CN116096927A - 钢水的精炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用RH式真空脱气装置增加环流量的钢水的精炼方法。以真空槽内钢水的搅拌动力能量密度ε满足下述式(式中，G：环流气体流量，T：钢水温度，ρ_L：钢水密度，g：重力加速度，H₀：从环流气体吹入喷嘴位置到静止状态的真空槽钢水浴面的高度，P：真空槽内压力，P₀：大气压力，h_V：从静止状态的真空槽钢水浴面到基台的高度，L：从浸渍管下端到基台的高度，h_G：从浸渍管下端到环流气体吹入喷嘴位置的高度，l：向浸渍管的钢水的浸渍深度，D_U：上升管内径。)的方式确定浸渍管在钢水中的浸渍深度l或者环流气体流量G。ε＝[371GT×ln{1+(ρ_LgH₀/P)}]/W_V，W_V＝(π·D_V ²/4)×H₀×ρ_L/1000，H₀＝h_V+L－h_G，h_V＝(P₀－P)/(ρ_Lg)+l－L，1.35×10⁵×D_U/W_V＜ε＜2.1×10⁴。

Description

钢水的精炼方法

技术领域

本发明涉及一种使用RH式真空脱气装置的钢水的精炼方法。

背景技术

作为对钢水进行钢包精炼并实施真空脱气处理的方法，已知有VOD、VTD等各种类型的方法。伴随着钢材的高级化以及该钢材需求的增加，需要进行真空脱气处理的钢种、钢量有增加的趋势。因此，目前状况是强烈期望缩短该处理所需的时间，提高脱气处理能力和降低转炉温度来降低钢铁制造成本。由于这样的要求，在进行真空脱气处理时，大多使用RH(Rheinstahl－Heraeus)式真空脱气装置。

如图1所示，该RH式真空脱气装置1具有上升侧浸渍管8和下降侧浸渍管9。将该上升侧浸渍管8、下降侧浸渍管9浸渍于钢包2内的钢水3中，通过管道11从排气口利用减压装置(未图示)排气对脱气真空槽5内进行减压，从而将钢水3吸上来。并且，从该环流用气体吸入管10向具备环流用气体吸入管10的上升侧浸渍管8吸入环流气体。环流气体大多使用氩气等非活性气体。并且，利用其气体上浮力使钢水3上升，导入脱气真空槽5，从下降侧浸渍管9下降而使钢水3循环进行脱气处理。

使用该RH式真空脱气装置的精炼中，可举出真空下的脱碳处理(以下称为“真空脱碳处理”)、氢或氮等脱气处理。为了促进真空脱碳处理的脱碳速度、脱气处理中的脱气速度，环流量的增加很有效，提出了许多用于增加环流量的方法。

例如专利文献1中提出了在钢水的循环用途中以压力0.5MPa以上吹入加热到200℃～1000℃的非活性气体的方法。

另外，专利文献2中提出了如下的方法：设置使脱气槽向下方延长而朝向下方开口的外侧浸渍筒，在该外侧浸渍筒的内部同心地配设沿上下方向开口的内侧浸渍筒，形成从设置于内侧浸渍筒的环流气体吸入口吹入氩气使钢水上升的上升流路，另一方面，将内侧浸渍筒与外侧浸渍筒之间作为钢水的下降流路，形成截面积大的上升流路和下降流路，从而增大钢水的环流量的方法。

脱气装置的环流量一般大多由非专利文献1公开的下述式(A)计算。

Qc＝K×G^1/3×D^4/3×{ln(P₀/P)}^1/3/(ρ_l/1000)……(A)

其中，Qc：钢水计算环流量(钢水m³/min)，G：环流气体流量(Nm³/sec)，D：浸渍管内径(m)，P：真空槽内压力(Pa)，P₀：大气压力(101325Pa)，ρ_l：钢水密度(kg/m³)。

K是由各种操作条件下的实验结果得到的拟合参数，非专利文献2中报告了钢水条件大概是K＝446.3。式(A)中可知：浸渍管内径D的幂指数比环流气体流量G的幂指数大，因此为了增大钢水计算环流量Qc而增加浸渍管内径比增加环流气体流量有效。一般而言，作为用于提高脱气反应效率的方法，已知有扩大浸渍管的内径来增大钢水的环流量很有效。

这里，浸渍管的内径受脱气槽的尺寸的限制，因此为了扩大浸渍管内径，在大多数情况下需要同时扩大脱气槽。然而，脱气槽的尺寸受到钢包、附属设备的制约。因此，在设备方面很难单纯地保持正圆状的状态均等地扩大时，采取如下的方式：将脱气槽的形状设定为仅向环流方向、即从上升管朝向下降管的方向扩大的椭圆型，以与在长轴方向的扩大对应的方式扩大浸渍管。

