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战 东 平 northeastern university 2.2 其他真空处理 设备和工艺 战东平 东北大学 钢铁冶金研究所 1 northeastern university 2.2.1 vd法简介 vd法钢包脱气法(vacuum degassing ） vd法是将钢包吹氩与真空脱气相结合，形成 一种钢包处理法，在13266pa真空下精炼， 具有很好的去气和脱氧效果。 主要生产低气含量钢，如轴承钢、重轨钢等 。 2 northeastern university 3 northeastern university 4 northeastern university vd法的主要设备有钢包炉体、真空罐 、可升降移动的真空盖及执行机构、真空 泵及抽气系统、合金加料系统等。 为了防止真空处理过程中钢液强烈地沸 腾而损坏设备，要求钢包渣面以上至少保 留600mm的自由空间。 5 northeastern university 真空处理时，钢包置于真空罐内，接通氩 气，盖上真空盖抽真空。 处理钢液的最终真空度为67pa，处理时间 1525min，可使氢的含量达1.5ppm以下 。 此外还具有脱硫、成分微调、均匀成分和 温度的功能。 6 northeastern university 项目40tvd60tvd90tvd100tvd 钢包容量/t354555658010080120 真空室直径/mm4800530058006300 真空室高度/mm5000540065007000 真空室盖直径/mm4800530058006300 吹氩装置 压力/pa6105610561056105 流量/l/min0160030005000500 抽气能力/kg/h250300300350 工作真空度/pa67676767 极限真空度/pa 13.313.3 抽空时间/min5555 处理周期/min4060406040604060 vd真空处理装置主要技术参数 7 northeastern university 典型钢种 100钢包脱气前后的氢含量 vd脱氢效果 8 northeastern university 67pa高真空时间对钢水真空脱氢率的影响 真空吹氩压力对钢水真空脱氢率的影响 9 northeastern university vd脱氮效果 vd脱氮效果 10 northeastern university vd脱氮效果 vd脱氮效果 11 northeastern university 各种元素对氮活度系数的影响 12 northeastern university vd脱硫效果 vd脱硫效果 13 northeastern university 真空时间和真空吹氩强度对真空脱硫率的影响 vd脱硫效果 67pa时间为 11 15min，真空吹氩强度在 0.05 0.08mpa时，真空脱硫率达到最高。 14 northeastern university vd脱硫效果 20 30min内真空处理后的脱硫率占全过程 脱硫的 31%。 15 northeastern university 上述情况说明：在真空条件下脱硫效果是良好的。 这种良好的脱硫作用基于以下两方面因素 :1）精炼过程 的热力学条件变化 ； 2）动力学条件的改善。 在lf状态下，钢中氧受als控制，但在vd状态下，钢中 的氧主要受钢中碳控制 : (cao) +s=(cas) +o c+o=co (cao) + s +c= (cas) + co 在真空状态下的co分压将明显降低 ，反应向脱硫方向 进行，而且co气体被抽走之后 ，逆反应将大大减少，其脱 硫过程将会加速。 vd脱硫效果 16 northeastern university 2.2.2 vad法简介 vad法钢包电弧加热脱气法 （vacuum arc degassing） 开发：美国finkl-sons公司1967年发明 这种方法加热在低真空下进行，在钢包底部吹氩 搅拌。 加热钢包内的压力大约控制在0.2105pa左右， 因而保持了良好的还原性气氛，使精炼炉在加热过程 中可以达到一定的脱气目的。 