一种通道式感应加热单管RH精炼装置及方法与流程

本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种通道式感应加热单管rh精炼装置及工艺方法。

背景技术：

为满足优质钢材的冶炼要求，炉外精炼成为了现代钢铁生产中的重要工序之一，而rh真空精炼技术因具备生产能力大、精炼效果好、处理周期短等优点，在钢厂中得到了广泛的应用。经半个多世纪的发展，rh真空精炼装置由单一脱气设备逐渐扩展到集脱气、脱碳、脱氧、脱硫、温度补偿、成分控制、改变夹杂物形态于一体的多功能精炼装置，尤其在生产超低碳钢方面表现出了显著的优越性。如今，随着社会的发展，对高品质钢的需求逐渐增大，因此，如何提高rh精炼效率、延长使用寿命，成为了一个越来越重要的问题。

单管rh精炼装置(单嘴rh，单管rh，单嘴精炼炉)是在保留传统rh原有冶金功能基础之上，将上升管和下降管合并成一个大内径的浸渍管，并将上升管侧吹氩改成由钢包底部偏心吹氩驱动钢液循环流动。转炉或电炉冶炼得到的钢液转移至钢包中，经钢包车运送至单管rh真空室的下方。开始精炼时，浸渍管插入钢液中，同时依靠真空室抽真空以及氩气的驱动，使钢液经浸渍管上升一定高度进入真空室并回流至钢包，从而使钢液实现在钢包→浸渍管→真空室→浸渍管→钢包之间的循环流动。由于高温和低压的共同作用，气泡膨胀、密度减小，并以一定的速度喷入真空室，进而对钢液脱气。同时，在钢液液面和钢液内部可发生系列化学反应，降低钢液中非金属元素的含量。与传统rh相比，单管rh精炼装置可延长气泡上升路径、增大钢液循环流量、改善真空室中钢液喷溅，进而可有效提高精炼效率、延长设备使用寿命。

虽然单管rh精炼效果良好，但同时面临着精炼过程中钢液温度损失的问题，出钢温度降低将对后续连铸工艺的稳定性以及铸坯的质量产生不良影响。其中，rh的温度损失主要来源于钢包液面辐射以及钢包、浸渍管壁面散热。为补偿钢液温降，现今钢铁企业采用的真空室加热钢液的方法主要包括：rh-ob法，rh-ktb法，rh-mfb法。

rh-ob法是1972年日本新日铁室兰厂开发的rh真空吹氧技术，该方法在真空室侧壁上安装浸入式喷嘴，向真空室内钢液表面吹氧加速脱碳，加入铝、硅等发热及对钢液进行升温。但吹氧用喷嘴寿命低、喷溅与真空室结瘤严重，且加剧了真空泵的抽气压力，这些缺点均阻碍了rh-ob的进一步发展。rh-ktb法是1989年日本川崎钢公司开发，通过真空室上部插入的水冷氧枪向钢液表面吹氧，加速脱碳，提高二次燃烧率，减少温降速度。但此装置增加了氧枪及其控制系统，且要求真空室具有更高的高度。rh-mfb法是1993年新日铁广畑制铁所开发的“多功能喷嘴”真空顶吹氧技术，从顶吹氧枪供给燃气或氧气，不仅进行预热，在rh处理中也用燃气进行加热。在对钢液进行升温的同时，可清除真空室内壁形成的结瘤物，顶枪真空密封装置的密封性要求较高，且已有生产实践表明常出现炉渣较多、工艺不协调等问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种通道式感应加热单管rh精炼装置及工艺方法。本发明的技术方案如下：

一种通道式感应加热单管rh精炼装置，包括钢包、真空室、浸渍管、铁芯、线圈、水冷或空冷装置；浸渍管的顶端与真空室连通，底端插入至钢包钢液液面以下未接触钢包底面；浸渍管上部中间沿径向开设通道；铁芯为闭合环状结构，依次穿过通道和线圈中心，线圈轴线与浸渍管轴线垂直，线圈与水冷或空冷装置相连。

另一种方案为上述通道沿真空室中间径向开设。

上述通道为圆柱形或下部楔形结构。可使钢包底部偏心吹入的氩气或浸渍管侧壁吹入的氩气沿着通道外壁的某一侧流动；通道大小与形状的选择依据单管rh具体炉型以及真空室尺寸而定。

