RH真空精煉技術(shù).ppt

1、1,RH精煉技術(shù),現(xiàn)代純凈鋼生產(chǎn)工藝流程,在純凈鋼生產(chǎn)中，RH是最重要的真空精煉裝置之一，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，新建鋼廠多數(shù)選擇RH精煉。,2,鋼鐵冶煉工藝路線,3,大型聯(lián)合企業(yè)冶煉工藝流程,4,5,特殊鋼廠冶煉工藝路線,脫硫,短流程鋼廠冶煉工藝路線,6,7,RH 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、。 （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1 RH工藝技術(shù)的進(jìn)步,（3）極低碳鋼的冶煉技術(shù)（2000年 ）：為了解決極低碳鋼（C1010-6）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。,RH的工作原理,鋼液真空循環(huán)原理類似于“氣泡泵”的作用，如右圖所示：當(dāng)進(jìn)行真空脫氣處理 時(shí)，將真空室下部的兩根浸漬管插入鋼液內(nèi)100-150mm的深度后，啟動(dòng)真空泵將真空室抽成真空，于是真空室內(nèi)外形成壓差，鋼液便從兩根浸漬管中上升到壓差相等的高度（循環(huán)高度）。此時(shí)鋼液并不循環(huán)，為了使鋼液循環(huán)，從上升管下部約三分之一處吹入驅(qū)動(dòng)氣體，氣體進(jìn)

3、入上升管的鋼液后由于受熱膨脹和壓力降低，引起等溫膨脹，在上升管內(nèi)瞬間產(chǎn)生大量的氣泡核并迅速膨脹，膨脹的氣體驅(qū)動(dòng)鋼液上升。,8,RH裝置示意圖,RH處理鋼水過程,鋼水處理前，先將浸漬管浸入待處理的鋼包鋼水中。當(dāng)真空槽抽真空時(shí)，鋼水表面的大氣壓力迫使鋼水從浸漬管流入真空槽內(nèi)。（真空槽內(nèi)大約0.67 mbar時(shí)可使鋼水上升1.48m高度)。與真空槽連通的兩個(gè)浸漬管，一個(gè)為上升管，一個(gè)為下降管。由于上升管不斷向鋼液吹入氬氣，形成氣泡泵，使鋼水從上升管進(jìn)入并通過真空槽下部流向下降管，如此不斷循環(huán)反復(fù)。在真空狀態(tài)下，流經(jīng)真空槽鋼水中的氬氣、氫氣、一氧化碳等氣體在鋼液循環(huán)過程中被抽走。同時(shí)，進(jìn)入真空槽內(nèi)的鋼

4、水還進(jìn)行一系列的冶金反應(yīng)，比如碳氧反應(yīng)等如此循環(huán)脫氣精煉使鋼液得到凈化。 為滿足鋼種要求、精確控制鋼水成份，通常，RH處理過程中還需進(jìn)行合金化處理。鐵合金材料經(jīng)高位料倉(cāng)、稱量臺(tái)車、真空料斗、合金溜槽，在真空狀態(tài)下通過真空槽進(jìn)入鋼水，完成合金化功能。,9,RH工藝流程,10,RH工藝過程描述,鋼水即將到達(dá)前，關(guān)閉主真空閥為真空泵的提前啟動(dòng)作好準(zhǔn)備。 盛有鋼水的鋼包座落于鋼包臺(tái)車上，并啟動(dòng)前級(jí)真空泵進(jìn)行預(yù)抽。 鋼包臺(tái)車運(yùn)行到處理工位正下方，將環(huán)流氣體由氮?dú)馇袚Q到氬氣。 啟動(dòng)液壓頂升機(jī)構(gòu)，將鋼包頂升到預(yù)定高度，打開主真空閥，鋼水即進(jìn)入真空槽，形成環(huán)流。 測(cè)溫取樣及定氧，根據(jù)測(cè)定結(jié)果決定是否進(jìn)行“先行

5、處理”。先行處理即正規(guī)處理以外的預(yù)備性處理。如鋼水溫度過低，可先行化學(xué)升溫；鋼水含氧過高，可先行加Al處理；鋼水含碳過低可先行加碳處理等。先行處理后須再次測(cè)溫取樣以確認(rèn)先行處理的結(jié)果。,11,RH工藝過程描述,對(duì)鋼水進(jìn)行該鋼種所必須進(jìn)行的處理，（如脫氫處理，深脫碳處理，輕處理，深脫氧處理等）。處理過程中真空度和環(huán)流氣體流量按各處理模式自動(dòng)進(jìn)行變換。 處理結(jié)束前再次測(cè)溫取樣，確認(rèn)處理目的是否已達(dá)到。 合金微調(diào)及最終脫氧。 測(cè)溫取樣后關(guān)閉主真空閥，破真空。 鋼包下降，座落到鋼包臺(tái)車，同時(shí)將環(huán)流氣體切換成氮?dú)狻?鋼包臺(tái)車運(yùn)行到喂絲工（加保溫劑）位，按鋼種要求喂絲，人工加保溫劑。 鋼包臺(tái)車開出，用吊車

