RH精煉技術(shù)的發(fā)展

1RH精煉技術(shù)的發(fā)展?jié)崈翡摖t外精煉技術(shù)2RH的發(fā)展歷史RH精煉技術(shù)是1959年德國(guó)Rheinstahl和Hutlenwerke公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)成功的。RH將真空精煉與鋼水循環(huán)流動(dòng)結(jié)合起來(lái)，具有處理周期短，生產(chǎn)能力大，精煉效果好等優(yōu)點(diǎn)，適合冶煉周期短，生產(chǎn)能力大的轉(zhuǎn)爐工廠采用。RH發(fā)展到今天，大體分為三個(gè)發(fā)展階段：（1）發(fā)展階段（1968年~1980年）：RH裝備技術(shù)在全世界廣泛采用。（2）多功能RH精煉技術(shù)的確立（1980年~2000年）：RH技術(shù)幾乎達(dá)到盡善盡美的地步。表1RH工藝技術(shù)的進(jìn)步工藝指標(biāo)鋼水純凈度/×10-6鋼水溫度脫碳速度常數(shù)溫度波動(dòng)補(bǔ)償量/℃Kc/min-1℃CST.OPNH技術(shù)水平≤20≤10≤15≤20≤20≤1.026.30.35≤±5

（3）極低碳鋼的冶煉技術(shù)（2000年~

）：為了解決極低碳鋼（[C]≤10×10-6）精煉的技術(shù)難題，需要進(jìn)一步克服鋼水的靜壓力，以提高熔池脫碳速度。3真空脫碳RH內(nèi)的脫碳速度主要決定于鋼液中碳的擴(kuò)散。低碳區(qū)碳的傳質(zhì)是反應(yīng)速度的限制性環(huán)節(jié)：RH鋼水循環(huán)流量Q=鋼水循環(huán)流速×上升管截面積，根據(jù)前人對(duì)RH鋼水循環(huán)流量的測(cè)定結(jié)果表明：循環(huán)流量Q的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較

增加吹氬流量Qg使RH的循環(huán)流量增大；擴(kuò)大上升管直徑使循環(huán)流量Q增大；增加浸入管的插入深度也會(huì)使循環(huán)流量變大。總結(jié)以上研究，RH內(nèi)鋼水的循環(huán)流量可以表示為：4真空脫碳RH精煉中發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速度決定于金屬側(cè)各元素的傳質(zhì)系數(shù)，根據(jù)Shigeru的研究證明，在整個(gè)RH精煉過(guò)程中各元素的傳質(zhì)系數(shù)基本保持不變，但反應(yīng)界面積隨時(shí)間發(fā)生明顯變化。為了方便描述各種反應(yīng)速度，常采用體積傳質(zhì)系數(shù)k（=傳質(zhì)系數(shù)×反應(yīng)界面積）。鋼水含碳量和吹A(chǔ)r方式對(duì)RH脫碳過(guò)程的體積傳質(zhì)系數(shù)k的影響RH的體積傳質(zhì)系數(shù)與以下因素有關(guān)：k和鋼水碳含量成正比；增加鋼水的循環(huán)流量Q使k值提高；改變吹氬方式利于提高k值：如在300tRH的真空室底部增設(shè)8支2mm吹A(chǔ)r管吹氬（QA=800Nl/min），使k值提高。

KojiYMAMGUCHI總結(jié)100t~260tRH的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)提出以下關(guān)聯(lián)式：5提高RH脫碳速度的工藝措施

（1）提高循環(huán)流量和體積傳質(zhì)系數(shù)。如圖，千葉廠RH最初的工況，kc=0.1min-1。擴(kuò)大上升管直徑增加環(huán)流后，達(dá)到kc=0.15min-1。進(jìn)一步改進(jìn)吹A(chǔ)r方式使

k值增大，kc=0.2min-1。（2）提高抽氣速率。定義RH真空系統(tǒng)的抽氣速度常數(shù)R：R=-ln(/0)/t

(min-1)。（3）吹氧。采用KTB頂吹氧工藝，提高了RH前期脫碳速度，使表觀脫碳速度常數(shù)kc從0.21min-1提高到0.35min-1。（4）改變吹A(chǔ)r方式。實(shí)驗(yàn)證明，在RH真空室的下部吹入大約1/4的氬氣，可使RH的脫碳速度提高大約2倍。KTB法與普通RH脫碳速度的比較RH鋼水循環(huán)流量Q和體積傳質(zhì)系數(shù)k對(duì)脫碳速度的影響RH抽氣速度R和吹A(chǔ)r流量對(duì)脫碳速度的影響6脫硫?qū)︿X脫氧鋼水，脫硫反應(yīng)為：

