210 t高效VD精煉爐的研制與優(yōu)化

吳建龍，方杞青，曹永恒，張 維，廖彬生，馬 鵬

(1．中國重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032;2．新余鋼鐵集團(tuán)有限公司，江西 新余 338000)

0 前言

新鋼210T VD精煉爐是目前國內(nèi)自主設(shè)計(jì)的最大容量VD設(shè)備，填補(bǔ)了國內(nèi)200 t以上級別VD真空處理裝置的空白，其關(guān)鍵技術(shù)均達(dá)到國際水平。該設(shè)備與210 t LF爐和420 mm特厚板坯連鑄機(jī)配套形成了一條先進(jìn)的板坯工藝生產(chǎn)線。經(jīng)其處理后，能夠降低鋼水中氫、氧、氮含量，提高鋼水潔凈度，減少板坯裂紋、斷面氣泡等缺陷，滿足高檔次板坯、工具鋼、軸承鋼等特種鋼的生產(chǎn)需要。對新鋼推進(jìn)精品戰(zhàn)略、增強(qiáng)市場競爭力有深遠(yuǎn)影響。

但是，210 t超大容量給VD設(shè)備的研制過程帶來了諸如凈空高度小、脫氣效率差、溫降快、生產(chǎn)節(jié)奏慢、能耗指標(biāo)高等問題。中國重型機(jī)械研究院有限公司從設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試和生產(chǎn)各環(huán)節(jié)著手尋求解決方法，取得了很好的效果。

1 彌補(bǔ)凈空高度過小的缺陷

溢濺通常發(fā)生在鋼液中氧含量較高時(shí)，鋼中氧碳發(fā)生反應(yīng)形成大量CO氣體，并與鋼中其他氣體瞬時(shí)從鋼中溢出的一種沸騰現(xiàn)象。這種沸騰加上鋼包底吹氬的作用，就有可能造成鋼液(包括爐渣)在極短時(shí)間內(nèi)向上涌起，其高度可達(dá)600～800 mm。因此，在確定鋼水裝入量時(shí)應(yīng)給鋼包留有較大凈空高度(鋼液面到罐口)，通常不應(yīng)小于1000～1200 mm［1］。然而，新鋼平均每爐處理鋼水量為210 t(最大230 t)，實(shí)際鋼包凈空高度只有約650 mm。如果不在真空吹氬機(jī)制、真空泵抽氣能力、渣系性質(zhì)、精煉工藝等方面解決，將造成嚴(yán)重溢濺，降低精煉效率，導(dǎo)致設(shè)備燒穿、凝結(jié)損害，甚至溢鋼、翻包等事故。

1.1 真空度的影響

根據(jù)鋼水中氣體的溶解服從平方根定律:

式中，［X］為溶解在鋼水中的氣體，%;PX2為氣體的分壓力，Pa;KX為比例系數(shù)。

從式(1)可以看出，在VD處理過程中抽真空，降低氣體的分壓，有利于溶解在鋼液中的自由氣體原子從鋼液中排除，能有效地降低鋼液中各種氣體含量。而且真空度越小，越有利于鋼中自由氣體原子的排除，也就越有利于降低鋼液中的氣體含量，提高脫氣效率。

圖1 真空度與脫氫率的關(guān)系［2］Fig.1 Vacuum degree versus dehydrogenation rate

以圖1為例，隨著真空度的提高，VD的脫氫率顯著上升。同時(shí)，當(dāng)真空度在70 Pa以上時(shí)，即使長時(shí)間保真空，VD的脫氫率也不高，尤其是在真空度在100 Pa以上時(shí)，脫氫率基本都維持在35%以下。因此，要滿足VD脫氫要求，必須適當(dāng)提高真空度。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際和設(shè)備抽真空的設(shè)計(jì)能力，優(yōu)化后的真空度要求為67 Pa以上。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)真空度在20 Pa附近時(shí)，脫氫率與脫氮率分別達(dá)到90%和30%以上。

