S]～30;[H]1～2.5;[O]30～50;[N]15～80。

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