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Desgasificación de acero al vacío
1. ¿Qué es el acero? ¿Por qué necesitamos fabricar acero?
Desde la perspectiva de la composición química, el acero se divide principalmente en acero al carbono (incluido el acero con bajo contenido de carbono, el acero con contenido de carbono medio y el acero con alto contenido de carbono) y acero aleado.
- Además del hierro y el carbono como componentes principales, el acero al carbono también contiene una pequeña cantidad de impurezas como Mn, Si, S, P, etc. Tiene ciertas propiedades mecánicas y de proceso y es barato.
- A base de acero al carbono, al acero de aleación se le añaden determinados elementos deliberadamente, mejorando así significativamente su rendimiento.
La tarea de la fabricación de acero: De acuerdo con los requisitos de la fabricación de acero, ajustar el rango de elementos de carbono y aleación en el acero y reducir el contenido de impurezas como P, S, H, O, N por debajo del rango permitido.
2. Influencia de los elementos de aleación en las propiedades del acero
- El C y el Si pueden aumentar la resistencia y la dureza del acero.
- El Mn mejora la templabilidad y la tenacidad y reduce la nocividad del S.
- P causa fragilidad por frío
- El S provoca fragilidad en caliente, fractura por fatiga y malas propiedades mecánicas.
- Otros metales traza: Cr, Ni, Mo, Ti, etc.
- Otras inclusiones no metálicas: hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, etc.
3. Proceso de fundición del acero
- Descarburación, desoxidación, desfosforación, desulfuración
- Eliminar gas de inclusión (H2N2), eliminar inclusiones no metálicas
- Ajustar la temperatura del acero fundido y ajustar la composición del acero fundido.
4. Proceso de refinación al vacío fuera del horno.
- Refinación fuera del horno: proceso de trasladar el acero fundido desde el convertidor a otro reactor para su refinación.
- Refinación primaria: fusión, desfosforación, descarbonización y aleación de la carga en una atmósfera oxidante.
- Refinación – descarbonización profunda, desgasificación, desoxidación, eliminación de inclusiones, ajuste de composición, optimización de proceso y estructura de producto, desarrollo de productos de alto valor añadido, ahorro energético y reducción de consumos, reducción de costes y aumento de beneficios económicos bajo vacío, gas inerte o atmósfera controlada.
5. Historial de desarrollo del refinado fuera del horno
- En la década de 1940: el tratamiento de desgasificación se realizó bajo bajo vacío.
- En la década de 1950: se introdujo la bomba de chorro de vapor con alta velocidad de bombeo y se utilizaron los métodos de vacío DH y RH para desgasificar el acero fundido, reduciendo la cantidad de impurezas.
- En las décadas de 1960 y 1970, sobre la base de la desgasificación al vacío, florecieron VOD, VAD, ASEA, LFV y RH-OB.
- En la década de 1980: apareció el método de alimentación de alambre de aleación y el uso combinado de equipos de refinación con diferentes funciones.
- En la década de 1990: el tratamiento de vacío de circulación (RH, RH-OB), el tratamiento de vacío de elevación (DH), el ajuste fino de aleación y el tratamiento de temperatura (CAS.CAS-OB), el horno de refinación de cuchara LF, la desoxidación de argón al vacío (VD), la descarburación de oxígeno al vacío (VOD), la pulverización de polvo de cuchara (KIP, TN, SL), el método de alimentación de alambre y la refinación de oxígeno y argón (AOD) fueron ampliamente utilizados.
6. Clasificación del refinado fuera del horno
6.1. Classification by refining method
Método de tratamiento bajo presión normal:
- Método de lavado de escoria: lavado de escoria sintética, lavado de escoria en el mismo horno;
- Método de refinación de Ar: Gazal, CAB, AOD, CLU
Método de refinación al vacío:
- Desgasificación: método de desgasificación con cuchara, DH, RH
- Desgasificación de gases C, O principalmente: VD, RH-OB, RH-PI
Método de vacío y calentamiento: ASEA-SKF, VAD, LF
6.2. Clasificación según el propósito principal de refinación
- AOD, CLU, VD, VOD, RHOB y VODC son adecuados para fundir acero con bajo contenido de carbono, acero con ultra bajo contenido de carbono y acero de aleación;
- Los hornos de barril, VAD (VHD) y LF tienen funciones de calentamiento y agitación y control de temperatura flexible, y se pueden utilizar para desgasificación, desoxidación, eliminación de inclusiones y aleación;
- DH, RH, diferentes formas de desgasificación por goteo y métodos de soplado de Ar al vacío pueden eliminar gas, oxígeno e inclusiones en el acero, pero no hay equipo de calentamiento, adecuado para la desgasificación al vacío de acero ordinario y acero de aleación media y baja;
- El mismo método de lavado de escoria se utiliza principalmente para la desulfuración, desoxigenación y eliminación de inclusiones en acero fundido durante el proceso de fabricación de acero en horno eléctrico.
