真空狀態下RH 爐夾雜物的去除工藝研究

賈 攀

（南鋼板材事業部第一煉鋼廠，江蘇 南京 210000）

0 引言

真空狀態下RH 爐中的夾雜物污染對鋼材的金屬性能、煉鋼成本、煉鋼效率均有損害，是限制煉鋼廠發展的主要問題之一，因此對真空狀態下RH 爐夾雜物的去除工藝展開研究具有重要意義。目前主要的研究方法是提取生產過程中的鋼水進行分析研究，該方法雖然能夠獲取鋼水的組成結構和實時狀態，但研究程序較為復雜，對研究環境的要求較高且效率低。針對這一現象，提出使用乳狀油脂模擬夾雜物，并建立鋼水物理模型來研究夾雜物去除機理，探索去除工藝的最佳參數，進而通過參數的調整減少夾雜物對鋼材的損害，提升煉鋼廠的運營經濟效益。

1 試驗原理和試驗方法

1.1 試驗原理

建立鋼水物理模型應當全方位還原RH 爐的真實運行狀態，其中包括鋼水模擬、氫氣模擬、夾雜物模擬、RH 爐模擬四個方面[1]。其中鋼水模擬、氫氣模擬和夾雜物模擬應當考慮真實運動狀態下的物質性能，綜合考慮后選擇使用氯化鈉溶液模擬鋼水、空氣模擬氫氣、無色、不溶于水、常溫下較為穩定的乳狀油脂模擬夾雜物。這種模擬組合不僅能夠還原真實RH 真空循環脫氣精煉法的煉鋼場景，還能夠模擬出夾雜物碰撞后融合變大、組成簇狀物的運動過程。RH 爐模擬以150 t RH 精煉爐為原型，以1∶8 的比例進行等比例縮減，包括空氣壓縮機、閥門、流量計、壓力表、真空室模型、鋼包模型、排水管、收集槽、真空泵、水箱[2]。

1.2 試驗方法

總體試驗流程為加入乳狀油脂、上升管送氣、鋼包注水、溢出溶液、獲取乳狀油脂混合物、提取乳狀油脂、驗證分析[3]。試驗過程中需要注意以下事項：

1）加入乳狀油脂應當按照預設參數均勻地加入RH 精煉爐模型中。

2）上升管送氣應與加入乳狀油脂同時進行。

3）鋼包注水應從鋼包底部開始，注水密度應與鋼包內部的水密度相同[4]。

4）鋼包注水到一定程度后會自動溢出溶液，此時鋼包會上浮到水表面，隨后溢出乳狀油脂混合物，采取后可以使用夾雜物去除率公式進行計算，如公式：

式中：a 代表夾雜物去除率；V0代表初始乳狀油脂體積；Vi代表第i 個時間間隔內去除的夾雜物體積。

主要研究夾雜物聚合形態、處理時間與夾雜物去除率關系、氣量提升值與夾雜物去除率關系、真空試驗室內液面高度對夾雜物去除效果的影響，所以使用拍攝圖像對比法和控制變量法設置四種方案參數，具體如表1 所示[5]。

表1 試驗方法對比表

2 試驗結果與討論

2.1 夾雜物聚合形態分析

使用乳狀油脂模擬夾雜物能夠完全還原鋼水中夾雜物的碰撞聚合運動規律和物理性質[6]。圖像顯示不同粒徑、不同數量的夾雜物碰撞聚合方式有所不同，當三個粒徑不同的夾雜物碰撞時，三種夾雜物幾乎同時凝聚，沒有先后之分；當三個粒徑相近的夾雜物的碰撞時，會以較大的夾雜物為中心，首先吸引距離較近的夾雜物凝聚，再吸引較小的夾雜物進行凝聚；當兩個粒徑不同的夾雜物碰撞時，會以較大的夾雜物為基準，吸引較小的夾雜物凝聚。由此可以看出所選擇的模擬夾雜物能較好地模擬鋼水中不同形式的夾雜物碰撞凝聚行為。

