RH真空精炼技术ppt课件.ppt

RH精炼技术 1 现代纯净钢生产工艺流程 在纯净钢生产中 RH是最重要的真空精炼装置之一 应用越来越广泛 新建钢厂多数选择RH精炼 2 钢铁冶炼工艺路线 3 大型联合企业冶炼工艺流程 4 5 特殊钢厂冶炼工艺路线 脱硫 5 短流程钢厂冶炼工艺路线 6 RH的发展历史 RH精炼技术是1959年德国Rheinstahl和Hutlenwerke公司联合开发成功的 RH将真空精炼与钢水循环流动结合起来 具有处理周期短 生产能力大 精炼效果好等优点 适合冶炼周期短 生产能力大的转炉工厂采用 RH发展到今天 大体分为三个发展阶段 1 发展阶段 1968年 1980年 RH装备技术在全世界广泛采用 2 多功能RH精炼技术的确立 1980年 2000年 RH技术几乎达到尽善尽美的地步 表1RH工艺技术的进步 3 极低碳钢的冶炼技术 2000年 为了解决极低碳钢 C 10 10 6 精炼的技术难题 需要进一步克服钢水的静压力 以提高熔池脱碳速度 7 RH的工作原理 钢液真空循环原理类似于 气泡泵 的作用 如右图所示 当进行真空脱气处理时 将真空室下部的两根浸渍管插入钢液内100 150mm的深度后 启动真空泵将真空室抽成真空 于是真空室内外形成压差 钢液便从两根浸渍管中上升到压差相等的高度 循环高度 此时钢液并不循环 为了使钢液循环 从上升管下部约三分之一处吹入驱动气体 气体进入上升管的钢液后由于受热膨胀和压力降低 引起等温膨胀 在上升管内瞬间产生大量的气泡核并迅速膨胀 膨胀的气体驱动钢液上升 RH装置示意图 8 RH处理钢水过程 钢水处理前 先将浸渍管浸入待处理的钢包钢水中 当真空槽抽真空时 钢水表面的大气压力迫使钢水从浸渍管流入真空槽内 真空槽内大约0 67mbar时可使钢水上升1 48m高度 与真空槽连通的两个浸渍管 一个为上升管 一个为下降管 由于上升管不断向钢液吹入氩气 形成气泡泵 使钢水从上升管进入并通过真空槽下部流向下降管 如此不断循环反复 在真空状态下 流经真空槽钢水中的氩气 氢气 一氧化碳等气体在钢液循环过程中被抽走 同时 进入真空槽内的钢水还进行一系列的冶金反应 比如碳氧反应等如此循环脱气精炼使钢液得到净化 为满足钢种要求 精确控制钢水成份 通常 RH处理过程中还需进行合金化处理 铁合金材料经高位料仓 称量台车 真空料斗 合金溜槽 在真空状态下通过真空槽进入钢水 完成合金化功能 9 RH工艺流程 10 RH工艺过程描述 钢水即将到达前 关闭主真空阀为真空泵的提前启动作好准备 盛有钢水的钢包座落于钢包台车上 并启动前级真空泵进行预抽 钢包台车运行到处理工位正下方 将环流气体由氮气切换到氩气 启动液压顶升机构 将钢包顶升到预定高度 打开主真空阀 钢水即进入真空槽 形成环流 测温取样及定氧 根据测定结果决定是否进行 先行处理 先行处理即正规处理以外的预备性处理 如钢水温度过低 可先行化学升温 钢水含氧过高 可先行加Al处理 钢水含碳过低可先行加碳处理等 先行处理后须再次测温取样以确认先行处理的结果 11 RH工艺过程描述 对钢水进行该钢种所必须进行的处理 如脱氢处理 深脱碳处理 轻处理 深脱氧处理等 处理过程中真空度和环流气体流量按各处理模式自动进行变换 处理结束前再次测温取样 确认处理目的是否已达到 合金微调及最终脱氧 测温取样后关闭主真空阀 破真空 钢包下降 座落到钢包台车 同时将环流气体切换成氮气 钢包台车运行到喂丝工 加保温剂 位 按钢种要求喂丝 人工加保温剂 钢包台车开出 用吊车将钢包吊至下工序 12 RH法的设备 RH的主体设备构成 真空室及附属设备 气体冷却器 真空排气装置 合金称量台车及加料装置 RH精炼车间示意图 13 RH设备示意图 14 RH真空室 RH真空室形状如右图 真空室外壳为钢板围焊成的圆筒状结构 内衬为耐火砖 真空室下部有两根用耐火材料制成的可以插入钢液的浸渍管 也称升降管 其中一根为钢液的上升管 