周小川（濟(jì)南鋼鐵集團(tuán),山東濟(jì)南 250101）

RH/TCOB精煉工藝的實(shí)踐與優(yōu)化

周小川（濟(jì)南鋼鐵集團(tuán),山東濟(jì)南 250101）

介紹了濟(jì)鋼第三煉鋼廠的RH/TCOB真空精煉裝置的設(shè)備及工藝模式，針對(duì)生產(chǎn)組織和工藝控制中存在的問(wèn)題對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并在較短的時(shí)間里順利地進(jìn)行了多個(gè)鋼種的試生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化后生產(chǎn)的鋼水的潔凈度明顯提高，全氧含量達(dá)到（20～30）×10-6，為生產(chǎn)潔凈鋼創(chuàng)造了條件，取得了較好的效益。

鋼水 鋼包 精煉 環(huán)流量 工藝參數(shù) 優(yōu)化

1 前言

RH是由德國(guó)1959年設(shè)計(jì)并投產(chǎn)成功。設(shè)計(jì)的最初目的是用于鋼液的脫氫處理，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，RH已經(jīng)發(fā)展成具有脫氣、脫氧、噴粉脫硫、成分微調(diào)、化學(xué)升溫、去除夾雜凈化鋼水等功能的快速高效冶煉純凈鋼的精煉工藝和設(shè)備。為了適應(yīng)濟(jì)鋼當(dāng)前技術(shù)升級(jí)，質(zhì)量提升，品種開(kāi)發(fā)的迫切需要，濟(jì)鋼三煉鋼廠從奧鋼聯(lián)（VAI）公司引進(jìn)了一套具有世界先進(jìn)水平的RH/TCOB設(shè)備。針對(duì)三煉鋼廠RH/TCOB的工藝特點(diǎn)和設(shè)備狀況，探索出相應(yīng)工藝操作措施，進(jìn)而可對(duì)RH/TCOB工藝進(jìn)行優(yōu)化和新鋼種的開(kāi)發(fā)。

2150 tRH/TCOB真空精煉裝置的設(shè)備與工藝

2.1 濟(jì)鋼的RH/TCOB設(shè)備能力參數(shù)

濟(jì)鋼的RH/TCOB裝置示意圖見(jiàn)圖1。

主要參數(shù)如下：

日處理爐數(shù)/爐：27

平均每爐鋼水量/t：150

年處理鋼水量/wt：120

平均處理周期/min：38

RH型式：雙工位拼合式罐體

真空泵形式：5個(gè)蒸汽噴射真空泵+2個(gè)冷凝器+4個(gè)水環(huán)泵

抽吸能力：0.067 kPa時(shí)約650kg/h；8 kPa時(shí)約3 000kg/h

TCOB升溫/℃/min：≥4

吹氧流量/Nm3/h：1 800

2.2 RH/TCOB處理的工藝模式

2.2.1 輕處理模式

輕處理是指在6～26 kPa的真空度下對(duì)鋼水脫氧成分、溫度、進(jìn)行調(diào)整的處理模式。如處理前鋼水脫氧完全，可在真空脫氣的同時(shí)對(duì)成分和溫度進(jìn)行調(diào)整；如處理未脫氧鋼水或脫氧不完全的鋼水，則需利用真空下C-O反應(yīng)活動(dòng)強(qiáng)的條件，使鋼中氧和碳結(jié)合生成CO隨廢氣抽走，這樣可以有效地減少脫氧鋁的用量。也可提高鋼水的潔凈度。通過(guò)這種方法大量處理多爐低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，該法節(jié)約鋁約1kg／t鋼，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2.2 本處理模式

本處理是指在真空度小于0.27 kPa下盡量去除氫氮氧等雜質(zhì)，并調(diào)整鋼水成分溫度的處理模式。濟(jì)鋼RH/TCOB抽真空能力較好，預(yù)抽真空條件下，一般3 min內(nèi)即可達(dá)到0.27 kPa以下。同時(shí)，環(huán)流量可調(diào)98～135t/min，具有較大的真空室內(nèi)反應(yīng)界面和反應(yīng)動(dòng)力，使鋼中氣體的去除速度大大提高并能加快夾雜的上浮和吸附。通過(guò)熱試以來(lái)的生產(chǎn)表明，真空度小于0.27 kPa處理大于15 min，平均[H]＜1.5×10-6，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

