RH炉工作原理主要功能.docx
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RH炉工作原理主要功能
一、前言
1、RH的历史与发展
RH精炼全称为:
RH真空循环脱气精炼法。
于1959年由德国人发明,其中RH为当时德国采用RH精炼技术的两个厂家的第一个字母。
真空技术在炼钢上开始应用起始于1952年,当时人们在生产含硅量在2%左右的硅钢时在浇注过程中经常出现冒渣现象,经过各种试验,终于发现钢水中的氢和氮是产生冒渣无法浇注或轧制后产生废品的主要原因,随之各种真空精炼技术开始出现,如真空铸锭法、钢包滴流脱气法、钢包脱气法等,从而开创了工业规模的钢水真空处理方法,特别是蒸汽喷射泵的出现,更是加速了真空炼钢技术的发展。
随着真空炼钢技术的开发与发展,最终RH和VD因为处理时间短、成本低、可以大量处理钢水等优点而成为真空炼钢技术的主流,70年代开始随着全连铸车间的出现,RH因为采用钢水在真空槽环流的技术从而达到处理时间短、效率高、能够与转炉连铸匹配的优点而被转炉工序大量采用。
RH从开始出现到现在40多年来,有多项关键性技术的出现,从而加速了RH精炼技术的发展。
2、RH系统概述
RH系统设备是一种用于生产优质钢的钢水二次精炼工艺装备。
整个钢水冶金反应是在砌有耐火衬的真空槽内进行的。
真空槽的下部是两个带耐火衬的浸渍管,上部装有热弯管。
被抽气体由热弯管经气体冷却器至真空泵系统排到厂房外。
钢水处理前,先将浸渍管浸入待处理的钢包钢水中。
当真空槽抽真空时,钢水表面的大气压力迫使钢水从浸渍管流入真空槽内。
与真空槽连通的两个浸渍管,一个为上升管,一个为下降管。
由于上升管不断向钢液吹入氩气,相对没有吹氩的下降管产生了一个较高的静压差,使钢水从上升管进入并通过真空槽下部流向下降管,如此不断循环反复。
在真空状态下,流经真空槽钢水中的氩气、氢气、一氧化碳等气体在钢液循环过程中被抽走。
同时,进入真空槽内的钢水还进行一系列的冶金反应,比如碳氧反应等;如此循环脱气精炼使钢液得到净化。
经RH处理的钢水优点明显:
合金基本不与炉渣反应,合金直接加入钢水之中,收得率高;钢水能快速均匀混合;合金成分可控制在狭窄的范围之内;气体含量低,夹杂物少,钢水纯净度高;还可以用顶枪进行化学升温的温度调整,为连铸机提供流动性好、纯净度高、符合浇铸温度的钢水,以利于连铸生产的多炉连浇。
3、RH精炼技术的开发与应用
RH真空循环脱气是介于炼钢与连铸之间的一个钢水精炼设备,其作用是提高钢水质量,满足大批量生产IF钢等高难度、高附加值产品的需要;主要功能有脱碳、脱氧、脱气、脱硫、合金化成分调整、温度调整等。
其中钢水温度的有效控制是保证连铸工序顺畅的关键因素之一。
最初开发应用RH的主要目的是对钢水脱氢,防止钢中白点的产生,因此,RH处理仅限于大型锻件用钢、厚板钢、硅钢、轴承钢等对气体有较严格要求的钢种,应用范围很有限。
20世纪80年代,随着汽车工业对钢水质量的要求日益严格,RH技术得到迅速发展。
这一时期RH技术发展的主要特点如下:
(1)优化工艺、设备参数,扩大处理能力;
(2)开发多功能的精炼工艺和装备;
(3)开发钢水热补偿和升温技术;
(4)完善工艺设备,纳入生产工艺在线生产,逐年提高钢水真空处理比例。
4、RH冶炼超低碳钢
RH法是一种重要的炉外精炼方法,具有处理周期短、生产能力大、精炼效果好、容易操作等一系列优点,在炼钢生产中获得了广泛应用。
到目前为止,RH已经由原来单一的脱气设备转变为包含真空脱碳、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等多功能的炉外精炼设备。
而且随着技术的进步和精炼功能的扩展,在生产IF钢方面表现出了显著的优越性,是现代化钢厂中一种重要的炉外处理装置。
IF钢作为无间隙原子钢要求不断降低钢中碳含量,以提高冷轧钢板深冲性能.这就要求RH处理时,在生产允许的时间内把碳降至极低范围.另一方面,RH处理同样要求RH脱碳后的氧含量控制在尽可能低的程度,以减少钢中夹杂物,提高IF钢性能.因而必须研究RH的碳氧反应,系统分析和研究IF钢生产的工艺制度,为此建立RH脱碳与脱氧模型,通过模型定量分析各工艺参数对精炼过程及效果的影响,分析各种因素对于RH碳氧反应的影响,寻求最优化的生产工艺参数,强化脱碳反应,同时满足IF钢对质量的要求.
