扁平单管型真空精炼炉的开发及冶金特性研究

蒋树锴，沈　昶，潘远望，胡玉畅，浦绍敏，解养国

(1.马钢股份公司　2-6.安徽省高性能轨道交通新材料及安全控制重点实验室　安徽马鞍山　243000)



扁平单管型真空精炼炉的开发及冶金特性研究

蒋树锴1，沈昶2，潘远望3，胡玉畅4，浦绍敏5，解养国6

(1.马钢股份公司2-6.安徽省高性能轨道交通新材料及安全控制重点实验室安徽马鞍山243000)

摘要：在圆形单管精炼炉的基础上开发了扁平单管真空精炼炉。扁平单管精炼炉可以限制底吹气体的的扰动，形成稳定的气泡上升路径，增大钢液的裸露面。且扁平单管精炼炉在钢包底部的偏心位置处吹气，可以增大循环路径，从而提高了脱碳速率。水模实验表明，当底吹气体流量增加时，混匀时间呈缩短的趋势；随着底吹位置偏心距离的增加，混匀时间呈现先增加后降低的趋势，其最佳的底吹位置是浸渍管长轴的1/2R处。工业试验表明，扁平单管真空精炼炉的脱碳速率可以达到RH的水平，终点的C含量可以实现<30×10-6，但其平均脱硫速率是RH的两倍。扁平单管真空精炼炉可以实现生产超低碳、超低磷钢的目的。

关键词：扁平单管精炼炉；超低碳钢；超低硫钢；开发

圆形单管精炼炉(SRSD)在20世纪70年代由张鉴发明，将RH的双浸渍管改为圆形单浸渍管，用钢包底部偏心吹氩作为钢液循环流动的提升气体，并在工业试验中实现了超低碳、超低硫钢的生产[1]。本研究在圆形单管炉的基础上开发了扁平单管真空精炼炉，如图1所示。从理论上讲，该扁平浸渍管的长轴外径尺寸可以与钢包内壁的直径相等，但考虑到在实际生产过程中钢包内壁上会粘有残渣，因此该浸渍管的长轴外径尺寸比钢包内壁的直径小约400mm，浸渍管的宽度比其长轴小800mm-1000mm。由图1可知，由于扁平单管真空精炼炉将偏心底吹氩位置尽量外移，因而增大了循环空间和循环流量(即图1中的D)，从而改善了脱碳速率，缩短了脱碳时间。

图1　扁平单管真空精炼炉示意图

1　扁平单管真空精炼炉的物理模拟研究

水模型与原型尺寸比例为1：2。水模试验的目的是研究扁平单管精炼炉的混匀时间和脱碳速率。水模实验的底吹气体流量见表1，底吹气体的位置见表2。

表1　水模型的底吹气体流量

表2　水模型的底吹位置

其中，O是钢包底部的圆心，B是目前钢包的底吹氩位置，A是O点和B点之间中心点。 1、2、3点分别是浸渍管长轴内径的1/4R、1/2R和3/4R处。

1.1钢液的混匀时间研究

为了得到准确的混匀时间，共在六个位置安装了电导电极探头，具体位置如图2所示，即在a、b、c三个位置的垂直方向的上、下分别安装探头。根据原型可知，下面的探头在距离钢包底部200 mm处，上面的探头在距离钢包液面100 mm处，且所有的探头距离钢包内部约50 mm。相应地，a、b和c位置下面探头分别标记为a-下、b-下、c-下，上面探头标记为a-上、b-上、c-上。

图2　电导探头的安装位置示意图

采用NaCl溶液测定钢液的混匀时间。由混匀时间的定义可知，当将一定量的饱和NaCl溶液加入钢包中，然后经过一段时间的混合后，如果钢包内任意测试位置的电导率达到理论混合电导率的95%以上，则我们称之为理论完全混匀，这段时间即为理论混匀时间[2]。因此，在相同的吹氩位置和流量下，在6个测量点中，我们定义测量时间最长的时间为该吹氩位置和该吹氩流量下的钢液混匀时间。

钢包底吹气体的位置、流量与混匀时间的关系见图3。可知，随着底吹气体流量的增加，各个吹气位置所对应的混匀时间呈缩短的趋势；随着偏心底吹位置越来越外移，不同的流量下钢液的混匀时间呈现先降低后增加的趋势，这主要是因为当钢包底吹的偏心距离增加到一定值后，底吹位置会靠近浸渍管内壁，从而会导致上升气泡外溢严重，即：实际作用于钢液提升的气体量降低，因此会导致钢液的循环流量降低，混匀时间增加。同时，根据图3可知，当底吹位置在A、2和B处时，不同流量下的的混匀时间基本相等。