上述通道口相接的钢壳上，沿浸渍管外壳径向圆周设有一周的切缝，减少钢壳中的涡流损耗。

所述钢包需有钢包盖，用以隔绝线圈与钢液，保护线圈，同时可对钢包钢液进行保温。

所述铁芯的材质为高导磁率的软磁材料，且铁芯与通道之间的空隙由耐火材料填充固定；铁芯大小依据通道的尺寸以及线圈功率制定，材质优选硅钢片。

所述线圈材质为铜基合金，包括纯铜、紫铜，置于真空室的外部，与水冷或空冷装置相连接；线圈的加热功率为1～10000kw，具体视工况而定。

一种通道式感应加热单管rh精炼工艺方法，是采用上述装置，按照以下工艺步骤进行：

(1)设备就位：通过升降控制装置将浸渍管插入钢包钢液中；

(2)吹氩：钢包底部偏心吹入氩气或浸渍管侧壁吹入氩气，利用气泡泵原理，通过氩气泡驱动钢液，自钢包经浸渍管到达真空室然后回流至钢包，使钢液在钢包、浸渍管、真空室之间产生循环流动；

(3)冷却：打开水冷或空冷装置给线圈降温，防止后续通电时线圈过热；

(4)通电：在线圈中通入交流电，使铁芯中产生交变磁通，其中电流大小为1～10000a，频率为1～10000hz；

(5)下一工序：待精炼完成后，停止通电，并停止水冷或空冷装置，将钢液引入下一个工序。

本发明的有益效果：

(1)根据变压器的工作原理，线圈通入交变电流在闭合的铁芯中产生交变磁通，进而在钢液中产生感应电动势，钢液导电产生感应电流，产生焦耳热加热钢液。利用本发明，针对部分钢种可省略rh精炼处理前的lf炉加热工序，减少钢液温降损失与精炼环节，使后续连铸工艺更为稳定；

(2)钢液在真空室、浸渍管、钢包之间循环流动，热量可随钢液流动传输至单管rh各处钢液，使加热更为均匀、高效，加热效率可达90％以上；

(3)通道附近的钢壳置于交变磁场时，钢壳内易产生感应电流，且电流在钢壳内闭合，而本发明所涉及通道附近的钢壳中间有环绕一周的切缝，可有效减少钢壳中的涡流损耗；

(4)浸渍管或真空室的圆形或下部楔形通道有利于引导钢包底吹或者浸渍管侧吹的氩气进入浸渍管的同一侧；

(5)不需往真空室钢液中引入铝、硅等发热剂，避免了因加铝、加硅升温而导致的夹杂物的生成，不往钢液中引入其他物质，提高钢液质量；

(6)不需在真空室侧壁或顶部安装喷嘴、氧枪等控制系统，设计较为简单、易于操作控制；

(7)避免了因在真空室侧壁引入喷嘴而造成的真空室结瘤，延长设备使用寿命。

附图说明

图1为本发明的通道式感应加热单管rh精炼装置的主体结构示意图，其中通道位于浸渍管中间；

图2为本发明的通道式感应加热单管rh精炼装置的主体结构示意图，其中通道位于真空室中间；

图3为图1的主视图；

图4位图1的俯视图；

图5为线圈和铁芯的主体结构示意图；

图6为浸渍管或真空室的俯视图；

图7为有圆柱形通道及附近钢壳的主视图；

图8为有下部楔形通道及附近钢壳的主视图；

图9为钢包的主视图；

图10为本发明的通道式感应加热单管rh精炼工艺方法的流程示意图；

图11为钢包底部吹入氩气时单管rh精炼装置中氩气泡分布示意图；

图12为浸渍管侧壁吹入氩气时单管rh精炼装置中氩气泡分布示意图；

图13为电磁场模拟得到的主要涡流分布示意图。

图中，1钢包；2浸渍管；3真空室；4铁芯；5线圈；6水冷或空冷装置；7钢液；8耐火材料层；9钢壳；10圆柱形通道；11下部楔形的通道；12切缝；13钢包盖。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明一种实施例作进一步说明。

实施例

一种通道式感应加热单管rh精炼装置，如图1～图9所示，包括钢包1、浸渍管2、真空室3、铁芯4、线圈5、水冷或空冷装置6、钢液7、耐火材料层8、钢壳9、圆柱形通道10或下部楔形通道11、切缝12,、钢包盖13。其中，浸渍管2为圆柱形结构，一端插入钢包1中，另一端与真空室3相连；铁芯4穿过通道环绕浸渍管2或真空室3；线圈5缠绕在铁芯4上，位于浸渍管2或真空室3的外侧，且线圈5与水冷或空冷装置6相连接；钢包盖13覆盖于钢包1的顶部。