5、真空脱硫技术
近年来,RH真空脱硫技术逐渐受到人们的重视,这主要是由于RH真空脱硫具有以下独特的优越条件:
RH内高真空使钢液中氧活度降低,有利于脱硫反应的进行;在RH处理过程中脱硫避开了渣,所受钢包顶渣影响相对较小;在RH过程中脱硫,由于隔绝大气因此避免了空气对钢液的污染。
本文对RH真空脱硫技术进行了概述,期望为RH真空脱硫工艺操作及工艺优化提供参考。
6、RH生产钢种
现有所有钢种几乎都能通过RH进行生产,但由于成本较高,一般的普碳钢、低牌号合金结构钢不走RH。
RH生产钢种一般为以下几种。
6.1一般焊接高强度钢
钢种主要特点是依靠C,Mn作为提高强度的合金元素,这种钢种除要求成份外,还要考核碳当量。
低牌号对H无要求,个别强度级别高的钢种对H要求≤2ppm,是铝硅镇静钢,生产工艺用LD-LF-RH或者LD-RH。
最常见钢种有SS400,SM400,SS540,SM490,SM520,Wel-Ten590Re等。
6.2管线钢
制作输油输气用钢管的钢,称作管线钢。
其要求有良好的焊接性能。
各国均采用美国石油协会规范(API5L)。
通用为X系列,如X42-X46为低强度管线钢,X50-56为中强度管线钢,X60-X65-X70为高强度管线钢,X80,X100,X110为超高强度管线钢。
同时,管线钢根据使用场合的不同,也有不同的要求。
如我国四川的天然气中含有H2S,易形成H裂纹,发生突然断裂,则要求在这里使用的管线钢有较高的抗HIC性;如使用在海底的管线钢,则要求较高的抗海水腐蚀性能。
管线钢要求焊接性能优良,WES,LR不能高。
高强度级别的管线钢,如X100以上,要求裂纹敏感指数(Pcm)。
管线钢强度级别的提高不是依靠C,Mn的提高来实现的,而是依靠轧制时的控轧控冷来实现的,通过控轧控冷得到超细晶粒的钢。
强度级别高的钢种,需要添加微量元素,如Nb,V,B,Ti,Mo等。
对钢的纯净度要求极高:
一般S≤0.008%,高级的要求S≤0.005%,抗HIC的要求S≤0.003%,对夹杂物形态、球状氧化夹杂要求严格。
低强度管线钢对H无要求,高强度个别有要求,对N要求不严格。
工艺要求铁水进行铁水预处理,转炉采用低硫吹炼法。
一般LD-LF-RH,个别LD-RH。
6.3造船板及海洋探油平台用钢
本钢种要求更好的焊接性能,对强度不过分追求(各国标准不同,中国采用CCS标准,基本上大同小异。
根据强度分A,B,D,E四个系列,其中E系列需要过RH。
6.4耐候钢
在钢中加入P,Cu,Cr,Ni等元素使之在自然环境下提高耐腐性能的专用钢种,要求耐腐性能是普通钢的2~8倍,同时具有较高的强度和一定的焊接性能。
一般分为经济性耐候钢、高耐候钢和焊接性耐候钢。
6.5硅钢
硅钢是RH生产的较为高级的钢种,分为热轧硅钢片和冷轧硅钢片,现在热轧硅钢片基本淘汰,冷轧硅钢片分无取向硅钢片和有取向硅钢片,我国武钢生产的为有取向硅钢片,宝钢生产的为无取向硅钢片。
钢种要求超低碳、超低氮、超低硫,要求全氧较低,对P没有要求。
工艺上要求铁水探脱硫,转炉低硫低氮吹炼法,不走LF,RH采用特殊处理,必要时进行RH喷粉处理。
二、炉外精炼的基本原理
1、炉外精炼的基本原理
(1)吹氩的基本原理:
氩气是一种惰性气体,从钢包底部吹入钢液中,形成大量小气泡,其气泡对钢液中的有害气体(H2、N2)来说,相当于一个真空室,使钢中[H][N]进入气泡,使其含量降低,并可进一步除去钢中的[O],同时,氩气气泡在钢液中上沲而引起钢液强烈搅拌,提供了气相成核和夹杂物颗粒碰撞的机会,有利于气体和夹杂物的排除,并使钢液的温度和成分均匀。