3(CaO)+2[Al]+3[S]=(Al2O3)+3(CaS)鋼水脫硫效率主要決定于鋼中鋁含量和爐渣指數(shù)（S·P）：當(dāng)（S·P）=0.1時(shí)，渣—鋼間硫的分配比最大（400~600）。因此，脫硫渣的最佳組成是：60%(CaO)+25%(Al2O3)+10%(SiO2)。RH噴粉通常采用CaO+CaF2系脫硫劑，該種粉劑的脫硫分配比可按下式計(jì)算：La=(%S)/[%S]=1260-25(%Al2O3)–75(%SiO2)±250鋼水脫硫速度為：，根據(jù)高橋等人的測(cè)定：ks=0.27m/min。采用RH噴粉脫硫的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）脫硫效率高。（2）頂渣影響小，與鋼水間的傳質(zhì)速度大幅度降低。RH噴粉鋼包噴粉粉劑消耗量與脫硫效率的關(guān)系渣中FeO+MnO含量對(duì)渣—鋼間硫的分配比的影響7脫磷

將RH吹氧工藝與噴粉工藝相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)RH脫磷。在RH吹氧脫碳期同時(shí)噴吹石灰粉可以達(dá)到理想的脫磷效果。如日本新日鐵名古屋廠230tRH采用OB/PB工藝，可生產(chǎn)[P]≤20×10-6的超低磷鋼。粉劑中(%CaO)≈20%時(shí)，爐渣脫磷能力最強(qiáng)。提高真空度使?fàn)t渣脫磷能力略有提高。根據(jù)RH-PB處理中取出的粉劑顆粒，經(jīng)X光衍射分析的結(jié)果繪出右圖。由于RH噴粉避免了頂渣的影響，延長(zhǎng)了粉劑與鋼水直接反應(yīng)的時(shí)間，使脫磷效率提高。如圖所示，上浮粉劑顆粒中P2O5含量接近3CaO·P2O5或4CaO·P2O5的理論極限。遠(yuǎn)高于鐵水預(yù)處理或轉(zhuǎn)爐脫磷效率。粉劑配比和真空度對(duì)爐渣脫磷能力的影響RH-PB工藝中粉劑顆粒的脫磷效果比較8脫氧與夾雜物上浮RH精煉通常采用鋁脫氧工藝，生成的脫氧夾雜物大多為細(xì)小的Al2O3夾雜，RH精煉過(guò)程中鋼水氧含量的變化可以表示為：RH處理鋼水中夾雜物的形貌和成份RH精煉中，爐渣傳氧決定于渣中(%FeO)+(%MnO)含量。由于RH有效地避免了卷渣，頂渣對(duì)鋼水的氧化大為減弱。RH的表觀脫氧速度常數(shù)比鋼包吹氬（GI）工藝大約提高1倍。若RH處理前控制渣中(%FeO)+(%MnO)≤1%，處理后鋼中[O]T≤10×10-6。RH精煉過(guò)程中氧化物夾雜的排出速度可以表示為：

渣中FeO+MnO含量和脫氧速度常數(shù)k間的關(guān)系9夾雜物尺寸對(duì)去除的影響

鋼中夾雜物的上浮決定于夾雜物的尺寸：大顆粒夾雜上浮去除，而小顆粒夾雜通過(guò)碰撞聚合后才能上浮去除。因此，精煉過(guò)程中鋼水夾雜物的數(shù)量可采用淺野等人提出的表達(dá)式描述：

N=N0·exp（-·D）式中：D為夾雜物的半徑；N為夾雜物的數(shù)量（l/kg）；N=、為常數(shù)。鋼水氧含量的變化表達(dá)式如下：RH精煉過(guò)程中T[O]的行為ko和攪拌能量的關(guān)系0.5010NK-PERM法