2.2.3 TCOB氧槍處理模式

TCOB氧槍處理主要是用來(lái)加鋁吹氧化學(xué)升溫和低碳鋼的強(qiáng)制脫碳。以約1800 Nm3/h的氧氣流量和5 000 mm的槍位在0.7～1.2 kPa的真空度下吹氧，氧氣收得率約60%～70%。不脫氧鋼通過(guò)激烈的C-O反應(yīng)可使[C]＜30×10-6。加鋁吹氧升溫則需根據(jù)鋼水的初始溫度和過(guò)程溫降決定升溫度數(shù)，一般能達(dá)到4～7℃/ min。平均吹100 Nm3的氧氣[Mn]和[Si]分別損失0.01%和0.015%。

3 RH/TCOB投產(chǎn)以來(lái)的主要問(wèn)題與優(yōu)化

濟(jì)鋼RH/TCOB設(shè)備先進(jìn)，真空系統(tǒng)，鋼包車(chē)系統(tǒng)，氧槍系統(tǒng)等運(yùn)行較好，能夠快速地達(dá)到真空處理的要求。但是由于RH對(duì)于濟(jì)鋼來(lái)講是一個(gè)全新的工藝，陸續(xù)暴露出一些在生產(chǎn)組織和工藝控制等方面與原有煉鋼系統(tǒng)不協(xié)調(diào)的問(wèn)題，對(duì)于濟(jì)鋼的生產(chǎn)組織和RH的正常處理帶來(lái)較大的影響?，F(xiàn)探討工藝和優(yōu)化如下。

3.1 環(huán)流量的確定

環(huán)流量是指單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入真空槽內(nèi)的鋼水量，t/min。合理的環(huán)流量有利于促進(jìn)鋼水的脫氣脫碳反應(yīng)，促進(jìn)夾雜上浮，均勻成分和溫度。對(duì)于輕處理和本處理而言，環(huán)流量占鋼水總量的70%～75%較為合理，既有合適的鋼水每次循環(huán)在真空槽內(nèi)平均停留時(shí)間，利于脫氣，又有合適的鋼水混勻時(shí)間，利于鋼水都能進(jìn)入真空槽，減少鋼水循環(huán)死區(qū)。生產(chǎn)超低碳鋼時(shí)為了利用真空條件下快速脫碳，脫碳期間環(huán)流量應(yīng)該占鋼水總量的75%以上。

式中:Q—環(huán)流量t/min；

G—環(huán)流氣流量Nm3/min；

D—浸漬管內(nèi)徑m；

P0，p分別是大氣壓和槽內(nèi)壓力kPa；

濟(jì)鋼150t RH設(shè)備的D=0.55 m，大氣壓P0=100 kPa，槽內(nèi)氣壓P=0.067 kPa，環(huán)流氣流量在60～150 Nm3/h即1～2.5 Nm3/min內(nèi)可調(diào)。取環(huán)流氣流量分別為1Nm3/min，1.2Nm3/min，1.4Nm3/min，1.6Nm3/min，

1.8 Nm3/min，2.0Nm3/min，分別帶入公式（1）可計(jì)算出相應(yīng)的環(huán)流量,見(jiàn)表1。

表1 不同環(huán)流氣流量下鋼水環(huán)流量

考慮到真空狀態(tài)下鋼水脫氧不完全時(shí)鋼水反應(yīng)較為激烈，而真空槽由于生產(chǎn)爐次之間進(jìn)行了噴補(bǔ)作業(yè)，烘烤時(shí)間短，槽內(nèi)溫度降低等原因容易造成鋼水飛濺至槽壁形成冷鋼。因此，剛開(kāi)始抽真空3～5 min時(shí)內(nèi)提升氣體流量應(yīng)該適當(dāng)調(diào)低，一般60～72Nm3/h即可。之后根據(jù)槽內(nèi)反應(yīng)情況可適當(dāng)加大環(huán)流氣流量72～96Nm3/h處理大于16 min促進(jìn)鋼水脫氣和夾雜物上浮。對(duì)于吹氧脫碳模式，吹氧時(shí)環(huán)流氣流量不宜過(guò)大，吹氧之后，為了快速脫碳要適當(dāng)提高環(huán)流量，即環(huán)流氣流量96Nm3/h以上。脫碳結(jié)束后加鋁脫氧和微調(diào)合金時(shí)需要將環(huán)流量適當(dāng)降低，減少鋼水卷渣和過(guò)程溫降。

