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六 RH 精炼技术的发展

洁净钢生产技术高级研讨会. 洁净钢炉外精炼技术. 六 RH 精炼技术的发展. 中国金属学会炼钢分会 2006 年 12 月 , 深圳. 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。

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六 RH 精炼技术的发展

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  1. 洁净钢生产技术高级研讨会 洁净钢炉外精炼技术 六 RH精炼技术的发展 中国金属学会炼钢分会 2006年12月,深圳

  2. 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。 （2）多功能RH精炼技术的确立（1980年~2000年）：RH技术几乎达到尽善尽美的地步。 表1 RH工艺技术的进步 （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。

  3. 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： 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； • 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： 循环流量Q的计算值与实测值的比较

  4. 真 空 脱 碳 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，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。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； • 增加钢水的循环流量Q使k值提高； • 改变吹氩方式利于提高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。 • Koji YMAMGUCHI总结100t~260tRH的实际生产数据提出以下关联式： 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

  5. 提高RH脱碳速度的工艺措施 （1）提高循环流量和体积传质系数。如图，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。 （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)。 （3）吹氧。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。 RH钢水循环流量Q和体积传质系数k对脱碳速度的影响 RH抽气速度R和吹Ar流量 对脱碳速度的影响 KTB法与普通RH脱碳速度的比较

  6. RH喷粉 钢包喷粉 脱 硫 对铝脱氧钢水，脱硫反应为： 3(CaO) + 2[Al] + 3[S] = (Al2O3) + 3(CaS) 钢水脱硫效率主要决定于钢中铝含量和炉渣指数（S·P）： 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)。RH喷粉通常采用CaO+CaF2系脱硫剂，该种粉剂的脱硫分配比可按下式计算： La = (%S)/[%S] = 1260-25(%Al2O3) – 75(%SiO2)±250 钢水脱硫速度为： ，根据高桥等人的测定：ks = 0.27m/min。 采用RH喷粉脱硫的主要优点是： （1）脱硫效率高。 （2）顶渣影响小，与钢水间的传质速度大幅度 降低。 粉剂消耗量与脱硫效率的关系 渣中FeO+MnO含量对渣—钢间硫的分配比的影响

  7. 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。 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。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右图。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。 RH-PB工艺中粉剂颗粒的脱磷效果比较 粉剂配比和真空度对炉渣脱磷能力的影响

  8. 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，RH精炼过程中钢水氧含量的变化 可以表示为： 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。RH的表观脱氧速度常数 比钢包吹氩（GI）工艺大约提高1倍。若RH处理前控制渣中(%FeO)+(%MnO)≤1%，处理后钢中[O]T≤10×10-6。RH精炼过程中氧化物夹杂的排出速度可以表示为： 渣中FeO+MnO含量和脱氧速度常数k间的关系

  9. 0.50 夹杂物尺寸对去除的影响 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： N = N0·exp（-·D） 式中：D为夹杂物的半径；N为夹杂物的数量（l/kg）；N=、为常数。 钢水氧含量的变化表达式如下： ko和搅拌能量的关系 RH精炼过程中T[O]的行为

  10. NK-PERM法 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，细小夹杂物的去除效率明显提高。 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。 NK-PERM处理后夹杂物分布的变化情况

  11. 脱 氢 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≥70%。RH的H值决定于循环次数（N） 。RH处理后钢水含H量为： 式中：N为钢水循环次数。为保证良好的脱氢效 果，要求： 由于RH的真空度很高，脱氢速度可表示为： 经测定对200tRH，吹Ar流量为2000~2500Nl/min时，kH为0.16min-1。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。 RH喷粉法和RH法处理钢的氢含量对比

  12. 脱 氮 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发现，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： 式中：kN = 15.9fN2/(1+173aO+52aS+17aN)2。 a 吸氮 b 脱氮 真空度、表面活性元素含量对钢水吸氮和脱氮的影响 脱氮速度常数计算值 与实测值的比较