另一个根为钢液的下降管 浸渍管的上半部外侧钢管结构 真空处理时钢液沿上升管进入真空室 沿下降管返回钢包 RH真空室示意图 15 RH法主要的工艺参数 处理容量V 指被处理的钢液量 RH处理容量的上限理论上是没有限制的 处理容量的下限取决于处理过程的温降情况 一般认为 在炉内处理时不应小于10t 在钢包处理时 不应小于30t 当容量小于30t时降温显著 目前已建成的RH装置最大容量为300t 处理时间t 指钢包在RH工位停留时间 处理时间取决于允许的钢液温降Tc和处理过程中钢液的平均降温速度VT t Tc VT 循环因数u 指处理过程中循环钢液的当量次数 即通过真空室的钢液总量与处理容量之比 U Wt V W 循环流量 t min V 钢包容量 t t 脱气处理时间 min 钢中气体含量与循环因数的关系 m 混合系数 m 0表示已脱碳钢水和未脱碳钢水尚未进行混合 16 RH法主要的工艺参数 循环流量 循环流量W t min 是指单位时间内通过真空室的钢液量 也称循环速率 是一个重要的工艺参数 W主要取决于上升管直径 d 和驱动气体流量 G0 如图所示为不同上升管直径条件下 循环流量与驱动气体流量之间的关系 设计真空室时W是根据处理容量V 循环因数u和脱气时间t来确定的 循环流量与驱动气体流量之间的关系 17 RH法主要的工艺参数 真空度真空度是指RH处理时真空室内可以达到并且保持的最小压力 真空泵的抽气能力真空泵的抽气能力大小 应根据处理钢种 处理容量 处理时间 循环流量以及处理过程中的脱气规律来确定 RH法处理过程中的气体析出速度是不同的 处理前期钢液原始气体含量较高 气体析出量也较大 处理后期的气体析出量较小 因此 就不能采用固定的抽气能力 而是要根据不同的真空度来确定 18 100T钢包RH年处理能力的估算 RH年处理能力的估算 式中 P 年处理能力 平均炉处理能力 100t 平均处理周期 36min LD LF RH CC RL的配合率 85 RH作业率 85 RH处理钢水合格率 99 5 万吨 年估算结果 100钢包RH估算其年处理能力为94 5万吨 19 RH精炼的主要冶金功能 脱碳 目前使用的最主要的功能脱气 最初开发RH的目的是为了脱气脱硫脱磷 喷吹脱硫 脱磷剂去夹杂 有利于夹杂物碰撞长大合金化 运用多功能喷枪 20 RH精炼的主要冶金功能 RH真空精炼的冶金功能 21 真空脱碳 碳氧平衡 碳氧平衡原理在RH过程中 C O 反应生成CO气体 由于降低了气相中CO的分压使 C 和 O 的反应向着生成CO气体的方向进行 不同真空条件的碳氧平衡曲线 22 脱碳与脱氧的关系 RH脱碳时脱碳量与脱氧量的关系 通过降低系统压力促使碳氧反应来实现脱碳或脱氧的目的是十分有效的手段 当钢液中含氧量降低某一数值 O 时 则含碳量也相应降低一定数值 它们之间存在以下关系 右图显示了RH脱碳时脱碳量与脱氧量的关系 23 真空脱碳 RH内的脱碳速度主要决定于钢液中碳的扩散 低碳区碳的传质是反应速度的限制性环节 RH钢水循环流量Q 钢水循环流速 上升管截面积 根据前人对RH钢水循环流量的测定结果表明 循环流量Q的计算值与实测值的比较 增加吹氩流量Qg使RH的循环流量增大 扩大上升管直径使循环流量Q增大 增加浸入管的插入深度也会使循环流量变大 总结以上研究 RH内钢水的循环流量可以表示为 24 真空脱碳 RH精炼中发生的各种化学反应的反应速度决定于金属侧各元素的传质系数 根据Shigeru的研究证明 在整个RH精炼过程中各元素的传质系数基本保持不变 但反应界面积随时间发生明显变化 为了方便描述各种反应速度 常采用体积传质系数 k 传质系数 反应界面积 钢水含碳量和吹Ar方式对RH脱碳过程的体积传质系数 k的影响 RH的体积传质系数与以下因素有关 k和钢水碳含量成正比 增加钢水的循环流量Q使 k值提高 改变吹氩方式利于提高 k值 如在300tRH的真空室底部增设8支 2mm吹Ar管吹氩 