CN115595401A - 一种提高钢液洁净度的钢精炼设备及炼钢方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高钢液洁净度的炼钢精炼设备及炼钢方法，属于炼钢技术领域，包括电磁感应加热的真空炉，真空炉包括真空炉盖和真空炉体，真空炉体内设有承装钢液的钢包，真空炉盖上安装有用于夹持等离子体枪或石墨电极的枪体夹持装置，枪体夹持装置贯穿炉盖，其延长线伸入钢包内部，真空炉体内底部设有底电极，其位于枪体夹持装置的延长线上，在真空条件下，将等离子体枪安装到枪体夹持装置，释放含氢等离子体对钢液进行无夹杂物生成的高效脱碳、脱氮和脱氧，利用底吹复合喷枪向钢包内喷吹石灰粉剂，对钢液进行高效脱硫；将石墨电极安装到枪体夹持装置时，石墨电极与底阳极直流电解深脱氧，减少了非金属夹杂物的生成量，提高了钢液洁净度。
Description
技术领域
本发明涉及炼钢技术领域，特别是涉及一种提高钢液洁净度的钢精炼设备及炼钢方法。
背景技术
传统炼钢流程中，精炼过程通常在多个精炼装置中完成，且需进行多次造渣工艺，如脱硫、脱磷等，导致利用钢包转运过程中钢液存在大幅度温降和能量损失，必须采用相应的补热措施，以保障精炼过程的顺利进行；同时精炼过程中大量精炼渣固体废弃物的排放堆积，致使环保负担加重。此外，在传统流程中，还存在杂质元素反复脱除与添加工艺，导致精炼流程冗长，一定程度恶化钢液纯净度，如传统流程中金属含氧量在炼铁阶段被降到很低状态，但到炼钢吹氧脱碳阶段又显著提高，后续需要添加铝等脱氧剂进行脱氧，脱氧产物作为非金属夹杂物污染钢液，虽然精炼可以去除部分夹杂，但最终仍会导致钢液洁净度降低。如申请号为202010481600.X的发明专利在熔化的钢水中加入煤球，待煤球与氧反应结束后，加入铝脱氧剂对钢水进行脱氧，申请号为201510884248.3的发明专利在出钢到1/4时，把铝铁脱氧剂加入到钢包中，采用一步脱氧法进行脱氧等。
综上可知，现有技术中缺少一种少渣乃至无渣、零夹杂的一体化多功能钢精炼设备及炼钢方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷和不足，提供一种提高钢液洁净度的钢精炼设备及炼钢方法，通过在真空炉盖上设置伸入真空炉体的用于夹持等离子体枪或石墨电极的枪体夹持装置，真空炉体内底部设置与枪体夹持装置对应设置的底阳极，在真空条件下，将等离子体枪安装到枪体夹持装置，并释放含氢等离子体对钢液进行无夹杂物生成的高效脱碳、脱氮和脱氧，随后利用底吹复合喷枪喷吹石灰粉剂，对钢液进行少渣高效脱硫；最后利用石墨电极与底阳极直流电解深脱氧，相对于现有通过向钢液中加入脱氧剂脱氧的方式，显著减小了非金属夹杂物的生成量，提高了钢液洁净度；在本发明提出的炼钢精炼设备内一次性完成脱碳、脱氮、脱硫和脱氧的所有精炼任务，实现钢液的全方位精炼。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种提高钢液洁净度的钢精炼设备，包括真空炉，所述真空炉包括真空炉盖和真空炉体，所述真空炉体内设有承装钢液的钢包，所述真空炉盖上安装有用于夹持等离子体枪或石墨电极的枪体夹持装置，所述枪体夹持装置贯穿所述炉盖，且其延长线伸入所述钢包内部，所述真空炉体内底部设有底电极，所述底电极位于所述枪体夹持装置的延长线上，所述钢包的底部设有底吹复合喷枪；
优选地，所述钢包内设有低氧位、强导电能力的熔渣，所述熔渣采用Al2O3-CaO-MgO为主的多元体系；
优选地，所述真空炉体上设置有排出炉内气体的真空抽气口，所述真空抽气口与外界的机械真空泵系统相连接，所述钢包的腔体与所述真空炉体直接连通；
