冶金工业RH精炼技术的发展

《冶金工业RH精炼技术的发展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《冶金工业RH精炼技术的发展（92页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、1RH精炼技术的发展2现代纯净钢生产工艺流程现代纯净钢生产工艺流程 在纯净钢生产中，在纯净钢生产中，RHRH是最重要的真空精炼装置之一，是最重要的真空精炼装置之一，应用越来越广泛，新建钢厂多数选择应用越来越广泛，新建钢厂多数选择RHRH精炼。精炼。3钢钢铁铁冶冶炼炼工工艺艺路路线线 4大型联合企业冶炼工艺流程 铁水脱硫 转炉复吹 CAS-OB 板坯连铸 产产品品 热轧钢板 冷轧深冲钢板 镀层板，涂层板 锅炉板、桥梁板 造船板 RH/KTB/PB 板坯连铸 产产品品 IF钢 电工用钢 石油管线钢 低温用钢 超深冲钢 LF 5特殊钢厂冶炼工艺路线 废钢 生铁 DRI/HBI UHP电炉 铁水 脱硅

2、 脱磷 转炉 复吹 LF 精炼 VD 精炼 RH 精炼 大 方坯 连铸 轴承钢 齿轮钢 优质弹簧钢 硬线钢 帘线钢 石油套管 AOD SS-VOD RH-OB/KTB 大 板坯 连铸 不锈钢 轴承钢 齿轮钢 优质弹簧钢 硬线钢 帘线钢 石油套管 脱硫6短流程钢厂冶炼工艺路线 铁 水脱硫 转炉 CAS-OB 废钢 小 方 坯连铸 LF 炉 电炉 各类建材 普碳钢 普通低合金钢 机械工程用钢 易切削钢 废钢 生铁 DRI/HBI UHP 电炉 LF 精炼 薄 板 坯连铸 普通热轧板 冷轧板 镀层板 7RH 的发展历史的发展历史 RH精炼技术是精炼技术是1959年德国年德国Rheinstahl和和H

3、utlenwerke公司联合开发成公司联合开发成功的。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。用。RH发展到今天，大体分为三个发展阶段：发展到今天，大体分为三个发展阶段：（1）发展阶段（）发展阶段（1968年年1980年）：年）：RH装备技术在全世界广泛采用。装备技术在全世界广泛采用。（2）多功能）多功能RH精炼技术的确立（精炼技术的确立（1980年年2000年）：年）：RH技术几乎达到

4、技术几乎达到尽善尽美的地步。尽善尽美的地步。表表1 RH工艺技术的进步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 温度波动补偿量/Kc/min-1 C S T.O P N H技术水平20 10 15 20 20 1.0 26.3 0.35 5 （3 3）极低碳钢的冶炼技术（）极低碳钢的冶炼技术（20002000年年 ）：为了解决极低碳钢）：为了解决极低碳钢（C10C101010-6-6）精炼的技术难题，需要进一步克服钢水的静压力，以）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。提高熔池脱碳速度。8RH的工作原理的工作原理 钢液真空循环原理类似于“气泡泵

5、”的作用，如右图所示：当进行真空脱气处理 时，将真空室下部的两根浸渍管插入钢液内100-150mm的深度后，启动真空泵将真空室抽成真空，于是真空室内外形成压差，钢液便从两根浸渍管中上升到压差相等的高度（循环高度）。此时钢液并不循环，为了使钢液循环，从上升管下部约三分之一处吹入驱动气体，气体进入上升管的钢液后由于受热膨胀和压力降低，引起等温膨胀，在上升管内瞬间产生大量的气泡核并迅速膨胀，膨胀的气体驱动钢液上升。RH装置示意图9RH处理钢水过程处理钢水过程 钢水处理前，先将浸渍管浸入待处理的钢包钢水中。当真空槽抽真空时，钢水表面的大气压力迫使钢水从浸渍管流入真空槽内。（真空槽内大约0.67 mba