专利文献3中提出了横截面形状为椭圆型，在长轴方向配设有一对环流管的脱气槽结构。通过使用利用该技术的脱气槽进行真空精炼，从而真脱气槽内没有钢水流动的停顿部，没有钢水的停滞和炉渣的滞留，脱碳速度提高。

另外，专利文献4中提出了在比设置于上升侧浸渍管的环流用气体吸入管的设置位置靠上方的内周面设置超声波振动器，使非活性气体的气泡微细化的方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007－31820号公报

专利文献2：日本特开平08－269534号公报

专利文献3：日本特开平04－272120号公报

专利文献4：日本特开平02－173205号公报

非特许文献

非特许文献1：桑原达郎等：铁和钢，Vol.73(1987)PS176

非特许文献2：桑原达郎等：ISIJ、Vol.28(1988)P305

发明内容

然而，上述现有技术中存在以下问题。

专利文献1公开的方法中，由于需要用于预热非活性气体的设备，所以存在处理成本变高的问题。

另外，专利文献2所公开的方法中，需要外侧浸渍筒和内侧浸渍筒，不仅装置变得复杂，而且需要经由脱气槽将环流气体配管通入到内侧浸渍筒，因此不能仅从脱气槽拆卸内侧浸渍筒进行更换，更换浸渍筒时，还需要更换整个下部槽，因此存在耐火物成本显著增加的问题。

另外，专利文献3公开的技术中，为了使脱气槽形为椭圆型结构，需要制作新的脱气槽的铁皮，存在导入耗费大量的成本、时间的问题。

另外，专利文献4公开的方法中，需要超声波振动器、超声波的发射装置等，不仅装置变得复杂，而且无法避免装置成本、浸渍管成本的增加。

本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提出了一种钢水的精炼方法，使用RH式真空脱气装置进行钢水精炼时，不需要新的设备投资，不增加处理成本就可增加环流量。

具体实施方式

发明人等为了解决上述课题，着眼于操作条件和RH式真空脱气装置的形状对脱气槽内的流动的影响，重复进行各种实验，其结果发现通过向上升管吹入的环流气体所具有的能量主要在真空槽浴内散出，可以通过变更操作条件来减少能量散出量，从而增加环流量。本发明鉴于上述情况而完成，其主旨如下。

有利地解决上述课题的本发明的钢水的精炼方法的特征在于，在使用了RH式真空脱气装置的钢水的精炼方法中，以下述式(1)～(4)所示的真空槽内钢水的搅拌动力能量密度ε满足下述式(5)(式中，ε：真空槽内钢水的搅拌动力能量密度(watt/ton)，G：环流气体流量(Nm³/sec)，T：钢水温度(K)，ρ_L：钢水密度(kg/m³)，g：重力加速度(9.8m/sec²)，W_V：真空槽内的钢水质量(ton)，D_V：真空槽内径(m)，H₀：从环流气体吹入喷嘴位置到静止状态的真空槽钢水浴面的高度(m)，P：真空槽内压力(Pa)，P₀：大气压力(101325Pa)，h_V：从静止状态的真空槽钢水浴面到基台的高度(m)，L：从浸渍管下端到基台的高度(m)，h_G：从浸渍管下端到环流气体吹入喷嘴位置的高度(m)，l：浸渍管在钢水中的浸渍深度(m)，D_U：上升管内径(m)。)的方式确定浸渍管在钢水中的浸渍深度l或者环流气体流量G。

ε＝[371GT×ln{1+(ρ_LgH₀/P)}]/W_V……(1)

W_V＝(π·D_V ²/4)×H₀×ρ_L/1000……(2)

H₀＝h_V+L－h_G……(3)

h_V＝(P₀－P)/(ρ_Lg)+l－L……(4)

1.35×10⁵×D_U/W_V＜ε＜2.1×10⁴……(5)

应予说明，认为本发明的钢水的精炼方法中，以上述搅拌动力能量密度ε满足下述式(6)的方式确定浸渍管在钢水中的浸渍深度l或者环流气体流量G为更优选的解决手段。

1.35×10⁵×D_U/W_V＜ε＜1.0×10⁴……(6)

