RH钢水精炼是炼钢过程中提高钢铁产品质量和性能的一个有效手段.目前钢铁生产企业都在积极建设RH钢水精炼系统。RH钢水环流控制是RH钢水精炼处理中的一项重要工艺过程.钢水在真空槽内的环流状态直接影响钢水精炼处理效果。如何设计一套优化的RH钢水环流控制方案对改善钢水环流效果和提高钢水脱气效率至关重要.这也是国内外在RH钢水精炼系统中普遍关注的一个技术难点。本文主要以300t RH钢水精炼系统为例.论述钢水环流控制技术开发、研究和设计。

2工艺方案研究

2.1基本原理

　 RH钢水环流的基本流程是盛有钢水的钢包在RH处理工位由液压升降装置提升，浸没真空槽下部二个浸渍管，使真空槽内部形成密闭容器，开启真空泵，钢液上方形成真空，并在大气压力作用下，钢液被压入真空槽;在其中一个浸渍管内吹入氩气Ar或氮气N₂，使局部区域的钢水密度降低，钢水会在这个浸渍管里不断上升，在真空槽内部高真空环境下，钢水中的夹杂气体被迅速脱去，然后会在另一个浸渍管里不断下降，形成钢水上下循环流动即钢水环流。在钢水循环流动的过程中，根据冶炼钢种的需要投入各种合金，或使用顶枪吹氧脱碳和升温，达到钢水精炼的目的。

2.2研究和改进

　 钢水环流速度和状态对钢水精炼处理有着重要的影响。合适的环流速度和均匀的环流状态有利于钢水精炼处理，而钢水环流速度和状态主要受控于浸渍管直径、环流气体的流量和环流吹气支管分布数量，并受制于真空泵的抽气能力。在成套引进的宝钢1号RH钢水真空脱气装置中，钢水环流控制采用氩气Ar和氮气N₂总管切换、6路环流气体分管流量调节方案。由于浸渍管上的环流吹气支管分布数量少，特别是在部分堵塞时，就会影响钢水环流速度，如果此时直接增加环流气体流量，虽然可以在一定程度上提高钢水环流速度，但会产生钢水飞溅，环流不均匀，并容易在真空槽内壁形成冷钢，影响钢水精炼处理效果和下次钢水成份处理。宝钢1号RH钢水真空脱气装置环流工艺和控制方案多年前进行了改造，将环流气体支管分布数量由6路增加至8路，采用可编程调节器进行8路环流气体分管流量调节，并增加环流气体总量控制。当某路堵塞时，其流量会自动均匀分配至其余分路，保证环流气体总量目标值，从而保证钢水环流速度。

　 在成套引进的宝钢3号RH- KTB精炼装置中，浸渍管上的环流吹气支管分布数量达到了16路，每4路支管有1个分管流量调节回路，钢水环流状态有所改进。但由于环流气体阀站设计和布置、仪表设计和选型以及自动控制方案不尽合理，钢水环流效果并不理想，主要问题是环流气体压力损失大和分管流量控制不稳定，容易造成浸渍管上的环流气体支管堵塞而使浸渍管提前报废，二台真空槽通过切换方式共用一套环流气体流量控制装置，引起系统相互干挠，且设备维护不方便。因此宝钢3号RH- KTB精炼装置钢水环流控制也迫切需要进行技术改造。

　 在设计宝钢2号RH钢水精炼系统时，通过研究和分析对钢水环流工艺和控制方案进行了改进，在实际应用中取得了明显的效果，形成了一套完整的RH钢水环流控制技术，并且将这一技术成功地应用于宝钢集团梅山炼钢厂和上海一钢公司RH钢水精炼项目及宝钢1号RH钢水真空脱气装置改造项目。

2.3优化方案

　 通过多项实验研究和设计调试，确认RH钢水环流工艺方案可采用二台真空槽钢水环流装置完全独立控制，环流气体使用压力为1.0 MPa的氩气Ar和压力为0.6MPa的氮气N₂，根据处理钢种和处理阶段自动切换，每台真空槽配置4路环流气体分管流量调节装置，每路分管再分支成3路或4路环流气体支管，与真空槽浸渍管上同高均匀分布的环流吹气支管连接。对于300 t RH钢水精炼处理系统通常采用16路环流吹气支管，能够得到良好的钢水环流效果。RH浸渍管环流吹气支管分布如图1所示。

