雙VOD爐冶煉的研究與應(yīng)用

張永華

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

雙VOD爐冶煉的研究與應(yīng)用

張永華

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津300301）

為了提升不銹鋼的產(chǎn)能，對(duì)現(xiàn)有的VOD爐進(jìn)行改造，通過增加罐蓋車系統(tǒng)、真空泵系統(tǒng)和真空切換盒系統(tǒng)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了雙VOD處理的工藝，提高了VOD的生產(chǎn)效率，縮短了鋼水在VOD的處理時(shí)間，增加了不銹鋼的產(chǎn)量，降低了生產(chǎn)成本，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

VOD爐；不銹鋼；罐蓋車系統(tǒng)

1 引言

VOD爐是爐外精煉非常重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，VOD爐對(duì)提高鋼的純凈度、精確控制成分含量及細(xì)化組織結(jié)構(gòu)等方面都起到重要作用,使冶煉成本大幅降低,同時(shí)提高了鋼的品質(zhì)和性能。VOD法是將鋼包放入真空罐內(nèi)從頂部的氧槍向鋼包內(nèi)吹氧脫碳,同時(shí)從鋼包底部向上吹氬攪拌。其實(shí)現(xiàn)了低碳不銹鋼冶煉的必要的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的條件，即高溫、真空、攪拌。

2 雙VOD改造的意義

目前高合金鋼、不銹鋼的生產(chǎn)工藝為：電爐+感應(yīng)爐→LF→VOD→模鑄（連鑄）→鍛造。該工藝冶煉時(shí)間較長，在VOD單爐需處理4 h以上，很難組織連澆。而且使用模鑄、鍛造或連鑄單澆成材率低，總體成本上不經(jīng)濟(jì)，產(chǎn)品競爭力不強(qiáng)。為滿足公司發(fā)展要求，特別是完善不銹鋼、（超）高合金鋼等品種生產(chǎn)技術(shù)上的裝備，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，進(jìn)一步提高這部分產(chǎn)品的競爭力，特提出本改造方案。采用EAF→LF→1#VOD(或2#VOD)→連鑄（模鑄）→鍛造工藝。

雙VOD改造就是將現(xiàn)在的VOD冶煉過程分解為三個(gè)子工位，即當(dāng)?shù)谝粻t真空吹煉時(shí)，第二爐進(jìn)入二工位，第一爐吹煉結(jié)束做真空碳脫氧及利用真空料倉進(jìn)行合金化還原的同時(shí)，第二爐進(jìn)行真空吹煉。當(dāng)?shù)谝粻t合金化完成時(shí)，將其吊至LF鋼包車上進(jìn)行成分微調(diào)和溫度調(diào)整，為第三爐VOD處理騰空罐位，如此實(shí)現(xiàn)不銹鋼等高級(jí)別鋼種的連續(xù)生產(chǎn)。

3 改造內(nèi)容

現(xiàn)有二煉鋼VOD爐設(shè)備系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，要想實(shí)現(xiàn)連鑄連澆的方式冶煉不銹鋼的工藝，就必須縮短在VOD工位的處理時(shí)間，需在現(xiàn)有VOD工位上，實(shí)現(xiàn)一個(gè)罐坑內(nèi)進(jìn)行高真空的狀態(tài)下進(jìn)行吹氧處理操作，同時(shí)在另一個(gè)罐坑也能夠進(jìn)行真空處理操作，即實(shí)現(xiàn)雙罐蓋雙處理的工藝。根據(jù)現(xiàn)有VO的設(shè)備系統(tǒng)情況，就必須對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，同時(shí)還要增加一些設(shè)備，以及對(duì)所需的能源介質(zhì)等進(jìn)行重新核算。

