扁平單管型真空精煉爐的開發及冶金特性研究

蔣樹鍇，沈　昶，潘遠望，胡玉暢，浦紹敏，解養國

(1.馬鋼股份公司　2-6.安徽省高性能軌道交通新材料及安全控制重點實驗室　安徽馬鞍山　243000)

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扁平單管型真空精煉爐的開發及冶金特性研究

蔣樹鍇1，沈昶2，潘遠望3，胡玉暢4，浦紹敏5，解養國6

(1.馬鋼股份公司2-6.安徽省高性能軌道交通新材料及安全控制重點實驗室安徽馬鞍山243000)

摘要：在圓形單管精煉爐的基礎上開發了扁平單管真空精煉爐。扁平單管精煉爐可以限制底吹氣體的的擾動，形成穩定的氣泡上升路徑，增大鋼液的裸露面。且扁平單管精煉爐在鋼包底部的偏心位置處吹氣，可以增大循環路徑，從而提高了脫碳速率。水模實驗表明，當底吹氣體流量增加時，混勻時間呈縮短的趨勢；隨著底吹位置偏心距離的增加，混勻時間呈現先增加后降低的趨勢，其最佳的底吹位置是浸漬管長軸的1/2R處。工業試驗表明，扁平單管真空精煉爐的脫碳速率可以達到RH的水平，終點的C含量可以實現<30×10-6，但其平均脫硫速率是RH的兩倍。扁平單管真空精煉爐可以實現生產超低碳、超低磷鋼的目的。

關鍵詞：扁平單管精煉爐；超低碳鋼；超低硫鋼；開發

圓形單管精煉爐(SRSD)在20世紀70年代由張鑒發明，將RH的雙浸漬管改為圓形單浸漬管，用鋼包底部偏心吹氬作為鋼液循環流動的提升氣體，并在工業試驗中實現了超低碳、超低硫鋼的生產[1]。本研究在圓形單管爐的基礎上開發了扁平單管真空精煉爐，如圖1所示。從理論上講，該扁平浸漬管的長軸外徑尺寸可以與鋼包內壁的直徑相等，但考慮到在實際生產過程中鋼包內壁上會粘有殘渣，因此該浸漬管的長軸外徑尺寸比鋼包內壁的直徑小約400mm，浸漬管的寬度比其長軸小800mm-1000mm。由圖1可知，由于扁平單管真空精煉爐將偏心底吹氬位置盡量外移，因而增大了循環空間和循環流量(即圖1中的D)，從而改善了脫碳速率，縮短了脫碳時間。

圖1　扁平單管真空精煉爐示意圖

1　扁平單管真空精煉爐的物理模擬研究

水模型與原型尺寸比例為1：2。水模試驗的目的是研究扁平單管精煉爐的混勻時間和脫碳速率。水模實驗的底吹氣體流量見表1，底吹氣體的位置見表2。

表1　水模型的底吹氣體流量

表2　水模型的底吹位置

其中，O是鋼包底部的圓心，B是目前鋼包的底吹氬位置，A是O點和B點之間中心點。 1、2、3點分別是浸漬管長軸內徑的1/4R、1/2R和3/4R處。

1.1鋼液的混勻時間研究

為了得到準確的混勻時間，共在六個位置安裝了電導電極探頭，具體位置如圖2所示，即在a、b、c三個位置的垂直方向的上、下分別安裝探頭。根據原型可知，下面的探頭在距離鋼包底部200 mm處，上面的探頭在距離鋼包液面100 mm處，且所有的探頭距離鋼包內部約50 mm。相應地，a、b和c位置下面探頭分別標記為a-下、b-下、c-下，上面探頭標記為a-上、b-上、c-上。

圖2　電導探頭的安裝位置示意圖

采用NaCl溶液測定鋼液的混勻時間。由混勻時間的定義可知，當將一定量的飽和NaCl溶液加入鋼包中，然后經過一段時間的混合后，如果鋼包內任意測試位置的電導率達到理論混合電導率的95%以上，則我們稱之為理論完全混勻，這段時間即為理論混勻時間[2]。因此，在相同的吹氬位置和流量下，在6個測量點中，我們定義測量時間最長的時間為該吹氬位置和該吹氬流量下的鋼液混勻時間。