1.2 吹氬量的影響

大量研究表明:溶解在鋼液中的氣體原子向鋼液－氣相界面遷移是VD脫氣速度的限制性環(huán)節(jié)，所以在高溫且氬氣強(qiáng)攪拌下才能高效脫出氣體，則

式中，w［X0］、w［Xt］為 VD脫氣前、后鋼液中氣體的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%;Kx為氣體在鋼液中的傳質(zhì)系數(shù)，cm/min;F為氣－液反應(yīng)界面面積，cm2;t為 VD脫氫時(shí)間，min;Vm為鋼液體積，cm3。

真空吹氬是VD脫氣的主要有效手段，氬氣泡中的氣體分壓低，鋼液中的氣體向氬氣泡擴(kuò)散，并隨氬氣泡上浮而排出。增大攪拌強(qiáng)度，即增大傳質(zhì)系數(shù)Kx，能有效地增大脫氣率。但是攪拌強(qiáng)度的增加受到以下3方面的限制:(1)鋼水溫度。隨著攪拌強(qiáng)度的增大，鋼水溫度損失增加，這需要提高進(jìn)VD前鋼水溫度，將延長LF爐升溫時(shí)間，增加耐火材料和電極的消耗;(2)鋼包凈空度高度。增大攪拌強(qiáng)度，必然要求有較高的鋼包凈空度，但鋼包凈空度太高，將減少出鋼量，影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)節(jié)奏;(3)抽真空的初期鋼渣發(fā)泡。在抽真空初期，由于鋼渣發(fā)泡膨脹，減少了鋼包凈空度，若攪拌強(qiáng)度太大，可能造成頂渣甚至鋼水溢濺，損壞設(shè)備［2］。

1.3 真空吹氬的影響

根據(jù)冶金動力學(xué)可以分析得，當(dāng)鋼液破殼后，在氣－液界面處氬氣的壓強(qiáng)PAr等于真空室壓強(qiáng)PV、爐渣產(chǎn)生的壓強(qiáng)PS、沸騰鋼液壓強(qiáng)PY三者之和，即

當(dāng)爐渣發(fā)泡結(jié)束后，爐渣產(chǎn)生的壓強(qiáng)PS消失。假定沸騰鋼液高度穩(wěn)定，壓強(qiáng)PY不變，則氣－液界面處氬氣的壓強(qiáng)PAr隨著真空室壓強(qiáng)PV降低而減小。這說明在氬氣流量、壓力和溫度相不變時(shí)，提高真空度有利于加快氬氣上浮速率，間接增大氬氣攪拌強(qiáng)度，即增大傳質(zhì)系數(shù)Kx。這樣既保證了較大的脫氣率，又減少了因氬氣流量過大而引起的大量溢濺。

根據(jù)Sundberg吹氬攪拌能公式

式中，ω為攪拌功率，W/t;p2、p1分別為鋼包底部和真空室壓力，Pa;Q為氬氣流量，L/min;tg、t1分別為氬氣和鋼水溫度，℃;M1為鋼水量，t。

從式(4)可看出，真空吹氬攪拌可進(jìn)一步促進(jìn)脫氣過程，此時(shí)，隨p1的降低應(yīng)適當(dāng)減少氬氣流量Q，保持恒能攪拌，防止溢濺［3］。

1.4 選用高效變量真空泵系統(tǒng)

根據(jù)真空度和吹氬量對VD爐脫氣效果和溢渣、溢鋼趨勢影響的分析，并由文獻(xiàn)［4］中的表1、表3和表4可知，從83 t/900 mm凈空減小到100 t/800 mm凈空，采用大抽氣量真空泵系統(tǒng)可以有效避免溢濺，能夠提高出鋼量，且充分保證良好的精煉效果。

1.4.1 系統(tǒng)組成

通過縮短抽氣管道、放大管道口徑、增加快速高壓氮?dú)鈮涸δ?、增大蒸汽噴射泵引射系?shù)并且合理分配壓縮比、提高各級傘塔式冷凝器水冷效果等優(yōu)化設(shè)計(jì)，中國重型機(jī)械研究院有限公司為新鋼VD精煉爐配備了一套高效變量真空排氣系統(tǒng)(如圖2)。

