RH精炼炉工艺.ppt

目录 RH炉外精炼概述RH主要设备及功能RH耐火材料RH工艺参数的选择考虑因素RH工艺原理RH模型研究国内主要钢企RH情况典型钢种的RH精炼RH生产过程事故处理 RH炉外精炼概述 钢铁冶金工艺路线 RH炉外精炼概述 大型联合企业冶炼工艺流程 RH炉外精炼概述 特殊钢厂冶炼工艺路线 脱硫 RH炉外精炼概述 短流程钢厂冶炼工艺路线 RH炉外精炼概述 炉外精炼的概念及目的 概念 炉外精炼就是将转炉 或电炉 中初炼的钢水移到另一反应器中进行精炼的过程 也称二次精炼 目的 把传统的炼钢方法分为两步 即初炼 精炼 初炼 在氧化性气氛下进行炉料的熔化 脱P 脱C和合金化 精炼 在真空 惰性气体或可控气氛的条件下进行深脱C 去气 脱氧 去夹杂物和夹杂物变性处理 调整成分 控制钢水温度等 从而优化工艺和产品结构 开发高附加值产品 节能降耗 降低成本增加经济效益 RH炉外精炼概述 炉外精炼的分类 按精炼手段分类 常压下处理法 真空精炼法 真空和加热法 渣洗法 合成渣洗 同炉渣洗 Ar精炼法 Gazal CAB AOD CLU 脱气为主 钢包除气法 DH RH 脱C O 气为主 VOD RH OB RH PI ASEA SKF VAD LF RH炉外精炼概述 炉外精炼的分类 按精炼的主要用途分类 3 DH RH 不同形式的流滴去气法和真空吹Ar法 可脱除钢中气体 氧和夹杂 但无加热设备 适应于普通钢和中低合金钢的真空脱气处理 4 同炉渣洗法主要用于电炉出钢过程中对钢水脱S 脱O和去除夹杂 2 桶炉 VAD VHD 和LF具备加热搅拌功能对温度控制灵活 可去气 脱氧 去除夹杂和合金化 1 AOD CLU VOD RHOB和VODC适合冶炼低碳和超低碳钢 RH炉外精炼概述 炉外精炼的主要手段 RH炉外精炼概述 炉外精炼的主要手段 各种真空精炼方法的技术比较 RH炉外精炼概述 炉外精炼的主要手段 新一代钢铁材料的发展趋势是 超洁净 高均匀和微细组织结构控制 RH可以满足各类高品质钢材洁净度的要求 对于同时要求超低碳 超低硫的钢种 如电工硅钢 和同时要求超低碳 超低氮的钢种 如IF钢 以及同时要求低碳 低硅的钢种 如涂镀钢板 RH是唯一最佳的精炼设备 而对于要求氧 硫含量的钢种 如低合金高强度钢和特殊钢 可以选择RH也可以选择LF VD 或LF RH 而对于不锈钢冶炼VOD是最佳的冶炼设备 但日本许多钢厂也采用RH取代VOD生产不锈钢 RH炉外精炼概述 炉外精炼的主要手段 各种高品质钢的性能和洁净度要求及其相适应的精炼方法 RH炉外精炼概述 炉外精炼的主要手段 目前 RH已成为世界上最主要的炉外精炼设备 其特点是 精炼功能强 处理能力大 处理周期短 处理后钢水的洁净度水平高 因此在世界上广泛的应用于转炉炼钢厂 并成为生产低碳冷轧钢板所必须的炉外精炼设施 和其它真空精炼设备相比 RH的处理时间最短 处理后钢水的洁净度最高 从投资成本比较 现代RH比传统RH略有增加 但和其它真空精炼设备相比 投资成本约高出50 但其操作成本低于传统RH 与VD炉大体相当 RH炉外精炼概述 RH的发展简史 RH真空精炼技术起源于50年代 1957年阿尔贝德公司申请了钢水真空精炼脱气法的技术专利 这是真空脱气法发展的开端 1958年德国Rheinstahl 莱茵钢公司 和Heratus 赫拉乌斯 真空泵厂合作成功地进行了工业性生产实验 取得了可喜的处理效果 在1959年德国冶金工作者协会上引起了同行的极大关注 定名RH 以后各国都在真空循环脱气法上开展了研究 其中以日本发展最为迅速 新日铁在1972年发明了RH OB法 能起到铝升温的作用 80年代中期 大分厂 名古屋厂为了得到低硫钢水 采用喷吹脱硫剂的方法生产出S 10ppm的RH钢 80年代后期 90年代初期 日本川崎发明了RH KTB 实现了二次燃烧和吹O2脱C 和KPB MFB 用顶枪喷吹脱S剂 中国的RH发展是在90年代以后开始的 但近几年来随着低碳钢在市场上所占比例越来越高 RH的用途越来越广 目前 一般中 大型钢厂都配置有RH炉 RH新技术的发展 新日铁发明的KPB MFB 利用外加能源介质 实现了处理位上的真空槽烘烤 其吹氧脱碳的功能 使生产出C 20ppm的超低碳钢 RH炉外精炼概述 RH的发展简史 DH DortmundH rde 1956attheDortmund H rder H ttenunion DH OB DortmundH rdewithOxygenBlowingRH RuhrstahlHeraeus RH精练法是德国钢铁公司Ruhrstahl和Heraens联合于1958年成功开发的真空循环脱气法RH OB RuhrstahlHeraeuswithOxygenBlowing 1972年新日铁室兰厂根据VOD生产不锈钢的原理 开发了RH OB真空吹氧技术 RH KTB RuhrstahlHeraeusKawasakiTopBlowing 1986年日本原川崎钢铁公司 现已和NKK重组为JEE公司 在传统的RH基础上 成功地开发了RH顶吹氧 RHKTB 技术 将RH技术的发展推向一个新阶段 RH MFB RuhrstahlHeraeusMultifunctional 