CN101441187B - 一种rh真空精炼顶枪喷粉测试装置及方法 - Google Patents

一种rh真空精炼顶枪喷粉测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种RH真空精炼顶枪喷粉测试装置及方法，属于冶金技术领域，该装置包括空气压缩机、分流总管、流量计、喷粉罐、罐底阀、真空室、顶枪、加油漏斗、钢包、电极、电导率仪和计算机；测试方法为：采用上述装置，模拟RH真空精炼的真空状态，将粉剂放入喷粉罐内；开启空气压缩机，液体开始循环处理，向真空室内液面加油，当液体循环流动稳定后开始喷粉，开启计算机检测电导率的变化，得出试验结论。本发明的RH真空精炼顶枪喷粉测试装置结构简单，操作方便，可以对RH真空精炼生产进行模拟测试，提供合适的工艺参数。

Description

一种RH真空精炼顶枪喷粉测试装置及方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种RH真空精炼顶枪喷粉测试装置及方法。
背景技术
随着现代尖端技术的发展，对钢材冶金质量和使用性能要求越来越严格，生产超纯铁素体不锈钢、无间隙原子深冲钢(LF钢)、高性能管线用钢等的需要，促使钢铁工业生产采用各种新的炼钢工艺和设备，减少钢中杂质含量，提高钢的洁净度可以显著地改善钢材的延展性、韧性、加工、焊接、抗腐蚀等性能。高洁净钢生产工艺与设备的发展是我国钢铁企业结构优化的重点之一，随着社会的发展对钢材的要求越来越高，即使是大量生产的常用品也因使用条件的恶化而提出了更高的要求。表1是钢中杂质元素单体控制水平发展的趋势。
表1钢中杂质元素单体控制水平发展趋势(×10-6)
Figure G2008102300024D00011
由于目前对低氮、低氧、低磷、低硫和低氢的高纯净钢种的需求量越来越大，所以二次精炼工艺必须满足名目繁多的要求。原来为钢水脱氢而发展起来的RH工艺也可以用来脱碳、脱氧、脱硫及控制成分，RH真空精炼装置的多功能化发展，使得许多高性能钢生产成本大大降低，其精炼功能的进一步发展已经成为钢铁冶金行业的研究方向，RH真空精炼装置内喷粉工艺便是其中之一。日本住友金属工业公司和歌山厂开发的RH-PTB水冷顶枪喷粉技术，为生产极低碳深冲钢和极低硫钢开辟了一条新的途径，解决了钢水深脱碳和深脱硫技术中存在的生产周期延长，温度损失大，钢水容易增氮和增碳等问题。RH-PTB(RuhrsstahlHeraeus-Powder Top Blowing)即RH顶喷粉法是在RH-KTB法(RuhrsstahlHeraeus-Kawatetsn top Blowing)即顶吹氧循环真空脱气法的基础上配备喷粉系统，通过顶枪向真空室钢水内喷吹粉剂，构成RH-PTB(或RH-KTB/PB)工艺，可实现真空喷粉脱碳和脱硫。粉剂由水冷顶枪喷入。此法优点是：
1、无喷枪堵塞问题；
2、无耐火材料消耗；
3、载气量小，因无钢水阻力。
RH-PTB水冷顶枪喷粉技术的成功开发与应用，开创了冶炼极低碳和极低硫钢新工艺，但RH-PTB是通过水冷顶枪在真空室中心位置进行喷粉精炼时，由于真空泵的抽气作用的同时将部分的粉剂一起抽出真空室，以及部分粉剂漂浮在钢液表面，导致喷入的脱碳粉剂和脱硫粉剂的利用率较低，只有延长喷粉时间来达到精炼的目的，增加了生产成本。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供一种RH真空精炼顶枪喷粉测试装置及方法。
