新投产120短吨VTD真空脱气炉的装备和冶金效果

Taken From the Field — Metallurgical Results and Equipment Technology by the Example of a Recently Commissioned 120-Short-Ton VTD Plant

新投产120短吨VTD真空脱气炉的装备和冶金效果

最近，纽柯钢铁南卡罗来纳州的120短吨真空罐式脱气炉(VTD)成功投产，先进的系统设计确保了较短的真空泵抽吸抵达设定的真空度所需时间，其真空度压力曲线适应于每个钢种。此外，真空罐盖严格按照INTECO“零泄漏设计”理念，VTD真空炉和周围环境的整个工程和特点也致力于“无人操作”的理念，旨在将操作人员从危险区域移除。本文揭示了在调试阶段收集的冶金结果。此外，还介绍了主要设备工艺、二级冶金模型及其验证数据。

近年来，市场和用户对钢材性能的要求一直在不断提高，这就导致了新的合金钢种，非常窄的化学成分范围和对严格的钢材清洁度要求。在过去的二十年里，对真空处理钢水有了极大的增加，安装真空脱气炉的主要目的是为了降低钢水中的气体含量，电弧炉(EAF)冶炼车间的目标结果是，例如，氢含量低于1.0 ppm，氮含量低于50ppm。

为了扩大高级钢种系列并进一步提高钢铁产品质量，纽柯公司决定在其位于美国南卡罗来纳州达林顿的钢厂安装一个120短吨真空罐脱气炉(VTD)。对于INTECO来说，这是一个里程碑的项目，因为它是INTECO在美国的第一个VTD炉。在2019年签订合同时，它是INTECO在真空炉上使用的最大机械真空泵。如更为详细的描述，工程遵循INTECO的“零泄漏设计”，以确保最有效的脱气操作。此外，还将重点放在提高工作场所安全上，例如通过安装自动氩气快速接口装置来实现这一目标。

在项目早期阶段，奥地利工程师团队来到美国钢厂，与客户密切合作，在现场研究基本工艺。在COVID-19大流行导致的旅行限制期间，这种团队精神的建设非常有帮助，因为有许多相关工程和项目的会议必须在线举行。项目最终需要在2021年完成，在2021年12月1日的第一炉钢水开始真空脱气处理调试，热调试共进行了79炉钢水。挑战是将其数据整合到纽柯公司的工艺生产组织过程中，不能造成生产上的损失。这就要求从启动的第一天起，所有自动化程序都要无故障操作和进行精确的过程控制，这样就没有引起连铸机(CCM)作业上的停浇，也没有引起报废降级工艺事故的发生，这是纽柯钢厂和INTECO之间的团队合作的典范。

图1  钢厂的VTD布置

装置设计及主要技术参数

VTD被设计成一个独立系统，带有一个罐体和一个安装在车上的可移动的密封罐盖。

该装置由相关的钢结构、真空罐、真空罐盖车、罐盖提升机构和驱动系统，以及真空泵系统组成，包括烟气处理，如袋式除尘器和旋风分离器，位于真空泵的出口端外面。

在罐盖车上有一个带有测温枪、取样枪和定氢测定枪，以及真空炉合金料斗。6线喂丝机位于一个单独的平台上，可移动到罐体上方喂丝。将喂丝机布置在单独的平台上，这就为丝线卷提供了足够的存储区域。主要技术参数如表1所示。

表1  工厂主要数据

设备技术

机械真空泵

这种现代高效VTD系统的真空是由机械真空泵抽吸产生的，主要技术参数如表2所示。

表2  真空泵主要参数

真空泵的模块化设计的好处是，在脱气过程中，一个或几个泵的故障不会造成任何显著的不利影响，即使有一到三台真空泵失效，也能取得满意的脱气效果。

设计中需要考虑真空泵启动到罐内压力达到1.0 torr的时间为6分钟，在空罐调试过程中已经证明了这一点。由于机械真空泵是气体体积抽吸，在钢水脱气期间要抽走的气体体积量更低，运行期间的泵停时间可以降低到4.7分钟。然而，4.7分钟的短时间达到所需的真空度对于某些钢种操作是不利的，特别是对于倾向钢包渣泡沫化沸腾的钢种，为此，引入了第二条抽真空曲线。该抽真空曲线与机械真空泵的电流曲线不同，而是将达到设定的真空度时间延长到5.6分钟。为了进一步控制钢包渣泡沫渣沸腾溢出过程，安装了真空压力调节系统，从烟道专用管路系统进入空气或氮气，并通过机械真空泵上游控制阀控制，一旦发生钢包渣沸腾溢渣，可以通过“快速进气”的方法迅速提高真空罐内压力，直到钢包渣坍塌恢复到正常状态。

