炉外精炼真空循环脱气法(RH法)和工艺介绍课件.ppt
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1、 真空循环脱气法(真空循环脱气法(RHRH法)法)和工艺介绍和工艺介绍主要内容主要内容5.4.1 RH5.4.1 RH法的产生及发展概况法的产生及发展概况5.4.2 RH5.4.2 RH法的冶金功能法的冶金功能5.4.3 RH5.4.3 RH法的设备法的设备5.4.4 RH5.4.4 RH法钢液真空循环原理法钢液真空循环原理5.4.5 RH5.4.5 RH处理工艺参数处理工艺参数5.4.6 RH5.4.6 RH法精炼工艺法精炼工艺5.4.7 RH5.4.7 RH法的的冶金效果法的的冶金效果5.4.8 RH5.4.8 RH法的发展法的发展 q5.4 RH5.4 RH真空循环脱气法真空循环脱气法q
2、5.4.4 RH钢液真空循环原理 钢液真空循环原理类似于钢液真空循环原理类似于“气泡泵气泡泵”的作用,如图所示。的作用,如图所示。当进行真空脱气处理时,将真空室下部的两根浸渍管插入钢当进行真空脱气处理时,将真空室下部的两根浸渍管插入钢液内一定深度(如液内一定深度(如200t200t时时500 mm 500 mm )后,启动真空泵将真空室)后,启动真空泵将真空室抽成真空,于是真空室内、外形成压差,钢液便从两根浸渍抽成真空,于是真空室内、外形成压差,钢液便从两根浸渍管中上升到压差相等的高度(所谓的循环高度)。为了使钢管中上升到压差相等的高度(所谓的循环高度)。为了使钢液循环,从上升管下部约三分之一
3、处吹入驱动气体(一般为液循环,从上升管下部约三分之一处吹入驱动气体(一般为氩气)。该气体吹入上升管内的钢液中,在上升管内瞬间产氩气)。该气体吹入上升管内的钢液中,在上升管内瞬间产生大量的气泡。由于受热膨胀和压力降低所引起的等温膨胀,生大量的气泡。由于受热膨胀和压力降低所引起的等温膨胀,气体体积成百倍的增大,导致上升管中钢液(两相流)密度气体体积成百倍的增大,导致上升管中钢液(两相流)密度变小;又由于氩气泡内的氢气、氮气的分压为零,所以钢液变小;又由于氩气泡内的氢气、氮气的分压为零,所以钢液内溶解的气体向氩气泡内扩散。膨胀的气体驱动钢液以约内溶解的气体向氩气泡内扩散。膨胀的气体驱动钢液以约5m/
4、s5m/s的速度上升,成喷泉状喷入真空室内。的速度上升,成喷泉状喷入真空室内。q5.4.4 RH钢液真空循环原理 气泡进入真空室后在自由界面破裂,钢液被破碎成气泡进入真空室后在自由界面破裂,钢液被破碎成小的液滴,使脱气比表面积大大增加小的液滴,使脱气比表面积大大增加(20(203030倍倍) ),加速,加速了脱气过程。气体自钢液内析出被真空泵抽走,而脱气了脱气过程。气体自钢液内析出被真空泵抽走,而脱气后的钢液汇集到真空室底部,由于重量的差异,经下降后的钢液汇集到真空室底部,由于重量的差异,经下降管以管以1 12m/s2m/s的速度返回到钢包内。未经脱气的钢液又的速度返回到钢包内。未经脱气的钢液
5、又不断从上升管进入真空室脱气,周而复始,从而形成连不断从上升管进入真空室脱气,周而复始,从而形成连续循环过程。如此反复循环多次后达到脱气目的,脱气续循环过程。如此反复循环多次后达到脱气目的,脱气过程结束。过程结束。 钢液在真空下的强循环也为脱碳(脱氧)、去除夹钢液在真空下的强循环也为脱碳(脱氧)、去除夹杂以及成分、温度调整及其均匀化等提供了条件。杂以及成分、温度调整及其均匀化等提供了条件。 q5.4.4 RH钢液真空循环原理q(1 1)驱动气体所作的功)驱动气体所作的功 按能量守恒定律,气体膨胀功按能量守恒定律,气体膨胀功 等于输送钢液上升所需的功等于输送钢液上升所需的功 与气液两相流克服上升
6、过程中摩擦阻力所做的功与气液两相流克服上升过程中摩擦阻力所做的功 之和,即:之和,即: (5-26)(5-26)式中气体膨胀功式中气体膨胀功 等于气体从管道吹入受热时的升温膨胀功等于气体从管道吹入受热时的升温膨胀功 与其等温上浮过程的降压膨胀功与其等温上浮过程的降压膨胀功 之和。之和。 即:即: (5-26a)(5-26a)其中:其中: gscAAAgAsAcAgA12gAAA1A2A10()()/ 22.4sgTsgsgTAnRdTnR TTV R TT22111121122ln()ln()PPssPPnRTPPAVdPdPnRTPVPPPq5.4.4 RH钢液真空循环原理式中式中: : V