根据本发明，使用RH式真空脱气装置进行钢水精炼时，不需要新的设备投资，也不增加处理成本，能够增加环流量，有助于处理时间的缩短。

图1是表示RH式真空脱气装置的一个例子的纵截面示意图。

图2是表示本发明的概念的上述RH式真空脱气装置的扩大截面图。

图3是表示水模型实验中的真空槽内液体的标准化环流量与搅拌动力能量密度ε的关系的图。

图4是表示浸渍管径和真空槽内径不同的RH式真空脱气装置中的搅拌动力能量E与使用式(A)求出的钢水实测环流量Q_E相对于钢水计算环流量Q_C之比Q_E/Q_C的关系的图。

图5是表示上升管径D_U与最低搅拌动力能量E_min的关系的图。

图6是相对于实际操作中的真空槽内钢水的搅拌动力能量密度ε的、钢水实测环流量Q_E与钢水计算环流量Q_C之比Q_E/Q_C的关系的图。

以下，基于优选的实施方式对本发明进行说明时，首先，对本发明的研究结果进行说明。图1是表示本发明的一个实施方式的钢水的精炼方法中使用的RH式真空脱气装置的一个例子的纵截面示意图。

图1中，符号1为RH式真空脱气装置，2为钢包，3为钢水，4为炉渣，5为真空槽，6为上部槽，7为下部槽，8为上升侧浸渍管(上升管)，9为下降侧浸渍管(下降管)，10为环流用气体吸入管，11为管道，12为原料投入口，13为顶吹喷枪。真空槽5由上部槽6和下部槽7构成，另外，顶吹喷枪13向真空槽内的钢水喷吹添加氧气、溶剂的装置，设置于真空槽5的上部，能够在真空槽5的内部上下移动。

在RH式真空脱气装置1中，2利用升降装置(未图示)使收纳钢水3的钢包上升，使上升侧浸渍管8和下降侧浸渍管9浸渍于钢包内的钢水3。并且，利用与管道11连接的排气装置(未图示)将真空槽5的内部排气而对真空槽5的内部进行减压，并且从环流用气体吸入管10向上升侧浸渍管8的内部吹入环流用气体。当真空槽5的内部减压时，则钢包内的钢水3与大气压和真空槽内的压力(真空度)之差呈比例地上升而流入真空槽内。同时，由于从环流用气体吸入管10吹入的环流用气体的气举效应，钢水3与环流用气体一起使上升侧浸渍管8上升而流入真空槽5的内部。其后，经由下降侧浸渍管9回流到钢包2，所谓形成环流而实施RH式真空脱气精炼。钢水3在真空槽内暴露于减压下的气氛，钢水中的气体成分移动到真空槽内的气氛中，进行钢水3的脱气反应。

在模拟RH式真空脱气装置的水模型实验中，研究了通过各种变更操作条件来提高钢水的环流量。这里，使用水模型的方案出于下述原因。钢水比水重，但粘性也大，钢水和水的动态粘度几乎相同。因此，使用水以总尺寸(尺寸比1.0)进行模拟的情况下，可以相对于钢水匹配弗劳德数和雷诺数这2个无量纲数。即在使用了水的总尺寸的模擬方法中，关于重力与惯性力和粘性力的影响，能够再现钢水的流动。其结果发现通过将吹入上升管中的由环流气体带来的真空槽内液体的搅拌动力能量密度ε控制在适当的范围内，从而能够高效地增大环流量。

其中，真空槽内钢水的搅拌动力能量密度ε由以下的式(1)～(4)表示。

ε＝[371GT×ln{1+(ρ_LgH₀/P)}]/W_V……(1)

W_V＝(π·DV²/4)×H₀×ρ_L/1000……(2)

H₀＝h_V+L－h_G……(3)

h_V＝(P₀－P)/(ρ_Lg)+l－L……(4)

其中，ε：真空槽内钢水的搅拌动力能量密度(watt/ton)，

G：环流气体流量(Nm³/sec)，

T：钢水温度(K)，

ρ_L：钢水密度(kg/m³)，

g：重力加速度(9.8m/sec²)，

W_V：真空槽内的钢水质量(ton)，

D_V：真空槽内径(m)，

H₀：从环流气体吹入喷嘴位置到静止状态的真空槽钢水浴面的高度(m)，

P：真空槽内压力(Pa)，

P₀：大气压力(101325Pa)，

h_V：从静止状态的真空槽钢水浴面到基台的高度(m)，

L：从浸渍管下端到基台的高度(m)，

h_G：从浸渍管下端到环流气体吹入喷嘴位置的高度(m)，

l：浸渍管在钢水中的浸渍深度(m)。

图2是表示本发明的概念的上述RH式真空脱气装置的扩大截面图。图2中图示了与上述(1)～(4)中使用的RH式真空脱气装置的各尺寸的符号。

在式(4)中，浸渍管在钢水中的浸渍深度l由下述式(B)定义。

l＝l_L－l_FB－l_LV……(B)

