CN104988285A - 一种单管式多功能真空精炼系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冶金领域，尤其涉及一种单管式多功能真空精炼系统及其方法，针对关于使用DH、VD、RH、单嘴精炼炉炼钢精炼效率低、冶炼过程有整炉钢报废风险的问题，在冶金动力学理论计算的基础上，本发明提出了一种单管式多功能真空精炼系统及其方法。在单浸渍管的一周同时设置吹氩装置，通过调节和控制吹氩的气泡大小、量和吹氩时间，提高精炼效率，增加浸渍管寿命，消除底部或仅在一侧吹氩时，由于吹氩装置的故障或效率低而使一包钢水有潜在报废的风险。

Description

一种单管式多功能真空精炼系统及其方法

技术领域

本发明涉及冶金领域，尤其涉及一种单管式多功能真空精炼系统及其方法。

背景技术

公知的钢的真空精炼装置主要有RH、DH、VD、VOD、单嘴精炼炉等，目前优质钢精炼阶段基本上都要经过这些装置。在一定的工艺条件下，根据不同钢种的需求完成脱除钢液有害元素，如碳、氧、氢、硫、氮及其夹杂物。就冶炼装置对工艺的适应性而言，VD、VOD的不足是前道工序带过来的渣，部分或全部阻止了真空与钢液的接触面积而降低了真空冶炼的效率；如果要对钢液在真空下进行脱硫时，对这些渣的改性处理需要加入更多的渣，更加减少了钢液与真空接触的表面。

RH精炼炉被认为是目前最有效的优质钢真空精炼装置。但RH的不足主要有如下方面：1)脱硫效率低，一般只有20％-40％；2)由于钢液在装置中的高速流动，在钢液与真空的表面产生液柱并喷溅，部分钢液粘在真空室的壁上，清理困难；3)由于钢液的高速流动使浸渍管耐火材料的消耗加剧，浸渍管的寿命很短，影响RH装置的运行效率，增加精炼的运行成本；4)由于人为地把钢液的上行和下行用两个浸渍管分开，在一定的环流量的情况下，用“气泡泵”带动钢液循环时，相对细小的上、下流通道对钢液的阻力，必须加大“气泡泵”所用的氩气的流量，使冶炼成本增加，也加速了管道耐材的消耗。

针对以上问题，受DH和RH的启发，近些年来不断有公开的专利对其进行改进，将DH的单管和RH的上下流双管的方法结合的“单嘴精炼炉”，通过在钢包底部吹氩，在一个浸渍管中同时实现了钢液的循环流动。其特点是增大了循环流量，也增加了氩气路程，使浸渍管中钢液循环时流动速率降低，钢液过流面积加大；由于氩气上升路径加长，氩气在钢液中较长的流动时间换取较大的氩气消耗。其效果是增加了浸渍管的使用寿命，使真空室少结冷钢，氩气吹入量也大大降低了。由于降低了钢液的高速流动而基本消除了在真空室产生的液柱，也使厂房高度降低，使投资降低，带来了一系列好处。但单嘴精炼炉的不足：1)仅由钢包底部透气砖吹氩，受钢液流场必须处于最优化状态的限制，吹氩位置要求严格，这在企业有时难以满足；2)吹氩位置只能在一个位置，而这个位置确定后，其吹氩量又不能太大，因此影响了冶炼效率；3)仅一个位置吹氩，在实际冶炼过程有很大风险，若该位置发生堵塞，整炉钢就有报废的风险。

后来提出了单浸渍管的一侧设置吹氩装置的方法，试图在单浸渍管的一侧安装吹气孔来弥补钢包底部透气砖发生堵塞时的问题，但一侧吹气后，由于相对底部吹气，气体的路程缩短，降低了精炼效率，在多数情况下不能完成真空精炼的要求，依然有整炉钢报废的风险。

出于上述原因，开发一种更为高效、安全运行、能全面解决真空精炼问题的装置是必要的。

发明内容

针对关于使用DH、VD、RH、单嘴精炼炉炼钢精炼效率低、冶炼过程有整炉钢报废风险的问题。在冶金动力学理论计算的基础上，本发明提出了一种单管式多功能真空精炼系统及其方法。在单浸渍管的一周同时设置吹氩装置，通过调节和控制吹氩的气泡大小、量和吹氩时间，提高精炼效率，增加浸渍管寿命，消除底部或仅在一侧吹氩时，装置的故障或效率低而使一包钢水有潜在报废的风险。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种单管式多功能真空精炼系统，所述单管式多功能真空精炼系统包括精炼单元和钢包单元，所述精炼单元包括真空室、浸渍管,所述钢包单元为钢包装置，所述真空室下部和浸渍管连接，所述钢包装置内装有钢液，所述浸渍管置于所述钢液中,所述浸渍管周围安装有侧壁吹氩管，所述侧壁吹氩管为层状结构，每层有出气口，所述出气口均匀分布在所述浸渍管内侧一周。