1992年日本新日铁公司广畑厂在日本原川崎公司开发RH KTB精炼技术之后 为降低初炼炉的出钢温度以及脱碳的需要 开发了多功能喷嘴的RH顶吹氧技术 RH炉外精炼概述 RH的发展简史 RH OB法 1972年新日铁室兰厂依据VOD技术生产不锈钢原理 开发了RH OB真空吹氧技术 图是RH OB法示意图 其与转炉配合 用于生产含铬不锈钢 紧接着新日铁大分厂在室兰厂基础上发展了RH OB真空精炼工艺技术 利用RH OB真空吹氧法进行强制脱碳 加铝吹氧升高钢水温度 生产铝镇静钢等技术 从而减轻了转炉负担 提高了转炉作业率 降低了脱氧铝耗 我国宝钢1985年11月投产的RH装置即采用了RH OB技术 可处理40多个钢种 按照新日铁和曼内斯曼企业标准检验 钢种合格率为99 3 钢管钢等钢种的杂质物明显减少 RH OB吹氧技术由于脱碳速度快得到了迅速推广 但同时也暴露了其自身的弱点 即RH OB喷嘴寿命低 降低了RH设备的作业率 喷溅严重 RH真空室易结瘤 辅助作业时间延长 要求增加RH真空泵的能力 这些问题阻碍了RH OB真空吹氧技术的进一步发展 RH炉外精炼概述 RH的发展简史 RH IJ法 1982年 徐匡迪发表了RH IJ技术的实验室报告 同年 新日铁开始研究此组合技术 并于1985年开始工业性实验 RH IJ技术即RH喷粉技术 图是RH IJ技术的示意图 这项技术可在一次操作中同时完成脱硫 脱氢 脱碳 减少非金属夹杂和调整成分的目的 RH炉外精炼概述 RH的发展简史 RH PB法 新日铁名古屋厂于1987年研制成功RH PB法 不仅可以生产出超低硫 极低碳和超低磷钢来 而且在处理过程中氢含量也是降低的 它利用原有RH OB法真空室下部底吹氧喷嘴 使其具有喷粉功能 依靠载气将粉剂通过OB喷嘴吹入钢液 RH真空室下部装有两个喷嘴 可以利用切换阀门来改变吹氧方式还是喷粉方式 同时通过加铝可使钢水升温 此法还具有良好的去氢效果 不会影响传统的RH真空脱气的能力 更不会有吸氮之忧 RH炉外精炼概述 RH的发展简史 RH KTB法 由于RH操作过程中钢液温降比较大 因此采用普通的RH真空脱碳工艺 就要要求转炉较高的出钢温度 1986年 日本川崎钢铁公司为满足汽车工业的飞速发展 要求努力降低钢板中的碳含量 以保证冷轧板具有良好的塑性 拉伸性 非时效性 为改进冷轧超低碳钢的生产工艺 开发出了RH KTB真空吹氧技术 将RH技术发展推向一个新阶段 第一台RH KTB真空吹氧设备安装在川崎钢铁公司千叶厂 KTB法是用水冷氧枪向真空室内的钢液供给氧气的工艺方法 如图所示 RH炉外精炼概述 RH的发展简史 RH KTB法 与常规的RH工艺相比 应用RH KTB的效果主要有 在RH KTB方法中 有30 的氧用于CO气体的二次燃烧 二次燃烧率达60 使RH处理过程中的热损失得以补偿 因此可降低转炉出钢温度约26 提高脱碳速率 在不延长RH真空处理时间的条件下 可在较高转炉出钢含碳量下生产超低碳钢 实践证明 使用RH KTB工艺时 转炉出钢终点 C 含量可从0 025 提高到0 05 因而可以使转炉的负担减轻 应用RH KTB法 稳定地降低脱气结束时渣中的 TFe 和钢水中的T O 从而使连铸时由于钢水中的Al2O3造成的浸入式水口的堵塞得到缓解 提高了板坯的表面质量 RH炉外精炼概述 RH的发展简史 RH KTB法 减轻了RH真空室的冷钢粘结 以前 RH真空室内粘附的残钢成为精炼超低碳钢时增碳的原因 另外 在修补时由于真空室下部槽的更换和真空室上部砖的拆运 需要长时间清理残钢 造成RH运转率低 用RH KTB氧枪后 不仅可以使在KTB处理期间形成的残钢量少 而且还可以为处理凝聚在真空室内壁形成的残钢提供一种有效的清理工具 从而提高了真空室的寿命 减少耐火材料的消耗 减少脱氧耗铝量 由于KTB法处理后钢中 O 比普通RH低100 10 4 可节约用铝量0 1125kg t钢 RH KTB法与RH OB法相比有很大进步 RH OB吹氧 其氧气利用率不如RH KTB 二次燃烧效果也很微弱 为补偿RH处理过程中的温降 需要配合向真空室加Al吹氧来升温 但容易造成钢液中Al2O3夹杂的增多而影响钢水的洁净度 另外 由于吹氧的OB管直接与高温钢液接触 加速了对浸入管根部砖衬的侵蚀 因此OB管的寿命也很低 一般少于200次 与之相比 RH KTB工艺就比较完善 RH炉外精炼概述 RH的发展简史 RH MFB法 继日本川崎钢铁公司开发RH KTB真空精炼技术之后 新日铁广畑厂于1992年开发了 RH多功能喷嘴 真空顶吹氧技术 并于1993年8月在广畑厂建立了第一台RH多功能喷嘴设备 简称RH MFB真空装置 如图所示 RH MFB法的主要功能是在真空状态下的吹氧强脱碳 铝化学加热钢水 在大气状态下吹氧或天然气燃烧加热烘烤真空室及清除真空室内壁形成的结瘤物 真空状态下吹天然气或氧气燃烧加热钢水及防止真空室顶部形成结瘤物 RH炉外精炼概述 RH的发展简史 RH MFB法 其冶金功能与KTB真空顶吹氧技术相近 主要在于提高转炉出钢时钢水的含碳量 在碳高氧低的情况下 不延长RH真空脱碳时间 可以将碳含量降到很低 对于钢水中碳含量 