(2)真空脱气的原理:
钢中气体的溶解度与金属液上该气体分压的平方根成正比,只要降低该气体的分压力,则溶解在钢液中气体的含量随着降低。
2、炉外精炼的任务
炉外精炼是把由炼钢炉初炼的钢水倒入钢包或专用容器内进一步精炼的一种方法,即把一步炼钢法变为二步炼钢法。
炉外精炼可以完成下列任务:
(1)降低钢中的硫、氧、氢、氮和非金属夹杂物含量,改变夹杂物形态,以提高钢的纯净度,改善钢的机械性能;
(2)深脱碳,在特定条件下把碳降到极低含量,满足低碳和超低碳钢的要求;
(3)微调合金成分,将成分控制在很窄的范围内,并使其分布均匀,降低合金消耗,提高合金元素收得率;将钢水温度调整到浇铸所需要的范围内,减少包内钢水的温度梯度。
3、RH真空精炼装置的主要参数
根据热力学规律,钢液内气体溶解度与钢液面上的气体分压力的平方根成正比,而钢液的脱碳反应,当反应生成的CO分压不断减少时,反应可以一致进行下去,真空处理即是利用真空作用,达到钢液脱气与脱碳的工艺目的。
但从动力学的角度考虑,RH的某些参数,例如钢液循环速率、氩气流量,真空室与钢包的尺寸及真空系统能力等,对反应速率与最终精炼效果有及其主要的作用。
下文主要阐述几个主要工艺参数的确定方法,分析RH的发展趋势。
a、钢水循环速度
钢水循环速度是指单位时间内进入真空室的钢水量,以t/min表示,也叫环流速度是衡量RH设备中钢水反应动力学条件的一个重要参数,目前技术发展趋势是使每分钟进入真空室的钢水量达到钢包内钢水总量的70%以上。
最大环流速度取决于浸渍管内径、环流气体流量及工作真空度。
选用较大的浸渍管内径及较低的环流气体流量有利于降低氩气消耗,并可使真空泵负荷降低,蒸汽和冷凝水消耗较少,因此可降低运行成本。
b、真空系统能力的配置
虽然国内外设计的真空泵系统中,4级泵和5级泵的配置在国内都有应用,在实践中效果不分伯仲。
而设计能力的计算方法也都大同小异。
国内外真空泵抽气能力的决定常用统计方法和经验办法,理论计算仅作为参考性依据。
真空泵抽气能力的设计有一个重要的原则是泵的性能在一定范围内不受水温、水量、汽压、汽量和泄露量的影响,因此项适当加大设计余量和抽气能力。
c、提升气体流量的控制
提升气体流量通常是可由公式计算的,这些公式的依据是模型试验得出的曲线。
对应不同的处理钢水量,有不同的提升气体范围,提升气体的喷管的设置现在的大多数做法是成环型布置,分上下两层,每层均匀分布。
对于>100t的RH来讲,多为12个点,每三个点为一个控制单元,单独控制,以便流量调节,调节范围1—2.3m3/min。
对于>200t的RH来讲,多为16个点,每四个点为一个控制单元,调节范围2.3—2.8m3/min。
需要指出的是,所谓的控制通常在高低两挡之间调整,并没有厂商宣传的那么高深。
d、钢包的主要尺寸
由于VD有净空的要求,钢包内钢水的净空最好在1000mm左右,以确保脱碳反应空间。
所以,在设计钢包时,多采用瘦高型,RH的特点刚好相反,它需要在处理位钢包内壁和真空室外壁之间大于200mm的空隙,如果有测温取样装置,可能此空隙要放大些,通常为400~450mm,为留出更大的间距,有时还要将真空室和钢包偏心错开布置。
由于需要人观察RH吸嘴插入的钢液面的情况,所以更希望钢包的设计以矮胖为好。
如果钢包净空大于lm操作人就很难观察到钢液面,造成操作困难。