被灰尘和颗粒污染的烟气在输送到真空泵之前，必须进行预处理，与真空氧气脱碳(VOD)配置不同，VTD安装不需要烟气冷却器，因为抽真空时候的烟气温度要低得多。因此，该系统的烟气处理由用于分离大颗粒和重颗粒的旋风分离器和用于分离粉尘和细小颗粒的布袋过滤器组成。在布袋除尘器后面的管道安装了一个粉尘传感器，如果一个或多个布袋破损泄露，就会报警告诉操作人员。

图2  机械真空泵在钢水处理工作时间与真空度关系

（机械泵启动抽气到真空设定值空罐和实际钢包钢水真空处理，钢包真空处理使用氩气搅拌，开启摄像监控，启动开始时间是指管路和罐体压力平衡点。虚黑线是泵全速状态真空度，黑实线是全速状态下罐体真空度，黄实线在泵全速下处理14856炉号罐体真空度，黄虚线是泵全速下处理14856炉号泵的真空度）

图3  机械真空泵全开和中等速率下的真空度-时间曲线

（黑色虚线表示机械泵全开，黑实线是机械泵全开真空罐内真空度和时间关系；蓝色虚线是中等状态即机械真空泵处于中间状态工作，蓝色实线是真空泵中间状态下真空罐压力与真空度与时间的关系）

在旋风过滤器和布袋过滤器的前面，安装一个真空切断阀，它将真空系统分为“罐体管路部分”和“真空吸射系统部分”。真空吸射系统部分在炉与炉之间开罐时刻仍然保持真空状态，只有在较长时间的不进行真空处理暂停期间才会恢复到大气压力状态。每次钢包钢水真空处理后，罐体部分由氮气破空。旋风过滤器布袋除尘器的除尘灰处理由两个密封的真空料斗进行。合理设计烟气处理系统以减小压力损失是非常重要的。这是通过工程设计阶段的仿真和优化以及可靠的除尘过滤器清理系统来实现的。除尘器过滤器清洗是在该炉号真空后进行即可，结果如图4所示。机械真空泵入口与罐体之间的压力损失不大于0.12 托torr。

图4  机械真空泵与真空罐体之间的压力损失

在调试过程中，罐体真空度始终很好。在95%的可靠性下，最终真空度始终低于1.0 托torr(见图5)。达到最终真空压力的时间也非常短。如图6所示，在2.0 torr真空度下到1托torr真空压力仅需要1分钟就达到。平均而言，6.5分钟后真空度压力水平为0.50 托torr。众所周知，机械真空泵在低压范围内性能优良。[1] 此外，一方面是真空泵系统和真空管路优良设计的结果，另一方面是零泄漏设计的结果。数值特别重要，因为低的罐体真空压力是快速有效地去除氢和去氮的关键因素之一。

图5  最终真空压力-真空罐脱气炉

图6  从2托 torr真空度抵达最终真空度的时间

零泄漏设计

零泄漏设计的特点是在真空罐盖上只有一个中心窗口，所有必要的测量/观察等行为都通过这个窗口进行。在VTD安装的情况下，这可以是：

·温度测量，取样，钢水定氢测量。

·喂丝。

·合金添加。

在VOD安装的情况中，氧枪也是通过包盖中间窗口，称为中央插座。这大大降低了空气泄漏的可能性，因为每个包盖窗口都是空气的潜在进入点。此外，罐体和包盖密封采用耐高温密封材料，这使得水冷却(水浸入冷却)进行保护密封圈就变得过时了。整个装置的泄漏率可以永久地保持低于10kg/小时，而不需要做出很多工作(图7)。一般来说这种真空脱气装置的典型的泄露空气数值在20-30kg/小时的范围内，有的甚至更高。[2]在纽柯钢铁南卡罗莱纳脱气装置的这种低的泄漏率产生了积极的影响，几乎整个机械真空泵的抽吸能力完全用于实际的脱气过程。在0.5 torr时的抽吸能力为170,400 m³/小时，相当于抽吸在20℃时136kg /小时的干燥空气。泄露数值从30kg/小时减少到10kg/小时，为实际真空脱气过程中相对增加了额外15%的抽气量(表3)。

