RH-vacuümontgastechnologie: verbetering van staalkwaliteit en efficiëntie

RH-vacuümontgastechnologie

Vandaag de dag vertegenwoordigen secundaire metallurgische eenheden de veelzijdige verbinding tussen het primaire staalproductieproces en het continu gietproces van het vloeibare staal. Vacuümontgassing is een belangrijk secundair staalproductieproces. Dit proces werd oorspronkelijk gebruikt voor waterstofverwijdering uit het vloeibare staal, maar tegenwoordig wordt het ook gebruikt voor secundaire raffinage en is het een steeds belangrijker proces in de secundaire staalproductie. Lagere waterstof- en stikstofgehalte, ultra-laag koolstofgehalte, ultra-laag zwavelgehalte, lager totaal zuurstofgehalte, alsook staalzuiverheid zijn de redenen voor het installeren van vacuümbehandelingsfaciliteiten in de staalsmeltishop.

In nieuw gebouwde staalfabrieken worden vacuümontgassingsfaciliteiten overwogen en geïntegreerd in de staalproductielijn. Er is ook een trend voor bestaande installaties om vacuümbehandelingsfaciliteiten te installeren om de staalfabriek de mogelijkheid te geven het productassortiment uit te breiden en flexibeler te zijn om te reageren op de staalmarktsituatie.

Sinds de jaren 1950 zijn diverse vacuümtechnologieën ontwikkeld voor ontgassingsdoeleinden. Deze technologieën omvatten DH (Dortmund-Hörde) ontgassing, RH (Ruhrstahl-Heraeus) ontgassing, vacuümtank ontgassing (VTD), vacuümboog ontgassing (VAD), en vacuüminductiesmelten (VIM). In het huidige scenario worden RH-ontgassing en VTD-processen normaal gebruikt voor massaproductie van staal om gassen en koolstofgehalten in het vloeibare staal te reduceren. De keuze voor RH-ontgassing of VTD wordt strikt gedicteerd door de staalkwaliteiten die in de staalfabriek geproduceerd moeten worden. In de meerderheid van de gevallen is de installatie van RH-ontgassing dominanter, vooral voor grote heat-grootten, vergeleken met VTD, vanwege de uitstekende mengprestaties, en korte cyclus-tijd voor decarburering en ontgassing, wat resulteert in een groot aantal heats per dag behandeld. Vanwege de korte cyclus-tijd kan het RH-ontgassingsproces een groot aantal heats per dag behandelen. Verder, door het uitstekende menggedrag dat tijdens het proces bereikt wordt, is deze korte behandelingstijd bereikbaar ongeacht de grootte van de kraan.

Ontwikkeling van RH-ontgassing

De RH-ontgassingstechnologie werd voor het eerst in de late jaren 1950 in Duitsland geïntroduceerd, waar de eerste RH-ontgassingsinstallatie werd ontwikkeld en geïnstalleerd. Het RH-ontgassingsproces is vernoemd naar Ruhrstahl en Heraeus, waar dit proces initieel werd ontwikkeld. Sindsdien zijn veel procesverbeteringen aan de RH-ontgassingsinstallatie aangebracht. Deze verbeteringen omvatten de installatie van een zuurstoflaans, de vergroting van snorkel- en vatdiameters, alsmede de toepassing van poederinjectie voor ontzwaveling. Een uitgebreid model voor decarburering op RH-ontgassingsinstallatie is geïntroduceerd door Kuwabara, rekening houdend met de vacuümdruk, lift-gasstroomsnelheid, vat- en snorkeldiameters. Er is gerapporteerd dat de tijd nodig om een koolstofgehalte van minder dan 20 ppm (delen per miljoen) te bereiken, in minder dan 15 minuten in een RH-ontgassingsinstallatie kan worden voltooid.

