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RH多功能真空精炼工艺与装备技术的发展与瞻望

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1 RH真空精炼工艺与装备技术的发展 刘 浏 钢铁研究总院

摘 要 本文全面地总结了近二十年RH多功能精炼技术的发展，指出RH多功能化应主要包括深脱碳，脱气，脱硫、脱磷，脱氧去除夹杂物和进行热补偿等五大功能，并提出研究开发多功能氧枪，将吹氧、喷粉和烘烤加热等技术集为一体是实现RH多功能化的技术关键。在此基础上，进一步阐述了RH在设备高效化、长寿化和终点控制智能化等方面的技术进步，分析提出采用多功能RH冶炼IF深冲钢、超低硫管线钢、高合金钢和超纯净电工钢的精炼工艺及其冶金效果。 关键词 二次精炼、RH、喷粉、热补偿、洁净钢

1．RH的发展历史 RH精炼技术是1959年德国Rheinstahl和Hutlenwerke公司联合开发成功的。RH将真空精炼与钢水循环流动结合起来，具有处理周期短，生产能力大，精炼效果好等优点，适合冶炼周期短，生产能力大的转炉工厂采用。 RH发展到今天，大体分为三个发展阶段： （1）发展阶段（1968年~1980年）：RH装备技术在全世界广泛采用。根据1976年统计，世界上共计投入生产的RH设备有448台。随着转炉大型化的发展，RH也实现了大型化，世界上最大的RH精炼设备为360吨[1]。 （2）多功能RH精炼技术的确立（1980年~2000年）：这一时期RH的技术发展趋势主要是：  优化RH的工艺设备参数，扩大处理能力；  开发多功能的RH精炼工艺和装备，使RH具有脱硫、脱磷等功能；  开发RH热补偿和升温技术；  完善RH氢处理工艺，实现全部钢水进RH真空处理。 经过这一时期，RH技术几乎达到尽善尽美的地步，表1总结了这一时期RH的技术进步。 表1 RH工艺技术的进步 工艺指标 钢水纯净度/×10-6 钢水温度 脱碳速度常数 温度波动 2

C S T.O P N H 补偿量/℃ Kc/min-1 ℃ 技术水平 ≤20 ≤10 ≤15 ≤20 ≤20 ≤1.0 26.3 0.35 ≤±5 文 献 [2] [4] [8] [5] [3] [6] [7] 日本在这一时期对RH的技术发展作出重要贡献，先后开发出RH-OB法、RH-PB法和KTB法等著名新工艺。 （3）极低碳钢的冶炼技术（2000年~ ）：为了解决极低碳钢（[C]≤10×10-6）精炼的技术难题，需要进一步克服钢水的静压力，以提高熔池脱碳速度。为了实现这一目标，日本川崎公司采用喷吹氢气向钢水增氢，进而利用真空脱氢产生的微气泡提高脱碳的反应面积，达到深脱碳的目标[8]。日本新日铁公司研究开发的REDA工艺采用浸渍罩代替浸渍管进行真空处理，使钢水的循环流量大幅度提高，解决了极低碳钢的精炼难题[9]。采用上述两种工艺，RH可以生产[C]=3×10-6的极低碳钢。 2．RH多功能精炼工艺技术 2.1 真空脱碳 RH内的脱碳速度主要决定于钢液中碳的扩散。低碳区碳的传质是反应速度的限制性环节：

LcLCkdtdC （1）

)exp(tkCCcLL （2）

)(min)/1/1(601cckQwk （3） kc为RH的表观脱碳速度常数，kc主要决定于RH内钢水循环流量Q和体积传质系数k。 RH钢水循环流量Q = 钢水循环流速×上升管截面积，根据前人对RH钢水循环流量的测定结果表明：  增加吹氩流量Qg使RH的循环流量增大[10]；

 扩大上升管直径使循环流量Q增大[11]，如加

藤等人证明，采用一只上升管两只下降管，循环流量可提高1.5倍[12]。100tRH采用300×56mm的椭圆形插入管代替300mm的圆形管，使循环流量从34t/min提高到79t/min[13]； 图1 循环流量Q的计算值与实测值的比较 3