图7  调试过程中的泄漏率（蓝色实线为不带真空罐，绿色实线是带真空罐）

表3  参考值和实际的泄漏率

从图8中可以看出，可达到的真空度压力与钢包透气芯氩气量无关。因此，高达20 scfm (550 标立/分钟)的氩气流量是具有非常高的搅拌能力，而不会对真空度压力产生负面影响的。尽管氩气流量较大，但是低至0.7 torr罐体真空度压力可以始终保持下去。

图8  真空压力对比钢包吹氩流量

水冷钢包盖

在VTD操作条件下，安装了一个组合式水冷包盖，以保护罐体包盖防止过热，防止钢水沸腾造成的钢水和钢渣飞溅到包盖上。罐体内的钢包包盖外壳为穹顶状，内表面平坦，水冷却通道焊接在外部。水冷包盖也是一个钢包自由空间的延伸扩展，以实现钢包透气芯的高氩气搅拌量，包盖高度小于20英寸(500mm)。此外，这个水冷钢包盖高度作为钢包的自由空间，在抽气过程中将沸腾顶渣限制在钢包盖的自由空间内，而不会导致沸腾渣在罐内溢出。如果没有这个水冷盖高度作为延伸的钢包自由空间，将不得不降低电弧炉出钢量，特别是对于新的钢包内衬来说。

图9  水冷钢包盖

图10  INTECO TBR氩气快速接头

图11  安装在VTD罐体上的钢包座架上的氩气快速接头

自动化无人操作

“周围没有人操作”的概念意味着在操作过程中所有的手工工作/行为都被减少到最低限度。对操作人员出现在潜在危险区域的需求几乎为零。以下是VTD工厂“周围无人操作”概念的一部分:

·柔性开关机械手，可配置:

- 1个温度检测机器手。

- 1个定氢检测机械手。

- 1个测温和取样机械手。

-真空脱气操作时不需要操作人员来盖上罐体盖子。

·同一机械手上的喂丝机伸缩给进。

·真空过程中的合金添加。

·通过摄像系统进行过程控制。

·钢包座架氩气接口的气动清扫，减少了人工清扫工作。

·INTECO TBR自动氩气快速接口。

由于在脱气工作场所安全性有目共睹，纽柯公司决定安装自动气体快速接口系统，不仅在真空罐钢包座架，但在整个冶炼车间需要的地方都采用这个设备。INTECO TBR气体快速接口系统最重要的特点是:

·操作人员的安全：一旦钢包吊放在罐体内座架气体快速接口单元上，自动将气体连接，操作人员无需在危险区域活动。

·可在所有的方向上移动：在轴向上具有高灵活性使得钢包座架出现偏差时候可以进行补偿(补偿量可以达85mm)。

·高温场合应用：该设备可用于高达500°C的高温场合，可安装在各种类型的罐式脱气装置中。

工艺过程的结果

VTD系统的脱气作业时间和使用炉数如图12所示。在调试开始时约为40分钟，在调试期间的79炉脱气中减少到25分钟。钢水真空处理时间和真空作业开始到设定的真空度压力时间显示出类似的趋势(图13)。总的抽真空时间从15.5分钟减少到12分钟，达到设定的真空度压力时间从平均7分钟减少到6分钟。抵达真空度压力时间的缩短主要是由于优化了精炼钢包渣操作，从而逐渐减少了炉渣在真空炉中沸腾。

图12  VTD真空脱气处理周期时间

图13  机械泵抽吸抵达设定真空度压力需要的时间

所安装的VTD的特点体现在脱氢脱氮的结果上。脱氢主要取决于以下因素：

·脱气时间：由于所有反应需要时间，脱氢过程中的脱气时间的影响是最为重要的一环。然而，脱气时间通常受到处理过程中温度损失影响，以及连续生产中给与真空炉脱气处理时间的限制。在纽柯钢厂，流程给与脱气处理时间是主要限制因素。连铸CCM的作业有时只允许脱气工序总时间不超过25-30分钟。因此，必须找到其他方法来将氢含量降低到所需< 2ppm的数值。

·罐体真空度压力：脱气过程中达到的真空压力对脱氢也非常重要。调试期间的平均真空压力值为0.52 torr，这对氢含量结果作用很大。对于机械真空泵来说，在运行过程中真空压力过高的常见问题主要是由于系统漏气和除尘器布袋脏导致压力损失过高。在脱气装置的设计过程中，零泄漏设计和除尘过滤器设计相应地抵消了这两个负面影响因素。