不吹氧可以从开始350 10 4 降至30 10 4 以下 在吹氧条件下 可将碳含量由开始400 10 4 同样降至30 10 4 以下 甚至20 10 4 对钢水的温度补偿主要是通过燃气燃烧来实现的 在真空精炼过程中吹入一定量的燃气使之燃烧 达到加热钢水的目的 加Al吹氧升温是通过Al燃烧发热来加热钢水的 RH MFB用铝加热钢的效果为 每吨钢加入1 纯铝后温度上升35 8 RH炉外精炼概述 RH的发展趋势 高效化是RH技术发展的主要趋势 回顾RH的发展历史 对比现代RH与传统RH的技术差别 可以证明RH高效化是半个世纪以来RH精炼技术发展的重要方向 研究开发RH高效化的主要技术措施是 RH快速精炼技术的发展 提高RH高作业率的工艺装备技术 RH自动化与计算机控制技术 RH炉外精炼概述 RH的工作原理 RH装置示意图 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炉外精炼概述 RH的工作原理 与其他脱气方法相比 这种脱气方法有如下优点 脱气效果好 RH处理过程中 进入真空室的钢液量相对较少 而且由于吹入的驱动气体在上升管内生成大量气泡 进入真空室的部分钢液呈细小的液滴 且处于沸腾状态 增大了钢液脱气表面积 有利于脱气的进行 可使 H 含量降至适用于大量钢液的处理 生产能力大 处理周期短 处理过程温降小 处理过程中钢包内的钢液表面有炉渣覆盖 保温效果好 一般处理后温降仅为30 50 适用范围较大 用同一设备能处理不同容量的钢液 也可以在电弧炉和感应炉内进行 RH炉外精炼概述 RH的冶金功能 RH真空精炼的冶金功能 脱气 精炼 脱氢 板材 线材 脱氮 脱氧 自然脱碳 电磁材料及低碳钢等 温度和成分调整 用于轧制薄板厚板的碳素钢 吹氧 升温 强制脱碳 脱气 不锈钢 IF钢等极低碳钢 喷粉 去除夹杂 脱氧 高合金钢 不锈钢 脱硫 脱磷 RH炉外精炼概述 RH的主要工艺参数 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 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 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炉外精炼概述 RH的产品应用 RH炉外精炼概述 RH在世界的开发与应用 RH技术在德国 RH技术发展较快 通过对RH深入的技术开发 使RH功能不断扩大 使之终于达到今天这样具有多种精炼功能的设备 德国在RH处理前进行TN法处理 喷粉处理后在进行RH处理 这样的工艺可以生产厚板 型钢 钢轨 微合金化的特殊深冲钢 通过这样的处理 分析命中率大大提高 并且使钢加工的成本大为降低 RH炉外精炼概述 RH在世界的开发与应用 RH技术在日本 在 技术日趋完善的过程中作出了重要贡献 1963年日本引进 真空精炼技术后在脱氢的基础上又开发了脱碳 脱氧 吹氧升温 喷粉脱硫和成分控制等功能 使改进后的 法能进行多种冶金操作 更好地满足了扩大处理钢种范围 提高钢材质量的要求 RH炉外精炼概述 RH在世界的开发与应用 RH技术在中国 1995年 攀钢130tRH MFB项目引进技术的消化吸收1998年 宝钢250tRH MFB项目引进技术的消化吸收2000年 梅钢150tRH MFB项目基本立足国内设计制造2002年 宝钢2号130tRH项目的建设2003年攀钢2号RH投产 开辟了我国用RH精炼超纯净合金钢的先河 RH炉外精炼概述 RH在世界的开发与应用 RH KTB装置 川崎顶吹氧循环脱气装置 在世界各地 RH炉外精炼概述 RH在世界的开发与应用 RH KTB装置 川崎顶吹氧循环脱气装置 在世界各地 RH炉外精炼概述 RH在世界的开发与应用 RH KTB装置 川崎顶吹氧循环脱气装置 在世界各地 RH炉外精炼概述 国内外RH的主要技术参数和性能指标 近几年国外RH的主要技术参数和性能指标 RH炉外精炼概述 POSCORH TOP RH炉外精炼概述 BENXIRH TOP RH炉外精炼概述 ANSHANRH TOP RH炉外精炼概述 BAOSTEELRH TOP RH主要设备及功能 RH真空精炼主体设备RH钢包提升系统真空泵系统真空槽真空室输送系统顶枪系统上料 投料系统喂丝 覆盖剂自动加入系统煤气预热系统自动测温取样系统真空室维修及更换系统 RH主要设备及功能 RH钢包提升系统 在处理位置通过液压提升系统提升带钢包的钢包输送车 提升系统安装在真空室下面的一个坑里 钢包提升装置主要由液压装置 提升缸 液压管 液压流体 提升架 导轨组成 RH主要设备及功能 真空泵系统 1 蒸汽喷射泵的工作原理绝热膨胀段 将蒸汽的压力能转化为动能 出口处速度为超音速 混合段 高速蒸汽与炉气 被抽气体 混合 二股气流进行能量交换 被抽气体速度增加 压缩段 被抽气体一边继续与高速蒸汽混合 一边逐渐压缩 在喉口处完成混合过程 速度达到音速 压力逐渐增加 如果出口压力为1bar 则抽气口压力低于1bar 这就是真空泵的工作原理 将几级真空泵串联起来 第一级抽气口的压力将远远低于大气压 RH主要设备及功能 真空泵系统 2 