我国真空精炼技术的发展趋势

孟 娜，程红兵，刘 岚，康瑞泉，马炳川

(中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032)



·专题综述·

我国真空精炼技术的发展趋势

孟 娜，程红兵，刘 岚，康瑞泉，马炳川

(中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032)

产品质量的提高和新产品的开发对真空精炼提出了更高的要求。本文总结了真空精炼技术的发展现状，对RH、VOD等真空精炼技术进行了阐述。并对存在的问题和发展方向进行了分析和探讨，指出加大工艺的研发力度和开发新钢种是真空精炼技术未来的发展方向。

真空精炼；RH；VOD；精炼工艺；真空泵

0 前言

冶金工业的迅速发展对钢材机械性能、钢水纯净度和化学成分(包括微量元素)的精确控制不断提出新的要求，因而促进了真空精炼技术RH、VOD等多功能精炼技术的迅速发展。

我国真空精炼技术的研究起步于20世纪中期。1962年，中国重型机械研究院股份公司(简称中国重型院)建立了真空泵实验研究室，大力研究蒸汽喷射真空泵，解决了真空精炼技术的核心问题之一。经过50多年的发展，真空精炼已经由原来单一的脱氢设备转变为包含真空脱碳、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等的多功能炉外精炼设备，而且在生产超低碳钢方面表现出了显著的优越性。在现代化的钢厂中，真空精炼已成为一种必不可少的炉外处理手段。据报道，在国内大部分钢厂中，超过90%的钢种都需要经过 RH、VOD等真空精炼处理。它的应用为炼钢厂实现优质、低耗、多品种、高效益奠定了可靠的基础。

1 真空精炼技术的发展

1.1 常见真空精炼技术的特点

在现代化钢厂中，钢种冶炼的典型工艺为：铁水预处理-顶底复吹转炉/电炉-LF-真空精炼炉-连铸。炉外精炼水平代表着各钢厂的总体水平，应大力发展多功能炉外精炼设备。

现有的真空精炼设备各有特点，其工艺目标如表1所示。到目前为止，RH是各种精炼装置中功能最全，设备最复杂的一种，具有操作效率高、适应批量生产等优点，一般用于冶炼汽车板钢等低碳钢及超低碳钢的生产。VOD、VD、VAD冶金反应动力学条件差，所以操作周期较长，但其设备相对简单，投资较低，很多电炉车间选择他们作为炉外精炼设备，主要用于生产不锈钢、特殊钢、低碳类优质钢。

表1 工艺目标

1.2 真空精炼技术在我国的应用

钢水的真空精炼早在20世纪中期就显示了其在提高质量、扩大品种方面的优势。50年代中后期，由于大功率的蒸汽喷射泵技术的突破，相继发明了钢包内钢水提升脱气法(DH)和循环脱气法(RH)。

我国的真空精炼技术始于20世纪50年代中后期，用钢包静态脱气VD和DH真空处理装置精炼电工硅钢等钢种。1962年，中国重型院建成了水蒸汽喷射真空泵技术研究试验室，如图1所示。60年代中期至70年代，我国特钢企业和机电、军工行业钢水精炼技术的应用和开发有了一定的发展，并引进了一批真空精炼设备，如大冶、武钢的RH，北京重型机械厂的ASEA-SKF，抚顺钢厂的VOD-VAD，还试制了一批国产的真空处理设备，钢水吹氩精炼也在首钢等企业投入了生产应用。这期间宝钢引进了现代化的大型RH装置。可以说，80年代是我国真空精炼技术发展奠定基础的时期，由此也推动了我国钢铁工业生产的优化发展。90年代初，随着连铸生产的增长和对产品质量日益严格的要求，我国真空精炼技术得到了迅速的发展。不仅设备数量增加，处理量也由过去的2%增长到20%以上。1998年，中国重型院增建了高效真空泵试验台，试验室设施与手段得到了完善。到2003年，研发了包括RH、VOD在内的真空精炼技术。