优先地，所述侧壁吹氩管内径为Φ2-20mm，所述侧壁氩气管的层状结构包括1-50层，每层2-200个吹气口，所述侧壁氩气管层与层之间的距离为10-1000mm。

优先地，所述侧壁氩气管每层设置有控制阀门，控制所述出气口的气体流量调节范围在0.1-1000Nl/min·t。

优先地，所述真空室上部连接一个抽真空系统，所述浸渍管的底侧端部与浸渍管外部钢液的液面距离为200-700mm。

优先地，所述真空室下部槽的内径R₂为所述浸渍管的内径R₁的1-2倍。

优先地，所述一种单管式多功能真空精炼系统用于脱碳、脱氧、脱氮、脱氢的一种或者多种。

一种单管式多功能真空精炼方法，利用上述步骤1-6之一所述的一种单管式多功能真空精炼系统，其特征在于，所述单管式多功能真空精炼方法用于脱碳，包括以下步骤：

步骤1)将所述浸渍管置入到所述钢液中；

步骤2)进行抽真空，所述浸渍管的单管内钢液上方压力在1-50000Pa之间，所述钢液上升到所述浸渍管内部0.5～1.47m的高度，停止抽真空；

步骤3)抽真的同时，启动侧壁吹氩管吹氩气，通过调节所述控制阀门调节吹氩速率L；

步骤4)进行精炼过程中涉及气泡脱碳与表面更新脱碳，通过调节上述步骤3)中的L控制气泡脱碳与表面更新脱碳；

步骤5)满足精炼脱碳的标准，停止工作。

优先地，所述真空精炼方法进行钢液脱碳过程中涉及气泡脱碳与表面更新脱碳，总的脱碳速率为：

其中为表面更新脱碳速率，为气泡脱碳速率。

优先地，所述气泡脱碳的速率为：

所述表面更新脱碳的速率为：

其中

所述是和溶解在钢液中的碳、氧反应动力学速率常数k及钢液温度T皆成正比，与氩气泡的上升路径h、真空度p_g相关的参数；

所述与真空度p_g的1/2次方成反比，与吹氩孔的半径r_i及氩气路径h的乘积r_ih的1/2次方成正比；

所述与真空度p_g成正比，与吹氩孔的半径r_i及氩气路径h乘积r_ih成反比；

所述为单位质量的钢液的吹氩速率，m³/s□Kg；

所述与钢液的质量W成反比，与吹氩孔的半径r_i及氩气路径h的乘积r_ih的1/2次方成反比，与温度、钢液表面积及吹氩速率的乘积TAL的1/2次方成正比；

所述T为温度，单位为K；

所述D为碳在钢液中的扩散系数，单位m2/s；

所述W为精炼钢液的质量，单位Kg；

所述L为吹氩速率，单位m³/s；

所述H为侧壁吹氩管的吹气口与真空接触的钢液表面的距离，单位m；

所述A为真空与钢液之间的面积，单位m²；

所述r_i为吹氩孔的半径，单位m；

所述p_g为真空系统中的真空度，单位Pa；

所述为钢液中碳氧反应在温度T时的平衡常数；

所述w[O]_％,s为气泡表面氧的浓度；

所述w[C]_％,0、w[O]_％,0分别为钢液中的初始碳浓度、氧浓度；

所述k为碳氧反应动力学的速率常数。

优先地，所述一种单管式多功能真空精炼方法同时实现脱除钢液中氧、氢、氮，与脱碳方法一样。

附图说明

图1为发明是涉及的一种单管式多功能真空精炼系统的原理示意图；

图2为发明涉及的一种单管式多动能真空精炼系统的单浸渍管吹气系统管路布置图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

本发明涉及一种单管式多动能真空精炼系统及其方法，如图1所示，所述单管式多功能精炼系统包括精炼单元和钢包单元；所述精炼单元包括真空室1、浸渍管2，所述真空室1上部连接一抽真空系统，所述真空系统为现有技术中可以对所述真空室1进行抽真空的一系列设备，所述真空室1下部槽连接浸渍管2，所述钢包单元为钢包装置4，所述浸渍管2插入所述钢包装置3上部；所述浸渍管2周围安装有侧壁吹氩管3，所述钢包装置4盛有待精炼的钢液5。所述侧壁吹氩管3内径为Φ2-20mm，所述侧壁氩气管3分为1-50层，每层2-200个吹气口分布在所述浸渍管一周，每层侧壁氩气管设置有流量控制阀门，出气口的气体流量调节范围为0.1-1000Nl/min·t，所述侧壁氩气管层与层之间的距离为10-1000mm。所述真空室1下部槽的内径R₂为所述浸渍管2的内径R₁的1-2倍。

