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90tVD炉在方大特钢的应用

曾海华，吴湧涛

(方大特钢科技有限公司)

摘 要：介绍了方大特钢在多次优化和改进设计方案后建设的VD装备的设备特点和技术特点，通过磨合、调试，设备状态良好，采取优化的操作和工艺，应用生产流程顺畅，冶金效果良好，满足了高品质钢种的生产要求。

关 键 词：VD炉；工艺；装备；特点；冶金效果

0 前言

随着新工艺、新技术的不断进步，真空处理技术日益成熟，其中VD真空精炼炉(以下简称“VD”)工艺逐步得以广泛应用，VD的作用是降低钢中气体含量(H、N)、提高钢水纯净度[1]，可有效提高钢材产品的附加值和提升钢材产品的市场竞争力。方大特钢炼钢厂经多次优化和改进设计方案，于2012年在转炉现有厂房钢水接收跨新建一座90tVD炉，5月份试投产，通过应用新技术、新设备、新工艺及设备的热试、调试、磨合，满足了冶金设计要求ω(H)<(1.0～2.0)×10-6、ω(N)<(40～60)×10-6的钢水，为公司进行产品结构调整和实行“十二五”整体规划奠定了基础。

1 VD装备及技术特点

1.1 设备参数

VD密封为罐式结构，VD主要由真空罐、真空罐盖、抽气系统(抽气方式蒸汽喷射泵)和钢包组成，其基本参数见表1。其中抽气系统包括真空泵(形式为五级蒸汽喷射泵)和水系统，真空泵主要参数见表2，水系统主要参数表3。

1.2 技术特点

VD是钢水在真空条件下脱去其中的氢和氮的设备，利用真空泵(蒸汽喷射泵)将具有一定压力的工作水蒸气通过拉瓦尔喷嘴，工作水蒸气减压增速(蒸气的势能转化为动能)，以超音速喷入吸入室，使吸入室产生负压区，炉气通过真空罐、管道进入吸入室，蒸气与炉气混合仍为高温气体，高温气体进入扩压器后减速增压并进入冷凝器内，在冷凝水的喷淋冷却作用下，高温气体与冷却水进行热交换，水蒸气被冷却水冷凝成为冷凝水并随冷却水一起由冷凝器底部的下口流至水池内，而被抽炉气从冷凝器上方的出口排至下一级喷射泵或大气中。

VD功能设备是抽气系统，依靠真空罐与盖系统、水处理系统、电气系统、吹氩系统、钢包系统等配合(或支持)实现功能。抽气系统由真空切断阀、蒸气喷射泵、冷凝器、水分离器、蒸气分配器、冷凝水分配器、水池等7部分组成。

2 新设备新技术的应用

2.1 真空罐的优化设计

真空罐是存放钢包的装置，为钢板焊接结构件，主要由筒体、密封法兰、钢包座架、漏钢排放装置、漏钢报警装置等所组成，并设计了方便钢包顺利进入的定位导向板。

真空罐与真空罐盖一起构成真空容器，钢液包就放置在罐里进行脱气处理。罐与罐盖间水冷法兰的密封靠O型密封圈，密封圈位于水冷法兰的冷却水通道中；当罐盖升起移动时，密封圈处于水浸状态；以避免钢渣溅上烧损密封圈。当罐盖合上时，密封槽中的水自动排出。

罐体内表面砌有耐火砖以保护罐体并减少热损。在罐底内部设有一耐材砌筑的漏钢接钢槽，当钢水大量漏入接钢槽，钢水会融化安装罐体底侧的漏钢排放装置铝板，自动排到罐外漏钢接钢坑内。在真空罐底部设有漏钢报警装置。

2.2 采用五级蒸汽喷射真空泵

抽气系统主要由真空泵来实现，采用400kg/h蒸汽喷射真空泵系统。真空系统设计了5级7台真空泵，其中4级、5级分别为一台主喷射泵，一台辅喷射泵，形成一级双泵的格局。主泵由蒸汽喷射泵(B1+B2+B3+E4a+E5a)组成；辅泵由蒸汽喷射泵(E4b)+(E5b)组成，辅泵(E4b+E5b)与主泵(E4a+E5a)并联，组成变量泵机组。采用主、辅喷射泵并联的方式，辅喷射泵的切断与连通的操作由气动阀门控制，可有效提高低真空段的抽气能力和缩短抽气时间，满足持续高真空的能力。