优选地，围绕所述钢包的外周设有电磁感应加热装置，所述电磁感应加热装置的底面不高于所述钢包的底面、顶面不低于所述钢包的最高液位；
优选地，所述底吹复合喷枪设置在所述底电极的一侧；
优选地，所述真空炉盖上还设有贯通所述真空炉盖的合金真空加料装置、测温取样装置和观察装置，所述合金真空加料装置为转盘式合金加料装置，所述测温取样装置包括丝杠结构以及与丝杠结构连接的热电偶和取样器；
优选地，所述精炼设备还包括用于开启或关闭所述真空炉盖的炉盖提升机构和用于倾倒钢液的钢包倾倒机构；
优选地，所述钢包具有钢包出钢口，所述钢包出钢口位于所述电磁感应加热装置的上部；
优选地，所述枪体夹持装置内部设有第一空腔，所述第一空腔内设有枪体密封垫，所述真空炉盖和所述真空炉体之间设有炉盖真空密封垫；
优选地，等离子体枪可以采用不同种类的单种或者混合的含氢气体，具体的，可以是Ar或者N2与H2的混合气体或者CH4或者焦炉煤气等含氢气体；
本发明还提供一种应用该钢精炼设备的炼钢方法，包括以下内容：
装入钢液：打开所述真空炉盖向所述钢包内加入待精炼的钢水；
真空处理：开启机械真空泵系统对所述真空炉进行抽真空处理，真空度稳定在60～70Pa；
升温搅拌：所述电磁感应加热装置通电对所述钢包内的钢液加热，所述底吹复合喷枪向所述钢包内喷吹惰性气体，搅拌所述钢包内的钢液；
脱碳、氮和氧：将等离子体枪安装到所述第一空腔内，向等离子体枪与所述底电极通电，形成导电回路，等离子体枪释放含氢等离子体对钢液进行无夹杂物生成的高效脱碳、脱氮和脱氧；
合金化及脱硫：在脱硫之前进行合金化操作，通过所述合金真空加料装置在真空环境下向所述钢包内加入合金，使钢液合金化，所述底吹复合喷枪向所述钢包内喷吹石灰粉剂，对钢液进行高效脱硫；
直流电解脱氧：将石墨电极安装到所述第一空腔内，调整石墨电极以及所述底电极的直流电压、电流大小和方向，对炉渣进行直流电解深脱氧；
测温取样及出钢：通过所述测温取样装置在真空环境下测温取样，当钢水成分和温度满足出钢要求时，启动所述炉盖提升机构和所述钢包倾倒机构将钢液倾倒出钢。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1、本发明通过在真空炉盖上设置伸入真空炉体的枪体夹持装置，真空炉体内底部设置与枪体夹持装置对应设置的底阳极，当将石墨电极安装到枪体夹持装置时，石墨电极与底阳极直流电解脱氧，相对于现有技术中通过向钢液中加入脱氧剂脱氧的方式，减小了非金属夹杂物的生成量，提高了钢液洁净度；
2、本发明通过在钢包内设有低氧位、强导电能力的Al2O3-CaO-MgO为主的多元体系熔渣，并在真空炉体内抽真空处理，进一步提高了钢液的脱氧效率；
3、本发明通过采用电磁感应加热装置配合含氢等离子电弧加热钢水，相比于普通电弧加热，大幅提高了加热效率和精炼效率，同时电磁感应具有补热速度快和电磁搅拌的作用，有利于改善精炼效果，含氢等离子体在提高加热效率的同时，还可以与氮和氧反应，实现一定程度的脱氮和脱氧。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为超纯洁钢精炼设备的整体结构示意图。
