我國真空精煉技術的發展趨勢

孟 娜，程紅兵，劉 嵐，康瑞泉，馬炳川

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

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·專題綜述·

我國真空精煉技術的發展趨勢

孟 娜，程紅兵，劉 嵐，康瑞泉，馬炳川

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

產品質量的提高和新產品的開發對真空精煉提出了更高的要求。本文總結了真空精煉技術的發展現狀，對RH、VOD等真空精煉技術進行了闡述。并對存在的問題和發展方向進行了分析和探討，指出加大工藝的研發力度和開發新鋼種是真空精煉技術未來的發展方向。

真空精煉；RH；VOD；精煉工藝；真空泵

0 前言

冶金工業的迅速發展對鋼材機械性能、鋼水純凈度和化學成分(包括微量元素)的精確控制不斷提出新的要求，因而促進了真空精煉技術RH、VOD等多功能精煉技術的迅速發展。

我國真空精煉技術的研究起步于20世紀中期。1962年，中國重型機械研究院股份公司(簡稱中國重型院)建立了真空泵實驗研究室，大力研究蒸汽噴射真空泵，解決了真空精煉技術的核心問題之一。經過50多年的發展，真空精煉已經由原來單一的脫氫設備轉變為包含真空脫碳、吹氧脫碳、噴粉脫硫、溫度補償、均勻溫度和成分等的多功能爐外精煉設備，而且在生產超低碳鋼方面表現出了顯著的優越性。在現代化的鋼廠中，真空精煉已成為一種必不可少的爐外處理手段。據報道，在國內大部分鋼廠中，超過90%的鋼種都需要經過 RH、VOD等真空精煉處理。它的應用為煉鋼廠實現優質、低耗、多品種、高效益奠定了可靠的基礎。

1 真空精煉技術的發展

1.1 常見真空精煉技術的特點

在現代化鋼廠中，鋼種冶煉的典型工藝為：鐵水預處理-頂底復吹轉爐/電爐-LF-真空精煉爐-連鑄。爐外精煉水平代表著各鋼廠的總體水平，應大力發展多功能爐外精煉設備。

現有的真空精煉設備各有特點，其工藝目標如表1所示。到目前為止，RH是各種精煉裝置中功能最全，設備最復雜的一種，具有操作效率高、適應批量生產等優點，一般用于冶煉汽車板鋼等低碳鋼及超低碳鋼的生產。VOD、VD、VAD冶金反應動力學條件差，所以操作周期較長，但其設備相對簡單，投資較低，很多電爐車間選擇他們作為爐外精煉設備，主要用于生產不銹鋼、特殊鋼、低碳類優質鋼。

表1 工藝目標

1.2 真空精煉技術在我國的應用

鋼水的真空精煉早在20世紀中期就顯示了其在提高質量、擴大品種方面的優勢。50年代中后期，由于大功率的蒸汽噴射泵技術的突破，相繼發明了鋼包內鋼水提升脫氣法(DH)和循環脫氣法(RH)。

我國的真空精煉技術始于20世紀50年代中后期，用鋼包靜態脫氣VD和DH真空處理裝置精煉電工硅鋼等鋼種。1962年，中國重型院建成了水蒸汽噴射真空泵技術研究試驗室，如圖1所示。60年代中期至70年代，我國特鋼企業和機電、軍工行業鋼水精煉技術的應用和開發有了一定的發展，并引進了一批真空精煉設備，如大冶、武鋼的RH，北京重型機械廠的ASEA-SKF，撫順鋼廠的VOD-VAD，還試制了一批國產的真空處理設備，鋼水吹氬精煉也在首鋼等企業投入了生產應用。這期間寶鋼引進了現代化的大型RH裝置。可以說，80年代是我國真空精煉技術發展奠定基礎的時期，由此也推動了我國鋼鐵工業生產的優化發展。90年代初，隨著連鑄生產的增長和對產品質量日益嚴格的要求，我國真空精煉技術得到了迅速的發展。不僅設備數量增加，處理量也由過去的2%增長到20%以上。1998年，中國重型院增建了高效真空泵試驗臺，試驗室設施與手段得到了完善。到2003年，研發了包括RH、VOD在內的真空精煉技術。