3.2 鋼包渣系的確定

煉好鋼即使造好渣，根據(jù)不同的精煉目的，應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)渣系最佳頂渣成分。據(jù)文獻(xiàn)[1]報(bào)道，推薦的脫氧頂渣成分如見(jiàn)表2。

表2 頂渣成分

由表2可知，濟(jì)鋼RH頂渣主要利于CaO-Al2O3-SiO2三元渣系進(jìn)行脫氧，吸附脫氧產(chǎn)物主要是鋼水中的Al2O3。其中CaO和Al2O3可生成低熔點(diǎn)化合物CaO·6Al2O3，CaO·2Al2O3，CaO·Al2O3，12CaO· 7Al2O3，3CaO·Al2O3，這些復(fù)雜分子的生成，消耗了相當(dāng)比例的Al2O3，使Al2O3活度降低。同時(shí)由于Al2O的存在渣子熔點(diǎn)降低，使得該渣系與脫氧產(chǎn)物有很小的界面張力，可使脫氧產(chǎn)物Al2O3很快被吸附和融入合成渣,鋼水全氧含量可達(dá)到（20～30）×10-6甚至更低。

同時(shí)從表2可知，要求渣中（FeO+MnO）很低，而轉(zhuǎn)爐直接提供給RH的鋼水往往在出鋼時(shí)帶入的轉(zhuǎn)爐渣造成鋼包渣中（FeO+MnO）含量較高，如果不進(jìn)行鋼包渣改質(zhì)，渣中（FeO+MnO）將是RH處理以及澆鑄過(guò)程中鋼水二次氧化的主要來(lái)源。研究發(fā)現(xiàn)[2]，在純脫氣15 min條件下，（FeO+MnO）=2%時(shí)，鋼中總氧含量為0.002 48%；（FeO+MnO）=10%時(shí)，鋼中總氧含量為0.003 22%；（FeO+MnO）=20%時(shí)，鋼中總氧含量為0.004 14%。由此可見(jiàn)，需要嚴(yán)格控制鋼包渣中（FeO+ MnO）含量。首先，要求出鋼時(shí)采取有效的擋渣操作，減少下渣；其次，出鋼后對(duì)鋼包渣進(jìn)行還原改質(zhì)，使渣中（FeO+MnO）＜2%。對(duì)于IF鋼等超低碳鋼，脫碳結(jié)束后保證（FeO+MnO）＜10%,乃至＜5%。

3.3 過(guò)程溫度控制

根據(jù)不同的工藝路線，RH過(guò)程溫度控制可分為只走RH的單聯(lián)法和走LF/RH（或RH/LF）工藝的雙聯(lián)法。由于雙聯(lián)法可走LF升溫，可以視溫降情況由LF升溫即可，對(duì)于RH過(guò)程溫度控制相當(dāng)有利，完全可以避免在RH吹氧升溫。對(duì)于單聯(lián)法生產(chǎn)，部分爐次由于鋼水從出鋼到RH過(guò)程溫降較大，鋼水到達(dá)RH時(shí)溫度較低，須加鋁吹氧升溫。以SPHC系列鋼種為例，根據(jù)濟(jì)鋼生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì)，轉(zhuǎn)爐出鋼溫度達(dá)到1 680℃以上，鋼水到達(dá)RH時(shí)溫度在1 590℃～1 602℃。當(dāng)前條件下，RH輕處理過(guò)程溫降在30℃～35℃, RH站目標(biāo)溫度在1 580℃～1585℃，由此可知需要加鋁吹氧升溫20℃～30℃，但一方面造成成本升高（每升溫10℃需要加鋁46 kg），同時(shí)生成大量的Al2O3影響鋼水質(zhì)量。