6、將鋼包吊至下工序。,12,RH法的設(shè)備,RH的主體設(shè)備構(gòu)成： 真空室及附屬設(shè)備； 氣體冷卻器； 真空排氣裝置； 合金稱量臺(tái)車及加料裝置。,13,RH精煉車間示意圖,RH設(shè)備示意圖,RH真空室,RH真空室形狀如右圖，真空室外殼為鋼板圍焊成的圓筒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯為耐火磚。真空室下部有兩根用耐火材料制成的可以插入鋼液的浸漬管，也稱升降管，其中一根為鋼液的上升管，另一個(gè)根為鋼液的下降管，浸漬管的上半部外側(cè)鋼管結(jié)構(gòu)。真空處理時(shí)鋼液沿上升管進(jìn)入真空室，沿下降管返回鋼包。,15,RH真空室示意圖,RH法主要的工藝參數(shù),處理容量V：指被處理的鋼液量，RH處理容量的上限理論上是沒有限制的，處理容量的下限取決于處理過

7、程的溫降情況。一般認(rèn)為，在爐內(nèi)處理時(shí)不應(yīng)小于10t，在鋼包處理時(shí)，不應(yīng)小于30t，當(dāng)容量小于30t時(shí)降溫顯著。目前已建成的RH裝置最大容量為300t。 處理時(shí)間t：指鋼包在RH工位停留時(shí)間，處理時(shí)間取決于允許的鋼液溫降Tc和處理過程中鋼液的平均降溫速度VT，t= Tc/ VT。 循環(huán)因數(shù)u：指處理過程中循環(huán)鋼液的當(dāng)量次數(shù)，即通過真空室的鋼液總量與處理容量之比。U=Wt/V，W循環(huán)流量，t/min; V 鋼包容量，t；t脫氣處理時(shí)間，min。,16,鋼中氣體含量與循環(huán)因數(shù)的關(guān)系，m-混合系數(shù)， m=0表示已脫碳鋼水和未脫碳鋼水尚未進(jìn)行混合。,RH法主要的工藝參數(shù),循環(huán)流量：循環(huán)流量W(t/min

8、)是指單位時(shí)間內(nèi)通過真空室的鋼液量。也稱循環(huán)速率，是一個(gè)重要的工藝參數(shù)。W主要取決于上升管直徑(d)和驅(qū)動(dòng)氣體流量(G0)。如圖所示為不同上升管直徑條件下，循環(huán)流量與驅(qū)動(dòng)氣體流量之間的關(guān)系。,17,設(shè)計(jì)真空室時(shí)W是根據(jù)處理容量V、循環(huán)因數(shù)u和脫氣時(shí)間t來(lái)確定的：,循環(huán)流量與驅(qū)動(dòng)氣體流量之間的關(guān)系,RH法主要的工藝參數(shù),真空度 真空度是指RH處理時(shí)真空室內(nèi)可以達(dá)到并且保持的最小壓力。 真空泵的抽氣能力 真空泵的抽氣能力大小，應(yīng)根據(jù)處理鋼種、處理容量、處理時(shí)間、循環(huán)流量以及處理過程中的脫氣規(guī)律來(lái)確定。 RH法處理過程中的氣體析出速度是不同的，處理前期鋼液原始?xì)怏w含量較高，氣體析出量也較大。處理后期

9、的氣體析出量較小，因此，就不能采用固定的抽氣能力，而是要根據(jù)不同的真空度來(lái)確定。,18,100t鋼包RH年處理能力的估算,RH年處理能力的估算： 式中：P:年處理能力 :平均爐處理能力,100t :平均處理周期,36min :LDLFRHCC-RL的配合率,85 :RH作業(yè)率,85 :RH處理鋼水合格率,99.5% 萬(wàn)噸/年 估算結(jié)果:100鋼包RH估算其年處理能力為94.5萬(wàn)噸。,19,RH精煉的主要冶金功能,脫碳：目前使用的最主要的功能 脫氣：最初開發(fā)RH的目的是為了脫氣 脫硫脫磷：噴吹脫硫、脫磷劑 去夾雜：有利于夾雜物碰撞長(zhǎng)大 合金化：運(yùn)用多功能噴槍,20,RH精煉的主要冶金功能,21,