Wanneer uitgerust met een additionele top-laans, wordt de RH-ontgassing RH-TOP-ontgassing genoemd. RH-ontgassing en RH-TOP-ontgassingseenheden (Afbeelding 1) gebruiken het principe van het vacuümrecirculatieproces, en worden met name toegepast voor de productie van staalkwaliteiten met zeer lage koolstofgehalten onder economisch gunstige omstandigheden. De hoofd functies van de RH-ontgassingsinstallatie zijn de verwijdering van waterstof, natuurlijke en geforceerde decarburering, chemische verwarming van het vloeibare staal, en de nauwkeurige afstelling van de chemische analyse en temperatuur van het vloeibare staal. Deze activiteiten worden onder vacuümomstandigheden uitgevoerd. Laag waterstofgehalte is de belangrijkste voorwaarde voor het produceren van hoge-sterkte staalkwaliteiten en kwaliteiten bedoeld voor gebruik in de olie- en gasindustrie. De RH-ontgassingstechnologie stelt in staat om zeer lage waterstofgehalten in een korte vacuüm-tijd te bereiken.

Als hulpmiddel voor vloeibare staal secundaire raffinage, heeft het RH-ontgassingsproces brede toepassingen vanwege de veelvoudige metallurgische functies, zoals vacuümontgassing, decarburering, inclusieverwijdering, denitrificatie, en inclusieverwijdering. Het wordt breed gebruikt voor de productie van ultra-laag koolstofstalen, lagerstalen, pijplijnstalen, veerstalen, en siliciumstalen etc.

Een RH-ontgassingseenheid bestaat typisch uit een vuurvaste-uitgeklede blok-type of split-type vat, uitgerust met twee vuurvaste-uitgeklede snorkels aan de vatbodem, die verbonden is met een vacuümpomp. Verdere componenten zijn een hydraulisch of mechanisch vat- of kraan-tilsysteem, in het geval van een RH-TOP, een multifunctionele topblaaslaans, en een meet- en bemonsteringssysteem. Materiaaltoevoeging onder vacuüm wordt uitgevoerd door middel van een vacuüm-hoppersysteem. Vuurvaste reparatie en voorverhitting van vaten, snorkels en bovenste deel kunnen in afzonderlijke standen uitgevoerd worden. Kenmerken van het ontwerp zijn de enkele vatinstallatie (vat-tilsysteem), snelle vatwisseling (kraan-tilsysteem) of duplex vatinstallatie voor verhoogde beschikbaarheid.

Het RH-circulatie-ontgassingsproces heeft zijn enorme geschiktheid bewezen in een groot aantal staalsmeltishoppen wereldwijd, voor operatie met korte tap-to-tap tijden, dekkend heat-grootten tot 400 ton. De vacuümbehandeling in RH-ontgassingsinstallaties produceert staal dat voldoet aan de eis van hoge staalkwaliteiten. Om dit te bereiken, wordt het vloeibare staal in een vacuümkamer laten circuleren, waar een aanzienlijke drukdaling ertoe leidt dat het uiteenvalt in de kleinste deeltjes. De toename in oppervlakte stelt het vloeibare staal in staat om optimaal te ontgassen. Het proces heeft betrouwbare vacuümeenheden nodig die in staat zijn om zeer grote stroomsnelheden onder zeer moeilijke omstandigheden van stoffige atmosfeer en hoge temperaturen af te zuigen.

Het RH-ontgassingsproces berust op het oppompen van het vloeibare staal uit de kraan naar de vacuümkamer uitgerust met twee snorkels (opgaande en dalende been). Wanneer inerte gas in het vloeibare staal wordt geblazen, dan wordt de circulatiestroom van vloeibare staal tussen vacuümkamer en kraan geforceerd. Het ontgassingsproces vindt voornamelijk plaats in het vloeibare staal interieur, bij gespatterd metaal in de vacuümkamer en beltoppervlakken, wat complexe chemische reacties en transportverschijnselen omvat. Afbeelding 2 toont het principe van het proces en de bekleding van het vat en andere onderdelen van het proces.