現(xiàn)有二煉鋼VOD爐為一套真空處理系統(tǒng)，一套移動(dòng)蓋車，兩個(gè)處理工位，改造完成后為兩個(gè)處理工位，兩套移動(dòng)蓋車，兩套真空處理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)雙工位同時(shí)進(jìn)行真空處理。增加了一套真空罐蓋車系統(tǒng)，增加了一套真空下料系統(tǒng)，并對(duì)原有真空下料系統(tǒng)進(jìn)行了改造。增加了一套水冷氧槍系統(tǒng)，并將原有的水冷氧槍系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)改為變頻控制，使氧槍的運(yùn)行速度更加平穩(wěn)，位置控制更加準(zhǔn)確。增加了一套MTA系統(tǒng)，并對(duì)原有MTA系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。增加了一套VOD真空泵系統(tǒng)（包括4臺(tái)水環(huán)泵，一套E4a噴射泵，蒸汽流量調(diào)節(jié)設(shè)備，冷凝器和洗滌器），并將水環(huán)泵控制系統(tǒng)改為軟啟動(dòng)器啟動(dòng)。為了避免VOD處理時(shí)CO爆燃，雙VOD改造增加了氮?dú)馄瓶障到y(tǒng)。雙VOD改造采用真空切換盒系統(tǒng)代替原有的彎管小車系統(tǒng)，并對(duì)其相應(yīng)的管道經(jīng)行了重新布置。對(duì)現(xiàn)有熱水井進(jìn)行了擴(kuò)容，增大了熱水井的蓄水量，并將熱水井回水泵電機(jī)改為變頻控制，可有效控制熱水井水位的同時(shí)降低能耗。

3.1 現(xiàn)有設(shè)備分析

VOD現(xiàn)有設(shè)備包括2個(gè)正空處理位、1套蓋車系統(tǒng)、1套正空系統(tǒng)、彎管小車。

（1）正空處理位由一個(gè)密閉的罐體組成。（2）真空罐蓋由3條油缸吊掛在罐蓋車框架上，并通過油缸實(shí)現(xiàn)上下升降。（3）真空泵系統(tǒng)主要由四級(jí)蒸汽噴射泵，一級(jí)水環(huán)泵（4臺(tái)并聯(lián)）一級(jí)冷凝器及洗滌器組成。噴射泵由噴射泵本體及拉瓦爾噴嘴及針閥組成。（4）彎管小車可以實(shí)現(xiàn)真空系統(tǒng)在1#、2#處理位的切換。

3.2 新增設(shè)備

改造后要想實(shí)現(xiàn)雙VOD處理功能，就必須增加部分設(shè)備，改造后的系統(tǒng)見圖1。

圖1 雙系統(tǒng)真空系統(tǒng)圖

（1）真空罐蓋

真空罐蓋由3條油缸吊掛在罐蓋車框架上，并通過油缸實(shí)現(xiàn)上下升降。罐蓋上有各種與周圍設(shè)備相關(guān)的孔口法蘭及支架等。并設(shè)有水冷氧槍和真空合金料斗。罐蓋下口是真空罐密封的大法蘭。罐蓋上部屬封頭型。在封頭內(nèi)部打結(jié)有耐火材料，在其下部才有吊桿來吊掛水冷鋼包蓋，罐蓋與鋼包蓋之間裝有水冷中心板。為了便于觀察鋼水在真空狀態(tài)下的反應(yīng)狀體，罐蓋上還配有攝像頭，觀察孔。罐蓋法蘭外徑：Φ6 100 mm，罐蓋高：2 040 mm。

（2）水冷氧槍

為實(shí)現(xiàn)真空條件下吹氧脫碳的目的，罐蓋上裝有水冷氧槍，它靠支架固定在罐蓋上部，并通過齒輪電動(dòng)機(jī)、鏈條及鏈輪等裝置實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，罐蓋開孔用于氧槍進(jìn)入下部鋼包內(nèi)，開孔處通過密封箱實(shí)現(xiàn)對(duì)槍體的密封。氧氣流量2 000 m3/h，壓力1.6 MPa,氧槍長度5 542 mm,氧槍升降速度0～10 m min,變頻控制，電機(jī)4 kW,氧槍直徑：150 mm。

