130t RH真空脱氢工艺分析与应用.doc

130t RH真空脱氢工艺分析与应用摘要：介绍了攀钢130t RH真空脱氢工艺试验，并进行了有关真空脱氢的热动力学分析，完善了真空脱氢的处理模式与工艺模型。生产结果表明，在现有工艺条件下，可保证真空处理后钢中w(H)在210-6以下。关键词：钢轨钢；RH；脱氢；真空度 为提高产品的技术含量和质量等级、增强市场竞争能力和提高经济效益，攀枝花钢铁(集团)公司(以下简称攀钢)决定淘汰落后的模铸工艺、新建大方坯连铸，实现全连铸。为了适应大方坯主要生产钢轨钢的需要，攀钢新建了1台130t RH真空处理装置与之配套。130t RH真空处理装置于2003年9月开始投入试生产，并于2003年12月达到了设计水平。针对攀钢RH真空处理装置的特点与主要钢种(钢轨钢)的工艺要求，分别从脱氢热、动力学方面进行研究，确定处理工艺及工艺参数，并通过工业试验钢轨钢加以验证与进一步完善处理工艺，取得了较好的效果。1 RH主要设备及工艺流程 攀钢130t RH装置为双室平移的整体真空室结构，主要由真空系统、合金与渣料添加系统、顶枪加热系统、液压提升系统、水处理系统和自动控制系统等构成。真空系统有四级蒸汽喷射泵，为了满足脱碳及脱氢能力，第3、第4级喷射泵采用了并联形式以加强抽气能力。合金与渣料添加系统由16个高位料仓、3个称量料斗、皮带机、真空料斗、合金溜槽等构成。真空室系统采用整体真空室与插入管焊接方式，有利于减少连接部位漏气。攀钢130t RH装置主要设计参数如下： 处理装置型式 双室平移下动式 平均钢包容量 131.5t 年处理能力 85.8万t 平均处理周期 2436min 钢水循环量 5070t/min 抽真空时间 4min 极限真空度 30Pa 冷凝器用水量 1120m3/h 插入管内径 450mm 工艺流程如下： 高炉铁水脱硫提钒转炉炼钢炉后处理LF电加热RH真空处理方坯连铸型材轧机2 脱氢处理模式 钢轨钢在真空处理过程中主要采用的处理模式见图1，整个处理过程在循环气体流量保持恒定的条件下，真空度随时间的延长而快速降低，其目的是经过一定时间的脱气，降低钢中的H、N活度，减少夹杂物、提高钢水纯净度。3 脱氢工艺分析 为了满足国内外市场的需要，提高企业的市场竞争力，攀钢新建的130t RH主要生产钢轨钢与低合金结构钢，采用以上处理模式能降低夹杂物与脱氢，提高产品质量。从脱氢热、动力学方面进行研究分析，影响脱氢的主要因素有如下几方面。3.1 真空度 要实现钢中较低的氢浓度，根据西维茨的平方根定律，必须降低真空系统压力。钢液真空处理时，必须降低精炼容器中氢分压PH2，也就是通常情况下精炼容器中的真空度，使钢液中的氢外逸，即可达到钢液脱氢的目的。钢水在1600、不同氢分压下，H的饱和溶解度见表1。表1 不同氢分压下H的饱和溶解度氢分压/kPaH的饱和溶解度/10-610.07.805.05.501.02.500.51.700.10.78 根据平方根定律及表1可知，钢中H含量随PH2降低而降低。因此，真空度达到0.5kPa时即可将钢中w(H)降到2.010-6以下，从而可消除钢材白点敏感性。在真空处理过程中，为了快速达到所需的真空度，应采取预抽真空与非压力控制方式，尽量缩短抽真空时间。3.2 钢水温度 氢的溶解平衡常数KH是温度的函数，在1600时氢在钢液中的KH很低(KH=0.0025)，扩散速度快，所以钢液脱氢速度很快。钢液中H含量随钢水温度的升高而增大，因此精炼后期，应适当控制较低温度，满足脱H的要求。3.3 处理时间(真空度小于0.3kPa) 从RH脱氢动力学方程分析，在真空度保持稳定的情况下，有效处理时间是影响终点H含量的关键因素，处理时间愈长，脱氢率越大。在处理工艺基本相同的情况，仅通过采取不同的有效处理时间进行试验，钢水处理时连续在线定氢进行分析结果见表2。表2 处理时间对真空脱氢率的影响处理时间/min处理炉数平均脱氢率/%101563.611-157070.216-205478.33.4 循环气体流量 循环气体流量主要通过影响单位时间流经真空室的钢液循环量来影响脱气速度，钢液循环量计算公式为： U=3.8103D1.4Q0.31H0.5 式中，U为钢液循环量，t/min；Q为循环气体流量，L/min；D为插入管的内径，m；H为循环气体用循环管长度，mm。 由上式可知，要提高钢水的钢液循环量，必须增大循环气体流量与扩大插入管的内径。但由于受真空室内径的限制，圆形循环管内径的扩大是有一定限度的。因此，就只有增大循环气体流量。增大循环气体流量一方面可增大钢水在真空室内的喷溅，扩大相界面；另一方面是形成更多的氩气泡，有利于氢在氨气泡内的渗透。 循环气体是RH钢水循环动力源，循环气体流量的大小直接影响钢水循环状态与脱氢效果。