QA 800Nl min 使 k值提高 KojiYMAMGUCHI总结100t 260tRH的实际生产数据提出以下关联式 25 脱碳影响因素的分析 插入管直径对脱碳速度的影响脱碳速度随插入管内径的增大而增大 循环量Q与插入管内径d4 3成正比 不同插入管内径的脱碳曲线 26 氩气流量对脱碳速度的影响脱碳速度随氩气流量的增大而增大 27 提高RH脱碳速度的工艺措施 1 提高循环流量和体积传质系数 如图 千叶厂RH最初的工况 脱碳速度常数K 0 1min 1 扩大上升管直径增加环流后 达到K 0 15min 1 进一步改进吹Ar方式使传质系数 k值增大 K 0 2min 1 2 提高抽气速率 定义RH真空系统的抽气速度常数R R ln 0 t min 1 3 吹氧 采用KTB顶吹氧工艺 提高了RH前期脱碳速度 使表观脱碳速度常数Kc从0 21min 1提高到0 35min 1 4 改变吹Ar方式 实验证明 在RH真空室的下部吹入大约1 4的氩气 可使RH的脱碳速度提高大约2倍 KTB法与普通RH脱碳速度的比较 RH钢水循环流量Q和体积传质系数 k对脱碳速度的影响 RH抽气速度K和吹Ar流量对脱碳速度的影响 28 深脱碳处理 需要深脱碳的钢种 指含碳量 0 010 的钢种 这类钢种在转炉中并不将 C 吹炼到最低极限 为了保留一定的残余锰及金属收得率 通常转炉吹炼到 C 0 05 左右即出钢 出钢时只进行少量的锰合金化及极弱的脱氧 保持钢水中自由氧在600ppm以上 这种处理的特点是在50mbar至200mbar压力下 先进行真空脱碳 最后在1 33mbar下完成成分调整及钢水纯净化处理 此类钢种处理前的先行处理通常是先行加铝或先行升温 当钢水氧含量不足 以致仅依靠自然脱碳不能使碳降到目标值以下或者转炉出钢碳过高 0 06 时 则经用顶枪吹氧进行强制脱碳 当脱碳到目标值以下时 需加入微量元素 如IF钢需加Ti或V Nb等 及最终调整化学微量元素含量 29 深脱碳操作 30 RH脱碳在操作中需注意的几个问题 要保持真空系统良好的密封性 确保处理过程中的真空度不变 驱动气体是钢液循环的动力源 调节气体流量必须由小到大 防止喷溅 钢水温度控制 真空室各部位在处理前必须进行充分烘烤 达到温度要求 减少处理过程温降 处理过程中通常每5分钟测温一次 以判断温降及钢液循环情况 31 RH脱碳后的增碳控制 应用防止喷溅及电极加热技术 尽可能使真空室不结瘤 控制脱碳过程中从真空室结瘤残钢的增碳 在脱碳期加入冷却废钢 由于真空处理过程中温降较有规律 尤其是脱碳10分钟以后温降更显规律性 因此冷却废钢最晚可在处理至10分钟时加入 首选碳含量尽可能低的合金 其次 根据冷却废钢增碳的道理 采用在脱碳期加入合金的技术 以防止合金增碳的发生 32 脱硫 对铝脱氧钢水 脱硫反应为 3 CaO 2 Al 3 S Al2O3 3 CaS 钢水脱硫效率主要决定于钢中铝含量和炉渣指数 S P 当 S P 0 1时 渣 钢间硫的分配比最大 400 600 因此 脱硫渣的最佳组成是 60 CaO 25 Al2O3 10 SiO2 RH喷粉通常采用CaO CaF2系脱硫剂 该种粉剂的脱硫分配比可按下式计算 La S S 1260 25 Al2O3 75 SiO2 250钢水脱硫速度为 根据高桥等人的测定 ks 0 27m min 采用RH喷粉脱硫的主要优点是 1 脱硫效率高 2 顶渣影响小 与钢水间的传质速度大幅度降低 RH喷粉钢包喷粉 粉剂消耗量与脱硫效率的关系 渣中FeO MnO含量对渣 钢间硫的分配比的影响 33 RH脱硫实际操作中需讨论的问题 脱硫剂的选择选择CaO CaF2脱硫率最高CaO与CaF2比例以6 4为宜 不同CaO系渣的Cs 34 对钢包渣的要求加拿大某钢厂的RH脱硫数据显示钢包渣中氧势越高 硫分配比越低 35 钢水回硫量随钢渣氧势的升高而增大 36 钢渣中FeO MnO应 5 