6、r时可使钢水上升1.48m高度)。与真空槽连通的两个浸渍管，一个为上升管，一个为下降管。由于上升管不断向钢液吹入氩气，形成气泡泵，使钢水从上升管进入并通过真空槽下部流向下降管，如此不断循环反复。在真空状态下，流经真空槽钢水中的氩气、氢气、一氧化碳等气体在钢液循环过程中被抽走。同时，进入真空槽内的钢水还进行一系列的冶金反应，比如碳氧反应等如此循环脱气精炼使钢液得到净化。为满足钢种要求、精确控制钢水成份，通常，RH处理过程中还需进行合金化处理。铁合金材料经高位料仓、称量台车、真空料斗、合金溜槽，在真空状态下通过真空槽进入钢水，完成合金化功能。10RH工艺流程工艺流程 11RH工艺过程描述工艺过程描

7、述 钢水即将到达前，关闭主真空阀为真空泵的提前启动作好准备。盛有钢水的钢包座落于钢包台车上，并启动前级真空泵进行预抽。钢包台车运行到处理工位正下方，将环流气体由氮气切换到氩气。启动液压顶升机构，将钢包顶升到预定高度，打开主真空阀，钢水即进入真空槽，形成环流。测温取样及定氧，根据测定结果决定是否进行“先行处理”。先行处理即正规处理以外的预备性处理。如钢水温度过低，可先行化学升温；钢水含氧过高，可先行加Al处理；钢水含碳过低可先行加碳处理等。先行处理后须再次测温取样以确认先行处理的结果。12RH工艺过程描述工艺过程描述 对钢水进行该钢种所必须进行的处理，（如脱氢处理，深脱碳处理，轻处理，深脱氧处理

8、等）。处理过程中真空度和环流气体流量按各处理模式自动进行变换。处理结束前再次测温取样，确认处理目的是否已达到。合金微调及最终脱氧。测温取样后关闭主真空阀，破真空。钢包下降，座落到钢包台车，同时将环流气体切换成氮气。钢包台车运行到喂丝工（加保温剂）位，按钢种要求喂丝，人工加保温剂。钢包台车开出，用吊车将钢包吊至下工序。13RH法的设备法的设备 RH的主体设备构成：真空室及附属设备；气体冷却器；真空排气装置；合金称量台车及加料装置。RH精炼车间示意图精炼车间示意图RH设备示意图设备示意图15RH真空室真空室 RH真空室形状如右图，真空室外壳为钢板围焊成的圆筒状结构，内衬为耐火砖。真空室下部有两根用

9、耐火材料制成的可以插入钢液的浸渍管，也称升降管，其中一根为钢液的上升管，另一个根为钢液的下降管，浸渍管的上半部外侧钢管结构。真空处理时钢液沿上升管进入真空室，沿下降管返回钢包。RH真空室示意图16RH法主要的工艺参数法主要的工艺参数处理容量处理容量V V：指被处理的钢液量，RH处理容量的上限理论上是没有限制的，处理容量的下限取决于处理过程的温降情况。一般认为，在炉内处理时不应小于10t，在钢包处理时，不应小于30t，当容量小于30t时降温显著。目前已建成的RH装置最大容量为300t。处理时间处理时间t t：指钢包在RH工位停留时间，处理时间取决于允许的钢液温降Tc和处理过程中钢液的平均降温速度

10、VT，t=Tc/VT。循环因数循环因数u u：指处理过程中循环钢液的当量次数，即通过真空室的钢液总量与处理容量之比。U=Wt/V，W循环流量，t/min;V 钢包容量，t；t脱气处理时间，min。钢中气体含量与循环因数的关系，m-混合系数，m=0表示已脱碳钢水和未脱碳钢水尚未进行混合。17RH法主要的工艺参数法主要的工艺参数循环流量循环流量：循环流量W(t/min)是指单位时间内通过真空室的钢液量。也称循环速率，是一个重要的工艺参数。W主要取决于上升管直径(d)和驱动气体流量(G0)。如图所示为不同上升管直径条件下，循环流量与驱动气体流量之间的关系。33.005.1GdaW33.005.1Gd

