CN111455136B - 提高钢水真空脱碳过程逸出一氧化碳及氢气能源利用率方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高钢水真空脱碳过程逸出一氧化碳及氢气能源利用率方法,包括如下步骤:S1、真空脱碳前:对钢水进行深度脱氧形成脱氧钢水,脱氧钢水处于低氧位状态;S2、在脱氧钢水进RH后对RH真空室抽真空,使得脱氧钢水循环进入RH真空室,控制氧枪向RH真空室吹氧,进入真空脱碳程序;S3、在真空脱碳过程中,基于RH真空室排出气体中目标气体组分实时控制氧枪的枪位,以使目标气体的组分控制在目标范围。脱碳前对钢水进行深度脱氧,将溶解氧控制在真空建立初始就开始吹氧条件下,在集中脱氢完成前基本不发生集中碳氧反应;脱氢、脱碳过程分离,脱碳速率可根据吹氧速率很好地控制,不会出现同步大量逸出,避免了严重的喷溅。
Description
技术领域
本发明属于炼钢炉外精炼技术领域,更具体地,本发明涉及一种提高钢水真空脱碳过程逸出一氧化碳及氢气能源利用率方法。
背景技术
在诸多钢水炉外脱碳方法中,钢包外循环精炼装置,如RH等,以其脱碳效率好、处理周期短、精炼效果好、综合功能强大等优势得到广泛的应用。尤其是近年来,随着汽车、家电和电工等制造业的发展,对脱碳钢的需求越来越大。但脱碳过程是钢水在真空室内循环实现的,真空室耐火材料和循环提升气对热能消耗而言相对需求较大,过程中尽可能回收利用能源非常重要。真空脱碳过程是钢水中的碳和氧在真空条件下因碳氧反应生成一氧化碳逸出的过程,在实践中分为自然脱碳和强制脱碳两种方式,脱碳过程中还在前期会同时伴有钢中溶解氢的逸出。所谓自然脱碳,即完全利用钢水中已经含有的溶解氧将碳去除至目标含量的脱碳方式,钢中的溶解氧已经充足,无需补充,钢水中逸出的一氧化碳等直接被抽出真空室;而所谓强制脱碳是采用辅助吹氧装置将钢中尚不足以将碳脱除至目标含量的溶解氧用氧气补足的脱碳方式,钢水中逸出的一氧化碳有部分可与补充氧气相遇而发生反应放热并通过辐射和对流向钢水和真空室壁供热并升温,另一部分则直接被抽出真空室。
长期以来,炼钢业内真空脱碳的通行做法是希望较多的采用自然脱碳,即便是采用强制脱碳,也是在较高溶解氧的状态下,依据目标碳去补充少量的欠缺氧气。在这种情况下,真空脱碳过程中逸出的各种可燃气体即便不是基本被直接抽出,也只是仅有少量能与补充氧气反应产生不多反应发热。另外,可利用热能气体量与供氧量和供氧方式相关。在钢中溶解氧较高时,只要一抽真空,就开始出现碳氧反应,并可能在吹氧(特别是吹氧流量大时)时机不当的情况下脱碳反应剧烈,瞬间一氧化碳附加氢气的逸出,总气体生成量大。此时,虽然发生了一氧化碳及氢气的燃烧反应,但由于吹氧总量不大、吹氧流量不能在一氧化碳大量产生阶段做提高,使得逸出可燃气体利用率不高,大部分仍被统排出真空室。由此可见,无论现行的真空脱碳方式是否吹氧,只要钢中的溶解氧较高,都存在着反应和逸出气体不可控,宝贵的可燃气体利用效率低,过程二次能源未能充分利用的问题。
发明内容
本发明提供了一种提高钢水真空脱碳过程逸出一氧化碳及氢气能源利用率方法,旨在实现RH脱碳时钢中逸出的氢气及一氧化碳等可燃气体充分利用,以降低炼钢炉的出钢温度。
为了实现上述目的,本发明采取的技术方案为:一种提高钢水真空脱碳过程逸出一氧化碳及氢气能源利用率方法,所述方法具体包括如下步骤:
S1、真空脱碳前:对钢水进行深度脱氧形成脱氧钢水,脱氧钢水处于低氧位状态;
S2、在脱氧钢水进RH后对RH真空室抽真空,使得脱氧钢水循环进入RH真空室,控制氧枪向RH真空室吹氧,进入真空脱碳程序;