17 northeastern university vad法的优点 1）在真空下加热，形成良好的还原性气氛， 防止钢水在加热过程中的氧化，并在加热过 程中达到一定的脱气效果。 2）精炼炉完全密封，加热过程中噪音较小， 加热过程中几乎无烟尘。 3）可以在一个工位达到多种精炼目的，如脱 氧、脱硫、脱氢。甚至在合理的造渣的条件 下，可以达到很好的脱磷目的。 18 northeastern university 4）有良好的搅拌条件，可以进行精炼炉内 合金化，可以使炉内的成分很快地均匀。 5）可以完成初炼炉的一些精炼任务，协调 初炼炉与连铸工序。 6）可以在真空条件下进行成分微调。 7）可以进行深度精炼，生产纯净钢。 但是vad炉盖的密封很困难，因而从发明以 来没得到发展。 19 northeastern university 2.2.3 vod法简 介 vod法真空吹氧脱碳vacuum oxygen decarburization ） 开发：西德维腾（witten）特殊钢厂于1965年发明的。 目前其已装备的容量为5t150t，容量最大的是新日铁八幡 制铁厂的150t vod炉。 20 northeastern university 21 northeastern university 22 northeastern university 设备 由真空罐、钢包、真空泵、氧枪、加料系统、 终点控制仪表和取样测温装置组成。 .1 真空罐 vod炉设备结构上有两种形式： 1）罐式：设有真空罐，钢包置于真空罐内进行精 炼 2）桶式：钢包本身加真空盖，并在其中进行精炼 23 northeastern university 罐式vod炉 罐下设有防漏盘，其容量应能容纳全炉钢 水和炉渣，以免损坏炉体。 较好的密封方式有两种： 1）水冷密封；开罐时，放水入槽，以防法兰 被烧坏；盖罐前，将水放掉，以免影响精炼。 2）采用充氩双密封以减少漏气和钢水增氮。 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。 24 northeastern university 25 northeastern university 罐式vod炉 优点： 1）罐盖面积较大，易于布置氧枪、加料系统、取样测温装 置、监控系统等； 2）罐内可以放置的钢包容量范围较大； 3）易与真空泵连接； 4）钢包上部不带密封法兰，结构比较简单； 5）钢水喷溅不会损坏密封构件，因此可以采用较矮的自由 空间（10001200mm）；易于设置防溅盖； 6）密封法兰较大，罐盖下落时易于对准，较易保证密封。 缺点：占地面积较大；真空容积较大，抽气时间较长；真空罐 结构较大，制造费用也较多。 26 northeastern university 桶式vod炉 优点：钢桶上可以装设倾动机构；占地面积较小 ；真空室容积较小，抽气时间短。 缺点：为了防止烧坏密封法兰，需要预留较大的 自由空间，其值可达15002000mm，从而导 致耐火材料和热量消耗增大，使钢包高度和重量 增大，吊车的有效起重量减小，并使氧枪的行程 增大；由于钢包外壳不允许开排气孔，使新砌钢 包的干燥困难；使滑动水口和透气砖不漏气也是 一个较难处理的问题。 27 northeastern university .2 钢包 vod法和其他炉外精炼方法所用钢包相比，工作条 件要苛刻许多： (1)工作温度高，约为1700。 (2)精炼过程钢液搅动激烈，包衬砖受化学侵蚀和机 械冲刷严重。因此，尽管使用高温烧成的耐火材料，其 寿命一般也只有1030次。 (3)为防止吹氧过程钢液上涨从包沿溢出，vod钢包 自由空间较大，为9001200mm。 28 northeastern university 罐式vod炉的钢包不设密封法兰，其自由空间比 较小； 桶式vod炉为了保持密封设有法兰，而且为了保 护法兰，其自由空间比前者要加高2550%， 当真空管道直接与包盖相连接时，在吹氧和强搅 拌的条件下，往往要求有1.52.0m的自由空间 ，以承受激烈的沸腾。 钢包底部装有透气砖，日本有的工厂采用了 装设36根不锈钢管的办法向熔池吹入氩气，以 利于搅拌和加速脱碳。 29 northeastern university a 吹氩透气塞 通常vod在钢水包包底中心或 半径1/21/3处安装吹氩透气塞 。 