单嘴真空精炼炉技术的开发与实践现状

1 概述

单嘴真空精炼装置（简称单嘴精炼炉）是一种新型炉外精炼设备。它用一个大的浸渍管来代替RH的上升管和下降管，用钢包底部吹气代替RH的上升管吹气，其脱气和脱碳效果都要优于RH工艺，特别适用碳含量控制在30×10-6 以下钢种生产。1976年，北京钢铁学院（现北京科技大学）张鉴教授等与大连钢厂合作，对大连钢厂13吨RH进行了改造，在45CrNiMoVA（坦克轴钢）进行了脱氢工业试验，得了优异的成绩，使我国成为全世界研究单嘴精炼炉最早的国家。

1983年开始，张鉴教授等与长城特殊钢厂、北京工业设计院合作，进行了35吨单嘴精炼炉水模型研究，其后将长城特殊钢厂四分厂一台一直未投产的RH脱气装置改造成了单嘴精炼炉。1992年，在长城特殊钢厂进行35吨单嘴精炼炉轴承钢脱氧、去除夹杂物等的工业实验。2004年，与武钢合作进行了250吨单嘴精炼炉钢脱碳的初步工业研究和脱碳特性水模型研究。2007年开始，将太钢80吨RH改为单嘴精炼炉，实验研究了其冶金功能。2011年，在石钢设计、建造了60吨单嘴精炼炉实验装置并进行了脱氢实验。2011年左右，马钢在圆形单管炉的基础上开发了扁平单管真空精炼炉。

日本新日铁公司基于改进DH脱气能力的目的，对单嘴炉进行了开发研究，于1991年将八幡厂1座175吨的DH改造为单嘴精炼炉，并命名为 Revolutionary Degassing Activator（REDA），并研究其脱碳行为。1994 年将1座330吨的DH也改造为REDA，1998年~1999年对REDA的脱碳特性进行水模型研究，并研究了REDA冶炼不锈钢技术。截至目前为止，日本已有十余台单嘴精炼炉在线运行用于大生产，REDA装置在日本主要应用于生产低碳和超低碳不锈钢。

2 装备特征及冶金特性

2.1 装备特征

单嘴真空精炼炉属于改良型RH，结构与RH示意图见图1、图2。单嘴真空精炼炉最显著地特征是拥有一个大圆筒型浸渍管。该圆筒型浸渍管上部与真空室相连，下部插入钢包内的钢水，利用压力差将钢水吸入浸渍管，同时将钢包渣排除在浸渍管外部；驱动气体由钢 包底部偏心透气砖吹入，使钢液由浸渍管一侧上升，在另一侧下降从而带动钢液循环流动。与RH相比，该装置结构简单，容易维护，能够减少脱碳过程中的喷溅，避免真空室粘钢、粘渣，有效扩大氩气与钢液接触面积，提高精炼的效率。单嘴真空精炼炉尤其适用小钢包120吨。相关学者不断改进单嘴真空精炼炉，演变形成了具有顶枪吹氧、加热、浸渍管气体驱动、扁平单管型等多功能单嘴真空精炼炉。

图 1 单嘴真空精炼炉示意图

图 2 RH 真空精炼炉示意图

2.2 冶金原理

如图3所示，单嘴精炼炉是依靠钢包底部透气砖吹入的氩气泡流吸引钢液上升形成循环的。气泡上升的驱动力主要是浮力和真空的抽吸引力。偏心底吹气时，气液两相区密度远小于钢液密度，这使得钢液随吹入气体与上浮气泡作上升运动至真空室内自由表面处，于是就形成了上升流股。钢液上升到真空室内液体表面处，由于受到后继流股的作用，会沿钢液表面向远离两相区方向运动，同时钢液内气体含量不断减小（受真空泵抽真空的影响）液体密度变大，因此受自身重力的作用向下流动，到达钢包底部附近补充了被上升流股带走的钢液，这样就形成了下降流股。由上升流股和下降流股的共同作用形成了单嘴精炼炉内钢液的循环流动。这里气泡带动的钢液体积要远大于自身体积，这与RH中气泡泵原理描述的气泡行为是一致的。