因此，對(duì)于單聯(lián)法生產(chǎn)，為了避免吹氧升溫，必須從連鑄開(kāi)澆該爐次鋼水的時(shí)間開(kāi)始算起，倒推各個(gè)工序的作業(yè)時(shí)間和鋼水的溫降，RH提前向轉(zhuǎn)爐申請(qǐng)溫度，以鋼水到達(dá)RH溫度為目標(biāo)溫度控制。實(shí)踐表明，可以通過(guò)轉(zhuǎn)爐控制適當(dāng)?shù)某鲣摐囟群透纳铺燔?chē)周轉(zhuǎn)時(shí)間來(lái)保證鋼水到站溫度，減少或避免了鋼水升溫，改善了鋼水質(zhì)量和節(jié)約了成本。

3.4 鋼水均勻化優(yōu)化

3.4.1 鋼液混均時(shí)間的影響

根據(jù)T·Lehner的研究[3],把循環(huán)混合均勻看作各個(gè)流體分率i在反應(yīng)器內(nèi)通過(guò)多次循環(huán)而達(dá)到的均勻，則Ti/Tc=ln(100/i)，式中Ti表示混合達(dá)到某種程度所需時(shí)間稱為混均時(shí)間，Tc為環(huán)流時(shí)間。若以不均勻度±5%為混合均勻標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，混均時(shí)間記為T(mén)5，T5/Tc= ln(100/5)=3，即鋼液循環(huán)3次就達(dá)到了混合均勻，也即達(dá)到了均勻化。根據(jù)前文所述，鋼水環(huán)流量最小為99t/min，150 t鋼水循環(huán)一次最多需要150 t/99 t/min= 1.5min。由此可知，150 t鋼水混勻最多需要3×1.5 min即4.5 min。環(huán)流量越大，鋼水混勻時(shí)間越短。

3.4.2 合適的插入管內(nèi)徑和內(nèi)口形狀

新的浸漬管連續(xù)使用一定的爐次后，內(nèi)徑和下口都會(huì)發(fā)生變化。RH處理結(jié)束后,特別是在對(duì)鋼液進(jìn)行加鋁吹氧升溫后，不時(shí)會(huì)有殘?jiān)鼜恼婵帐蚁侣洳⒍氯谙陆倒軆?nèi)，使浸漬管內(nèi)徑變小，處理下一爐鋼液前必須清理掉這些殘?jiān)?，否則嚴(yán)重時(shí)下降管將逐漸堵死。當(dāng)浸漬管內(nèi)徑變小后，處理時(shí)間也未延長(zhǎng)，就會(huì)發(fā)生鋼液循環(huán)不良的情況。

另外根據(jù)文獻(xiàn)[4]采用的phoenics通用程序，解析RH鋼包內(nèi)主截面上的鋼液流線，由圖2可見(jiàn)，從下降管流出的鋼液基本上不擴(kuò)展地向下流動(dòng)，在到達(dá)包底后四散,再沿包壁向上流動(dòng)。而循環(huán)流在上升管下方的鋼包底部和下降流的右方形成，并且僅在極其接近上升管的端口區(qū)域才顯現(xiàn)出對(duì)其右方流體的抽吸作用。若插入管下口呈喇叭型，從下降管流出的鋼液不能直接流到鋼包底部，鋼液循環(huán)就會(huì)發(fā)生短路，進(jìn)而影響鋼液的均勻化。因此，必須維護(hù)好浸漬管才能保證鋼水循環(huán)和均勻化。

3.5 對(duì)鋼包的要求與改進(jìn)

RH處理要求鋼包要有合適的凈空，良好的保溫性能和合適的包襯耐材。

鋼包的良好的保溫性能是對(duì)煉鋼系統(tǒng)而言無(wú)疑是相當(dāng)重要。生產(chǎn)實(shí)踐表明，加強(qiáng)鋼包熱周轉(zhuǎn)，穩(wěn)定鋼包的溫降有利于操作人員控制好鋼水的溫度，減少升溫，對(duì)于生產(chǎn)組織，實(shí)現(xiàn)鑄機(jī)恒速拉鋼，穩(wěn)定鋼水質(zhì)量具有重要的作用。

