RH多功能真空精炼工艺与装备技术的发展与瞻望 - 图文

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。

（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 C S T.O P N H -6[1]

钢水温度 脱碳速度常数 温度波动 -1补偿量/℃ Kc/min ℃ 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

1

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）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。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。采用上述两种工艺，RH可以生产[C]=3×10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：

-6

[9]

[8]

-6

?dCL?kc?CL （1） dtCL?CL?exp(?kc?t) （2）

kc?60w(1/Q?1/?kc??)(min?1) （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? 扩大上升管直径使循环流量Q增大

[11]

[10]

；

，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

[13]

? 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）：

1/34/3Q?K?QG?Du?H1/3 （4）

2

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]

。

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

Koji YMAMGUCHI总结100t~260tRH的实际生产数据提出以下关联式

[15]

：

0.321.48 ?k?AV （5） ?Q1.17?CV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

-1

[16]

，千叶厂RH最初的工况，kc =

0.1min。扩大上升管直径增加环流后，达到kc = 0.15min。进一步改进吹Ar方式使?k值增大，kc = 0.2min。

-1

-1

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

3

（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)，如图4所示

[17]

-1

。当R=0.3min、QG=1500Nl/min变

-1

-1

化到R=0.54min、QG=1000Nl/min时，使240tRH的脱碳速度常数kc从0.12min0.18min。

（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提高到0.35min。

（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）：

/3(S?P)?a1Al2O3/(%S)sat?aCaO （7）

[14]

-1

-1

-1

-1

提高到

图5 KTB法与普通RH脱

碳速度的比较[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)脱硫分配比可按正式计算

[19]

[18]

。RH喷粉通常采用CaO+CaF2系脱硫剂，该种粉剂的

：

La = (%S)/[%S] = 1260-25(%Al2O3) – 75(%SiO2)±250 （8） 钢水脱硫速度为：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]

d[%S]A??ks{[%S]?[%S]e}，根据高桥等人的测定[20]：ks = dtV，对于初始[%S]为20~30×10的钢水采用CaO+CaF2

-6

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。

4

-6

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

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(êO)≈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。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][5]

-6

[22]

。

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

5

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：

?d[O]T?d[O]T??d[O]T??????? （9） dtdtdt??in??out式中：?次氧化。

?d[O]T??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

?dt?in?d[O]T???为RH精炼过程中上浮排除的氧化物夹杂。

dt??out

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(tO)+(%MnO)含量。由于RH有效地避免了卷渣，顶

t[O]T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ko?ln(/t)比钢包

[O]it吹氩（GI）工艺大约提高1倍

[18]

。若RH处理前控制渣

-6

中(tO)+(%MnO)≤1%，处理后钢中[O]T≤10×10。

RH精炼过程中氧化物夹杂的排出速度可以表示为：

?d[O]T?????ko?[O]T （10） ?dt?outko为表观脱氧速度常数（s）。

令k = kV + kL（下标V表示真空槽，L表示钢包）。

-1

图11 渣中FeO+MnO含量和

脱氧速度常数k间的关系

钢中夹杂物的上浮决定于夹杂物的尺寸：大颗粒夹杂上浮去除，而小颗粒夹杂通过碰撞聚合后才能上浮去除。因此，精炼过程中钢水夹杂物的数量可采用浅野等人提出的表达式描述：

6

N = N0·exp（-?·D） （11）

式中：D为夹杂物的半径；N为夹杂物的数量（l/kg）；N0、?为常数。 将式（11）代入式（10）积分，得到：

3M0?T[O]?10??P?D3?Noexp(??D)dD （12）

MAl2O3606?根据上式计算的RH精炼过程中钢水氧含量的变化如图12所示搅拌能量有利于提高脱氧表观速常数，如图13所示

[24]

[23]