国内学者对各种真空精炼设备特点和化学反应极其参数进行了大量的研究。以RH为例，在冶炼过程中，由于脱碳速率与真空室中自由液面表面积的大小息息相关，故RH真空精炼的关键在于其动力学特性。1988 年，Kuwabara首次提出使用椭圆形代替圆形浸渍管可以大幅增加RH装置的循环流量，提高精炼效率。2013年，刘浏进行了1/2的水模型实验，采用椭圆形浸渍管后的环流面积增加了70%。他发现椭圆形浸渍管的环流量在较大提升气体流量时增加的效果愈加显著。为了冶炼LF钢(无间隙原子钢)，首钢京唐钢铁联合有限公司进行了RH快速深脱碳的研究。张春杰采用1:4水模型对邯钢260 tRH钢水混匀时间进行了研究。王晓东等对RH真空精炼循环流动进行了数值模拟研究等。目前，中国重型院攻克了0～1200 kg/h各种抽气能力的蒸汽喷射真空泵，节针和倒塔式喷淋等技术难关，重点突破了节流双喷嘴，验证和修订了真空泵的计算模型和计算方法，同时证实了在大型真空泵自主设计制造方面的能力，在RH、VOD等技术国产化方面迈出了关键的一步，经过三十余年的理论与试验研究及工业应用，在积累的大量数据与经验的基础上创建了独有的计算机数学模型和计算方法，形成了专有技术。已经掌握真空系统、钢包液压顶升系统、多功能顶枪等。自2000年以来，中国重型院设计的真空精炼设备如表2所示。

图1 真空泵实验室

使用单位精炼形式抽气能力/kg·h-1,67Pa蒸汽压力(MPa)/冷却水温度(℃)投产年份梅钢130tRH-MFB6001.3/352002马钢一钢110tVD4000.8/352002马钢三钢70tVD3000.8/352003天钢公司100tVD4001.2/352003石钢60tVD3000.9/342003攀钢2#130tRH-MFB5501.3/352003上钢一厂165tRH-MFB6501.5/352004马钢一钢150tRH-MFB7000.9/352004宝钢1#300tRH-MFB11001.3/342004山西海鑫90tVD4000.9/342004本钢2#180tRH-MFB6001.3/342005宝钢5#300tRH-MFB12001.3/342006

2 真空精炼的新技术与新设备

2.1 高效节能水环泵真空系统装备技术

传统RH精炼炉一般采用4级或者5级蒸汽喷射泵进行抽真空，由于蒸汽耗量大，致使RH真空精炼的生产成本大大增加。中国重型院提出了蒸汽泵-水环泵组合的形式，并将其应用于攀钢板坯RH四级蒸汽喷射泵系统的改造中。

图2 蒸汽泵-水环泵系统结构图

从图2的蒸汽泵-水环泵系统结构图可以看出，水环泵系统从C2冷却器中引出，实现了水环泵系统和4a、4b 蒸汽泵进行相互切换使用，这样在水环泵系统进行检修时可继续使用蒸汽泵，对生产节奏不产生影响。根据实际预算，攀钢每炉处理量130 t，年处理量420 000 t，改造后每炉可节约蒸汽5 t，每年可节约222.67万元，因此实现了节能减排，大大降低了生产成本。并且降低了冷凝器出水温度和水处理系统负荷，提高了真空泵系统的可靠性和稳定性。

2.2 干式机械真空泵装备技术

炉外精炼机械真空抽气系统实验室如图3所示。在实验研究过程中，为了保证整个实验接近钢厂的实际环境，研究者从钢厂提取不同类型、不同颗粒的粉尘，并且比较各类设备的性能指标，及对环境污染的程度。图4所示为主泵的工作原理，该原理成功而且有效实施了炉外精炼装备机械真空抽气系统的试验研究，对国内机械泵和进口机械泵的运行参数进行了对比，获得了大量实验数据。最终得出：干式抽气系统配置简单，占地面积小，易于安装，运行成本低，操作简单方便，工作温度较低，约为60～85℃，启动快，噪声低，没有污染，操作灵活，可以随时启动停止，生产连贯性好。

图3 干式机械真空泵实验室

在攀钢70tVD项目中，采用了干式机械泵作为抽气系统，将实验数据应用于项目设计中。该系统具有较高的极限真空度和工作真空度，配用先进的真空部件和控制系统，运行过程有PLC自动控制，操作简便；整机采用单元模块化、标准化设计。