10、RH真空精煉的冶金功能,真空脫碳-碳氧平衡,碳氧平衡原理 在RH過程中，C、O反應(yīng)生成CO氣體，由于降低了氣相中CO的分壓使C和O的反應(yīng)向著生成CO氣體的方向進(jìn)行：,22,不同真空條件的碳氧平衡曲線,脫碳與脫氧的關(guān)系,23,RH脫碳時(shí)脫碳量與脫氧量的關(guān)系,通過降低系統(tǒng)壓力促使碳氧反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)脫碳或脫氧的目的是十分有效的手段。當(dāng)鋼液中含氧量降低某一數(shù)值O時(shí)，則含碳量也相應(yīng)降低一定數(shù)值，它們之間存在以下關(guān)系：,右圖顯示了RH脫碳時(shí)脫碳量與脫氧量 的關(guān)系,24,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

11、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：,25,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脫碳過程的體積傳質(zhì)系數(shù)k的影響,RH的體積傳質(zhì)系

12、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。 Koji YMAMGUCHI總結(jié)100t260tRH的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)提出以下關(guān)聯(lián)式：,脫碳影響因素的分析,插入管直徑對(duì)脫碳速度的影響 脫碳速度隨插入管內(nèi)徑的增大而增大。 循環(huán)量Q與插入管內(nèi)徑d4/3成正比。,26,不同插入管內(nèi)徑的脫碳曲線,氬氣流量對(duì)脫碳速度的影響 脫碳速度隨氬氣流量的增大而增大,27,28,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，

13、脫碳速度常數(shù)K = 0.1min-1。擴(kuò)大上升管直徑增加環(huán)流后，達(dá)到K= 0.15min-1。進(jìn)一步改進(jìn)吹A(chǔ)r方式使傳質(zhì)系數(shù) k值增大，K= 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K和吹A(chǔ)r

14、流量 對(duì)脫碳速度的影響,深脫碳處理,需要深脫碳的鋼種,指含碳量0.010%的鋼種。這類鋼種在轉(zhuǎn)爐中并不將C吹煉到最低極限，為了保留一定的殘余錳及金屬收得率，通常轉(zhuǎn)爐吹煉到C0.05左右即出鋼，出鋼時(shí)只進(jìn)行少量的錳合金化及極弱的脫氧,保持鋼水中自由氧在600ppm以上。這種處理的特點(diǎn)是在50mbar至200mbar壓力下，先進(jìn)行真空脫碳，最后在1.33mbar下完成成分調(diào)整及鋼水純凈化處理。此類鋼種處理前的先行處理通常是先行加鋁或先行升溫。當(dāng)鋼水氧含量不足，以致僅依靠自然脫碳不能使碳降到目標(biāo)值以下或者轉(zhuǎn)爐出鋼碳過高（0.06）時(shí)，則經(jīng)用頂槍吹氧進(jìn)行強(qiáng)制脫碳。當(dāng)脫碳到目標(biāo)值以下時(shí)，需加入微量元素（

15、如IF鋼需加Ti或V、Nb等）及最終調(diào)整化學(xué)微量元素含量。,29,深脫碳操作,30,RH脫碳在操作中需注意的幾個(gè)問題,要保持真空系統(tǒng)良好的密封性，確保處理過程中的真空度不變。 驅(qū)動(dòng)氣體是鋼液循環(huán)的動(dòng)力源，調(diào)節(jié)氣體流量必須由小到大，防止噴濺。 鋼水溫度控制。真空室各部位在處理前必須進(jìn)行充分烘烤，達(dá)到溫度要求，減少處理過程溫降。處理過程中通常每5分鐘測(cè)溫一次，以判斷溫降及鋼液循環(huán)情況。,31,RH脫碳后的增碳控制,應(yīng)用防止噴濺及電極加熱技術(shù)，盡可能使真空室不結(jié)瘤，控制脫碳過程中從真空室結(jié)瘤殘鋼的增碳； 在脫碳期加入冷卻廢鋼。由于真空處理過程中溫降較有規(guī)律，尤其是脫碳10分鐘以后溫降更顯規(guī)律性，因此

16、冷卻廢鋼最晚可在處理至10分鐘時(shí)加入； 首選碳含量盡可能低的合金。其次，根據(jù)冷卻廢鋼增碳的道理，采用在脫碳期加入合金的技術(shù)，以防止合金增碳的發(fā)生。,32,33,脫 硫,對(duì)鋁脫氧鋼水，脫硫反應(yīng)為： 3(CaO) + 2Al + 3S = (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)（SP）： 當(dāng)（SP）= 0.1時(shí)，渣鋼間硫的分配比最大（400600）。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(%