。因此，提高钢水的

。

0.50

图12 RH精炼过程中T[O]的行为 图13 ko和搅拌能量的关系

为了提高RH的脱氧效率，日本NKK公司开发了一种通过钢包脱气处理去除夹杂物的新方法，称为NK-PERM法。该工艺的技术原理是：首先将可熔气体（如N2、H2）强行熔解到钢水中，然后进行真空精炼，再降压过程中过饱和气体在悬浮的微细夹杂物表面形成气泡，气泡与夹杂物上浮到液面迅速与钢水分离。通过250t RH工业试验，该工艺获得良好的冶金效果，如图14所示显提高。

[24]

，细小夹杂物的去除效率明

图14 NK-PERM处理后夹杂物分布的

变化情况

采用RH喷粉工艺，使链状Al2O3夹杂与CaO粉剂形成低熔点CaO·Al2O3夹杂，利于上浮排除。采用RH喷粉工艺后，Al2O3夹杂含量明显降低。 2.4 脱H2与脱N2

2.4.1 脱H2 RH脱氢效率很高，处理脱氧钢水，脱氢效率?H≥65%；处理弱脱氧钢水，由于剧烈的C-O反应使?H≥70%。RH的?H值决定于循环次数（N）。RH处理后钢水含H量为

7

[25]

[4]

：

?Q?[%H]f?[%H]i??1?? （13）

?W?式中：N为钢水循环次数。为保证良好的脱氢效果，要求：

?N?Q???NW???2~3

由于RH的真空度很高，脱氢速度可表示为：

?d[%H]?kH[%H] （14） 图15 RH喷粉法和RH法处理钢的氢含量对比 dt-1

[26]

经测定对200tRH，吹Ar流量为2000~2500Nl/min时，kH为0.16min。增大吹Ar流量使kH值提高。如对340tRH，吹Ar量从0增加到2500Nl/min时，kH可提高1倍

。

采用RH喷粉工艺后，由于钢水中存在大量细小弥散的固体粉剂，明显增强了钢水中气泡异相形核的能力，有利于脱氢反应。如图15所示力进一步提高。

2.4.2 脱N2 钢水脱氮速度不决定于钢中氮的传质系数，主要决定于界面化学反应速度。务川进等人通过实验研究钢水增氮（或脱氮）速度与钢中表面活性元素硫和氧的含量的关系，如图16所示

[28]

[27]

，采用RH喷粉工艺后，RH的脱氢能

。随钢中[%O]和[%S]含量的增加，钢水吸氮（或脱氮）速度降低（或增高）。

因此，通常采用二级反应式近似计算真空脱氮速度： ?d[%N]A?()kN[%N]2 （15） dtV2

2

式中：kN = 15.9fN/(1+173aO+52aS+17aN)。图17给出该式的计算结果与实测值的比较

[28]

。

a 吸氮 b 脱氮 图17 脱氮速度常数计算值

图16 真空度、表面活性元素含量对钢水吸氮和脱氮的影响 与实测值的比较

8

通常，RH的脱氮效率（?N）比较低，并和初始氮含量有关：当初始[N]=100×10时，?N≈20%；对于较低的初始氮含量，RH处理基本不脱氮。其原因主要是：

（1）由于钢中氮的溶解度高，约是氢的15倍。在1873?K与20×10氮平衡的氮分压为194Pa，这相当于真空槽内达到压力为20Pa时距钢液自由表面深2.5×10的静压力。这意味着RH脱氮反应仅在距钢水自由表面2.5×10的深度以上才能够进行。按这一数据推算，可得到RH脱氮的反应的总移动系数kN = 1.6×10。

