孟 娜，程紅兵，劉 嵐，康瑞泉，馬炳川

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

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·專題綜述·

我國(guó)真空精煉技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

孟 娜，程紅兵，劉 嵐，康瑞泉，馬炳川

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

產(chǎn)品質(zhì)量的提高和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)對(duì)真空精煉提出了更高的要求。本文總結(jié)了真空精煉技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)RH、VOD等真空精煉技術(shù)進(jìn)行了闡述。并對(duì)存在的問(wèn)題和發(fā)展方向進(jìn)行了分析和探討，指出加大工藝的研發(fā)力度和開(kāi)發(fā)新鋼種是真空精煉技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。

真空精煉；RH；VOD；精煉工藝；真空泵

0 前言

冶金工業(yè)的迅速發(fā)展對(duì)鋼材機(jī)械性能、鋼水純凈度和化學(xué)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(jìn)了真空精煉技術(shù)RH、VOD等多功能精煉技術(shù)的迅速發(fā)展。

我國(guó)真空精煉技術(shù)的研究起步于20世紀(jì)中期。1962年，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司(簡(jiǎn)稱中國(guó)重型院)建立了真空泵實(shí)驗(yàn)研究室，大力研究蒸汽噴射真空泵，解決了真空精煉技術(shù)的核心問(wèn)題之一。經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，真空精煉已經(jīng)由原來(lái)單一的脫氫設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榘婵彰撎?、吹氧脫碳、噴粉脫硫、溫度補(bǔ)償、均勻溫度和成分等的多功能爐外精煉設(shè)備，而且在生產(chǎn)超低碳鋼方面表現(xiàn)出了顯著的優(yōu)越性。在現(xiàn)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(jù)報(bào)道，在國(guó)內(nèi)大部分鋼廠中，超過(guò)90%的鋼種都需要經(jīng)過(guò) RH、VOD等真空精煉處理。它的應(yīng)用為煉鋼廠實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、低耗、多品種、高效益奠定了可靠的基礎(chǔ)。

1 真空精煉技術(shù)的發(fā)展

1.1 常見(jiàn)真空精煉技術(shù)的特點(diǎn)

在現(xiàn)代化鋼廠中，鋼種冶煉的典型工藝為：鐵水預(yù)處理-頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)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(yīng)大力發(fā)展多功能爐外精煉設(shè)備。

現(xiàn)有的真空精煉設(shè)備各有特點(diǎn)，其工藝目標(biāo)如表1所示。到目前為止，RH是各種精煉裝置中功能最全，設(shè)備最復(fù)雜的一種，具有操作效率高、適應(yīng)批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，一般用于冶煉汽車板鋼等低碳鋼及超低碳鋼的生產(chǎn)。VOD、VD、VAD冶金反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件差，所以操作周期較長(zhǎng)，但其設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，投資較低，很多電爐車間選擇他們作為爐外精煉設(shè)備，主要用于生產(chǎn)不銹鋼、特殊鋼、低碳類優(yōu)質(zhì)鋼。

表1 工藝目標(biāo)

1.2 真空精煉技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用

鋼水的真空精煉早在20世紀(jì)中期就顯示了其在提高質(zhì)量、擴(kuò)大品種方面的優(yōu)勢(shì)。50年代中后期，由于大功率的蒸汽噴射泵技術(shù)的突破，相繼發(fā)明了鋼包內(nèi)鋼水提升脫氣法(DH)和循環(huán)脫氣法(RH)。