图1 RH浸渍管环流吹气支管分布图

2.4钢水环流能力计算

　 钢水在真空槽内真空状态下的环流速度主要取决于均匀吹入的环流气体总流量，通常对少300t RH精炼处理系统，要求钢水循环速度能够达到200 t/min左右，这样才能保证钢水处理时间，满足处理超低碳钢的工艺要求，充分发挥RH钢水精炼处理能力，并保证RH钢水处理质量和效率。根据公式(1)、(2):

　

均可满足工艺要求。

2.5工艺设计数据

　 根据RH钢水精炼处理工艺要求和钢水环流技术数据计算，并结合多项改造实践和设计经验，最终确认的300t RH钢水环流气体管道设计数据和流量设计数据见表1、2。

表1　 300t RH钢水环流气体管道主设计数据

R氩气总管规格	氮气总管规格	分管规格（数量）	支管规格（数量）	吹气支管规格
DN40	DN40	DN20（4）	DN15（16）	φ14×2

　

表2　 300t RH钢水环流气体流量设计数据

环流气体种类	总管温度范围 （目标）/MPa	总管温度范围 （目标）/℃	总管流量范围 （最大）/Nm3/h	分管流量范围 （最大）/ Nm3/h	支管流量范围 （最大）/ Nm3/h
氩气Ar	0～1.5(1.0)	0～50(20)	0～240(200)	0～60(50)	0～15(12.5)
氮气(N2)	0～1.0(0.6)	0～50(20)	0～240(200)	0～60(50)	0～15(12.5)

3环流气体流量控制

3.1控制方案

　 根据工艺设计方案，钢水环流气体流量控制采用氩气Ar和氮气N₂自动切换，4路分管流量自动控制，16路支管流量监视的控制方案，能够使钢水在真空槽内达到理想的环流效果。每路分管配置1套流量控制装置，总管配置1套虚拟流量调节器，可进行总管流量实时总计、设定和控制。对于不同的处理钢种和不同的处理阶段，可自动选择需要的气体种类和自动设定需要的气体流量。为了更好地控制钢水环流状态和速度，可以通过真空槽顶部的高温摄像机观察真空槽内的钢水环流效果，并通过总管虚拟流量控制器进行微调。钢水环流气体流量控制流程如图2所示。

图2 钢水环流气体流量控制流程图

3.2流量检测和控制

3.2.1分管流量检测和控制

　 通常对于气体介质一般采用标准孔板加差压变送器方式进行流量检测，孔板与变送器用导压管连接。多套流量检测的导压管会占用很大的空间，对于只有一定安装空间的真空槽台车，会给设备安装、调试和维护带来不便。因此专门研究开发设计了一种一体化小型孔板流量计，将孔板和变送器直接安装在管道上，不仅大大减少安装空间，同时也减少了管道泄漏点。由于采用了宽量程的差压变送器，增加了孔板流量计检测范围。在控制系统设计中，气体流量检测还具有温度压力补偿以保证流量控制精度。此外，在用孔板检测气体流量时，还考虑了不同气体性质对流量检测的影响。环流气体流量检测公式如下:

　

　 式中，t为实际气体温度(0～50℃); p为实际气体压力(0～1.5MPa); △p为差压变送器的输出压差(0～100% ) ; k₁为流量换算系数，当切换到Ar时为1,当切换到N₂时为0.95; k₂为气体压力，当切换到Ar时为1.0 MPa,当切换到N₂时为0.6 MPa; Fn为环流气体分管流量，( 0～100% )。

