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1、AOD发展 设备和操作AOD的发展过程 氩氧脱碳工艺的发现源于1954年在尼亚加拉瀑布城联合碳化公司的金属研究实验室里。WKrivsky当时正在研究碳铬温度之间的关系，并试图协调以前联合碳化公司Hilty和CrafteQk(21、22)以及英格兰Dennis(23)所得到的某些不同的结果。这些实验包括有向100磅融熔的铬合金熔池表面上吹氧。由于该实验反应的高放热特性，在等温条件下是难于完成实验的。Krivsky就向氧中加氩以控制熔池温度。他发现用氩稀释可使融熔的金属脱碳水平比以前所得到的结果低得多。且不使铬过多地氧化。注意到这些结果和对该系统基本物理化学现象的回顾引导出一种思想观念，即应用这种

2、原理或许可能开发一种对铁铬合金和不锈钢的精炼工艺来。随着就进行了一些年的研究与开发，最初是在铁合金分部而后是在林德（Linde）分部。 当初曾设想将ArO2混合气体经过喷枪喷吹进电弧炉的熔池将会是很有效的。这样就可避免将金属熔液倒进二次精炼炉子里去的必要性。基于这种想法在Kokomo的Haynes Stellite做过一些工作，随后在UCC的实验室，但最为广泛的研究是在印地安那州Fort Wayne的Joslyn不锈钢公司（现在的Slater）完成的。 一项与Joslyn合作开发AOD的项目于1960年开始着手。与在Joslyn的电弧炉上做试验的同时，在林德的Tonawanda实验室里探索了采

3、用单独的精炼用炉体或者说吹炼转炉的意见。经试验得知，在Tonawanda实验室试验范围内，逐渐加大所精炼的熔融金属的量是可能的。 在Joslyn 15吨电弧炉上的多次实验表明，为成功的发展起一种实用的工艺不具备一台单独精炼用炉体是不可行的。其后一台15吨带3个喷枪的试验吹炼转炉建立了起来。经多次精炼试验后，于1967年10月24日终于完成了一炉精炼和浇注。这是第1次真正实现AOD开炉。随后又完成了两炉。在这些成功结果的基础上，Joslyn决定在1967年稍晚些时候设计和建立第1台工业用AOD反应装置，并于1968年4月起投产。在当年的电炉会议上Joe Sacomano，Dick Choulet

4、和John Ellis做了关于首批89炉操作结果的报告。（24）有关AOD发展的详细回顾见本书文献附件中Krivsky的论述。（25）更为详细报导的内容也载于Choulet，Death和Dokken等人的论述，见文献附件（26）。 自从那时起值得做为里程碑记载的有： 1970Cabot公司（印第安纳州，Kokomo）开始精炼镍基超级合金。 1971Joslyn公司（印第安纳州，Ft Wayne）和ILLSA公司（意大利，Pt，St.Martin）着手采用以氮代氩。 1972Cartech公司（宾夕法尼亚州，Reading）用AOD法进行大吨位低合金钢生产。 1973Krupp公司（德国，Boc

5、hum）采用超声顶部喷枪。 1973ESCO公司（俄勒冈州，Portland）成为该工艺的首家铸造用户。1978Daido公司（日本，Hoshizaki）开始采用“弱吹”顶部喷枪。 1978ESCO公司(密西西比州Newton)成为“全部低合金”用AOD法生产的第一家。 1985Wollasten合金公司(马萨诸塞州Braintree)第一家采用小型2吨AOD炉。 全世界现有100多个AOD技术许可证获得者，它们的AOD炉容量是由1吨到160吨，遍布各工业化的大陆。近乎半数的许可证获得者是除冶金厂之外的铸造生产部门。由AOD法精炼的金属被浇注成锭，连铸(板和坯；垂直的和水平的)，压力铸造、离心

6、铸造、铸造厂的静力浇注，和水淬方式铸成重熔用颗粒。AOD的超装问题近期接触到的AOD使用厂家，普遍存在AOD超装的问题。3吨炉装5吨钢液，5吨炉装6到8吨，等等。 超装对于铸造厂是很正常的，一般的铸造厂，无论最初配置多么大容量的熔炼设备，最终都会挑战设备的极限，充分发挥铸造厂的潜力，这是可以理解的。 然而，要求采用AOD精炼的产品，越来越多的对产品的性能，钢液的纯净度提出更高的要求，最终表现在铸件产品的机械性能方面。作为一种高水平的精炼系统，AOD的炉体容量与其供气能力应是相匹配的。AOD是一种气体冶金工艺，吨钢所需要的气体量存在一个下限值，如果供气能力低于这个下限，除了会增加吨钢精炼成本外，