為了提高RH的脫氧效率，日本NKK公司開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)鋼包脫氣處理去除夾雜物的新方法，稱為NK-PERM法。該工藝的技術(shù)原理是：首先將可熔氣體（如N2、H2）強(qiáng)行熔解到鋼水中，然后進(jìn)行真空精煉，再降壓過(guò)程中過(guò)飽和氣體在懸浮的微細(xì)夾雜物表面形成氣泡，氣泡與夾雜物上浮到液面迅速與鋼水分離。通過(guò)250tRH工業(yè)試驗(yàn)，該工藝獲得良好的冶金效果，細(xì)小夾雜物的去除效率明顯提高。采用RH噴粉工藝，使鏈狀A(yù)l2O3夾雜與CaO粉劑形成低熔點(diǎn)CaO·Al2O3夾雜，利于上浮排除。采用RH噴粉工藝后，Al2O3夾雜含量明顯降低。

NK-PERM處理后夾雜物分布的變化情況11脫氫RH脫氫效率很高，處理脫氧鋼水，脫氫效率H≥65%；處理弱脫氧鋼水，由于劇烈的C-O反應(yīng)使≥70%。RH的H

值決定于循環(huán)次數(shù)（N）。RH處理后鋼水含H量為：式中：N為鋼水循環(huán)次數(shù)。為保證良好的脫氫效果，要求：

由于RH的真空度很高，脫氫速度可表示為：經(jīng)測(cè)定對(duì)200tRH，吹A(chǔ)r流量為2000~2500Nl/min時(shí)，kH為0.16min-1。增大吹A(chǔ)r流量使kH值提高。如對(duì)340tRH，吹A(chǔ)r量從0增加到2500Nl/min時(shí)，kH可提高1倍。采用RH噴粉工藝后，由于鋼水中存在大量細(xì)小彌散的固體粉劑，明顯增強(qiáng)了鋼水中氣泡異相形核的能力，有利于脫氫反應(yīng)。RH噴粉法和RH法處理鋼的氫含量對(duì)比12脫氮

鋼水脫氮速度不決定于鋼中氮的傳質(zhì)系數(shù)，主要決定于界面化學(xué)反應(yīng)速度。務(wù)川進(jìn)等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨鋼中[%O]和[%S]含量的增加，鋼水吸氮（或脫氮）速度降低（或增高）。因此，通常采用二級(jí)反應(yīng)式近似計(jì)算真空脫氮速度：式中：kN=15.9fN2/(1+173aO+52aS+17aN)2。

a吸氮b脫氮真空度、表面活性元素含量對(duì)鋼水吸氮和脫氮的影響脫氮速度常數(shù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較13RH脫氮效率及強(qiáng)化脫氮工藝措施

RH的脫氮效率（N）比較低，并和初始氮含量有關(guān)：當(dāng)初始[N]=100×10-6時(shí)，N≈20%；對(duì)于較低的初始氮含量，RH處理基本不脫氮。其原因主要是：（1）鋼中氮的溶解度高，約是氫的15倍。（2）鋼中硫、氧等表面活性元素含量的增加，使鋼水脫氮速度降低。（3）RH浸入管漏氣造成鋼水吸氮。強(qiáng)化RH脫氮的工藝措施提高真空度和抽氣速度；盡量降低鋼中氧、硫含量；進(jìn)行脫碳后鎮(zhèn)靜處理時(shí)△N和初始N含量的關(guān)系時(shí)間（min）l/n（%-1）采用浸入管吹氬密封技術(shù)；采用噴粉工藝。噴粉時(shí)間和鋼水氮含量的關(guān)系14熱補(bǔ)償技術(shù)——RH-OB法

依靠加Al吹氧進(jìn)行化學(xué)升溫：

Al+3/4O2=1/2Al2O3△HAl=-32.186kJ/kgAl160tRH采用OB法升溫工藝，供O2強(qiáng)度為1100Nm3/h。采用普通RH處理，精煉過(guò)程溫降80~90℃；采用OB法工藝吹氧20min，耗Al1.7kg/t，處理過(guò)程基本不降溫；吹氧40min，耗Al4kg/t，處理后鋼水溫度可提高50℃。為避免OB法升溫過(guò)程中鋼中C、Si、Mn的燒損，要求嚴(yán)格控制[Al]s>0.05%。處理過(guò)程中保持[Al]s>0.05%，可保證[O]≤60×10-6。若OB升溫后，延長(zhǎng)攪拌時(shí)間25min，可保證[O]≤30×10-6。吹氧過(guò)程、加鋁量對(duì)RH-OB升溫效果的影響15熱補(bǔ)償技術(shù)——RH-KTB法

