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第五章AOD炉冶炼工艺
第一部分AOD炉精炼反应
1、 AOD炉内的脱碳
在AOD炉内，吹炼前期的主要任务是脱碳。 脱碳的反应可用下式表示： 2(C)十[O2]＝2(CO) (C)十[O2]＝(CO2)
即根据稀释脱碳原理，是高铬钢液中的碳进行选择性氧化，这一时期约为50～60分钟，称为脱碳期。碳选择性氧化效果的优劣，可以用一个指标—CRE（%）来表示。CRE是英文（吹入氧气的）脱碳利用率（Carbon Removal Efficiency）的缩写。如果混合气体中的氧完全用于脱碳，而不用于氧化铬、锰、铁等金属元素，则CRE=100%。反之，如果吹入的氧有部分，或者相当一部分消耗于铬、锰、铁等元素的氧化，则CRE就小于100%，甚至低于20%。欲达到较高的CRE值，最重要的就是要控制好氧气与稀释气体（氩或氮）的混合比，并根据炉内反应不同阶段的熔池温度及碳含量及时加以调整。
在吹炼过程中，只有随着碳含量的降低，不断降低O2/Ar（或N2）的比率，方能保持较高的CRE值，达到降碳保铬的目的。当开吹温度为1600℃，起始碳含量为2%时，以O2/Ar（或N2）比为4的混合气体吹入熔池。其CRE值在90%以上这时碳可激烈氧化而使熔池升温。当碳氧化至0.5%时，熔池温度已升到1700℃而CRE值仍在90%左右。为了防止耐火材料的大量熔蚀，一般不希望使AOD炉熔池温度长时间超过1700℃。当[C]<0.5%后，要 是继续维持温度为1700℃、O2／Ar比为4，则CRE值将急剧下降，譬如在[C]＝0.3%时，CRE值不到35%。显然[C]<0.5%后，应改变O2／Ar比值，即：当[C]降到0.5%以后应将O2／Ar比调整为1／1，这样就可使CRE值保持为90%，直到[C]降至0.3%；然后将O2／Ar比继续减小到1／4，从而可使CRE值继续保持为90%一直到[C]降至0.1%。
当然，以上仅仅是一个过程分析的实例。在实际的AOD炉操作中，最佳气体稀释比的确定应该取决于一系列因素，主要有：开吹温度，原始的碳、硅含量，允许的操作时间(与生产率及初炼炉熔化速率有关)，以及耐火材料与惰性气体、还原剂三者成卒的比价。对于成本比价因素有必要作些简要说明。例如，某地区的耐火材料、还原剂成本相对低廉，而惰性气体稀缺、昂贵，则应该选用较低的稀释比，以节省惰性气体。这样前期必然有少量铬、锰、铁氧化，使熔池温度升高到1750～1760℃。在此温度下，采用O2／Ar比为4/1一直可吹到[C]降至0.25%，从而可保持CREW≥90％。后期也只需用O2／Ar比为1／2或l／3，一直吹到终点。这样操作，钢液中的铬将氧化2～3%，通过在脱碳完了后加入还原剂和惰性气体搅拌，仍可回收90%的铬。反之，如果本厂就有大量氩气供应，而炉龄及耐火材料成本是主要矛盾，则应采用较大的稀释比，将过程温度控制在较低水平。这也就是各国的各厂家，在用AOD炉冶炼同一牌号不锈钢时往往采取不同的供气方案的根本原因。
不过，为了加速整个过程，目前各厂都倾向于在前期采用较高的O2／Ar比；只要条件允许，能将碳配到1.5～2.5%，开吹时的O2／Ar都用4／1，而不是联合碳化物公司最初提
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出的3／1。在顶底复合吹炼的AOD炉中，开吹时的O2／Ar比可达到7.7／1。此外也有一些工厂采用在前期喷吹氧化镍的工艺，以降低气体消耗，并降低镍合金化的成本。 2、AOD法的脱硫
在AOD炉精炼的还原阶段，由于加入硅铁和石灰使炉渣脱氧，同时又有氩气的激烈搅拌，因此钢液可以深度脱硫。其脱硫能力甚至超过电炉用白渣法冶炼，这也是其它不锈钢真空精炼法所唯以达到的。
一般钢渣间的脱硫反应可用下式表示： (CaO)十[S]＝(CaS)+[O]
Ks= a(CaS)×a[O]÷a(CaO) ×a[s]
不锈钢精炼时钢渣间硫的分配比为：
1g(%S)／[%S)＝1.148 1gNcao/a[o]-0.5531 lgNmno+lgfs-2985／T-1.387
由分配比表达式可看出，高碱度(提高Ncao)低氧势(降低a[O]及Nmno)、高温度等条件，对提高渣钢间硫的分配比有利。