17、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,RH脫硫?qū)嶋H操作中需討論的問題,脫硫劑的選擇 選擇CaO-CaF2脫硫率最高 CaO與CaF2比例以6：4為宜,34,不同CaO系渣的Cs,對(duì)鋼包渣的要求 加拿大某鋼廠的RH脫硫數(shù)據(jù)顯示 鋼包渣中氧勢(shì)越高，硫分配比越低,35,鋼水回硫量隨鋼渣氧勢(shì)的升高而增大,36,37,鋼渣中FeO+Mn

18、O應(yīng)5% (對(duì)于非鋁脫氧鋼要求更低) 爐渣應(yīng)有較合理成份,脫硫時(shí)機(jī)的選擇 鋼中O越高，則脫硫效率越低。因此，脫硫的時(shí)機(jī)應(yīng)選擇在： 鋼水脫氧后 鋼水進(jìn)行合金化后 脫硫劑消耗對(duì)脫硫率的影響 國(guó)內(nèi)某鋼廠的數(shù)據(jù)顯示，脫硫率隨脫硫劑消耗的上升而提高，最高脫硫率達(dá)83.3%，最低S為0.001%。但超過6kg/t時(shí)，無(wú)助于脫硫。,38,39,鋼水溫度對(duì)脫硫率的影響 國(guó)內(nèi)某鋼廠的數(shù)據(jù)顯示，脫硫率隨RH處理鋼水溫度的上升而提高。,40,RH脫硫需要注意的問題 鋼液溫度損失。當(dāng)添加1.5kg/t.鋼脫硫劑時(shí)，溫度降低5 鋼中Al的損失。脫硫過程產(chǎn)生的氧又氧化部分鋁。每添加1.5kg/t.鋼脫硫劑需補(bǔ)鋁丸0.25

19、kg/t.鋼 對(duì)耐材侵蝕速度加快，平均達(dá)到每爐1.11mm。,41,RH脫硫的效果,國(guó)內(nèi)某廠利用此工藝生產(chǎn)高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼，使成品S穩(wěn)定保持在 10ppm。 加拿大某廠經(jīng)RH脫硫后的S含量平均達(dá)10ppm。,42,新日鐵某廠利用RH-PB工藝生產(chǎn)超低硫鋼，脫硫劑采用1：1 CaO-CaF2，脫硫劑添加速度max300kg/min，氬氣流量1666.7 NL/min，處理20min，可使S由2030 ppm降至5ppm。 新日鐵另一鋼廠采用RH-噴吹法，采用6：4 CaO-CaF2+1015%MgO，添加速度100kg/min，氬氣量max3500NL/min，處理20min，使S由2057pp

20、m降至5ppm。,43,RH精煉中噴粉脫硫動(dòng)力學(xué)模型,脫硫反應(yīng)包括如下步驟：（1）硫從鋼液內(nèi)部對(duì)流擴(kuò)散到鋼液；（2）石灰粉粒渣滴界面在鋼液石灰粉粒渣滴界面發(fā)生脫硫反應(yīng)；（3）脫硫產(chǎn)物離開鋼液石灰粉粒渣滴界面, 向粉粒渣滴內(nèi)部擴(kuò)散。 模型假設(shè)：設(shè)體系內(nèi)鋼液處于充分混合狀態(tài), 噴入的粉粒呈液態(tài)均勻彌散懸浮于鋼液內(nèi)部；脫硫反應(yīng)僅發(fā)生在鋼液石灰粉粒渣滴界面, 鋼中去除的硫全部為粉粒吸收；噴粉脫硫前鋼液已充分脫氧, 氧位足夠低；同時(shí)考慮鋼液側(cè)和粉粒側(cè)渣側(cè)傳質(zhì)阻力；不考慮處理過程中粉粒的聚集及鋼液的溫降, 把鋼、渣密度和粘度視作常數(shù)。 總的脫硫率為： 確定模型參數(shù),44,脫硫模型預(yù)測(cè)結(jié)果,45,脫 磷,將

21、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)P2010-6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)果繪出左下圖。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。如右下圖所示，上浮粉劑顆粒中P2O5含量接近3CaOP2O5或4CaOP2O5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

22、脫磷效果比較,46,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OT1010-6。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(guān)系,47,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：