·吹氩搅拌：高的搅拌气体流量在两个方面可以提高脱气效率，一方面，高的吹氩搅拌气体流量导致大的钢水裸露天眼，从而使得钢水大面积暴露在低真空环境中；另一方面，随着吹氩搅拌气体流量的增加，吸收钢中溶解气体的氩气泡数量也随之增加。应用高的吹氩搅拌气体流量的通常限制是罐内的钢包水冷盖的高度，高的透气芯吹氩流量增加了机械真空泵的负荷，或者钢罐内钢水液冷却过快。如前所述，采取了适当的措施(如水冷包盖优化设计等)来克服这些缺点。

·钢包钢水裸露总表面积：裸露的自由表面对气体去除的影响是众所周知的。一般有三种可能的影响因素(钢包高度和直径比H:D比、搅拌和钢包渣条件)。这就要从钢包设计开始，H:D比小于等于1有利于自由表面，但不利于钢包的保温效果，造成一定的温度损失，纽柯钢铁公司南卡罗来纳的钢包H:D比为0.9。由此产生的稍高的钢水温降通过较短的真空脱气处理时间而得到补偿。在运行过程中，可通过透气芯氩气流量、钢包渣量和钢渣性能来控制和优化真空裸露自由面积。

·钢包渣行为：钢包渣行为会对可达到的结果产生不利影响，特别是在机械泵抽气过程中钢包渣出现泡沫化沸腾溢出时，如果出现这种沸腾现象，可能需要减慢机械泵转速和/或在机械泵降速过程中使用快速进气破空按钮临时增加罐内压力，这两种操作都延长了机械泵抽吸工作时间，往往由于连铸生产的要求而缩短了有效脱气时间。在精炼炉生产过程中，钢包渣行为就需要从质量和数量上进行调整。在真空脱气过程中，巨大的炉渣体积量会导致较低的自由表面。黏度过小的液态钢包渣在机械泵抽吸真空过程中容易造成泡沫化，在脱气过程中会减少自由表面，而过于黏稠接近固体的钢包渣有利于脱气，但其吸附夹杂物的能力有限，需要在最优数量和最优质量之间找到一个折衷办法。

讨论结果如图14(脱氢)和图15(脱氮)所示。通过优化装置设计和工艺操作，可以在很短的时间内实现钢水较低的气体含量。例如，8分钟的脱气足以将氢含量降低到1.5 ppm以下，同时，氮含量可以从60 ppm降低到46 ppm。

图14  脱氢与脱气时间相关

图15  开始氮含量和终点氮含量

快速脱氢和脱氮以及由此产生的短时间处理也为钢包精炼炉减少钢水过热度。根据真空时间的不同，总体真空时间为8分钟的钢水过热度为160°F(90°C)，总体真空时间为18分钟的钢水过热度控制在225°F(125°C)(图16)。（译注：这里160℉对应的摄氏度应该是71℃，而225℉转变为摄氏度应该是107℃，估计原来的转化数据有误。按照译者的操作经验，一般来说真空脱气炉钢水温度降约为40~50℃，加上连铸机需要的20~30℃的过热度，钢包下落到中间包钢水温降15~30℃，这样要求精炼炉升温钢水温度要超过该钢种液相线温度约80~100℃。）

图16  钢包精炼炉过热度与总真空时间的关系

这大大降低了钢包精炼炉电力和物料消耗：

·更少的处理/加热钢水时间。

·更少的电能消耗。

·更少的电极消耗。

·钢水温度较低，钢包耐材侵蚀降低。

工艺建模

精确的工艺过程建模也是每个现代真空罐脱气炉的关键组成部分，对精确的工艺过程控制至关重要。纽柯钢铁南卡罗莱纳的VTD单位配备的模型有：

·温度预测。

·氢含量预测。

·氮含量预测。

·预报钢水合金含量。

图17显示了VTD处理过程以及温度计算和氢计算含量的在线值，并给出了测量值。

图17  真空脱气趋势

（第1列：黄实线表示吹氩量，单位NL/min，星号标志为测量的氢含量ppm；第二列：黑实线表示罐内真空压力，mbar，红实线表示计算机二级预报钢水温度，℃；第三列：蓝色实线表示计算机二级预报氢含量ppm，黄色星号表示温度测量值）