 增加浸入管的插入深度也会使循环流量变大。 总结以上研究，RH内钢水的循环流量可以表示为（如图1所示[13]）： 3/13/43/1HDQKQuG （4）

RH精炼中发生的各种化学反应的反应速度决定于金属侧各元素的传质系数，根据Shigeru的研究证明[14]，在整个RH精炼过程中各元素的传质系数基本保持不变，但反应界面积随时间发生明显变化。随精炼时间延长，脱碳反应减弱，CO提供的反应界面减小。RH精炼过程中的反应界面主要为：氩气泡表面、CO气泡表面、耐火材料表面、飞溅液滴表面和自由金属表面，因此，精确反应界面积很困难。为了方便描述各种反应速度，常采用体积传质系数k（=传质系数×反应界面积）。RH的体积传质系数与以下因素有关：  k和钢水碳含量成正比，如图2所示[14]；  增加钢水的循环流量Q也会使k值提高[15]；  改变吹氩方式也利于提高k值：如在300tRH的真空室底部增设8支2mm吹Ar管吹氩（QA=800Nl/min），使k值提高[14]。 Koji YMAMGUCHI总结100t~260tRH的实际生产数据提出以下关联式[15]： 48.117.132.0VVCQAk （5） 根据上述研究提高RH的脱碳速度的工艺措施是： （1）提高循环流量和体积传质系数。如图3所示[16]，千叶厂RH最初的工况，kc = 0.1min-1。扩大上升管直径增加环流后，达到kc = 0.15min-1。进一步改进吹Ar方式使k值增大，kc = 0.2min-1。

图2 钢水含碳量和吹Ar方式对RH脱碳过程的体积传质系数k的影响 4

图3 RH钢水循环流量Q和体积传质系数k 图4 RH抽气速度R和吹Ar流量

对脱碳速度的影响 对脱碳速度的影响 （2）提高抽气速率。定义RH真空系统的抽气速度常数R：R=-ln(/0)/t (min-1)，如图4所示[17]。当R=0.3min-1、QG=1500Nl/min变化到R=0.54min-1、QG=1000Nl/min时，使240tRH的脱碳速度常数kc从0.12min-1提高到0.18min-1。 （3）吹氧。如图5所示，采用KTB顶吹氧工艺，提高了RH前期脱碳速度，使表观脱碳速度常数kc从0.21min-1提高到0.35min-1。 （4）改变吹Ar方式。实验证明，在RH真空室的下部吹入大约1/4的氩气，可使RH的脱碳速度提高大约2倍[14]。 2.2 脱硫与脱磷 传统RH的精炼功能主要包括脱碳和脱气，采用PB喷粉工艺后可在RH内进行渣—钢反应，达到脱硫、脱磷的目的。由于RH在真空下进行渣—钢反应可以避免钢包渣对钢水的污染，有利于脱磷、脱硫反应。 2.2.1 脱硫 对铝脱氧钢水，脱硫反应为： 3(CaO) + 2[Al] + 3[S] = (Al2O3) + 3(CaS) （6） 钢水脱硫效率主要决定于钢中铝含量和炉渣指数（S·P）：

CaOsatOAlaSaPS)/(%)(3/132 （7）

当（S·P）= 0.1时，渣—钢间硫的分配比最大（400~600）。因此，脱硫渣的最佳组成是：60%(CaO)+25%(Al2O3)+10%(SiO2)[18]。RH喷粉通常采用CaO+CaF2系脱硫剂，该种粉剂的

图5 KTB法与普通RH脱 碳速度的比较[7] 5

脱硫分配比可按正式计算[19]： La = (%S)/[%S] = 1260-25(%Al2O3) – 75(%SiO2)±250 （8） 钢水脱硫速度为：}][%]{[%][%esSSkVAdtSd，根据高桥等人的测定[20]：ks = 0.27m/min。 采用RH喷粉脱硫的主要优点是： （1）脱硫效率高，如图6所示[21]，对于初始[%S]为20~30×10-6的钢水采用CaO+CaF2