濟(jì)鋼老系統(tǒng)是LF和VD為主，要求鋼包凈空較大，而對(duì)于RH而言，如果凈空過(guò)大，則對(duì)真空槽體設(shè)備和生產(chǎn)操作不利，一般要求凈空400 mm左右為宜。目前3～50爐包齡的鋼包的凈空一般在400 mm～700 mm，基本上能滿足RH處理。但是，大部分50爐包齡后的鋼包過(guò)大的凈空可能會(huì)造成無(wú)法處理，即使能夠處理，會(huì)使下部槽底部部分進(jìn)入了鋼包，由于鋼包內(nèi)的輻射熱，對(duì)于真空槽鋼殼造成一定程度的變形，使內(nèi)部耐材擠壓開(kāi)縫，鋼水進(jìn)入縫中加劇耐材損耗，縮短了耐材使用壽命，增加了使用成本。同時(shí)對(duì)測(cè)溫取樣造成困難，不易成功，無(wú)法及時(shí)有效地為操作人員提供過(guò)程參考，不利于連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。通過(guò)適當(dāng)?shù)丶雍癜r或增加出鋼量可以減少凈空，滿足RH生產(chǎn)。

RH鋼包包襯耐材主要是根據(jù)鋼種和冶煉工藝來(lái)選擇的,尤其是對(duì)于超低碳鋼[C]＜30×10-6，必須要選用專門(mén)的無(wú)碳包襯耐材，才能滿足生產(chǎn)要求。

4 結(jié)論

4.1 本文探討濟(jì)鋼RH/TCOB真空精煉處理相關(guān)工藝，由于RH/TCOB工藝與LF/VD等濟(jì)鋼現(xiàn)有精煉工藝在生產(chǎn)節(jié)奏銜接，工藝要求，設(shè)備維護(hù)方面有著較大的不同，有更嚴(yán)格的要求，總結(jié)并提出了相應(yīng)優(yōu)化措施。

4.2 經(jīng)過(guò)RH/TCOB工藝處理的鋼水，其全氧含量可達(dá)到（20～30）×10-6甚至更低，大部分夾雜都能夠上浮去除，鋼水的純凈度很高。為了防止鋼水的二次氧化受到污染，同時(shí)進(jìn)一步去除夾雜，對(duì)連鑄也提出了更高的要求。

4.3 RH/TCOB精煉工藝優(yōu)化項(xiàng)目的完成，為濟(jì)鋼生產(chǎn)超低碳鋼，潔凈鋼創(chuàng)造了條件，擴(kuò)大了鋼的品種，提升了鋼的質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

[1]知水，王平，侯樹(shù)庭.特殊鋼爐外精煉[M].北京：原子能出版社，1996.119.

[2]楊阿娜，劉學(xué)華，蔡開(kāi)科.煉鋼過(guò)程鋼中氧的控制[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2005，17（3）：21-25.

[3]T·Lehner.Homogenization,Desulfurization and Deoxidation of Liquid Steel by Powder Injection.Mc Master Symp[J].On Iron and Steelmaking,1979,（7）：533-547.

[4]肖興國(guó)，謝蘊(yùn)國(guó).冶金反應(yīng)工程學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1997.

Practice and Optimization of RH/TCOB Refining Process

Zhou Xiaochuan

The paper introduces the equipment and process mode of RH/TCOB vacuum refining device of Steel-making Plant 3,Jigang.The crucial process parameters are optimized in order to solve the problems at production organization and process control.In a short time,the trail production of some steel grades is carried out smoothly.The cleanliness of liquid steel after process optimization is improved prominently with total oxygen content up to(20～30)×10-6,creating conditions for clean steel production and gaining satisfactory benefit.

RH/TCOB refining,liquid steel,ladle,circulation flow rate,process parameter,optimization

（收稿 2009－11－5責(zé)編趙實(shí)鳴）

周小川，男，東北大學(xué)冶金工程專業(yè)和材料科學(xué)專業(yè)雙學(xué)士，濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)第三煉鋼廠助理工程師。