为保证良好的透气性，透气塞 由上下两块透气砖组成。 透气砖一般采用刚玉质或镁质耐 火材料烧制而成，透气方式有弥散 式、狭缝式、管式3种，通常采用 弥散式，透气能力约为500l/min( 标态)。 30 northeastern university b 钢包盖 为减少喷溅和热量损失，vod钢包上扣有钢包盖， 该盖可以悬挂在真空罐盖内，也可以不挂，炼钢时用 吊车吊扣在钢包上。 后者真空罐盖内温度低，罐盖开出后，人就可以 到盖下作业，如处理加料筒卡料、换氧枪套砖等。 包盖圈坐在钢包沿上不通水冷却，包盖圈由 15mm厚钢板焊成，圈内拱型砌筑高铝砖。 30t vod钢包盖结构尺寸 31 northeastern university c 钢包砌筑 vod钢包由熔池、渣线、自由空间3部分组成。渣 线部位寿命最低，一般一个熔池可用两个渣线。 30t精炼钢包砌筑与材质 32 northeastern university .3 真空泵 较高的真空度下，容易达到较高的技 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，所以和其他精炼设备相比， vod炉所配的真空泵抽气能力应大一些。 33 northeastern university 真空泵是用各种方法在某一封闭空间中产生、 改善和维持真空的装置。 真空泵可以定义为：利用机械、物理、化学或 物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的 器件或设备。 随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了 很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数 百万升。 极限压力(极限真空)从粗真空到10-12pa以上的 超高真空范围。 34 northeastern university 机械真空泵的分类 35 northeastern university 控制真空程度的关键是选择合适的真空泵 。 真空泵的抽气能力指标： 在规定时间内将系统的压力降低到规定 的要求，所规定的真空度根据精炼工艺确定。 真空泵有相对稳定且足够大的抽气能力 ，以保持规定的真空度。 真空精炼系统所采用的真空泵一般是蒸汽 喷射泵。 36 northeastern university 原理： 工作蒸汽通过蒸汽喷嘴的加速后，以超音速进入真空泵内，并与被 抽气体碰撞、混合，并将速度头传给被抽气体，在通过扩散器的时候转换 为压力头。 在扩散器喉部之前的混合气体是超音速的，在喉部入口处产生垂直压 缩冲击波而被压缩成为亚音速流，在扩散器的渐扩部分继续被压缩，当压 力大于排气口的反压强时便排出泵体，从而实现抽气功能。 37 northeastern university 蒸汽喷射泵的优点： 在处理钢液的真空度下具有大的 抽气能力 适于抽出含尘气体 没有运动部件，操作安全可靠， 维修方便 38 northeastern university 在短时间内(通常35min)将真空 系统由常压抽空至精炼所要求的真空度 (一般为3070pa)，要求真空泵具有相 当大的抽气能力，为此常使用多级水蒸 汽喷射泵作为抽空装置。 39 northeastern university 带中间冷凝器的四级水蒸汽喷射泵 40 northeastern university 精炼炉内的真空度主要是根据钢液脱氢 的要求来确定。 通常钢液产生白点时的h2ppm，而将 氢脱至2ppm的氢分压是100pa左右。若处理 钢液时氢占放出气体的40%，折算成真空室 内压力约为700pa。 但从真空碳脱氧的角度来说，高的真空 度是有利的，因此一般精炼设备的极限真空 度应达到20pa左右的能力。 真空泵抽气能力的选定 41 northeastern university 真空泵系统由两部分组成： 启动真空泵 工作真空泵 42 northeastern university 启动真空泵 （3.1） 启动真空泵是在规定时间内将真空室内压 力降低到所需值。 