精炼开始时，先将所述浸渍管插入所述钢包的钢液中，所述浸渍管插入钢液的深度为200-700mm。所述真空泵开始抽真空，由于真空的作用，所述钢液上升到所述浸渍管内0.5～1.47m的高度。布置在所述浸渍管周围的侧壁吹氩管启动吹氩气，吹入的氩气为氩气与氧气的混合气体，所述氩气与氧气的摩尔比为0:1～1:0。启动吹氩气后，在所述浸渍管内侧壁产生大量的气泡群，气泡高速脱碳或脱气，由于所述浸渍管内侧壁区域钢液含有大量气泡，其密度远低于一般钢液，在钢液中形成由所述浸渍管内侧壁区域下部到真空室上升、经过真空室、再从中心流回所述钢包下部区域的流场，这个流场可以通过调节布置在所述浸渍管周边侧壁吹氩管的流量大小而改变。也就是说，通过调节所述浸渍管周围侧壁吹氩管各个位置吹氩流量的大小，使钢液形成的流场满足环流量和混匀时间都达到最佳。所述侧壁吹氩管在所述浸渍管的吹气管道分布如图2所示。

在氩气泡的驱动下，钢液由所述浸渍管的四周的气泡带动下上升，经过与真空接触的表面后，从浸渍管中心部位流回所述钢包，这样钢液从所述浸渍管周边上升，从所述浸渍管中心流入，钢液流动均匀对称、不断循环，达到钢液真空精炼的作用。

就钢液精炼过程的脱碳而言，依据冶金反应动力学原理，以上所述的钢液在氩气泡的作用下循环流动，达到对钢液精炼的目的，是从两个方面综合作用的结果，但这种影响随着吹氩位置的变化，其程度是不一样的。

通过冶金反应动力学的计算，可以确定吹氩形成的气泡脱碳和真空表面更新产生的脱碳的速率。

在所述浸渍管周围吹氩形成的大量的氩气泡，在上浮过程中由于气泡内部CO分压远离平衡，在气泡表面发生碳、氧反应生成CO而产生脱碳，其脱碳速率表达为

而氩气泡带动钢液不断上浮到与真空接触的表面，在这个表面上碳氧积远离平衡而产生的脱碳反应，是随着表面的快速更新，脱碳也快速进行。表面更新产生的脱碳速率为

大量气泡上浮过程的脱碳与表面更新时脱碳两部分产生的总脱碳速率为式(1)与(2)的加和，即真空精炼过程总脱碳速率为

其中

所述是和溶解在钢液中的碳、氧反应动力学速率常数k及钢液温度T皆成正比，与氩气泡的上升路径h、真空度p_g相关的参数；

所述与真空度p_g的1/2次方成反比，与吹氩孔的半径及氩气路径乘积r_ih的1/2次方成正比；

所述与真空度p_g成正比，与吹氩孔的半径及氩气路径长度乘积r_ih成反比；

所述为单位质量的钢液的吹氩速率，m³/s□Kg；

所述与钢液的质量成反比，与吹氩孔的半径及氩气路径乘积r_ih的1/2次方成反比，与温度、钢液表面积及吹氩速率的乘积TAL的1/2次方成正比。

以上各参数分别表示的意义为：

T为温度，单位为K；

D为碳在钢液中的扩散系数，单位m/s；

W为精炼钢液的质量，单位Kg；

L为吹氩速率，单位m³/s；

H为侧壁吹氩管的吹气口与真空接触的钢液表面的距离，单位m；

A为真空与钢液之间的面积，单位m²；

r_i为吹氩孔的半径，单位m；

p_g为真空系统中的真空度，单位Pa；

为碳氧反应在温度T时的平衡常数；

w[O]_％,s为泡表面氧的浓度；

w[C]_％,0、w[O]_％,0分别为钢液中的初始碳溶度、氧浓度；

k为碳氧反应的速率常数。

通过确定吹氩形成的气泡脱碳和真空表面更新产生的脱碳的速率，对上述式(1)与(2)进行分析，本发明所涉及的一种单管式多功能真空精炼方法进行精炼过程中，当吹氩位置离真空表面近时，脱碳是以表面更新脱碳为主，而吹氩位置离真空表面远时，脱碳是以气泡脱碳为主；但在吹氩位置离真空表面的距离近时，可以通过增加气泡的数量来增强表面更新速率，从而增加脱碳的速率。总脱碳量是由气泡脱碳和表面更新脱碳两部分的加和组成。在总吹氩量一定时，通过调节气泡的大小和气泡在钢液的运行距离，可以改变由表面更新脱碳和气泡脱碳这两部分产生的脱碳比例。

