AOD培训教材

上海又成冶金机械有限公司CopyRightByAODWorks2004.121氩氧精炼炉培训教材上海又成冶金机械有限公司编制电话：[phone]上海又成冶金机械有限公司CopyRightByAODWorks2004.122目录第一章AOD发展史第二章不锈钢基础知识第三章不锈钢冶炼理论基础第四章AOD炉的设备第五章AOD炉冶炼工艺第六章AOD炉的耐火材料第七章AOD炉操作教程第八章AOD安全操作教程上海又成冶金机械有限公司CopyRightByAODWorks2004.123第一章AOD发展史一、AOD法的诞生美国的联合碳化物公司(UnionCarbideCorp)是一个大量生产铬铁的公司，曾集中不少研究工作者，致力于Fe-Cr-C系的研究，在铬铁合金的固态与液态脱碳方面取得了许多专利。五十年代，Hilty曾在那里进行过关于不锈钢吹氧脱碳时温度和铬、碳之间关系等有深远影响的研究工作。Krivsky在该公司从事研究工作时于1954年提出了用混合气体降低CO分压来脱碳的设想，其研究成果分别于1956年和1960年获得了专利。他认为，一般的吹氧脱碳，其可能的温升范围受到各种限制，而其他的高效率脱碳手段是真空熔炼(注：当时还无真空处理中吹氧脱碳)，但其成本又非常高。因此，他提出了一种比较简单而又经济的生产低碳铬钢的方法，即依靠O2-Ar混合气体来降低CO分压的脱碳方法。但在当时，他的这个观点并未被一些知名的不锈钢生产厂所接受，只有一个很小的Joslyn厂对此感到兴趣。1967年在实验工厂完成了预备试验，次年4月在土8吨的氩氧精炼炉上开始了工业性生产，其间整整经历了十年。试验之所以持续了这么长久，据说是因为五十年代末U.C.C．刚刚积累了低碳铬铁生产的种种技术，怕AOD法的顺利发展将不可避免地导致对高价的低碳铬铁需求的减少，因而对此法没有热情。此外从技术上看，关于Ar-O2混合气的吹入方法、风口等问题的研究，大致也经历了十年时间，这些也是AOD法诞生的技术基础。二、AOD法的发展最早的Joslyn厂的AOD炉，是将电弧炉熔化的含0.58%C、18%Cr的钢水，用氩氧脱碳法精炼至含0.04%C、16.5%Cr，然后用硅铁将已氧化的铬回收一半左右，总铬回收率达到96～97%。由于AOD法不但可提高铬的回收率，还可提高生产率和钢质量，因而Soslyn厂的AOD炉从1969年7月起，由间歇式操作改为连续作业。在此同时,AOD炉很快遍及世界各地，特别是1972年以后，AOD炉发展更为迅速。但初期的AOD法存在两大问题，即当时氩气的价格高及风口周围易熔损，造成耐火材料使用寿命低。AOD过程通常分三个时期，在钢中含碳量高的第一期,O2：Ar＝3：1，第二期为2：1，到钢液中含碳低的第三期为1：2。为了降低铬的损耗，也有工厂在第一期中氧氩比用1．5：1，第三期中用1：3的。一般来说，AOD钢中[N]要比电弧炉的低，因而在冶炼含氮不锈钢时，可用氮气取代昂贵的氩气，其取代率可达20～40%，也有达20～50%的[55]，成本可节约1.5～3.0美元／吨。Joslyn厂申请用N2取代Ar的专利中，有用O218.7标米3／吨、Ar14.7标米3／吨和N26.3标米3／吨的实际数据[56]。另外在Terni厂有用O219标米3／吨、Ar12标米3／吨、Ns7标米3／吨的报告。最近U．C．C．公司又提出了在最终阶段使用CO2的专利。耐火材料最初用的是镁砖、铬镁砖，最近使用高温烧成的铬镁砖或镁白云石砖，据说效果很好。AOD炉炉龄的提高，主要是由于对耐火材料的侵蚀机构进行了研究，提出采用局部组合炉衬和改善操作的方针。目前炉龄已由最初的20～30次提高到160～170次，日本最近甚至达到500次以上。上海又成冶金机械有限公司CopyRightByAODWorks2004.124AOD法冶炼的不锈钢，钢中气体的含量达到了接近真空脱碳法的水平和传统的电弧炉法比较，[H]由4～7ppm降低至2.5ppm，[N]由200～400ppm降低至140～200ppm，[O]由45～110ppm降低到40～80ppm。