2.3 高效冷凝器及在线高压水清洗

炼钢废气从VD真空罐抽至气体冷凝器后进入真空泵。冷凝器的作用是将前级泵排出的蒸汽冷凝成水以提高后级喷射泵的效率，设计采用倒塔式多喷嘴喷淋冷凝结构，是德国WIEGAND公司近年推出的最新技术，具有冷却效果好、不会堵塞、喷头寿命长、维护方便等优点。

在VD装置的废气中含有大量的粉尘，尤其在初真空阶段(≥8kPa)，如直接进入真空泵会造成一、二、三级增压器及弯接管严重结灰，严重影响真空泵的抽气能力和工作真空度，设计在B1、B2、B3级喷射泵的串联管路上并联了一条旁通管道，初真空阶段，炼钢废气通过该旁路直接进入C1冷凝器，避免高粉尘烟气对前3级泵的污染。同时在一、二、三级增压器上设置在线高压水清洗装置，在真空泵的工作间歇，通过设置在一、二、三级增压器内的清洗喷嘴利用高压水对增压器进行清洗，保证增压器内不会结灰。减少了真空泵清灰的劳动强度。

2.4 双罐单盖处理

考虑到连铸每炉浇钢时间在40min～55min，VD的处理周期在30min～35min，设计采用“双罐单盖”处理方式，有两个真空罐体，单真空罐盖利用罐盖车移动到工作罐位，真空系统切换装置采用移动弯头的形式，在真空管道上设1个移动小车切换装置，自动切换到2个真空工位工作。

2.5 水冷防溅

防溅盖采用全水冷防溅盖，其主要用于阻止在吹氧状态下钢水喷溅、防止真空罐盖受到过度的高温辐射。其优点是VD工作时沾在水冷盖上的钢渣容易清理和脱落。水冷防溅盖采用Ф89mm×10mm的锅炉管制造。水冷防溅盖用活动吊挂杆吊挂在真空罐盖下，固定在罐盖的下方。更换防溅罩时，首先将盖车开到待机工位，把防溅罩下降到防溅罩更换支架上，然后从罐盖上把它拆下，移开罐盖，接着从更换支架上吊起防溅罩。水冷防溅罩安装较为方便，可大大提高VD的作业率。

2.6 数控吹氩

设计选用德国技术、主件瑞士生产、中国安装的钢包底吹气体控制系统(JXFD-600-2X-1P)，氩气调控方便、快捷，设备耐用。

2.7 VD脱气热力学和动力学分析[2]

1)VD脱气热力学分析。真空条件下，钢液的脱气热力学可表示为:

1/2X2=[X]   (1)

[X]=KX×PX1/2   (2)

式中:X———氢、氮元素；

KX———氢、氮平衡常数；

PX1/2———钢液中氢、氮平衡分压。

由于氢、氮在钢中的溶解度是吸热反应，温度升高时溶解度增加。

2)脱气动力学的分析。一般认为，真空条件下，脱氢、氮速度主要是受液相传质速度控制。故由此得出氢、氮含量随时间的变化如下:

ln[%X]t/[%X]=Kmx×t   (3)

式中:[%X]t———钢液内部气体含量，%；

[%X]———钢液内原始气体含量，%；

Kmx———表示传质系数(Kmx∝VAr)；

t———≤67Pa下脱气时间，min；

传质系数为:

Kmx∝VAr   (4)