其中，

l_L：从钢包上端到钢包底的距离(m)：

l_FB：从钢包上端到钢包内钢水面的距离(m)，

l_LV：从浸渍管下端到钢包底的距离(m)。

其中，l_FB通过使用钢水液位计测定钢水面高度，或者使金属棒浸渍于钢包内钢水，测定溶解的部分的长度等来求出。对于l_LV，根据由控制体系得到的钢包和真空槽的相对距离求出。

在水模型实验中，各种变更真空槽内的水的浴深，通过测定下降管流速求出各水准的环流量。图3中示出了水模型实验中的真空槽内液体的标准化环流量相对于搅拌动力能量密度ε的关系。其中，标准化环流量是相对于环流量最小的水准的比。实验的结果可知在环流气体流量为恒定的情况下，伴随着真空槽内液体的搅拌动力能量密度ε的减少，环流量增大。

如上述那样，环流量变动的理由是在真空槽内钢水的搅拌动力能量密度ε小的情况下，浴面扰动变小，作为改变钢水界面的能量所消耗的能量比率变小，从而环流气体所具有的能量中有助于环流的能量的比率相对增大，环流量增加。

另外，即使在真空槽内钢水的搅拌动力能量密度ε充分小的情况下，相对于上升管内径D_U(m)，下述式(C)所示的搅拌动力能量E(watt)小的情况下，无法充分发挥气举泵效应，环流量减少。

E＝[371GT×ln{1+(ρ_LgH₀/P)}](＝ε·W_V)……(C)

图4中示出了浸渍管径和真空槽内径不同的RH式真空脱气装置中的搅拌动力能量E与使用式(A)求出的钢水实测环流量Q_E(钢水m³/min)相对于钢水计算环流量Q_C的比Q_E/Q_C的关系。其中，钢水实测环流量Q_E在处理中从真空槽添加铜作为示踪剂，测定均匀混合时间τ(sec)，由得到的均匀混合时间τ利用后述的关系式进行计算。在式(A)中，常量K以K＝446.3进行了计算。在搅拌动力能量E为一定值以上的范围内，伴随着搅拌动力能量E的降低，真空槽内钢水的搅拌动力能量密度ε也降低，因此能量效率增大，环流量增加。另一方面，如果搅拌动力能量E为一定的值E_min以下，则相对于上升管径D_U，气举泵效应不足，从而环流不良，Q_E/Q_C减少。这里，将E_min定义为最低搅拌动力能量，将上升管径D_U与E_min的关系示于图5。根据由图5的关系得到的、上升管径D_U与E_min的关系的比例近似的比例常量，将RH式真空脱气装置中的正常的环流所需的搅拌动力能量E的条件如下述式(7)进行了定义。

1.35×10⁵×D_U≤E……(7)

另外，如果使用ε＝E/W_V的关系，则式(7)变形为下述式(8)。

1.35×10⁵×D_U/W_V＜ε……(8)

另外，对于同样的RH式真空脱气装置，在各种条件下测定环流量，评价了Q_E/Q_C的结果，可知在真空槽内钢水的搅拌动力能量密度ε小于2.1×10⁴的情况下，Q_E/Q_C显著增大，大于1.1。将真空槽内钢水的搅拌动力能量密度ε与Q_E/Q_C的关系示于图6。其中，在图6中，不满足式(8)的条件排除在外。

根据该结果，作为用于增大环流量的ε的条件，可得到式(9)，

ε＜2.1×10⁴……(9)

根据式(8)和式(9)，作为增大环流气体的能量效率、增加环流量所需的搅拌动力能量密度ε的条件可得到式(5)。

1.35×10⁵×D_U/W_V＜ε＜2.1×10⁴……(5)

另外，如果在满足式(7)的范围内进一步减少真空槽内钢水的搅拌动力能量密度ε，则Q_E/Q_C进一步增大，在ε小于1.0×10⁴的区域中大于1.2。因此，ε的值更优选为小于1.0×10⁴。如果用公式表示以上的条件，则得到式(6)。

1.35×10⁵×D_U/W_V＜ε＜1.0×10⁴……(6)

用于将真空槽内的搅拌动力能量密度ε控制在式(5)或者式(6)的范围的参数为环流气体流量G、真空度P、在钢水中的浸渍管浸渍深度l，不包括装置尺寸，但降低真空度时作为本发明目的的脱气的反应速度减少或者变为零，因此优选改变环流气体流量G或者在钢水中的浸渍管浸渍深度l进行控制。

