一种深度脱氧装置及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种深度脱氧装置及其应用，属于化学反应脱氧技术领域。
【背景技术】
[0002]钢铁冶金生产工艺中，氧、硫、磷、氢、氮等是严重破坏铸坯质量几大有害元素，将这类非金属元素总含量降低在30ppm范围内定为21世纪奋斗目标。其中，氧不仅降低了钢的热脆性能，而且能显著降低钢液表面张力。依据参考书目黄希祜编撰的《钢铁冶金原理》第3版第389页，明确指出:沸腾钢中溶解氧含量需降低到250?300ppm ;镇静钢中溶解氧含量应小于50ppm。致力于卧滴法研宄钢液、夹杂物体系润湿行为，需要获得低于与液态钢水中氧含量平衡的气态氧分压。一般将气氛中氧含量控制在铁氧化物分解压以下的范围内(原因在于，铁氧化物的存在导致钢液表面张力急剧下降而在基底上铺展)，方能全方位模拟微小钢液滴润湿夹杂物的行为。钢样稳定存在的区域，气氛中平衡氧含量在10_22?10-13ppm内，且随温度升高而升高(具体计算参见《钢铁冶金原理》第3版250?251页)。
[0003]目前，脱氧剂制备方法的申请专利及相关文献中，主要包括以下四种脱氧方式:碳质脱氧剂；金属及金属氧化物脱氧剂；活性催化剂加氢除氧；常温下采用有机酸盐氧化脱氧(仅限于常温常压使用，例如公开号为CN1411905A公开了一种硅、酚类有机物的食品脱氧剂)。
[0004]公开号为CN103007880A的专利中，将91?93%活性炭，与4?8%的强碱KOH、NaOH浸渍后，经过烘干、去除灰分后，在300°C及更高温度下表现出较高的脱氧活性。虽然该碳质脱氧剂高温脱氧容量大，成本低廉，生产灵活，但文献中并没有指出其脱氧效果；且大量CO气体和粉尘逸出需要完善尾气排放、除尘等后序处理工艺，这无疑增加了工艺成本；随着碳质不断消耗，产生的灰分量将逐渐增加，容易堵塞气体管道，污染炉膛环境；碳质材料属消耗型材料，其消耗速度和更换频率未知。综上，此种脱氧方法不适合广泛采用。
[0005]公开号为CN1090221A的专利中，采用稀有金属钼脱氧，在200°C以内能将普通惰性气体或含烷烃的混合气氛或含硫、CO气氛中氧含量降至0.lppm。贵金属钼可直接用于脱氧，既减少了复杂的处理过程，也避免了催化剂在含硫或CO的气氛里中毒的可能性。公开号为CN1973994A、CN102850159A的专利中，采用低价锰氧化物作脱氧剂，分别获得了低于Ippm及低于0.0lppm的残氧含量。其适用温度范围分别在150?250°C及100°C以内，生成的高价锰氧化物能在含仏的混合气中得以还原，循环使用。采用金属钼或者低价锰氧化物可直接低温下脱氧，尽管适用于一切含硫或一氧化碳的普通惰性气体或者烷烃气体脱氧，但金属钼成本高，且钼、低价锰氧化物低温脱氧效率未知，脱氧深度只能达到0.0lppmo
[0006]公开号为CN1130542A的专利中，以CuO、Zn0、Cr203三种混合氧化物催化气态甲醇裂解为CO和H2，温度在150?550 °C内，反应器压力为0.01?IMPa内，能将含氧体积分数(5%的惰性气氛中氧含量降至Ippm以内。但经脱氧处理后的气体中含体积分数I?10%的4与CO及低于5ppm的微量CO 2。此种方法的创新之处在于利用有机物高压分解产生还原性气氛，但该方法中脱氧产物中夹带大量的H2-CO,这既降低了还原性气氛的利用率，又不利于连续稳定地控制气氛中的氧含量。另外，采用该方法所得气体产物中的残氧含量太高(Ippm)，从而大大限定了其应用范围。
[0007]公开号为CN1631530A的专利中，以硫化铂(PtSx)催化含氢惰性气氛，可在温度为25?450°C，压力为I?15MPa的条件下，将含羰基硫、氧体积分数不超过5%的气氛中氧含量降低到lppm。公开号为CN1070128A的专利结合低价锰氧化物及贵金属Pt催化H2双重脱氧的优势，在室温到450°C的温度范围内，使最终残氧含量降低到0.003ppm以下。相比以上直接脱氧方式，催化加氢脱氧方式效果更佳，而残氧含量仍然偏高；且铂类催化剂成本昂贵，对含羰基硫、高氧含量的气氛极其敏感，易中毒。