本发明的目的在于提供一种测试装置，可以通过模拟不同的RH真空精炼装置的工艺条件，研究各个工艺参数对穿透比的影响，提供适合生产过程的最佳工艺参数。
本发明的RH真空精炼顶枪喷粉测试装置包括空气压缩机、分流总管、流量计、喷粉罐、罐底阀、真空室、顶枪、加油漏斗、钢包、电极、电导率仪和计算机。
其中真空室为底部设有上升管和下降管的真空室。
连接方式为：空气压缩机连接分流总管，分流总管通过带有流量计的管道分别连接喷粉罐顶端、喷粉罐底端、顶枪和真空室底部的上升管，喷粉罐底部出口通过设有罐底阀的管道连接到分流总管与顶枪的连接管道上，顶枪插入真空室内部，真空室顶端设有加油漏斗，加油漏斗底部插入到真空室内部；真空室底部的上升管和下降管分别插入钢包内部，电导率仪所连接的电极插入钢包内部，电导率仪的信号输出端连接计算机。
分流总管连接真空室底部上升管的方式为：在上升管内部均匀开有8～24个通气孔，通气孔按1～3层排列，分流总管通过通气孔与上升管内部连通。
顶枪根据喷粉方式设置在上升管上方、真空室中心或者下降管上方。
真空室采用透明材料制成或者底部带有透明窗口，用于观察循环流体的工作状态。
本发明的RH真空精炼顶枪喷粉测试装置模拟RH精炼顶枪喷粉工艺过程，通过调整顶枪位置考察喷粉过程中的穿透比。穿透比是反映喷粉过程中喷入粉剂的穿透性能的参数，其大小反映粉剂在喷入钢液的收得率的情况。计算公式为：
β＝M1/Mo
式中，β为喷入粉剂的穿透比，M1为进入液体的粉剂量，M0为喷吹粉剂总量。
本发明是通过模拟RH精炼顶枪喷粉工艺过程的试验，研究了各个工艺因素对体系粉剂穿透比的影响，通过对顶枪在RH真空室内上升管、下降管和中心位置上方喷吹粉剂的比较与分析，确定最佳喷粉方法。
采用本发明的RH真空精炼顶枪喷粉测试装置，通过调节顶枪与液面之间的高度(顶枪高度)、液面与真空室底部的高度(液面高度)、顶枪气量和驱动气量，在顶枪分别位于上升管一侧、下降管一侧和中心位置的条件下考察穿透比，即根据喷吹时顶枪位置分为上升管喷吹，中心喷水和下降管喷吹三种喷粉方式时粉剂穿透行为的变化。
本发明的RH真空精炼顶枪喷粉测试方法为：采用RH真空精炼顶枪喷粉测试装置，通过真空泵对真空室抽真空，模拟RH真空精炼的真空状态，真空度的大小根据真空室内液面高度的需要调节。将粉剂放入喷粉罐内；开启空气压缩机，打开分流总管，液体由上升管进入真空室开始循环处理，同时确定液面高度；粉剂在喷粉罐内成为流态化的粉剂。这时开始通过加油漏斗向真空室内液面加油，所用的油不与钢包内液体互溶，并且密度低于液体，由于密度原因，油漂浮于液体表面。当液体循环流动稳定后，打开喷粉罐下面的罐底阀开始喷粉，同时开启计算机检测程序，检测液体中电导率的变化，得到试验数据。再将数据进行处理，得出粉剂穿透比的试验结果。
采用真空室内加入真空泵油作为捕获剂的方法，捕捉上升到真空室液体表面的粉剂。另外，一部分顶枪喷出的粉剂被真空系统卷席出真空室，采用真空室加捕获剂与不加捕获剂相互对比的方法，计算出各个工艺条件下被真空抽走的粉剂量。
其中粉剂颗粒的表面包有电解质，在粉剂进入液体后迅速溶解，因此，只要是浸入等量的粉剂，液体中的电导率的变化值就一定。通过测量喷粉后钢包内液体的导电能力的变化值，就可以计算出进入到液体中的粉剂量，以及被抽真空吸走和在上升到真空室液面被捕获剂捕获的粉剂量。本发明通过连接有电极的电导率仪测量钢包内液体的导电能力，并通过连接电导率仪的电脑记录分析测量数据。
试验中空气压缩机提供实验所需要的气体，包括保证液体循环流动的驱动气体和携带喷入粉剂的载气，由一个转子流量计控制RH精炼设备的由上升管输入的驱动气体流量，三台转子流量计控制载气的流量并通过喷粉罐的作用，得到实验所需的由顶枪喷入液体的粉气流流量。