國內學者對各種真空精煉設備特點和化學反應極其參數進行了大量的研究。以RH為例，在冶煉過程中，由于脫碳速率與真空室中自由液面表面積的大小息息相關，故RH真空精煉的關鍵在于其動力學特性。1988 年，Kuwabara首次提出使用橢圓形代替圓形浸漬管可以大幅增加RH裝置的循環流量，提高精煉效率。2013年，劉瀏進行了1/2的水模型實驗，采用橢圓形浸漬管后的環流面積增加了70%。他發現橢圓形浸漬管的環流量在較大提升氣體流量時增加的效果愈加顯著。為了冶煉LF鋼(無間隙原子鋼)，首鋼京唐鋼鐵聯合有限公司進行了RH快速深脫碳的研究。張春杰采用1:4水模型對邯鋼260 tRH鋼水混勻時間進行了研究。王曉東等對RH真空精煉循環流動進行了數值模擬研究等。目前，中國重型院攻克了0～1200 kg/h各種抽氣能力的蒸汽噴射真空泵，節針和倒塔式噴淋等技術難關，重點突破了節流雙噴嘴，驗證和修訂了真空泵的計算模型和計算方法，同時證實了在大型真空泵自主設計制造方面的能力，在RH、VOD等技術國產化方面邁出了關鍵的一步，經過三十余年的理論與試驗研究及工業應用，在積累的大量數據與經驗的基礎上創建了獨有的計算機數學模型和計算方法，形成了專有技術。已經掌握真空系統、鋼包液壓頂升系統、多功能頂槍等。自2000年以來，中國重型院設計的真空精煉設備如表2所示。

圖1 真空泵實驗室

使用單位精煉形式抽氣能力/kg·h-1,67Pa蒸汽壓力(MPa)/冷卻水溫度(℃)投產年份梅鋼130tRH-MFB6001.3/352002馬鋼一鋼110tVD4000.8/352002馬鋼三鋼70tVD3000.8/352003天鋼公司100tVD4001.2/352003石鋼60tVD3000.9/342003攀鋼2#130tRH-MFB5501.3/352003上鋼一廠165tRH-MFB6501.5/352004馬鋼一鋼150tRH-MFB7000.9/352004寶鋼1#300tRH-MFB11001.3/342004山西海鑫90tVD4000.9/342004本鋼2#180tRH-MFB6001.3/342005寶鋼5#300tRH-MFB12001.3/342006

2 真空精煉的新技術與新設備

2.1 高效節能水環泵真空系統裝備技術

傳統RH精煉爐一般采用4級或者5級蒸汽噴射泵進行抽真空，由于蒸汽耗量大，致使RH真空精煉的生產成本大大增加。中國重型院提出了蒸汽泵-水環泵組合的形式，并將其應用于攀鋼板坯RH四級蒸汽噴射泵系統的改造中。

圖2 蒸汽泵-水環泵系統結構圖

從圖2的蒸汽泵-水環泵系統結構圖可以看出，水環泵系統從C2冷卻器中引出，實現了水環泵系統和4a、4b 蒸汽泵進行相互切換使用，這樣在水環泵系統進行檢修時可繼續使用蒸汽泵，對生產節奏不產生影響。根據實際預算，攀鋼每爐處理量130 t，年處理量420 000 t，改造后每爐可節約蒸汽5 t，每年可節約222.67萬元，因此實現了節能減排，大大降低了生產成本。并且降低了冷凝器出水溫度和水處理系統負荷，提高了真空泵系統的可靠性和穩定性。

2.2 干式機械真空泵裝備技術

爐外精煉機械真空抽氣系統實驗室如圖3所示。在實驗研究過程中，為了保證整個實驗接近鋼廠的實際環境，研究者從鋼廠提取不同類型、不同顆粒的粉塵，并且比較各類設備的性能指標，及對環境污染的程度。圖4所示為主泵的工作原理，該原理成功而且有效實施了爐外精煉裝備機械真空抽氣系統的試驗研究，對國內機械泵和進口機械泵的運行參數進行了對比，獲得了大量實驗數據。最終得出：干式抽氣系統配置簡單，占地面積小，易于安裝，運行成本低，操作簡單方便，工作溫度較低，約為60～85℃，啟動快，噪聲低，沒有污染，操作靈活，可以隨時啟動停止，生產連貫性好。

圖3 干式機械真空泵實驗室

在攀鋼70tVD項目中，采用了干式機械泵作為抽氣系統，將實驗數據應用于項目設計中。該系統具有較高的極限真空度和工作真空度，配用先進的真空部件和控制系統，運行過程有PLC自動控制，操作簡便；整機采用單元模塊化、標準化設計。