（2）由于钢中硫、氧等表面活性元素含量的增加，使钢水脱氮速度降低。因此，在整个RH脱碳过程中，由于钢水氧含较高（200~600×10），给钢水脱氮造成困难。

（3）由于RH浸入管漏气造成钢水吸氮，进一步降低了钢水的脱氮效率，并可能使钢水氮含量保持不变或略有增加。

强化RH脱氮的工艺措施是：

? 提高真空度和抽气速度，由于钢水脱氮与

真空度和抽气速度密切相关，提高真空度

有利于降低钢中氮的溶解度，并增大脱氮钢水层的深度； ? 尽量降低钢中氧、硫含量；

? 采用浸入管吹氩密封技术，日本川崎公司千叶厂通过生产实践发现：RH浸渍管内

的钢板在高温下发生变形，造成浸渍管漏气是钢水增氮的主要原因。采用吹氩

l/n（%-1） 密封技术，如图18所示

[29]

-6

-4-3

-3-6

-6

图18 进行脱碳后镇静处理时

△N和初始N含量的关系

，可以降低

钢水吸氮量，进而提高RH的脱氮效率。 ? 喷粉工艺提高钢中气体异相形核的能

力，可以提高RH脱氮效率，如图19所示

[21]

，采用喷粉工艺后，RH表观脱

时间（min）

图19 喷粉时间和钢水氮含量的关系

氮速度常数kN由通常的12.3提高到43.7%min，脱氮速率约增加3.5倍。

2.5 热补偿工艺

-1

-1

9

RH处理过程温降和钢包容量相关。对100tRH，处理过程降温速度为2~3℃/min；对300tRH，降温速度为0.7~1.3℃/min。采用电极加热和烘烤工艺后，降温速度为0.2~0.3℃/min。采用热补偿工艺可弥补RH处理过程的温度损失。目前，RH热补偿技术主要有两种方法：

2.5.1 RH-OB法 依靠加Al吹氧进行化学升温：

Al + 3/4O2 = 1/2Al2O3 △HAl = -32.186kJ/kgAl （16） 160tRH采用OB法升温工艺，供O2强度为1100Nm/h。采用普通RH处理，精炼过程温降80~90℃；采用OB法工艺吹氧20min，耗Al 1.7kg/t，处理过程基本不降温；吹氧40min，耗Al 4kg/t，处理后钢水温度可提高50℃。图20给出OB法工艺吹氧时间、加铝

图20 吹氧过程、加铝量对RH-OB升温

效果的影响 [ 30]

量对升温效果的影响。

为避免OB法升温过程中钢中C、Si、Mn的烧损，要求严格控制[Al]s>0.05%。处理过程中保持[Al]s>0.05%，可保证[O]≤60×10。若OB升温后，延长搅拌时间25min，可保证[O]≤30×10。

2.5.2 RH-KTB法 KTB法采用吹氧脱碳和二次燃烧技术实现钢水升温。该方法在普通RH上安装可以升温的水冷顶吹氧枪，吹氧脱碳，并依靠真空室内CO炉气的二次燃烧提供热量，补偿精炼过程中的温降。如图21所示，采用KTB工艺后，转炉出钢温度比传统RH降低26.3℃

[31]

-6

-6

3

。由于KTB提高了RH表观脱碳速度常数，在保证相同的脱碳时间的条件下，可使初始碳

[7]

含量从0.025%提高到0.05%。在脱碳过程中实现二次燃烧，可将炉气二次燃烧率从3%提高到60%，进一步补偿了热量。表2给出KTB热补偿的能量平衡

[32]

。

表2 KTB热补偿的能量平衡 项 目 提高初始碳含量 二次燃烧热量 铝氧化热量 减少精炼过程温降 图21 与传统RH相比KTB热补偿 所带来的温降减少值

补偿温度/℃ 1.2 7.8 7.9 3.1 20 百分比/% 6 39 39.5 15.5 100 总计 10

采用KTB技术进行热补偿的关键是通过精确控制吹氧量和吹氧时间，避免钢水过氧化，保证吹氧结束后钢水[O]<750×10。在此基础上，通过自然脱碳使脱碳结束后钢水[O]<200×10，可以保证精炼钢水具有良好的洁净度。 3．RH装备技术的发展

3.1 RH高效化生产的装备技术

为了提高RH的生产效率，缩短处理周期，RH装备技术在以下方面不断地进行改进。 3.1.1 提高真空室高度

如图22所示

[27]