  13. l/n（%-1） 时间（min） RH脱氮效率及强化脱氮工艺措施 • RH的脱氮效率（N）比较低，并和初始氮含量有关：当初始[N]=100×10-6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）钢中氮的溶解度高，约是氢的15倍。 • （2）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。 • （3）RH浸入管漏气造成钢水吸氮。 • 强化RH脱氮的工艺措施 • 提高真空度和抽气速度； • 尽量降低钢中氧、硫含量； • 采用浸入管吹氩密封技术； • 采用喷粉工艺。 进行脱碳后镇静处理时△N和初始N含量的关系 喷粉时间和钢水氮含量的关系

  14. 热补偿技术——RH-OB法 依靠加Al吹氧进行化学升温： Al + 3/4O2 = 1/2Al2O3 △HAl = -32.186kJ/kgAl 160tRH采用OB法升温工艺，供O2强度为1100Nm3/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℃。 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]≤60×10-6。若OB 升温后，延长搅拌时间25min， 可保证[O]≤30×10-6。 吹氧过程、加铝量对RH-OB升温效果的影响

  15. 热补偿技术——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。采用KTB工艺后，转炉出钢温度比传统RH降低26.3℃。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。 KTB热补偿的能量平衡 与传统RH相比KTB热补偿所带来的温降减少值 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]<750×10-6。在此基础上，通过自然脱碳使脱碳结束后钢水[O]<200×10-6，可以保证精炼钢水具有良好的洁净度。

  16. RH高效化生产的装备技术 增大环流量 提高真空室高度 [C]×10-6 增大吹氩量，优化吹氩工艺 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30~50×10-6降低到30×10-6以下，脱碳时间由20min缩短到15min。 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%。 增设多功能氧枪 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。

  17. 近几年国外RH的主要技术参数和性能指标

  18. RH长寿化装备技术 改进真空室顶部结构 提高RH浸渍管的使用寿命 改造为圆顶，寿命超过真空室上部槽。RH月处理量超过70000吨。 • 采用浸渍管冷却技术，使浸渍管的平均寿命达到320次。 • 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。 提高耐火材料抗侵蚀能力 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。

  19. 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。该控制系统有四个子系统，主要包括：取样系统、气体分析系统、数据采集系统、操作控制系统。 RH脱碳在线终点控制系统示意图 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]≤20×10-6）时，预报终点碳的平均偏差为1.9×10-6。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10×10-6以下。

  20. 氩气 空气 IF钢精炼工艺技术 IF钢的质量要求 • 要求钢中C+N<50×10-6，进而C+N<20×10-6； • 为了保证良好的表面质量，要求钢中T.O含量<30×10-6； • 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。 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10×10-6。进一步降低含碳量可在RH吹氧脱碳期吹入 浸渍管吹氩密封示意图 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]=3×10-6的超低碳钢。 为了提高RH的脱氮能力，采用如图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]=10×10-6的超低氮钢。 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]<30×10-6。

  21. 管线钢精炼工艺 日本主要钢厂管线钢生产工艺与S、T.O控制水平 目前，日本管线钢的纯净度水平可以达到[S]≤5×10-6，[P]≤50×10-6，T[O]≤20×10-6，[H]≤1.5×10-6。

  22. 新、旧工艺流程的比较 管线钢生产新工艺流程 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。 • 其特点是： • 采用转炉铁水“三脱”预处理工艺； • 采用少渣吹炼技术； • 采用多功能RH精炼技术。 和传统管线钢生产流程相比，新流程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%。

  23. 电工钢精炼工艺 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。避免精炼过程中的二次氧化，使生产效率大幅度提高。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%。 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]<15×10-6，[S]<3×10-6。 RH顶吹喷粉时粉剂消耗量对钢中硫、氮含量的影响 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]<15×10-6，[S]<5×10-6，[N]<15×10-6的超纯净电工钢。

  24. 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。

  25. 谢谢！

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