7. Los tipos de procesos de desgasificación del acero se pueden dividir en tres opciones principales:
7.1. Horno de refinación RH: este proceso se centra en la descarburación y la desgasificación, y es un sistema excelente para producir grados de acero con contenido de carbono ultrabajo.
Función
① Deshidrogenación: La eficacia de deshidrogenación del líquido de acero completamente desoxidado es ≮60%, y para el líquido de acero incompletamente desoxidado, debido a la violenta reacción C-O, es >70%. El tiempo de desgasificación es de 5~20min, [H] <2ppm.
② Eliminar N: El N es fácil de formar compuestos N y la eficiencia de desnitrificación es de 0~10%;
③ Desoxigenación: ∑ [O] 0,002~0,005 %;
④ Descarburación: Existen requisitos para el [C] inicial y el tratamiento es de 15 min, el [C] se puede reducir a 0,002 %;
⑤ Desulfurización: eficiencia 50~75%;
⑥ Reduce las inclusiones no metálicas: mejora la pureza del acero fundido;
⑦ Ajuste fino de la composición: la precisión de control de los elementos de aleación es de ±0,003~0,010 %
Parámetros del proceso
① Capacidad de procesamiento: peso del acero fundido en cuchara, ≮30t;
② Tiempo de desgasificación: el tiempo de desgasificación del acero fundido al vacío es de 20 a 30 minutos;
③ Factor de circulación: el número de veces que el acero fundido en la cuchara pasa a través de la cámara de vacío, igual a 5;
④ Flujo de circulación: la cantidad de acero fundido que pasa a través de la cámara de vacío por unidad de tiempo;
⑤ Grado de vacío: presión en la cámara de vacío. Tratamiento RH 67~134 Pa, tratamiento RH-OB, 20000~33000 Pa
7.2. VD/VOD -- With the growing demand for high-quality steel, vacuum treatment has become an essential step in secondary metallurgical processes. Generally speaking, VD is more used for alloy steel, and VOD is more used for stainless steel.
Horno de refinación VD
Se utilizó por primera vez en Alemania en la década de 1950. El líquido de acero primario en el horno eléctrico y el convertidor se coloca en un tanque sellado para evacuarlo, y se sopla Ar en el fondo de la cuchara para agitarlo. Se utiliza para producir acero con bajo contenido de carbono y la composición y la temperatura se pueden controlar estrictamente. Función:
① Desgasificación efectiva, reducción de [H] y [N];
② Desoxidación, eliminando [0] a través de C+[0]=C0;
③ Eliminación de [S] a través de escoria superior alcalina:
④ Control de la composición química y la temperatura mediante el ajuste fino de la aleación y el soplado de Ar;
⑤ El soplado de Ar hace que las inclusiones floten sin agregación.
El VD se utiliza principalmente junto con el horno de arco eléctrico y el LF para producir acero para tuberías, [S]<10ppm; [H]<1,5-2ppm; [N]< 40ppm; [0]< 20ppm.
El rango de requisitos de vacío de trabajo objetivo para VD es de aproximadamente 1,33 mbar (1 Torr) a 0,67 mbar (0,5 Torr). De manera similar al horno de refinación RH, el requisito de velocidad máxima de bombeo para VD puede alcanzar 1 millón de metros cúbicos por hora.