所以最好钢液面上净空在300mm一500m之间。
。
三、我国RH真空精炼装置技术现状及国产化
当前,国内外的钢铁冶炼工艺技术发展突飞猛进,很多新工艺、新技术在新建钢炼钢项目上得到了很好的应用,如铁水预处理技术、复吹转炉与溅渣护炉技术、钢水炉外精炼技术等。
钢铁行业不仅要满足经济发展对钢材数量的需求,而且要满足对质量、品种等的需求。
特别是随着市场竞争的激烈程度加剧,必将出现优胜劣汰的残酷局面。
影响钢材质量和性能的重要因素之一就是钢中夹杂物的含量,气体含量及S,P含量,铁水预处理和钢水精炼技术,为全面优化下道工序和全面提升品种质量水平提供了最有效的手段。
随着我国钢铁企业对炉外精炼的重视程度越来越高,我国炉外精炼技术与装备的自主集成不仅将大有可为。
同时,也带来很多挑战。
我国炉外精炼装备亟待突破现存的技术瓶颈,加大技术装备研发力度,缩短与国外先进国家的差距,满足我国钢铁工业产业结构和产品结构调整的实际需求,
RH装置通常是指一个整体式或分体式真空室,RH处理时的所有冶金反应都是在真空室内进行的。
其底部有两个用耐火材料作内外衬的浸渍管,高温烘烤后使用,其上部与热弯管相连,再与抽真空系统相联通:
各种气体经热弯管,气体冷却器被真空泵系统抽出而排向大气。
其它部分还包含有真空室或钢包-液压或机械式-升降系统,以及RH—TOP多功能顶部喷枪和检测、取样系统:
真空室上部还设有真空加料系统供在真空下添加材料。
真空室本体、吸嘴及热顶盖的耐火材料内衬的修理及烘烤是在单独区域内进行的。
我国自主集成RH的差距,RH真空循环脱气精炼技术是继连铸之后迅速崛起的现代化炼钢技术之一,而且是钢液炉外精炼设备中技术含量最高、配套装置最多、功能最佳、脱碳效率最大、投资最昂贵的一种。
其主要技术关键是:
多功能顶枪、高效大抽气量蒸汽喷射真空泵、钢包(或真空室)液压顶升装置、真空室本体设计及自动化,计算机过程控制技术等。
这些技术关键已逐渐被国内技术界所掌握。
目前,我国还缺乏具有自主知识产权的RH顶枪装置,该装置在中国市场上仍主要被国外品牌所垄断,国产设备尚属空白。
问题并非在于设计和制造,主要由于缺有实践验证。
二是相关工艺控制软件的开发可以说还在起步阶段。
目前,在这方面主要有以下两种情况:
首先,已建精炼技术装备的工艺控制软件都是从国外引进的,其核心技术不为我们掌握。
其次,我国钢铁企业的软件应用人才较为匮乏,炉外精炼装备制造业现有的专业软件开发人员的水平与国外有较大差距。
特别是由于生产技术管理上的差距,决定了很难提供有效的合理的完整的统计数据给二级系统,让它座位优化计算的依据。
一致花了大价钱买来了外方的二级系统,很少有厂家有效利用,大多成了摆设。
这种情况严重影响我国迅速掌握该项核心技术,影响形成自主的过程控制技术。
RH的发展趋势:
随着与世界顶级的各家供货商的交流越多,我们发现各厂家的RH主体设备的差别很小,操作技术,消耗指标和最后的保证值都相差不大,当前,更多的关注是如何发挥RH的设备使用率。
目前,我国钢铁企业普遍采用高效连铸技术装备,连铸机拉速越来越快,出现了连铸生产环节等待炉外精炼环节的状况,限制了连铸机的生产效率。
所以在选择RH装置时多在布置上作文章,例如采用双工位布置。
通常在工艺布置上优化的,就更有希望得到项目。
典型的几个布置方案,如快速更换式,大包回转台式和简易双工位,舒适双工位,和豪华双工位等。
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