式中:VAr———均吹氩强度，kPa。

结合公式(3)(4)可知，在均吹氩强度VAr大、脱气时间长的前提下，表观传质系数Kmx越大，钢液内部气体(氢、氮)含量越小，钢液脱气效率越高。

3 工艺流程及工艺控制

方大特钢VD目前主要用于生产中、高碳铝镇静钢，生产工艺流程为:BOF→LF→VD→CC。经前期磨合、调试摸索期，优化和制定了更为合理的操作、工艺控制。

工艺控制要点:钢水LF精炼后的成分、温度控制准确，VD高真空抽气时间满足，VD后软吹氩时间、氩流量控制，生产节奏把控。

操作上主要控制:一是溢渣。溢渣原因较多，主要是VD随着真空度的提高，达到100Pa～200Pa时，[C]和[O]平衡的气体分压已降低，所需生成气泡核的耐材凹坑或缝隙尺寸半径也较小，此时在钢包底部及全部包壁上都能产生气泡，并且气泡不断长大与耐材分离，此时液面上就有气体大量涌出，导致钢渣剧烈翻腾[3]。控制措施是LF炉后达到白渣，VD操作真空度降低过程密切注意电视摄像或罐盖观察孔人工观察，当出现溢渣现象时，逐步减小氩气流量，仍然严重时人工单次或多次“破空”操作；二是真空度的保证。根据钢种的不同，保证在小于66.7Pa真空下控制不低于要求的高真空时间；三是温度的控制。由于没有外热源补充，VD是降温过程，摸索出VD过程温降是一个常数，就可根据上下工序温度要求，反推工序的温度控制。

4 冶金效果

VD炉于2012年5月份试生产，截止2012年底，共生产了120炉钢，前50炉是为设备热试、调试、设备磨合、操作摸索期，后70炉基本是通过优化的操作和工艺正常生产的炉次。通过对70炉工艺数据进行冶金效果分析看出，在有效实施VD工艺控制前提下，可以实现ω(H)<(1.0～2.0)×10-6、ω(N)<(40～60)×10-6的钢水冶金效果设计要求；同时，摸索出钢水在VD工艺条件下的ω(Al)和温降的控制和变化规律。

4.1 脱氢

VD脱氢与高真空时间关系见表4。

由表4可以看出，70炉数据中有2炉VD处理后氢含量高于2×10-6，氢满足低于2×10-6含量达标率97.14%；在VD前氢含量不高于6×10-6、不低于12min高真空时间前提下，氢满足低于2×10-6含量达标率达到100%；随着高真空时间延长有利于VD脱氢。

4.2 脱氮

VD处理前、后钢水N含量变化见表5。VD工艺(BOF→LF→VD→CC)和非VD工艺(BOF→LF→CC)钢材成分N含量达标率见表6。

由表5、表6可以看出，VD处理后平均氮含量为44.5×10-6，脱氮率16.67%，材上N含量≤60×10-6的炉次达到92.53%，明显高于非VD工艺。

4.3 脱氧与ω(Al)变化

VD工艺钢水O含量和ω(Al)变化情况见表7、表8。

由表7、表8可以看出，VD工艺是依靠真空过程中剧烈的钢渣反应脱氧[4]，钢渣中的SiO2、FeO、MnO、Cr2O3等“消耗掉”钢水中ω(Al)。

4.4 温降变化规律

VD前后温降变化规律见表9。

温降波动较大，与真空脱气时间、真空上升速度、钢液沸腾程度、吹氩强度、吹氩量、炉渣量、钢包状态等控制幅动有关。

5 结束语

拥有双罐单盖、5级7泵真空系统、水冷防溅罩、高效冷凝器和在线高压水清洗装置等特点的VD装备优良，生产工艺流程顺畅。脱氢是VD工艺的重要指标，方大特钢的VD可以达到处理后氢含量小于2×10-6，甚至更低的效果，能够满足高品质钢种的生产要求。温度控制是VD操作的关键，摸索真空脱气时间、真空上升速度、钢液沸腾程度、吹氩强度、吹氩量、炉渣量、钢包状态等控制在某一狭小范围内，有效降低VD温降波动，是方大特钢VD操作须努力的一个方面。

6 参考文献

[1]   张鉴.炉外精炼的理论与实践[M].北京:冶金工业出版社，1999:3.

[2]   陈迪庆，李小明.100VD炉精炼对钢液脱氢、脱氮、非金属夹杂的影响[J].第十二届全国炼钢学术会议论文，2002:250-251.

[3]   成国光，萧忠敏，姜周华，等.新编钢水精炼暨铁水预处理1500问[M].中国科学技术出版社，2007:136-137.

[4]   章军.关于对VD炉脱气效果的分析与研究[J].首钢科技，2001(1):20-22.