-6

-6

，从1959年到1987

年RH的高度已从5m左右增加到10m以上，其目的主要是：

? 为真空下提高精炼反应速度

提供充分的反应空间； 图22 RH高度的技术演变

? 为实现真空下吹氧和二次燃烧提供保证条件； ? 改善真空室上部的工作条件，减少结冷钢。 3.1.2 增大环流量

由于RH的反应速度主要决定于钢水的循环流量，而钢水的循环流量和下降管面积成正比。通过扩大浸渍管直径或采用椭圆形浸渍管和增大下降管面积等方法可以有效地提高钢水的循环流量，加快RH的反应速度。如图23所示，采用椭圆形浸渍管使吸嘴内径增大50%，脱碳速度明显提高

[27]

。

图23 RH脱气过程的脱碳行为

3.1.3 提高抽气能力

台湾中钢公司将160tRH的蒸汽喷射泵抽气能力由300kg/h增大为400kg/h后，并将吹氩量由600Nl/min提高到680Nl/min，使终点碳含量由30~50×10降低到30×10以下，脱碳时间由20min缩短到15min

[33]

-6

-6

。

美国内陆钢铁厂将RH的六级蒸汽喷射泵改造为五级蒸汽喷射泵/水环泵系统后，冷却水消耗量由21t/炉减少到5t/炉，能耗降低73%

[34]

。

11

[C]×10-6 3.1.4 增大吹氩量，优化吹氩工艺

日本NKK福山厂通过RH技术改造，将浸渍管直径从0.55m扩大到0.7m，浸渍管最大吹氩量由3Nm/min提高到4Nm/min，并在RH真空槽底部增设8支?2mm吹氩管，收到了很好的效果。RH脱碳时间仅15min，使钢水终点碳含量达到10×10。如图24所示，随着吹氩量的提高，RH脱碳的体积传质系数?k随吹氩量的提高而增大

[35]

-6

3

3

。 图24

吹氩量与脱碳体积传质系数的关系 3.1.5 增设多功能氧枪

RH采用顶吹氧工艺，不仅提高了表观脱碳速度，同时由于二次燃烧使真空室上部耐火材料的壁面温度达到1600℃，可以防止钢水结瘤。采用RH喷粉工艺，不仅实现了钢水脱磷、脱硫精炼的目标，而且有利于提高RH脱气能力。采用RH顶枪烘烤工艺可以在大气下加热真空室，可防止钢水结瘤，并能熔化已经形成的钢渣结瘤，对提高RH的作业率有很大的贡献。因此，增设具有RH顶吹氧、喷粉和烘烤三大功能的多功能氧枪，对改善RH操作，提高精炼效率和RH作业率具有重要意义。

表3总结了近几年国外RH的主要技术参数和性能指标

[36]

。

表3 典型RH设备参数与技术指标

新日本钢铁公司 川崎钢铁 日本钢管 住友金属 宝 钢 公 司 公 司 工业公司 名古屋钢君津钢铁大分钢铁水岛钢铁福山钢铁鹿岛钢铁炼钢厂 RH设备参数 铁厂2号厂RH 厂1号RH 厂4号RH 厂3号RH 厂2号RH RH 吹O2方式 钢水容量，t 循环管内径，mm 循环气体量，l/min OB 270 730 3000 OB 305 650 2500 1007 11682 17 22 OB 340 600 4000 952 8770 18 18 KTB 250 750 5000 1000 13500 15 15 OB 250 580 5000 15000 - 15 15 OB 250 750 5000 1500 - 12 15 OB 300 550 1200~1400 950 抽气量 67Pa下 1350 (kg/h) 16600 26.7Pa下 目标[C]×10-6 10 15 7000≤50 20~25 处理时间，min 3.2 RH长寿化装备技术