7、 V0 0驱动气体在标准状态下的体积,驱动气体在标准状态下的体积,m m3 3 ; ; T Tg g驱动气体的初始温度,驱动气体的初始温度,K;K; T Ts s钢液的温度,钢液的温度,K K; V V1 1按压力按压力P P1 1计算的驱动气体体积,计算的驱动气体体积,m m3 3; P P1 1驱动气体出口处的压力,驱动气体出口处的压力,PaPa; P P2 2真空室内压力,真空室内压力,PaPa; R R 气体常数,气体常数,8.314 J8.314 J (mol (mol K) K) -1 -1; q5.4.4 RH钢液真空循环原理111222()ln()ln()(1)ggsgsssT
8、PPAAAnR TTnRTnRTPPT 在式在式(5-26)中,提升钢液所需的功中,提升钢液所需的功 可由提升后的势可由提升后的势能计算:能计算: (5-27)其中:其中: m m从上升管进入真空室内的钢液量,从上升管进入真空室内的钢液量,kgkg; H H钢液在真空室内的提升高度,钢液在真空室内的提升高度,m m; g g重力加速度,重力加速度,9.8N/kg9.8N/kg。sAgsAmHq5.4.4 RH钢液真空循环原理RHRH处理装置高度定义示意处理装置高度定义示意钢液在真空作用下钢液在真空作用下(P1与与P2的压差)的压差)到达到达B位置,再由位置,再由于气体驱动又上升于气体驱动又上升
9、至至H高度。高度。q5.4.4 RH钢液真空循环原理 钢液在真空作用下到达钢液在真空作用下到达B B位置,由于气体驱动又上升至位置,由于气体驱动又上升至H H高度。高度。 实际上阻力损失实际上阻力损失 很小,且很小,且 中升温膨胀功中升温膨胀功 的的值也较小,可以忽略不计,则由式值也较小,可以忽略不计,则由式(5-26)(5-26)和式和式(5-27)(5-27)可得:可得: (5-28)(5-28)式中式中 :E E驱动气体进入高度,驱动气体进入高度,m m; H H钢液在真空室内的提升高度,钢液在真空室内的提升高度,m m; V V1 1气体瞬时体积,气体瞬时体积,m m3 3; 钢液的密
10、度,钢液的密度,kgkgm m-3 -3。112l n ()EVPmHPgA1AcAq5.4.4 RH钢液真空循环原理 钢液进入量与驱动气体瞬时体积之间成线性关系。钢液进入量与驱动气体瞬时体积之间成线性关系。如果驱动气体的进入高度和提升高度之比小于如果驱动气体的进入高度和提升高度之比小于l l,则钢,则钢液进入量受瞬时体积的影响较小。比值大于液进入量受瞬时体积的影响较小。比值大于3 3较好。较好。 “ “气泡泵气泡泵”的特性曲线的特性曲线q5.4.4 RH钢液真空循环原理 钢液脱气后汇集到真空室底部形成高差钢液脱气后汇集到真空室底部形成高差 B B的钢液层,的钢液层,按能量守恒定律可得:按能量
11、守恒定律可得: (5-29)(5-29) (5-30) (5-30) 所以要获得所以要获得 m/sm/s的流出速度,则要求真空室中钢液的流出速度,则要求真空室中钢液层高度为:层高度为: (5-31)(5-31) 从下降管流出的钢液流动情况对钢液在钢包中混合极从下降管流出的钢液流动情况对钢液在钢包中混合极为重要。实践证明,从下降管流出的钢液流速大于为重要。实践证明,从下降管流出的钢液流速大于1m1ms s时就会混合良好,且不会形成短路现象。时就会混合良好,且不会形成短路现象。2Bug1u=2/ 2mg Bmu2/ 20.05Bugmq5.4.4 RH钢液真空循环原理 钢液静态下理论提升高度可用下
12、式表示:钢液静态下理论提升高度可用下式表示: (5-325-32)式中式中h h一钢液提升高度;一钢液提升高度;m Pm P0 0一大气压;一大气压;1.011.0110105 5PaPa P P一真空室内压力;一真空室内压力;Pa gPa g一重力加速度;一重力加速度;9.8N/Kg9.8N/Kg 一钢液密度;取一钢液密度;取7.07.010103 3 kgkgm m3 3 某厂钢液理论提升高度某厂钢液理论提升高度h h见表见表5 56 6。 0PPhgq(2 2)钢液提升高度)钢液提升高度q5.4.4 RH钢液真空循环原理(3 3)真空室内钢液面离真空室内底部的距离)真空室内钢液面离真空室