（3）真空合金料斗

為實(shí)現(xiàn)真空條件下合金料的加入，罐蓋頂部設(shè)有合金料斗，靠鋼結(jié)構(gòu)支架固定于罐蓋上，由上部料斗、下部料斗及連接管等組成。加料有料斗頂部氣缸帶動(dòng)下料裝置完成。上部料斗容積2 m3，下部料斗容積2 m3，合金顆粒10~70 mm。

（4）真空罐蓋車

真空罐蓋車主要由1個(gè)提升罐蓋裝置的鋼結(jié)構(gòu)車架和4個(gè)車輪組成。其中2個(gè)主動(dòng)輪，2個(gè)被動(dòng)輪，分別由帶制動(dòng)器的電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)。車頂部有一個(gè)工作平臺(tái)，便于人工觀察和維護(hù)。各種介質(zhì)管線通過高架雙拖鏈與罐蓋車連接。

（5）真空泵系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由一級(jí)蒸汽噴射泵、一級(jí)水環(huán)泵（臺(tái)并聯(lián)）及一級(jí)冷凝器及洗滌器組成。噴射泵由噴射泵本體及拉瓦爾噴嘴及針閥組成，針閥可以控制噴嘴內(nèi)蒸汽流量，以便更好地控制真空度。真空系統(tǒng)所需蒸汽用現(xiàn)有蒸汽系統(tǒng)，完全能滿足要求。技術(shù)參數(shù)：噴射泵抽真空10 kPa，噴射泵抽氣能力2 00 m3/h，水環(huán)泵抽真空33 kPa，水環(huán)泵抽氣能力4 30 m3/h，工作蒸汽壓力1.2 MPa，蒸汽溫度200℃，洗滌器尺寸1 600 mm×4 500 mm，冷凝器尺寸1 50 mm×3 500 mm。

（6）新增真空切換盒系統(tǒng)

真空切換盒系統(tǒng)取代以前的彎管小車系統(tǒng)，位于1#罐與2#罐之間，以保證兩個(gè)工位同時(shí)工作，便于兩個(gè)工位直接的切換工作。真空切換盒工藝見圖2。

圖2 真空切換盒工藝圖

3.3 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）真空系統(tǒng)的切換

改造完成后，通過真空切換盒即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)罐坑內(nèi)進(jìn)行真空狀態(tài)下吹氧脫碳處理操作，在另一個(gè)罐坑同時(shí)進(jìn)行高真空處理操作，即實(shí)現(xiàn)雙罐蓋雙工位處理的工藝。兩套系統(tǒng)同時(shí)工作，工作壓力不同，且互相不能受到影響，真空切換盒的設(shè)計(jì)很好地完成了此項(xiàng)功能，保證了兩套真空系統(tǒng)可以隨意選擇在1#、2#處理位使用。

（2）破空位置選擇

VOD處理過程中需要吹入一定量的氧氣，勢(shì)必要產(chǎn)生CO，破空時(shí)大量空氣進(jìn)入罐體，如果條件合適會(huì)發(fā)生爆炸危險(xiǎn)。為了排除這種爆炸發(fā)生的可能，引入氮?dú)馄瓶?。如果氮?dú)馄瓶拯c(diǎn)選擇在罐體破空，那么破空時(shí)罐體內(nèi)的煙塵會(huì)流向真空管道，長時(shí)間會(huì)堵塞真空管道。經(jīng)過討論選擇在切換盒上安裝破空點(diǎn)，這樣在破空是不會(huì)堵塞罐體附近的真空管道。根據(jù)計(jì)算每次破空需要15 m3氮?dú)?，氮?dú)饬髁?00 m3/h，壓力1.0 MPa。

（3）真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新增的VOD真空泵系統(tǒng)采用4臺(tái)水環(huán)泵，一級(jí)蒸汽泵，二級(jí)蒸汽泵增加了蒸汽流量調(diào)節(jié)設(shè)備，既保證真空罐坑內(nèi)真空度的穩(wěn)定，又可調(diào)節(jié)蒸汽流量，極大地節(jié)約了蒸汽。