12

提高RH真空室特别是浸渍管的使用寿命可以提高RH的作业率，提高RH的处理能力。近20年来RH长寿技术得到了迅速发展。 3.2.1 改进真空室顶部结构

如图25所示，美国Cleveland钢厂250tRH原采用斜顶，真空室顶部耐火材料的寿命只有169炉，后改造为圆顶，寿命超过真空室上部槽。从而使RH月处理量超过70000吨

[27]

。

改造前

改造后

图25 RH真空室顶部改造前后的比较

3.2.2 提高耐火材料抗侵蚀能力

日本川崎公司水岛钢厂4号RH主要生产超低碳钢，为了延长RH底部槽的使用寿命对耐火材料进行了材质优化。通过改变Cr/MgO的混和率，制造出表4所示的4种砖型，并进行抗腐蚀及耐急冷、急热性测试，测试结果如图26所示

[31]

。经比较，材料A具有最好的抗

蚀性能，而材料B具有最好的耐急冷、急热性，综合考虑价格等因素，采用材料B作为耐火材料。

表4 不同试验过程中Mg-Cr砖的性能

图26 4种Mg-Cr砖抗蚀性及耐急冷

急热性测试

通过耐火材料的优化，并结合采用RH高效化生产工艺和完善RH终点控制技术，缩短RH的处理周期等技术措施，使RH底部槽寿命从1993年1200炉提高到1997年2628炉，并创造了世界纪录。

3.2.3 提高RH浸渍管的使用寿命

RH浸渍管往往是RH使用寿命的限制环节，川崎公司水岛厂通过生产实践发现：RH浸

13

渍管的损坏主要是由于浸渍管耐火材料内钢壳温度过高（达到1000℃），使钢板膨胀变形，经常引起可塑耐火材料层产生纵向裂纹。当采用大直径浸渍管时，由于钢壳的膨胀变形大，这些裂纹将变得更大。过度的裂纹会引起耐火层脱落，使浸渍管失效。通过无冷、风冷和雾冷条件下钢壳温度的变化发现：钢壳未采用冷却，温度超过1120℃时，可塑层外表面产生的应力会由压力转变为拉力，导致裂纹增大。而采用雾冷时，可塑层外表面产生的应力为压力，裂纹大小不会增加，可塑层也不会失效。无冷却时钢壳温度为1000℃，风冷时为700℃，雾冷条件下温度小于450℃。此外，无冷却时钢壳变形量为50~60mm，而雾冷则可使变形量减少10mm。采用浸渍管冷却技术，使浸渍管的平均寿命达到320次

[31]

。

在浸渍管耐火材料层和打结层（为可塑耐火材料）之间最容易产生裂纹，进入钢水造成浸渍管寿命降低，为解决这一问题，美国国家钢铁公司大湖厂采用两个浸渍管轮流修补、交错砖型和用MgO材料进行喷补三项技术，也使浸渍管的寿命超过180炉3.3 RH精炼控制技术

台湾中钢公司2号RH每年生产IF钢和电工钢40万吨，要求精确的控制钢中碳含量，为了提高RH的作业率和终点控制精度该厂通过连续测量废气成份和流量，开发出一种RH在线过程动态监控和控制系统，如图27所示

[38]

[37]

。

。

图27 RH脱碳在线终点控制系统示意图

该控制系统有四个子系统，主要包括：

? 取样系统：为了使RH真空装置中废气连续不断的抽取到气体分析器，该系统的压

力数量级约为0.01乇，在真空脱碳中RH操作的压力5min后为15乇，10min后<1乇，因此，高真空度是废气取样能力的保证。在清除水分和粉尘后将气体送到气体分析器。