7、更重要的是达不到应有的精炼指标。这对于钢液中有害气体含量尤为明显，AOD去除有害气体，是通过吹入大量的氩气及剧烈氧化碳元素所放出的大量一氧化碳气泡来将有害气体带走的，也就是说，氧化期末，钢液中的H、N含量应达到最低。还原期及其后序操作应该尽量将时间缩短，防止大气中吸入及添加料带入有害气体。吨钢供气能力不足，不仅氧化期不能生成足量的气泡来净化钢液，还会延长整体精炼时间，造成钢液质量下降。 纯净钢及其精炼是未来铸钢的发展方向，2009在威海举办的铸造活动周，大会报告有四篇均提到了钢液的纯净度及其精炼问题。越来越多的学者及企业家已经认识到了精炼的必要性，这也为我们中国的铸钢行业指明了方向。近年来，小

8、容量AOD精炼系统在我国南方城市普及较快，但仍以生产钢坯钢管居多。铸件产品对精炼的要求不同于钢坯、钢板，AOD精炼也不仅是将钢液的主要成分控制合格就达到了目标。采用正规、先进的AOD精炼工艺及设备，普遍提高铸钢件纯净度，提高铸件质量，才能引领我国向世界铸造强国稳步前进!低合金钢AOD精炼曲线 低合金钢的AOD精炼过程与不锈钢的精炼有很大不同，而且低合金钢的精炼在国内很少为厂家所采用。因仅从化学成份及经济性方面考虑，低合金钢不需经过AOD精炼。 但AOD不仅仅是降碳，更重要的是精炼作用。无论何类钢种，如果要在成份不变的情况下提高其机械性能，都需经过精炼。对于低合金钢，采用AOD精炼后，各种性能指

9、标均有明显提升，尤其是低温韧性提高更为显著。 总体上说，因低合金钢内合金元素较少，AOD过程中仅凭氧气脱碳所放出的热量不足以维持整个精炼过程。所以，低合金钢的AOD精炼都需要有一个升温的过程。升温到目标温度后，再进行还原出钢。部分工艺曲线见图。不锈钢AOD精炼曲线不锈钢AOD精炼工艺曲线如图所示，因为碳-铬的氧化存在一个自我调节作用，而且铬的氧化会放出大量的热，足以维持整个精炼过程。因此正常情况下整个精炼过程不需要升温，而是通过调节不同的氧-氩比来达到调节温度并降碳的目标。 根据最终出钢所需温度，可采用硅还原或铝还原。不锈钢脱磷 磷在钢中的危害众所周知，在低合金钢/碳钢中，可以通过电弧炉氧化期

10、将磷氧化到渣中，使其与渣中的氧化钙形成稳定的磷酸钙予以去除；不锈钢生产中，如果采用新料法生产，也可以在钢液加入铬铁前进行强氧化处理，将磷去除到一定程度后再加入铬铁。 但当所使用的原材料是不锈钢返回料时，因为钢液中已经含有大量的铬，采用强氧化法去磷便受到了限制。按理论分析，在不锈钢中如果采用类似低合金钢的强氧化工艺去磷，要达到去磷保铬的目的，必须将炉内的碳含量提高到5%以上。这种要求对于高碳铬铁类生产厂家有一定的借鉴及可行性，但对于一般铸造厂来说，5%的碳含量会大幅延长后续处理时间，加大降碳负担与耐火材料损耗。 国内外冶金学者对此做了大量研究开发工作，至今试验室比较成熟的不锈钢去磷工艺可分为两类

11、：弱氧化法与还原法脱磷。 弱氧化法多是采用钡基氧化物及其卤化物作为脱磷剂，通过加氧或氧化物手段少量供氧，使磷的氧化物与渣中氧化钡结合成稳定产物，进而通过扒渣等手段去除。这种手段对钢中的碳含量要求可降低到1.5%，比较贴近国内铸钢厂的生产现状，后序再对钢液进行脱碳处理，达到成品要求。AOD的强力搅拌更是为短时间内达到脱磷效果提供了很好的动力学条件，按文献报道，脱磷时间仅为5分钟，脱磷效果可达到4060%。 还原法脱磷对钢中碳及铬没有严格要求，仅需要良好的还原性气氛。脱磷效果及成本均要优于弱氧化法。但其脱磷后产物极易吸水而潮解，进而生成剧毒的PH3气体，形成公害。目前尚未发明有效的渣处理办法，也就