Horno de refinación de VOD
Los hornos de refinación VOD se utilizan para fundir acero inoxidable con lanzas de oxígeno instaladas en hornos VD, lo que proporciona las condiciones más adecuadas para la descarburación a gran escala y logra una alta pureza y limpieza. Por lo general, se utilizan para la descarburación profunda de aceros de alta aleación y para eliminar el carbono sin afectar el contenido de cromo al producir aceros inoxidables.
Los requisitos de vacío de trabajo objetivo que se utilizan habitualmente para VOD son de aproximadamente entre 50 y 200 mbar. Los requisitos de velocidad de bombeo más habituales son de entre 20 000 y 120 000 m3/h.
8. Tipos de sistemas de vacío en el proceso de desgasificación del acero
El sistema de vacío es un componente clave del proceso de desgasificación del acero, ya que crea y mantiene el vacío necesario en la cámara de proceso. En las plantas de desgasificación del acero, generalmente existen dos soluciones de vacío. Anteriormente, se utilizaban sistemas de vacío con eyectores de vapor (generalmente con bombas de vacío de anillo líquido), pero hoy en día, los sistemas de vacío mecánicos compuestos por bombas Roots (apoyadas por bombas de vacío de tornillo seco) se han convertido en una alternativa económica y respetuosa con el medio ambiente. A continuación, realizaremos un análisis comparativo de estas dos soluciones de vacío:
8.1.1 ¿Qué es un equipo de chorro de vapor? ¿Cuáles son sus ventajas?
La bomba de chorro de vapor es un vapor de trabajo con una cierta presión que pasa a través de una boquilla Laval, se descomprime y acelera (la energía potencial del vapor se convierte en energía cinética) y se pulveriza en la cámara de mezcla a una velocidad supersónica, se mezcla con el medio bombeado e intercambia energía. El gas mezclado ingresa al difusor, se desacelera y se presuriza (la energía cinética se convierte en energía de presión). Para reducir la carga de escape de la bomba posterior, se configura un condensador para intercambiar calor a través de la convección entre dos medios con una cierta diferencia de temperatura, de modo de lograr el propósito de condensar el medio de alta temperatura y descargarlo a presión atmosférica.
Las ventajas de la bomba de chorro de vapor multietapa son:
- Gran capacidad de succión: puede cumplir con los requisitos máximos de capacidad de procesamiento y volumen de escape del refinado al vacío (generalmente desde unos pocos kg/h hasta cientos de kg/h)
- Velocidad de succión rápida: generalmente de 3 a 6 minutos para alcanzar los requisitos de grado de vacío nominal.
- Fuerte adaptabilidad al medio bombeado: puede bombear eficazmente el gas polvoriento y de alta temperatura generado por la fabricación de acero.
- Long equipment life and reliable operation: because the steam jet pump has almost no moving parts
8.1.2 ¿Cuáles son las deficiencias del sistema de vacío con bomba de chorro de vapor?
El método RH es un importante método de refinación fuera del horno con funciones como desgasificación, descarburación, compensación de temperatura, composición de temperatura uniforme del acero fundido y eliminación de inclusiones en el acero. Debido a su buen efecto de refinación y ciclo de procesamiento corto, se ha utilizado ampliamente en la producción de acero. Con el fin de mejorar aún más la estructura del producto y la calidad del acero, Chongqing Iron and Steel New District adoptó la tecnología de refinación al vacío RH.
La tecnología de refinación al vacío de RH se ha desarrollado desde 1959, y el equipo y el proceso han alcanzado su madurez. El equipo de vacío utilizado en el proceso RH tradicional solía ser un sistema de vacío con bomba de chorro de vapor de múltiples etapas. A partir del estado actual de aplicación en el país y en el extranjero, se ha descubierto que, aunque el equipo del sistema de bomba de vapor de múltiples etapas es maduro y las instalaciones de apoyo están completas, se ve afectado significativamente por las fluctuaciones de presión y temperatura del vapor en uso, la recuperación de lodos es difícil, el mantenimiento del equipo es grande y la capacidad de extracción de aire disminuye con la extensión del tiempo de uso.
- Consumo de agua: El consumo de vapor y agua de refrigeración es elevado, lo que genera altos costos operativos.
- Generación de aguas residuales: Los eyectores de vapor producen una gran cantidad de aguas residuales ricas en polvo que necesitan ser tratadas.