圖2 新鋼210 t VD爐真空排氣系統(tǒng)Fig.2 210 t VD vacuum degassing system in Xinyu Iron ＆ Steel Co．，Ltd．

1.4.2 額定抽氣量確定

VD精煉裝置真空泵系統(tǒng)的額定抽氣量應(yīng)考慮各種被抽介質(zhì)處于最大流量條件下的情況。在VD項(xiàng)目中主要考慮抽走如下氣體:鋼包底吹氬氣體量、鋼液放氣量、系統(tǒng)漏氣量、耐火材料的放氣量和其它不確定的因素。

(1)吹氬循環(huán)氣體量折算成20℃空氣，則［5］

式中，QAr為吹氬量，通?？刂圃?.5～6 l/min·t，即230 t鋼水需要6.9～82.8 m3/h，取QAr-80 Nm3/h×2(兩流);W1為 氬氣分子量(40);W2為空氣分子量 (29);22.4為標(biāo)準(zhǔn)摩爾體積;0.88為溫度變化系數(shù)(從 300℃→20℃)。

(2)系統(tǒng)總放氣量?？偡艢饬砍龖?yīng)考慮鋼液與耐材的放氣量外，還應(yīng)考慮工作過程中汽、水帶入系統(tǒng)的不可凝氣體量以及空氣濕度的因素?？偡艢饬颗cVD系統(tǒng)的真空度成正比，這里按由101 kPa抽至67 Pa，按照噸鋼平均放氣率1.8 kg/h·t考慮，此值為已經(jīng)過溫度(從300℃→20℃)、分子量折算后的經(jīng)驗(yàn)值。則230 t鋼水的總放氣量:Q=1.8×230=414 kg/h。

(3)系統(tǒng)的漏氣量。真空泵系統(tǒng)的泄漏量通常要求不超過其抽氣量的5%。本文取真空泵系統(tǒng)的泄漏量≤35 kg/h。裝置剛投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)泄漏量偏小，但運(yùn)行一段時(shí)間后，泄漏量會有所增大。另外，真空泵系統(tǒng)以外的其它被抽容積也存在泄漏的因素，如壓渣系統(tǒng)向真空室內(nèi)泄露的氮?dú)?、高溫?cái)z像機(jī)的保護(hù)氣體。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)留放足夠的余量。系統(tǒng)漏氣量選取為Q=100 kg/h。

總抽氣量Q=276+414+100=790 kg/h。除考慮抽走上述氣體外，還要考慮保證要求的抽氣時(shí)間、長期運(yùn)行的可靠性與維護(hù)管理的不確定性及管道流阻造成的抽氣能力減少等因素。因此，在計(jì)算抽氣量的基礎(chǔ)上增加適量的運(yùn)行安全系數(shù)，取真空泵額定抽氣量為900 kg/h(67 Pa)就可滿足了。為了配合以上結(jié)論，根據(jù)圖3分析，建議額定抽氣量選取為1000 kg/h(67 Pa)。

圖3 真空泵性能曲線Fig.3 Performance curves of vacuum p ump

圖3中，實(shí)線:1000 kg/h 67 Pa真空泵性能曲線;雙點(diǎn)劃線:800 kg/h 67 Pa真空泵性能曲線;虛線:防溢渣省去S4B泵的性能曲線;

2 真空度保持時(shí)間的確定

通常VD作業(yè)周期表中真空度保持時(shí)間是以脫氫時(shí)間為基準(zhǔn)排列的。對于軸承、模具鋼等特殊鋼種，兩流共60～70 m3/h氬氣吹入，極限真空67～15 Pa時(shí)，脫氫(由7×10－6脫至1.5×10－6)時(shí)間 t計(jì)算如下［5］:

式中，Q為盛鋼量，210 t;KH為脫氫速度常數(shù)，0.28 m/min;A為滯流熔池面積，12.5 m2;H0為起始?xì)浜浚?×10－6;Ht為脫氣后氫含量，1.5×10－6;H∞為平衡氫含量，≤0.23×10－6;ρ為鋼液密度，6.8 t/m3。

由計(jì)算可見:210 t精煉時(shí)，氬氣足量吹入下，保極限真空67～15 Pa時(shí)13.1 min可將氫由7×10－6脫至 1.5 ×10－6。真空泵抽氣能力越大(在蒸汽和冷卻水能夠滿足要求的條件下)，極限真空壓力越小，底吹氬量適當(dāng)加大(不溢濺前提下)，脫氫速度常數(shù)KH越大，脫氫時(shí)間越短。同時(shí)，氫含量2.0×10－6以內(nèi)即可滿足特厚板連鑄機(jī)鑄坯斷面質(zhì)量需要，脫氫時(shí)間也會相應(yīng)縮短至10 min左右。縮短真空度保持時(shí)間，可以保證生產(chǎn)節(jié)奏，減少耐火材料消耗，降低生產(chǎn)成本。

鋼液裸露面的散熱出現(xiàn)在鋼包吹氬過程中，當(dāng)吹氬強(qiáng)度過大時(shí)，會將鋼液表面的渣層吹開使部分鋼液裸露于大氣中。吹氬強(qiáng)度越大，鋼包上部鋼液裸露的面積越大，鋼水直接向大氣中對流和輻射的熱損增大［6］。通過提高真空度，維持適量底吹氬，增大脫氫速度常數(shù)KH，縮短脫氣時(shí)間，減少溫降。間接降低了LF爐升溫時(shí)間，節(jié)約了大量電能。

3 VD爐性能調(diào)試

3.1 真空泵系統(tǒng)優(yōu)化

3.1.1 調(diào)整真空泵操作機(jī)制

為了避免真空度迅速上升而出現(xiàn)大量溢濺和嚴(yán)重發(fā)泡現(xiàn)象，如圖3所示，實(shí)際操作中省去S4B泵，依靠S4A泵排氣，并將真空度維持在4 kPa附近(同時(shí)關(guān)閉S5B泵)，此時(shí)正是鋼液劇烈反映氣體排出且最容易溢濺的過程。這不但保證了各級真空泵能夠平穩(wěn)投入，而且減少了至少15 t/h蒸汽和500 m3/h冷卻水的損耗。

3.1.2 調(diào)整冷卻水供水機(jī)制

為節(jié)約施工成本，本VD爐供水系統(tǒng)與原有RH爐少供水系統(tǒng)共用一路水道。經(jīng)相關(guān)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，確定水泵房三臺水泵供水3 600 m3/h，RH爐用水1 850 m3/h，VD爐用水1 750 m3/h。這樣一來，兩個(gè)精煉系統(tǒng)的蒸汽與冷凝水均匹配合理，充分保證了VD爐真空泵系統(tǒng)大抽速高真空的特性。目前，比原設(shè)計(jì)少用一臺315 kW/h供水泵，減低了系統(tǒng)電能的消耗。

3.1.3 優(yōu)化破空系統(tǒng)機(jī)制

在精煉過程中，采用高速氮?dú)鈮涸到y(tǒng)來控制溢濺趨勢。根據(jù)渣系溢起情況，通過按鈕點(diǎn)動方式，人工向系統(tǒng)快速通入足量高壓高純度氮?dú)?約2 MPa、純度99.9%)。原則:吹入氮?dú)饬考按螖?shù)以少溢濺為準(zhǔn)，以免過度破壞真空，延長處理時(shí)間，影響工藝效果。當(dāng)真空處理結(jié)束時(shí)，主閥前后同時(shí)破空。先由氮?dú)馄瓶罩?0 kPa，再自動轉(zhuǎn)向空氣破空至大氣壓。同時(shí)，順序有條件地按照真空度降低情況停泵。這既節(jié)省操作時(shí)間又保證蒸汽系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3.2 底吹氬系統(tǒng)優(yōu)化