11、aW设计真空室时W是根据处理容量V、循环因数u和脱气时间t来确定的：tVuW循环流量与驱动气体流量之间的关系18RH法主要的工艺参数法主要的工艺参数真空度真空度 真空度是指RH处理时真空室内可以达到并且保持的最小压力。真空泵的抽气能力真空泵的抽气能力 真空泵的抽气能力大小，应根据处理钢种、处理容量、处理时间、循环流量以及处理过程中的脱气规律来确定。RH法处理过程中的气体析出速度是不同的，处理前期钢液原始气体含量较高，气体析出量也较大。处理后期的气体析出量较小，因此，就不能采用固定的抽气能力，而是要根据不同的真空度来确定。19100t100t钢包钢包RH年处理能力的估算年处理能力的估算 RH年处

12、理能力的估算：式中：P:年处理能力:平均炉处理能力,100t:平均处理周期,36min:LDLFRHCC-RL的配合率,85:RH作业率,85:RH处理钢水合格率,99.5%万吨/年 估算结果:100钢包RH估算其年处理能力为94.5万吨。3216024330THP1235.49%5.99%85%85366024330001PHT20RH精炼精炼的主要冶金功能的主要冶金功能 脱碳：目前使用的最主要的功能 脱气：最初开发RH的目的是为了脱气 脱硫脱磷：喷吹脱硫、脱磷剂 去夹杂：有利于夹杂物碰撞长大 合金化：运用多功能喷枪21RHRH精炼的主要冶金功能精炼的主要冶金功能RH真空精炼的冶金功能22真

13、空脱碳真空脱碳-碳氧平衡碳氧平衡 碳氧平衡原理 在RH过程中，C、O反应生成CO气体，由于降低了气相中CO的分压使C和O的反应向着生成CO气体的方向进行：)(gCOOC不同真空条件的碳氧平衡曲线23脱碳与脱氧的关系脱碳与脱氧的关系RH脱碳时脱碳量与脱氧量的关系通过降低系统压力促使碳氧反应来实现脱碳或脱氧的目的是十分有效的手段。当钢液中含氧量降低某一数值O时，则含碳量也相应降低一定数值，它们之间存在以下关系：75.01612OOC右图显示了RH脱碳时脱碳量与脱氧量的关系24真真 空空 脱脱 碳碳 RH 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内的脱碳速度主要决定于钢液中碳的

14、扩散。低碳区碳的传质是反应速度的限制性环节：速度的限制性环节：LcLCkdtdC)exp(tkCCcLL)(min)/1/1(601cckQwk RH RH钢水循环流量钢水循环流量Q=Q=钢水循环流速钢水循环流速上升管截面积，根据前人对上升管截面积，根据前人对RHRH钢钢水循环流量的测定结果表明：水循环流量的测定结果表明：循环流量循环流量Q Q的计算值与实测的计算值与实测值的比较值的比较 增加吹氩流量增加吹氩流量Q Qg g使使RHRH的循环流量增大；的循环流量增大；扩大上升管直径使循环流量扩大上升管直径使循环流量Q Q增大；增大；增加浸入管的插入深度也会使循环流量变增加浸入管的插入深度也会使

15、循环流量变大。大。总结以上研究，总结以上研究，RHRH内钢水的循环流量可以表内钢水的循环流量可以表示为：示为：3/13/43/1HDQKQuG25真真 空空 脱脱 碳碳 RH 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，根据系数，根据ShigeruShigeru的研究证明，在整个的研究证明，在整个RHRH精炼过程中各元素的传质系数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应速度

