CN111394543A - 一种基于等离子体喷射的rh高效深脱碳控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于炼钢技术领域，特别涉及一种基于等离子体喷射的RH高效深脱碳控制方法，适用于30‑300t RH钢包精炼过程。在RH精炼过程中，采用O₂、Ar等离子体作用于钢液，匹配传统提升气及真空操作制度；控制系统结合RH进站钢液成分数据和精炼过程监测系统，利用顶吹气体控制阀组、等离子体喷枪以及真空室轴向电极对气体等离子弧进行调整，在快速脱碳的同时，保证钢液迅速升温、避免钢液过氧化、提高氧气利用率，减少脱氧合金消耗、加快精炼节奏，改善钢液质量。使得O₂利用率提高10～20％，脱氧合金消耗量减少3～10％，RH精炼周期缩短3～10min，钢中夹杂物大幅降低，提高了钢液质量。

Description

一种基于等离子体喷射的RH高效深脱碳控制方法

技术领域

本发明涉及炼钢工艺技术领域，尤其涉及一种基于等离子体喷射的RH高效深脱碳控制方法。

背景技术

通过等离子体发生器，气体可被加热到极高的温度，在此温度下，气体被电力，转变成等离子体。气体等离子体携带能量极高，而等离子体发生器能量损耗很小，氧化、还原性气体均可高效加热，且不改变气体成分。目前，等离子体技术已成熟应用于诸多领域，在冶金领域一般利用低温等离子体技术即可。

RH真空脱气法从50年代的脱氢处理发展成为具有脱氢、脱氧、脱碳、脱硫、脱磷等多项冶金功能的精炼方法。目前，RH已经成为世界范围内应用最广泛的炉外精炼设备。它在改善钢水质量、降低成本等方面取得显著效果，适合大量生产超纯净钢。传统RH精炼以O₂、Ar分别为顶吹与提升气体，用以超低碳钢生产的脱碳及驱动循环，完成钢液精炼任务。然而此方法会引发一系列问题：1)由于RH为连铸前最后一道工序，因此顶吹O₂脱碳极易造成钢液过氧化，污染钢液，进而增加脱氧合金消耗量，夹杂物数量急剧增加，影响钢质量；2)同时由于真空作用，O₂利用率较低，为保证脱碳效果，大流量喷吹O₂，造成浪费；3)传统RH精炼均采用人工测温、取样分析等操作，该方法增加处理时间，影响RH生产节奏及产量。

专利申请号201010108175.6公开了一种RH喷吹CO₂生产极低碳钢的精炼工艺，利用RH顶吹氧枪向熔池喷吹O₂或CO₂，减弱钢液过氧化情况。该方法虽然在某种程度上减轻钢液过氧化现象，但也可能会造成钢液脱碳不彻底，成分不达标；此外，该公开方法并未明确RH精炼过程中具体使用方法及配套操作工艺。

专利号ZL201910237815.4公开了一种RH喷吹CO₂精炼超低碳钢的动态控制方法，采用顶吹O₂+CO₂、提升气喷吹Ar+CO₂精炼超低碳钢。该方法通过钢液成分监测的精准控制避免了钢液过氧化，然后在抽真空作用下，其O₂与CO₂有效利用率较低，可能造成氧化性气体的部分浪费。

因此，RH精炼如何快速精准脱碳，提高氧化性气体的利用率，减少脱氧合金消耗、深度净化钢液已成为钢铁行业亟待解决的难题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于等离子体喷射的RH高效深脱碳控制方法，结合等离子体技术及RH精炼的优势，解决了现有RH精炼过程O₂利用率低、钢液易过氧化、脱氧合金消耗大等技术难题。在RH精炼过程中，采用O₂、Ar等离子体作用于钢液，改变了氧原子反应活性，匹配传统提升气及真空操作制度；控制系统结合RH进站钢液成分数据和精炼过程监测系统，利用顶吹气体控制阀组、等离子体喷枪以及真空室轴向电极对气体等离子弧进行调整，在快速脱碳的同时，保证钢液迅速升温、避免钢液过氧化、提高氧气利用率，减少脱氧合金消耗、加快精炼节奏，改善钢液质量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于等离子体喷射的RH高效深脱碳控制方法，其特征在于：将RH真空精炼过程划分为高效脱碳期、目标碳命中期以及钢液脱氧净化3个阶段；在高效脱碳期，测定钢液初始碳含量[％C]₀，控制系统基于RH进站钢液成分设定顶吹O₂流量Q₁，通过顶吹气体等离子喷枪向真空室钢液面喷射O₂等离子体，同时开启真空室轴向电极，利用弯曲旋转的O₂等离子弧进行强制脱碳至80×10^-6；目标碳命中期，精炼过程中利用监测系统获取钢液成分及温度信息，通过调整等离子枪O₂输入流量为Q₂进而精准命中钢液目标碳含量[％C]_f,并通过监测系统测定此时钢液氧含量[％O]_h；在钢液脱氧净化期，控制系统基于脱碳终点氧、目标氧含量[％O]_f确定脱氧合金加入量m_Al，同时将顶吹O₂迅速切换顶吹Ar等离子体并设定流量Q₃、关闭真空室轴向电极、调整等离子喷枪角度对准RH下降管中心，进而进行Ar等离子体喷射，最终完成精炼任务。