在VD脫氣過程中，有必要優(yōu)化各個(gè)階段的吹氬攪拌強(qiáng)度及其持續(xù)時(shí)間。經(jīng)過調(diào)試，確定在不同階段的攪拌強(qiáng)度及其持續(xù)時(shí)間見表2。

表2 不同階段氬氣流量和持續(xù)時(shí)間Table 2 Argon flow and flowing duration at different stages

3.3 LF爐作業(yè)優(yōu)化

LF進(jìn)站加入1 000 kg石灰，150 kg螢石，400 kg復(fù)合精煉劑造渣，要求精煉過程埋弧良好，喂鈣線前加入25 kg螢石，出站前溫度按原鋼種出站溫度加45°控制。在還原性精煉渣的性質(zhì)確定之后，LF終渣渣層厚度為≤5～10 cm。

4 生產(chǎn)效果

攜帶210 t鋼水，高極限可達(dá)真空度＜15 Pa，底吹氬量僅為70 m3/h，根據(jù)生產(chǎn)情況，可以推測渣系上升高度一般在500～600 mm左右，650 mm的凈空高度已能滿足VD處理需要。保持極限真空度時(shí)間約9 min后，H元素含量小于2×10－6;約13 min后，H元素含量小于1.5×10－6。目前，新鋼VD爐單工位處理抽真空時(shí)間28 min(含保真空時(shí)間)，平均溫降約1.6℃/min。整個(gè)45 min處理周期，平均溫降約1.0℃/min?？梢?，該精煉爐具有超大高效低能耗的優(yōu)點(diǎn)，其性能曲線和工藝參數(shù)詳如圖4、表3所示。

圖4 210 t VD精煉爐性能曲線Fig.4 Performance curves of 210 t VD finery

表3 210 t VD爐工藝參數(shù)表Table 3 Technological parameters of 210 t VD finery

由于凈空高度過低，導(dǎo)致真空泵全部投入減緩。在4級和3級泵工作期間，溢濺趨勢顯著。為了避免溢濺，通入過量高壓氮?dú)鈮涸?，減緩了真空泵抽氣時(shí)間，致使平均用時(shí)15左右。然而，新鋼正在積極控制渣系流動性、黏度及渣厚，優(yōu)化精煉工藝。同時(shí)，操作人員也在努力熟練操作工藝，相信最終進(jìn)泵時(shí)間能夠被縮短至10 min以內(nèi)。

5 結(jié)論

(1)提高真空度，減少氬氣流量，保持恒能攪拌，能夠防止溢濺，彌補(bǔ)凈空高度過小的缺陷;

(2)真空泵抽氣能力越大，極限真空度越高，則脫氣速度越大，時(shí)間越短;

(3)維持適量底吹氬，可以有效控制鋼液裸露面積，減低溫降;

(4)新余210 t VD配備了1000 kg/h，極限真空度＜15 Pa(攜帶鋼水處理時(shí))的大抽氣量真空泵系統(tǒng)，保證了精煉效果;

(5)生產(chǎn)效果證明，該精煉爐具有超大高效低能耗的優(yōu)點(diǎn)，能夠在650 mm的小凈空高度下實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)工藝指標(biāo)，滿足420 mm特厚板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)需要。

［1］ 張虎．SKF和VD爐真空精煉過程中鋼水的沸騰［J］．安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院報(bào)，2005(4)．

［2］ 唐利民，何航，楊勇等．120 t VD脫氫影響因素分析及工藝參數(shù)優(yōu)化［J］．山東冶金，2007(5)．

［3］ 左秀榮．30tEAF-LF-VD冶煉軸承鋼的工藝優(yōu)化［J］．特殊鋼，1999(5)．

［4］ 王天瑤．新建VD的技術(shù)特點(diǎn)及冶金效果［J］．煉鋼，2010(3)．

［5］ 張鴻金．鋼包底吹氬攪拌對鋼液的影響［J］．重慶工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，1999(1)．