粉剂喷粉脱硫，粉剂消耗为5~6kg/t钢，RH的脱硫效率平均可以达到80%。当喷粉量达到7kg/t

钢时，平均脱硫率可达到85%，终点硫含量≤3×10-6。

图6 粉剂消耗量与脱硫效率的关系

（2）顶渣影响小，因顶渣被浸渍管排开，与钢水间的传质速度大幅度降低。如图7所示，渣中(FeO)+(MnO)含量变化对钢包喷粉脱硫影响极大，但对RH基本没有影响[22]。 2.2.2 脱磷 将RH吹氧工艺与喷粉工艺相结合可以实现RH脱磷。在RH吹氧脱碳期同时喷吹石灰粉可以达到理想的脱磷效果。如日本新日铁名古屋厂230tRH采用OB/PB工艺，可生产[P]≤20×10-6的超低磷钢。 图8给出粉剂配比和真空度对炉渣脱磷能力的影响。粉剂中(%CaO)≈20%时，炉渣脱磷能力最强。提高真空度使炉渣脱磷能力略有提高[5]。图9是根据RH-PB处理中取出的粉剂颗粒，经X光衍射分析的结果绘出。由于RH喷粉避免了顶渣的影响，延长了粉剂与钢水直接反应的时间，使脱磷效率提高。如图所示，上浮粉剂颗粒中P2O5含量接近3CaO·P2O5或4CaO·P2O5

的理论极限。远高于铁水预处理或转炉脱磷效率[5]。

RH喷粉 钢包喷粉

图7 渣中FeO+MnO含量对渣—钢间硫的分配比的影响 6

图8 粉剂配比和真空度对 图9 RH-PB工艺中粉剂颗粒 炉渣脱磷能力的影响 的脱磷效果比较 2.3 脱氧与夹杂物上浮 RH精炼通常采用铝脱氧工艺，生成的脱氧夹杂物大多为细小的Al2O3夹杂，如图10所示[23]。RH精炼过程中钢水氧含量的变化可以表示为：

outTinTTdtOddtOddt

Od][][][ （9）

式中：inTdtOd][为钢水吸氧量，主要来自炉渣传氧、卷渣、耐火材料供氧和空气二次氧化。

outTdt

Od][为RH精炼过程中上浮排除的氧化物夹杂。

图10 RH处理钢水中夹杂物的形貌和成份

RH精炼中，炉渣传氧决定于渣中(%FeO)+(%MnO)含量。由于RH有效地避免了卷渣，顶

渣对钢水的氧化大为减弱。如图11所示，RH的表观脱氧速度常数)/][][ln(tOOkittTo比钢包

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RH炉外精炼技术

RH炉外精炼技术


再 见
RH2O 真空吹氧技术
• 1969 年德国蒂森钢铁公司亨利希钢厂开发了
RH2O 技术[ 8 ] ,首次用钢质水冷氧枪从真空室顶 部向真空室内循环着的钢水表面吹氧以强化脱碳 冶炼低碳不锈钢,既缩短了冶炼周期又降低了脱碳 过程中铬的氧化损失。但在工业生产中RH2O 技 术暴露出以下问题:氧枪结瘤严重,因氧枪动密封不 良而使氧枪枪位无法调整。这些问题一时无法解 决,而当时VOD 精炼技术能较好地满足不锈钢生产 的要求,所以RH2O 技术未能得到广泛运用。
RH2KTB 真空吹氧技术
• 1986 年日本原川崎钢铁公司(现已和N KK重组为J EE 公司) 在传统的
RH 基础上,成功地开发了RH 顶吹氧(RH2KTB) 技术,将RH 技术的发展推 向一个新阶段。RH 装置上采用KTB技术[ 10 ] ,在脱碳反应受氧气供给 速率支配的沸腾处理前半期,向真空槽内的钢水液面吹入氧气,增大氧气Biblioteka RH生产超低碳钢的工艺和设备
马钢的RH 主要用来生产终点w (C) < 80 ×
10 - 6 的IF 钢、无取向电工钢和冷轧深冲板等超低 碳钢种。采用的生产工艺流程为:铁水预处理→ 顶底复吹转炉→RH →(L F) →CSP 连铸连轧。对 于低碳钢RH 采用轻处理工艺,转炉不脱氧出 钢。 RH 处理容量为105～130 t ,上升管内径为 500 mm ,下降管内径为500 mm ,提升气体为氩 气,采用12 个喷嘴分两层供气,最大氩气流量为
RH炉外精炼技术
09郑韩超 11 谢重燊 28 刘青雨 29 韩志超 30刘强 32高飞
RH精炼技术的开发与应用
RH 真空循环脱气是介于炼钢与连铸之间 的一个钢水精炼设备, 其作用是提高钢水质 量, 满足大批量生产IF 钢等高难度、高附加 值产品的需要; 主要功能有脱碳、脱氧、脱 气、脱硫、合金化成分调整、温度调整等 。其中钢水温度的有效控制是保证连铸工 序顺畅的关键因素之一。
真空冶金的工艺特点和发展历史及现状