KTB法采用吹氧脫碳和二次燃燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼水升溫。該方法在普通RH上安裝可以升溫的水冷頂吹氧槍，吹氧脫碳，并依靠真空室內(nèi)CO爐氣的二次燃燒提供熱量，補(bǔ)償精煉過(guò)程中的溫降。采用KTB工藝后，轉(zhuǎn)爐出鋼溫度比傳統(tǒng)RH降低26.3℃。由于KTB提高了RH表觀脫碳速度常數(shù)，在保證相同的脫碳時(shí)間的條件下，可使初始碳含量從0.025%提高到0.05%。在脫碳過(guò)程中實(shí)現(xiàn)二次燃燒，可將爐氣二次燃燒率從3%提高到60%，進(jìn)一步補(bǔ)償了熱量。

KTB熱補(bǔ)償?shù)哪芰科胶馀c傳統(tǒng)RH相比KTB熱補(bǔ)償所帶來(lái)的溫降減少值項(xiàng)目補(bǔ)償溫度/℃百分比/%提高初始碳含量1.26二次燃燒熱量7.839鋁氧化熱量7.939.5減少精煉過(guò)程溫降3.115.5總計(jì)20100

采用KTB技術(shù)進(jìn)行熱補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵是通過(guò)精確控制吹氧量和吹氧時(shí)間，避免鋼水過(guò)氧化，保證吹氧結(jié)束后鋼水[O]<750×10-6。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)自然脫碳使脫碳結(jié)束后鋼水[O]<200×10-6，可以保證精煉鋼水具有良好的潔凈度。16RH高效化生產(chǎn)的裝備技術(shù)

[C]×10-6提高真空室高度增大環(huán)流量提高抽氣能力臺(tái)灣中鋼公司將160tRH的蒸汽噴射泵抽氣能力由300kg/h增大為400kg/h后，并將吹氬量由600Nl/min提高到680Nl/min，使終點(diǎn)碳含量由30~50×10-6降低到30×10-6以下，脫碳時(shí)間由20min縮短到15min。美國(guó)內(nèi)陸鋼鐵廠將RH的六級(jí)蒸汽噴射泵改造為五級(jí)蒸汽噴射泵/水環(huán)泵系統(tǒng)后，冷卻水消耗量由21t/爐減少到5t/爐，能耗降低73%。

增大吹氬量，優(yōu)化吹氬工藝增設(shè)多功能氧槍

增設(shè)具有RH頂吹氧、噴粉和烘烤三大功能的多功能氧槍，對(duì)改善RH操作，提高精煉效率和RH作業(yè)率具有重要意義。

17近幾年國(guó)外RH的主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)新日本鋼鐵公司川崎鋼鐵公司日本鋼管公司住友金屬工業(yè)公司寶鋼RH設(shè)備參數(shù)名古屋鋼鐵廠2號(hào)RH君津鋼鐵廠RH大分鋼鐵廠1號(hào)RH水島鋼鐵廠4號(hào)RH福山鋼鐵廠3號(hào)RH鹿島鋼鐵廠2號(hào)RH煉鋼廠吹O2方式OBOBOBKTBOBOBOB鋼水容量，t270305340250250250300循環(huán)管內(nèi)徑，mm730650600750580750550循環(huán)氣體量，l/min3000250040005000500050001200~1400抽氣量67Pa下(kg/h)26.7Pa下135016600100711682952877010001350015000-1500-950目標(biāo)[C]×10-61017181515127000≤50處理時(shí)間，min15221815151520~2518RH長(zhǎng)壽化裝備技術(shù)改進(jìn)真空室頂部結(jié)構(gòu)提高RH浸漬管的使用壽命提高耐火材料抗侵蝕能力

改造為圓頂，壽命超過(guò)真空室上部槽。RH月處理量超過(guò)70000噸。

通過(guò)耐火材料的優(yōu)化，并結(jié)合采用RH高效化生產(chǎn)工藝和完善RH終點(diǎn)控制技術(shù)，縮短RH的處理周期等技術(shù)措施，使RH底部槽壽命從1993年1200爐提高到1997年2628爐，并創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。