? 气体分析系统：采用质谱仪分析废气中CO、CO2、Ar、N2和O2，每隔6sec将该分

14

析数据存储起来。校准过程采用6种不同成份的标准气体，确保成份测量的相对精度在1%以内。

? 数据采集系统：RH工艺操作参数通过12位多路A/D转换器获得，并通过一个串形

接口送到过程计算机。

? 操作控制系统：根据精炼过程中废气成份的变化通过模型计算预报熔池碳含量和

钢水温度，并对RH操作进行远程控制。

该项控制技术用于RH终点控制获得良好的效果：首先终点控制精度提高，如冶炼超低碳钢（[C]≤20×10）时，预报终点碳的平均偏差为1.9×10。同时，大大改善了终点目标含碳量的命中率，冶炼IF钢和电工钢时目标碳含量的命中率从90.4%提高到接近100%。根据脱碳期间获得的监控数据进一步改善吹氩工艺，提高了RH脱碳速度，使RH脱碳16min后钢液中的碳含量降低到10×10以下。 4．典型钢种的RH精炼工艺 4.1 IF钢精炼工艺技术

IF钢广泛应用于生产汽车用深冲构件。为了提高钢材的深冲性能，要求尽可能降低钢中间隙原子C、N的含量。IF钢的质量要求主要包括：

? 要求钢中C+N<50×10，进而C+N<20×10；

? 为了保证良好的表面质量，要求钢中T.O含量<30×10；

? 为了提高深冲性能，要求严格控制钢中微合金化元素Ti、Nb、B的含量。 为了达到上述质量要求，RH精炼工艺应采用强脱碳技术，以提高RH的脱碳速度和降低处理终点碳含量。通常采用扩大浸渍管直径、提高吹氩量和抽气速度等措施，可在15min内将钢水碳含量降低到10×10。进一步降低含碳量可在RH吹氧脱碳期吹入H2，增加钢液中的氢含量。当RH进行深脱碳时，随着真空度的降低，过饱和的氢在夹杂物表面析出，增加了脱碳反应界面，使脱碳速度提高。采用这一工艺可生产[C]=3×10的超低碳钢。

为了提高RH的脱氮能力，采用如图氩气 28所示的浸渍管吹氩密封技术，降低精炼过程中钢水吸氮量，可以生产出[N]=10×10的超低氮钢

-6

[35]

-6

-6

-6

-6

-6

-6

-6

-6

空气 。 图28 浸渍管

吹氩密封示意图

为了提高IF钢的表面质量，要求在转炉出钢过程中对炉渣进行改质处理，降低炉渣的氧化性。通过炉渣改质处理后，渣中FeO+MnO<7%，可保证RH处理后钢水[O]<30×10。

15

-6

4.2 管线钢精炼工艺

近几年，管线钢逐步向高强化方向发展，随着钢材强度的提高对钢材纯净度的要求不断提高。特别是对于海洋结构钢、石油天然气输送管线钢以及在寒冷地区环境恶劣的使用条件下使用，要求管线钢不仅具有高的强度，还必须同时具备良好的低温韧性和高的抗氢致裂纹能力。为达到这些品质要求，钢材必须实现P、S高纯度化和严格控制钢中夹杂物总量。因此，如何控制钢材中极低的S、P和T.O含量是管线钢精炼的技术关键。

表5给出日本主要钢铁厂管线钢的生产工艺和S、T.O的控制水平。目前，日本管线钢的纯净度水平可以达到[S]≤5×10，[P]≤50×10，T[O]≤20×10，[H]≤1.5×10。

表5 日本主要钢厂管线钢生产工艺与S、T.O控制水平

钢 厂 川 崎 工 艺 RH-PB (S)?10 ≤10 5 -6-6

-6

-6

-6

新 日 铁 RH-Injection 君津钢厂 住 友 LF炉 V-KIP ≤10 ≤ 5 图29给出传统管线钢生产工艺流程，其特点是：采用多种二次精炼工位进行钢水炉外精炼，工艺流程复杂，生产周期长，消耗高，成本高。首先要在钢包内进行喷粉脱硫处理，为了保证脱硫效果，要求对钢水进行强脱氧。然后，在LF炉内进行钢水脱磷，由于脱磷是氧化反应，在脱磷过程中必须会使钢中的夹杂物增高，经扒去脱磷渣后再次进行铁水脱硫，脱硫后的钢水再进行RH真空脱气。