本发明根据相似理论，主要考虑几何相似和动力相似，几何相似包括钢包和RH真空精炼设备的模型与现有的某厂钢包原型和RH真空精炼设备原型尺寸相似，用普通水模拟钢水。动力相似是在几何相似的基础上，保证模型与原型的弗鲁德准数相等，就能基本保证它们的动力相似。根据这一原则，本发明的采用试验模型与原型的弗鲁德准数相似，确定试验中所需的气体流量进行工艺过程试验，通过对粉剂穿透比的检验，研究各个工艺参数对穿透比的影响，提供适合生产过程的最佳工艺参数。
当驱动气量为5～25L/min，顶枪气量为60～90L/min，顶枪高度为0～80mm时，采用本发明的RH真空精炼顶枪喷粉装置进行测试。测试结果表明，当顶枪位于下降管一侧时的穿透比普遍高于顶枪在另两个位置的穿透比；顶枪轴线位于下降管所在圆柱面的内部，最佳位置为顶枪轴线与下降管轴线重叠。
其中喷粉罐中总粉剂加入量和喷粉时间的比值可以作为粉剂流量，而本发明通过试验发现，采用顶枪气量作为参考数据，获得的数据结果比采用粉剂流量更为准确，因而采用顶枪气量作为工艺参数进行测试。
本发明的RH真空精炼顶枪喷粉装置结构简单，操作方便，通过调整RH真空精炼设备的尺寸，可以模拟多种RH真空精炼生产装置，通过调整动力装置，可以模拟多种RH真空精炼动力参数，进而可以对R真空精炼生产进行模拟测试，提供合适的工艺参数。
附图说明
图1为本发明实施例中RH真空精炼顶枪喷粉装置示意图，图中1、空气压缩机，2、分流总管，3、转子流量计，4、气压表，5、喷粉罐，6、罐底阀，7、支撑架，8、真空室，9、加油漏斗，10、顶枪，11、油层，12、钢包，13、电极，14、电导率仪，15、计算机，h、顶枪高度。
图2为本发明实施例中顶枪高度对穿透比的影响示意图，图中a、上升管喷吹，b、下降管喷吹，c、中心喷吹。
图3为本发明实施例中顶枪高度对穿透比的影响示意图，图中a、上升管喷吹，b、下降管喷吹，c、中心喷吹。
图4为本发明实施例中顶枪高度对穿透比的影响示意图，图中a、上升管喷吹，b、下降管喷吹，c、中心喷吹。
图5为本发明实施例中驱动气量对穿透比的影响示意图，图中a、上升管喷吹，b、下降管喷吹，c、中心喷吹。
图6为本发明实施例中驱动气量对穿透比的影响示意图，图中a、上升管喷吹，b、下降管喷吹，c、中心喷吹。
图7为本发明实施例中顶枪气量对穿透比的影响示意图，图中a、上升管喷吹，b、下降管喷吹，c、中心喷吹。
具体实施方式
本发明实施例中喷粉采用的粉剂为外表包裹一层电解质的瓢珠，其制备方法为：通过筛子选出粒度为0.254～0.328mm的瓢珠浸泡在饱和食盐水中，待浸泡24h后取出，先在阳光下晒干，再放入干燥炉进行烘干，烘干温度为150±10℃，时间为8～10h，充分去除水分，将制成的粉剂放入塑料袋中密封好，备以实验所用。
本发明实施例中的瓢珠为精选电厂煤粉灰，包裹的电解质为氯化钠。
本发明实施例中钢包和真空室的材质为有机玻璃。
本发明实施例中钢包和真空室的模型与某厂现有的RH真空精炼设备和钢包尺寸相似，用普通水作为模拟钢水。
本发明实施例中采用的油为普通机油。
实施例1
RH真空精炼顶枪喷粉装置如图1所示，空气压缩机1连接分流总管2，分流总管2通过带有转子流量计3的管道分别连接喷粉罐5顶端、喷粉罐5底端、顶枪10和真空室8底部的上升管，喷粉罐5底部出口通过设有罐底阀6的管道连接到分流总管2与顶枪10的连接管道上，顶枪10插入真空室8内部，真空室8连接真空泵，真空室8底部的上升管和下降管分别插入钢包12内部的模拟钢水中，电导率仪14所连接的电极13插入钢包12内部的模拟钢水中，电导率仪14的信号输出端连接计算机15。