23、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(dá)式描述： N = N0exp（-D） 式中：D為夾雜物的半徑；N為夾雜物的數(shù)量（l/kg）；為常數(shù)。 鋼水氧含量的變化表達(dá)式如下：,RH精煉過程中TO的行為,ko和攪拌能量的關(guān)系,RH精煉裝置內(nèi)夾雜物行為,從圖a 可以看出：RH精煉過程夾雜物去除主要發(fā)生在前12min，RH處理12分鐘絕大多數(shù)夾雜物可以去除； 從圖b可以看出：較大提升氣體流量的去除夾雜的效果要好于較小的提升氣體流量。,48,b.夾雜物去除率與氣體流量的關(guān)系,a.夾雜物去除率隨時(shí)間的變化,RH處理過程中鋼中氧含量預(yù)

24、測(cè),前12分鐘將氧含量迅速下降， 渣中FeO + MnO 含量越高，鋼液中氧含量也越高； 由預(yù)測(cè)公式分析, 在吹氬流量、浸滯管直徑不變的條件下, 影響處理過程中鋼中總氧含量的因素有: 純脫氣處理時(shí)間、渣中FeO + MnO 含量、鋼包內(nèi)襯材質(zhì)。,49,氧含量預(yù)測(cè)公式：,氧含量隨處理時(shí)間的變化,預(yù)測(cè)氧含量與實(shí)測(cè)值對(duì)比,RH脫氧后的純攪拌脫氣時(shí)間須多于7min,50,美國(guó)內(nèi)陸鋼鐵公司生產(chǎn)超深沖鋼RH后攪拌脫氣時(shí)間與TO量的關(guān)系,51,NK-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(shù)原理是：首 先將可熔氣體

25、（如N2、H2）強(qiáng)行熔解 到鋼水中，然后進(jìn)行真空精煉，再降 壓過程中過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250t RH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)CaOAl2O3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,52,脫 氫,RH脫氫效率很高，處理脫氧鋼水，脫氫效 率H65%；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

26、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20002500Nl/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,RH脫氫處理工藝,以X60鋼種為例，這種處理是在1.33mbar壓力下對(duì)脫氧鋼水所進(jìn)行的處理。通過脫氫處理同時(shí)可使鋼水中TO降低至20ppm以下以得到純凈度

27、極高的鋼水。脫氫處理的要點(diǎn)是使鋼水在1.33mbar以下保持10min以上。該類鋼種由于合金元素含量較高添加鐵合金及最終脫氧的時(shí)間需3-5min。,53,RH脫氫操作,54,55,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,RH輕處理或中間處理,輕

28、處理是在80200mbar壓力下對(duì)0.01C0.05這一類低碳、半低碳鋼的處理方法。此類鋼轉(zhuǎn)爐出鋼碳通常在0.050.06，出鋼時(shí)用高碳錳鐵進(jìn)行弱脫氮，由于轉(zhuǎn)爐出鋼碳無(wú)需降低0.05以下，因此停吹時(shí)殘余錳可稍高，從而節(jié)約了錳鐵，鋼水不致過度氧化而確保較好高的金屬收得率。通過真空脫碳，鋼中碳、氧同時(shí)降低因而可得到較純凈的鋼，而且最終脫氧用鋁可降低1kg/t鋼以下。總之，輕處理的目的是減輕轉(zhuǎn)爐負(fù)擔(dān)，降低生產(chǎn)成本，提高鋼水質(zhì)量。 中間處理是指X60以下管線鋼，及部分焊接高強(qiáng)度鋼所進(jìn)行的一種處理，在RH能力有余時(shí)也可對(duì)一般鋼種進(jìn)行處理。中間處理的目的是提高鋼的質(zhì)量，為連鑄順利開澆創(chuàng)造條件，中間處理是在

29、壓力小于50mbar的情況下進(jìn)行的一種處理,56,57,RH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=10010-6時(shí)，N20%；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,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,RH精煉的多功能化,RH-OB：高效脫碳

30、，升溫 RH-KTB：升溫 RH-MFB：多功能噴嘴 RH-PB：噴粉脫硫、脫磷 RH-IJ：吹氣、噴粉 RH-PTB：噴粉脫硫、脫磷 REDA（單嘴精煉）：增大循環(huán)流量,58,RH的改進(jìn)形式,60,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/kgAl 160tRH采用OB法升溫工藝，供O2強(qiáng)度為1100Nm3/h。采用普通RH處理，精煉過程溫降8090；采用OB法工藝吹氧20min，耗Al 1.7kg/t，處理過程基本不降溫；吹氧40min，耗Al 4kg/t，處理后鋼水溫度可提高50。 為避免OB法升溫過

31、程 中鋼中C、Si、Mn的燒損， 要求嚴(yán)格控制Als0.05%。 處理過程中保持Als0.05%， 可保證O6010-6。若OB 升溫后，延長(zhǎng)攪拌時(shí)間25min， 可保證O3010-6。,吹氧過程、加鋁量對(duì)RH-OB升溫效果的影響,61,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%。