进一步地，根据初始碳含量[％C]₀及高效脱碳期目标碳含量对顶吹O₂流量进行计算，考虑到该阶段脱碳时间t₁及O₂利用率μ₁，Q₁计算方法为

同理，在目标碳命中期，顶吹O₂流量Q₂的计算方法为

脱氧合金加入量m_x计算方法为

式中M、η分别为钢液质量和合金收得率。

进一步地，本发明的技术方案具体包括以下步骤：

步骤1：RH钢包进站，对钢液成分及温度进行测定并将钢液条件数据信息上传至控制系统；

步骤2：高效脱碳期：控制系统基于钢液初始碳含量[％C]₀、高效脱碳时间t₁、O₂利用率μ₁等数据信息计算并利用顶吹气体控制阀组在线调控顶吹O₂流量为Q₁，通过顶吹气体等离子喷枪向真空室钢液面喷射O₂等离子体，同时开启真空室轴向电极，利用弯曲旋转的O₂等离子弧进行强制脱碳至碳含量为80×10^-6；

步骤3：目标碳命中期，精炼过程中利用监测系统获取钢液碳含量信息，当碳含量达到80×10^-6，则控制系统即时调整等离子枪O₂输入流量为Q₂进而精准命中钢液目标碳含量[％C]_f；并通过监测系统测定钢液氧含量[％O]_h：

步骤4：钢液脱氧净化期：精准命中钢液碳含量后，控制系统基于脱碳终点氧、目标氧含量[％O]_f确定脱氧合金加入量m_Al，同时将顶吹O₂迅速切换顶吹Ar等离子体并设定流量Q₃、关闭真空室轴向电极、调整等离子喷枪角度对准RH下降管，进而进行Ar等离子体喷射，最终完成精炼任务。

进一步地，当钢液[％C]≥400×10^-6时，O₂等离子体平均利用率为90％；当钢液80×10^-6≤[％C]＜400×10^-6时，O₂等离子体平均利用率为85％；当钢液80×10^-6≤[％C]＜400×10^-6时，O₂等离子体平均利用率为80％。

进一步地，顶吹Ar等离子体喷枪末端Ar输入流量控制为0.4～0.6Nm³/h·t。

进一步地，顶吹等离子体喷枪采用低温等离子体，可通过电位调整将等离子体温度控制在3000～4000K。

进一步地，RH精炼过程提升气流量应与顶吹等离子体匹配，设置为0.4～1.0Nm³/h·t。

本发明利用低温等离子体的RH精炼超低碳钢方法包括了实施该方法的使用设备，使用设备包括控制系统、顶吹气体控制阀组、顶吹气体等离子喷枪、真空室轴向电极、加料系统、钢液成分及温度监测系统及RH精炼炉本体。

本发明适用于30-300t RH钢包精炼超低碳钢过程。通过本发明可强化RH精炼过程脱碳、升温效果，提高O₂利用率，提升钢液洁净度，改善钢液质量，缩短精炼节奏。使得O₂利用率提高10～20％，脱氧合金消耗量减少3～10％，RH精炼周期缩短3～10min，钢中夹杂物大幅降低，提高了钢液质量。

附图说明

构成本发明一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明利用低温等离子体的RH精炼超低碳钢装置连接图。

图中，1—控制系统，2—加料系统，3—顶吹气体控制阀组，4—等离子喷枪调节系统，5—抽真空系统，6—真空室轴向电极控制，7—下降管，8—钢包，9—上升管，10—等离子体喷枪，11—加料口。

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。

实施例1：本发明应用在210tRH精炼工序，提升气体为Ar，脱氧合金采用铝粒。具体步骤如下：

1)RH钢包进站，对钢液成分及温度进行测定并将钢液条件上传至控制系统，同时开启提升气120Nm³/h，开启机械泵抽真空；初始碳含量[％C]₀＝300×10^-6。

2)高效脱碳期：控制系统基于钢液初始碳含量[％C]₀、高效脱碳时间t₁、O₂利用率μ₁等数据信息计算并利用顶吹气体控制阀组在线调控顶吹O₂流量为Q₁，通过顶吹气体等离子喷枪向真空室钢液面喷射O₂等离子体，同时开启真空室轴向电极，利用弯曲旋转的O₂等离子弧进行强制脱碳至碳含量为80×10^-6；具体操作方案：脱碳时间t₁＝2min，顶吹O₂流量Q₁＝1600Nm³/h，脱碳期真空度5000～8000Pa。

步骤3：目标碳命中期，精炼过程中利用监测系统获取钢液碳含量信息，当碳含量达到80×10^-6，则控制系统即时调整等离子枪O₂输入流量为Q₂进而精准命中钢液目标碳含量[％C]_f；并通过监测系统测定钢液氧含量[％O]_h；具体操作方案：脱碳时间t₂＝2min，顶吹O₂流量Q₁＝450Nm³/h，Ar提升气流量为140Nm³/h，脱碳期真空度80～120Pa。

