摘  要  简要论述北海诚德压延精炼AOD炉体设备、供配气系统、上料系统、烟气净化系统配置等相关设施的设备并结合其工艺设计特点，总结了AOD工艺原理及操作过程。

关键词  AOD炉  设备  工艺原理  炉渣 

1  主要设备与工艺设计

AOD主要工艺设备由炉体设备、供配气系统、上料系统以及烟气净化系统组成。不锈钢冶炼的特点决定了该设备和工艺设计方面的特殊性，从以下几方面加以论述。

1.1  炉体设备设计

AOD炉体设备主要由炉壳、悬挂机构、托圈、倾动装置等组成。

（1）炉壳结构特点。包括：①炉容比与同容量的碳钢转炉相比较小，仅为 0.55～0.62m。/t；②无出钢口，直接从炉口钢渣混冲出钢，有利脱硫和合金的还原，特别是对脱硫非常有利；③炉口上方装有两支顶枪一备一用，顶枪主要吹入氧气和氮气，枪管配有高压循环冷却水护枪；而炉壳下部一侧安装有侧吹风枪，风枪采用双层套管型式，内管通氧气或氧气与氮气、氩气的混合气体，外层套管通入冷却气体氮气或氩气；④设有连续测温装置，确保操作控制炉内溶液温度；⑤ 炉衬耐火材料分为永久层、工作层，综合考虑炉衬寿命、经济性等各方面因素，大多采用镁钙砖；⑥AOD采用活炉座型式，炉壳上带有吊耳，以便炉壳的吊运和更换。

（2）AOD炉衬维护。AOD与碳钢转炉不同，强烈的搅拌加速耐火材料的浸蚀，炉衬寿命低，视实际操作情况仅70炉不等，因此需多个炉壳更换。其炉衬寿命的高低和炉壳更换时间的长短，直接影响到生产线的生产节奏，所以 AOD炉衬的维护对于生产上是一项很重要的工作。

AOD炉衬的维护包括在线烘烤和离线修砌干燥烘烤。在线烘烤用于生产间隙炉衬保温、防止炉衬激冷激热、提高炉衬寿命。离线修砌区设置拆炉站和修砌干燥烘烤区，主要用于一个炉役结束后，离线拆、砌、烘炉壳。主要环节是：拆除风枪连接管，由行车将炉壳吊运至砌筑区；冷却、拆除炉帽；将下部炉壳吊运至拆炉站拆除废砖；修砌、安装炉帽；干燥、预热，准备待用；再由行车吊运至工作位，连接风枪软管线等。1个炉壳的修砌周期约3天左右，故每座AOD一般设3个炉壳用于周转。为适应更换炉壳的需要，在生产中改换在砌筑好时把风枪提前装上以便降低安全危险性和缩短换炉时间保住生产。

（3）托圈及悬挂机构。由于AOD采用活炉座，比较成熟的托圈结构型式主要有“U”型托圈其形状为U”型开口式；换炉壳操作时有专门的更换炉壳台车，台车将炉壳运出，由车间起重机将炉壳吊运至砌筑区；换炉壳周期为（60～120/min）

（4）倾动装置与碳钢转炉的基本相同。

1.2  供配气系统

近年来，由于顶枪的引入和底吹供配气系统和制度的不断完善，使 AOD氩气消耗明显降低，进一步奠定其在不锈钢生产领域的主导地位。AOD供配气系统：在氧气、氩气、氮气总管上均设置有快速切断阀、流量调节阀和止回阀，根据钢种对氮的要求和精炼过程中钢液温度和钢中碳的情况，控制顶枪供氧量及供氧时间；同时，控制风枪供氧量及供氧时间、氮气与氩气的比例，从而节省昂贵的氩气、准确控制熔池温度、降低一氧化碳分压避免铬的氧化。

在每支风枪的支路上均设有流量控制和调节以及压力检测，保证每支风枪具有足够的冷却气体量、提高风枪寿命、降低耐火材料消耗和操作成本。不锈钢合金含量高，为尽量减少合金的氧化，一般A0D的供氧强度不超过2m³/（t•min），正因为如此，A0D顶枪寿命相对于碳钢转炉要高、且每 1个炉次内顶枪非作业时间长达 60min以上，可在线换枪。