32、在脫碳過程中實(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?與傳統(tǒng)RH相比KTB熱補(bǔ)償所帶來(lái)的溫降減少值,采用KTB技術(shù)進(jìn)行熱補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵是通過精確控制吹氧量和吹氧時(shí)間，避免鋼水過氧化，保證吹氧結(jié)束后鋼水O75010-6。在此基礎(chǔ)上，通過自然脫碳使脫碳結(jié)束后鋼水O20010-6，可以保證精煉鋼水具有良好的潔凈度。,RH-MFB精煉過程鋼水溫度預(yù)測(cè),從圖a可以看出RH-MFB精煉過程中熱量傳遞通過以下三種途徑完成:(a)碳氧反應(yīng)，產(chǎn)生氣體帶走熱量；(b)鋼水循環(huán)流動(dòng)，溫度混勻;(c)通過耐材散熱。 預(yù)測(cè)模型與實(shí)測(cè)溫度相比平均誤差只有3.4，可以通過預(yù)

33、測(cè)模型指導(dǎo)RH-MFB精煉過程的溫度補(bǔ)償。,62,a. RH-MFB精煉過程鋼水傳熱過程,b. RH-MFB精煉過程溫度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值,加鋁、吹氧對(duì)RH-MFB的溫度補(bǔ)償,如圖a所示：對(duì)于300t的鋼包，每加入300kg鋁可以減少溫降22-24； 如圖b所示：對(duì)于300t的鋼包，每吹入300m3氧氣可以減少溫降10左右；,63,a.加 鋁量與鋼水降溫關(guān)系,b. 吹氧量鋼水傳熱過程,盡量減少RH處理過程的加鋁吹氧提溫,64,危害：,增加Al2O3夾雜物量； 增加RH處理時(shí)間，影響與連鑄的匹配。,美國(guó)內(nèi)陸鋼鐵公司生產(chǎn)超深沖鋼RH的吹氧提溫率 由過去的35減少到目前的10左右。,措施：,嚴(yán)格控制前工

34、序碳、氧、溫度； 前期OB強(qiáng)制脫碳(內(nèi)陸鋼鐵方法)； 工藝控制模型； 爐氣在線分析、動(dòng)態(tài)控制。,冷卻材及加低錳對(duì)RH-MFB的溫度調(diào)節(jié),RH精煉初期鋼水溫度較高時(shí)，需要加入一定的廢鋼使鋼水溫度符合要求，如圖a所示對(duì)于300t的鋼包，冷卻效果為每噸冷卻材降溫7左右； 如圖b所示對(duì)于300t的鋼包，低錳的加入量為400-500kg，鋼水降溫不超過0.8。,65,a.加 冷卻材量與鋼水降溫關(guān)系,b. 加低錳量鋼水傳熱過程,鋼水降溫量/ ,真空室內(nèi)壁初溫對(duì)鋼水溫度影響,如上圖可知，真空室預(yù)熱溫度對(duì)鋼水溫降影響較大。真空室預(yù)熱溫度從700 上升到1300 ，真空室預(yù)熱溫度每提高100 ，鋼水平均溫度上升

35、6 。,66,單嘴爐的發(fā)展,第一座單嘴爐在1976年由北京科技大學(xué)張鑒教授開發(fā)，在大連鋼廠進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。 1992年北京科技大學(xué)成國(guó)光等人在長(zhǎng)城特鋼，應(yīng)用單嘴精煉爐冶煉軸承鋼，進(jìn)一步完善了單嘴精煉爐生產(chǎn)工藝。 1999年日本八幡鋼鐵廠開發(fā)了REDA (Revolutionary degassing activator)單嘴精煉爐如右圖，并取得了較好的工業(yè)效果。,67,REDA單嘴精煉爐示意圖,單嘴精煉爐工作原理,單嘴精煉爐把RH 的上升管與下降管合二為一改為直筒狀吸嘴，并采用鋼包底部偏心吹氣方式，如右圖所示。 單嘴精煉爐采用偏心鋼包底部吹氣，偏心吹入的氣體的上升驅(qū)動(dòng)力主要是浮力，同時(shí)上升氣泡還