为了使炉渣碱度提高，但又保持较好的流动性，一般是加入石灰及萤石造渣。但使用萤 石会导致耐火材料严重蚀损，因此近来国外AOD炉普遍采用轻烧白云石作为造渣剂。加入白云石既不会侵蚀炉衬，又可保持炉渣碱度及流动性，是提高AOD炉；炉龄的措施之一。
AOD炉的脱硫效率极高，以某厂的AOD炉为例，钢水原始含硫高达0.097％，脱碳结束铬还原开始时，硫含量仍达0.082%，但是经过还原期渣钢的激烈搅拌，出钢后钢包中钢水的硫含量已降至0.004%。考虑到整个还原期时间仅为20分钟，这种脱硫效率是其它炼钢炉所无法比拟的。有人认为AOD炉所能达到的最低硫含量低于0.001%。尽管这里还有一个分析精度问题，但AOD炉极强的脱硫能力是毋容置疑的。 3、AOD炉钢中的气体与夹杂物
由于AOD法采用单渣法操作(要求硫含量极低时，也有采用双渣法的)，出钢时渣色不是白的，因而在一段时间内电炉炼钢工作者曾对AOD炉不锈钢的质量表示怀疑。然而大量的取样分析表明，AOD炉钢的氧含量比电炉钢的要低)10～30%，甚至比电炉-DH真空处理钢材的还要低10ppm左右。这是因为AOD炉精炼期氩气的激烈搅拌，可促使钢液中的氧化物分离、上浮。通常AOD炉出钢前钢水氧含量为70ppm左右，浇注包中为50ppm左右。
AOD法虽然没有真空脱气过程，但是由于吹入大量氩气，也有明显的脱氢效果，与电炉冶炼相比，氢含量要低25～65%。和电炉法冶炼不锈钢一样，AOD法使用大量的石灰造渣，因而钢中氢含量对大气湿度非常敏感，往往随季节而波动。以日本为例，在多雨潮湿的6月至8月，电炉单炼的不锈钢中氢含量波动在6～7ppm，而在干燥的冬季，钢中氢含量可降到5～5.5ppm。AOD法虽然也有类似的波动规律，但氢含量始终比电炉法的低，在潮湿的夏季为4～4.5ppm，在干燥的冬季低于3.5ppm，最低的月平均氢含量可达到3ppm。
AOD法由于钢中氧化物夹杂易于上浮、分离，钢材清洁度提高。若以夹杂物视场沾染面积来表示，则AOD法与电炉法钢材清洁度可对比如下表所示。AOD炉钢不仅夹杂物含量少，而且几乎不存在大颗粒夹杂，夹杂物的主要形态也由电炉法的锰硅酸盐，变为钙硅酸盐。
AOD法与电炉法钢材清洁度比较(SUS 304钢) 指标 工艺 电炉法 AOD法 AOD 培训
总氧含量（%） 平均值 标准偏差 0.0062 0.0055 0.0011 0.006 46
视场沾污度（%） 平均值 标准偏差 0.020 0.017 0.012 0.014 AOD培训教材
AOD法还可以在吹炼过程中脱除钢中的铅。众所周知，为了改善不锈钢的切削加工性能，不少国家发展了含铅的易切削不锈钢。然而在废钢中，这类不锈钢却难以和其他钢种分开，从而会导致成品不锈钢中含有一定量的铅而影响其热加工性能。因而在使用廉价的返回料时，怎样防止含铅的易切削不锈钢混入，曾是电炉法冶炼中一个难以解决的问题。但是在AOD法中，这个问题就不复存在；即使熔清时钢水铅含量很高，经过AOD吹炼，成品钢 水中的铅可降至10ppm以下，完全不会影响钢的性能。
第二部分AOD炉冶炼工艺
AOD炉冶炼工艺一般如后述。钢水倒入AOD炉后，立即摇直炉体，开始氩-氧混吹，开吹温度控制在1480～1560℃。吹炼过程的控制，是根据钢包钢水分析值和钢水重量来确定氧气消耗量。例如Joslyn厂的15吨AOD炉，每脱除0.01%的碳，需要吹入50英尺3 的氧气，每脱除0.01%的硅，需吹入40英尺3的氧气，而Fe+Cr+Mn的氧化，共需耗用氧气3000英尺3 。氧气输入速度为250英尺 3 /分。吹炼分两阶段，第一阶段要求把碳脱至0．20%，根据上述关系即可计算第一阶段的吹炼时间。此时氩气输入速度为125英尺 3 /分，即第一阶段Ar:O 2 ＝1:2。在第二阶段中，把Ar:O 2 改为2:1，并规定吹炼15分钟，可把碳降到0.06%，吹20分钟可把碳降到0.03%，吹30分钟可把碳降到0.01%以下。
第二阶段结束后，立即加入添加合金及还原剂，并以250英尺 3/分的速度吹入纯氩，搅拌4～7分钟。计算最终添加合金数量基本上以电炉出来时的钢水称量及化学分析为基础，铬的回收率按97%计算，以吹炼过程氧化了2.3%的铬来确定还原渣中氧化铬所用硅量。钢液最高温度控制在1650～1750℃。平均吹炼时间为75分钟。