步骤4：钢液脱氧净化期：精准命中钢液碳含量后，控制系统基于脱碳终点氧、目标氧含量[％O]_f确定脱氧合金加入量m_Al，同时将顶吹O₂迅速切换顶吹Ar等离子体并设定流量Q₃、关闭真空室轴向电极、调整等离子喷枪角度对准RH下降管，进而进行Ar等离子体喷射，最终完成精炼任务；具体操作方案：循环时间t₂＝8min，铝粒280kg、钛70合金220kg，顶吹Ar等离子体流量为100Nm³/h，提升气Ar流量为80Nm³/h，脱碳期真空度70Pa。

5)控制系统在线切断顶吹等离子枪Ar供应，并控制枪体复位，然后RH破空。

相对于常规工艺，采用本发明，该210tRH精炼在保证脱碳升温达标的基础上，O₂利用率提高，脱氧合金消耗减少6％，精炼周期缩短4min，单位面积夹杂物明显减少，改善了钢液质量。

Claims (7)

1.一种基于等离子体喷射的RH高效深脱碳控制方法，其特征在于：将RH真空精炼过程划分为高效脱碳期、目标碳命中期以及钢液脱氧净化3个阶段；在高效脱碳期，测定钢液初始碳含量[％C]₀，控制系统基于RH进站钢液成分设定顶吹O₂流量Q₁，通过顶吹气体等离子喷枪向真空室钢液面喷射O₂等离子体，同时开启真空室轴向电极，利用弯曲旋转的O₂等离子弧进行强制脱碳至80×10^-6；目标碳命中期，精炼过程中利用监测系统获取钢液成分及温度信息，通过调整等离子枪O₂输入流量为Q₂进而精准命中钢液目标碳含量[％C]_f,并通过监测系统测定此时钢液氧含量[％O]_h；在钢液脱氧净化期，控制系统基于脱碳终点氧、目标氧含量[％O]_f确定脱氧合金加入量m_Al，同时将顶吹O₂迅速切换顶吹Ar等离子体并设定流量Q₃、关闭真空室轴向电极、调整等离子喷枪角度对准RH下降管中心，进而进行Ar等离子体喷射，最终完成精炼任务。

2.根据权利要求1所述的一种基于等离子体喷射的RH高效深脱碳控制方法，其特征在于根据初始碳含量[％C]₀及高效脱碳期目标碳含量对顶吹O₂流量进行计算，考虑到该阶段脱碳时间t₁及O₂密度

及利用率μ₁，Q₁计算方法为

同理，在目标碳命中期，顶吹O₂流量Q₂的计算方法为

脱氧合金加入量m_Al计算方法为

式中M、η分别为钢液质量和合金收得率。

3.根据权利要求1所述的一种基于等离子体喷射的RH高效深脱碳控制方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：RH钢包进站，对钢液成分及温度进行测定并将钢液条件数据信息上传至控制系统；

步骤2：高效脱碳期：控制系统基于钢液初始碳含量[％C]₀、高效脱碳时间t₁、O₂利用率μ₁等数据信息计算并利用顶吹气体控制阀组在线调控顶吹O₂流量为Q₁，通过顶吹气体等离子喷枪向真空室钢液面喷射O₂等离子体，同时开启真空室轴向电极，利用弯曲旋转的O₂等离子弧进行强制脱碳至碳含量为80×10^-6；

步骤3：目标碳命中期，精炼过程中利用监测系统获取钢液碳含量信息，当碳含量达到80×10^-6，则控制系统即时调整等离子枪O₂输入流量为Q₂进而精准命中钢液目标碳含量[％C]_f；并通过监测系统测定钢液氧含量[％O]_h；

步骤4：钢液脱氧净化期：精准命中钢液碳含量后，控制系统基于脱碳终点氧、目标氧含量[％O]_f确定脱氧合金加入量m_Al，同时将顶吹O₂迅速切换顶吹Ar等离子体并设定流量Q₃、关闭真空室轴向电极、调整等离子喷枪角度对准RH下降管，进而进行Ar等离子体喷射，最终完成精炼任务。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于等离子体喷射的RH高效深脱碳控制方法，其特征在于：当钢液[％C]≥400×10^-6时，O₂等离子体平均利用率为90％；当钢液80×10^-6≤[％C]＜400×10^-6时，O₂等离子体平均利用率为85％；当钢液80×10^-6≤[％C]＜400×10^-6时，O₂等离子体平均利用率为80％。

5.根据权利要求1或3所述的一种基于等离子体喷射的RH高效深脱碳控制方法，其特征在于：顶吹Ar等离子体喷枪末端Ar输入流量控制为0.4～0.6Nm³/h·t。

6.根据权利要求1或3所述的一种基于等离子体喷射的RH高效深脱碳控制方法，其特征在于：顶吹等离子体喷枪采用低温等离子体，可通过电位调整将等离子体温度控制在3000～4000K。

7.根据权利要求1或3所述的一种基于等离子体喷射的RH高效深脱碳控制方法，其特征在于：RH精炼过程提升气流量应与顶吹等离子体匹配，设置为0.4～1.0Nm³/h·t。

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