分流总管2连接真空室底部上升管的方式为：在上升管内部均匀开有24个通气孔，通气孔按3层排列，每层8个通气孔，分流总管2通过通气孔与上升管内部连通。
采用RH真空精炼顶枪喷粉装置，开启真空泵，真空度的大小根据真空室内液面高度的需要调节。然后称量粉剂，将其放入喷粉罐5内。开启空气压缩机1，打开分流总管2，液体(模拟钢水)由上升管进入真空室8开始循环处理，同时液面高度控制在60mm。粉剂在喷粉罐5内成为流态化的粉剂，这时开始通过加油漏斗9向真空室8内液面加油，油漂浮于液体表面。当液体循环流动稳定后，打开喷粉罐5下面的罐底阀6开始喷粉，同时开启计算机检测程序，检测钢包内液体的电导率的变化，得到试验数据；再将数据进行处理，得出粉剂穿透比的试验结果。
钢包内液体的导电能力的变化值是采用检测示踪剂的方法进行研究，粉剂喷入钢包内液体后，由于表面的电解质溶入水中，导致水溶液的导电能力发生变化，这种变化的大小由钢包内固定位置的电极测得，经电导率仪输出，再经功率放大器放大，输入到计算机中记录下来生成数据文件，通过对数据文件的处理，得出试验结果。
将顶枪布置在在RH真空室内上升管、下降管和中心位置上方进行喷吹粉剂，再将试验数据进行比较，得出结果。其中当顶枪位于下降管一侧时，顶枪的中心线与下降管的中心线位于同一直线上；当顶枪位于上升管一侧时，顶枪的中心线与上升管的中心线位于同一直线上；当顶枪位于中心位置时，顶枪的中心线位于上升管和下降管之间。
采用以上装置，设驱动气量为5L/min，顶枪气量为70L/min，液面高度60mm，通过调整顶枪高度在0mm、40mm、80mm处，测定穿透比，结果如图2所示。结果显示当顶枪位于下降管位置进行下降管喷吹时，穿透比最好。
实施例2
采用的RH真空精炼顶枪喷粉装置同实施例1。
采用RH真空精炼顶枪喷粉装置，试验方法同实施例1。
将顶枪布置在在RH真空室内上升管、下降管和中心位置上方进行喷吹粉剂，再将试验数据进行比较，得出结果。
设驱动气量为10L/min，顶枪气量为70L/min，液面高度60mm，通过调整顶枪高度在0mm、40mm、80mm处，测定穿透比，结果如图3所示。结果显示当顶枪位于下降管位置进行下降管喷吹时，穿透比最好。
实施例3
采用的RH真空精炼顶枪喷粉装置同实施例1。
采用RH真空精炼顶枪喷粉装置，试验方法同实施例1。
将顶枪布置在在RH真空室内上升管、下降管和中心位置上方进行喷吹粉剂，再将试验数据进行比较，得出结果。
设驱动气量为15L/min，顶枪气量为70L/min，液面高度60mm，通过调整顶枪高度在0mm、40mm、80mm处，测定穿透比，结果如图4所示。结果显示当顶枪位于下降管位置进行下降管喷吹时，穿透比最好。
实施例4
采用的RH真空精炼顶枪喷粉装置同实施例1。
采用RH真空精炼顶枪喷粉装置，试验方法同实施例1。
将顶枪布置在在RH真空室内上升管、下降管和中心位置上方进行喷吹粉剂，再将试验数据进行比较，得出结果。
设顶枪高度为0mm，顶枪气量为70L/min，液面高度60mm，通过调整驱动气量在5L/min、10L/min、15L/min、25L/min时，测定穿透比，结果如图5所示。结果显示当顶枪位于下降管位置进行下降管喷吹时，穿透比最好。
实施例5
采用的RH真空精炼顶枪喷粉装置同实施例1。
采用RH真空精炼顶枪喷粉装置，试验方法同实施例1。