1969年以后，Joslyn厂把第一阶段氩氧比从1：2改为1：1.5。吹炼时间相应延长，但可获得较低的碳含量并减少铬的氧化。第二阶段吹炼时间也可相应减少，以节省昂贵的氩气。工艺改变后，铬的氧化量从2.3%降为1.6%左右(超低碳冶炼时为2%)。整个AOD炉冶炼周期为100分钟。目前有不少厂都采用这种二阶段吹炼法。
除二阶段吹炼法外，英国Spartan厂的10吨AOD炉，意大利ILS Savio La厂的22吨AOD炉及美国Armco厂的35吨炉、东方不锈钢的公司50吨炉都是采用三阶段吹炼法，其配气比例为：
第一阶段 Ar：O2=1：3 吹至[C]=0.03%。
第二阶段 Ar：O2=1：2 吹至[C]=0.13～0.15%。 第三阶段 Ar：O2=2：1(或3：1) 吹至[C]≤0.03%。
每阶段吹炼完了时，均取样分析测温。当吹炼至终点时，立即扒除部分炉渣，然后加入由硅铁、硅铬、硅锰、锰铁及石灰组成的还原渣料，同时吹入氩气搅拌6～8分钟，还原渣碱度控制在1.5左右，通过还原可回收0.75%以上的铬。在吹氩搅拌期间，钢中碳因与钢液中氧作用，含量进一步降低。如果有脱硫任务，则应扒除因硅脱氧生成大量(SiO2)而形成的低碱度渣，加入由石灰，硅铁和萤石组成的高碱度脱硫渣，其碱度为2.2～3.6。同时通过吹氩搅拌，使硫含量降至0.010%以下。
下面以美国Armco公司的175吨AOD炉的操作为例，介绍AOD炉的操作规程： 1、转炉装料：
1）向预热过的转炉加入3750公斤渣料作为“缓冲剂”，以将兑入钢水时炉子的冲刷
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蚀损程度减至最小。
2）将转炉摇至装料位置，兑入原料钢水。在开吹以前，不许摇动炉子。
3）当钢包中原料钢水兑毕，在将转炉摇回垂直位置的同时，吹入氩气搅拌30秒钟。 4）钢包运走，并倒净残渣。 2、氧化期：
1）第一阶段，氧氩比为O2：Ar(或N2)＝3：1，直到温度达到1655～1665℃。采用5
个风口时，气体流量为5000英尺3／分，但有一个或更多的风口不工作时，流量降为4000英尺3／分。
2）加入以镍、高碳铬铁和高碳锰铁组成的冷却剂(按电炉出钢钢包中所取试样计算)，
以防止过热。
3）第二阶段，气体混合比改为O2：Ar(N2)＝2：1、 1：1、 1：3，以保证熔池最
高温度不超过1675℃。在开始1：3的氧化阶段时，取一个碳样，并由此计算出所需吹入气体数量及控制吹炼的终点。
4）气体混合比改为1：3是一个转折点，这时用氩气取代氮气。该时刻的确定取决于终点碳含量和氮的规格值。
5）在1：3吹炼结束后，单独吹氩5分钟，进行氩气搅拌脱碳。 3、还原期：
1）加入还原混合物。还原所需要的硅主要来自硅铬合金，如不够时可补加硅铁。石
灰的加入量按进入渣中硅的数量乘以3.2计算。最后渣中(CaO)与(SiO2）之比为1.4(R值)。
2）以2500英尺3／分流速吹氩搅拌还原混合物。取钢水样分析C、Mn、P、S、Si、
Cr、Ni等，并在出钢前进行最后的成分调整。 3）出渣
4）加入最后调整合金，待温度达到要求立即出钢。 4、出钢温度：
钢 种 铸 件 钢 锭 301、302、304 1575℃ 1545℃ 305、306 1570℃ 1560℃ 310 1570℃ 1560℃ 5、出钢和搅拌操作：
1）钢包添加合金。如果钢种成分需要硼，可在钢包中加入，使之达到规格要求。 2）把钢包放到AOD炉前面的出钢位置。 3）摇炉出钢。
4）总的出钢时间大约是5至7分钟，前三分之一钢水应出得较慢，以将钢包耐火
材料的损耗减至最小。将钢水全部出至钢包中。
6、把钢包移至吹氩搅拌站，吹氩8至10分钟，使温度达到下列值： 钢 种 铸 件 钢 锭 T301 1540℃ 1515℃ T304 1530℃ 1510℃ T309 1525℃ 1505℃ T310 1520℃ 1500℃
Cr—可冶炼最高含30%Cr的不锈钢，回收率平均为98%。
C—原始碳含量最高可达2.5%，平均值为0.4～0.6%。成品碳含量可小于0.01%，
最低为0.004%
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