图 3 单嘴精炼炉钢液循环示意图

图 4 太钢 80 吨单嘴精炼炉浸渍管构造图

气泡对于单嘴精炼炉冶炼有着重要的作用。吹入的气泡首先是钢液循环的动力源，气泡对钢液搅拌做功主要有：

①气泡的浮力功；

②气泡的膨胀功；

③吹入气体带入的动能。

而且吹气的气泡能够发挥脱气、脱碳、去除夹杂物等一系列的精炼效果。

真空对于钢水的脱气、脱碳有着重要的作用。根据西华特定律，气体在钢水中的溶解度与其分压的平方根成正比。因而真空可有效降低钢水中氢、氮的溶解度，而且由于脱碳反应产物为一氧化碳，真空同样可以提高脱碳反应速率常数。此外，吹入的氩气泡同样受到真空的影响而膨胀，这样就进一步提高了钢水的搅拌能。

2.3 精炼优势

根据单嘴精炼炉的结构特点和冶金原理可以归纳起来具有以下优点。

1) 精炼效率高：单嘴精炼炉具有很好的表面性质，因而能够高效地脱碳，同时还能够有效地脱硫。

2) 结构简单，耐火材料寿命均匀，维修方便。同时浸渍管端面大，钢水环流量大。

3) 使用容量较小的钢包单嘴精炼炉也能很好冶炼，而RH则会冶炼困难。

4) 精炼所需氩气量少，这就节约了成本。同时钢水喷溅强度低，因此不易在真空室内结瘤从而影响钢水成分稳定。

5) 由于单嘴精炼炉是目前为止，氩气起泡上升路径最长的精炼手段，从根本上决定了器脱气性能、去除夹杂物性能优越。

3 理论研究

伴随着单嘴精炼炉的诞生，以北京科技大学张鉴教授为首的团队不断地对其工作机制、工艺参数等进行了深入地研究。国内应用钢企和其它高校也通过水模试验、数模计算等方式对其进行了研究，取得了一系列研究成果。

3.1 底吹位置研究

赵钧良、王潮、赵建、秦哲、张利君、芮其宣、侯鹏等分别结合长城钢厂（35吨钢包）、武钢三炼钢厂（250吨钢包）、太钢二炼钢厂（80吨钢包）、首钢首秦公司（100吨钢包）、130吨钢包、300 吨钢包单嘴精炼炉进行了水模型或数值模拟研究。研究表明，在钢桶底部偏离单嘴中心处吹气搅拌有利于钢桶内液体的流动，从而有利于反应的进行和AK（气-液有效接触面积和传质系数）值增大。35吨、80吨钢包吹气位置为R=1/2

（R=0.5）单嘴半径处，混均时间为最短。250吨钢包最佳吹气位置0.6548（r/R），r为透气砖中心与钢包底面中心的距离，R为单嘴内衬半径。100吨钢包最佳吹气位置应为距底部中心0.25～0.3 m 处，即r/R=0.42~0.5。图5为太钢80吨单嘴精炼炉钢包透气砖位置示意图。从相关研究可见，钢包偏心底吹位置r/R=0.4~0.6 之间，取0.5较佳。

图 5 太钢 80 吨单嘴精炼炉钢包透气砖位置示意图

3.2 混匀特性研究

秦哲等以80吨单嘴精炼炉1:4的水模型模拟，研究了单嘴精炼炉加合金料位置、吹气流量（2～10L/min)、单嘴内液面高度（18.5~67.0cm）、浸入深度（75~150mm）、吹气位置等对混匀时间的影响。试验发现在浸渍管中间加入合金比在其他位置加入，混匀时间要平均降低8.7%；在实验条件下，吹气流量存在合理值为6L/min；真空度（浸渍管内液柱高度）和吹气流量之间呈正相关性；浸渍管的浸入深度存在合理范围，过深或过浅均不利于混匀时间缩短，本实验条件下浸入深度以100~125mm为宜。本实验条件下选取r/R等于0.5为宜。如图6所示。单嘴精炼炉的浸渍管内径与钢包内径之比保持在D1/D2=0.5较为合适。

杨学民等采用三维模型对太钢80吨单嘴精炼炉进行了数值模拟。模型中计算了各种操作参数如吹气流量、吹气位置、浸渍管内径、浸渍管浸入深度等等对流场的影响。计算表明流场在70s以后就基本稳定，同时给出了在吹气流量450～500L/min、吹气位置为偏心250mm、浸渍管内径1000mm、浸渍管插入深度为500mm可获得理想循环流量。