12、是基于此原因，还原法未能得到推广应用。AOD精炼系统气源要求对于15吨以下AOD精炼系统，气源压力均要求为1.6Mpa，流量按精炼炉的不同吨位有所不同。 一般来说，纯底吹AOD单种气体供气流量按吨钢1标准立方米/分钟计算。 如：对于5吨AOD炉，氧气流量要求要大于：5(吨位)1(吨钢供氧)60(分钟)=300标准立方米/小时 惰性气体流量参照此标准，而一般铸造厂很可能有其它工段需要氧气，因此，氧气的气罐容积，蒸发器容量是要适当放大的。设备主要冶金指标(括号内为在客户现场调试时采集的数据)碳钢、低合金钢不锈钢C %0.03(0.01)S %0.003(0.001)0.005(0.001)N2 p

13、pm55(25-30)150(80)O2 ppm50(11-26)70H2 ppm2.5(1.1-1.5)3.0脱碳过程中，能够准确控制钢中碳元素的含量。铬的回收率达到98以上，Mn的回收率达到95以上。准确控制精炼钢水温度。冶炼含氮元素的钢种时，在出钢前能吹入氮气，并可控制钢中含氮量。氧、氩和氮气三气的单耗指标应达到：（Nm3/t）钢种氧气()氩气氮气()碳钢、低金钢1515不锈钢2525AOD设备构成设备构成气源系统多采用液态储气罐，根据AOD炉容量及开炉频率为用户设计选择气罐容量及蒸发器能力；也可以选择气体公司专用管道直接给设备供气。炉体及预热系统 炉体含炉壳，托圈，支撑机构及旋转减速机

14、构，用于接收钢水进行精炼。冷炉开炉前需对其进行预热。 采用国际先进铸造AOD炉型设计，适合于铸造行业特点。炉前平台车 用于对AOD炉内钢液进行测温，加料等操作。阀架配气系统 包括阀架及阀架与炉体间管路，与外来氧、氩、氮及压缩空气等对接，经阀架内部混合后，进入炉体。含各种气动阀门及调节阀，传感器及压力表等。 采用国际知名高可靠性元器件，控制精确，设备故障率极低，设备免维护。控制台系统 用于控制炉体翻转，炉前平台车移动，控制阀架所有元件的动作，实现精炼过程。 采用铸造用AOD控制理念设计，尤其适合铸造行业特点，可适应铸造厂各种特殊情况，操作简单。除尘系统 收集AOD炉精炼过程中产生的高温炉气烟尘，

15、并对其进行处理。 铸造AOD和冶金AOD的区别目前，世界上AOD工艺的应用可分为铸造AOD工艺和冶金AOD工艺，两者区别在于：冶金工业用AOD系统特点（Metallurgy）：1、大容量（容量在30175t）、连续性生产（生产过程不能间断）。连续生产保持高的生产率和产量为主要目标： AOD炉精炼连铸连轧。 2、产品是仅提供市场用原材料，而不是工程应用最终产品。 3、仅适合生产不锈钢钢材，质量与成本最具竞争力。 铸造工业用AOD系统特点（Foundry）：1、小容量、间断性生产。是以铸件为中心目标，AOD精炼工序为最终铸件服务。 2、产品是提供工程应用的最终商品铸件。对铸件的化学成分、各项性能、

16、内部及表面质量等要求均按合同交货条件验收。 3、适用于生产不同工程所要求的各种特殊钢及合金铸件，如不锈钢、碳钢、低合金钢及高温合金等。AOD经济效益分析对AOD工艺提供定量的经济分析是困难的，这是由于动态的市场条件，尤其是对铁合金。好在还可做些有用的评价。通常决定在AOD技术上进行投资是为了节省不锈钢电炉熔炼车间在原材料方面的开支。高碳材料代替低碳材料对每磅所需合金可减少近一半的价格。还有，由于使用硅铁的量少也进一步地做到节约。EAFAOD双联工艺由于改善了回收率也节约了Ni等合金。有些生产厂还能使用便宜的Ni的货源(和非精炼的)。这类原材料的节省本身就能占每吨不锈钢板或锭成本的10，和成品不