同样本发明所涉及的一种单管式多功能真空精炼系统及其方法可以同时实现脱除钢液中[O]、[H]、[N]。其原理为

$\[O\]=\frac{1}{2}{O}_2$

$\[H\]=\frac{1}{2}{H}_2$

$\[N\]=\frac{1}{2}{N}_2$

如此原理及其动力学公式推导与上述进行脱碳理论一样，不再赘述。

为了进一步解释本发明，列出了三个实施案例。

实施例一

80吨单管多功能精炼炉脱碳为例。

1)相关参数如下：

(1)钢液总质量80吨，即W＝80000Kg；

(2)单浸渍管内径1米，外径1.68米。分别在浸渍管下端200mm、260mm、320mm位置设置三层吹氩管，每层24个，孔的直径为Φ0.002m，层与层之间吹氩管错位布置；

(3)钢包上口直径2.595米，底部直径2.275米，高3.2米；

(4)单浸渍管浸入钢液深度0.4米，当真空度为67Pa时，浸渍管内钢液高度1.46米；

(5)外部大气下钢液深度2.435米，钢液总深度3.835米；

2)使用本单管多功能真空精炼炉对IF钢实施的脱碳工艺：

从转炉冶炼过来的钢水，到站初始碳含量为0.04％，初始氧含量为0.06％。

首先，将浸渍管插入钢液，随着抽真空的进行，真空室的液面升高，钢包浸渍管外液面降低，保持浸渍管插入钢液深度为0.4m，同时吹氩流量为50N/min；3分钟后，真空室内真空度降到2000Pa时，增加吹氩到300N/min。

10分钟后，碳含量降低到0.015％，真空度降低到67Pa，增加吹氩流量到400N/min，强制脱碳，维持10分钟左右，取样分析碳含量、定氧。脱碳时间22分钟，终点碳含量0.0017。脱碳时平均温度1873K。

实施例二

80吨单管多功能精炼炉脱硫为例。

1)相关参数同实施案例一。

2)使用本单管多功能真空精炼炉对IF钢实施的脱硫工艺：

从转炉冶炼过来的钢水，测温取样。到站初始碳含量为0.04％，初始氧含量为0.06％，初始硫含量为0.0078％，钢包液面渣厚90mm。

首先，将浸渍管插入钢液，随着抽真空的进行，真空室的液面升高，钢包液面降低，保持浸渍管插入钢液深度为0.4m，同时吹氩流量为100N/min；3分钟后，真空室内真空度降到2000Pa时，增加吹氩到300N/min。

10分钟后，碳含量降低到0.015％，真空度降低到67Pa，增加吹氩流量到400N/min，强制脱碳，维持10分钟左右，取样分析碳含量、定氧。脱碳时间20分钟，终点碳含量0.0035％。脱碳时平均温度1883K。

从真空料仓加入300Kg脱硫剂(80％活性石灰+20％萤石)，吹氩流量300N/min,维持8分钟，停止吹氩，测温取样，破真空，冶炼结束。

实施例三

80吨单管多功能精炼炉脱氢为例。

1)相关参数同实施案例一。

2)使用本单管多功能真空精炼炉对GCr15钢实施的脱氢工艺：

从转炉冶炼过来的钢水，测温取样。到站初始氢含量为0.00035％，钢包液面渣厚80mm。

在浸渍管插入钢液前，利用钢包底部透气砖吹氩，吹氩流量设置为200N/min，使钢液中心部分裸露，渣流向靠近钢包外围；插入浸渍管，开始抽真空，此时停止钢包底部透气砖吹氩，启动浸渍管周围吹氩装置，吹氩流量为50N/min，随着抽真空的进行，真空室的液面升高，钢包液面降低，保持浸渍管插入钢液深度为0.4m，逐渐增加吹氩流量，直到5分钟时，真空室内真空度降到67Pa时，增加吹氩到300N/min。

第20分钟，维持真空度67Pa及吹氩流量300N/min，测温、取样、定氢，此时氢含量为0.00012％，停止吹氩，破真空，冶炼结束。

Claims (10)