我國(guó)的真空精煉技術(shù)始于20世紀(jì)50年代中后期，用鋼包靜態(tài)脫氣VD和DH真空處理裝置精煉電工硅鋼等鋼種。1962年，中國(guó)重型院建成了水蒸汽噴射真空泵技術(shù)研究試驗(yàn)室，如圖1所示。60年代中期至70年代，我國(guó)特鋼企業(yè)和機(jī)電、軍工行業(yè)鋼水精煉技術(shù)的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)有了一定的發(fā)展，并引進(jìn)了一批真空精煉設(shè)備，如大冶、武鋼的RH，北京重型機(jī)械廠的ASEA-SKF，撫順?shù)搹S的VOD-VAD，還試制了一批國(guó)產(chǎn)的真空處理設(shè)備，鋼水吹氬精煉也在首鋼等企業(yè)投入了生產(chǎn)應(yīng)用。這期間寶鋼引進(jìn)了現(xiàn)代化的大型RH裝置。可以說(shuō)，80年代是我國(guó)真空精煉技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)的時(shí)期，由此也推動(dòng)了我國(guó)鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)化發(fā)展。90年代初，隨著連鑄生產(chǎn)的增長(zhǎng)和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量日益嚴(yán)格的要求，我國(guó)真空精煉技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。不僅設(shè)備數(shù)量增加，處理量也由過(guò)去的2%增長(zhǎng)到20%以上。1998年，中國(guó)重型院增建了高效真空泵試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)室設(shè)施與手段得到了完善。到2003年，研發(fā)了包括RH、VOD在內(nèi)的真空精煉技術(shù)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)各種真空精煉設(shè)備特點(diǎn)和化學(xué)反應(yīng)極其參數(shù)進(jìn)行了大量的研究。以RH為例，在冶煉過(guò)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(guān)，故RH真空精煉的關(guān)鍵在于其動(dòng)力學(xué)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(huán)流量，提高精煉效率。2013年，劉瀏進(jìn)行了1/2的水模型實(shí)驗(yàn)，采用橢圓形浸漬管后的環(huán)流面積增加了70%。他發(fā)現(xiàn)橢圓形浸漬管的環(huán)流量在較大提升氣體流量時(shí)增加的效果愈加顯著。為了冶煉LF鋼(無(wú)間隙原子鋼)，首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限公司進(jìn)行了RH快速深脫碳的研究。張春杰采用1:4水模型對(duì)邯鋼260 tRH鋼水混勻時(shí)間進(jìn)行了研究。王曉東等對(duì)RH真空精煉循環(huán)流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究等。目前，中國(guó)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(jié)針和倒塔式噴淋等技術(shù)難關(guān)，重點(diǎn)突破了節(jié)流雙噴嘴，驗(yàn)證和修訂了真空泵的計(jì)算模型和計(jì)算方法，同時(shí)證實(shí)了在大型真空泵自主設(shè)計(jì)制造方面的能力，在RH、VOD等技術(shù)國(guó)產(chǎn)化方面邁出了關(guān)鍵的一步，經(jīng)過(guò)三十余年的理論與試驗(yàn)研究及工業(yè)應(yīng)用，在積累的大量數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了獨(dú)有的計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法，形成了專有技術(shù)。已經(jīng)掌握真空系統(tǒng)、鋼包液壓頂升系統(tǒng)、多功能頂槍等。自2000年以來(lái)，中國(guó)重型院設(shè)計(jì)的真空精煉設(shè)備如表2所示。

圖1 真空泵實(shí)驗(yàn)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(chǎn)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(shù)與新設(shè)備

2.1 高效節(jié)能水環(huán)泵真空系統(tǒng)裝備技術(shù)

傳統(tǒng)RH精煉爐一般采用4級(jí)或者5級(jí)蒸汽噴射泵進(jìn)行抽真空，由于蒸汽耗量大，致使RH真空精煉的生產(chǎn)成本大大增加。中國(guó)重型院提出了蒸汽泵-水環(huán)泵組合的形式，并將其應(yīng)用于攀鋼板坯RH四級(jí)蒸汽噴射泵系統(tǒng)的改造中。

圖2 蒸汽泵-水環(huán)泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖2的蒸汽泵-水環(huán)泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看出，水環(huán)泵系統(tǒng)從C2冷卻器中引出，實(shí)現(xiàn)了水環(huán)泵系統(tǒng)和4a、4b 蒸汽泵進(jìn)行相互切換使用，這樣在水環(huán)泵系統(tǒng)進(jìn)行檢修時(shí)可繼續(xù)使用蒸汽泵，對(duì)生產(chǎn)節(jié)奏不產(chǎn)生影響。根據(jù)實(shí)際預(yù)算，攀鋼每爐處理量130 t，年處理量420 000 t，改造后每爐可節(jié)約蒸汽5 t，每年可節(jié)約222.67萬(wàn)元，因此實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，大大降低了生產(chǎn)成本。并且降低了冷凝器出水溫度和水處理系統(tǒng)負(fù)荷，提高了真空泵系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.2 干式機(jī)械真空泵裝備技術(shù)

爐外精煉機(jī)械真空抽氣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室如圖3所示。在實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中，為了保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)接近鋼廠的實(shí)際環(huán)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(shè)備的性能指標(biāo)，及對(duì)環(huán)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(shí)施了爐外精煉裝備機(jī)械真空抽氣系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)械泵和進(jìn)口機(jī)械泵的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，獲得了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。最終得出：干式抽氣系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單，占地面積小，易于安裝，運(yùn)行成本低，操作簡(jiǎn)單方便，工作溫度較低，約為60～85℃，啟動(dòng)快，噪聲低，沒(méi)有污染，操作靈活，可以隨時(shí)啟動(dòng)停止，生產(chǎn)連貫性好。

圖3 干式機(jī)械真空泵實(shí)驗(yàn)室

在攀鋼70tVD項(xiàng)目中，采用了干式機(jī)械泵作為抽氣系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用于項(xiàng)目設(shè)計(jì)中。該系統(tǒng)具有較高的極限真空度和工作真空度，配用先進(jìn)的真空部件和控制系統(tǒng)，運(yùn)行過(guò)程有PLC自動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)便；整機(jī)采用單元模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