2.2 處理時間與夾雜物去除率關系

基于表1 中方案2 的試驗方法，試驗結果顯示，當氣體提升量為5 L/min 時，處理時間在0～4 min 內的夾雜物去除率最高，約為23%；當氣體提升量為10 L/min 時，處理時間在4～8 min 內的夾雜物去除率最高，約為24%；當氣體提升量為15 L/min 時，處理時間在4～8 min 內的夾雜物去除率最高，約為24%；當氣體提升量為20 L/min 時，處理時間在4～8 min 內的夾雜物去除率最高，約為29%；當氣體提升量為25 L/min 時，處理時間在4～8 min 內的夾雜物去除率最高，約為30%；當氣體提升量為30 L/min 時，處理時間在4～8 min 內的夾雜物去除率最高，約為26%。由此可以證明處理時間在4～8 min 區間內的夾雜物去除率最高。橫向來看，當處理時間超過8 min 后，夾雜物去除率顯著下降，24 min 后夾雜物去除率低于3%，由此可以判斷24 min 后再進行處理對夾雜物的去除率影響不大，從運營經濟性和最優夾雜物去除效果的角度分析，最優的夾雜物處理時間為25 min。

2.3 氣量提升值與夾雜物去除率關系

基于表1 中方案3 的試驗方法，試驗結果顯示，氣量提升值與夾雜物去除率關系主要可以分為三個階段，第一階段為2 min 處理時間，氣體提升量為5 L/min的夾雜物去除率最高，約為11%；第二階段為4～8 min處理時間，氣體提升量為25 L/min 的夾雜物去除率最高，約為25%～52%；第三階段為12～24 min 處理時間，氣體提升量為20 L/min 的夾雜物去除率最高，約為61%～76%。根據去除率變化趨勢可以看出，不同時間的夾雜物去除率變化趨勢相同，屬于具有波動的非線性變化趨勢，其中氣量提升值在20～25 L/min 內時，夾雜物去除率達到峰值。由此可以得出氣體提升量在20～25 L/min 內的夾雜物去除效果最優。

3 應用實例分析

在遼寧省鞍山市某煉鋼廠的150 t RH 精煉爐對試驗獲取的最佳參數進行應用實例檢驗。2 臺150 t RH精煉爐的爐號分別為H124 和H125，分別對應試樣1—6 和試樣7—12，試樣鋼種均為GK5294F3 型鋼種。

采用優化前后對比的方式進行應用實例分析，兩臺150 tRH 精煉爐分別采用原方案和優化后的方案對12 個試樣進行加工，通過精煉后的試樣全氧含量、氮含量以及各種夾雜物的Σ（N+O）三項參數數據判斷優化方案的應用效果。使用原方案和優化方案進行精煉后的參數數據如表2、表3 所示。

表2 原方案下精煉參數數據表

表3 優化方案下全氧含量及氮含量

根據表2、表3 可以得知，使用原方案進行精煉的全氧質量分數平均值為27.6×10-6、氮質量分數平均值為26.08×10-6、w（N+O）平均值為52.7×10-6；使用優化方案進行精煉的全氧質量分數平均值為22.3×10-6、氮質量分數平均值為25.5×10-6、w（N+O）平均值為46.8×10-6。由此可以得知，優化方案對氧、氮和夾雜物均具備有效控制效果，其中對夾雜物質量分數能夠控制到50×10-6以下控制效果顯著，具有較高的應用價值。

4 結語

對真空狀態下RH 爐夾雜物的去除工藝展開研究，使用乳狀油脂模擬夾雜物，通過水模試驗進行三方面的研究。最終得出真空狀態下RH 爐夾雜物的去除工藝最佳參數為，處理時間設置成25 min、氣體量提升值為25 L/min、液面高度為48 mm。等比例換算為150 t RH 精煉爐原型的最佳參數為，處理時間設置成25 min、氣體量提升值為1 000 L/min、液面高度為500 mm。經過應用實例對比后驗證，文章獲取的優化方案對氧、氮和夾雜物均具備有效的控制效果，其中對夾雜物質量分數能夠控制到50×10-6以下，夾雜物去除效果顯著。