其中，1、真空炉；2、钢包；3、真空炉盖；4、真空炉体；5、枪体夹持装置；6、第一空腔；7、底电极；8、电磁感应加热装置；9、底吹复合喷枪；10、真空抽气口；11、合金真空加料装置；12、测温取样装置；13、观察装置；14、钢包倾倒机构；15、炉盖提升机构；16、真空密封垫；17、钢包出钢口；18、枪体密封垫。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷和不足，提供一种提高钢液洁净度的钢精炼设备及炼钢方法，通过在真空炉盖上设置伸入真空炉体的用于夹持等离子体枪或石墨电极的枪体夹持装置，真空炉体内底部设置与枪体夹持装置对应设置的底阳极，在真空条件下，将等离子体枪安装到枪体夹持装置，并释放含氢等离子体对钢液进行无夹杂物生成的高效脱碳、脱氮和脱氧，随后利用底吹复合喷枪喷吹石灰粉剂，对钢液进行少渣高效脱硫；最后利用石墨电极与底阳极直流电解深脱氧，相对于现有通过向钢液中加入脱氧剂脱氧的方式，显著减小了非金属夹杂物的生成量，提高了钢液洁净度；在本发明提出的炼钢精炼设备内一次性完成脱碳、脱氮、脱硫和脱氧的所有精炼任务，实现钢液的全方位精炼。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种多功能超纯洁净钢精炼设备，包括：真空炉1和钢包2两部分，真空炉1由真空炉盖3和真空炉体4组成，钢包2设置在真空炉体4内，真空炉盖3上安装有枪体夹持装置5，枪体夹持装置5的内部设有容纳等离子体枪或石墨电极的第一空腔6，枪体夹持装置5贯穿真空炉盖3，且其延长线伸入钢包2内部，真空炉体4内部设有底电极7，底电极7位于枪体夹持装置5的延长线上，当需要对钢包2内的钢液脱氧时，将石墨电极安装到第一空腔6内，采用起重卷扬机将石墨电极向下运动到电解位置，分别调整石墨电极和底电极7的直流电压、电流大小和方向，使底电极7作阴极，用于直流电解脱氧，此脱氧方式无需向钢液内添加脱氧剂，降低了钢液内的非金属夹杂物的生成量，提高了钢液的洁净度。
本发明的精炼设备还能够用于对钢包2内的钢液进行迅速加热，此时将等离子体枪安装到第一空腔6内，同样采用起重卷扬机将等离子体枪伸入到钢液加热位置，调整底电极7的电流方向，使等离子体枪喷射的等离子体与底电极7形成导电回路，用于快速加热钢液，此时底电极7作阳极；等离子体枪可以采用不同种类的单种或者混合的含氢气体，具体的，可以是Ar或者N2与H2的混合气体或者CH4或者焦炉煤气等含氢气体，本发明优选为Ar与H2的混合气体，由于采用直流转移弧的方式与底电极形成导电回路，释放含氢等离子体，使含氢等离子体与钢液内的碳、氮或氧发生反应，对钢液进行高效脱碳、脱氮和脱氧处理，而且无需向钢液内添加脱碳剂、脱氮剂及脱氧剂，在脱碳、脱氮和脱氧的过程中不会生成夹杂物，提高了钢液的洁净度，另外导电回路还能够对钢液进行升温加热。
围绕钢包2的外周设有电磁感应加热装置8，电磁感应加热装置8的底面不高于钢包2的底面，顶面不低于钢包2的最高液位，使得电磁感应加热装置8能够覆盖钢包2内的全部钢液，电磁感应加热装置8内含电磁感应线圈，当钢液有升温需求时，电磁感应加热装置8通电，电磁感应加热装置8产生交变电流，电磁感应线圈产生交变磁场，钢液在钢包2中切割磁感线产生涡流，用于对钢液进行均匀补热；钢包2的底部设有底吹复合喷枪9，底吹复合喷枪9位于底电极7的一侧，当需要对钢液进行搅拌时，底吹复合喷枪9向钢液中喷吹惰性气体，对钢液进行搅拌。
真空炉体4上设有排出炉内气体的真空抽气口10，真空抽气口10设置于炉盖提升机构15的正对侧，位于真空炉盖3和真空炉体4衔接处上部，真空抽气口10与外界的机械真空泵系统连接，钢包2的顶部不设置钢包盖，钢包2内的腔体与真空炉体4的腔体直接连通，排空真空炉体4内气体的同时，钢包2也处于真空状态；钢包2内设有特殊成分的熔渣，熔渣采用Al2O3-CaO-MgO为主的多元体系，该渣系具有的低氧位、强导电能力利于脱氧，能够提高钢液的脱氧效率。