对于非铝脱氧钢要求更低 炉渣应有较合理成份 37 脱硫时机的选择钢中 O 越高 则脱硫效率越低 因此 脱硫的时机应选择在 钢水脱氧后钢水进行合金化后脱硫剂消耗对脱硫率的影响国内某钢厂的数据显示 脱硫率随脱硫剂消耗的上升而提高 最高脱硫率达83 3 最低 S 为0 001 但超过6kg t时 无助于脱硫 38 39 钢水温度对脱硫率的影响国内某钢厂的数据显示 脱硫率随RH处理钢水温度的上升而提高 40 RH脱硫需要注意的问题钢液温度损失 当添加1 5kg t 钢脱硫剂时 温度降低5 钢中Al的损失 脱硫过程产生的氧又氧化部分铝 每添加1 5kg t 钢脱硫剂需补铝丸0 25kg t 钢对耐材侵蚀速度加快 平均达到每炉1 11mm 41 RH脱硫的效果 国内某厂利用此工艺生产高牌号无取向硅钢 使成品 S 稳定保持在 10ppm 加拿大某厂经RH脱硫后的 S 含量平均达10ppm 42 新日铁某厂利用RH PB工艺生产超低硫钢 脱硫剂采用1 1CaO CaF2 脱硫剂添加速度max300kg min 氩气流量1666 7NL min 处理20min 可使 S 由20 30ppm降至5ppm 新日铁另一钢厂采用RH 喷吹法 采用6 4CaO CaF2 10 15 MgO 添加速度100kg min 氩气量max3500NL min 处理20min 使 S 由20 57ppm降至5ppm 43 RH精炼中喷粉脱硫动力学模型 脱硫反应包括如下步骤 1 硫从钢液内部对流扩散到钢液 2 石灰粉粒渣滴界面在钢液石灰粉粒渣滴界面发生脱硫反应 3 脱硫产物离开钢液石灰粉粒渣滴界面 向粉粒渣滴内部扩散 模型假设 设体系内钢液处于充分混合状态 喷入的粉粒呈液态均匀弥散悬浮于钢液内部 脱硫反应仅发生在钢液石灰粉粒渣滴界面 钢中去除的硫全部为粉粒吸收 喷粉脱硫前钢液已充分脱氧 氧位足够低 同时考虑钢液侧和粉粒侧渣侧传质阻力 不考虑处理过程中粉粒的聚集及钢液的温降 把钢 渣密度和粘度视作常数 总的脱硫率为 确定模型参数 脱硫模型预测结果 44 脱磷 将RH吹氧工艺与喷粉工艺相结合可以实现RH脱磷 在RH吹氧脱碳期同时喷吹石灰粉可以达到理想的脱磷效果 如日本新日铁名古屋厂230tRH采用OB PB工艺 可生产 P 20 10 6的超低磷钢 粉剂中 CaO 20 时 炉渣脱磷能力最强 提高真空度使炉渣脱磷能力略有提高 根据RH PB处理中取出的粉剂颗粒 经X光衍射分析的结果绘出左下图 由于RH喷粉避免了顶渣的影响 延长了粉剂与钢水直接反应的时间 使脱磷效率提高 如右下图所示 上浮粉剂颗粒中P2O5含量接近3CaO P2O5或4CaO P2O5的理论极限 远高于铁水预处理或转炉脱磷效率 粉剂配比和真空度对炉渣脱磷能力的影响 RH PB工艺中粉剂颗粒的脱磷效果比较 45 脱氧与夹杂物上浮 RH精炼通常采用铝脱氧工艺 生成的脱氧夹杂物大多为细小的Al2O3夹杂 RH精炼过程中钢水氧含量的变化可以表示为 RH处理钢水中夹杂物的形貌和成份 RH精炼中 炉渣传氧决定于渣中 FeO MnO 含量 由于RH有效地避免了卷渣 顶渣对钢水的氧化大为减弱 RH的表观脱氧速度常数比钢包吹氩工艺大约提高1倍 若RH处理前控制渣中 FeO MnO 1 处理后钢中 O T 10 10 6 RH精炼过程中氧化物夹杂的排出速度可以表示为 渣中FeO MnO含量和脱氧速度常数k间的关系 46 夹杂物尺寸对去除的影响 钢中夹杂物的上浮决定于夹杂物的尺寸 大颗粒夹杂上浮去除 而小颗粒夹杂通过碰撞聚合后才能上浮去除 因此 精炼过程中钢水夹杂物的数量可采用浅野等人提出的表达式描述 N N0 exp D 式中 D为夹杂物的半径 N为夹杂物的数量 l kg 为常数 钢水氧含量的变化表达式如下 RH精炼过程中T O 的行为 ko和搅拌能量的关系 47 RH精炼装置内夹杂物行为 从图a可以看出 RH精炼过程夹杂物去除主要发生在前12min