真空脱气设备的最新设计及效果

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欢迎访问e展厅 展厅 1 炼钢炉/冶金机械展厅 连铸机, 轧钢机, 熔炼炉, 水冷套, 电炉铁芯, ... 一家主要的生产无缝管用特种棒钢和优质圆形坯的钢铁厂定购了1套新型钢包冶金设备。20多年前，该厂的初始设计能力为22．5万t／a，但目前的生产能力为40万t／a，其产品范围包括表面硬化钢、淬火及回火钢、冷镦钢、弹簧钢和易切削钢以及这些钢种的精加工产品，大部分产品用于美国的汽车工业。1999年，该厂计划进一步提高产量，设备改造项目的长期规划是从电炉、二次精炼、连铸到轧钢。本文的重点是二次精炼，尤其是该厂决定购买的一套双罐车式真空脱气设备(twin－tankcarvacuumdegesser)。这套新设备将取代原有的单站(固定)式VAD装置。 现有的炼钢设备 该厂炼钢车间配备有：电炉、40MVA变压器，平均出钢量为56t。除电炉外，还有1座固定式钢包炉（LF）、1套VAD装置和1套3流连铸机。 确定新型钢包冶金设备的设计 由于所生产的钢水全部由1套VAD进行脱气，因此需要扩大脱气能力。内部讨论的焦点是安装第2个处理站以提高现有VAD的产能，还是采用更普通的工艺技术和更现代化的设备来取代现有的VAD装置。据了解，大多数炼钢厂采用VTD和LF来生产特种棒钢。即使VAD仍是一种可行的技术，但VTD和LF结合，更利于维持生产成本。此外，要求双罐脱气罐能保证足够的处理时间，以满足连铸工序的要求。 对VAD和VTD设计，要做大量的规划和研究工作，以确定安装总成本，包括所有辅助设备，例如供水系统以及诸如此类的问题。最终确定如果安装VAD将影响现有建筑的基础，并且费用较高。后来又决定安装1套VTD。为了有助于做出决策，该厂的许多人员参观了美国、墨西哥以及欧洲的许多钢厂，以获得理想的设计并确定合适的供应商。在这些出访期间，全部设备设计的要求明确了。脱气站必须建在单坡顶附跨内，要求VTD利用装在一台输送车上的罐。 从技术观点出发，钢包炉需要并入这套设备当中，设有观察窗，以使浇注无需铸坯测试。因此，最后的设计是如何符合成本效益地将电弧加热并入这套设备之中。最终的布置包括2个真空处理站建在一个附跨内，在2个站之间有2台运送钢包的罐车，电弧加热的位置设在钢包的通道内。这种新型的加热设备被称为钢包加热站（LRS）。钢包加热站包括旋转式炉顶和利用现有的VAD变压器的电极配置。 脱气罐设计 罐车的总承载能力为170t，1台20马力的直流电机驱动钢包车在钢包通道内的落地／钢包加热站处理点与位于VTD单坡顶下的脱气位置间运动。罐车的运行速度可达50英尺／min。装在罐车上的罐上有自清理排钢底塞，可将残钢直接排入罐车下方的排泄坑中。 根据现有VAD的正常运行情况，辅助脱气设备首先是取样和喂丝。下述辅助设备安装在2个固定式罐盖的上面或下方： 1)半自动式气氛取样和温度机构； 2)水冷热屏蔽； 3)1个人工观察口和针孔式摄像机，用于监控钢熔池； 4)导线孔机构； 5)在真空下添加铁合金的人工加料斗； 6)中等真空紧急时刻时消除真空的氮气中间罐； 7)喂丝机构(用于每套VTD处理点的多条线)； 8)提升罐盖的液压泵系统； 9)紧急时刻提升罐盖的液压蓄压器。 由带有2台中间冷凝器的4－级蒸汽喷射系统、1台并联的4－级喷射器和1个快速抽空的喷射器来产生真空。该系统设计的最大效率由抽空期间的各种喷射器的程序化来实现。现有的锅炉和供水系统用于蒸汽供应和真空泵系统的接触水，以及用于冷却器的非接触水。该系统在5min之内可将真空度抽至2torr(1torr＝133．322Pa)以下。 钢包加热站电极臂采用铜导母管设计，与导电式电极臂相比，这种设计可降低阻抗，并提供良好的相三角测量。这些特性有利于钢包炉将相等的功率输入给3个电极头，进而确保电极臂在钢包中适当的对中，利用1台液压缸驱动的定位装置将钢包车定位到钢包加热站和VTD的位置。 双站式LF设备 大量的设备安装于双站式钢包炉。早期的1套设备是由曼内斯曼·德马克公司于1990年提供的，其中包括1台回转式起重机及供2个处理装置共用的炉顶。这种布置具有一定的优点。然而，在不给钢包加盖的情况下，炉顶随电弧加热电极回转妨碍了同时对2个点的钢包冶金处理。配备2个冶金处理炉顶和1台回转式起重机的第一座钢包炉于1996年在纽柯公司伯克利钢厂投入运行。这种“回转式电极”设计对操作的灵活性和使用高压变压器是很实用的。 罐车式设备 一些公司在生产真空罐车脱气设备方面具有丰富的经验，新型的脱气设备已供应给众多的钢厂。墨西哥TenarsTamsa公司就是采用最新设计的设备。 