S3、在真空脱碳过程中,基于RH真空室排出气体中目标气体组分实时控制氧枪的枪位,以使目标气体的组分控制在目标范围。
进一步的,氧枪的流量的计算具体包括如下步骤:
计算脱氧钢水的吹氧量;
吹氧量由氧化脱氧钢水残余脱氧元素的吹氧量、脱氧钢水的温度补偿吹氧量、脱氧钢水中脱碳的吹氧量及确保脱氧钢水脱碳结束过剩氧的吹氧量组成;
基于吹氧量及脱碳时间来计算氧枪流量;
其中,氧化脱氧钢水残余脱氧元素的吹氧量是指去除脱氧钢水中脱氧元素所需的氧量;
脱氧钢水的温度补偿吹氧量是指在脱氧钢水进入RH时的温度达不到目标温度时,后续与铝进行氧化反应补充热量所需的氧量;;
脱氧钢水中脱碳的吹氧量是指脱去脱氧钢水中碳所需的氧量;
脱氧钢水脱碳结束过剩氧的吹氧量是指为满足脱碳结束过剩氧所需的氧量。进一步的,氧枪流量的计算具体如下:
氧枪流量=吹氧量÷脱碳时间×60÷钢水量。
进一步的,目标气体为CO时,当RH真空值排出气体中CO的浓度超出目标范围,则提高氧枪枪位500-1500mm。
有益效果具体如下:(1)真空脱碳前对钢水进行深度脱氧,将溶解氧控制在真空建立初始就开始吹氧条件下,在集中脱氢完成前基本不发生集中碳氧反应;(2)真空建立初始就向钢水进行吹氧,吹氧连续贯穿整个脱碳过程;(3)脱氢、脱碳过程分离,脱碳速率可根据吹氧速率很好地控制,不会出现同步大量逸出,避免了严重的喷溅;(4)通过真空室排出烟气气体组元含量控制氧枪枪位,提高燃烧效率;
附图说明
图1为本发明是实力提供的提高钢水真空脱碳过程逸出一氧化碳及氢气能源利用率方法流程图。
具体实施方式
下面对照附图,通过对实施例的描述,对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明,以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
控制钢水真空脱碳处理前处于低氧位状态,为达到脱碳目标值必须向钢水大量吹氧,由于通过吹氧达到与钢水中碳大量发生脱碳反应的钢中溶解氧含量有一个时间过程,在此过程中氢气集中逸出,且仅有氧流冲击钢水表面生成少量一氧化碳,吹氧量足以将产生的一氧化碳及氢气充分燃烧;随着钢中溶解氧的逐渐升高,氧流冲击钢水表面反应区生成一氧化碳的量也在提高,但氢气的逸出已经不多,仍有充足的吹氧氧气使可燃气体充分反应;随着钢中溶解氧的进一步升高,脱碳反应也进一步深入进行,但由于前期从一开始就一直在逐步进行的脱碳反应已使钢中的剩余碳降低,脱碳反应速率并不会随着氧含量的升高而太大提升,吹氧也足以使产生的一氧化碳充分燃烧;最终脱碳反应终止时刻停止吹入氧气,使得逸出氢气、一氧化碳等可燃气体的充分燃烧,实现脱碳过程的二次能源充分利用。
图1为本发明是实力提供的提高钢水真空脱碳过程逸出一氧化碳及氢气能源利用率方法流程图,该方法具体包括如下步骤:
S1、真空脱碳前:对钢水进行深度脱氧形成脱氧钢水,脱氧钢水处于低氧位状态,例如定义氧含量低于≤100ppm即为低氧位状态;
S2、在脱氧钢水进RH后对RH真空室抽真空,使得脱氧钢水循环进入RH真空室,控制氧枪向RH真空室吹氧,进入真空脱碳程序;
S3、在真空脱碳过程中,基于RH真空室排出气体中目标气体组分实时控制氧枪的枪位,以使目标气体的组分控制在目标范围,目标气体为一氧化碳,其对应的目标范围可以定义为:CO含量≤1%,氧枪的初始枪位一般设置为4500mm,当目标气体超出了对应的目标范围,则控制氧枪枪位提高500mm-1500mm,促进CO的燃烧,以控制RH真空室排出气体中CO的含量低于1%,由于H在钢水中的含量相对较少,其在RH真空室排出气体中的含量一般≤0.0020%。