如上所说明，根据本发明，不需要新的设备投资，不增加处理成本，能够增加钢水环流量。

实施例

使用RH式真空脱气装置对利用转炉吹炼的300吨的钢水进行了真空精炼。此时，根据装置尺寸和操作条件，利用式(1)～式(4)计算ε，将在钢水中的浸渍管浸渍深度l在0.3m～0.9m的范围内进行调整，从而满足式(5)或式(6)。其中，作为脱气槽，使用真空槽截面积S_A＝3.14m²、上升管内径D_U＝0.6m的脱气槽(A槽)或者真空槽截面积S_A＝3.8m²、上升管内径D_U＝0.8m的脱气槽(B槽)。另外，对于操作条件，真空度P为133Pa，以环流气体流量G为0.020Nm³/sec、0.027Nm³/sec、0.037Nm³/sec或者0.050Nm³/sec中的任一流量在处理中保持恒定。另外，环流中，从真空槽添加铜作为示踪剂，测定均匀混合时间τ(sec)，由得到的均匀混合时间τ算出钢水实测环流量Q_E。均匀混合时间τ与钢水实测环流量Q_E的关系由下述式(D)、(E)和(F)表示。

τ＝800×ε^－0.45……(D)

ε_L＝8.33×10^－3×ρQ_Ev²/W _L……(E)

v＝Q_E/(15πD²)……(F)

其中，ε_L：钢包钢水的搅拌动力密度(watt/ton)，v：下降管的钢水流速(m/sec)，W_L：钢包内钢水量(ton)。

进而使用式(A)求出钢水计算环流量Q_C，对于各装料算出Q_E/Q_C。其中，式(A)的常量K为K＝446.3。所使用的钢水的成分组成为C：0.04～0.06质量％，Si：0.05质量％以下，Mn：0.3质量％以下，P：0.02质量％以下，S：0.003质量％以下，处理前的钢水温度为1640～1670℃。

将实验结果示于表1。无论各种操作条件、装置尺寸的差异如何，在满足式(5)的区域中，都是钢水实测环流量Q_E相对于钢水计算环流量Q_C的比为1.1倍以上的良好的结果。并且在满足式(6)的范围内，相对于仅满足式(5)的情况环流量进一步增大，可得到Q_E/Q_C为1.2倍以上的更好的结果。

[表1]

产业上的可利用性

本发明的钢水的精炼方法由于能够优化RH式真空脱气装置的环流量，因此能够高效地实施真空脱碳处理、真空脱气处理，在产业上有用。

符号说明

1 RH式真空脱气装置

2 钢包

3 钢水

4 炉渣

5 真空槽

6 上部槽

7 下部槽

8 上升侧浸渍管(上升管)

9 下降侧浸渍管(下降管)

10 环流用气体吸入管

11 管道

12 原料投入口

13 顶吹喷枪

Claims (2)

1.一种钢水的精炼方法，其特征在于，在使用了RH式真空脱气装置的钢水的精炼方法中，以下述式(1)～(4)所示的真空槽内钢水的搅拌动力能量密度ε满足下述式(5)的方式确定浸渍管在钢水中的浸渍深度l或者环流气体流量G，

ε＝[371GT×ln{1+(ρ_LgH₀/P)}]/W_V……(1)

W_V＝(π·D_V ²/4)×H₀×ρ_L/1000……(2)

H₀＝h_V+L－h_G……(3)

h_V＝(P₀－P)/(ρ_Lg)+l－L……(4)

1.35×10⁵×D_U/W_V＜ε＜2.1×10⁴……(5)，

其中，ε：真空槽内钢水的搅拌动力能量密度(watt/ton)，

G：环流气体流量(Nm³/sec)，

T：钢水温度(K)，

ρ_L：钢水密度(kg/m³)，

g：重力加速度(9.8m/sec²)，

W_V：真空槽内的钢水质量(ton)，

D_V：真空槽内径(m)，

H₀：从环流气体吹入喷嘴位置到静止状态的真空槽钢水浴面的高度(m)，

P：真空槽内压力(Pa)，

P₀：大气压力(101325Pa)，

h_V：从静止状态的真空槽钢水浴面到基台的高度(m)，

L：从浸渍管下端到基台的高度(m)，

h_G：从浸渍管下端到环流气体吹入喷嘴位置的高度(m)，

l：浸渍管在钢水中的浸渍深度(m)，

D_U：上升管内径(m)。

2.根据权利要求1所述的钢水的精炼方法，其特征在于，以所述搅拌动力能量密度ε满足下述式(6)的方式确定浸渍管在钢水中的浸渍深度l或者环流气体流量G，

1.35×10⁵×D_U/W_V＜ε＜1.0×10⁴……(6)。

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