Procesontwikkeling

Toen het RH-proces initieel werd geïntroduceerd, was het primaire doel om het waterstofgehalte in het vloeibare staal te reduceren. Het eerste resultaat was niet zo succesvol als verwacht vanwege onvoldoende vacuüm in het vat. De toepassing van stoom-jector vacuümpompen in de vroege jaren 1960 maakte voldoende lage druk bereikbaar, wat leidde tot waterstofgehalten van minder dan 1 ppm. Sindsdien wordt het RH-ontgassingsproces continu ontwikkeld met betrekking tot vacuümcondities, reactievat-ontwerp en geometrie (grootte en vorm), dwarsdoorsnede van snorkels, en capaciteiten van RH-ontgassingseenheden.

Toepassing van het RH-ontgassingsproces voor decarburering werd voor het eerst geïntroduceerd aan het einde van de jaren 1970. Vandaag de dag kunnen extrem lage finale koolstofgehalten van minder dan 20 ppm worden verkregen met het gebruik van dit proces, zoals nodig voor de productie van autoplaten. De toevoeging van legeringselementen tijdens ontgassing heeft de voordelen van hogere opbrengsten voor ferrolegeringen en hoge nauwkeurigheid van chemische analyse van staal door de afwezigheid van lucht en het vermijden van metaal-slak reacties.

Verdere ontwikkelingen waren het gebruik van gasvormige zuurstof tijdens RH-ontgassingsbehandeling in RHO, RH-OB, RH-KTB, RH-MESID, en MFB-processen. In het MFB-proces is de RH-ontgassingseenheid uitgerust met een multi-functionele burner (MFB). MFB is een apparaat dat brandstof en zuurstof vanuit een enkele laans die in de vacuümkamer wordt geïnsereerd, kan blazen. Het stelt warmte in de vacuümkamer zowel tijdens vacuümverwerking als in stand-by-modus te behouden. Dit vermindert de adhesie van metalen binnen de kamer, terwijl het mogelijk maakt om ultra-laag koolstofstaal te produceren door middel van zuurstofblazen tijdens de verwerking. Het doel van deze processen was om de decarbureringsreactie te versnellen, vloeibare staal te verwarmen door alumino-thermische reactie, schedels te her-smelten, het vat op hoge temperatuur te houden door gegenereerd koolstofmonoxide-gas om te zetten in koolstofdioxide-gas tijdens de decarbureringsperiode, en de vuurvaste-uitgeklede vat tussen de behandelingen te verwarmen. Recentelijk zijn sommige RH-TOP-lansen gebruikt voor het blazen van poeder in het vloeibare staal voor het reduceren van zwavel- of koolstofgehalten tot de laagste niveaus. Vandaag de dag worden al deze processen, behalve RH-OB, RH-TOP-ontgassingsproces genoemd.

Fundamenteel zijn de belangrijke ontwikkelingen van het RH-ontgassings- en RH-TOP-ontgassingsproces: (i) snellere decarburering en ontgassing door verbetering van vacuümpomp, snorkel-ontwerp, vat-ontwerp, verbeterde omstandigheden voor decarburering, (ii) verhoogde snelheid van ferrolegeringstoevoegingen, (iii) scheiding van activiteiten zoals legeren of draadtoevoegingen van de RH-behandeling door een toegewijde station voor deze activiteiten te installeren, en (iv) geoptimaliseerde installatielay-outs om het effect van de kraantransporttijd en de snorkel-dompeltijd op de cyclus-tijd te reduceren.

RH-ontgassingsinstallatie concepten

Een uniek kenmerk van het RH-ontgassingsproces is de brede reeks installatieconcepten die redelijk gebouwd kunnen worden om te passen bij de specifieke lay-out van de staalsmeltishop, de benodigde cyclus-tijd, en het voldoen aan de beschikbaarheidseisen. Een reeks ontwerpcriteria die beschikbaar zijn voor overweging voor de RH-ontgassingsinstallatie, zijn gegeven in Tabel 1.