1.3  加料系统设置

为准确控制合金含量和造渣脱硫，A0D需设置1套加料系统，北海诚德压延精炼设置了高位料仓，每套炉座设有12个仓，主要存储造渣料石灰、氟化钙、废钢、Fe-Si、高碳铬铁、微碳铬铁、Si-Mn等。为准确配料，每个料仓下部均应安装电子磅、电磁式或交流变频振动给料机，通过溜管送至炉旁料斗，系统配置了卸错料系统。

1.4  烟气净化系统配置

AOD的烟气净化系统包括：①汽化冷却系统。AOD在吹炼过程中产生大量的高温烟气，但由于不锈钢冶炼的特殊性，其人炉预熔体中（C）一般仅为1.7～2.0，产生的煤气量少，回收价值不高，因而一般均是采用燃烧法，即烟气中所含一氧化碳要求在汽化冷却烟道内完全燃烧，不回收煤气。AOD汽化冷却装置主要作用是降低烟气温度、回收高温烟气中余热，为AOD烟气除尘创造条件。②除尘系统。AOD一次除尘系统多采用燃烧法、干式布袋除尘，避免了湿法除尘水中带有铬离子，污染环境。为有效控制AOD作业过程中产生的大量烟尘，设一次除尘、门形罩、屋顶罩、加料系统除尘相结合的排烟方式，实现AOD冶炼全过程的烟尘控制。一次除尘捕集AOD冶炼过程 中从炉内排出的烟尘；门形罩捕集加料、冶炼和出钢过程中从A0D炉口外逸的二次烟尘；屋顶罩捕集在兑铁初期和结束时瞬间产生的大量烟气。AOD内排烟的高温含尘烟气经强力风冷器降温后，与门型罩、屋顶罩和加料除尘系统排出的烟气混合、并经混风冷却至 120℃以下进人布袋除尘器过滤、收尘，通过风机、消声器、烟囱排人大气。净化后的气体排放浓度小于35mg/m³。

2  工艺原理流程及其特点

2.1  AOD技术的基本原理

AOD是氩氧脱碳法（ArgonOxygenDecarburi—zation）的简称，1968年由美国碳化物公司开发，采用常压操作，通过炉体一侧设置的多支风枪向炉内输送氧气、氩气和氮气，操作中可根据不同的操作阶段，通过调节供给的气体种类和气量降低一氧化碳的分压来实现降碳保铬的目的。该法具有优点：

（1）对设备要求不高、基础投资较低、经济效益大

（2）可用来生产低碳和超低碳不锈钢

（3）原材料价格低廉，可用高碳铬铁作为原材料，成本较低 

吹氧脱碳原理:吹入的氧气与钢水中的碳和铬以及其他微量金属发生氧化反应。即：2C+O2↑=2CO↑、4Cr+3O2↑=2Cr2O3, 其反应生成的氧化铬会进入渣层中与钢水中的碳反应3C+Cr2O3=2Cr+3CO↑.由上述的三个反应可充分体现出碳与铬在氧化与还原中形成的平衡关系。通过控制热力学条件促进反应向正方向进行，达到脱碳保铬的目的。从化学反应角度分析，提高反应环境的温度（使平衡常数增大）以及分压的手段可促进反应向正方向移动。

2.2  工艺流程

主要工艺流程分为氧化阶段和还原阶段以及微调成分温度三个阶段，氧化阶段可根据熔炉渣的形态细分成化渣期和造渣期，也可根据碳含量的高低分为高碳期与低碳期。

氧化阶段：在入炉的铁水输送氧气进行脱碳、脱硅并通过CO的二次燃烧快速把钢液温度提升，在化渣过程中加入所需的高碳铬铁以及造渣所需的石灰以及其他调渣剂，待加入的高铬完全化完后把熔池中的酸性渣通过炉倾扒掉，加入适量的石灰造和调渣，调节熔炉中渣的碱度以及通气性。进入造渣期，继续脱碳和通过CO的二次燃烧把温度提升至1650℃-1700℃，根据钢液中的碳含量以及钢液温度，适当调节O2和（N2/Ar）的比例输入，以降低CO的分压确保在脱碳过程中避免铬的氧化。