蒸汽喷射泵的特点 抽气能力大可满足钢液真空精炼最大处理能力及排气量的要求 本厂真空泵抽气能力700kg h 抽气速度快 3 6min可达到预定真空度 对被抽介质适应能力强 多尘 高温 腐蚀性气体均可使用 无旋转部件 设备寿命长 工作性能可靠 RH主要设备及功能 真空泵系统 3 冷凝器作用 是降低增压泵排出的混合气体 主要是蒸汽 的温度 缩小其体积 提高真空度 原理 通过从上部的喷淋口中喷出冷却水与下部喷出的混合气的对流来冷却混合气体 冷却水进入热井被抽至水处理站处理后循环使用 RH主要设备及功能 真空泵系统 4 气体冷却器作用 分离气体和烟尘 利用改变气流方向时烟尘颗粒的惯性来分离 降低烟气的温度 从350 400 降低至150 200 原理 采用水冷桶壁和中间水冷板来冷却 RH主要设备及功能 真空泵系统 5 真空主阀作用 预抽真空时关闭主阀可切断真空泵和真空槽 使真空泵系统保持一定真空度 缩短抽真空时间 布置 在气体冷却器与第一级真空泵之间 RH主要设备及功能 真空室 是冶金反应的容器 所有化学反应都在真空槽内进行 真空槽分上 下部槽 浸渍管 并通过热弯管与气体冷却器相联 真空系统 通过合金翻板阀与加料系统相联 真空槽工作衬砖采用镁铬质耐火材料砌筑 二个浸渍管 其中一个为上升管 一个为下降管 上升管配置二层共12根提升气体管 真空槽所有联接部位都采用密封件 不得泄漏 真空槽内冷钢必须及时清理 冶炼超低碳钢时必须集中清理 RH主要设备及功能 真空室输送系统 真空室运送车负责处理位和备用位之间的真空室运输 真空室运送系统增强了脱气设备的处理能力 换下位于处理位置用过的真空室 在10分钟内将位于备用位置的新真空室换上 真空室输送系统主要由铁轨 真空室输送车组成 RH主要设备及功能 顶枪系统 功能 a 吹氧强制脱碳 b 加铝吹氧升温 c 在处理间隔期间烘烤耐火材料 d 脱碳期间的二次燃烧有利能量的充分利用 脱碳 吹氧脱碳可将碳脱至20ppm以下 升温 采用铝的化学反应热提高钢液温度 但铝的反应产物可能污染钢液 所以升温范围以不超过20 为宜 冷却 采用循环水冷却氧枪 吹氧脱碳时由于部分氧参与二次燃烧 所以氧气利用率低 约70 80 RH主要设备及功能 上料 投料系统 采用垂直皮带机 卸矿小车将各种冶金材料装入高位料仓 16个高位料仓储存各种冶金材料 碳 铝为RH常用原料 分别单独设置在一个共用的真空料仓内 其它材料通过高位料仓 称量料斗 水平皮带机 真空锁 真空槽 进入钢水 如发现错料 则水平皮带机反向运转 进错料斗 RH主要设备及功能 喂丝 覆盖剂自动加入系统 喂丝机用来给钢包喂入各种不同的丝 在喂丝的同时 进行氩气搅拌 目的是为了能有效地脱氧 脱硫 去除夹杂及改变夹杂物形态以及准确地微调合金成分等 从而提高钢的质量和性能 为了减少在浇注期间的热辐射 在处理后需要向钢水熔池表面加入覆盖剂 喂丝系统主要由喂丝机和导向管组成 覆盖剂加入系统主要由储罐 排放管 配料罩组成 RH主要设备及功能 煤气预热系统 煤气喷嘴安装在备用位置在真空室更换后用来加热耐材 并在把真空室送至处理位置之前使耐材衬表面温度保持在1400 1450 C 产生的废气离开真空室通过浸渍管进入周围环境 煤气预热系统的主要设备为备用燃烧器 自动测温取样系统 测温取样系统为未封盖的钢水进行测温取样 同时安装有一个破渣器在测温取样前进行破渣 测温取样系统主要由破渣器 测温取样枪组成 RH主要设备及功能 真空室维修及更换系统 真空室维修及更换系统主要由喷补车 浸渍管维护 除冷钢装置 喷补设备 真空室更换吊具 顶部更换吊具 真空室过跨车等组成 喷补车 提供除冷钢装置和喷补机在处理炉次间隙期间对浸渍管进行清理和耐材修补 该装置放置在浸渍管维修车的平台上 维修车在钢包输送车的轨道上运行 更换真空室 顶部部件要从旧的真空室提升 使真空室的法兰和底部脱开 同时真空料斗设备的膨胀接头缩回 然后用真空室输送车移至备用位 在脱开所有连至真空室管路后 快速用天车将真空室吊到真空室输送车上 真空室过跨车 在处理位和位于相邻跨的维修区之间进行输送真空室及其顶部 RH耐火材料 耐火材料的工作条件 长时间高温 真空作用 炉渣的严重侵蚀作用 炉渣的浸透作用 炉渣和钢液的强烈冲刷和磨损作用 温度骤变热震作用 局部过热及电弧辐射 RH耐火材料 对耐火材料的要求 耐火度高 稳定性好 能抵抗炉外精炼条件下的高温真空条件 气孔率低 体积密度大 组织结构致密 以减少炉渣的浸透 强度大 耐磨损 抵抗钢渣冲刷磨损作用 耐蚀性好 能抵抗酸 碱性炉渣的侵蚀 热稳定性好 不发生热震崩裂剥落 不污染钢液 有利于钢液的净化作用 对环境污染小 RH耐火材料 炉外精炼用主要耐火材料 1 镁铬砖以镁砂和铬矿为原料 MgO55 80 Cr2O38 20 耐火度高 荷重软化温度高 抗热震性优良 抗渣侵蚀 适应的炉渣碱度范围宽 根据制品所用原料和工艺特点 分为 硅酸盐结合镁铬砖 直接结合镁铬砖 再结合镁铬砖 半再结合镁铬砖 预反应镁铬砖 不烧镁铬砖和电熔铸镁铬砖 炉外精炼以前5种为主 2 MgO CaO系来源丰富 价格比镁铬砖低廉 对高碱度渣的抗侵蚀性好 有利于钢液净化 对环境污染小 分类 白云石砖 镁白云石砖 镁钙砖 