De cyclus-tijd, metallurgische capaciteit en, routinematig bereikte hoge kwaliteitsproductie van de RH-ontgassingseenheid zijn afhankelijk van: (i) concept van de RH-ontgassingsinstallatie, (ii) integratie van de RH-ontgassingseenheid in de processtroom van de staalsmeltishop, (iii) ontwerp van het RH-vat, (iv) prestaties van het vacuümsysteem en andere componenten van de RH-ontgassingseenheid, (v) regelmatig onderhoud van de vuurvaste materialen, (vi) slakconditionering en slakmetallurgie, (vii) algemene stabiele productieomstandigheden, en (viii) het automatiessysteem. Afbeelding 3 toont het typische basisoncept en de hoofdcomponenten van een RH-ontgassingsinstallatie.

De RH-ontgassingsinstallatie is normaal uitgerust met het Niveau-2 automatiessysteem. Niveau-2 automatiessysteem, dat hardware, systeemsoftware, en toepassingsoftware omvat, is gerealiseerd op basis van metallurgische modellen. Niveau-2 toepassingsoftware en modelsoftware is ontworpen als onafhankelijk uitvoerbare programma's. De toepasbare software voorziet het model van data uit diverse bronnen en ontvangt berekende modeldata. De communicatie tussen de toepassingsoftware en de modelsoftware wordt gerealiseerd door middel van databasetabellen die de invoerdata aan het model leveren en de output van het model ontvangen. Aan de andere kant verzamelt Niveau-2 alle behandelingsdata voor transmissie en heat-rapportgeneratie. Niveau-2 automatisering wordt voornamelijk bediend door een enkele dialoog die normaal ontworpen is voor het begeleiden van procesobservatie en het verstrekken van setpoint-data die uitgevoerd moeten worden op Niveau-1 automatisering. Niveau-2 automatisering heeft alleen een kleine invoer van de operator nodig.

RH-ontgassingsproces kenmerken

Het proces bestaat hoofdzakelijk uit een vuurvaste-uitgeklede cilindrische reactievat met twee staalbuizen bevestigd aan de bodem van dit vat. Het reactievat is bekleed met vuurleem/alumina stenen in het bovenste deel en alumina/magnesia stenen in het onderste deel. De twee staalbuizen zijn de inlaat- en uitlaat-snorkels. Beide zijn volledig vuurvaste-uitgeklede met alumina vuurvast aan de binnenkant, maar alleen het onderste deel is vuurvaste-bekleed aan de buitenkant. De inlaat-snorkel is uitgerust met een aantal gasinjectiebuizen gerangschikt in de onderste sectie in één of twee niveaus en gelijkmatig verdeeld over de omtrek. Het reactievat is zodanig ontworpen dat het vloeibare staal door de inlaat-snorkel wordt opgetild en na ontgassing terugvalt in de staalkraan via de uitlaat-snorkel. De bovenzijde van het reactievat is voorzien van afvoeren, faciliteiten voor ferrolegeringstoevoegingen, en observatie- en controlevensters.

De RH-ontgassingseenheid wordt normaal gebruikt voor vacuümbehandeling en decarburering van lange reeksen laag-koolstof staalkwaliteiten. De metallurgische en operationele kenmerken van het RH-ontgassingsproces omvatten: (i) snelle decarburering tot minder dan 20 ppm, (ii) waterstof- en stikstofverwijdering, (iii) gebruik van minder dure hoge-koolstof ferrolegeringen, (iv) chemische verwarming van gedoodde en ongedoodde heats, (v) verbeterde staalzuiverheid in termen van niet-metallische inclusies, en (vi) goede samenstellingscontrole.

Het topblaaslaansysteem is boven de RH-ontgassingsvat geïnstalleerd en combineert diverse functies. Zuurstofblaassnelheden van 2.000 tot 4.000 Nm³/uur en geïnstalleerde burnercapaciteiten van 2 tot 4 MW zijn typische ontwerpkenmerken van het proces. Voor procesbewaking kan de laans uitgerust zijn met een TV-camera. Daarnaast kan de topblaaslaans uitgerust worden met een poederblaasfunctie om een diepe ontzwaveling van het vloeibare staal uit te voeren. RH-TOP-ontgassingsprocesfuncties omvatten: (i) zuurstofblazen voor geforceerde decarburering en chemische verwarming, (ii) verwarmen van RH-vat vuurvaste materialen door gas/zuurstofverbranding, (iii) poederblazen voor ontzwaveling, (iv) snelle schedelverwijdering door gebruik van de zuurstofstraal, en (v) geavanceerde ontsteeking door externe ontstekingsfaciliteit.