真空冶金的工艺特点和发展历史及现状

1真空冶金的特点：真空冶金使在常压下进行的物理化学反应条件发生了变化，主要体现在气相压力的降低上。

根据熔体中H 的溶解度与其分压的平方根关系：式中：S 为金属熔体中的气体溶解度； P 为金属与气体接触处的气体分压；K 为比例常数，与金属、气体及温度条件有关。

真空冶金具备以下特点：1. 1真空下气体压力低，对一切增容反应(增加容积的物理过程或化学过程)都有有利的影响。

这类过程很多，如:①物质的气化M 凝聚态→M 气态金属的气化、蒸发，在真空中物质的沸点降低。

②氧化物MO 被还原剂还原R+MO 凝聚态→M 凝聚态+RO 气态金属氧化物还原成固态或液态金属。

③ R+MO 凝聚态→M 气态+RO 气态金属氧化物还原成气态金属。

④溶解了气体G 的金属放出气体 G 金属→G 气态。

⑤金属与气体生成的化合物分解放出气体MG →G 气态+M ，金属化合物热分解。

真空对这些过程都有利，既加快了反应进行的速度或是降低反应进行的温度。

1. 2真空中气体稀薄，很少有气体参加反应。

金属在真空中溶化时不会溶解气体；金属在真空中加热到较高温度时不会氧化，无论金属呈固体或液体都极少在真空中氧化；气体遵循理想气体方程。

1. 3真空系统是一个较为密闭的体系，与大气基本隔开，只经过管道和泵将真空系统中的残余气体送入大气，大气不能经泵进入真空系统，系统内外的物质流动完全在控制之下。

1. 4若过程需要较高的温度(大于真空室壁材料的软化温度)，则加热系统要用电在炉内加热，因而真空系统没有燃料燃烧所带来的问题。

如含SO2气体的排放、收尘、对环境的污染等问题。

1. 5金属或氧化物在真空中形成气体之后，气体分子很小或很分散。

在真空中多原子分子倾向于分解成较少原子组成的分子，形成的气体分子很小，粒径一般在10-10m 。

1920年，真空感应炉原始雏形问世，但由于真空技术落后，发展缓慢；二战后，真空技术进步很快，1945年美国建成第一台周期式真空感应炉，用于生产镍铬合金及特殊钢；1945年第一台真空电子束炉研究成功；用于工业生产的第一台工业用真空电弧重熔炉于1955年投产，用于熔炼金属钛；1958年美国伊普森公式制造出第一台真空热处理炉用于高速钢工件淬火，揭开了真空冶金的序幕。

炉外精炼-RH

炉外精炼-RH

炉外精炼的基本原理：（1）吹氩的基本原理：氩气是一种惰性气体，从钢包底部吹入钢液中，形成大量小气泡，其气泡对钢液中的有害气体来说，相当于一个真空室，使钢中[H][N]进入气泡，使其含量降低，并可进一步除去钢中的[O]，同时，氩气气泡在钢液中上沲而引起钢液强烈搅拌，提供了气相成核和夹杂物颗粒碰撞的机会，有利于气体和夹杂物的排除，并使钢液的温度和成分均匀。