氧枪的流量的计算具体包括如下步骤:
预估脱氧钢水的吹氧量;
吹氧量=氧化脱氧钢水中残余脱氧元素(铝或硅)的吹氧量+脱氧钢水的温度补偿吹氧量+脱氧钢水中脱碳的吹氧量+确保脱氧钢水脱碳结束过剩氧的吹氧量;
基于吹氧量及脱碳时间计算氧枪流量,氧枪流量=吹氧量÷脱碳时间(分钟)×60÷钢水量;钢水量的单位:t,吹氧量的单位:Nm3,氧枪流量的单位:Nm3/h·t。
其中,氧化脱氧钢水中残余脱氧元素的吹氧量是指去除脱氧钢水中脱氧元素所需的氧量;脱氧钢水的温度补偿吹氧需求量是指在脱氧钢水进入RH时的温度达不到目标温度时,后续与铝进行氧化反应补充热量所需的氧量(铝的氧化反应释放出热量用于进行升温);脱氧钢水中脱碳的吹氧量是指脱去脱氧钢水中碳所需的氧量;确保脱氧钢水脱碳结束过剩氧的吹氧量是指为满足脱碳结束过剩氧所需的氧量。。
氧枪流量为1.5Nm3/h·吨钢-10Nm3/h·吨钢,以控制吹氧耗时持续脱碳过程;氧枪枪位为700mm-7000mm,以控制烟气分析仪CO含量≤1%为目标。其有益效果具体如下:(1)真空脱碳前对钢水进行深度脱氧,将溶解氧控制在真空建立初始就开始吹氧条件下,在集中脱氢完成前基本不发生集中碳氧反应;(2)真空建立初始就向钢水进行吹氧,吹氧连续贯穿整个脱碳过程;(3)脱氢、脱碳过程分离,脱碳速率可根据吹氧速率很好地控制,不会出现同步大量逸出,避免了严重的喷溅;(4)通过真空室排出烟气气体组元含量控制氧枪枪位,提高燃烧效率;
下面以300吨炼钢炉及300吨RH炉冶炼低碳及超低碳钢为例对本发明的技术方案和效果进行详细介绍:
实施例Ⅰ:钢种:低碳钢DC03;实际钢水量:312吨
低碳钢DC03化学成分要求如下表1:
表1 低碳钢DC03化学成分表
炼钢炉出钢温度1621℃,出钢过程加入铝铁1382kg对钢水进行深脱氧,RH进站时,钢水氧含量3.2ppm;
脱氧钢水进RH后开始抽真空,当脱氧钢水进入RH真空室并开始循环后通过RH顶枪向真空室内吹氧,吹氧量=A+B+C+D=125+157+75+51=408(Nm3),计算过程如下:
A:氧化脱氧钢水残余脱氧元素(酸溶铝)的吹氧量:
A=钢水量(吨)×0.01004×[Als%]进站÷0.001%=312×0.01004×0.040%÷0.001%=125(Nm3);式中,钢水量(吨)为钢水重量,[Als%]进站为钢水进站(即进入RH)酸溶铝含量,0.01004为每氧化1吨钢水中酸溶铝(酸溶铝含量:0.001%)需要的吹氧量,根据冶金理论计算及氧气收得率等现场数据确定;
B:脱氧钢水的温度补偿吹氧量:
B=钢水量(吨)×0.0373×(T进站目标温度-T进站-T铝氧化升温)=312×0.0373×(1600-1580-0.040%÷0.001%×0.37)=157(Nm3);式中,钢水量(吨)为钢水重量,T进站目标温度为RH工序不需进行温度补偿的钢水进站温度,与钢厂装备及工艺水平相关,取1600℃;T进站为钢水进RH时测定的钢水温度;T铝氧化升温为氧化钢水中残余酸溶铝升温值,T铝氧化升温=[Als%]进站÷0.001%×0.37;0.0373为每吨钢水升温1℃需要的吹氧量,根据冶金理论计算及氧气收得率等现场数据确定;0.37为每氧化0.001%酸溶铝所升高的温度;根据冶金理论计算及现场实测数据确定。
C:脱氧钢水中脱碳的吹氧量:
C=钢水量(吨)×0.1506×([C%]进站-[C%]脱碳结束目标)÷0.010%=312×0.1506×(0.031%-0.0010%)÷0.010%=75(Nm3);