3 镁碳砖以电熔镁砂 高温死烧镁砂和鳞片石墨为主要原料 以酚醛树脂作结合剂制造的不烧含碳碱性耐火材料 抗炉渣渗透性 耐侵蚀性能及耐热震性能 由于石墨作用 用于渣线部位 4 Al2O3 MgO C系包含铝镁碳砖 铝镁尖晶石碳砖和镁铝碳砖 抗炉渣渗透 耐侵蚀性好 耐热震性好 价格比较低 使用于各种精炼钢包非渣线部位 RH耐火材料 耐火材料基本属性 1 耐材在真空下的稳定性真空下 耐材中的大多数氧化物都会发生蒸发而损失 使耐火材料的性能变差 体积密度变低 气孔率提高和强度下降 污染钢水 易蒸发 SiO2 FexOy Cr2O3 MgO难蒸发 CaO Al2O3 2 耐火材料与炉渣的相容性耐材在炉渣中的溶解速度 u 不相容 u 相容 尽可能选择相容的耐材 由炉渣R CaO SiO2 确定 R2 相容性低 高 镁铬砖 碳结合白云石砖 陶瓷结合白云石砖 镁质白云石砖 镁钙碳砖 镁碳砖 RH耐火材料 耐火材料对钢液洁净度的影响 1 氧化物洁净度生成自由能的绝对值大的氧化物 其氧分压低 有利于减少源于耐材中的氧化物对钢液的再氧化 在高温和真空下易蒸发 不稳定的耐材对钢的氧化物洁净度不利 不利 镁铬砖 锆莫来石砖 高铝砖 有利 氧化钙砖 白云石砖 2 硫化物洁净度影响脱硫效率 影响较大洁净度高 氧化钙砖 白云石砖 洁净度低 锆英石砖 镁铬砖 纯氧化钙砖 镁铝砖 镁砖 纯氧化铝砖 高铝砖 锆英石砖 Cr2O317 3 镁铬砖 SiO238 6 3 增碳作用 C C 解决办法 耐材内衬表层 在空气气氛下1000 预热脱碳处理 可避免 所以新炉头几炉次易增碳原因 RH耐火材料 RH耐火材料的选择RH炉精炼时温度高达1600 1700 因而要求炉衬耐火材料具有高的耐火性能 能经受最高温度和局部过热的冲击 且在高温下出现的液相量较少 能抵抗低粘度炉渣的侵蚀 应选择纯度和直接结合率高的碱性砖 HR的间歇操作又会引起温度波动 要求材料具有优良的抗热震性 则采用抗热震性最优的镁碳砖和镁铬砖为好 RH炉装有氩气搅拌装置 在吹氩处及附近部位炉壁损毁较严重 另外由于搅拌作用造成钢水及渣的剧烈沸腾 加速炉衬的损毁 因此受冲刷严重侵蚀区应采用高温强度大的优质耐火材料如镁铬质 高纯镁质 铬刚玉质等 RH耐火材料 RH耐火材料的选择耐火材料的挥发随着温度和真空度的提高而加大 炉渣渗透速度和数量也随之加大 耐火氧化物在真空中的稳定度与其蒸汽压解离能 结合相活化能有关 若在镁铬砖中加入Al2O3可显著降低砖的挥发速度 在1700 10 1Pa Al2O3挥发速度仅为MgO的1 100 MA尖晶石为MK尖晶石的1 44 因而从真空挥发性角度出发 采用高CaO的镁白云石砖和含Al2O3的镁铬砖更好 镁铬质砖还原气氛的碱性炉渣下操作 砖中的Cr20 容易被还原成Cr 因此精炼无铬或低铬钢种时 不宜采用镁铬质砖衬 精炼超低碳钢时 为了避免可能性增碳 不宜采用镁碳砖 应采用镁铬质砖或镁白云石砖 如RH OB炉主要生产超低碳钢 当精炼渣的C S 2 0时 尖晶石就不稳定 纯镁砖比镁铬砖抗渣蚀性好 选用镁砖和镁碳砖 C S 2 0时 应采用镁铬砖和镁白云石砖 RH炉精炼渣均属于此类 RH耐火材料 RH各部位用耐火材料 RH耐火材料 RH各部位用耐火材料RH热弯管和上部槽 由于不与钢水和熔渣直接接触 一般损毁较少 通常选用铬含量12 左右的直接结合镁铬砖 中部槽 工作层主要处于氧枪吹氧的开吹点以及合金口加料时的冲击位置 接触钢水和熔渣 受钢水的喷溅和冲刷 及熔渣侵蚀和温度骤变的影响 是该装置的高蚀区 故该部位工作层选用具有抗侵蚀性能优良和耐冲刷的半再结合镁铬砖 铬含量在20 左右 次工作层选用12 铬直接结合镁铬砖 保温层用轻质高铝砖 下部槽 由于熔渣的不断渗入而形成了变质层 在热应力作用下 产生了与工作面平等的龟裂 导致剥落而造成的损毁 故该部位工作层选用具有抗侵蚀性能优良和耐冲刷的26 铬电熔再结合镁铬砖 次工作层选用12 铬直接结合镁铬砖 保温层用轻质高铝砖 槽询问工作层和次工作层选用26 铬电熔再结合镁铬砖 最下层选用镁铬质捣打料 浸渍管 RH炉的关键部位 损毁最为严重 寿命最短 影响着RH炉的整体使用效果 内层选用抗剥落的26 铬电熔再结合镁铬砖 外层为添加耐热不锈钢纤维的高铝浇注料 RH耐火材料 RH各部位用耐火材料其它材质的应用 见下表 RH耐火材料 RH最主要耐火材料 镁铬砖简介直接结合镁铭砖 以优质高纯镁砂和精铬矿在高温下缎烧而成 显微结构特征是主晶相间形成直接结合 而低熔点硅酸盐相孤立存在 再结合镁铬砖 人工合成原料共烧结镁铬料或电熔镁铬料 或加由部分电熔镁砂 制作 其显微结构特征是尖晶石等组元分布均匀 耐火物晶粒之间为直接接触 半再结合镁铬砖 以人工合成原料作颗粒 以铬精矿与镁砂为细粉制成 是直接结合镁铬砖和再结合镁铬砖的综合性能更优 RH耐火材料 RH最主要耐火材料 镁铬砖性能 RH耐火材料 RH最主要耐火材料 镁铬砖损毁 镁铬质耐材内衬的主要损毁形式为热震引起的结构剥落掉片损毁 其原因包括 镁铬砖被炉渣浸透 形成变质层 其受热震作用时 热应力导致结构崩裂损毁 气氛变化的作用 氧分压高低变化 FeO Fe2O3 RH耐火材料 RH用耐材维修 