还原阶段：在钢液中的碳含量降到成品要求范围内之后进入还原期，加入FeSi还原钢液中的铬、锰和铁，加入适量的石灰、CaF2造渣脱硫，最后加入必须的合金进行成分的调整，炉倾倒掉部分渣，调整温度出钢。至此钢水在AOD部分冶炼结束。

2.3  工艺操作特点

AOD工艺操作的核心是脱碳保铬，提高金属收得率，降低生产成本。为满足 AOD工艺操作要求、达到不锈钢精炼的各项冶金目标，AOD在设备配置及工艺设计等方面均具其特点。如配置连续测温装置 监测熔池温度，并通过炉口钢渣混冲出钢，提高合金收得率；配置容量大、数量多的合金及散状料系统进行合金化和造渣脱硫操作；优化供配气系统以降低氩气消耗；配置氧枪系统缩短冶炼周期，改善与前后工序的匹配关系；配置炉衬维护系统及炉壳快速更换系统 ，提高炉衬寿命，降低耐火材料消耗，缩短更换炉壳时间，提高作业率；配置烟气净化系统实现能源回收及环境保护。

3.1  炉渣的来源、组成、作用

（1）炉渣又叫熔渣，是炼钢过程中产生的。炉渣的主要来源有：

①由造渣材料或炉料带入的物质。如加入石灰、白云石、萤石等，金属材料中的泥沙或铁锈，也将使炉渣中含有（FeO）、（SiO2）等。这是炉渣的主要来源。

②元素的氧化产物。含铁原料中的部分元素如Si、Mn、P、Fe等氧化后生成的氧化物，如Si02、Mn0、Fe0、P205等。

③炉衬的侵蚀和剥落材料。由于高温、化学侵蚀、机械冲刷等方面原因使炉衬剥落，则耐火材料进入渣中。

④合金元素脱氧产物及炉渣脱硫产物。 如用Al脱氧化生成的（Al2¬O3），用Si脱氧生成的（SiO2），以及脱硫产物（CaS）等。

（2）炉渣的组成

化学分析表明，炼钢炉渣的主要成分是：Ca0、Si02、Fe203、Fe0、Mg0、P205、Mn0、CaS等，这些物质在炉渣中能以多种形式存在，除了上面所说的简单分子化合物以外，还能形成复杂的复合化合物，如2Fe0•Si02、2Ca0•Si02、4Ca0•P205等。

（3）炉渣的作用

炼钢中常讲：炼钢就是炼渣。炼钢过程中熔渣的主要作用可归纳成如下几点：

①通过调整炉渣的成分、性质和数量，来控制钢液中各元素的氧化还原反应过程，如脱碳、脱磷、脱氧、脱硫等；

②吸收金属液中的非金属夹杂物；

③覆盖在钢液上面，可减少热损失，防止钢液吸收气体；

④能吸收铁的蒸发物，能吸收转炉氧流下的反射铁粒，可稳定电弧炉的电弧；

⑤冲刷和侵蚀炉衬，好的炉渣能延长炉衬寿命。

所以，造好渣是实现炼钢生产优质、高产、低消耗的重要保证。

3.2  炉渣的理化性质

熔渣的物理性质主要是指炉渣的熔点和黏度。

熔渣的化学性质主要是指熔渣的碱度、氧化性和还原性。

为了准确描述反应物和产物所处的环境，规定用“[  ]”表示其中的物质在金属液中，“（  ）”表示在渣液中，“{  }”表示在气相中。

（1）熔渣的物理性质

①熔渣的黏度:

黏度是表示熔渣内部各部分质点间移动时的内摩擦力的大小。黏度的单位是泊（P），1P=0.1Pa•S（帕•秒）。

黏度与流动性正好相反，黏度低则流动性好。

冶炼时，若熔渣的黏度过大，则物质在钢液及熔渣之间的传递缓慢，不利于炼钢反应的迅速进行；但若黏度过小，又会加剧炉衬的侵蚀。所以在炼钢时，希望获得适当黏度的炉渣。

影响熔渣黏度的主要因素是熔渣成分和温度。凡是能降低炉渣熔点的成分均可以改善熔渣的流动性，降低渣的黏度；熔池温度越高，渣的黏度越小，流动性越好。实际操作中，黏度的调节主要是靠控制渣中的Fe0、碱度和加入萤石等来实现的。