所述浸渍管2或真空室3中有水平贯穿的圆柱形通道10或下部楔形的通道11，可使钢包1底部偏心吹入的氩气或浸渍管2侧壁吹入的氩气沿着圆柱形通道10外壁或下部楔形通道11外壁的某一侧流动。

所述浸渍管2或真空室3由里至外依次是钢液7、耐火材料层8、钢壳9，钢壳9中间有环绕一周的切缝12，减少钢壳9中的涡流损耗。

所述铁芯4的材质为硅钢片，且铁芯4与圆柱形通道10或下部楔形通道11之间的空隙由耐火材料填充。

所述线圈5的材质为紫铜，线圈5的加热功率为500kw。

所述线圈5的轴线与真空室3的轴线保持垂直。

所述水冷或空冷装置6是为了降低通电后线圈5的温度，防止加热钢液过程中线圈5过热。

高温钢液通过热辐射等方式可对铁芯4和线圈5进行加热，所述钢包盖13覆盖于钢包1的顶部是为了将铁芯4、线圈5与钢包1中的钢液隔离，保护铁芯4和线圈5等加热装置。

一种通道式感应加热单管rh精炼工艺方法是采用上述装置，按照以下工艺步骤进行，其流程示意如图8所示：

(1)设备就位：通过升降控制装置将浸渍管2插入钢包1的钢液中；

(2)吹氩：钢包1底部偏心吹入氩气或浸渍管2侧壁吹入氩气，利用气泡泵原理，通过氩气泡驱动钢液，自钢包1经浸渍管2到达真空室3然后回流至钢包1，使钢液在钢包1、浸渍管2、真空室3之间产生循环流动；

(3)冷却：打开水冷或空冷装置6给线圈5降温，防止后续通电时线圈5过热；

(4)通电：在线圈5中通入交变电流，使铁芯4中产生交变磁通，其中电流大小为1～10000a；

(5)下一工序：待精炼完成后，停止通电，并停止水冷或空冷装置6，将钢液引入下一个工序。

本实施例中通道式感应加热单管rh精炼装置及工艺方法的原理可具体解释如下：

通过升降控制装置将浸渍管1插入钢包2的钢液中，钢包1底部偏心吹入氩气之后，可利用气泡泵原理，通过氩气泡驱动钢液以及真空室3上部抽真空的作用，使钢液在钢包1、浸渍管2、真空室3之间循环流动。线圈5通入交变电流之后，可根据变压器的工作原理，在贯穿真空室3的闭合铁芯4中产生交变磁通，此时钢包1、浸渍管2、真空室3中的钢液可组成次级线圈。因此，钢液回路在电磁场的作用下可产生感应电动势，钢液导电产生感应电流。由于钢液存在电阻产生焦耳热即可加热钢液。

图11和图12分别给出了氩气泡在钢液中的运动轨迹。此发明装置中，当钢包1底部偏心或浸渍管2侧壁吹入的氩气泡进入钢液，运动至通道附近时，可依靠圆柱形通道10或下部楔形通道11的形状约束作用，使氩气泡沿着通道外壁的某一侧运动，从而驱动钢液在钢包1、浸渍管2、钢包3之间循环流动，热量可随钢液流动传输至单管rh各处钢液，使加热更为均匀、高效。

根据法拉第电磁感应定律，当块状导体置于交变磁场或在固定磁场中运动时，导体内产生感应电流，此电流在导体内闭合，称为涡流效应。此发明装置中，在铁芯4与线圈5产生的交变磁场的作用下，位于圆柱形通道10或下部楔形通道11附近的钢壳9内部可产生感应电流，即涡流效应。图13为根据电磁场模拟得到的主要涡流分布示意图，图中的4个回流区可表示感应电流的流动方向。由图可知，圆柱形通道10或下部楔形通道11附近的钢壳中若无切缝12，会产生较大的感应电流，进而导致能量损耗即涡流损耗。因此，在圆柱形通道10或下部楔形通道11附近的钢壳9的中部设置一切缝12，可有效阻隔感应电流的流动，减少涡流损耗。

本发明所述的实施例仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定。除实施例中所述对单管rh钢液可产生加热效果外，还有利于加速合金化进程、利于夹杂物去除等。在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。