真空室下部和浸渍管的使用条件最为恶劣 局部侵蚀严重 为提高耐火材料的寿命 采用热修维护 RH耐火材料 RH用耐材维修 RH耐火材料 宝钢RH用耐材使用情况上部槽的使用寿命可以达到2000次以上 下部槽只有500次左右 浸渍管的使用寿命一般在100余次 操作和维护不当或条件更恶劣者 使用寿命在100次以下 宝钢经过一系列的措施后 浸渍管平均寿命达到250 300炉应用镁铬质材料 上部槽大约40000min 中部槽大约20000min 下部槽大约10000min 浸渍管3800 4000min RH耐火材料 宝钢RH用耐材使用情况在上世纪九十年代初 我国宝山钢铁公司RH OB真空室下部槽 升降管用日本播磨公司和奥镁公司的半再结合和直接结合镁铬砖 下部槽的平均使用寿命分别为180次和185次 升降管的平均使用寿命分别为80次和85次 而使用国产镁铬砖 下部槽和升降管平均使用寿命分别为102次和70次 从上世纪90年代起 国内RH用耐火材料达到子决速发展 尤其是镁铬砖的研制从新得到重视和发展 目前用于大型RH装置 升降管等部位的产品己达到进口产品水平或超过同期产品实际使用效果 如根据宝钢 武钢引进的RH RH OB插入管的工作条件 洛耐院与之共同研制开发的镁铬砖 采用高纯菱镁矿和铬精矿为主要原料 电熔与烧结料并用 引入少量高效添加剂 结构合理 性能优良 能满足大型精炼的需要 该砖在宝钢和武钢实际使用时 平均使用寿命分别为11l和76 3炉次 平均侵蚀速率为0 53mm 炉和0 83mrn 炉 RH工艺参数的选择考虑因素 钢水罐罐况 根据钢水罐的尺寸 如高为4190mm直径为3988mm 为了保证RH TB处理钢水的循环效果 插入管在设计时选择插入管内径为680mm 外径为1310mm 故对钢水罐的罐况仍提出了比较高的要求 即要求钢水罐罐口干净 无积渣 以保证插入管插进钢水罐钢水的过程中 不发生因插入管耐火材料与钢水罐罐沿挤压而造成耐火材料脱落 使处理失败的情况 RH工艺参数的选择考虑因素 钢水罐罐况 所谓钢水罐自由空间是指钢水罐内钢水液面到钢水罐罐沿的距离 如钢水罐液压顶升装置的行程为2650mm 真空室插入管长度为400mm 因此钢水罐过大的净空会造成插入管浸深不足 无法处理钢水 为了保证处理 又考虑到钢水罐在运输途中及处理过程中的安全性 要求钢水罐自由空间控制在300 600mm之间 钢水罐自由空间 RH工艺参数的选择考虑因素 钢水罐罐况 钢渣会影响到真空处理合金化时的合金效率 也会影响到处理后钢水的夹杂物含量 此外钢水处理过程中 钢水罐表面的钢渣渣面比较平静 容易产生结硬壳的现象 导致测温定氧 取样的困难 影响处理周期与测温定氧的精度 因此 凡RH TB处理的钢水要求转炉挡渣出钢 渣厚控制在100mm以下 钢水罐自由空间 钢水罐渣厚 RH工艺参数的选择考虑因素 为了保证真空状态下钢水对真空室的密封 防止空气和炉渣进入真空室引起事故 以及要保证真空室内足够数量的钢水 减少耐火材料侵蚀和保证钢水的循环 要求插入管的插入深度为400mm以上 只有在达到这一深度以后才能开启真空主阀 开始钢水处理 随着真空度的降低 钢包钢水液面的不断降低 要不断调整钢包顶升高度 保证插入管插入深度不变 在吹氧升温 大量的加废钢降温 大量的合金化时要尽可能的加大插入管的插入深度 以增加真空室内钢水液面的高度 钢水罐罐况 钢水罐自由空间 钢水罐渣厚 插入管插入深度 RH工艺参数的选择考虑因素 RH环流量是指单位时间通过上升管或下降管的钢水量 一般是每分钟多少吨 几个文献给出的结果见式 式1 Watanabe 1968 式2 Hupfer 1971 钢水罐罐况 钢水罐自由空间 钢水罐渣厚 插入管插入深度 环流量 U 0 02 Q0 33 TR1 5 TR 连通管截面 Q Ar流量 cm2 NI min U 4 8 10 3 r f1 f2 f3 Q0 25 TR TR 连通管截面 Q Ar流量 r 钢水密度 f1 f2 几何因子 f3 横截面升降柱比率 cm2 NI min cm2 t m2 约为2 1 RH工艺参数的选择考虑因素 式3 Kuwabara 1987 式4 Lutz 1995 钢水罐罐况 钢水罐自由空间 钢水罐渣厚 插入管插入深度 环流量 TR 连通管截面 Q Ar流量 cm2 NI min U 11 4 Q1 3 TR4 3 ln P0 P1 1 3 P0 常压 Torr P1 真空室操作压力 Torr TR 连通管截面 Q Ar流量 cm2 NI min P0 常压 P1 真空室操作压力 Torr U 1 63 Q1 3 TR4 3 r ln P0 P1 1 3 TR 连通管截面 Q Ar流量 NI min P0 常压 P1 真空室操作压力 TR 连通管截面 Q Ar流量 NI min P0 常压 P1 真空室操作压力 Q Ar流量 NI min P0 常压 P1 真空室操作压力 TR 连通管截面 Q Ar流量 NI min P0 常压 P1 真空室操作压力 m r 钢水密度 t m3 mbar mbar RH工艺参数的选择考虑因素 式5 Kleimt 1995 简化的最小循环率 钢水罐罐况 钢水罐自由空间 钢水罐渣厚 