因此，启动泵的抽气能力为： 43 northeastern university 耐火材料的放气量： 耐火材料所吸附的气体 钢水中碳与耐火材料中的氧反应而生成的co 在101.3kpa抽到24kpa的范围内，耐火材料的放气量是微不 足道的，因此可以忽略，而式(3.1)可简化成： (3.2) 从式(3.1)和(3.2)可以看出，该式考虑泵的抽气能力，只 能是在t时间内将真空系统中的空气抽到p1所具备的能力， 没有考虑到钢液的放气。所以这两个式子，只适用于确定 启动泵的能力。 44 northeastern university 工作真空泵 （3.3） 工作泵工作时被抽去的气体包括： 钢液反应生成的气体，如h、o、co等 钢中碳与耐火材料反应产生的气体 向钢液吹入的惰性气体 钢水在恒定工作压力下处理时，抽气能力： 45 northeastern university 各级泵的抽气能力应根据各种不同精炼方法的 钢液放气规律和真空系统的体积来确定。 但是由于计算的原始数据不足，特别是钢液在 精炼时放气规律不易掌握，只能根据精炼工艺的要 求，假定几个真空度和达到该真空度的时间进行计 算确定。 例如某厂60120t rh所配真空泵的确定是这样 进行的。 为适应rh精炼钢液内钢液的放气规律和满足精 炼不同钢种的要求，设计了三个特定的操作真空度 和达到该真空度所要求的时间。 46 northeastern university 第一个特定的真空度是24kpa，达到该 真空度的时间是2min。 之所以选定24kpa，是因为在该真空度下 ，钢包中的钢液在大气压的作用下，能沿rh 的插入管上升一定的高度，在驱动气体的推动 下钢液能经过真空室循环。 抽空时间是兼顾到尽量缩短精炼时间又 不使真空泵的抽气能力过大而确定的。 此时泵的抽气能力s可由式（3.1）或（3.2 ）确定。 47 northeastern university 第二个特定的真空度是5.3kpa 选这样真空度的目的是为了适应精 炼沸腾钢或未脱氧钢的需要。 这类钢若立即处于高真空下，会因 放气量过大而造成严重的喷溅，所以要 求在不太高的真空下保持一定时间。 在该真空度下，真空泵的抽气能力 可用式（3.3）确定。 48 northeastern university 第三个特定真空度是0.07kpa 这是精炼的最终工作真空度，钢液在该真空度 下保持一定时间，以最终完成真空精炼任务。 100t rh装置的抽气能力计算的实例 49 northeastern university 处理容量 /t真空泵抽气能力 /kg/h 30120200400 120200500600 200300700800 不同处理容量时真空泵的抽气能力 50 northeastern university .4 氧枪 在vod炉的真空盖上设有吹氧用的氧 枪，通过活动密封装置插入真空室内。 氧枪大体可分为两种类型： 1）普通钢管或在钢管上涂耐火材料的消耗 式氧枪（如桶炉上所用的）； 2）水冷非消耗式氧枪。后者又分直管和拉 瓦尔式两种。目前拉瓦尔氧枪用的较多，因 为它使用起来稳定可靠，寿命很长。 51 northeastern university .5 加料装置 一般用于进行脱氧，造渣和对合金成 分进行微调，而且由于无外加发热源，加 料时间要求越短越好，所以宜于将加料系 统设于真空盖上，采用多仓式真空料仓， 于加料前预先将料加入料仓，在精炼过程 中按工艺要求分批将料加入炉内。 52 northeastern university .6 吹炼终点控制仪表 为了控制吹炼过程，一般 采用以氧浓差电池为主，废气温 度计和真空计为辅的废气检测系 统。 53 northeastern university .7 取样测温装置 取样测温装置对严格控制钢水成分， 取得合理的工艺参数，研究精炼过程的反 应规律，制定工艺过程的数学模型，进而 进行过程的电子计算机控制都是不可缺少 的。 vod炉精炼过程中钢水喷溅比较激烈 ，如何保证取样测温具有代表性，是至关 重要的。 54 northeastern university vod冶炼工艺 vod炉既可以与电弧炉或转炉配合， 初炼炉中将钢熔化，并调整好除碳和硅外的 其它成分，将钢水倒入钢包内，送至vod工 位进行脱碳精炼。有时可以在vod内进行脱 磷处理。 在进行脱碳处理时，降下水冷氧枪向钢 包内吹氧脱碳。在吹氧脱碳的同时从钢包底 部向钢包内吹氩