（2）真空脱气的原理：钢中气体的溶解度与金属液上该气体分压的平方根成正比，只要降低该气体的分压力，则溶解在钢液中气体的含量随着降低。

（3）LF炉脱氧和脱硫的原理：炉外精炼的任务：炉外精炼是把由炼钢炉初炼的钢水倒入钢包或专用容器内进一步精炼的一种方法，即把一步炼钢法变为二步炼钢法。

炉外精炼可以完成下列任务：（1）降低钢中的硫、氧、氢、氮和非金属夹杂物含量，改变夹杂物形态，以提高钢的纯净度，改善钢的机械性能；（2）深脱碳，在特定条件下把碳降到极低含量，满足低碳和超低碳钢的要求；（3）微调合金成分，将成分控制在很窄的范围内，并使其分布均匀，降低合金消耗，提高合金元素收得率；将钢水温度调整到浇铸所需要的范围内，减少包内钢水的温度梯度。

RH真空循环脱气法LF具有加热和搅拌功能的钢包精炼法处理过程：用钢包车将钢包送入处理位，使真空室下降或使钢包提升，以便使吸嘴浸入钢包内的钢液以下500mm。

然后启动真空泵。

由于真空室内压力下降，钢包内钢水被吸入真空室中。

由于吸嘴中的一个喷入氩气，另一个没有，钢水便开始反复循环。

这时就可采取各种处理措施，例如脱气、吹氧、化学成分及温度调整等。

处理结束时使系统破真空。

随后退出吸嘴，将钢包送至后处理位置或交接位置。

冶金效果：在短时间就可达到较低的碳(<15ppm)、氢(<1.5ppm)、氧含量(<40ppm)；仅有略微的温度损失；不用采取专门的渣对策；可准确调整化学成分，Al，Si等合金收得率在90～97％。

汽车钢板以及电工钢等是RH钢生产的典型产品。

RH培训

RH培训

RH发展概论及相关设备
第一部分
1
RH的发展简史
RH真空精炼技术起源于50年代，1957年阿尔贝德公司申请了钢水真空

精炼脱气法的技术专利，这是真空脱气法发展的开端。 1958年德国 Rheinstahl（莱茵钢公司）和 Heratus（赫拉乌斯）真空 泵厂合作成功地进行了工业性生产实验，取得了可喜的处理效果，在 1959年德国冶金工作者协会上引起了同行的极大关注，定名RH。以后 各国都在真空循环脱气法上开展了研究。其中以日本发展最为迅速。新 日铁在1972年发明了RH-OB法，能起到铝升温的作用。80年代中期， 大分厂、名古屋厂为了得到低硫钢水，采用喷吹脱硫剂的方法生产出 S≤10ppm的RH钢。80年代后期～90年代初期，日本川崎发明了RH－ KTB，实现了二次燃烧和吹O2脱C，和KPB(MFB)用顶枪喷吹脱S剂。 中国的RH发展是在90年代以后开始的，但近几年来随着低碳钢在市场 上所占比例越来越高，RH的用途越来越广。目前，一般中、大型钢厂 都配置有RH炉。 RH新技术的发展 新日铁发明的KPB（MFB）利用外加能源介质，实现了处理位上的真空 槽烘烤，其吹氧脱碳的功能，使生产出C≤20ppm的超低碳钢。
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二、RH脱气原理
2、RH脱氮原理及影响因素
A：氮主要以化合物形态存在于钢中； B：氮可作为提高钢的硬度、耐磨性、抗蚀性的合金元素； C：对低碳钢Fe4N的析出将造成时效和蓝脆，达到一定程度时形成气泡

和疏松，使钢的塑性下降，对超低碳钢影响更大； D：氮在α-Fe、δ-Fe中的溶解度随温度升高而增加，在γ-Fe中相反； E：就氮在钢中的溶解度而言，遵循以下规律：[%N]=K [N] *（PN2）1/2， 在1600℃、1mbar下K [N] =0.045%,所以[%N]= 0.045%（PN2）1/2； F：V、Cr、Nb、Mn将提高N在钢中的溶解度，Si、C、Ni将降低其溶 解度； G：影响因素：原始氮含量、RH处理时间、真空度、钢中[O]、[S]的含 量、真空系统的泄漏率、环流量等。