图 6 吹气流量（a）、浸渍管内液柱高度（b）、浸渍管浸入深度（C）和吹气位置（d）对混匀时间的影响

3.3 流场模拟研究

王潮等在研究单嘴精炼炉环流速度和环流量时，就已经使用k-ε模型计算了35吨单嘴精炼炉二维速度场。计算的结果得到的水的环流量和实测值的比较可以看出二者比较接近，见图7。35吨钢包正常工艺下混均时间为2min，单嘴精炼炉的混均时间均短于同容量的RH。采用片光和频闪照相的技术曾对环流速度和环流量进行了测定和计算，结果是242的单嘴环流量为80～115kg/min,180的单嘴环流量为60～80kg/min，而同容量的RH只有13～14kg/min。环流量因气体流量和吸嘴内径增大而增大。进而求得单嘴精炼炉钢水流速度可达1 m/s以上，单嘴精炼炉下降钢水速度为0.4～0.5 m/s。当吹入气体流量为0.07～0.11Nm3/min时，通过单嘴精炼炉的钢水环流量约为40～50吨/min。

图 7 数值计算和实测的环流量和气体流量的关系

秦哲、侯鹏等分别对35吨钢包和300吨（REDA）单嘴精炼炉流场进行了数值模拟研究。结果表明，单嘴精炼过程中钢液由钢包底部偏心吹入的气体驱动，在单嘴精炼炉钢包、浸渍管和真空室内形成较大的主循环流和次循环流，单嘴内钢液的上升流股和下降流股之间的相互干扰不大，单嘴精炼炉真空循环过程钢液流动顺畅、合理。秦哲等还研究了单嘴精炼炉真空处理过程气泡行为和流动行为。单嘴精炼炉真空处理过程中存在临界吹气量。在临界吹气流量范围内，随着吹气流量的增加，混匀时间缩短，气泡群出口张角、弯曲程度增加；超出临界吹气流量，生成的大气泡增多，对混匀时间的影响不大。侯鹏等模拟研究认为：靠近上升流股一侧的浸渍管壁冲刷较严重。单嘴精炼炉（REDA）流场中钢包内角部区域是钢液流速较低的地方，这些区域钢液的流动有待改善。

图 8 单嘴精炼炉真空处理过程液体流动行为

4 工业实践

单嘴精炼炉自1976年改造成功大连钢厂13吨RH成功进行工业试验以来，主要经历了以下几个阶段。

4.1 初始阶段（1976 年~1983年）

以大连钢厂13吨单嘴精炼炉开发成功，并进行了工业试验。改双吸嘴为单吸嘴以增大环流量和延长吸嘴寿命；改从吹氩环吹氩为从钢桶底部偏心透气砖吹氩，以增大氩气上升路程；改用电极烘烤真空室为用煤气加氧气烘烤真空室，以简化设备和提高烘烤效果。单嘴精炼炉在当时消除45CrNiMoVA（坦克轴钢）的缺陷（代替电渣重熔）、节电（85～146kW·h/t（钢））和缩短冶炼时间（39～50 min/炉）方面取得了优异成绩。

4.2 研究扩展阶段（1983 年~2002 年）

1983年开始，北京科技大学与长城特殊钢厂合作，将长钢四分厂一台一直未投产的30~35吨RH脱气装置改造成了单嘴精炼炉，并且作了不少颇具成效的研究。进行了真空弱吹氩搅拌生产轴承钢工业试验，共进行了3阶段102炉的冶炼。结果表明，单嘴精炼炉的真空碳脱氧能力与RH相当，处理过程保持高的真空度（小于13 Pa），真空处理时间保持在13～15 min，镇静时间≥10 min，处理前钢包内渣厚控制在100mm以下可保证钢水有较好的洁净度，试验正常炉钢中总氧质量分数全部在20×10-6 以下，最低为10×10-6，平均为16.1×10-6，无点状夹杂物。日本新日铁于1999年公布他们已于1995年将175吨和35吨DH改造成单嘴精炼炉。

（REDA）用于生产极低碳钢,并将其结果发表于Iron and Steelmaker，1999，26（7）：17-21 上。研究表明：REDA的脱碳能力优于同容量的RH和DH:350吨REDA在30min内可将钢中碳脱至3×10-6，175吨REDA在20min 可将碳脱至4~6×10-6，可以保证连铸前中间罐内钢水碳含量达到10×10-6。真空室内钢渣粘结量大为减少，吸嘴寿命接近500炉（炼不锈钢时的吸嘴寿命>100炉），耐火材料消耗比DH还低。