Er is een breed spectrum van massastaalkwaliteiten die het meest economisch of zelfs uniek geproduceerd kunnen worden door de RH-ontgassingsprocessen. Extrem lage koolstof- en waterstofgehalten worden in korte behandelingstijden bereikt. Er is slechts een minimaal temperatuurverlies. Geen speciale slakmaatregelen, kraan-vrijboord, of poreuze propen zijn nodig. De chemische samenstelling kan nauwkeurig afgesteld worden. Een uitgebreid productassortiment, hoge-kwaliteitsproducten, verhoogde productiviteit, en geminimaliseerd kraanonderhoud zijn verdere voordelen.

RH-vacuümontgassingsproces bereikt normaal geen evenwicht en de hoeveelheid waterstof, koolstof, en stikstofverwijdering worden bepaald door kinetische overwegingen. Het decarbureringsmechanisme is redelijk complex aangezien de reactiekinetiek zowel afhangt van de circulatiesnelheid als de decarbureringssnelheid. Het badmengen heeft ook effect op de decarburering.

Omdat het RH-ontgassingsproces gebaseerd is op de uitwisseling van vloeibare staal tussen de staalkraan en het RH-vat, bepaalt de staalrecirculatiesnelheid de snelheid van metallurgische reacties en de duur van het proces, aannemend een gedefinieerd metallurgisch doel. Vloeibare staalcirculatie hangt af van de geometrie van de apparatuur zoals snorkeldiameter, de straal van de apparatuur, en de positie en het aantal lift-gas tuyeren. De vloeibare staaldichtheid voor het ontwerp aangenomen op 1.600 °C is 6,94 ton per kubieke meter. De atmosferische druk uitgeoefend op het kraanoppervlak zorgt ervoor dat het staal in de snorkels stijgt tot een barometrische hoogte van ongeveer 1,45 m onder diepe vacuümomstandigheden. Het mechanisme van de vacuümbehandeling van vloeibare staal in het RH-ontgassingsproces wordt getoond in Afbeelding 3.

Automobiel- en andere blootgestelde platen, alsook platen voor de elektrotechnische industrie (bijv. voor transformatoren) zijn typische eindproducten geproduceerd uit het vloeibare staal verwerkt in RH/RH-TOP-ontgassingseenheden.

Operationele stappen

De verschillende stappen in de operatie van het RH-ontgassingsproces worden hieronder beschreven. Het reactievat wordt eerst voorverhit tot de gewenste temperatuur, die normaal varieert in het bereik van 900 °C tot 1.500 °C, afhankelijk van de installatie-eisen.

Het RH-ontgassingsproces begint met de verplaatsing van de staalkraan met het vloeibare staal in de behandelpositie door een kraanwagentje en wordt het reactievat gelicht of de kraan getild tot het gewenste niveau, zodat de snorkels in het staal gedompeld zijn. Het ontgassingsproces wordt gestart nadat beide snorkels voldoende in het vloeibare staal gedompeld zijn. Voor de snorkel-dompeling wordt de injectie van inerte gas, normaal argon, gestart in de gasbuis van de inlaat-snorkel. Argon werkt als lift-gas om de vloeibare staalsnelheid die in de inlaat-snorkel binnenkomt, te verhogen.

Na het bereiken van de vereiste dompelingsdiepte van de snorkel, wordt het reactievat geëvacueerd door middel van een vacuümpompsysteem dat verbonden is met het reactievat via de afvoerkanaal (afvoer). Een vacuüm (negatieve druk) wordt gecreëerd, en het vloeibare staal wordt in beide snorkels getrokken. Argon-gas dat in het mengsel wordt geïnjiceerd, verhoogt de druk in de opgaande snorkel. Deze druk creëert een circulatie van vloeibare staal door de snorkels. Nu kunnen de metallurgische behandelingsstappen, zoals ontgassing, zuurstofblazen, en afstelling van chemische analyse en temperatuur, worden uitgevoerd. Legeringstoevoegingen kunnen aan het einde van de ontgassing gemaakt worden, afhankelijk van de oververhitting van het vloeibare staal.