鋼包底吹氣體的位置、流量與混勻時間的關系見圖3。可知，隨著底吹氣體流量的增加，各個吹氣位置所對應的混勻時間呈縮短的趨勢；隨著偏心底吹位置越來越外移，不同的流量下鋼液的混勻時間呈現先降低后增加的趨勢，這主要是因為當鋼包底吹的偏心距離增加到一定值后，底吹位置會靠近浸漬管內壁，從而會導致上升氣泡外溢嚴重，即：實際作用于鋼液提升的氣體量降低，因此會導致鋼液的循環流量降低，混勻時間增加。同時，根據圖3可知，當底吹位置在A、2和B處時，不同流量下的的混勻時間基本相等。

圖3　混勻時間和氣泡位置、氣泡流量之間的關系

1.2真空精煉爐脫碳工藝的水模研究

在混勻時間試驗的基礎上，研究了底吹流量分別為58 、87 和 116 NL/min，底吹位置在A點、2點和B點的脫碳速率。該模型用NaHCO3溶液模擬了氣泡表面脫碳反應，且當鋼中的C含量為0.03～0.003%時，傳質是反應的限制性環節[3]。

實驗步驟如下：(1) 將濃度為0.01mol/L的NaOH溶液倒入鋼包中；(2) 將底吹流量設置為最小值，啟動扁平單管精煉爐，直至其工作正常；(3) 慢慢向NaOH溶液沖入CO2氣體；(4) 測量溶液的PH值，當PH值從12降至7時停止充氣；(5) 每分鐘測量PH值變化情況，直至PH從7升為8為止；(6) 本次測試結束，在其他的底吹位置處做相同的測試。

通過水模實驗得到了不同的流量、不同底吹位置下的脫碳速率，見表3。由表3可知，當底吹位置在2點、吹氬流量為116L/min時，可以得到最佳的脫碳速率，為0.00183。

表3　不同流量和吹氬位置下的脫碳速率

綜上所述，水模實驗表明，該扁平單管精煉爐最佳的底吹位置是浸漬管長軸內徑的1/2處，最佳底吹流量是87L/min-116L/min。

2　扁平單管精煉爐生產試驗

2.1脫碳工業試驗

用扁平單管精煉爐進行了4爐脫碳工業試驗，其結果見表4和圖4。可知，鋼水經過脫碳工藝后，終點C含量可以穩定在20ppm以下。

表4　單管精煉爐和RH爐的終點C含量

圖4　單管精煉爐精煉過程中的C含量變化

由圖4和表4可知，當扁平單管精煉爐的真空處理時間為20min時可以將[C]含量脫至20ppm左右，且隨著處理時間的延長可以繼續將C脫至10ppm。同時，從RH精煉工藝的2081爐生產數據可以看出，RH爐的平均脫碳時間為25min，終點平均碳含量為20ppm，這也進一步證實了扁平單管精煉爐的脫碳效果與RH爐的脫碳效果相當。

2.2脫硫工業試驗

采用扁平單管精煉爐進行了7爐的脫硫工業試驗。結果表明，扁平單管精煉爐的脫硫能力要優于RH爐。兩種工藝下的脫硫效率對比情況見圖5。

3　結論

1)水模實驗表明，扁平單管精煉爐的最佳底吹位置是浸漬管長軸內徑的1/2處，最佳底吹流量是87L/min～116L/min。

圖5　RH工藝和FSVD工藝的脫硫效率的對比

2)現場工業試驗表明，扁平單管精煉爐的脫碳速率可以達到RH的水平，但其脫硫速率是RH工藝的兩倍。

參 考 文 獻

[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

作者簡介：蔣樹鍇(1976-)，男，馬鋼科技管理部，工程師。

中圖分類號：TF748.5

文獻標識碼：B

文章編號：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