16、，常采用体积传质系数 k k（=传质系数传质系数反应界面积）。反应界面积）。钢水含碳量和吹钢水含碳量和吹ArAr方式对方式对RHRH脱碳脱碳过程的体积传质系数过程的体积传质系数 k k的影响的影响RHRH的体积传质系数与以下因素有关：的体积传质系数与以下因素有关：k k和钢水碳含量成正比；和钢水碳含量成正比；增加钢水的循环流量增加钢水的循环流量Q Q使使 k k值提高；值提高；改变吹氩方式利于提高改变吹氩方式利于提高 k k值：如在值：如在300tRH300tRH的真空室底部增设的真空室底部增设8 8支支 2mm2mm吹吹ArAr管吹氩（管吹氩（QA=800Nl/minQA=800Nl/min

17、），使），使 k k值提值提高。高。Koji YMAMGUCHIKoji YMAMGUCHI总结总结100t100t260tRH260tRH的实的实际生产数据提出以下关联式：际生产数据提出以下关联式：48.117.132.0VVCQAk26 脱碳影响因素的分析脱碳影响因素的分析 插入管直径对脱碳速度的影响插入管直径对脱碳速度的影响 o 脱碳速度随插入管内径的增大而增大。脱碳速度随插入管内径的增大而增大。o 循环量循环量Q Q与插入管内径与插入管内径d d4/34/3成正比。成正比。插入管供气流量90Nm3/h05010015020025030035005101520处理时间(min)C(ppm

18、)550mm650mm720mm750mm不同插入管内径的脱碳曲线不同插入管内径的脱碳曲线27 氩气流量对脱碳速度的影响氩气流量对脱碳速度的影响 o 脱碳速度随氩气流量的增大而增大脱碳速度随氩气流量的增大而增大 28提高提高RH脱碳速度的工艺措施脱碳速度的工艺措施 （1 1）提高循环流量和体积传质系数。如图，千叶厂）提高循环流量和体积传质系数。如图，千叶厂RHRH最初的工况，脱碳速度最初的工况，脱碳速度常数常数K=0.1minK=0.1min-1-1。扩大上升管直径增加环流后，达到。扩大上升管直径增加环流后，达到K=0.15minK=0.15min-1-1。进一步改进。进一步改进吹吹ArAr方

19、式使传质系数方式使传质系数 k k值增大，值增大，K=0.2minK=0.2min-1-1。（2 2）提高抽气速率。定义）提高抽气速率。定义RHRH真空系统的抽气速度常数真空系统的抽气速度常数R:R=R:R=-ln(-ln(/0 0)/t)/t(min(min-1-1)。（3 3）吹氧。采用）吹氧。采用KTBKTB顶吹氧工艺，提高了顶吹氧工艺，提高了RHRH前期脱碳速度，使表观脱碳速度常前期脱碳速度，使表观脱碳速度常数数K Kc c从从0.21min0.21min-1-1提高到提高到0.35min0.35min-1-1。（4 4）改变吹）改变吹ArAr方式。实验证明，在方式。实验证明，在RHR

20、H真空室的下部吹入大约真空室的下部吹入大约1/41/4的氩气，可使的氩气，可使RHRH的脱碳速度提高大约的脱碳速度提高大约2 2倍。倍。KTBKTB法与普通法与普通RHRH脱碳速度的比较脱碳速度的比较RHRH钢水循环流量钢水循环流量Q Q和体积传和体积传质系数质系数 k k对脱碳速度的影响对脱碳速度的影响 RHRH抽气速度抽气速度K K和吹和吹ArAr流量流量对脱碳速度的影响对脱碳速度的影响 29深脱碳处理深脱碳处理 需要深脱碳的钢种需要深脱碳的钢种,指含碳量指含碳量0.010%0.010%的钢种。这类钢种的钢种。这类钢种在转炉中并不将在转炉中并不将CC吹炼到最低极限，为了保留一定的残吹炼到最