图3　混匀时间和气泡位置、气泡流量之间的关系

1.2真空精炼炉脱碳工艺的水模研究

在混匀时间试验的基础上，研究了底吹流量分别为58 、87 和 116 NL/min，底吹位置在A点、2点和B点的脱碳速率。该模型用NaHCO3溶液模拟了气泡表面脱碳反应，且当钢中的C含量为0.03～0.003%时，传质是反应的限制性环节[3]。

实验步骤如下：(1) 将浓度为0.01mol/L的NaOH溶液倒入钢包中；(2) 将底吹流量设置为最小值，启动扁平单管精炼炉，直至其工作正常；(3) 慢慢向NaOH溶液冲入CO2气体；(4) 测量溶液的PH值，当PH值从12降至7时停止充气；(5) 每分钟测量PH值变化情况，直至PH从7升为8为止；(6) 本次测试结束，在其他的底吹位置处做相同的测试。

通过水模实验得到了不同的流量、不同底吹位置下的脱碳速率，见表3。由表3可知，当底吹位置在2点、吹氩流量为116L/min时，可以得到最佳的脱碳速率，为0.00183。

表3　不同流量和吹氩位置下的脱碳速率

综上所述，水模实验表明，该扁平单管精炼炉最佳的底吹位置是浸渍管长轴内径的1/2处，最佳底吹流量是87L/min-116L/min。

2　扁平单管精炼炉生产试验

2.1脱碳工业试验

用扁平单管精炼炉进行了4炉脱碳工业试验，其结果见表4和图4。可知，钢水经过脱碳工艺后，终点C含量可以稳定在20ppm以下。

表4　单管精炼炉和RH炉的终点C含量

图4　单管精炼炉精炼过程中的C含量变化

由图4和表4可知，当扁平单管精炼炉的真空处理时间为20min时可以将[C]含量脱至20ppm左右，且随着处理时间的延长可以继续将C脱至10ppm。同时，从RH精炼工艺的2081炉生产数据可以看出，RH炉的平均脱碳时间为25min，终点平均碳含量为20ppm，这也进一步证实了扁平单管精炼炉的脱碳效果与RH炉的脱碳效果相当。

2.2脱硫工业试验

采用扁平单管精炼炉进行了7炉的脱硫工业试验。结果表明，扁平单管精炼炉的脱硫能力要优于RH炉。两种工艺下的脱硫效率对比情况见图5。

3　结论

1)水模实验表明，扁平单管精炼炉的最佳底吹位置是浸渍管长轴内径的1/2处，最佳底吹流量是87L/min～116L/min。

图5　RH工艺和FSVD工艺的脱硫效率的对比

2)现场工业试验表明，扁平单管精炼炉的脱碳速率可以达到RH的水平，但其脱硫速率是RH工艺的两倍。

参 考 文 献

[1]Cheng Guoguang, Rui Qixuan, Qin Zhe,et al. Development and Application of Single Snorkel Refining Furnace[J]. China Metallurgy, 2013, 23(3): 1-10

[2]Shen Tiantian, Guo Hanjie, Li Ning. A Study on Water Model of Influence Factors on Mixing Time of Liquid in a 210 t RH Unit[J]. Special Steel, 2011, 32(6): 7-11

[3]Kitamura S, Yano M, Harashima K, et al. Decarburization Model for Vacuum Degasser[J].Tetsu-to-Hagané, 1994, 80(3): 213-218

收稿日期：2016-01-25

作者简介：蒋树锴(1976-)，男，马钢科技管理部，工程师。

中图分类号：TF748.5

文献标识码：B

文章编号：1672-9994(2016)01-0001-03

Development and Metallurgical Characteristics Research of Flat Single Snorkel Vacuum Degasser

JIANG Shukai, SHEN Chang, WU Liping, PAN Yuanwang etc.

Abstract：The flat single snorkel vacuum degasser was developed in this paper based on single round snorkel degasser which invented by Zhangjian in 1970’s. The flat single snorkel limits bottom argon bubbling swing and form stable floating path to keep wider liquid steel exposed surface, and the far eccentricity bottom argon bubbling make wider circular path to increase decarburization rate. Water model shows that the mixing time decreases while the bubbling flow rate increase, and the mixing?time?initially decreases and then?increases along with the eccentricity distance increase, the optimum bottom argon bubbling position is on half axis radius. The industrial test indicate that the decarburization rate of flat single snorkel vacuum can match RH, the end carbon is less than 30×10-6, the average desulfurization rate is two times higher than RH. The ULC and ULS steel can be produced using flat single snorkel vacuum degasser.

Key words：flat single snorkel vacuum degasser；ULC；ULS；development