RH精煉技術的發(fā)展

1RH精煉技術的發(fā)展?jié)崈翡摖t外精煉技術2RH的發(fā)展歷史RH精煉技術是1959年德國Rheinstahl和Hutlenwerke公司聯(lián)合開發(fā)成功的。RH將真空精煉與鋼水循環(huán)流動結(jié)合起來，具有處理周期短，生產(chǎn)能力大，精煉效果好等優(yōu)點，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，大體分為三個發(fā)展階段：（1）發(fā)展階段（1968年~1980年）：RH裝備技術在全世界廣泛采用。（2）多功能RH精煉技術的確立（1980年~2000年）：RH技術幾乎達到盡善盡美的地步。表1RH工藝技術的進步工藝指標鋼水純凈度/×10-6鋼水溫度脫碳速度常數(shù)溫度波動補償量/℃Kc/min-1℃CST.OPNH技術水平≤20≤10≤15≤20≤20≤1.026.30.35≤±5

（3）極低碳鋼的冶煉技術（2000年~

）：為了解決極低碳鋼（[C]≤10×10-6）精煉的技術難題，需要進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散。低碳區(qū)碳的傳質(zhì)是反應速度的限制性環(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RH鋼水循環(huán)流量的測定結(jié)果表明：循環(huán)流量Q的計算值與實測值的比較

增加吹氬流量Qg使RH的循環(huán)流量增大；擴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)生的各種化學反應的反應速度決定于金屬側(cè)各元素的傳質(zhì)系數(shù)，根據(jù)Shigeru的研究證明，在整個RH精煉過程中各元素的傳質(zhì)系數(shù)基本保持不變，但反應界面積隨時間發(fā)生明顯變化。為了方便描述各種反應速度，常采用體積傳質(zhì)系數(shù)k（=傳質(zhì)系數(shù)×反應界面積）。鋼水含碳量和吹Ar方式對RH脫碳過程的體積傳質(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：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8支2mm吹Ar管吹氬（QA=800Nl/min），使k值提高。

KojiYMAMGUCHI總結(jié)100t~260tRH的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)提出以下關聯(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。擴大上升管直徑增加環(huán)流后，達到kc=0.15min-1。進一步改進吹Ar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Ar方式。實驗證明，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對脫碳速度的影響RH抽氣速度R和吹Ar流量對脫碳速度的影響6脫硫?qū)︿X脫氧鋼水，脫硫反應為：

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（S·P）=0.1時，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)高橋等人的測定：ks=0.27m/min。采用RH噴粉脫硫的主要優(yōu)點是：（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系渣中FeO+MnO含量對渣—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)合可以實現(xiàn)RH脫磷。在RH吹氧脫碳期同時噴吹石灰粉可以達到理想的脫磷效果。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，爐渣脫磷能力最強。提高真空度使爐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，延長了粉劑與鋼水直接反應的時間，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。遠高于鐵水預處理或轉(zhuǎn)爐脫磷效率。粉劑配比和真空度對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小的Al2O3夾雜，RH精煉過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間的關系9夾雜物尺寸對去除的影響

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，而小顆粒夾雜通過碰撞聚合后才能上浮去除。因此，精煉過程中鋼水夾雜物的數(shù)量可采用淺野等人提出的表達式描述：

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式如下：RH精煉過程中T[O]的行為ko和攪拌能量的關系0.5010NK-PERM法

為了提高RH的脫氧效率，日本NKK公司開發(fā)了一種通過鋼包脫氣處理去除夾雜物的新方法，稱為NK-PERM法。該工藝的技術原理是：首先將可熔氣體（如N2、H2）強行熔解到鋼水中，然后進行真空精煉，再降壓過程中過飽和氣體在懸浮的微細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250tRH工業(yè)試驗，該工藝獲得良好的冶金效果，細小夾雜物的去除效率明顯提高。采用RH噴粉工藝，使鏈狀Al2O3夾雜與CaO粉劑形成低熔點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)測定對200tRH，吹Ar流量為2000~2500Nl/min時，kH為0.16min-1。增大吹Ar流量使kH值提高。如對340tRH，吹Ar量從0增加到2500Nl/min時，kH可提高1倍。采用RH噴粉工藝后，由于鋼水中存在大量細小彌散的固體粉劑，明顯增強了鋼水中氣泡異相形核的能力，有利于脫氫反應。RH噴粉法和RH法處理鋼的氫含量對比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反應速度。務川進等人通過實驗研究發(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，通常采用二級反應式近似計算真空脫氮速度：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鋼水吸氮和脫氮的影響脫氮速度常數(shù)計算值與實測值的比較13RH脫氮效率及強化脫氮工藝措施