图4 主泵工作原理

在项目实施过程中，进行了机械真空抽气系统的性能参数、抽气流量的测试，对各级机械真空泵之间的匹配关系进行了深入研究。同时，结合攀钢现场实际情况，深入研究了粉尘在干式真空泵系统中的通过性能。机械真空抽气系统真空参数达到2 Pa，总体真空参数达到10 Pa，在较好的使用状况下真空参数可以达到67 Pa，系统粉尘的通过参数达到不小于25 um颗粒。与同吨位的蒸汽喷射泵相比，节电效果达96%，且使VD5 min内达到深真空，钢水中的[H]可控制在0.00024%以内。

2.3 微合金加料系统

马钢首先采用了先进的微合金称量技术，其设备如图5所示。它可以精确的控制每种合金的加入顺序、加入精度，可实现小批量、高精度、易容错等功能，并且在真空条件下实现微合金加料，严格控制了钢液成分，保证了高品质特种钢的生产。

3 真空精炼技术面临的挑战及未来的发展趋势

真空精炼一般与LF等组合使用，各种精炼设备各有所长，没有一种精炼装置能满足各种工艺目的。并且精炼流程与前序的转炉/电炉，及后续连铸的快速发展不完全匹配，成为我国关键品种生产的瓶颈之一。

(1)部分工艺条件缺乏理论实验的研究，有些设计制造都是依靠以往工程的经验，比如图6所示的水冷弯管，对于外侧水冷盘管管径的大小，入口和出口的位置，出口的水温值等等，都参考以前的项目数据，因此设计一直沿用现有的方案。

图6 水冷弯管

(2)精炼过程中，钢包和真空室是一个封闭的环境。为了准确、真实的反映钢液的运动情况，北京科技大学和东北大学做了大量的研究，建立了水模实验室，图7是RH水模实验平台。以相似理论为依据，通过建立模型，设置边界条件，尽可能模拟实际的运动过程。

图7 RH水模实验平台

(3)干式机械泵的节能效果达到90%以上，它不需要冷却系统，不产生污水，具有工作噪音小，运行成本低等优点，近年来备受钢厂的青睐，但是干式机械泵目前主要应用于VD系统，对于相对复杂的RH系统主要还是采用蒸汽泵。冶金工作者对干式机械泵进行了大量的研究，在实验过程中发现，国产的干式机械泵故障率较高，性能指标没有进口的干式机械泵可靠、稳定，所以各大钢厂采用的干式机械泵主要依靠Edwards、WELCH等进口设备，使得投资费用较高，后期保养、维护也不方便。因此，为了满足多品种的需要，精炼技术应向多功能方向发展。必须开发可以降低生产成本的精炼工艺；开发可以增加精炼功能，用于生产高功能钢材的高纯度、高洁净钢水的精炼工艺；必须开发环境友好型精炼工艺。加大工艺的研发力度，将精炼工艺的研究作为整个工作的重中之重。针对不同钢种的特点，制定最佳的工艺路线。注重精炼设备工艺参数的优化和生产流程优化重组。

通过不断的技术研究和对引进技术的消化吸收，开发冶炼模型、温度预报模型、成分预报模型、人工智能等。不断提高过程自动化控制和冶金效果在线监测水平。在提高基础技术方面，研究开发的极微量成分含量的定量分析技术、钢水成分的在线精确定量分析技术、夹杂物的快速定量评价技术、精确分析技术和有效萃取分离技术等能得到进一步发展。

4 结束语

真空精炼技术未来的发展方向必定朝着加强工艺的研发，开发可以降低生产成本的精炼工艺和精炼技术；针对不同钢种的特点，制定最佳的工艺路线，进行产品结构的优化调整；向多功能方向发展；开发可以增加精炼功能，用于生产高功能钢材的高纯度、高洁净钢水的精炼工艺；开发环境友好型精炼技术。

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Development trend of vacuum refining in China

MENG Na，CHENG Hong-bing，LIU Lan，KANG Rui-quan,MA Bing-chuan

(China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Xi’an 710032,China)

Product quality and the development of new products put forward higher requirements for vacuum refining.This paper summarizes the current situation of vacuum refining technology,the RH,VOD and other vacuum refining technology in detail.The existing problems and development direction are analyzed and discussed.It points out that research and development efforts to develop new technology and steel are the future direction of the vacuum refining technology.

vacuum refining；RH；VOD；refining process; vacuum pump

2016-09-16；

2016-10-09

孟娜(1982-)，女，工程师，主要研究方向精炼设备。

TP393

A

1001-196X(2017)03-0001-05