4.3 推广发展阶段（2002年~今）

4.3.1 武钢的实践

2002年，武钢与北科大合作，开展了题为“洁净钢生产工艺技术开发——新型真空精炼装置的开发和应用”的技术开发，使用单嘴精炼炉用于生产超低碳钢。王华，赵建分别作了单嘴精炼炉脱碳特性和搅拌特性水模型研究。2005年在武钢三炼钢厂对单嘴精炼炉进行了2炉深脱碳工业试验，试验结果表明，单嘴精炼炉在20min的脱碳时间内钢中碳质量分数达到17×10-6。

4.3.2 太钢的实践

2008年北科大与太钢合作，将太钢第二炼钢厂的1座80吨RH改造成单嘴精炼炉用来冶炼无取向硅钢，见表1。

表 1 太钢 80 吨单嘴精炼炉主要参数

试验中先后应用3个浸渍管，在普碳钢、低牌号、中牌号、高牌号无取向硅钢上分5个阶段共进行了143炉的超低碳钢(其中无取向硅钢130炉)的工业生产试验。单嘴精炼炉脱氢、脱氧试验进行了 4 炉。试验中钢液初始氢质量分数（4.1~4.7）×10-6，精炼结束后氢质量分数降到（0.9~1.2×10-6），脱氢率为71.4~83.7%，平均76.7%。处理前钢中氧含量为（30~35）×10-6，连铸坯中氧含量为（9~12）×10-6，钢中氧含量明显降低。太钢脱氮试验连续进行10炉，试验钢种为超低碳钢，真空脱碳时间为18min。脱碳处理前钢中氮含量为（29~41）×10-6，平均33.4×10-6，脱碳处理结束合金化前氮含量为（21~30）×10-6，平均24.2×10-6，精炼结束后钢中氮含量为（29~37）×10-6，平均为31.5×10-6。脱碳处理过程中，脱氮率平均为27.3%，脱氮效果较好，后期合金化造成氮含量增加。

单嘴精炼炉脱硫试验进行了37炉取样试验。脱硫前钢液w（[S]）=(33~136)×10-6，平均66.9×10-6；经过单嘴精炼炉处理后w（[S]）=（10~55）×10-6，平均26×10-6，最低10×10-6。试验中太钢单嘴精炼炉最终脱硫效果如下：钢水进站[S]质量分数平均为60.3×10-6，成品中[S]质量分数平均为21.6×10-6，脱硫率为60 %以上；脱硫剂消耗平均5.2 kg/t，是RH脱硫剂用量的50~60%。

真空脱碳取样试验进行了4炉，结果如图2所示。结果表明，在前3min内脱碳速率最快，平均46.7×10-6 /min。3～12min脱碳速率平均16.8×10-6 /min。12～18min脱碳速率平均1.8×10-6/min。可见最初3min脱碳最快，之后随时间增加脱碳速率下降，超过18min后碳质量分数下降不明显。试验中根据所处理硅钢牌号的不同，实际生产中单嘴精炼炉脱碳时间控制在18～25 min，脱碳终点[C]质量分数为20×10-6 左右，最低达10×10-6。脱碳终点碳质量分数在(10~15)×10-6 的炉次占1.9%，(16～20)×10-6 的炉次占29.6 %，(21～25)×10-6 的炉次占42.6 %，(26～30)×10-6 的炉次占24.1 %，(31～35)×10-6 的炉次占1.9 %。

4.3.3 石钢的实践

2011年北科大与石钢合作，在电炉车间建设一套60吨简易单嘴精炼炉实验装置，并进行了20炉生产试验，脱氢情况见表2。可以冶炼出碳低于15×10-6 超低碳钢；最低硫可以脱至10×10-6,可以冶炼低硫钢种。单嘴精炼炉对钢包的自由空间要求，一般控制在300~500mm之间，另一种说法为200~300 mm。单嘴精炼炉的突出特点就是喷溅弱，是在同等条件下RH喷溅高度的一半。

表 2 石钢 60 吨单嘴精炼炉脱氢情况[13]