RH处理12分钟绝大多数夹杂物可以去除 从图b可以看出 较大提升气体流量的去除夹杂的效果要好于较小的提升气体流量 b 夹杂物去除率与气体流量的关系 a 夹杂物去除率随时间的变化 48 RH处理过程中钢中氧含量预测 前12分钟将氧含量迅速下降 渣中FeO MnO含量越高 钢液中氧含量也越高 由预测公式分析 在吹氩流量 浸滞管直径不变的条件下 影响处理过程中钢中总氧含量的因素有 纯脱气处理时间 渣中FeO MnO含量 钢包内衬材质 氧含量预测公式 氧含量随处理时间的变化 预测氧含量与实测值对比 49 RH脱氧后的纯搅拌脱气时间须多于7MIN 美国内陆钢铁公司生产超深冲钢RH后搅拌脱气时间与T O 量的关系 50 NK PERM法 为了提高RH的脱氧效率 日本NKK公司开发了一种通过钢包脱气处理去除夹杂物的新方法 称为NK PERM法 该工艺的技术原理是 首先将可熔气体 如N2 H2 强行熔解到钢水中 然后进行真空精炼 再降压过程中过饱和气体在悬浮的微细夹杂物表面形成气泡 气泡与夹杂物上浮到液面迅速与钢水分离 通过250tRH工业试验 该工艺获得良好的冶金效果 细小夹杂物的去除效率明显提高 采用RH喷粉工艺 使链状Al2O3夹杂与CaO粉剂形成低熔点CaO Al2O3夹杂 利于上浮排除 采用RH喷粉工艺后 Al2O3夹杂含量明显降低 NK PERM处理后夹杂物分布的变化情况 51 脱氢 RH脱氢效率很高 处理脱氧钢水 脱氢效率 H 65 处理弱脱氧钢水 由于剧烈的C O反应使 70 RH的 H值决定于循环次数 N RH处理后钢水含H量为 式中 N为钢水循环次数 为保证良好的脱氢效果 要求 由于RH的真空度很高 脱氢速度可表示为 经测定对200tRH 吹Ar流量为2000 2500Nl min时 kH为0 16min 1 增大吹Ar流量使kH值提高 如对340tRH 吹Ar量从0增加到2500Nl min时 kH可提高1倍 采用RH喷粉工艺后 由于钢水中存在大量细小弥散的固体粉剂 明显增强了钢水中气泡异相形核的能力 有利于脱氢反应 RH喷粉法和RH法处理钢的氢含量对比 52 RH脱氢处理工艺 以X60钢种为例 这种处理是在1 33mbar压力下对脱氧钢水所进行的处理 通过脱氢处理同时可使钢水中T O 降低至20ppm以下以得到纯净度极高的钢水 脱氢处理的要点是使钢水在1 33mbar以下保持10min以上 该类钢种由于合金元素含量较高添加铁合金及最终脱氧的时间需3 5min 53 RH脱氢操作 54 脱氮 钢水脱氮速度不决定于钢中氮的传质系数 主要决定于界面化学反应速度 务川进等人通过实验研究发现 随钢中 O 和 S 含量的增加 钢水吸氮 或脱氮 速度降低 或增高 因此 通常采用二级反应式近似计算真空脱氮速度 式中 kN 15 9fN2 1 173aO 52aS 17aN 2 a吸氮b脱氮真空度 表面活性元素含量对钢水吸氮和脱氮的影响 脱氮速度常数计算值与实测值的比较 55 RH轻处理或中间处理 轻处理是在80 200mbar压力下对0 01 C 0 05 这一类低碳 半低碳钢的处理方法 此类钢转炉出钢碳通常在0 05 0 06 出钢时用高碳锰铁进行弱脱氮 由于转炉出钢碳无需降低0 05 以下 因此停吹时残余锰可稍高 从而节约了锰铁 钢水不致过度氧化而确保较好高的金属收得率 通过真空脱碳 钢中碳 氧同时降低因而可得到较纯净的钢 而且最终脱氧用铝可降低1kg t钢以下 总之 轻处理的目的是减轻转炉负担 降低生产成本 提高钢水质量 中间处理是指X60以下管线钢 及部分焊接高强度钢所进行的一种处理 在RH能力有余时也可对一般钢种进行处理 中间处理的目的是提高钢的质量 为连铸顺利开浇创造条件 中间处理是在压力小于50mbar的情况下进行的一种处理 56 RH脱氮效率及强化脱氮工艺措施 RH的脱氮效率 N 比较低 并和初始氮含量有关 当初始 N 100 10 6时 N 20 对于较低的初始氮含量 