RH是重要的爐外精煉方法,在生產潔凈鋼特別是超低碳深沖鋼方面發揮重要作用。本文結合現場RH生產工藝實際測定了RH真空脫碳反應速度和碳氧平衡的水平,在此基礎上進行一系列研究工作。主要是通過對RH真空室和浸漬管進行設備改進來增大鋼液反應層的循環流量和脫碳反應界面,最終形成一套實用、優化、高效的RH精煉設備,從而大幅度提高RH精煉工藝水平和生產效率。本文研究工作首先通過現場工業試驗展開,然后配合水模擬、數值模擬、模型計算及熱力學計算等科學方法對改變浸漬管形狀、加大真空室內徑及真空室加堰等設備改進方式進行了試驗研究和探討,最終提出RH脫碳工藝參數的優化措施,并依此設計一套新的RH設備優化方案。本文研究成果對工廠具有借鑒意義,為下一步投入應用打好堅實基礎。主要研究成果如下：(1)RH碳氧反應動力學現場試驗研究通過工業試驗對RH生產超低碳鋼([C]0.002%)過程工藝參數進行跟蹤分析,對表觀脫碳速率常數Kc進行測定和評價,分別對抽真空、強制吹氧、自然脫碳和界面脫碳階段工藝進行分析討論。為穩定生產碳含量小于0.002%的超低碳鋼并合理控制氧含量,優化后的RH工藝參數為：處理前預抽真空壓力54Kpa、鋼水碳0.05～0.06%、降低鋼水a0在0.03～0.04%、提高抽氣速度,控制碳氧反應層厚度為200～400mm：控制吹氧前碳氧含量比2～2.5,吹氧起始真空度穩定在12～15KPa,供氧強度≥0.2Nm3/(t.min)；提高吹氧終點[C]在0.015～0.02%,吹氧后碳氧含量比0.6～0.75；自然脫碳階段脫碳時間大于15分鐘,吹氬強度達到0.015 Nm3/ (t.min);界面反應階段要增加反應界面或提高反應層內流量。討論得出為高效生產超低碳潔凈鋼,進一步開發新工藝的途徑是通過提高循環流量、體積傳質系數和表面反應層流量對RH設備進行優化,使碳氧反應趨近氣相反應平衡。(2)提高RH循環流量的試驗研究● 橢圓管RH和圓管RH的循環流量隨著提升氣量增大而增大,但橢圓管RH循環流量大于圓管RH,且優勢隨著提升氣量增大而增大。按單位截面積供氣強度比較,強度為6.5Nm3/(m2.min)時橢圓管循環流量比圓管增大50%。模擬計算得出,橢圓管面積增大70%,飽和循環流量增大68%。● 研究提出提升氣量、浸漬管截面與循環流量的關系：當提升氣量小于臨界氣量時循環流量僅隨提升氣量增加而增大,管截面的變化影響不大；當氣量在臨界氣量與飽和氣量之間時,增大浸漬管截面和氣量均可增大循環流量；當提升氣量大于一定管徑的飽和氣量時,增大提升氣量反會使循環流量減小● 試驗得出不同面積RH浸漬管的循環流量公式：與通用的桑原計算公式相比,公式在小氣量范圍內計算可靠性更高。● 當橢圓管比圓管面積分別增大30、50和70%時,估算出最大Kc從0.19min-1分別增加到0.206min-1,0.214min-1和0.224min-1。(3)提高RH體積傳質系數ak的試驗研究● 增大真空室截面66%后,小氣量下大真空室循環流量小于普通RH,混勻時間略長于普通RH;隨氣量增大,循環流量和混勻時間接近普通RH。● 增大真空室截面后真空室內鋼液流場改變：真空室鋼液上部環流路徑延長,環流量增大;上升管附近增加一個漩渦,出口波峰增大,下降管上方出現小波峰；鋼液表面流速增大,下部流速降低；剪切流的作用下形成大量側行小氣泡；流場改變造成鋼液停留時間增加。● 大真空室RH的鋼液靜態反應表面積增大66%,增加的漩渦、波峰使動態反應表面積增大81%,大量沿側壁運動的氣泡使氣泡脫碳反應ak增大34%以上,并且碳氧反應層(30mm內)鋼液流量增大15-25%,因此大真空RH的ak比普通RH增大40%以上。大真空RH的脫碳速率常數增大,最大Kc由0.19min-1增加到0.212min-1(4)提高RH碳氧反應層流量的試驗研究● 對真空室加堰的方式進行試驗研究,得出由于堰阻礙部分鋼液流動,降低循環流量。當提升氣量3.1Nm3/h時循環流量減小為普通RH的87～91%。●水模結果顯示,加堰后真空室內鋼液活塞流比例從普通RH的38%增加至74%,返混流比例減少到20%以內,滯后流比例沒有明顯變化。計算出加堰后使活塞流和滯后流流過表面30mm反應層內鋼液流量提高到普通RH的3.2倍。數模計算得出,加堰后表面30mm以內反應層鋼液流量大約占全部鋼液流量的38-46%,而普通RH只占19-25%。● 在界面反應階段和自然脫碳階段,加堰使鋼液脫碳反應效率提高。據循環流量和反應層鋼液流量變化計算出Kc由普通RH的0.12～0.08min-1增加到0.175～0.1min-1。反應層流量增加,使反應層減薄到39mm,表觀碳氧積由1.1×10-4減小到6.2×10-5(5)RH綜合優化模型的試驗研究結合前文研究結果,提出一套RH設備優化方案：浸漬管和真空室截面積分別增大70%和44%,并加裝堰板(寬100mm,高200mm)。對優化模型進行試驗研究和計算后得出鋼液經過堰后速度得到提升,且主流股在接近下降管上方的位置流進下降管,循環效率提高。水模試驗得出相同的常用氣量條件下循環流量增加23%,模擬計算得出飽和循環流量增大58%。真空室內徑增大后,漩渦和液面波峰增大了反應表面,優化RH的ak增大58%。進入脫碳反應層(30mm內)的鋼液量達到普通RH的1.9-2.5倍。脫碳速率常數提高,最大Kc(5#爐次)可達0.31min-1,自然脫碳和界面脫碳階段的Kc可分別由0.12min-1和0.08min-1增加到0.19min-1和0.12min-1。
【學位單位】：鋼鐵研究總院
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TF769.4
【部分圖文】：