17、绣钢带成本的10。 除了原材料方面的节省外，由于采用了AOD工艺，电炉操作人员还知道不必在电炉中精炼而使电炉操作成本下降。电能消耗一般可节省10由于在电炉中已不必吹氧或大大减少吹氧，所以电极和耐火材料耗量大为降低(为数30)。有关具体的电弧炉消耗请阅Choulet和Mehlman的文章即参考附件的表。最为明显的是，消除了在电炉中的精炼就降低了每一炉次所用的时间，从而增加了车间的生产能力。能在电弧炉中熔化在AOD炉中精炼显著地降低了间接成本。 直接的AOD精炼成本受工业气体和耐火材料的制约。由Choulet和Mehlman的文章即参考附件的表V给出了这些消耗的细节。采用该参考附件给出的值，读者就

18、可用自己的费用计算出某项全部精炼成本。正如在该参考附件中所讨论的，AOD精炼成本和单位消耗取决于实际的操作，特别是与在AOD炉中熔化炉料(铁料)有关。低功率的电弧炉，高的能源成本和或提高生产率的要求都导致在AOD炉加入废钢，这会大大降低电弧炉消耗和每吨铸坯使用硅和其他AOD消耗材料所显现的成本。 与电弧炉精炼相对比，AOD不锈钢精炼最为明显的经济情况是： 1直接熔化和精炼成本的总数在总体上是大致相同。增加的AOD成本是由电弧炉的节省和生产能力的增加所能补偿的。 2EAFAOD技术在材料方面的节省是由于以不昂贵的高碳材料代替了低碳材料。 3除经济方面的诱因，还有EAFAOD工艺过程会得到本书前面

19、所述的质量获益,AOD精炼完的钢水质量要高于EAF冶炼的钢水质量，随之而来的后续处理的费用以及时间都会大幅度的减少。 AOD的经济性常常与VOD的经济性或者有的情况下与三联工艺EAFAOD(或LD)VOD相对比。AOD超过VOD最大的优越性是其所使用原材料方面全面的灵活性，可以用最低价格的炉料和完全消除了在电弧炉中精炼的必要性。其次，与VOD相对比AOD一般是会降低操作成本，特别是耗费精力所需的成本。与真空系统维护相关连的问题也是一项重要的考虑方面。对这一题目更深的讨论见Choulet和Mehlman在参考附件中的文章。在生产低碳和低氮不锈钢方面三联工艺取得一些收益，而对通常的不锈钢牌号其操作

20、成本则远远超过良好的AOD操作者能达到的程度。AOD工艺概述和优势 AOD是双联工艺的一部分，双联工艺中钢铁原材料在电炉或感应炉中熔化，然后进入一个特别的AOD炉内进行脱碳及精炼。氧气和氩气(氮气)的混合气通过侵入熔融的金属底部的喷枪，受控的吹入炉内，在最小的不必要合金氧化条件下对熔融金属进行脱碳。 脱氧，脱硫(在低合金钢种中脱磷)，从渣中还原回需要的金属，这些工艺在AOD炉内进行。除渣，去气，去夹杂的工作伴随着AOD工艺进行，从而制造出洁净的，成分均匀的产品。普莱克斯的AOD工艺使用的是一个由耳轴架设的，敞口的炉体，内嵌耐火砖。氧气和惰性气体(氩或氮)从炉体侧墙上熔池底部的风口，及底枪吹入。

21、热量由吹入的氧量及熔池的成分控制产生，工艺不使用，也不需要外部热源。熔融金属最初是以较高的氧气-氩气比率吹炼的。当熔池中的碳含量下降，氧气-惰性气体的比率也需下降。由惰性气体对氧气的稀释，熔池内气泡中一氧化碳的分压降低，催进脱碳反应的进行。结果是，在其它金属氧化较少的情况下，增加了脱碳反应进行。由风枪吹入炉内的所有氧气均与熔池反应；没有未反应而逸出熔池的氧气。通过监视和记录吹炼期氧气的消耗，就可以很好的控制产品终点的碳。由于氧气和惰气的混合气在早期的脱碳及终结均在熔池表面以下以高速吹入，熔池混合极好使渣钢充分接触并发生反应。结果是，炉内所有的化学反应过程都大大改善。这些包括：*脱硫到极低的水平