由此可见，加大循环气体流量有利于脱氢反应。但据介绍，在一定范围内循环气体流量与钢液循环量成正比，但并不是说循环气体流量越大越好。超过一定的循环气体流量范围，提高循环气体流量反而降低钢液的循环量。这是因为循环气体流量大，在上升管内形成大量的气泡，气泡在上升管内分布稠密，气泡体积所在比例较大，直接导致进入真空室内的钢液受到限制。当循环气体流量大到足以破坏真空度时，钢液循环量甚至于为零。通过近60炉试验的数据，循环气体流量的控制及处理结果见图2。最终确定在有效处理时间内，循环气体流量(标准状态下)为1200L/min。3.5 初始H含量 钢水初始H含量与处理时间关系见表3。表3 钢水初始H含量与处理时间关系熔炼号钢种w(H初始)/10-6w(H终)/10-6处理时间/min307510U71Mn(s)6.51.515207875U71Mn(s)6.21.415208022U71Mn(s)6.01.415107466PD36.01.215307351PD35.41.115107813PD35.31.115307593U71Mn(s)5.01.015207990U71Mn(s)4.80.915表3可知，在处理工艺相同的情况下，钢水初始H含量是影响终H含量的重要因素之一。因此，转炉冶炼及钢水运输过程中应注意外来氢源，防止增氢，尽可能保证RH处理时较低的初始H含量。3.6 脱氢处理3.6.1 脱氢效果 通过脱氢热、动力学分析与主要工艺参数的不同实验，攀钢脱氢处理工艺确定了最佳的处理模式。对于钢轨钢，经过RH在高真空度下的处理，能大大降低钢液中的H含量，其处理后钢轨钢H含量分布见图3与表4。表4 攀钢RH脱氢效果熔炼号钢种w(H初始)/10-6w(H终)/10-6脱氢率/%207479PD35.71.868.4207480PD34.81.764.6107466PD36.01.280.0306999PD36.21.674.2307510U71Mn(s)6.51.576.9107991U71Mn(s)4.61.371.8208022U71Mn(s)6.01.476.7207866U71Mn(s)4.51.175.6利用RH真空处理脱氢，脱氢效果十分显著，脱氢率可达60%80。3.6.2 脱氢与成本 处理时间不仅对终点H含量起关键性作用，而且对插入管寿命有极大的影响，处理时间长，耐材浸蚀加剧、插入管寿命低，终H含量低；处理时间短，钢轨钢脱氢、去除夹杂效果差。因此，为了找出处理时间与脱氢效果之间的最佳结合点，通过测试钢轨钢实际脱氢速率与处理时间的关系(见图4)，完善了钢轨钢的处理模式。在不影响钢轨钢质量的前提下，钢轨钢RH的处理时间缩短了46min，提高了RH设备作业率。这样既保证脱氢要求，又为插入管寿命、RH连续处理能力的提高创造了有利条件。 RH生产的钢种以钢轨钢为主，占85以上，由于该钢种需要转炉进行较彻底地脱出磷、硫。因此，炉渣碱度较高，转炉钢水到精炼工序后，为进一步控制磷、硫与夹杂物含量，需在LF工序加精炼渣每炉700kg，导致LF出站炉渣中CaO含量较高。资料表明，炉渣中m(Cr2O3)/m(CaO)小于3时，CaO与Cr2O3共晶点温度低至1022，会引起镁铬砖的快速熔损，处理时间越长，镁铬砖的熔损就越严重。通过优化处理时间，插入管平均寿命由投产初期的40炉稳定提高到50炉以上(见图5)，不仅降低了真空钢水的处理成本，也为攀钢RH设备功能的发挥作出了贡献，经济效益显著。4 增氢分析及采取措施 为了确保脱氢目标的实现，一方面在RH处理过程中按照脱氢处理模式严格控制工艺参数，另一方面需防止钢水过程中钢液增氢。4.1 精炼渣量 RH精炼的钢种所需的渣量的2/3是在炼钢时加入，根据炉渣的流动性和脱氧、脱硫要求，适当补加渣料。氢在高碱度渣中有相当大的溶解度，在还原精炼渣的物化性质确定后，脱氢所要求的造渣的控制点在于严格控制渣量。根据生产实际，脱氢处理模式要求钢包中渣厚小于100mm。4.2 保证系统的密封性 钢液增氢不能忽视的一个方面就是RH真空处理中空气的泄漏量。泄漏的湿空气含有大量的水分，根据下式可知，在真空状态下分解的氢溶解于钢液中。H20=2H+O 因此，在RH处理过程中必须检查系统的密封性，不要存在任何泄漏的可能性。4.3 确保冷却水无泄漏 真空处理装置绝大部分采用水冷的方式，达到保护设备的目的。但是，水冷存在明显的缺点，就是容易泄漏。在真空处理中冷却水内漏是比较危险的，不但会增H，而且易发生爆炸事故。根据下式可知在真空状态下分解的氢溶解于钢液中。H20=2H+1/202 因此，在RH处理过程中必须确保所有冷却水系统无漏水现象。4.4 原辅材料需充分干燥 合金加入时间尽可能提前，因为合金中含有水分，容易导致钢水增氢。同时原