温度预报模型为：

     (1)

ΔT_Wall、ΔT_Bottom和ΔT_Top的温降损失是根据钢包数据数据，与吹氩搅拌气体流量和真空脱气处理有关的温降是从1级计算机传来的钢包使用次数来计算的。由于铁合金等炉料加成和反应造成的温降是基于事件发生条件，真空处理的温降计算方法如下:

     （2）

式中

T =真空时间。

a、b =模型参数，调试时确定。

图18和图19显示了VTD温度预测的准确性，标准偏差计算为7.03°F(3.9°C)。这些价值是非常有用的，为钢厂的组织生产带来了相当大的便利，得操作人员能够对实际温度与目标温度的偏差做出反应，以便始终实现连铸机的最佳浇铸温度。操作人员还可以更好地估计脱气时间是否应延长一至两分钟，例如，真空脱气时候发生炉渣沸腾溢渣需要进入空气或氮气增加罐内压力来抑制沸腾，这样要耽搁一点时间。

图18  温度模型的偏差

图19  温度模型的精度

预报氢含量模型遵循以下公式:

   （3）

其中X_H和H_Equ由若干子公式确定，其中考虑了罐内真空度压力、渣量、吹氩搅拌气体流量和工艺气体流量等影响。这个VTD装置的难点在于，当达到所需的氢含量(例如，2ppm)时，对罐内的抽吸就会停止。在这样的真空度下，脱氢仍然相当快，对钢水裸露的自由表面的影响(吹氩气流量、钢包渣行为)更大，例如20分钟在脱气时间，目标氢含量低于1.0 ppm，实际氢含量接近平衡状态。

尽管环境具有挑战性，但氢含量预报模型的标准偏差为0.23 ppm。该模型的准确性使操作人员能够估计氢含量是否已经降低到足以满足相应钢等级的质量要求，或者脱气时间是否仍然需要延长。因此，当计算出的目标氢含量达到要求，并且钢水温度在连铸机要求的范围内，就停止真空脱气工序作业。

结论

120短吨VTD试运行的结果表明，通过合理的设计，整个系统可以达到良好的性能。零泄漏设计确保真空脱气处理时间较短。这就达到连铸机的周期时间相匹配的要求，连铸机CCM有时只允许VTD处理时间为25分钟。该钢厂证明了氢含量低于1.5 ppm，在通常的操作条件下可以安全可靠低实现，较短真空脱气处理时间和深真空度压力的另一个正面的好处就是降低钢水过热度，降低到160°F至225°F的范围内（71℃~107℃）。

机械真空泵模块化设计，工艺可靠性高，即使一个或两个机械泵出现故障，对真空度压力没有明显的限制影响，从运行可靠性和维护角度来看，这是一个明显的优势。

目前冶金过程模型能够准确、可靠地预测整个真空脱气处理过程中的钢水温度和氢含量。温度预测的标准偏差低于7°F(4°C)，氢含量的标准偏差约为0.20 ppm。

最后，要突出安全生产的重要性。巧妙的工厂设计和优秀设备的选用，如自动氩气接口，提高和确保操作人员的安全性和便利性，是新的钢厂必须的。

图20  精确氢含量预报模型

参考文献

1. A. Partyka, “Refining and Vacuum Treatment — Special Focus on Vacuum Pump Selection,” Proceedings INTECO Symposium on Steel Plant Technology & Special Metallurgy, 2018.

2. S. Bruce, V. Cheetham and G. Legge, “Recent Experience of Mechanical Vacuum Pumps Replacing Steam Ejectors in VTD and VOD Processes, Melting Processes and Refining,” Proceedings, 2nd International Conference on New Developments in Metallurgical Process Technology, 2004.

作者

Alexander Stueckelschwaiger：Senior Metallurgical Engineer, INTECO melting and casting technologies, Bruck an der Mur, Austria [e-mail]

Christian Redl：Deputy Chief Executive Officer, INTECO melting and casting technologies, Bruck an der Mur, Austria [e-mail]

Zachary Stroman：Metallurgist, Nucor Steel–South Carolina, Darlington, S.C., USA zachary. stroman@ nucor. com

唐杰民2023年2月上旬在安徽黄山屯溪翻译自某国《钢铁技术》本月期刊，水平有限，翻译不准不妥之处请各位看官老师专家给与指正。