真空循环脱气冶金的工艺创新

  1前言

      多年来，钢材生产工艺被划分为初期的钢水生产环节和后续的钢水精炼环节后，炼钢工艺变得更加经济。初期炼钢环节的主要任务是得到普通钢水，这可以通过碱性氧气转炉冶炼铁水或电弧炉冶炼废钢实现。另外，CONARC工艺作为一项新技术，增加了炼钢工艺利用各种原材料的灵活性。后续精炼环节在出钢后的钢包内进行，其目的是通过各种精炼措施生产高质量钢材。

      钢包精炼的冶金设备可分为两种类型：一种是在真空条件下对钢水作进一步处理;另一种是在大气条件下对钢水作进一步处理。本文主要关注真空循环脱气工艺(RH)，该工艺是大多数高质量钢材生产的主要设备。主要是基于钢水再循环原理，自1957年投入到工业生产中，至今已有50多年的历史。为了提高炼钢工艺的灵活性，在RH基础上开发了RH-OB工艺和RH-TOP工艺。当前，许多钢厂在生产板材的工艺中使用了真空循环脱气工艺(RH);在特定区域，某些钢厂在生产长材的工艺中也使用该项技术。

      2利用RH和VD生产高质量工程用钢

      在考虑生产线条件后，在江苏省江阴市的江阴兴澄钢厂分两步建立一个新型的联合钢厂。

      第一阶段：建立1座高炉，1个铁水脱硫站，1座转炉，1座钢包，一套真空循环脱气设备(RH)，1套方坯连铸机，1套大方坯连铸机。

      第二阶段：建立1个铁水脱硫站，1座转炉，1座钢包，1座真空脱气炉(VD)。

      对于容积为100～120t、出钢出钢时间为36～40min的钢包，每年处理的钢水量为88.5万t。考虑到每日最大冶炼炉次为30炉、年平均每日冶炼炉次为15～20炉的情况，为第一阶段的新RH装置，配置了一个TOP枪喷系统，以及一个四级蒸汽喷射真空泵系统。

      产品包括不同钢种，比如高质量碳钢，合金结构钢，轴承钢，合金轴承钢，钢管和冷轧钢，这些钢材主要用于自动化工业。

      对于轴承钢，通常应用“电弧炉-钢包炉-真空脱气炉(VD炉)”工艺进行生产。近年来，循环真空脱气炉(RH炉)有取代真空脱气炉(VD炉)的趋势。这种趋势始于日本的SMI机构，该机构通过RH工艺进行洁净钢生产，可以生产出高性能的轴承钢。除了可以满足较高的钢材洁净度外，RH工艺能在真空条件下减小热量损失，实现了高效生产和经济的温度控制。通过试运行，江苏兴澄钢厂正在生产高质量的工程用钢，提供给自动化产业，如轴承钢，锻造用钢，曲柄轴或曲柄轴弹簧。钢水在钢包内实现了钢渣精炼，脱硫和合金化后，进入RH炉进行深脱氢，最后进行洁净化处理。

      对于生产牌号为100Cr6的轴承钢，对比两种不同生产工艺的氧含量可以发现，新的“转炉―钢包炉―循环真空脱气炉(RH)”工艺较传统的“转炉―钢包炉―真空脱气炉(VD)”工艺得到了更好的结果，表现RH炉的优势。

      3生产高质量管线钢

      通常，有两种基本的工艺来生产这种钢材：

      (1)传统的“转炉―钢包炉―VD”工艺，某些钢厂应用该流程生产各自的产品;

      (2)“电弧炉/转炉―钢包炉―RH”工艺，某些钢厂已经使用了这种新的流程。两种工艺有各自的优缺点。根据用户的具体要求，选择不同的优化方案。根据最终产品的所需特性和冶金要求，制定了一系列标准。

      利用新的“电弧炉/转炉―钢包炉―RH”工艺生产高质量管线钢时，经过顶渣脱硫后，可以得到与VD炉脱硫效果相当的最终硫含量。但是，其结果是增加了钢水中氮含量，因此，在RH后续的脱气过程中需要进一步脱氮，以满足钢材性能要求。因此，应用不同的工艺流程可以得到相同的效果，但是需要根据具体情况来正确评估优化方案。

      4利用RH和VD生产特殊钢

      RH工艺主要用于高产条件下实现快速脱碳和较短的循环时间。在RH炉内的真空环境下，CO大量生成，炉内的钢水飞溅强烈，这将导致钢水在炉内结壳，降低产量。保持炉内的耐火材料较高的温度可以有效减少钢水结壳。许多年前SMSMavac已经成功证实，通过弯曲的热排管可以从气体冷却过程中吸热。然后，炉顶的喷枪加热装置可进一步加热RH炉。人们希望钢水在RH炉内的循环次数越少越好，因此，钢水喷射用的真空泵吸入量必须越来越大。

      虽然RH炉具有上文所述的特点，然而在实际生产中的脱碳初期，真空条件下钢水的飞溅降低了脱碳速率。为了优化该工艺，RH炉内的真空度必须加以控制。通常来讲，泄露装置的引入可以用于控制炉内的真空度。如果操作正确，脱碳初期的钢水飞溅可以随时控制在可接受范围内。但是，必须充分考虑错误的漏气分析和漏气测量带来的负面影响。自SMSMevac引入吸入量可调节的钢水喷射装置后，很好地解决了该问题。值得注意的是，影响RH炉内的钢水飞溅因素主要有以下几点：

      (1)钢水中碳元素和氧元素在钢水中的溶解度;

      (2)RH炉内真空度下降速率;

      (3)气体循环量;

      (4)排气管道的物理形状。

      当前，现代RH装置配备了可调真空泵。RH内的压力下降过程视炉内钢水的飞溅程度连续调节。在任何压力条件下，真空泵可根据钢水飞溅程度随时实现快速脱碳。在稳定、可重复实现的冶金结果条件下，实现了较短的脱碳时间。而且，钢厂效益不再受制于炉内钢水的大量结壳，这种经过改良的RH工艺被命名为RH-SC工艺，成为SMSMevacGmbH的注册商标。

      5结论

      选择生产高附加值钢种时，考虑最终目标十分重要。在二次精炼过程中，采取不同的冶金工艺流程均可实现对最终产品的冶金要求，比如氢含量，氧含量，氮含量，硫含量，磷含量，碳含量以及这些元素的综合含量。技术的进步改善了钢厂效益和钢材质量的稳定性。另外，钢厂的投资效益取决于能否跟上市场对钢材质量和数量需求的变化，以及能否充分利用冶金工艺流程的灵活。

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