插入管插入深度 环流量 TR 连通管截面 Q Ar流量 P0 常压 P1 真空室操作压力 TR 连通管截面 Q Ar流量 P0 常压 P1 真空室操作压力 m U FU Q1 3 TR4 3 ln P0 P1 1 3 FU 循环因子 123t min Nm3 min mbar mbar U TRerf 0 054672 0 0667 M Trerf 最小连通管直径 M 转炉重量 m t t t RH工艺参数的选择考虑因素 钢水罐罐况 钢水罐自由空间 钢水罐渣厚 插入管插入深度 环流量 从以上的经验公式看 影响RH环流量的主要因素有上升管或下降管直径 上升管内吹入的氩气流量 吹入气体的深度 真空度 因此一旦RH真空装置投入使用以后 最为有效和最为灵活的手段是提升气体的使用方法 RH工艺参数的选择考虑因素 钢水罐罐况 钢水罐自由空间 钢水罐渣厚 插入管插入深度 环流量 循环因数也称循环次数 是指在RH处理过程中通过真空室的钢水量与处理容量之比 可表达为当采取部分钢水在真空室内脱气一定时间后返回钢包的脱气法 可为三种情况讨论 m 0在这种条件下 脱气后的钢水几乎不与未经脱气的钢水混合 因此钢液的脱气速度几乎不变 而钢液中气体的浓度随时间的延长呈直线下降 在这种情况下 钢液经过一次循环就可以达到脱气要求 m 1在这种条件下 脱气后的钢水立即与未经脱气的钢水混合 钢包内的钢水是均匀的 气体的平均浓度缓慢下降 钢水的浓度与时间为指数关系 脱气速度取决于环流量 0 m 1这是一般的情况 脱气后的钢水于未脱气的钢水不完全混合 或称缓慢混合 钢水中气体的浓度呈指数下降 RH循环因数 CF dQm d WL CF 循环因数 次 循环时间 min dQm d 环流量 t min WL 钢包内钢水重量 t RH工艺参数的选择考虑因素 钢水罐罐况 钢水罐自由空间 钢水罐渣厚 插入管插入深度 环流量 由上述讨论可以看出 通过控制钢液的混合情况也可以控制钢水的脱气速度 一般说来 为了获得好的脱气效果 这里主要指脱氢 可以将循环因数选在3 5 而对于难脱除气体 如氮 就要经过多次循环处理 RH循环因数 RH工艺参数的选择考虑因素 钢水罐罐况 钢水罐自由空间 钢水罐渣厚 插入管插入深度 环流量 一台真空处理设备建成以后 调整提升气体流量是最为简便的手段 关于吹Ar 还必须注意到吹Ar方法和位置 现在广泛使用的吹Ar元件乃是不锈钢管 它比采用透气砖的效果要好 同时 使用不锈钢管 从上升的保养维护来说也很有利 在不处理钢水时 提升气体选用氮气 流量为50 80Nm3 h 以保证提升气体喷嘴在处理钢水间歇不被熔钢及熔渣堵塞 在处理钢水时 提升气体流量为50 130Nm3 h 保证钢水的充分循环 处理沸腾钢时 提升气体流量选择中下限 以减少钢水喷溅 在处理镇静钢时 提升气体流量选择中上限 以改善反应的动力学条件 促进脱气反应的进行 另外 在进行大量的合金化以及大幅度降温时要加大提升气体流量 保证成分 温度的快速充分均匀 RH循环因数 提升气体流量 RH工艺参数的选择考虑因素 钢水罐罐况 钢水罐自由空间 钢水罐渣厚 插入管插入深度 环流量 RH循环因数 提升气体流量 但增加提升气体流量有限度 上升管中两相流流动状态随气量增加而发生的变化 随着提升气体流量的增加 由于去气作用和钢水静压减小的结果 上升管中气泡不断增大 两相流会从 气泡流态 向 活塞流态 过渡 甚至会出现 中心流态 汽泡流变化情况 RH工艺参数的选择考虑因素 钢水罐罐况 钢水罐自由空间 钢水罐渣厚 插入管插入深度 环流量 RH循环因数 提升气体流量 RH TB的顶枪具有化学加热 强制脱碳 真空加热 大气加热 大气化渣5个功能 化学加热顶枪枪位控制顶枪在进行化学加热时 氧气流股不断地作用在钢水表面上 使铝和氧发生化学反应放热 为保证氧气的利用效率 顶枪的枪位控制不宜过高 而顶枪的枪位过低 又会造成钢水喷溅过大 真空室内积钢渣过多 也会增加真空室底部的耐火材料的侵蚀 因此合理的枪位在4m 6m之间 氧气的利用效率能达到50 70 钢水的喷溅也比较小 铝氧比控制理论上的铝氧平衡比为0 62Nm3 kg 实际生产中铝氧比不宜控制过大 如果过大 会使钢中有过剩的氧与钢水其它化学成分发生反应 引起合金元素的烧损 铝氧比控制过小 钢水会增加过多的铝 终点钢水酸溶铝成分容易过高 实际生产中 一般铝氧比控制在0 8Nm3 kg左右 供氧强度钢水升温速度与供氧强度成正比 供氧强度过低 影响升温速度 供氧强度过大又会造成喷溅 因此实际生产中考虑现场条件与升温效果等因素 供氧强度控制在10 2Nm3 h t 11 5Nm3 h t之间 顶枪 RH工艺参数的选择考虑因素 钢水罐罐况 钢水罐自由空间 钢水罐渣厚 插入管插入深度 环流量 RH循环因数 提升气体流量 强制脱碳顶枪枪位控制根据钢种和钢水中 O 与 C 含量的情况 采用强制脱碳方法 应适当采取较高枪位 降低氧气流股的吹入深度 防止碳氧反应过于剧烈而导致钢水的喷溅 一般枪位控制在4 5m 6m 供氧强度考虑钢水中 O 与 C 含量的情况 采取不同的吹氧流量 供氧强度在6 0Nm3 h t 11 0Nm3 h t之间 吹氧时刻根据废气分析仪的CO CO2分析结果 