36、受到了真空室負(fù)壓的抽引作用。由于偏心吹氣的原因，在氣液兩相區(qū)附近充滿了大量氣體，使得兩相區(qū)內(nèi)的密度遠(yuǎn)小于鋼液密度。主要因這兩種驅(qū)動(dòng)力的作用，以及氣液兩相區(qū)密度較小，使得鋼液隨吹入氣體與上浮氣泡作上升運(yùn)動(dòng)至真空室內(nèi)自由表面處，這樣就形成了上升流股。鋼液上升到真空室內(nèi)液體表面處，由于受到后繼流股的作用，會(huì)沿鋼液表面向遠(yuǎn)離兩相區(qū)方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)鋼液內(nèi)氣體含量不斷減小（受真空泵抽真空的影響）液體密度變大，由于受自身重力的作用向下流動(dòng)，到達(dá)鋼包底部附近補(bǔ)充了被上升流股帶走的鋼液，這樣就形成了下降流股。,68,單嘴精煉爐示意圖,武鋼單嘴爐精煉效果,武鋼三煉鋼單嘴精煉爐如圖a所示，圖b為脫碳效果，可以看出單嘴

37、精煉爐的脫碳效果是較好的，混勻時(shí)間較短，脫碳速度較快，最終碳含量為17ppm。,69,a. 武鋼三煉鋼單嘴精煉爐,b.武鋼三煉鋼單嘴精煉爐脫碳效果,日本REDA單嘴爐精煉效果,日本八幡廠 對(duì)175t REDA 進(jìn)行了大量的工業(yè)規(guī)模試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：進(jìn)行了20多min的精煉處理后，碳含量已經(jīng)低于10ppm； 日本八幡把由350t DH 改造成REDA，并對(duì)REDA 進(jìn)行了規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在真空泵抽氣能力為1600kg/h 與真空度為1torr 條件下，處理30分鐘后的鋼中碳含量為3ppm。,70,175t REDA 工業(yè)條件脫碳結(jié)果,350t REDA 的脫碳性能,單嘴精煉爐與RH對(duì)比,由

38、上圖可以看出單嘴精煉爐與RH 有如下區(qū)別： 單嘴精煉爐把RH 的上升管與下降管合并為單一的圓筒狀吸嘴； 單嘴精煉爐采用偏心爐底吹氣，使鋼液在鋼包內(nèi)和單嘴內(nèi)形成循環(huán)； 單嘴精煉爐選取鋼包底部吹A(chǔ)r，RH 在上升管內(nèi)吹A(chǔ)r。,71,單嘴爐與RH裝置對(duì)比,單嘴爐與RH吹氣方式對(duì)比,混勻時(shí)間的比較,可以明顯看出單嘴精煉爐內(nèi)的鋼液循環(huán)速率高于RH，說明在單嘴精煉爐內(nèi)的鋼液攪拌情況要比RH 中強(qiáng)烈的多，原因可能因?yàn)閿嚢铓怏w是從較深位置吹入的，所以氣體流股的上升路徑較長(zhǎng)，還有就是由氣泡浮力產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)能量能直接作用于鋼包內(nèi)的液體。,72,RH精煉鋼包內(nèi)鋼液流場(chǎng)分布,73,數(shù)值模擬流暢分布,物理模擬流暢分布,鋼

39、液從下落管以較大流速流向包底，在左右分別形成兩個(gè)循環(huán)流。,74,RH高效化生產(chǎn)的裝備技術(shù),C10-6,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305010-6降低到3010-6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

40、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。,利用旋流提高RH精煉效率,李寶寬等人利用水模型試驗(yàn)研究在上升管中使用軸流式和六片平直葉片式葉輪，產(chǎn)生旋流對(duì)提高RH精煉效率的作用,75,水模型實(shí)驗(yàn)研究表明:在RH裝置上升管中施加旋流，無(wú)論是采用六片平直式葉輪還是軸流式葉輪，均可增加系統(tǒng)的循環(huán)流量.但當(dāng)輸人功率相同時(shí)，軸流式葉輪要比六片平直葉式葉輪產(chǎn)生旋流后的系統(tǒng)循環(huán)流量大.,旋流對(duì)氣泡分布的影響,76,可視化觀察表明:沒有施加旋流時(shí)，氣泡主要貼近上升管壁面上浮，因而管壁側(cè)填充氣泡空位的液體缺乏.當(dāng)施加旋流時(shí)，氣泡被推移至上升管的中心線附近，因而氣泡流過的空位四周均為液體，能充分填充空

41、位，有助于系統(tǒng)循環(huán)流量提高。,77,RH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(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180爐。,78,近幾年國(guó)外RH的主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo),日