图29 传统管线钢生产工艺流程

16

为了改变传统管线钢生产流程处理周期长，能耗高，成本高的缺点，日本各大钢厂最近几年采用如图30所示的工艺生产管线钢，达到非常理想的冶金效果工艺流程具有以下特点：

? 采用转炉铁水“三脱”预处理工艺，通过加强底吹搅拌实现钢渣反应，达到理想

的脱磷、脱硫目的并可以熔化大量废钢；

? 顶底复吹转炉采用少渣吹炼技术，冶炼周期仅20min，大幅度提高了转炉的生产能

力，并使石灰消耗量减少60%；

? 采用多功能RH精炼技术，在RH精炼过程中同时实现脱碳、脱硫和夹杂物去除等

功能。

[39]

。管线钢生产的新

图30 管线钢生产新工艺流程

和传统管线钢生产流程相比，在保证同样钢水洁净度的条件下，精炼周期缩短50%，生产能力大幅度提高，生产成本降低60%。 4.3 高合金钢和不锈钢精炼技术

日本吴制铁所第一炼钢厂原采用转炉VAD工艺冶炼合金钢，为了提高产量、质量和降低生产成本，该厂于1984~1989年分别建设了铁水“三脱”预处理站和一台RH设备，开始采用铁水预处理—转炉—RH工艺生产合金钢。采用转炉流程生产合金钢的技术要点是：

? 利用转炉大量熔化铁合金，通过研究开发低硫、低灰分转炉升温剂，进行转炉热

补偿，并使转炉热量和耐火材料损失最小化；

? 开发了在RH内用微量Al和Si进行脱氧

的工艺技术。

17

（1）13%Mn钢的冶炼工艺和效果

表6给出该厂13%Mn钢的冶炼技术条件。采用转炉RH冶炼13%Mn钢，整个冶炼周期由5.5h缩短到2.5h，使生产效率提高1倍。同时，如图31所示，转炉终点Mn达到12%时，Mn的平均收得率为71.8%

[40]

。图31 转炉终点[C]与转炉Mn的收得率的关系

表6 13%Mn钢的冶炼条件

（2）36%Ni钢的冶炼工艺和效果

36%Ni钢是热膨胀系数小的高合金钢，用作电视机和显示器的屏蔽材料，该钢种不仅应是高合金，而且从防止腐蚀性降低和热膨胀系数恶化的要求出发，要求严格控制钢中C、Si、P、S和Al的含量，确定高纯度化的生产工艺以及采用微量Al、Si的脱氧技术是该钢种冶炼的重要课题。

吴制铁所生产36%Ni钢采用转炉+RH的生产新工艺取代该厂原先采用的转炉+VOD生产工艺，取得了明显的冶金效果。转炉-RH生产新工艺的主要技术特点是：

? 转炉采用发热剂进行热补偿，熔化

Ni-Fe合金，使转炉吹炼终点钢水的Ni含量达到30%；

? 在整个转炉吹炼过程中全部Ni、Fe

分两次加入转炉内，使转炉的吹炼由三期加入改为两期加入； ? 在RH内采用造渣工艺强化硅、铝脱

氧，使渣中Al2O3的活度降低到0.24，SiO2的活度降低到10，因而保证了添加微量Al、Si使脱氧后钢中游离氧大幅度降低，并在RH内进

18

-4

图32 36%Ni钢冶炼工艺过程中的时间、

温度和Ni含量的变化

行成份微调和脱气精炼。

图32给出转炉-RH冶炼36%Ni钢的生产工艺以及冶炼过程中温度和Ni含量的变化及其与传统流程的对比

[41]