式中,钢水量(吨)为钢水重量,[C%]进站为钢水进站时的碳含量;[C%]脱碳结束目标为脱碳结束目标碳含量,与冶炼钢种相关,低碳钢取0.015%;0.1506为每吨钢水脱0.010%碳含量需要的吹氧量,根据冶金理论计算及氧气收得率等现场数据确定;
D:确保脱氧钢水脱碳结束过剩氧的吹氧量:
D=钢水量(吨)×0.0011×[O]脱碳结束目标=312×0.0011×150=51(Nm3)
式中,钢水量(吨)为钢水重量,[O]脱碳结束目标为脱碳结束目标氧含量,与冶炼钢种相关,低碳钢取150ppm;0.0011为每吨钢水增氧1ppm需要的吹氧量,根据冶金理论计算及氧气收得率等现场数据确定;
氧枪流量按照如下公式进行计算后确定。氧枪流量=吹氧量(Nm3)÷RH脱碳时间(分钟)×60÷钢水量(吨)=408÷18×60÷312=4.36Nm3/h·t钢。式中,脱碳时间设定为18分钟,脱碳时间的设定与钢种相关;
开始吹氧时,氧枪枪位设定为4500mm。吹氧期间,监控废气分析仪CO、O、H、等气体组元含量变化,以烟气分析仪CO含量≤1%、O含量≤5%、H含量≤0.0010%为目标。本实施例中,吹氧前期废气分析仪CO、O、H等气体组元含量均达到目标,但在吹氧至5分28秒时,烟气CO含量为1.7%、O含量为7.1%、H含量为0.%,排出气体中CO含量超出控制目标,于是提高吹氧枪位至5200mm,2分钟后,排出气体中CO含量为0.8%、O含量为3.52%、H含量为0.0006%,达到控制目标,后一直在目标范围内波动,维持氧枪枪位在5200mm直至脱碳结束;
RH吹氧结束后,钢水脱碳、脱氧、合金化,同钢厂现行方法相同;RH出站时,钢水碳含量:0.022%。
对比例Ⅰ:钢种:低碳钢DC03;实际钢水量:310吨
炼钢炉出钢温度1665℃,出钢过程不加任何脱氧合金;
钢水进RH后,定氧测温取样,钢水温度1611℃,氧含量527ppm,钢水碳含量0.028%;
RH具备自然脱碳条件,不需吹氧;
RH开抽10min后脱碳结束,此时钢水温度1585℃,氧含量152ppm,钢水碳含量0.021%;
脱氧合金化,共耗时12分钟;
RH破空,破空前测温,此时钢水温度1582℃。
实施例Ⅰ与对比例Ⅰ主要工艺效果对比见表2:
接上表:
表2 实施例Ⅰ与对比例Ⅰ主要工艺效果对比表
实施例Ⅱ:钢种:IF钢DC06;实际钢水量:303吨
IF钢DC06化学成分要求如下如表3:
表3 超低碳钢DC03化学成分表
炼钢炉出钢温度1627℃,出钢过程加入铝铁1500kg对钢水进行深脱氧,RH进站时,钢水氧含量2.8ppm;
钢水进RH后开始抽真空。当钢水进入RH真空室并开始循环后通过RH顶枪向真空室内吹氧,吹氧量=A+B+C+D=146+70+128+100=444(Nm3),计算过程如下:
A:氧化脱氧钢水残余脱氧元素(酸溶铝)的吹氧量:
A=钢水量(吨)×0.01004×[Als%]进站÷0.001%=303×0.01004×0.048%÷0.001%=146(Nm3);式中,钢水量(吨)为钢水重量,[Als%]进站为钢水进站酸溶铝含量;0.01004为每氧化1吨钢水中酸溶铝(酸溶铝含量:0.001%)需要的吹氧量,根据冶金理论计算及氧气收得率等现场数据确定;
B:脱氧钢水的温度补偿吹氧量:
B=钢水量(吨)×0.0373×(T进站目标温度-T进站-T铝氧化升温)=303×0.0373×(1605-1597-0.048%÷0.001%×0.37)=161(Nm3);式中,钢水量(吨)为钢水重量,T进站目标温度为RH工序不需进行温度补偿的钢水进站温度,与钢厂装备及工艺水平相关,取1605℃;T进站为钢水进RH测定的钢水温度;T铝氧化升温为氧化钢水中残余酸溶铝升温值,T铝氧化升温=[Als%]进站÷0.001%×0.37;0.0373为每吨钢水升温1℃需要的吹氧量,根据冶金理论计算及氧气收得率等现场数据确定;0.37为每氧化0.001%酸溶铝所升高的温度;根据冶金理论计算及现场实测数据确定;
C:脱氧钢水中脱碳的吹氧量:
C=钢水量(吨)×0.1506×([C%]进站-[C%]脱碳结束目标)÷0.010%=303×0.1506×(0.029%-0.0010%)÷0.010%=128(Nm3);式中,钢水量(吨)为钢水重量,[C%]进站为钢水进站碳含量;[C%]脱碳结束目标为脱碳结束目标碳含量,与冶炼钢种相关,超低碳钢取0.0010%;0.1506为每吨钢水脱0.010%碳含量需要的吹氧量,根据冶金理论计算及氧气收得率等现场数据确定;
D:确保脱氧钢水脱碳结束过剩氧的吹氧量;
D=钢水量(吨)×0.0011×[O]脱碳结束目标=303×0.0011×300=100(Nm3);式中,钢水量(吨)为钢水重量,[O]脱碳结束目标为脱碳结束目标氧含量,与冶炼钢种相关,超低碳钢取300ppm;0.0011为每吨钢水增氧1ppm需要的吹氧量,根据冶金理论计算及氧气收得率等现场数据确定。
氧枪流量按照如下公式进行计算后确定。氧枪流量=吹氧量(Nm3)÷RH脱碳时间(分钟)×60÷钢水量(吨)=444÷28×60÷303=3.14Nm3/h·t钢。式中,RH脱碳时间设定为28分钟;
开始吹氧时,氧枪枪位设定为4500mm。吹氧期间,监控废气分析仪CO、O、H、等气体组元含量变化,以烟气分析仪CO含量≤1%、O含量≤5%、H含量≤0.0010%为目标。本实施例中,吹氧前期废气分析仪CO、O、H等气体组元含量均达到目标,但在吹氧至4分07秒时,排出气体中CO含量为1.5%、O含量为8.2%、H含量为0.0008%,排出气体中CO含量超出控制目标,于是提高吹氧枪位至5600mm,1.5分钟后,排出气体中CO含量为0.9%、O含量为2.95%、H含量为0.0005%,达到控制目标,后一直在目标范围内波动,维持氧枪枪位在5600mm直至脱碳结束;
RH吹氧结束后,钢水脱碳、脱氧、合金化,同钢厂现行方法相同;RH出站时,钢水碳含量:0.0014%。
对比例Ⅱ:钢种:IF钢DC06;实际钢水量:308吨
炼钢炉出钢温度1678℃,出钢过程不加任何脱氧合金;
钢水进RH后,定氧测温取样,钢水温度1625℃,氧含量546ppm,钢水碳含量0.026%;
RH具备自然脱碳条件,不需吹氧;
RH开抽17min后脱碳结束,此时钢水温度1581℃,氧含量316ppm,钢水碳含量0.0012%;
脱氧合金化,共耗时12分钟;
RH破空,破空前测温,此时钢水温度1582℃。
实施例Ⅱ与对比例Ⅱ主要工艺效果对比见表4:
接上表:
表4 实施例Ⅱ与对比例Ⅱ主要工艺效果对比表
本具体实施方式具有如下积极效果:
(1)DC03与DC06钢种,本发明技术方案实施例RH废气CO百分比最高值分别为1.7%、1.5%,较对比例RH废气CO百分比最高值24.2%、26.7%分别降低了93.0%与94.4%;
(2)DC03与DC06钢种,本发明技术方案实施例RH废气O百分比最高值分别为7.1%、8.2%,较对比例RH废气O百分比最高值11.0%、12.4%分别降低了35.5%与33.8%;
(3)DC03与DC06钢种,本发明技术方案实施例RH废气CO2百分比最高值分别为34.6%、32.5%,较对比例RH废气CO2百分比最高值11.8%、9.6%分别提高了193%与239%;