[0008]综上所述，现有脱氧技术存在脱氧容量低，或脱氧精度不够深，或脱氧效率偏低，或因催化还原性气体脱氧的方式易中毒，或部分反应体系优选高压条件下进行，导致安全系数偏低等一个或多个问题。因此亟需一种同时兼具脱氧精度深、使用寿命长、成本低廉而又能安全的脱氧技术。
【发明内容】
[0009]本发明针对现有脱氧技术中存在的不足之处，提供一种深度脱氧装置及其应用。
[0010]本发明一种深度脱氧装置，包括依次连通的气体加热装置(4)、一号脱氧通道
(I)、二号脱氧通道(2)、三号脱氧通道(3);所述一号脱氧通道(I)内设有I号脱氧剂，所述I号脱氧剂选自金属铜单质、铜基合金中的一种；所述二号脱氧通道(2)内设有2号脱氧剂，所述2号脱氧剂选自金属钛单质、海绵钛、钛基合金(如钛铝合金等)中的一种；所述三号脱氧通道(3)内设有3号脱氧剂，所述3号脱氧剂选自镁单质、镁基合金(如镁锂合金等)中的一种。
[0011]所述铜基合金选自铜锰、铜铅合金、铜镍钴等合金中的一种，优选为铜锰合金。
[0012]所述钛基合金选自钛铝合金、钛镲合金、钛铝I凡等合金中的一种，优选为钛铝合金。
[0013]所述镁基合金选自镁锂合金、镁铝、镁锌等合金中的一种，优选为镁锂合金。
[0014]本发明一种深度脱氧装置，所述一号脱氧通道(I)、二号脱氧通道(2)、三号脱氧通道(3)构成相互串联的水平脱氧通道。
[0015]本发明一种深度脱氧装置，所述I号脱氧剂、2号脱氧剂、3号脱氧剂以网状或肩状装入脱氧通道中。
[0016]为了防止氧化过程中脱落的氧化物粉末堵塞气体流通管道，保证气流稳定，一般还需在各段通道两端加设铁丝网。
[0017]在一号脱氧通道中加设铁丝网后，铁丝网与I号脱氧剂按铁丝网/I号脱氧剂/铁丝网的模式存在于一号脱氧通道靠近出气口的一端。为了保证更好的脱氧效果，I号脱氧剂的填充体积一般为一号脱氧通道体积的60% -80% ;优选为70% -80%，进一步优选为75% -80%。
[0018]在二号脱氧通道中加设铁丝网后，铁丝网与2号脱氧剂按铁丝网/2号脱氧剂/铁丝网的模式存在于二号脱氧通道靠近进气口的一端。为了保证更好的脱氧效果，2号脱氧剂的填充体积一般为二号脱氧通道体积的60% -80% ;优选为70% -80%，进一步优选为75% -80%。
[0019]在三号脱氧通道中加设铁丝网后，铁丝网与3号脱氧剂按铁丝网/3号脱氧剂/铁丝网的模式存在于三号脱氧通道靠近出气口的一端。为了保证更好的脱氧效果，3号脱氧剂的填充体积一般为三号脱氧通道体积的60% -80% ;优选为75% -80%，进一步优选为80%。
[0020]为了保证良好的脱氧效果以及防止脱氧通道堵塞，一号脱氧通道、二号脱氧通道、三号脱氧通道一般按照串联-卧式排列。
[0021]为了保持活性金属的脱氧温度，减少热损失；一般还需在脱氧通道内设置耐火材料。
[0022]本发明一种深度脱氧装置的应用，其实施方案为:
[0023]将原料气体，通过气体加热装置(4)加热至250°C?600°C后；依次流经一号脱氧通道(I)、二号脱氧通道(2)、三号脱氧通道(3)。
[0024]本发明一种深度脱氧装置的应用，所述原料气体中队的体积百分含量< I %、氧气的体积百分含量< 1%。本发明之所以限定原料气体中N2的体积百分含量，是因为当气体温度大于等于300°C时活性脱氧剂Mg能结合N2生成Mg 3N2，从而导致其脱氧能力下降，严重的会到至脱氧装置失去脱氧的能力。
[0025]本发明一种深度脱氧装置的应用，所述原料气体可根据对接设备对气体成分的要求搭配气体种类；本脱氧装置不受含硫气氛影响。
[0026]本发明一种深度脱氧装置的应用，所述原料气体选自氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、氢气、一氧化碳中的至少一种。优选为氩气、氦气、氢气、CO2气体以及氩气/氦气和氢气组成的混合气体中的至少一种。进一步优选为工业氩气、工业氦气及它们与氢气组成的混合气体中的一种。
[0027]本发明一种深度脱氧装置的应用，以工业氩气为原料气体，将原料气体，