13、内底部的距离h hO O: h h 0 0为为真空室内静态下理论钢液深度。见表真空室内静态下理论钢液深度。见表5 56 6。注:顶枪向钢液吹氧脱碳时,一定要保证注:顶枪向钢液吹氧脱碳时,一定要保证h h0 0高度,以防止烧高度,以防止烧损真空室底部耐材。因此,浸渍管要保证足够的浸渍深度并损真空室底部耐材。因此,浸渍管要保证足够的浸渍深度并配以合理的真空度。配以合理的真空度。P P(kPa)(kPa)35352020151510108.68.62.72.70.50.50.0670.067h h (m)(m)0.970.971.191.191.261.261.331.331.351.351.431
14、.431.471.471.481.48h h0 0 (m)(m)0.090.090.160.160.230.230.250.250.340.340.370.370.380.38槽内钢水重量槽内钢水重量(t)(t)1.691.693.143.144.564.564.964.966.746.747.367.367.547.54 表表5 56 6 理论钢液提升高度理论钢液提升高度h h、h h0 0与真空度关系与真空度关系q5.4.4 RH钢液真空循环原理q5.4.4 RH钢液真空循环原理主要内容主要内容5.4.1 RH5.4.1 RH法的产生及发展概况法的产生及发展概况5.4.2 RH5.4.2
15、RH法的冶金功能法的冶金功能5.4.3 RH5.4.3 RH法的设备法的设备5.4.4 RH5.4.4 RH法钢液真空循环原理法钢液真空循环原理5.4.5 RH5.4.5 RH处理工艺参数处理工艺参数5.4.6 RH5.4.6 RH法精炼工艺技术法精炼工艺技术5.4.7 RH5.4.7 RH法的的冶金效果法的的冶金效果5.4.8 RH5.4.8 RH法的发展法的发展 q5.RH5.RH真空循环脱气法真空循环脱气法q5.4.5 RH5.4.5 RH处理工艺参数处理工艺参数 在设计或使用循环脱气装置时,合理地选择工艺在设计或使用循环脱气装置时,合理地选择工艺参数对取得良好的脱气脱碳等冶金效果,比较
16、长的参数对取得良好的脱气脱碳等冶金效果,比较长的内衬寿命和降低操作费用具有极其重要意义。内衬寿命和降低操作费用具有极其重要意义。 RHRH循环脱气法在操作和设计时应考虑的主要工循环脱气法在操作和设计时应考虑的主要工艺参数包括艺参数包括处理容量、处理容量、循环因数、循环因数、处理时间、循环处理时间、循环流量、真空度流量、真空度和和真空泵的抽气能力真空泵的抽气能力和和提升气体流量提升气体流量(氩气流量)等。(氩气流量)等。 下面分别讨论相关工艺参数的确定原则。下面分别讨论相关工艺参数的确定原则。 处理容量处理容量WW:指被处理的钢液量指被处理的钢液量。RHRH处理容量的上限在理处理容量的上限在理论
17、上说是无限制的,处理容量的下限则取决于处理过程中论上说是无限制的,处理容量的下限则取决于处理过程中的温降情况。一般认为的温降情况。一般认为钢包容量不应小于钢包容量不应小于3030吨吨;当容量小;当容量小于于3030吨时温降显著。目前已建成最大容量吨时温降显著。目前已建成最大容量RHRH装置为装置为300300吨。吨。 分批处理是分批处理是RHRH法的主要特点,因此用同一套法的主要特点,因此用同一套RHRH真空装真空装置可以在大致相同的时间内处理不同容量的钢液,这一特置可以在大致相同的时间内处理不同容量的钢液,这一特点为点为RHRH装置的设计、制造和选用提供了方便。根据装置的设计、制造和选用提供
18、了方便。根据RHRH法的法的操作经验和计算以及我国炼钢炉系列等情况,可用四种不操作经验和计算以及我国炼钢炉系列等情况,可用四种不同真空槽和抽气系统就可以处理下列范围的钢液:同真空槽和抽气系统就可以处理下列范围的钢液:10103030吨,吨,3030120120吨,吨,120120200200吨,吨,200200300300吨吨。 q处理容量处理容量q5.4.5 RH5.4.5 RH处理工艺参数处理工艺参数处理时间处理时间 :指指钢包在钢包在RHRH工位停留时间工位停留时间。该时间的大部分。该时间的大部分在进行真空脱气,所以脱气时间略小于处理时间。为了使在进行真空脱气,所以脱气时间略小于处理时间
19、。为了使钢液充分脱气,需要保证足够的脱气时间,即处理时间。钢液充分脱气,需要保证足够的脱气时间,即处理时间。处理时间取决于允许的钢液温降和处理过程中钢液的平均处理时间取决于允许的钢液温降和处理过程中钢液的平均降温速度,即:降温速度,即: 式中:式中:T Tc c处理时允许的温降,处理时允许的温降,; 处理时平均温降速度,处理时平均温降速度,min-1min-1。 cTTvTvq处理时间处理时间q5.4.5 RH5.4.5 RH处理工艺参数处理工艺参数q5.4.5 RH5.4.5 RH处理工艺参数处理工艺参数 为了弥补处理时的温降,为了弥补处理时的温降,需要脱气处理的钢液需要脱气处理的钢液,其其