RH处理基本不脱氮 其原因主要是 1 钢中氮的溶解度高 约是氢的15倍 2 钢中硫 氧等表面活性元素含量的增加 使钢水脱氮速度降低 3 RH浸入管漏气造成钢水吸氮 强化RH脱氮的工艺措施 提高真空度和抽气速度 尽量降低钢中氧 硫含量 进行脱碳后镇静处理时 N和初始N含量的关系 采用浸入管吹氩密封技术 采用喷粉工艺 喷粉时间和钢水氮含量的关系 57 RH精炼的多功能化 RH OB 高效脱碳 升温RH KTB 升温RH MFB 多功能喷嘴RH PB 喷粉脱硫 脱磷RH IJ 吹气 喷粉RH PTB 喷粉脱硫 脱磷REDA 单嘴精炼 增大循环流量 58 RH的改进形式 59 热补偿技术 RH OB法 依靠加Al吹氧进行化学升温 Al 3 4O2 1 2Al2O3 HAl 32 186kJ kgAl160tRH采用OB法升温工艺 供O2强度为1100Nm3 h 采用普通RH处理 精炼过程温降80 90 采用OB法工艺吹氧20min 耗Al1 7kg t 处理过程基本不降温 吹氧40min 耗Al4kg t 处理后钢水温度可提高50 为避免OB法升温过程中钢中C Si Mn的烧损 要求严格控制 Al s 0 05 处理过程中保持 Al s 0 05 可保证 O 60 10 6 若OB升温后 延长搅拌时间25min 可保证 O 30 10 6 吹氧过程 加铝量对RH OB升温效果的影响 60 热补偿技术 RH KTB法 KTB法采用吹氧脱碳和二次燃烧技术实现钢水升温 该方法在普通RH上安装可以升温的水冷顶吹氧枪 吹氧脱碳 并依靠真空室内CO炉气的二次燃烧提供热量 补偿精炼过程中的温降 采用KTB工艺后 转炉出钢温度比传统RH降低26 3 由于KTB提高了RH表观脱碳速度常数 在保证相同的脱碳时间的条件下 可使初始碳含量从0 025 提高到0 05 在脱碳过程中实现二次燃烧 可将炉气二次燃烧率从3 提高到60 进一步补偿了热量 KTB热补偿的能量平衡 与传统RH相比KTB热补偿所带来的温降减少值 采用KTB技术进行热补偿的关键是通过精确控制吹氧量和吹氧时间 避免钢水过氧化 保证吹氧结束后钢水 O 750 10 6 在此基础上 通过自然脱碳使脱碳结束后钢水 O 200 10 6 可以保证精炼钢水具有良好的洁净度 61 RH MFB精炼过程钢水温度预测 从图a可以看出RH MFB精炼过程中热量传递通过以下三种途径完成 a 碳氧反应 产生气体带走热量 b 钢水循环流动 温度混匀 c 通过耐材散热 预测模型与实测温度相比平均误差只有3 4 可以通过预测模型指导RH MFB精炼过程的温度补偿 a RH MFB精炼过程钢水传热过程 b RH MFB精炼过程温度预测值与实测值 62 加铝 吹氧对RH MFB的温度补偿 如图a所示 对于300t的钢包 每加入300kg铝可以减少温降22 24 如图b所示 对于300t的钢包 每吹入300m3氧气可以减少温降10 左右 a 加铝量与钢水降温关系 b 吹氧量钢水传热过程 63 尽量减少RH处理过程的加铝吹氧提温 危害 增加Al2O3夹杂物量 增加RH处理时间 影响与连铸的匹配 美国内陆钢铁公司生产超深冲钢RH的吹氧提温率由过去的35 减少到目前的10 左右 措施 严格控制前工序碳 氧 温度 前期OB强制脱碳 内陆钢铁方法 工艺控制模型 炉气在线分析 动态控制 64 冷却材及加低锰对RH MFB的温度调节 RH精炼初期钢水温度较高时 需要加入一定的废钢使钢水温度符合要求 如图a所示对于300t的钢包 冷却效果为每吨冷却材降温7 左右 如图b所示对于300t的钢包 低锰的加入量为400 500kg 钢水降温不超过0 8 a 加冷却材量与钢水降温关系 b 加低锰量钢水传热过程 钢水降温量 65 真空室内壁初温对钢水温度影响 如上图可知 真空室预热温度对钢水温降影响较大 真空室预热温度从700 上升到1300 真空室预热温度每提高100 钢水平均温度上升6 