　 每路分管气体通过PLC控制系统中的流量调节器实现流量自动控制。当真空槽浸渍管上某路环流吹气支管堵塞时，该路分管流量调节器会自动地把流量分配到其余环流吹气支管，保证设定的分管流量不变。分管流量调节采用气动薄膜式顶部导向型单座调节阀，阀门规格D N 20PN1. 6 MPa。根据流量计算，调节阀阀芯需要缩至DN 10，才能使调节阀达到优异的调节性能。此外，为了保证当仪表压缩空气断气时环流浸渍管始终处于通气状态，避免堵塞，调节阀应选用失气阀开的动作方式，并配置气动锁止阀，当仪表压缩空气断气或无控制信号时，调节阀保持原状或全开。

3.2.2支管流量监视和分配

　 为了将环流气体流量均匀分配到真空槽浸渍管各环流吹气支管，也为了在RH钢水精炼系统投入生产后能够随时监视真空槽浸渍管环流吹气支管气体流通状态，在每路环流支管上设置了具有信号输出的流量监视器和手动式流量调节阀。系统调试时，根据流量监视器的输出信号，手动调整流量调节阀，使真空槽浸渍管各环流吹气支管流量基本一致。PLC控制系统能够显示支管流量，当流量低于下限时，发出报警信号，提示操作人员注意真空槽浸渍管环流吹气支管气体流通状态，情况严重时采取相应的措施。支管流量监视仪表的选型设计对于在环境比较恶劣和安装空间又较小的条件下是相当关键的。通过多次改造实践，最终选用了一种压力损失小、检测精度高、安装维护方便和可靠性高的一体化热敏式流量变送器，取得了良好的支管流量监视效果。

3.2.3总管流量设定和控制

　 环流气体总流量是通过PLC控制系统中的1台虚拟流量调节器来实现控制的。总管流量计算公式如下:

　 F= F₁+F₂+ F₃+ F₄

　 式中，F1～F4为环流气体分管流量(0～60 Nm³/h);　 F为流气体总管流量(0～240 Nm³/h)。　　　

　 F作为虚拟调节器的目标控制变量，虚拟调节器的输出作为分管流量调节器的串级设定变量。根据选定的环流气体流量设定方式，虚拟调节器的设定变量可以从L2计算机、L1画面或本机取得。当某路环流分管流量因真空槽浸渍管环流吹气支管部分堵塞而不能达到设定值时，虚拟调节器的无偏差动态控制功能会自动地将偏差流量分配到其余的环流分管，使设定的环流气体总流量不变，从而保证钢水环流效果。这也是环流分管流量分路控制和真空槽浸渍管环流吹气支管分散布置式工艺结构的一个设计特点。

4环流控制模式

　 钢水环流气体通过PLC控制系统中的环流控制模式实现气体自动切换和流量自动控制。环流控制模式包括环流气体顺序切换、流量顺序设定及环流气体流量设定方式。如表3所示，流量设定方式有L2计算机、L1画面、调节器自动和手动4种方式，通过1台虚拟流量调节器实现总流量设定控制。L2计算机设定方式储存在L2计算机模型中，对于不同处理钢种和在不同处理阶段，自动选择环流气体种类和设定环流气体流量。L1画面设定方式用于操作人员根据工艺生产要求，预先或随时选择各阶段的环流气体种类和设定各阶段的环流气体流量。调节器自动和手动设定方式主要用于紧急处理、系统调试和维护。

表3　 300t RH钢水环流气体控制模式

流量设定方式		L2计算机		L1画面		调节器自动		调节器手动
氩气累计流量/Nm3/h				复位	氮气累计流量/ Nm3/h				复位
待机阶段/ Nm3/h		处理阶段1/Nm3/h		处理阶段2/Nm3/h		处理阶段3/Nm3/h		出钢阶段/Nm3/h
氩气	氮气	氩气	氮气	氩气	氮气	氩气	氮气	氩气	氮气
80	80	120	200	200	200	120	120	100	100

　 注：黑框表示被选中的设定方式，处理阶段和气体模式。

　 宝钢工程技术公司通过多套150 t至300tRH钢水精炼处理系统的设计研究、实验分析和总结改进,形成了一套具有良好效果的RH钢水环流控制专有技术和标准设计。该项技术包括RH钢水精炼及其他专有技术，对于提高RH钢水精炼处理能力，改善钢铁产品性能和质量，增加钢铁成品附加值和效益起到了重要作用。