另外，通过还原渣下吹氩气激烈搅拌，脱硫率也可达到40～60%。三、AOD法的特点随着科学技术和工业生产的发展，使用部门对不锈钢的产量和质量提出了越来越高的要求。为了适应这一需要，不锈钢的冶炼工艺发生了较大的变化，从原来单一的电炉精炼，逐渐发展成包括各种形式的二次精炼的双联式生产工艺，如电炉—真空吹氧脱碳法(EF--VOD，EF-ASEA-SKF)，转炉—真空脱气吹氧法(LD-RH-OB)，电炉—氩氧脱碳法(EF-AOD)，电炉—乌德霍尔姆法(EF-CLU)等。不锈钢冶炼工艺改革的显著标志是AOD法的广泛采用，它使不锈钢的原料适应性增加，成本降低，质量改进，产量提高。此外，AOD法冶炼的品种也在不断扩大。开始时AOD法主要用来生产各类不锈钢，以后扩大到生产镍基高温合金、耐蚀合金，最近更发展到用它来冶炼各种低合金钢、硅钢和铸件用碳钢。美国的一些铸钢厂，已采用AOD法来生产不锈钢及其它低合金钢铸件，因为AOD炉的成品钢水化学成分和温度均匀，流动性良好，可使浇注温度降低，从而可大大改善铸件表面质量，防止粘砂缺陷，使铸件表面清理工作量减少大约20%。可以预期，AOD法还将不断发展，成为钢铁冶炼中的一支不可忽视的力量。AOD法主要具有下述优点：(1)可用100%废不锈钢，或廉价的高碳铬铁及废普碳钢来配料，使原料中含铬量达到成品规格要求，从而可省去绝大部分在采用电炉返回吹氧工艺时所必须补加的微碳铬铁或金属铬，降低了原料成本。例如美国一家公司采用AOD法后，微碳铬铁的消耗从1968年电炉单炼时的42.75公斤／吨，降为4.125公斤／吨。硅铬合金消耗从10.125公斤／吨降低到2.625公斤／吨，总铬回收率达98%，比电炉返回吹氧法提高10%以上。AOD法等不锈钢二次精炼法在原料及成本方面的优越性，是其迅速发展的重要原因。作为佐证，美国、西欧、日本等国家和地区铬铁的生产结构也发生了变化，从1972年以来，高碳铬铁的产量增加了25.7%，而低、微碳铬铁的产量下降了30.2%，各类铬铁的总产量下降了19.85%。(2)采用电炉和AOD炉双联法生产不锈钢时，电炉中只进行熔化和升温，因而生产率可提高10～15%。电炉熔化和升温约需2.5～3.0小时，而AOD炉的吹炼周期大约为70—90分钟，故两座电炉配一座AOD炉，可达到最佳配合，产量可比电炉单炼时提高40～50%。(3)与其它的不锈钢二次精炼法相比，AOD法设备简单，基建投资小，约相当于VOD法的1/3。(4)过程控制比较简单。真空吹氧脱碳法要通过气相分析来判断终点，还要在真空下加脱氧剂，而AOD法可在大气下稀释脱碳，可以造渣、测温、取样，相比之下要方便得多。此外与电炉返回吹氧法比较，AOD法更易于冶炼超低碳不锈钢，且可较稳定地实现过程自动控制。(5)AOD法冶炼的不锈钢，质量并不亚于电炉单炼，且钢中气体含量略有降低。尽管出钢时炉渣未完全变白，然而钢中氧及夹杂含量均与电炉单炼的相当，甚至略低。上海又成冶金机械有限公司CopyRightByAODWorks2004.125第二章不锈钢基础知识不锈钢通俗地说，不锈钢就是不容易生锈的钢，实际上一部分不锈钢，既有不锈性，又有耐酸性（耐蚀性）。不锈钢的不锈性和耐蚀性是由于其表面上富铬氧化膜（钝化膜）的形成。这种不锈性和耐蚀性是相对的。试验表明，钢在大气、水等弱介质中和硝酸等氧化性介质中，其耐蚀性随钢中铬含水量的增加而提高，当铬含量达到一定的百分比时，钢的耐蚀性发生突变，即从易生锈到不易生锈，从不耐蚀到耐腐蚀。不锈钢的分类方法很多。按室温下的组织结构分类，有马氏体型、奥氏体型、铁素体和双相不锈钢；按主要化学成分分类，基本上可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两大系统；按用途分则有耐硝酸不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐海水不锈钢等等，按耐蚀类型分可分为耐点蚀不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢、耐晶间腐蚀不锈钢等；按功能特点分类又可分为无磁不锈钢、易切削不锈钢、低温不锈钢、高强度不锈钢等等。