RH的脫氮效率（N）比較低，并和初始氮含量有關：當初始[N]=100×10-6時，N≈20%；對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；進行脫碳后鎮(zhèn)靜處理時△N和初始N含量的關系時間（min）l/n（%-1）采用浸入管吹氬密封技術；采用噴粉工藝。噴粉時間和鋼水氮含量的關系14熱補償技術——RH-OB法

依靠加Al吹氧進行化學升溫：

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

KTB法采用吹氧脫碳和二次燃燒技術實現(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，補償精煉過程中的溫降。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間的條件下，可使初始碳含量從0.025%提高到0.05%。在脫碳過程中實現(xiàn)二次燃燒，可將爐氣二次燃燒率從3%提高到60%，進一步補償了熱量。

KTB熱補償?shù)哪芰科胶馀c傳統(tǒng)RH相比KTB熱補償所帶來的溫降減少值項目補償溫度/℃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減少精煉過程溫降3.115.5總計20100

采用KTB技術進行熱補償?shù)年P鍵是通過精確控制吹氧量和吹氧時間，避免鋼水過氧化，保證吹氧結(jié)束后鋼水[O]<750×10-6。在此基礎上，通過自然脫碳使脫碳結(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

[C]×10-6提高真空室高度增大環(huán)流量提高抽氣能力臺灣中鋼公司將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，使終點碳含量由30~50×10-6降低到30×10-6以下，脫碳時間由20min縮短到15min。美國內(nèi)陸鋼鐵廠將RH的六級蒸汽噴射泵改造為五級蒸汽噴射泵/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)化吹氬工藝增設多功能氧槍

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

17近幾年國外RH的主要技術參數(shù)和性能指標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設備參數(shù)名古屋鋼鐵廠2號RH君津鋼鐵廠RH大分鋼鐵廠1號RH水島鋼鐵廠4號RH福山鋼鐵廠3號RH鹿島鋼鐵廠2號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[C]×10-61017181515127000≤50處理時間，min15221815151520~2518RH長壽化裝備技術改進真空室頂部結(jié)構提高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，壽命超過真空室上部槽。RH月處理量超過70000噸。

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

采用浸漬管冷卻技術，使浸漬管的平均壽命達到320次。美國國家鋼鐵公司大湖廠采用兩個浸漬管輪流修補、交錯磚型和用MgO材料進行噴補三項技術，也使浸漬管的壽命超過180爐。19RH精煉控制技術

臺灣中鋼公司2號RH每年生產(chǎn)IF鋼和電工鋼40萬噸，要求精確的控制鋼中碳含量，為了提高RH的作業(yè)率和終點控制精度該廠通過連續(xù)測量廢氣成份和流量，開發(fā)出一種RH在線過程動態(tài)監(jiān)控和控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)有四個子系統(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脫碳在線終點控制系統(tǒng)示意圖

該項控制技術用于RH終點控制獲得良好的效果：首先終點控制精度提高，如冶煉超低碳鋼（[C]≤20×10-6）時，預報終點碳的平均偏差為1.9×10-6。同時，大大改善了終點目標含碳量的命中率，冶煉IF鋼和電工鋼時目標碳含量的命中率從90.4%提高到接近100%。根據(jù)脫碳期間獲得的監(jiān)控數(shù)據(jù)進一步改善吹氬工藝，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

要求鋼中C+N<50×10-6，進而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

采用強脫碳技術，以提高RH的脫碳速度和降低處理終點碳含量。通常采用擴大浸漬管直徑、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RH進行深脫碳時，隨著真空度的降低，過飽和的氫在夾雜物表面析出，增加了脫碳反應界面，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，降低精煉過程中鋼水吸氮量，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)爐出鋼過程中對爐渣進行改質(zhì)處理，降低爐渣的氧化性。通過爐渣改質(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是：采用多種二次精煉工位進行鋼水爐外精煉，工藝流程復雜，生產(chǎn)周期長，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)新工藝流程其特點是：采用轉(zhuǎn)爐鐵水“三脫”預處理工藝；