22、(小于0.001%)，一般在小于5分钟内完成*提高脱碳效率，允许终产品中更低的碳范围，同时并不带来大量额外的金属氧化*高效率的还原渣，可计算的硅量或铝量，可使98-100%的绝大部分金属还原回熔池工艺的另一个主要作用是可以通过底吹入熔池的气泡及脱碳过程产生的一氧化碳泡进行脱气。不需要额外的工序或设备，就可以获得低的氧、氮、氢含量。氩-氧脱碳技术发明于1954年，普莱克斯的AOD专利最初专为生产不锈钢。现在已经用于生产绝大多数的铁基铸造级别的合金。经济的生产不锈钢，高硅钢，工具钢，以及镍基合金，钴基合金，军工特殊钢及其它特殊合金也用AOD来完成。时至今日，世界上有75%的不锈钢是用普莱克斯的AO

23、D工艺来生产的。AOD改善产品质量和提高产能 发明于1954年，普莱克斯的专利氩氧脱碳(AOD)工艺最初是专门用于不锈钢制造的；现在它已经被用于生产军工级别特殊钢，工具钢，碳钢和低合金钢，镍基合金，钴基合金，超级合金等。 今天，世界上有超过75%的不锈钢是使用普莱克斯的AOD工艺生产的，而这一数量正在增加。AOD工艺是双联工艺的一部分，在这个双联工艺中，原材料在EAF电炉中或IF感应炉中熔化，随后被转送到一个特殊的AOD炉体中进行脱碳及精炼处理。通过控制吹入氧气和氩气(或氮气)的混合气体的喷吹量，将熔融的金属在最小的不必要金属氧化情况下进行脱碳。脱氧，脱硫(对于低合金钢，还有脱磷过程)，从渣中

24、将需要的金属还原回收，这都在AOD炉体中进行。去气，去夹杂过程伴随整个AOD进程从而生产出纯净，成份均匀的产品。普莱克斯的AOD工艺采用了耳轴架设的，敞口的炉体，内嵌耐火砖。氧气和一种惰性气体(氩气或氮气)由炉体侧面没在熔池下的风枪及顶枪吹入炉内。通过控制氧化炉内熔池的化学成分来掌控温度，不使用也不需要采用外部热源。熔融金属先被吹入较高比率的氧气-惰性气体，当熔池的碳含量降低时，氧气-惰性气体的比率也降低。由于惰性气体稀释了氧气，降低了熔池中气泡的一氧化碳分压，进而加速了碳的去除。结果是在很少金属氧化的情况下，碳的去除效果增加了。由风枪喷入炉内的氧气全部与熔池反应，没有未经反应而逸出炉体的。通

25、过监视及记录吹炼过程中氧气的损耗，可精确控制目标碳含量。由于氧气和惰性气体在初期脱碳过程及结束中以高速吹入熔池面以下，这形成了很好的熔池搅拌，渣金能够很好混合并发生反应。金属回收率高可想象的由于使用了廉价的高碳铁合金，高硫原材料和合金，低品质的碎钢等降低了原材料成本精确控制化学成分到目标值，并可控制碳含量到0.01%甚至更低可迅速将硫脱至小于0.001%碳可脱至0.001以下更纯净的金属，并可获得与真空除气冶炼法接近的氧，氮，氢指标投资相对小，可获得更大的产能结果是，所有炉体内的化学反应进程都大大改善。这包括：脱硫到极低的水平(小于0.001%)，正常只需要不到5分钟脱碳效率改善，允许生产更低

26、的碳含量产品，而没有更多的金属氧化渣高效的还原性能，可使用计算好的硅及铝还原回98-100%的绝大部分金属。工艺的一个主要的好处是除气效果，通过风口吹入的氩气及脱碳过程中产生的一氧化碳气泡的联合作用，可获得最终产品中低的氧氮氢含量，而这一切不需要额外的工艺或高价的除气设备。普莱克斯的AOD系统包含一个或更多的未砌筑炉衬的炉体，托圈和驱动系统，顶枪系统，取样平台车，及一整套自动/手动的气体控制系统。系统可根据需要制成各种吨位。现在，世界上大约有130台AOD炉体正在运转中，吨位从1吨到160吨不等AOD系统自身之外，铸造厂要考虑配备适合的起重设备，以起重装满耐火材料的空炉体，一套除尘系统，气源供应及电力供应系统。