42、本RH冶煉效果,RH控制模型,RH模型是建立在RH真空精煉冶金機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)，采用先進(jìn)的算法開發(fā)的成套過程控制模型。RH模型包括： 1.靜態(tài)脫碳模型; 2.動(dòng)態(tài)脫碳模型; 3.溫度推定模型; 4.合金最小成本及成分預(yù)報(bào)模型。,80,靜態(tài)脫碳模型,靜態(tài)脫碳模型的主要功能是預(yù)測(cè)處理過程中隨真空度的逐步下降，鋼液中碳含量和游離氧含量的變化規(guī)律。 靜態(tài)脫碳模型由預(yù)報(bào)模塊和推定模塊組成。預(yù)報(bào)模塊根據(jù)每一爐處理開始獲得的初始碳、游離氧含量、鋼液溫度和真空排氣模式等信息，在處理初期即給操作人員提供為達(dá)到一定目標(biāo)碳含量所必須的處理時(shí)間和吹氧操作等綜合指導(dǎo)信息；推定模塊是在得到鋼水基本信息和

43、操作量信息(如吹氧量、鋁材投人量等)以后，推算處理結(jié)束時(shí)的碳含量和游離氧含量。兩個(gè)模塊的綜合使用能夠逐漸優(yōu)化RH的操作工藝。 靜態(tài)脫碳模型是從冶金學(xué)碳氧平衡原理出發(fā)，在一定的假設(shè)基礎(chǔ)上建立的模型。RH真空脫碳是鋼液中的碳和游離氧反應(yīng)的過程，在真空度和溫度一定的情況下，如果脫碳反應(yīng)達(dá)到平衡，碳含量和游離氧含量的乘積為一常數(shù)；同時(shí)假定參與脫碳反應(yīng)的氧的固定百分比來(lái)自于鋼液，而其他部分來(lái)自于鋼渣中金屬氧化物的被還原，則鋼液中碳和游離氧含量的下降遵從特定的比例關(guān)系，由以上兩個(gè)規(guī)律綜合可以求得平衡碳和平衡氧含量。,81,靜態(tài)脫碳模型,Y.Kita模型 在此模型中假設(shè)RH處理時(shí)脫碳反應(yīng)發(fā)生在三個(gè)地點(diǎn)：氬氣

44、表面；CO氣泡表面；鋼液自由表面。該模型認(rèn)為CO氣體表面的脫碳量相對(duì)與其他位置是很小的，可以忽略不計(jì)，所以只考慮其他兩處的脫碳。 1）氬氣泡表面的脫碳。在這種情況下，假設(shè)所有氬氣泡都是球狀，隨著鋼液循環(huán)而上浮，并且都參加脫碳反應(yīng)。在這里認(rèn)為氧的傳質(zhì)是非限制環(huán)節(jié)。 2）真空室內(nèi)鋼液自由表面的脫碳。 速率表達(dá)式為： 預(yù)測(cè)結(jié)果如右圖所示,82,實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較,靜態(tài)脫碳模型,村建一郎模型 通過對(duì)RH脫碳反應(yīng)各部位： 1）真空室內(nèi)鋼液表面； 2）氬氣泡； 3）真空室內(nèi)鋼液本體的脫碳速度的分析，定量估算其總脫碳量。 在實(shí)際的RH操作條件下，鋼液中O通常較C高，所以，不認(rèn)為鋼中氧的傳質(zhì)為限制環(huán)節(jié)。因此

45、脫碳速度是由鋼中碳的傳質(zhì)、氣象界面化學(xué)反應(yīng)和氣相內(nèi)傳質(zhì)等綜合因素來(lái)限制。 Koji Yamaguchi模型 該模型進(jìn)行了一定的假設(shè)： 鋼包和真空室中的鋼液完全混合； 脫碳反應(yīng)只在真空室中進(jìn)行； 氣液界面的碳、氧濃度和真空室中的CO分壓保持平衡；脫碳反應(yīng)速率由碳、氧傳質(zhì)限制；脫碳機(jī)理如右圖所示。,83,脫碳反應(yīng)機(jī)理示意圖,脫碳數(shù)學(xué)模型模擬結(jié)果,84,RH精煉動(dòng)態(tài)脫碳模型,動(dòng)態(tài)脫碳模型主要功能是根據(jù)廢氣中CO，CO2 等氣體的在線分析值、初始碳分析值和廢氣流量，實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)鋼水中碳含量。,85,動(dòng)態(tài)脫碳模型是基于分析碳及抽真空產(chǎn)生的廢氣信息，結(jié)合自適應(yīng)控制技術(shù)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)鋼水碳含量的模型。該模型可以大大提高如質(zhì)譜儀、紅外分析儀等設(shè)備的利用率和實(shí)際效果 模型在畫面上實(shí)時(shí)顯示真空脫碳過程的許多相關(guān)信息，并在畫面上動(dòng)態(tài)演示整個(gè)過程。為操作人員