66 单嘴炉的发展 第一座单嘴炉在1976年由北京科技大学张鉴教授开发 在大连钢厂进行工业试验 1992年北京科技大学成国光等人在长城特钢 应用单嘴精炼炉冶炼轴承钢 进一步完善了单嘴精炼炉生产工艺 1999年日本八幡钢铁厂开发了REDA Revolutionarydegassingactivator 单嘴精炼炉如右图 并取得了较好的工业效果 REDA单嘴精炼炉示意图 67 单嘴精炼炉工作原理 单嘴精炼炉把RH的上升管与下降管合二为一改为直筒状吸嘴 并采用钢包底部偏心吹气方式 如右图所示 单嘴精炼炉采用偏心钢包底部吹气 偏心吹入的气体的上升驱动力主要是浮力 同时上升气泡还受到了真空室负压的抽引作用 由于偏心吹气的原因 在气液两相区附近充满了大量气体 使得两相区内的密度远小于钢液密度 主要因这两种驱动力的作用 以及气液两相区密度较小 使得钢液随吹入气体与上浮气泡作上升运动至真空室内自由表面处 这样就形成了上升流股 钢液上升到真空室内液体表面处 由于受到后继流股的作用 会沿钢液表面向远离两相区方向运动 同时钢液内气体含量不断减小 受真空泵抽真空的影响 液体密度变大 由于受自身重力的作用向下流动 到达钢包底部附近补充了被上升流股带走的钢液 这样就形成了下降流股 单嘴精炼炉示意图 68 武钢单嘴炉精炼效果 武钢三炼钢单嘴精炼炉如图a所示 图b为脱碳效果 可以看出单嘴精炼炉的脱碳效果是较好的 混匀时间较短 脱碳速度较快 最终碳含量为17ppm a 武钢三炼钢单嘴精炼炉 b 武钢三炼钢单嘴精炼炉脱碳效果 69 日本REDA单嘴炉精炼效果 日本八幡厂对175tREDA进行了大量的工业规模试验 结果发现 进行了20多min的精炼处理后 碳含量已经低于10ppm 日本八幡把由350tDH改造成REDA 并对REDA进行了规模化工业生产试验 发现在真空泵抽气能力为1600kg h与真空度为1torr条件下 处理30分钟后的钢中碳含量为3ppm 175tREDA工业条件脱碳结果 350tREDA的脱碳性能 70 单嘴精炼炉与RH对比 由上图可以看出单嘴精炼炉与RH有如下区别 单嘴精炼炉把RH的上升管与下降管合并为单一的圆筒状吸嘴 单嘴精炼炉采用偏心炉底吹气 使钢液在钢包内和单嘴内形成循环 单嘴精炼炉选取钢包底部吹Ar RH在上升管内吹Ar 单嘴炉与RH装置对比 单嘴炉与RH吹气方式对比 71 混匀时间的比较 可以明显看出单嘴精炼炉内的钢液循环速率高于RH 说明在单嘴精炼炉内的钢液搅拌情况要比RH中强烈的多 原因可能因为搅拌气体是从较深位置吹入的 所以气体流股的上升路径较长 还有就是由气泡浮力产生的驱动能量能直接作用于钢包内的液体 72 RH精炼钢包内钢液流场分布 数值模拟流畅分布 物理模拟流畅分布 钢液从下落管以较大流速流向包底 在左右分别形成两个循环流 73 RH高效化生产的装备技术 C 10 6 提高真空室高度 增大环流量 提高抽气能力台湾中钢公司将160tRH的蒸汽喷射泵抽气能力由300kg h增大为400kg h后 并将吹氩量由600Nl min提高到680Nl min 使终点碳含量由30 50 10 6降低到30 10 6以下 脱碳时间由20min缩短到15min 美国内陆钢铁厂将RH的六级蒸汽喷射泵改造为五级蒸汽喷射泵 水环泵系统后 冷却水消耗量由21t 炉减少到5t 炉 能耗降低73 增大吹氩量 优化吹氩工艺 增设多功能氧枪增设具有RH顶吹氧 喷粉和烘烤三大功能的多功能氧枪 对改善RH操作 提高精炼效率和RH作业率具有重要意义 74 利用旋流提高RH精炼效率 李宝宽等人利用水模型试验研究在上升管中使用轴流式和六片平直叶片式叶轮 产生旋流对提高RH精炼效率的作用 水模型实验研究表明 在RH装置上升管中施加旋流 无论是采用六片平直式叶轮还是轴流式叶轮 均可增加系统的循环流量 但当输人功率相同时 轴流式叶轮要比六片平直叶式叶轮产生旋流后的系统循环流量大 75 旋流对气泡分布的影响 