真空炉盖3上设有合金真空加料装置11、测温取样装置12和观察装置13，真空炉体4上设有钢包倾倒机构14和炉盖提升机构15；合金真空加料装置11设置于真空炉盖3上部，贯穿真空炉盖3设置，用于连通外界加料环境和炉内真空环境，在有加料需求时，合金通过合金真空加料装置11，在不破坏炉内真空环境的情况下落入钢包2，实现钢包2内钢液的合金化操作以及钢液成分的精确控制，合金真空加料装置11位于枪体夹持装置5和炉盖提升机构15之间，合金真空加料装置11为转盘式合金加料装置；测温取样装置12设置于真空炉盖3上部，贯穿真空炉盖3设置，用于连通外界测温取样环境和炉内真空环境，测温取样装置12包括丝杠结构、与丝杠结构连接的热电偶和取样器，当有测温取样需求时，测温取样装置12将热电偶和取样器通过丝杠结构下降进入钢包2内，测温取样结束后，在丝杠结构的作用下上升复位，通过热电偶获得钢水温度，取样器获得钢样，实现炉内真空状态下的测温取样，将钢样进行金相分析可得到钢水成分，通过钢水成分分析结果可以针对性的调整炼钢过程的各个参数，测温取样装置12位于枪体夹持装置5和真空抽气口10之间；观察装置13设置于真空炉盖3上部，位于合金真空加料装置11和炉盖提升机构15之间，用于观测实时精炼过程。
真空炉盖3覆盖于钢包2之上，真空炉盖3与真空炉体4间设有真空密封垫16，当需要开盖加入钢液时，真空炉盖3通过炉盖提升机构15向上运动，实现开盖操作，钢液倾倒进入钢包2完成钢水加入操作，钢包2设有钢包出钢口17，当钢液有倾倒需求时，钢包倾倒机构14将钢包2底部的一侧顶起，钢液从钢包出钢口17排出，炉盖提升机构15、钢包倾倒机构14采用现有技术即可，本发明对此不作改进，等离子枪或石墨电极通过枪体密封垫18与枪体夹持装置5形成滑动密封，保证真空炉体4内的真空环境，真空炉盖3通过真空密封垫16与真空炉体4实现密封。
底吹复合喷枪9还能够对钢液进行脱硫处理，此时底吹复合喷枪9向钢液内喷吹石灰粉剂。
本发明还提供了一种应用上述精炼设备炼钢的方法，包括以下内容：
装入钢液：真空炉盖3通过炉盖提升机构15向上打开，将需要精炼的钢水装入钢包2中，钢水装入结束后，真空炉盖3通过炉盖提升机构15向下闭合，真空炉盖3通过真空密封垫16与真空炉体4实现密封；
真空处理：对枪体夹持装置5和真空炉1的气密性检测完毕后，机械真空泵系统通过真空抽气口10对真空炉1进行抽真空处理，待真空度稳定在60～70Pa时，对钢包2内的钢液进行升温搅拌操作，一般情况下真空度稳定在60～70Pa时可以进行加热操作，在本实例中真空度取66.7Pa；
升温搅拌：电磁感应加热装置8通电产生交变电流，使电磁感应线圈产生交变磁场，钢液在钢包2中切割磁感线产生涡流，以此均匀的加热于钢液，同时底吹复合喷枪9向钢液中喷吹惰性气体，用于钢液的搅拌；钢液搅拌均匀后进行脱碳、脱氮和脱氧处理。
脱碳、氮和氧：将等离子体枪安装到第一空腔6内，并控制等离子体枪向下运动到钢液加热位置，向等离子体枪与底电极7内通电，使等离子体枪与底电极7形成导电回路，释放含氢等离子体对钢液进行无夹杂物生成的高效脱碳、脱氮和脱氧，同时对钢液进行升温加热；脱碳、氮和氧结束后进行合金化和脱硫。
合金化及脱硫：在脱硫之前进行合金化操作，合金通过合金真空加料装置11在真空环境下加入钢包2内，实现钢液合金化和成分的精确控制；在有脱硫需求时，通过底吹复合喷枪9向钢包2内喷吹石灰粉剂，对钢液进行高效脱硫；脱硫结束后进行深脱氧。
直流电解脱氧：在钢包2内造特殊成分的熔渣，将石墨电极安装到第一空腔6内，石墨电极向下运动至电解位置，调整石墨电极以及底电极7的直流电压、电流大小和方向，对炉渣进行直流电解深脱氧，终点氧含量≤10×10-6％(10ppm)，在更换石墨电极时出现真空炉1内进入空气后，开启机械真空泵先抽真空后，再进行直流电解脱氧。