②熔渣的熔点

熔渣是多元组成物，成分复杂，当它由固相转变成液相时，是逐渐进行的，不存在明显的熔点，其熔化过程有一个温度范围。通常熔渣的熔点是指炉渣完全转变成均匀液体状态时的温度。

不同的氧化物熔点是不同的，炉渣中各种氧化物的熔点见下图1

炉渣中最常见的氧化物大部分都有很高的熔点。炼钢温度下，这些氧化物很难熔化。但实际上，它们相互作用生成了各种复杂化合物，这些化合物的熔点低于原氧化物的熔点，从而降低了熔渣的熔点。降低炉渣熔点的主要措施是：加入一定的助熔剂，如矿石（Fe203）、萤石（CaF2）等，以便形成低熔点的多元系化合物。 

（1）炉渣的化学性质

①熔渣的碱度

炉渣中常见的氧化物有酸、碱性之分，其分类如下图2：

碱度主要对炼钢过程中的脱硫和脱磷有重要作用。因为硫和磷的氧化物均呈酸性，所以要保证去除磷硫，熔渣必须有足够多的碱性氧化物。熔渣中碱性氧化物浓度总和与酸性氧化物浓度总和之比称为熔渣碱度。常用符号R表示。

碱度是判断熔渣碱性强弱的指标。去磷、去硫以及防止金属液吸收气体等都和熔渣的碱度有关，它还决定着熔渣中许多组元的活度，因此碱度是影响渣、钢反应的重要因素。

由于熔渣中Ca0和Si02的数量最多，约为渣量的60%以上，所以常以Ca0与Si02浓度之比表示熔渣的碱度如下公式（1）：

R  

根据碱度高低，熔渣可分为酸性渣、中性渣、碱性渣。

②熔渣的氧化性

熔渣的氧化性是指其氧化能力，即释放氧的能力，通常以渣中的FeO含量（FeO）表示。（FeO）对钢液中[S]、[P]等有害杂质元素的去除、[Si]和[C]的氧化以及保存钢液中的有用元素起重要作用。它对炼钢过程中的成渣速度、去磷、去硫、喷溅、金属收得率和终点钢水含氧量等均有重大影响。

Fe0能同时存在于渣—钢之中，并在渣—钢之间建立一种平衡（FeO）/ [FeO]，所以一般认为渣中的氧是通过Fe0传递到钢液中的。因而熔渣中的FeO含量便可代表熔渣所具备的氧化能力的大小，即熔渣的氧化性通常用渣中氧化亚铁总量Σ（Fe0）表示。

渣的氧化性对熔渣的反应能力及物理性能有重要的影响。冶炼过程中常见的渣稀现象就是因为熔渣Fe0过低，造渣困难，炉渣的反应能力低。熔渣Fe0过高，又会造成喷溅，增加金属损失及炉衬侵蚀。因此，渣中氧化铁的含量应适当，在冶炼过程中，一般控制在10%～20%为好。

③熔渣的还原性

熔渣的还原性是指其还原能力，强还原渣中（FeO）含量很低（小于0.5%），而碱度又很高，另外往往还向这种熔渣中加入还原物质，用来深度脱氧，通常还原渣下钢液中的氧含量都很低（<0.01%）。

4 结语

AOD作为不锈钢生产线中的一个重要环节，工艺的冶炼可以有效的提高金属的收得率，降低耐材和Ar的消耗从而降低成本，所以为提高AOD经济效益设计中要充分考虑AOD工艺特点进行相关设施的配置，这样才可以使得AOD在冶炼不锈钢的市场争取到一定的生存空间，从而为经济生产不锈钢创造条件。

5  参考文献

[1]炼钢学原理，北京：冶金工业出版社，1994；

[2]钢铁研究学报.第28卷月刊；

[3]杨绍利 冶金概论，冶金工业出版社 孔夫子旧书网；

[4]王雅贞等，氧气顶吹转炉炼钢工艺与设备，北京：冶金工业出版社，2001；

[5]张承武。炼钢学 北京：冶金工业出版社，1991；

[6]炼钢学原理，北京：冶金工业出版社，1994