- Tratamiento de aguas residuales: el polvo debe precipitarse en agua caliente y el agua reciclada aún contiene una pequeña cantidad de polvo.
- Desgaste del equipo: Las tuberías y válvulas de compuerta expuestas a agua rica en partículas corrosivas se desgastarán prematuramente.
8.2.1 ¿Qué es un sistema de bomba de vacío seco?
Una bomba de vacío mecánica seca sin aceite (también denominada bomba de vacío mecánica seca) es una bomba de vacío que puede comenzar a bombear aire a presión atmosférica y descargar el gas bombeado directamente a la atmósfera, sin aceite ni otros medios de trabajo en la cámara de la bomba. Con el desarrollo continuo de la industria de desgasificación al vacío del acero, un sistema de vacío mecánico compuesto por bombas de vacío Roots (que utilizan bombas de vacío de tornillo seco como bomba de respaldo) se ha convertido en una opción que ahorra costos y es respetuosa con el medio ambiente.
8.2.2 ¿Cuáles son las ventajas de un sistema de bomba de vacío mecánica seca sobre un sistema de bomba de chorro de vapor?
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Tipo de bomba |
Costo de inversión |
Consumo de energía |
Sistema operativo |
Contaminación |
Construcción |
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Bomba de chorro de vapor |
Inversión inicial menor |
Mayor consumo de energía y vapor |
Sistemas de suministro de vapor, sistemas de evacuación, sistemas de almacenamiento térmico y sistemas de tratamiento de agua relacionados. |
Contaminación por aguas residuales, altos costos operativos |
Área grande |
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Bomba de vacío mecánica seca |
Mayor inversión inicial |
El consumo de energía es solo el 10% de las bombas de chorro de vapor. |
Sistema de bombeo de vacío |
Sin contaminación por aguas residuales, bajos costos operativos |
Sencillo, área pequeña |
8.2.3 Análisis concreto de las ventajas del sistema de bomba de vacío mecánica seca en comparación con el sistema de bomba de chorro de vapor
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No. |
Elementos |
Bomba de vacío seca |
Bomba de chorro de vapor |
Observaciones |
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1 |
Medios operativos |
Electricidad |
Vapor |
La electricidad es estable, la presión del vapor y la temperatura fluctúan. |
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2 |
Configuración de la capacidad de bombeo |
Ajuste el módulo operativo según sea necesario |
No se puede cambiar después de haber sido reparado |
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3 |
Producción |
Iniciar y detener en cualquier momento según sea necesario |
Afectado por la presión y la temperatura del vapor. |
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4 |
Eliminación de polvo |
Eliminación de polvo seco para un fácil reciclaje |
Eliminación de polvo húmedo para reciclaje difícil |
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5 |
Costo de funcionamiento |
Consumo de energía |
6,18 KWH/tonelada de acero |
0,101 toneladas/tonelada de acero |
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Precio unitario |
0,6 yuanes/kwh |
280 yuanes por tonelada |
Steam se calcula según el bajo precio de la subcontratación |
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Coste de explotación por tonelada de acero |
3,71 RMB/tonelada de acero |
28,28 RMB/tonelada de acero |
Excluyendo los costos de tratamiento de aguas residuales del sistema de bomba de chorro |
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6 |
Inversión inicial |
Relativamente grande |
Inversión relativamente pequeña en una sola bomba |
Si se tiene en cuenta la inversión inicial en el sistema de vapor y el sistema de tratamiento de agua, no es baja. |
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9. ¿Qué incluye la solución de desgasificación al vacío de acero del sistema de bomba de vacío mecánica seca de VACCULEX (bomba de vacío Roots, bomba de vacío de tornillo)?