Vloeibare staal in het reactievat wordt ontgast en stroomt terug via de uitlaat-snorkel in de staalkraan. Het ontgaste staal is iets koeler dan het vloeibare staal in de staalkraan. Opwaartskracht gecreëerd door dichtheidsverschil (dichtheid van koeler ontgast vloeibare staal groter dan het hete vloeibare staal in de kraan) roert het bad. Circulatiesnelheid van vloeibare staal in het reactievat controleert de ontgassing. Circulatiesnelheid hangt af van de hoeveelheid lift-argon-gas en de graad van vacuüm. De cyclus-tijd is normaal in het bereik van twintig tot dertig minuten. Afhankelijk van de grootte, heeft een RH-ontgassingseenheid de capaciteit om 85 tot 135 ton per minuut vloeibare staal te circuleren.

Wanneer de chemie van het vloeibare staal is bepaald en bevredigend bevonden, worden de ontgasser-snorkels uit het vloeibare staal gehaald, het argon wordt uitgezet, en stikstof wordt in de opgaande snorkel geïntroduceerd om de injectiebuizen te voorkomen dat ze invriezen. De ontgassingsoperatie is dan voltooid, en de staalkraan wordt overgebracht naar de na-behandeling of overnamepositie.

Tijdens de productie worden de operators begeleid door een procesautomatiseringssysteem. Dit systeem gebruikt een aantal wiskundige modellen om metallurgische parameters te voorspellen en setpoints te creëren, bijvoorbeeld voor staaltemperatuur cyclisch berekend op basis van verschillende ontvangen parameters en verwerkingstijd, chemische samenstelling door ontvangen staalmonsters en toegevoegde materialen door het proces te bepalen. Voorspellingen en setpoints worden ook gemaakt voor status van ontgassingsfuncties zoals waterstof- en stikstofverwijdering afhankelijk van initiële gehaltes, ontgassingstijd, vacuüm-drukcursus, lift-gas-snelheid en anderen, status van decarburering door cyclisch koolstof- en zuurstofgehalte van staal te bepalen, en setpointing voor diverse functies zoals zuurstofblazen, vacuüm- en lift-gaspatronen etc.

Verder is het Niveau-2 systeem verbonden met de productieplanning en de procesautomatisering van voorafgaande en opvolgende eenheden alsook met het laboratorium, om alle relevante data aan de operator te leveren. De data-tracking verzamelt alle relevante data van Niveau-1 systeem en procesmodellen voor de creatie van verschillende heat- en productierapporten. Al deze data worden opgeslagen in een database om het systeem klaar te maken voor toekomstige data-toepassingen.

Beschikbaarheid van RH-ontgassingseenheid

Naast een korte cyclus-tijd, is de beschikbaarheid van de RH-ontgassingseenheid met het oog op productieplanning in de staalsmeltishop te overwegen. Meest kritiek is de tijd die nodig is voor het onderhoud van de snorkel. Na het behandelen van een reeks van zes heats, heeft de snorkel intermediair onderhoud nodig (deskulling, en vuurvaste inspuiten). Afhankelijk van de specifieke slak- en behandelomstandigheden en de beschikbare tools, heeft het onderhoudswerk 20 tot 60 minuten nodig. Vaker onderhoud resulteert in een langere snorkel-levenstijd. Na 60 tot 300 heats, weer afhankelijk van de behandelomstandigheden alsook de kwaliteit van de vuurvaste materialen en het ontwerp van de snorkels, heeft de snorkel vervanging nodig. Verdere vuurvaste onderhoud is nodig, voornamelijk in het bodemgebied, elke 2 tot 3 snorkel-campagnes. In de huidige RH-ontgassingsinstallatie wordt het vat gewisseld voor snorkelvervanging en vatonderhoud om de downtime van de installatie te reduceren.