保真空时间（min）

初始[H]/×10-6

终点[H]/×10-6

脱氢率/%

12

6.3

1.8

76.2

9

2.7

1.0

51.5

10.9

4.11

1.37

65.12

4.3.4 马钢的实践

沈昶等人在圆形单管炉的基础上开发了扁平单管真空精炼炉，如图9所示。从理论上讲，该扁平浸渍管的长轴外径尺寸可以与钢包内壁的直径相等，但考虑到在实际生产过程中钢包内壁上会粘有残渣，因此该浸渍管的长轴外径尺寸比钢包内壁的直径小约400 mm，浸渍管的宽度比其长轴小800~1000 mm。由图9可知，由于扁平单管真空精炼炉将偏心底吹氩位置尽量外移，因而增大了循环空间和循环流量(即图9中的D)，从而改善了脱碳速率，缩短了脱碳时间。

图 9 扁平单管真空精炼炉示意图

马钢扁平单管精炼炉进行了4炉脱碳工业试验。扁平单管精炼炉的真空处理时间为20min时可以将[C]含量脱至20×10-6 左右，且随着处理时间的延长可以继续将C脱至10×10-6。采用扁平单管精炼炉进行了7炉的脱硫工业试验。现场工业试验表明，扁平单管精炼炉的脱碳速率可以达到RH的水平，但其脱硫速率是RH工艺的两倍。

4.3.5 西宁特钢的工业化应用。

西宁特钢三炼钢车间现有1#、2#、3#三套70tVD真空精炼炉，由于车间空间有限，三套真空精炼炉建设时间有差异，导致目前三炼钢车间EAF、LF、VD之间匹配不理想，尤其是目前VD处理工艺时间过长，使冶炼成本居高不下。再加上西宁特钢为开拓市场，拟再增加一套EAF电炉，加大三炼车间产能。这种情况使得精炼的瓶颈效应尤其突出。为了改变这种状态，调整三炼钢冶炼节奏，降低工艺冶炼成本，拟将现有2#VD工位改造为SSRF单嘴精炼炉。

本项目由西宁特钢牵头、北京科技大学负责主要设备工艺尺寸及冶炼工艺、杭真能源负责整体设计、制造、安装调试指导、培训。充分吸收借鉴前期的经验教训，本项目基本功能：

1）适合于特殊钢生产的真空脱气、去除夹杂物等；

2）真空加料；

工艺要求有：

1）以脱氢为目的时的真空脱气处理时间≤25min；

2）全程温降≤50℃（新的单嘴与真空槽第一、二火除外）；

3）真空处理后钢液中氢含量≤2.0ppm；

4）浸渍管寿命≥200火。

SSRF设备的功能、结构特征主要表现为：

1）顶枪装置具备的烘烤功能。采用顶枪吹氧，在合理的操作下，真空槽内的温度分布均匀，槽内表面温度可达到1450℃左右，可有效防止真空槽内壁发生大量粘渣。这样，不仅使生产洁净钢成为可能，而且在生产计划的安排上不必考虑清除冷钢的工作。

2）真空密封通道套在顶枪下端部，密封通道与真空槽盖之间密封；密封通道内的盘根使密封通道与顶枪之间密封，保证顶枪进入真空槽时真空槽内的真空度。

3）真空槽体采用上部与下部分体式槽。

4）浸渍管与真空槽焊接连接，浸入部分采用法兰连接可以更换。

5）设置真空盖，使真空槽容易吊运和更换，便于维护真空槽。

本项目计划于2018年8月完成安装，年底完成热试验收。

4.3.6、南通中兴能源装备25吨SSRF单嘴精炼炉

本项目结构形式与西宁特钢类似，也是由浙江杭真能源科技股份有限公司与北科大、南通中兴能源科技股份有限公司以“产学研用”合作模式开展的项目。

本项目计划于2019年10月完成安装，年底完成热试验收。

5 结语

在化解钢铁过剩产能的时代大背景下，开发适应市场需求的高附加值特殊优质钢是重钢转型发展的必由之路，功能强大的真空精炼装置是生产特殊优质钢不可或缺地炼钢主力装备。单嘴真空精炼炉作为一种新型炉外精炼装置，国内外研究及实践已经证明其具有强大的冶金功能和良好的实践效果，特别适用容量较小的钢包单嘴精炼炉，同时将日渐成熟的机械泵真空系统应用成果与单嘴真空精炼炉有效地结合，将对单嘴精炼炉技术的推广和发展，甚至中国冶金科学技术的发展起到良好地示范作用。

来源：钢液精炼技术

来源：小黄人工业互联