1.一种单管式多功能真空精炼系统，所述单管式多功能真空精炼系统包括精炼单元和钢包单元，所述精炼单元包括真空室、浸渍管,所述钢包单元为钢包装置，其特征在于，所述真空室下部和浸渍管连接，所述钢包装置内装有钢液，所述浸渍管置于所述钢液中,所述浸渍管周围安装有侧壁吹氩管，所述侧壁吹氩管为层状结构，每层有出气口，所述出气口均匀分布在所述浸渍管内侧一周。

2.根据权利要求1所述的一种单管式多功能真空精炼系统，其特征在于，所述侧壁吹氩管内径为Φ2-20mm，所述侧壁氩气管的层状结构包括1-50层，每层2-200个吹气口，所述侧壁氩气管层与层之间的距离为10-1000mm。

3.根据权利要求2所述的一种单管式多功能真空精炼系统，其特征在于，所述侧壁氩气管每层设置有控制阀门，控制所述出气口的气体流量调节范围在0.1-1000Nl/min·t。

4.根据权利要求3所述的一种单管式多功能真空精炼系统，其特征在于，所述浸渍管的底侧端部与浸渍管外部钢液的液面的距离为200-700mm。

5.根据权利要求4所述的一种单管式多功能真空精炼系统，其特征在于，所述真空室上部连接一个抽真空系统，所述真空室下部槽的内径R₂为所述浸渍管的内径R₁的1-2倍。

6.根据权利要求5所述的一种单管式多功能真空精炼系统，其特征在于，所述一种单管式多功能真空精炼系统用于脱碳、脱氧、脱氮、脱氢的一种或者多种。

7.一种单管式多功能真空精炼方法，利用上述步骤1-6之一所述的一种单管式多功能真空精炼系统，其特征在于，所述单管式多功能真空精炼方法用于脱碳，包括以下步骤：

步骤1)将所述浸渍管插入到所述钢液中；

步骤2)进行抽真空，所述浸渍管的单管内钢液上方压力在1-50000Pa之间，所述钢液上升到所述浸渍管内部0.5～1.47m的高度，停止抽真空；

步骤3)抽真空的同时，启动侧壁吹氩管吹氩气，通过调节所述控制阀门调节吹氩速率L；

步骤4)进行精炼过程中涉及气泡脱碳与表面更新脱碳，通过调节上述步骤3)L控制气泡脱碳与表面更新脱碳；

步骤5)满足精炼脱碳的标准，停止工作。

8.根据权利要求7所述的一种单管式多功能真空精炼方法，其特征在于，所述真空精炼方法进行钢液脱碳过程中涉及气泡脱碳与表面更新脱碳，总的脱碳速率为：

其中为表面更新脱碳速率，为气泡脱碳速率。

9.根据权利要求8所述的一种单管式多功能真空精炼方法，其特征在于，所述气泡脱碳的速率为：

所述表面更新脱碳的速率为：

其中

所述是和溶解在钢液中的碳、氧反应动力学速率常数k及钢液温度T皆成正比，与氩气泡的上升路径h、真空度p_g相关的参数；

所述与真空度p_g的1/2次方成反比，与吹氩孔的半径r_i及氩气路径h的乘积r_ih的1/2次方成正比；

所述与真空度p_g成正比，与吹氩孔的半径r_i及氩气路径h乘积r_ih成反比；

所述为单位质量的钢液的吹氩速率，m³/s□Kg；

所述与钢液的质量W成反比，与吹氩孔的半径r_i及氩气路径h的乘积r_ih的1/2次方成反比，与温度、钢液表面积及吹氩速率的乘积TAL的1/2次方成正比；

所述T为温度，单位为K；

所述D为碳在钢液中的扩散系数，单位m2/s；

所述W为精炼钢液的质量，单位Kg；

所述L为吹氩速率，单位m³/s；

所述H为侧壁吹氩管的出气口与真空接触的钢液表面的距离，单位m；

所述A为真空与钢液之间的面积，单位m²；

所述r_i为吹氩孔的半径，单位m；

所述p_g为真空系统中的真空度，单位Pa；

所述为钢液中碳氧反应在温度T时的平衡常数；

所述w[O]_％,s为气泡表面氧的浓度；

所述w[C]_％,0、w[O]_％,0分别为钢液中的初始碳浓度、氧浓度；

所述k为碳氧反应动力学的速率常数。

10.根据权利要求9所述的一种单管式多功能真空精炼方法，其特征在于，所述一种单管式多功能真空精炼方法同时实现脱除钢液中氧、氢、氮，与脱碳方法一样。