(4)DC03与DC06钢种,本发明技术方案实施例RH废气H百分比最高值分别为0.0011%、0.0008%,较对比例RH废气H百分比最高值0.0019%、0.0021%分别降低了42.1%与61.9%;
(5)DC03与DC06钢种,本发明技术方案实施例转炉出钢温度分别为1621℃、1627℃,较对比例转炉出钢温度1665℃、1678℃分别降低了44℃与51℃;
(6)DC03与DC06钢种,本发明技术方案实施例RH脱碳期钢水温降速度分别为0.5℃/min、0.11℃/min,较对比例RH脱碳期钢水温降速度为2.60℃/min、2.59℃/min分别降低了96%与81%;
(7)DC03与DC06钢种,本发明技术方案实施例RH破空钢水碳含量分别为0.022%、0.0014%,较对比例中包碳含量0.021%、0.0012%,基本相当;
(8)DC03与DC06钢种,本发明技术方案实施例连铸坯全氧分别为15ppm、16ppm,较对比例连铸坯全氧14ppm、15ppm,基本相当。
因此,本发明能显著降低RH废气中CO百分比及H百分比,钢水温降速度大幅降低,钢水逸出的氢、一氧化碳燃烧效率得到提升,并且不影响钢水碳含量的控制,钢水洁净度基本不受影响。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述,显然本发明具体实现并不受上述方式的限制,只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进,或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的,均在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种提高钢水真空脱碳过程逸出一氧化碳及氢气能源利用率方法,其特征在于,所述方法具体包括如下步骤:
S1、真空脱碳前:对钢水进行深度脱氧形成脱氧钢水,脱氧钢水处于低氧位状态;
S2、在脱氧钢水进RH后对RH真空室抽真空,使得脱氧钢水循环进入RH真空室,控制氧枪向RH真空室吹氧,进入真空脱碳程序;
S3、在真空脱碳过程中,基于RH真空室排出气体中目标气体组分实时控制氧枪的枪位,以使目标气体的组分控制在目标范围;
目标气体为CO,在RH真空值排出气体中CO的浓度超出目标范围时,目标范围为CO含量≤1%,则提高氧枪枪位500-1500mm。
2.如权利要求1所述提高钢水真空脱碳过程逸出一氧化碳及氢气能源利用率方法,其特征在于,氧枪的流量的计算具体包括如下步骤:
计算脱氧钢水的吹氧量;
吹氧量由氧化脱氧钢水残余脱氧元素的吹氧量、脱氧钢水的温度补偿吹氧量、脱氧钢水中脱碳的吹氧量及确保脱氧钢水脱碳结束过剩氧的吹氧量组成;
基于吹氧量及脱碳时间来计算氧枪流量;
其中,氧化脱氧钢水残余脱氧元素的吹氧量是指去除脱氧钢水中脱氧元素所需的氧量;
脱氧钢水的温度补偿吹氧量是指在脱氧钢水进入RH时的温度达不到目标温度时,后续与铝进行氧化反应补充热量所需的氧量;
脱氧钢水中脱碳的吹氧量是指脱去脱氧钢水中碳所需的氧量;
脱氧钢水脱碳结束过剩氧的吹氧量是指为满足脱碳结束过剩氧所需的氧量。
3.如权利要求2所述提高钢水真空脱碳过程逸出一氧化碳及氢气能源利用率方法,其特征在于,氧枪流量的计算具体如下:
氧枪流量=吹氧量÷脱碳时间×60÷钢水量。
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