由于不锈钢材具有优异的耐蚀性、成型性、相容性以及在很宽温度范围内的强韧性等系列特点，所以在重工业、轻工业、生活用品行业以及建筑装饰等行业中获取得广泛的应用。奥氏体不锈钢在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni8%~10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化。如加入S，Ca，Se，Te等元素，则具有良好的易切削性。此类钢除耐氧化性酸介质腐蚀外，如果含有Mo、Cu等元素还能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蚀。此类钢中的含碳量若低于0.03%或含Ti、Ni，就可显著提高其耐晶间腐蚀性能。高硅的奥氏体不锈钢浓硝酸肯有良好的耐蚀性。由于奥氏体不锈钢具有全面的和良好的综合性能，在各行各业中获得了广泛的应用。铁素体不锈钢在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。含铬量在11%~30%，具有体心立方晶体结构。这类钢一般不含镍，有时还含有少量的Mo、Ti、Nb等到元素，这类钢具导热系数大，膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点，多用于制造耐大气、水蒸气、水及氧化性酸腐蚀的零部件。这类钢存在塑性差、焊后塑性和耐蚀性明显降低等缺点，因而限制了它的应用。炉外精炼技术（AOD或VOD）的应用可使碳、氮等间隙元素大大降低，因此使这类钢获得广泛应用。上海又成冶金机械有限公司CopyRightByAODWorks2004.126奥氏体--铁素体双相不锈钢是奥氏体和铁素体组织各约占一半的不锈钢。在含C较低的情况下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。有些钢还含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti，N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。马氏体不锈钢通过热处理可以调整其力学性能的不锈钢，通俗地说，是一类可硬化的不锈钢。典型牌号为Cr13型，如2Cr13,3Cr13,4Cr13等。粹火后硬度较高，不同回火温度具有不同强韧性组合，主要用于蒸汽轮机叶片、餐具、外科手术器械。根据化学成分的差异，马氏体不锈钢可分为马氏体铬钢和马氏体铬镍钢两类。根据组织和强化机理的不同，还可分为马氏体不锈钢、马氏体和半奥氏体（或半马氏体）沉淀硬化不锈钢以及马氏体时效不锈钢等。腐蚀的种类和定义在众多的工业用途中，不锈钢都能提供今人满意的耐蚀性能。根据使用的经验来看，除机械失效外，不锈钢的腐蚀主要表现在：不锈钢的一种严重的腐蚀形式是局部腐蚀（亦即应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀）。这些局部腐蚀所导致的失效事例几乎占失效事例的一半以上。事实上，很多失效事故是可以通过合理的选材而予以避免的。应力腐蚀开裂（SCC）：是指承受应力的合金在腐蚀性环境中由于烈纹的扩展而互生失效的一种通用术语。应力腐蚀开裂具有脆性断口形貌，但它也可能发生于韧性高的材料中。发生应力腐蚀开裂的必要条件是要有拉应力（不论是残余应力还是外加应力，或者两者兼而有之）和特定的腐蚀介质存在。型纹的形成和扩展大致与拉应力方向垂直。这个导致应力腐蚀开裂的应力值，要比没有腐蚀介质存在时材料断裂所需要的应力值小得多。在微观上，穿过晶粒的裂纹称为穿晶裂纹，而沿晶界扩图的裂纹称为沿晶裂纹，当应力腐蚀开裂扩展至其一深度时（此处，承受载荷的材料断面上的应力达到它在空气中的断裂应力），则材料就按正常的裂纹（在韧性材料中，通常是通过显微缺陷的聚合）而断开。因此，由于应力腐蚀开裂而失效的