20、出钢温度出钢温度比不处理的同钢种钢要比不处理的同钢种钢要高出高出2030。又。又由于处理后的钢液含气量及夹杂物含量的减少使钢液由于处理后的钢液含气量及夹杂物含量的减少使钢液粘度下降,因此粘度下降,因此开浇温度开浇温度可比未处理的同钢种钢可比未处理的同钢种钢降低降低2030。这样就赢得了必要的脱气时间。如其他条。这样就赢得了必要的脱气时间。如其他条件(操作工艺,车间布置)相同,处理时件(操作工艺,车间布置)相同,处理时允许的温降允许的温降大约大约4055。一般来说,允许的温降不会有太大的。一般来说,允许的温降不会有太大的波动,所以处理时间就决定于脱气时的平均降温速度。波动,所以处理时间就决定于脱
21、气时的平均降温速度。 而降温速度主要与处理容量、钢包和真空室的预热温度、而降温速度主要与处理容量、钢包和真空室的预热温度、处理时加入的添加剂的种类和数量以及渣层厚度、包衬材处理时加入的添加剂的种类和数量以及渣层厚度、包衬材料的导热系数等因素有关。其中钢包和真空室的预热温度,料的导热系数等因素有关。其中钢包和真空室的预热温度,特别是真空室的预热温度,对其影响最大。因此,为了保特别是真空室的预热温度,对其影响最大。因此,为了保证足够的处理时间,真空室要充分预热。证足够的处理时间,真空室要充分预热。 由图由图5-11可见,处理过程的温降随处理容量和真空室可见,处理过程的温降随处理容量和真空室预热温度
22、的提高而减少,随处理时间的延长而增加。预热温度的提高而减少,随处理时间的延长而增加。 表表5-9列出了不同容量和真空室预热温度下,处理过列出了不同容量和真空室预热温度下,处理过程中温降数据。程中温降数据。 (目前最高能预热到目前最高能预热到1400,一般是一般是1000 1000 至至1300 1300 )。)。q5.4.5 RH5.4.5 RH处理工艺参数处理工艺参数处理容量处理容量t t真空室预热温度真空室预热温度脱气时间脱气时间minmin总降温总降温温降速度温降速度minmin-1 -135355050707010010010010010010010010017017070070080
23、08001200120014001400700700800800700700800800800800100010001100110015001500130013001010151518182525242428282020303020203030404060604545606040405050303045453535303040404.54.55.85.82.02.03.03.02.52.53.53.51.81.82.42.41.51.52.52.51.51.52.02.01.51.51.01.01.51.5表表5-9 处理容量、真空室预热温度与脱气温降情况处理容量、真空室预热温度与脱气温降情况
24、q5.4.5 RH5.4.5 RH处理工艺参数处理工艺参数q5.4.5 RH5.4.5 RH处理工艺参数处理工艺参数图图5-11 目前,目前,RH具备了包括脱气功能在内的多种功能。具备了包括脱气功能在内的多种功能。例如,处理未脱氧钢和超低碳钢时,处理时间一般包例如,处理未脱氧钢和超低碳钢时,处理时间一般包括:脱碳时间、脱氧合金化时间和后搅拌(去夹杂、括:脱碳时间、脱氧合金化时间和后搅拌(去夹杂、均匀成分温度)时间等。均匀成分温度)时间等。 处理时间不仅要考虑过程温降,还要考虑处理钢处理时间不仅要考虑过程温降,还要考虑处理钢种。在温度不足时可以通过铝氧升温等手段补充热量。种。在温度不足时可以通过
25、铝氧升温等手段补充热量。q5.4.5 RH5.4.5 RH处理工艺参数处理工艺参数q循环因数循环因数U U 循环因数循环因数U U :指处理过程中:指处理过程中循环循环钢液的当量钢液的当量次数次数,即通过,即通过真空室的总钢液量与处理容量之比。真空室的总钢液量与处理容量之比。 (5-355-35) 式中式中 Q Q循环流量,循环流量,t/mint/min; WW钢包容量,钢包容量,t t; 脱气处理时间,脱气处理时间,minmin。QUW q5.4.5 RH5.4.5 RH处理工艺参数处理工艺参数 钢液的脱气效果与钢液的脱气效果与U U值有关。值有关。U U值受脱气后的钢液返回值受脱气后的钢液
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