- Combinación de módulos de bomba de vacío
- Cálculo de la capacidad de succión del sistema de vacío
- Selección de bomba de vacío
- Garantía de seguridad durante el funcionamiento del sistema de vacío
- Disposición del sistema de vacío
- Método de enfriamiento de gas de proceso
- Método de filtrado del sistema de vacío
- Método de eliminación y recuperación de polvo del sistema de vacío
10. Casos típicos de bombas de vacío mecánicas secas (bombas de vacío Roots, bombas de vacío de tornillo) en hornos de afinación en la industria de desgasificación del acero
10.1. Caso típico 1
Escala de construcción: Un sistema de vacío mecánico seco con una capacidad de bombeo de 800 kg/h (aire seco a 20℃) en condiciones de 67 PaA y 210 tRH. Contenido principal de la transformación técnica: En comparación con el sistema de vacío húmedo tradicional, el nuevo sistema de vacío mecánico seco elimina el sistema de suministro de vapor (caldera de combustión rápida o caldera de gas para sobrecalentamiento de vapor saturado), el condensador entre etapas, el alcantarillado, el sistema de tratamiento de lodos y el enorme sistema de agua de refrigeración circulante. El equipo principal son 2 juegos de enfriadores de aire, 4 juegos de filtros de polvo, 18 juegos de grupos de bombas de vacío, 1 tanque de almacenamiento de nitrógeno y 1 tanque de almacenamiento de nitrógeno. La inversión en la transformación técnica de ahorro de energía es 17,5 millones de yuanes más que la del sistema de vacío de chorro de vapor tradicional, y el período de construcción es de 8 meses. Puede ahorrar 20.539 tce de energía al año, con un beneficio económico anual de ahorro de energía de 17,03 millones de yuanes y un período de recuperación de la inversión de 1 año.
10.2. Caso típico 2
Escala de construcción: Un sistema de vacío mecánico seco con una capacidad de bombeo de 507 kg/h (aire seco a 20℃) bajo 67 PaA y 150 tRH. Contenido principal de la transformación técnica: Un nuevo sistema de vacío mecánico seco con equipo principal que incluye 1 enfriador de aire; 3 filtros de polvo; 14 juegos de bombas de vacío (13 para uso y 1 para reserva); 2 tanques de almacenamiento de gas; 56 convertidores de frecuencia; 1 sistema de control DCS. La inversión en la transformación técnica de ahorro de energía es 15,62 millones de yuanes más que la del sistema de vacío de chorro de vapor tradicional, y el período de construcción es de 1 año. Puede ahorrar 14.207 tce de energía por año, con un beneficio económico anual de ahorro de energía de 10,37 millones de yuanes y un período de recuperación de la inversión de 1,5 años.
10.3. Caso típico 3
La práctica de producción de 210tRH de Chongqing Iron and Steel, que funcionó durante 7 meses y procesó 420.000 toneladas de acero fundido, muestra que el efecto metalúrgico del sistema de vacío seco (bomba mecánica) aplicado a RH puede alcanzar o superar al del sistema de vacío con bomba de chorro de vapor de múltiples etapas, con una tasa de deshidrogenación del 63,5% y una capacidad máxima de descarburación de 10@10-6. La bomba de vacío seco utiliza electricidad como fuente de energía motriz y su funcionamiento no está restringido por la presión y la temperatura del vapor. La bomba se puede poner en marcha y detener en cualquier momento según la situación de producción real y la organización de la producción es flexible.
Después de 11 meses de operación, se han procesado alrededor de 10.000 toneladas de acero fundido y se han obtenido beneficios económicos directos de 19,58 millones de yuanes.
Ha desempeñado un buen papel de demostración y aplicación para RH y otros equipos de refinación al vacío y la optimización de empresas siderúrgicas nacionales y extranjeras.
10.4.Casos más típicos
Sistema de bomba de vacío mecánica para horno VD de 60T
Modificación del sistema de vacío del horno de vacío RH
Actualización del horno de refinación VOD de doble estación 65T
11.Ventajas de las bombas de vacío mecánicas secas de VACCULEX (bombas de vacío Roots, bombas de vacío de tornillo).
11.1. Full coverage of models and types of dry mechanical vacuum pumps (Roots vacuum pumps, screw vacuum pumps) for steel degassing(the only one in China). The maximum pumping speed of Roots vacuum pumps is 110,000 m3/h, and the maximum pumping speed of screw vacuum pumps is 2700 m3/h.。
11.2. Mature and professional solution provider, many years of supporting experience accumulation insteel vacuum degassing industry, perfect pre-sale and after-sale service, one-stop solution for customers’ vacuum problems in steel degassing
11.3. Excellent vacuum calculation ability, reliable and stable dry mechanical vacuum pump product quality, competitive price model, truly win-win cooperation.