圖4 主泵工作原理

在項目實施過程中，進行了機械真空抽氣系統的性能參數、抽氣流量的測試，對各級機械真空泵之間的匹配關系進行了深入研究。同時，結合攀鋼現場實際情況，深入研究了粉塵在干式真空泵系統中的通過性能。機械真空抽氣系統真空參數達到2 Pa，總體真空參數達到10 Pa，在較好的使用狀況下真空參數可以達到67 Pa，系統粉塵的通過參數達到不小于25 um顆粒。與同噸位的蒸汽噴射泵相比，節電效果達96%，且使VD5 min內達到深真空，鋼水中的[H]可控制在0.00024%以內。

2.3 微合金加料系統

馬鋼首先采用了先進的微合金稱量技術，其設備如圖5所示。它可以精確的控制每種合金的加入順序、加入精度，可實現小批量、高精度、易容錯等功能，并且在真空條件下實現微合金加料，嚴格控制了鋼液成分，保證了高品質特種鋼的生產。

3 真空精煉技術面臨的挑戰及未來的發展趨勢

真空精煉一般與LF等組合使用，各種精煉設備各有所長，沒有一種精煉裝置能滿足各種工藝目的。并且精煉流程與前序的轉爐/電爐，及后續連鑄的快速發展不完全匹配，成為我國關鍵品種生產的瓶頸之一。

(1)部分工藝條件缺乏理論實驗的研究，有些設計制造都是依靠以往工程的經驗，比如圖6所示的水冷彎管，對于外側水冷盤管管徑的大小，入口和出口的位置，出口的水溫值等等，都參考以前的項目數據，因此設計一直沿用現有的方案。

圖6 水冷彎管

(2)精煉過程中，鋼包和真空室是一個封閉的環境。為了準確、真實的反映鋼液的運動情況，北京科技大學和東北大學做了大量的研究，建立了水模實驗室，圖7是RH水模實驗平臺。以相似理論為依據，通過建立模型，設置邊界條件，盡可能模擬實際的運動過程。

圖7 RH水模實驗平臺

(3)干式機械泵的節能效果達到90%以上，它不需要冷卻系統，不產生污水，具有工作噪音小，運行成本低等優點，近年來備受鋼廠的青睞，但是干式機械泵目前主要應用于VD系統，對于相對復雜的RH系統主要還是采用蒸汽泵。冶金工作者對干式機械泵進行了大量的研究，在實驗過程中發現，國產的干式機械泵故障率較高，性能指標沒有進口的干式機械泵可靠、穩定，所以各大鋼廠采用的干式機械泵主要依靠Edwards、WELCH等進口設備，使得投資費用較高，后期保養、維護也不方便。因此，為了滿足多品種的需要，精煉技術應向多功能方向發展。必須開發可以降低生產成本的精煉工藝；開發可以增加精煉功能，用于生產高功能鋼材的高純度、高潔凈鋼水的精煉工藝；必須開發環境友好型精煉工藝。加大工藝的研發力度，將精煉工藝的研究作為整個工作的重中之重。針對不同鋼種的特點，制定最佳的工藝路線。注重精煉設備工藝參數的優化和生產流程優化重組。

通過不斷的技術研究和對引進技術的消化吸收，開發冶煉模型、溫度預報模型、成分預報模型、人工智能等。不斷提高過程自動化控制和冶金效果在線監測水平。在提高基礎技術方面，研究開發的極微量成分含量的定量分析技術、鋼水成分的在線精確定量分析技術、夾雜物的快速定量評價技術、精確分析技術和有效萃取分離技術等能得到進一步發展。

4 結束語

真空精煉技術未來的發展方向必定朝著加強工藝的研發，開發可以降低生產成本的精煉工藝和精煉技術；針對不同鋼種的特點，制定最佳的工藝路線，進行產品結構的優化調整；向多功能方向發展；開發可以增加精煉功能，用于生產高功能鋼材的高純度、高潔凈鋼水的精煉工藝；開發環境友好型精煉技術。

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Development trend of vacuum refining in China

MENG Na，CHENG Hong-bing，LIU Lan，KANG Rui-quan,MA Bing-chuan

(China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Xi’an 710032,China)

Product quality and the development of new products put forward higher requirements for vacuum refining.This paper summarizes the current situation of vacuum refining technology,the RH,VOD and other vacuum refining technology in detail.The existing problems and development direction are analyzed and discussed.It points out that research and development efforts to develop new technology and steel are the future direction of the vacuum refining technology.

vacuum refining；RH；VOD；refining process; vacuum pump

2016-09-16；

2016-10-09

孟娜(1982-)，女，工程師，主要研究方向精煉設備。

TP393

A

1001-196X(2017)03-0001-05