将顶枪布置在在RH真空室内上升管、下降管和中心位置上方进行喷吹粉剂，再将试验数据进行比较，得出结果。
设顶枪高度为40mm，顶枪气量为70L/min，液面高度60mm，通过调整驱动气量在5L/min、10L/min、15L/min、25L/min时，测定穿透比，结果如图6所示。结果显示当顶枪位于下降管位置进行下降管喷吹时，穿透比最好。
实施例6
采用的RH真空精炼顶枪喷粉装置同实施例1。
采用RH真空精炼顶枪喷粉装置，试验方法同实施例1。
将顶枪布置在在RH真空室内上升管、下降管和中心位置上方进行喷吹粉剂，再将试验数据进行比较，得出结果。
设驱动气量为15L/min，顶枪高度为40mm，液面高度60mm，通过顶枪气量在60L/min、70L/min、75L/min、80L/min、90L/min时，测定穿透比，结果如图7所示。结果显示当顶枪位于下降管位置进行下降管喷吹时，穿透比最好。

Claims (5)

1.一种RH真空精炼顶枪喷粉测试装置，其特征在于该装置包括空气压缩机、分流总管、流量计、喷粉罐、罐底阀、真空室、顶枪、加油漏斗、钢包、电极、电导率仪和计算机，并且真空室的底部设有上升管和下降管；其中空气压缩机连接分流总管，分流总管通过带有流量计的管道分别连接喷粉罐顶端、喷粉罐底端、顶枪和真空室底部的上升管，喷粉罐底部出口通过设有罐底阀的管道连接到分流总管与顶枪的连接管道上，顶枪插入真空室内部，真空室顶端设有加油漏斗，加油漏斗底部插入到真空室内部；真空室底部的上升管和下降管分别插入钢包内部，电导率仪所连接的电极插入钢包内部，电导率仪的信号输出端连接计算机。
2.根据权利要求1所述的一种RH真空精炼顶枪喷粉测试装置，其特征在于所述的真空室采用透明材料制成或者底部带有透明窗口。
3.根据权利要求1所述的一种RH真空精炼顶枪喷粉测试装置，其特征在于所述的分流总管连接真空室底部上升管的方式为：在上升管内部均匀开有8～24个通气孔，通气孔按1～3层排列，分流总管通过通气孔与上升管内部连通。
4.一种RH真空精炼顶枪喷粉测试方法，其特征在于：采用权利要求1所述的RH真空精炼顶枪喷粉测试装置进行测试，用普通水作为模拟钢水，包括以下步骤：(1)通过真空泵对真空室抽真空，模拟RH真空精炼的真空状态，真空度的大小根据真空室内液面高度的需要调节；(2)将粉剂放入喷粉罐内；开启空气压缩机，打开分流总管，液体由上升管进入真空室开始循环处理，粉剂在喷粉罐内成为流态化的粉剂，同时确定液面高度；(3)通过加油漏斗向真空室内液面加油，当液体循环流动稳定后，打开喷粉罐下面的罐底阀开始喷粉；(4)开启计算机检测液体中电导率的变化，得到试验数据；再将数据进行处理，得出粉剂穿透比的试验结果。
5.根据权利要求4所述的一种RH真空精炼顶枪喷粉测试方法，其特征在于粉剂颗粒的表面包有电解质，在粉剂进入液体后迅速溶解，因此，只要是浸入等量的粉剂，钢包内液体中的电导率变化值就一定，通过测量喷粉后钢包内液体的导电能力的变化值，计算出进入到液体中的粉剂量，以及被抽真空吸走和在上升到真空室液面被捕获剂捕获的粉剂量。
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杜成武等.RH-PTB真空精炼装置内粉剂混合特性的水模型研究.《特殊钢》.2005,第26卷(第5期),16-18. *
魏季和等.钢液RH-PTB精炼过程中的传质特性.《中国稀土学报》.2000,第18卷186-189. *

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