生產效率高等諸多優點。ＲＨ的王作原理是通過抽真空使真空室內外產生壓力差，??從而將鋼包鋼液抽吸到真空室內，同時向上升浸潰管內吹入氣體，利用氣泡累原??理使鋼液在上升浸潰管、真空室、下降浸潰管和鋼包之間進行循環流動，見圖１－??１。鋼液在真空室內進行充分反應后經過下降管流回鋼包，與包中鋼液發生攬拌??和混合，并推動鋼液繼續進入上升管進行循環ＷＷＷ＂。??—??１１?＊??防品一?Ｉ??■?—?尸?Ｉ?—￣賊ＪＥｔ??．｜：３ｔ?／?ｉ??＇?．．ｋＳｆ??？；．．．．?．．．?ａ??／－?＂ｒ?．…一一?０Ｑｉ？ｙ０ｊＦ－ＣＸＶ＊０??ａ巧＊??圖１－１?ＲＨ－ＫＴＢ法示意圖ｗ??ＲＨ法最早是由西德Ｒｕｈｒｓｔａｈｌ和Ｈｅｒａｅｕｓ公司通過進行鋼液循環脫氣實驗??而開發成功的爐外精煉方法，并于１９的年成功應用于工廠生產。在隨后發展的??５０多年中，脫碳、脫硫、脫磯、去除氧和夾雜、均勻溫度和成分等諸多功能被先??后開發，因此處理鋼種多和應用廣泛己成為細法的特點。ＲＨ的主要技術發展過??程見表１－１，圖１－２是主要技術設備示意圖。??１??

真空下脫碳反應速度隨著碳含量的降低而降低，［Ｃ］《０．?００１５％時脫碳反應基??本停滯。??圖１－４和圖１－日分別是Ｙ．?Ｋｉｓｈｉｍｏｔｏ和Ｙ．?Ｋａｔｏ測得的不吹氧條件下自然脫??６??

?碳的試驗數據＂３＂３＂。圖中均可看到當碳含量在０．００１％？０．０２％時，碳含量與傳質??速率有關，脫碳速率常數Ｋｃ隨碳含量的降低而降低。如圖１－日，碳含量從１００Ｘ??１（Ｔ下降到１０Ｘ１（Ｔ的過程中，Ｋｃ從最高０．?２ｍｉｎ－ｉ下降到小于０．?Ｉｍｉｎ—ｉ的水平。??圖１－４中可見碳含量小于０．００１％后，碳含量已不能影響到傳質條件，脫碳速率??常數基本沒有變化。??？真空壓力的影響??相同碳含量條件下脫碳反應速度與真空壓力為反比關系，降低真空壓力可Ｗ??提高脫碳速度。碳含量小于０．?００１％后，真空壓力對脫碳速率常數基本沒有影響。??圖１－４表示出真空壓力對Ｋｃ的影響。可看出碳含量為０．００５％時，真空壓力??６６５０Ｐａ對應的脫碳速率常數Ｋｃ為０．?Ｉｍｉｎ—ｉ，真空壓力１３３Ｐａ對應的脫碳速率常??數Ｋｃ達到０．?２ｍｉｎ－＇。但碳含量降低的同時，真空室壓力對Ｋｃ的影響程度也在減??小。圖中看到碳含量小于０．?００２％后

本文編號：2880865