（4）控制系統(tǒng)

改造將水環(huán)泵的啟動(dòng)方式改為軟啟動(dòng)器啟動(dòng)對(duì)水環(huán)泵起到了極大的保護(hù)作用，并且將熱水井回水泵的控制方式改為變頻控制，有效控制熱水井的水位，同時(shí)降低了能耗。增加了一套MTA系統(tǒng)，并對(duì)現(xiàn)有MTA系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造，增加了自動(dòng)在線校驗(yàn)功能自動(dòng)效驗(yàn)裝置，安裝在兩尾氣采樣分析MTA之間，并且連接號(hào)，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)在線自動(dòng)效驗(yàn)增強(qiáng)了MTA系統(tǒng)檢測的準(zhǔn)確性。

4 生產(chǎn)應(yīng)用及效果分析

雙VOD改造提高了VOD的生產(chǎn)節(jié)奏，改造前只有一個(gè)罐蓋，VOD只能處理一爐鋼水，改造后增加了一套罐蓋車系統(tǒng)，可同時(shí)處理兩爐鋼水，實(shí)現(xiàn)一個(gè)罐坑內(nèi)進(jìn)行高真空的狀態(tài)下進(jìn)行吹氧處理操作，同時(shí)在另一個(gè)罐坑也能夠進(jìn)行真空處理操作即實(shí)現(xiàn)雙罐蓋雙處理的工藝?？s短了鋼水在VO的處理時(shí)間，提高了VOD的生產(chǎn)節(jié)奏，不銹鋼鑄坯的產(chǎn)量得到提升。雙VOD改造提高了VOD設(shè)備的安全性，VOD氮?dú)馄瓶障到y(tǒng)的增加避免了VOD處理時(shí)CO的爆燃及爆炸，水環(huán)泵控制改為軟啟動(dòng)器啟動(dòng)后，極大地保護(hù)了水環(huán)泵電機(jī)，同時(shí)減少對(duì)整個(gè)煉鋼電網(wǎng)的影響。

5 結(jié)論析

雙VOD改造完成后實(shí)現(xiàn)了雙罐蓋雙工位處理的工藝。實(shí)現(xiàn)了高合金鋼，不銹鋼的四爐連澆生產(chǎn)（改造前由于VOD處理時(shí)間長，只能進(jìn)行模鑄生產(chǎn)），平均VOD單爐處理時(shí)間縮短到1.5 h，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于雙相鋼、鎳基合金、H13等采用模鑄+鍛造工藝，對(duì)于9Cr、13Cr、HP13Cr、SUP13Cr等采用大圓坯連鑄+鍛造工藝，對(duì)于奧氏體不銹鋼可實(shí)現(xiàn)連鑄坯+直接軋制管材工藝?？s短了高合金鋼、不銹鋼的冶煉時(shí)間，增強(qiáng)了連鑄連澆成材率，降低了高合金鋼、不銹鋼的生產(chǎn)成本。雙VOD改造增加了MTA的在線校驗(yàn)功能，提高了MTA的準(zhǔn)確性，更能直觀、準(zhǔn)確地檢測到VOD處理時(shí)罐坑內(nèi)鋼水的反應(yīng)情況，為后續(xù)鋼水成分的調(diào)節(jié)，還原劑的添加提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，提高了生產(chǎn)的高合金鋼，不銹鋼的鑄坯質(zhì)量。

Study and Application of Double VOD Furnace Melting

ZHANG Yong-hua
(Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

In order to increase the capacity of stainless steel,the existing VOD furnace was revamped,i.e., adding cover carriage system,vacuum pump system and vacuum switching box system.The process of double VOD furnace treatment was achieved.VOD productivity was improved and steel treatment time at VOD furnace shortened.The capacity of stainless steel was increased and production cost lowered.Good economic benefit was achieved.

VOD furnace;stainless steel;cover carriage system

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.05.003

2016-05-15

2016-06-07

張永華（1977—），男，工程師，主要從事冶金設(shè)備自動(dòng)控制技術(shù)管理工作。