采用浸漬管冷卻技術(shù)，使浸漬管的平均壽命達(dá)到320次。美國(guó)國(guó)家鋼鐵公司大湖廠采用兩個(gè)浸漬管輪流修補(bǔ)、交錯(cuò)磚型和用MgO材料進(jìn)行噴補(bǔ)三項(xiàng)技術(shù)，也使浸漬管的壽命超過(guò)180爐。19RH精煉控制技術(shù)

臺(tái)灣中鋼公司2號(hào)RH每年生產(chǎn)IF鋼和電工鋼40萬(wàn)噸，要求精確的控制鋼中碳含量，為了提高RH的作業(yè)率和終點(diǎn)控制精度該廠通過(guò)連續(xù)測(cè)量廢氣成份和流量，開(kāi)發(fā)出一種RH在線過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控和控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)有四個(gè)子系統(tǒng)，主要包括：取樣系統(tǒng)、氣體分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)。

RH脫碳在線終點(diǎn)控制系統(tǒng)示意圖

該項(xiàng)控制技術(shù)用于RH終點(diǎn)控制獲得良好的效果：首先終點(diǎn)控制精度提高，如冶煉超低碳鋼（[C]≤20×10-6）時(shí)，預(yù)報(bào)終點(diǎn)碳的平均偏差為1.9×10-6。同時(shí)，大大改善了終點(diǎn)目標(biāo)含碳量的命中率，冶煉IF鋼和電工鋼時(shí)目標(biāo)碳含量的命中率從90.4%提高到接近100%。根據(jù)脫碳期間獲得的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)一步改善吹氬工藝，提高了RH脫碳速度，使RH脫碳16min后鋼液中的碳含量降低到10×10-6以下。20IF鋼精煉工藝技術(shù)

要求鋼中C+N<50×10-6，進(jìn)而C+N<20×10-6；為了保證良好的表面質(zhì)量，要求鋼中T.O含量<30×10-6；為了提高深沖性能，要求嚴(yán)格控制鋼中微合金化元素Ti、Nb、B的含量。浸漬管吹氬密封示意圖

采用強(qiáng)脫碳技術(shù)，以提高RH的脫碳速度和降低處理終點(diǎn)碳含量。通常采用擴(kuò)大浸漬管直徑、提高吹氬量和抽氣速度等措施，可在15min內(nèi)將鋼水碳含量降低到10×10-6。進(jìn)一步降低含碳量可在RH吹氧脫碳期吹入

IF鋼的質(zhì)量要求氬氣空氣H2，增加鋼液中的氫含量。當(dāng)RH進(jìn)行深脫碳時(shí)，隨著真空度的降低，過(guò)飽和的氫在夾雜物表面析出，增加了脫碳反應(yīng)界面，使脫碳速度提高。采用這一工藝可生產(chǎn)[C]=3×10-6的超低碳鋼。為了提高RH的脫氮能力，采用如圖所示的浸漬管吹氬密封技術(shù)，降低精煉過(guò)程中鋼水吸氮量，可以生產(chǎn)出[N]=10×10-6的超低氮鋼。為了提高IF鋼的表面質(zhì)量，要求在轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程中對(duì)爐渣進(jìn)行改質(zhì)處理，降低爐渣的氧化性。通過(guò)爐渣改質(zhì)處理后，渣中FeO+MnO<7%，可保證RH處理后鋼水[O]<30×10-6。21管線鋼精煉工藝

目前，日本管線鋼的純凈度水平可以達(dá)到[S]≤5×10-6，[P]≤50×10-6，T[O]≤20×10-6，[H]≤1.5×10-6。日本主要鋼廠管線鋼生產(chǎn)工藝與S、T.O控制水平鋼廠工藝(S)10-6川崎RH-PB≤10新日鐵RH-Injection5君津鋼廠LF爐≤10住友V-KIP≤522新、舊工藝流程的比較其特點(diǎn)是：采用多種二次精煉工位進(jìn)行鋼水爐外精煉，工藝流程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，消耗高，成本高。傳統(tǒng)管線鋼生產(chǎn)工藝流程管線鋼生產(chǎn)新工藝流程其特點(diǎn)是：采用轉(zhuǎn)爐鐵水“三脫”預(yù)處理工藝；