测温取样及出钢：在有测温取样需求时，通过测温取样装置12实现真空环境下测温取样；当钢水成分和温度满足出钢要求时，真空炉盖3通过炉盖提升机构15向上打开，钢液通过钢包倾倒机构14从钢包出钢口17倾倒出钢。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (10)
1.一种提高钢液洁净度的钢精炼设备，其特征在于：包括真空炉，所述真空炉包括真空炉盖和真空炉体，所述真空炉体内设有承装钢液的钢包，所述真空炉盖上安装有用于夹持等离子体枪或石墨电极的枪体夹持装置，所述枪体夹持装置贯穿所述炉盖，且其延长线伸入所述钢包内部，所述真空炉体内底部设有底电极，所述底电极位于所述枪体夹持装置的延长线上，所述钢包的底部设有底吹复合喷枪。
2.根据权利要求1所述的钢精炼设备，其特征在于：所述钢包内设有低氧位、强导电能力的熔渣，所述熔渣采用Al2O3-CaO-MgO为主的多元体系。
3.根据权利要求2所述的钢精炼设备，其特征在于：所述真空炉体上设置有排出炉内气体的真空抽气口，所述真空抽气口与外界的机械真空泵系统相连接，所述钢包的腔体与所述真空炉体直接连通。
4.根据权利要求3所述的钢精炼设备，其特征在于：围绕所述钢包的外周设有电磁感应加热装置，所述电磁感应加热装置的底面不高于所述钢包的底面、顶面不低于所述钢包的最高液位。
5.根据权利要求4所述的钢精炼设备，其特征在于：所述底吹复合喷枪设置在所述底电极的一侧。
6.根据权利要求5所述的钢精炼设备，其特征在于：所述真空炉盖上还设有贯通所述真空炉盖的合金真空加料装置、测温取样装置和观察装置，所述合金真空加料装置为转盘式合金加料装置，所述测温取样装置包括丝杠结构以及与丝杠结构连接的热电偶和取样器。
7.根据权利要求6所述的钢精炼设备，其特征在于：所述精炼设备还包括用于开启或关闭所述真空炉盖的炉盖提升机构和用于倾倒钢液的钢包倾倒机构。
8.根据权利要求7所述的钢精炼设备，其特征在于：所述钢包具有钢包出钢口，所述钢包出钢口位于所述电磁感应加热装置的上部。
9.根据权利要求8所述的钢精炼设备，其特征在于：所述枪体夹持装置内部设有第一空腔，所述第一空腔内设有枪体密封垫，所述真空炉盖和所述真空炉体之间设有炉盖真空密封垫。
10.一种应用权利要求7至9任意一项所述钢精炼设备的炼钢方法，包括以下内容：
装入钢液：打开所述真空炉盖向所述钢包内加入待精炼的钢水，或者加入固态炉料，利用电磁感应加热熔化成钢水；
真空处理：开启机械真空泵系统对所述真空炉进行抽真空处理，真空度稳定在60～70Pa；
升温搅拌：所述电磁感应加热装置通电对所述钢包内的钢液加热，所述底吹复合喷枪向所述钢包内喷吹惰性气体，搅拌所述钢包内的钢液；
脱碳、氮和氧：将等离子体枪安装到所述第一空腔内，向等离子体枪与所述底电极通电，形成导电回路，等离子体枪释放含氢等离子体对钢液进行无夹杂物生成的高效脱碳、脱氮和脱氧；
合金化及脱硫：在脱硫之前进行合金化操作，通过所述合金真空加料装置在真空环境下向所述钢包内加入合金，使钢液合金化，所述底吹复合喷枪向所述钢包内喷吹石灰粉剂，对钢液进行高效脱硫；
直流电解脱氧：将石墨电极安装到所述第一空腔内，调整石墨电极以及所述底电极的直流电压、电流大小和方向，对炉渣进行直流电解深脱氧；
测温取样及出钢：通过所述测温取样装置在真空环境下测温取样，当钢水成分和温度满足出钢要求时，启动所述炉盖提升机构和所述钢包倾倒机构将钢液倾倒出钢。
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