，从图中可以看出，采用转炉-RH工艺生产36%Ni钢具有以下优点：

? 生产周期大幅度缩短，转炉冶炼由三次吹炼改为两次吹炼，冶炼时间从102min缩

短到68min。RH内加Ni仅为了调整成份，大大缩短了二次精炼时间，使冶炼周期从传统流程的6.5小时缩短了3.5小时；

? 由于冶炼周期缩短，使能量利用效率由42%提高到53%，耐火材料消耗指数比传统

流程降低了40%；

? 新工艺完全可满足36%Ni钢的质量要求。 4.4 电工钢精炼工艺

电工钢特别是高牌号无取向硅钢要求具有高的导磁率和低的铁损。为了保证产品的这一质量要求，钢材应具有极高的纯净度，表7给出高级电工钢的成分要求。

表7 电工钢的化学成分表（wt%）

C ≤0.0024 Si 2.6~2.9 S ≤0.0010 N ≤0.0025 Als 1.05~1.20 S+N ≤0.0030 从表7可以看出，电工钢同时要求尽可能降低钢中C、N、S含量，并要求钢中S+N<0.0030%。和高级别的IF钢或管线钢相比，电工钢的成份要求极为苛刻：对于IF钢仅要求C、N含量，对S含量没有特殊要求；而对于管线钢，仅要求S含量，对C、N含量没有特殊要求。在实际冶炼过程中，脱碳是氧化性反应，而脱硫是还原反应，因而在同一容器很难实现同时脱碳、脱硫。

传统的电工钢生产工艺采用多工序炉外精炼组合精炼技术：即在转炉出钢后首先对钢水脱氧，进行钢包脱硫处理，并要求扒掉处理后的还原渣，然后在RH内进行吹氧脱碳，使钢水重新氧化，保证熔池具有足够的氧进行脱碳。显然，传统的工艺不仅流程长，而且能耗高，对钢水的污染比较严重，稳定控制产品质量有较大的困难。采用多功能RH精炼工艺与转炉匹配可以大幅度地减化工艺流程。在多功能RH内先对未脱氧钢水进行脱碳处理，达到目标碳以后加入脱氧剂再进行喷粉脱硫处理和脱气处理，避免了精炼过程中的二次氧化，使生产效率大幅度提高。图33给出了新旧两种流程的对比，从图中可以看出，由于精炼工艺的简化，使电工钢的精炼周期缩短40%，并使精炼过程的能量消耗减少26%

[21]

。

19

图33 电工钢生产新流程与传统流程的比较

在RH操作后期采用喷粉工艺可实现同时脱硫、脱氮。RH终点氮和硫含量决定于粉剂的消耗量，随着粉剂消耗量的增加终点硫和氮含量降低。当粉剂消耗量为6~7kg时，RH精炼终点的[N]<15×10，[S]<3×10，如图34所示

-6

[21]

-6

。

由于采用了RH喷粉同时脱硫、脱氮的新工艺，可以稳定生产出[C]<15×10，[S]<5×10，[N]<15×10的超纯净电工钢。 5．结论

（1）经过四十多年的发展，RH工艺与装备技术已发展到日臻完善的地步，今后RH技术的主要发展方向是实现多功能化、高效化和长寿化。

（2）RH多功能精炼工艺主要包括：真空脱碳与超低碳钢冶炼技术、真空脱气与超低氮钢精炼技术、喷粉脱磷、脱硫技术、脱氧与夹杂物上浮技术和吹氧进行热补偿工艺。

（3）实现RH多功能化的技术关键是研究开发多功能氧枪，将吹氧、喷粉和钢水热补偿等功能集为一体，达到高效化生产和设备长寿化的目标。

（4）RH装备技术的进步集中体现在高效化生产、设备长寿化和终点智能控制等方面。 （5）RH多功能精炼工艺与转炉相结合，生产IF钢、管线钢、电工钢和高合金钢不仅可以大幅度缩短精炼时间，降低生产成本，而且能进一步提高钢水纯净度，保证产品质量。

图34 RH顶吹喷粉时粉剂消耗量

对钢中硫、氮含量的影响

-6

-6

-6

20

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/m69w.html