可视化观察表明 没有施加旋流时 气泡主要贴近上升管壁面上浮 因而管壁侧填充气泡空位的液体缺乏 当施加旋流时 气泡被推移至上升管的中心线附近 因而气泡流过的空位四周均为液体 能充分填充空位 有助于系统循环流量提高 76 RH长寿化装备技术 改进真空室顶部结构 提高RH浸渍管的使用寿命 提高耐火材料抗侵蚀能力 改造为圆顶 寿命超过真空室上部槽 RH月处理量超过70000吨 通过耐火材料的优化 并结合采用RH高效化生产工艺和完善RH终点控制技术 缩短RH的处理周期等技术措施 使RH底部槽寿命从1993年1200炉提高到1997年2628炉 并创造了世界纪录 采用浸渍管冷却技术 使浸渍管的平均寿命达到320次 美国国家钢铁公司大湖厂采用两个浸渍管轮流修补 交错砖型和用MgO材料进行喷补三项技术 也使浸渍管的寿命超过180炉 77 近几年国外RH的主要技术参数和性能指标 78 日本RH冶炼效果 79 RH控制模型 RH模型是建立在RH真空精炼冶金机理的基础上 结合现代自动控制技术 采用先进的算法开发的成套过程控制模型 RH模型包括 1 静态脱碳模型 2 动态脱碳模型 3 温度推定模型 4 合金最小成本及成分预报模型 80 静态脱碳模型 静态脱碳模型的主要功能是预测处理过程中随真空度的逐步下降 钢液中碳含量和游离氧含量的变化规律 静态脱碳模型由预报模块和推定模块组成 预报模块根据每一炉处理开始获得的初始碳 游离氧含量 钢液温度和真空排气模式等信息 在处理初期即给操作人员提供为达到一定目标碳含量所必须的处理时间和吹氧操作等综合指导信息 推定模块是在得到钢水基本信息和操作量信息 如吹氧量 铝材投人量等 以后 推算处理结束时的碳含量和游离氧含量 两个模块的综合使用能够逐渐优化RH的操作工艺 静态脱碳模型是从冶金学碳氧平衡原理出发 在一定的假设基础上建立的模型 RH真空脱碳是钢液中的碳和游离氧反应的过程 在真空度和温度一定的情况下 如果脱碳反应达到平衡 碳含量和游离氧含量的乘积为一常数 同时假定参与脱碳反应的氧的固定百分比来自于钢液 而其他部分来自于钢渣中金属氧化物的被还原 则钢液中碳和游离氧含量的下降遵从特定的比例关系 由以上两个规律综合可以求得平衡碳和平衡氧含量 81 静态脱碳模型 Y Kita模型在此模型中假设RH处理时脱碳反应发生在三个地点 氩气表面 CO气泡表面 钢液自由表面 该模型认为CO气体表面的脱碳量相对与其他位置是很小的 可以忽略不计 所以只考虑其他两处的脱碳 1 氩气泡表面的脱碳 在这种情况下 假设所有氩气泡都是球状 随着钢液循环而上浮 并且都参加脱碳反应 在这里认为氧的传质是非限制环节 2 真空室内钢液自由表面的脱碳 速率表达式为 预测结果如右图所示 实测值与计算值的比较 82 静态脱碳模型 村建一郎模型通过对RH脱碳反应各部位 1 真空室内钢液表面 2 氩气泡 3 真空室内钢液本体的脱碳速度的分析 定量估算其总脱碳量 在实际的RH操作条件下 钢液中 O 通常较 C 高 所以 不认为钢中氧的传质为限制环节 因此脱碳速度是由钢中碳的传质 气象界面化学反应和气相内传质等综合因素来限制 KojiYamaguchi模型该模型进行了一定的假设 钢包和真空室中的钢液完全混合 脱碳反应只在真空室中进行 气液界面的碳 氧浓度和真空室中的CO分压保持平衡 脱碳反应速率由碳 氧传质限制 脱碳机理如右图所示 脱碳反应机理示意图 83 脱碳数学模型模拟结果 84 RH精炼动态脱碳模型 动态脱碳模型主要功能是根据废气中CO CO2等气体的在线分析值 初始碳分析值和废气流量 实时预报钢水中碳含量 动态脱碳模型是基于分析碳及抽真空产生的废气信息 结合自适应控制技术实时预报钢水碳含量的模型 该模型可以大大提高如质谱仪 红外分析仪等设备的利用率和实际效果模型在画面上实时显示真空脱碳过程的许多相关信息 并在画面上动态演示整个过程 为操作人员更好地实时控制RH真空脱碳过程提供较为详细的参考 并可以