选取钢中氧含量较低的时刻下枪吹氧 促进脱碳反应的进行 顶枪 RH工艺参数的选择考虑因素 钢水罐罐况 钢水罐自由空间 钢水罐渣厚 插入管插入深度 环流量 RH循环因数 提升气体流量 真空加热顶枪枪位控制真空加热是在真空状态下进行的氧燃加热方式 它的目的不仅是加热钢水 而且还通过将钢水脱碳产生的CO废气与顶枪吹入的氧气产生二次燃烧加热真空室顶部的耐火材料 因此顶枪要采取比较高的枪位 枪位控制在6 5 7 5m 煤气与氧气控制考虑现场煤气的成分以及热值等因素 并且钢水脱碳产生的CO参加燃烧反应 因此真空加热的煤气与氧气的比例不宜过大 一般控制在1 0左右 大气加热顶枪枪位控制在处理间歇期间 为了均匀地加热真空室的内衬耐火材料 顶枪枪位每隔半小时变化一次 范围在真空室最低枪位到最高枪位之间 煤气与氧气流量控制为了使顶枪喷出的氧气与煤气更好地配合燃烧 氧气与煤气的比例控制控制在1 1 2左右 煤气流量应视实际情况而定 最大流量为300Nm3 h 顶枪 RH工艺参数的选择考虑因素 钢水罐罐况 钢水罐自由空间 钢水罐渣厚 插入管插入深度 环流量 RH循环因数 提升气体流量 大气化渣顶枪枪位控制根据真空室顶部摄像头观察到的真空室内壁的结渣情况 有目标的移动氧枪到接近结渣部位 并适当上下移动顶枪 均匀加热 煤气与氧气流量应采取大流量煤气吹入将渣壳熔化 最大流量可选择550Nm3 h 顶枪 RH工艺参数的选择考虑因素 钢水罐罐况 钢水罐自由空间 钢水罐渣厚 插入管插入深度 环流量 RH循环因数 提升气体流量 原则一是保证钢水不产生大的喷溅 原则二是保证钢水脱气反应的速度与脱碳或脱氢最终较低的结果 所以在处理深脱碳以及深脱气的钢种是要求在处理中后期采取比较低的真空度 而在进行轻处理时则采取不太低的真空度 顶枪 真空度控制 RH工艺原理 真空脱氧是指将钢液置于真空条件下 通过降低CO气体分压 促使钢液内 C O 反应继续进行 利用 C O 反应达到脱氧的目的 真空脱氧方法的最大特点是脱氧产物CO几乎全部可由钢液排除 不玷污钢液 钢液温度降低较大 且投资和生产成本较高 真空脱碳 RH工艺原理 真空脱碳 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 RH工艺原理 真空脱碳 脱碳的热力学条件 RH工艺原理 真空脱碳 脱碳的热力学条件在1600 下 存在下列碳氧浓度积关系 溶解在钢水中的碳和氧含量 具有不同的一氧化碳压力 在生产中碳氧值没有达到理论值 与理论相比 压力越低 偏差越大 原因是受到炉渣 耐火材料以及在生产中缺少获得反应平衡的时间的影响 RH通过降低真空压力 导致生成物CO的线性减少 根据化学计算公式关系 可以得出脱碳所需要的氧含量 如果钢水中的氧含量足够高 真空脱碳的效果最有效 但这一般要求碳含量在400ppm左右 初始钢水碳氧含量应当适宜 过高的氧含量会导致脱氧铝消耗过大 而且有产生大量不易上浮的Al2O3脱氧产物 污染了钢水 氧含量过低会导致脱碳速度减慢 而且影响最终脱碳效果 这种情况就需要吹氧脱碳或者在处理一开始就加入一定量的铁矿石来增加钢水的氧含量 同样 一开始碳含量过高 也需要补充适当的氧来满足脱碳反应的需要 C O 0 002Pco C 16 O 12 RH工艺原理 脱碳的动力学条件从热力学角度 只要满足热力学条件 经过长时间的真空处理可以达到预期的碳氧平衡状态 进而达到要求的钢水碳含量 这时向钢水中投入一定量的脱氧剂就可以使钢水达到镇静的状态 而对于实际生产过程 最重要的是要知道脱碳速度以及如何对其产生影响 以便在尽可能短的时间里达到最低的钢水碳含量 从动力学上看 钢水脱碳速度是钢水中实际碳含量 钢水温度 提升氩气流量和真空室内部的真空度的函数 真空脱碳 dc dt表示单位时间内脱去的碳含量Ce表示平衡时的碳含量C表示t时刻的碳含量 c表示时间常数 取决与边界气体和金相上的总反应表面 RH工艺原理 真空脱碳 脱碳的动力学条件一般来说 气态与液态的脱碳速度定义为 在实践中 将D A V 都归纳到物质传送系数K中去 代表钢水处理过程中系统和处理特定的参数 即真空室和插入管的直径 真空度 氩气流量 真空室内的钢水量 成分等 公式中参数定义为 D表示渗出常数 表示相界面厚度A表示反应表面积V 表示钢水体积Co 表示初始碳含量 RH工艺原理 真空脱碳 脱碳的动力学条件根据前面的平衡方程式 推导出新的Kc 如果真空压力很低 终点平衡碳含量可以忽略的话 脱碳结果可以表示为对于影响K的因素 降低真空压力比较明显 真空压力降低的越快 处理时间越短 因此 真空泵的工作抽气能力对于钢水脱碳时间至关重要 对于强制脱碳的情况 由于氧气的吹入 补充了脱碳反应钢水氧含量的不足 促进了钢水的脱碳反应 其中 t表示处理时间k是物质传输系数 C t C exp Kc t RH工艺原理 真空脱碳 循环流量Q的计算值与实测值的比较 脱碳的动力学条件RH钢水循环流量QRH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 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