TenarsTamsa公司新设备的性能 (1)炼钢实践 为了避免脱气罐中渣的形成，电炉渣的排渣量要最低，还要避免LF炉增碳，低碳钢水更易于完全脱氧，钢包渣的组分应密切监控。除此之外，初步的脱气检测伴随以强烈搅拌来缩短处理时间。快速处理通常会导致连铸机铸坯堵塞，因此，连铸机的运行不应快于钢包脱气罐。经验表明：较长的处理时间和适当的搅拌可较好地保证炼钢车间的顺行。此外，溅渣和泡沫渣通常会导致热屏蔽结壳，在下一炉之前，必须去除结壳，这可能会造成延迟。改变热屏蔽耐火材料、降低搅拌率和密切控制渣的成分即可消除结壳问题。 (2)温度控制 起初，为确保良好的热稳定性和安全性，在钢包的使用寿命10％和75％之间，钢包接到脱气罐。脱气的钢水具有热稳定性，并可更精确地估算温度损失。真空处理的典型的温度损失是40℃，在随后的合金调整、喂丝和冲洗搅拌的损失是30℃，共计70℃。脱过气的钢水连浇炉数多，则利钢温度(损失成比例地变化)随之相应地降低。因此，应依据炉号的顺序调整温度梯度。在浇注最后一炉经脱气处理的钢水时还要密切观察中间包内钢水的温度是否会出现随降，以致造成严重的操作问题。这一问题可以通过造渣(增大体积、提供高石灰渣并控制渣中SiO2和Al2O3的比例)来减少。 (3)脱氢 尽管电炉电极的喷淋冷却对氢无影响，但在电炉停炉后24h以上的前2或前3个炉次中的氢含量增加。在雨季，平均氢含量也增加，增加石灰量是很重要的。必须考虑最有效的措施来脱氢。 (4)脱氮 脱氮高度依赖于吹氩搅拌的总量，因此，高搅拌率或延长处理时间是必要的，以快速或者更完全地降低氮含量。如果在开始处理时氧和硫的含量较高，在脱氮的前15min之内会放慢。业已证明，脱氮率和搅拌气体的量有极大的关系，脱氮率随搅拌率和搅拌时间的增加而提高。 (5)钢的洁净度 经过脱气，钢水中的总氧含量降低，进而提高了钢的洁净度。在增加搅拌和无氧气氛下，只要搅拌的能量可促使夹杂物上浮，即可达到高度脱氧。试验结果表明，总氧量随在高真空下的时间而降低。有关的数据说明的事实仅是真空下的时间，而未考虑其他影响因素，诸如搅拌强度和碳含量。TenarisTamsa公司在随后的夹杂物研究工作中发现了许多影响因素。尽管在脱气期间夹杂物的总量得以降低，但在脱气处理的初期，夹杂物的平均尺寸增大，同时，夹杂物的成分有极大的变化。在脱气处理结束时，从初期的MgO·Al2O3尖晶石转化为富CaO成分。最后，渣的成分改变，尤其是在脱气期间CaO含量降低。 (6)氢裂 采用脱气工艺，可使钢厂生产更多的更优质的钢，主要是用于工业管件和锻件的Cr－Mo合金钢，但这些钢种对夹带氢和裂纹非常敏感。这些缺陷在最终的超声波检验时被检出。若不采取特殊处理，缺陷率可达13．4％。大方坯在均热炉内慢速冷却可以减少这些缺陷，然而，这会严重地制约生产。这些钢种一经真空处理，氢裂缺陷可全部消除。由于脱气后的钢水中的氢含量在(2．0～2．5)×10－6时不产生氢致内部裂纹，收集此类缺陷的信息对优化脱气工艺是有用的。 (7)腐蚀测试 用于酸性气体的钢管质量要符合腐蚀测试的要求。在进行脱气之前，这些钢种不符合测试要求的百分比是很高的(约20％)。耐蚀性的改善是显而易见的：最早脱气的炉次的钢经受这种测试，经过一定时间的处理而生产的钢得到改变，处理过程包括在强劲的搅拌之后的真空处理的最后阶段施以和缓的冲洗搅拌，这使废品率降低。目前生产的这一钢种具有较高的屈服强度，废品率已降至3％以下。 (8)表面缺陷 表面缺陷导致棒材产生裂纹。这些裂纹导致生产延迟和精整作业线产生废钢。产生这些裂纹的根本原因之一是氮化物和碳氮化物的存在。因此，降低钢中的氮含量即可减少这些缺陷。通过对氮含量与生产线上的废品率同时进行监控，废品率从3．5％约降至0．5％。在生产管线钢的初期，一般是包晶钢，采用最终和缓冲洗可将表面缺陷降低50％～70％，在生产大直径(330～370mm)钢管时尤为明显。因此，即使客户或者钢管的厚度不要求，所有大直径管线钢必须进行真空处理。 (9)脱气在TenarisTamsa公司的发展 在采用最新设备之前，该公司生产的钢进行脱气的约占总生产量的10％，在认识了脱气的优势之后，2004年经真空脱气处理的钢产量已占总产量的20％以上。 结论 LF／VTD是为适应炼钢厂的特殊需要的工程项目。为了满足提高产量和质量的要求，由于只需极低的投资费就能够提供最大的灵活性和增加产能，双站式设备得到广泛的应用。尽管这套设备的规划花费了5年的时间，但这套最新的设备将提高该厂未来的生存能力，同时也提供了最新的设备及工艺技术。由于脱气设备的脱氢能力提高了钢的洁净度并改善了表面质量，从而极大地提高了生产力，该公司从脱气中获得了显著的效益。(end)

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