圖4 主泵工作原理

在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，進(jìn)行了機(jī)械真空抽氣系統(tǒng)的性能參數(shù)、抽氣流量的測(cè)試，對(duì)各級(jí)機(jī)械真空泵之間的匹配關(guān)系進(jìn)行了深入研究。同時(shí)，結(jié)合攀鋼現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，深入研究了粉塵在干式真空泵系統(tǒng)中的通過(guò)性能。機(jī)械真空抽氣系統(tǒng)真空參數(shù)達(dá)到2 Pa，總體真空參數(shù)達(dá)到10 Pa，在較好的使用狀況下真空參數(shù)可以達(dá)到67 Pa，系統(tǒng)粉塵的通過(guò)參數(shù)達(dá)到不小于25 um顆粒。與同噸位的蒸汽噴射泵相比，節(jié)電效果達(dá)96%，且使VD5 min內(nèi)達(dá)到深真空，鋼水中的[H]可控制在0.00024%以內(nèi)。

2.3 微合金加料系統(tǒng)

馬鋼首先采用了先進(jìn)的微合金稱量技術(shù)，其設(shè)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(shí)現(xiàn)小批量、高精度、易容錯(cuò)等功能，并且在真空條件下實(shí)現(xiàn)微合金加料，嚴(yán)格控制了鋼液成分，保證了高品質(zhì)特種鋼的生產(chǎn)。

3 真空精煉技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

真空精煉一般與LF等組合使用，各種精煉設(shè)備各有所長(zhǎng)，沒(méi)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(zhuǎn)爐/電爐，及后續(xù)連鑄的快速發(fā)展不完全匹配，成為我國(guó)關(guān)鍵品種生產(chǎn)的瓶頸之一。

(1)部分工藝條件缺乏理論實(shí)驗(yàn)的研究，有些設(shè)計(jì)制造都是依靠以往工程的經(jīng)驗(yàn)，比如圖6所示的水冷彎管，對(duì)于外側(cè)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(xiàng)目數(shù)據(jù)，因此設(shè)計(jì)一直沿用現(xiàn)有的方案。

圖6 水冷彎管

(2)精煉過(guò)程中，鋼包和真空室是一個(gè)封閉的環(huán)境。為了準(zhǔn)確、真實(shí)的反映鋼液的運(yùn)動(dòng)情況，北京科技大學(xué)和東北大學(xué)做了大量的研究，建立了水模實(shí)驗(yàn)室，圖7是RH水模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。以相似理論為依據(jù)，通過(guò)建立模型，設(shè)置邊界條件，盡可能模擬實(shí)際的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

圖7 RH水模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

(3)干式機(jī)械泵的節(jié)能效果達(dá)到90%以上，它不需要冷卻系統(tǒng)，不產(chǎn)生污水，具有工作噪音小，運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)備受鋼廠的青睞，但是干式機(jī)械泵目前主要應(yīng)用于VD系統(tǒng)，對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的RH系統(tǒng)主要還是采用蒸汽泵。冶金工作者對(duì)干式機(jī)械泵進(jìn)行了大量的研究，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)的干式機(jī)械泵故障率較高，性能指標(biāo)沒(méi)有進(jìn)口的干式機(jī)械泵可靠、穩(wěn)定，所以各大鋼廠采用的干式機(jī)械泵主要依靠Edwards、WELCH等進(jìn)口設(shè)備，使得投資費(fèi)用較高，后期保養(yǎng)、維護(hù)也不方便。因此，為了滿足多品種的需要，精煉技術(shù)應(yīng)向多功能方向發(fā)展。必須開(kāi)發(fā)可以降低生產(chǎn)成本的精煉工藝；開(kāi)發(fā)可以增加精煉功能，用于生產(chǎn)高功能鋼材的高純度、高潔凈鋼水的精煉工藝；必須開(kāi)發(fā)環(huán)境友好型精煉工藝。加大工藝的研發(fā)力度，將精煉工藝的研究作為整個(gè)工作的重中之重。針對(duì)不同鋼種的特點(diǎn)，制定最佳的工藝路線。注重精煉設(shè)備工藝參數(shù)的優(yōu)化和生產(chǎn)流程優(yōu)化重組。

通過(guò)不斷的技術(shù)研究和對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化吸收，開(kāi)發(fā)冶煉模型、溫度預(yù)報(bào)模型、成分預(yù)報(bào)模型、人工智能等。不斷提高過(guò)程自動(dòng)化控制和冶金效果在線監(jiān)測(cè)水平。在提高基礎(chǔ)技術(shù)方面，研究開(kāi)發(fā)的極微量成分含量的定量分析技術(shù)、鋼水成分的在線精確定量分析技術(shù)、夾雜物的快速定量評(píng)價(jià)技術(shù)、精確分析技術(shù)和有效萃取分離技術(shù)等能得到進(jìn)一步發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

真空精煉技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向必定朝著加強(qiáng)工藝的研發(fā)，開(kāi)發(fā)可以降低生產(chǎn)成本的精煉工藝和精煉技術(shù)；針對(duì)不同鋼種的特點(diǎn)，制定最佳的工藝路線，進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整；向多功能方向發(fā)展；開(kāi)發(fā)可以增加精煉功能，用于生產(chǎn)高功能鋼材的高純度、高潔凈鋼水的精煉工藝；開(kāi)發(fā)環(huán)境友好型精煉技術(shù)。

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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(shè)備。

TP393

A

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