21、低极限，为了保留一定的残余锰及金属收得率，通常转炉吹炼到余锰及金属收得率，通常转炉吹炼到CC0.050.05左右即左右即出钢，出钢时只进行少量的锰合金化及极弱的脱氧出钢，出钢时只进行少量的锰合金化及极弱的脱氧,保持保持钢水中自由氧在钢水中自由氧在600ppm600ppm以上。这种处理的特点是在以上。这种处理的特点是在50mbar50mbar至至200mbar200mbar压力下，先进行真空脱碳，最后在压力下，先进行真空脱碳，最后在1.33mbar1.33mbar下下完成成分调整及钢水纯净化处理。此类钢种处理前的先行完成成分调整及钢水纯净化处理。此类钢种处理前的先行处理通常是先行加铝或先行升温。

22、当钢水氧含量不足，以处理通常是先行加铝或先行升温。当钢水氧含量不足，以致仅依靠自然脱碳不能使碳降到目标值以下或者转炉出钢致仅依靠自然脱碳不能使碳降到目标值以下或者转炉出钢碳过高（碳过高（0.060.06）时，则经用顶枪吹氧进行强制脱碳。）时，则经用顶枪吹氧进行强制脱碳。当脱碳到目标值以下时，需加入微量元素（如当脱碳到目标值以下时，需加入微量元素（如IFIF钢需加钢需加TiTi或或V V、NbNb等）及最终调整化学微量元素含量。等）及最终调整化学微量元素含量。30深脱碳操作深脱碳操作31RH脱碳在操作中需注意的几个问题脱碳在操作中需注意的几个问题 要保持真空系统良好的密封性，确保处要保持真空系统

23、良好的密封性，确保处理过程中的真空度不变。理过程中的真空度不变。驱动气体是钢液循环的动力源，调节气驱动气体是钢液循环的动力源，调节气体流量必须由小到大，防止喷溅。体流量必须由小到大，防止喷溅。钢水温度控制。真空室各部位在处理前钢水温度控制。真空室各部位在处理前必须进行充分烘烤，达到温度要求，减必须进行充分烘烤，达到温度要求，减少处理过程温降。处理过程中通常每少处理过程温降。处理过程中通常每5 5分分钟测温一次，以判断温降及钢液循环情钟测温一次，以判断温降及钢液循环情况。况。32RH脱碳后的增碳控制脱碳后的增碳控制 应用防止喷溅及电极加热技术，尽可能使应用防止喷溅及电极加热技术，尽可能使真空室不

24、结瘤，控制脱碳过程中从真空室真空室不结瘤，控制脱碳过程中从真空室结瘤残钢的增碳；结瘤残钢的增碳；在脱碳期加入冷却废钢。由于真空处理过在脱碳期加入冷却废钢。由于真空处理过程中温降较有规律，尤其是脱碳程中温降较有规律，尤其是脱碳1010分钟以分钟以后温降更显规律性，因此冷却废钢最晚可后温降更显规律性，因此冷却废钢最晚可在处理至在处理至1010分钟时加入；分钟时加入；首选碳含量尽可能低的合金。其次，根据首选碳含量尽可能低的合金。其次，根据冷却废钢增碳的道理，采用在脱碳期加入冷却废钢增碳的道理，采用在脱碳期加入合金的技术，以防止合金增碳的发生。合金的技术，以防止合金增碳的发生。33脱脱 硫硫对铝脱氧钢

25、水，脱硫反应为：对铝脱氧钢水，脱硫反应为：3(CaO)+2Al+3S=(Al2O3)+3(CaS)钢水脱硫效率主要决定于钢中铝含量和炉渣指数（钢水脱硫效率主要决定于钢中铝含量和炉渣指数（SP）：）：当（当（SP）=0.1时，渣时，渣钢间硫的分配比最大钢间硫的分配比最大（400600）。因此，脱硫渣的最佳组成是：）。因此，脱硫渣的最佳组成是：60%(CaO)+25%(Al2O3)+10%(SiO2)。RH喷粉通常采用喷粉通常采用CaO+CaF2系脱系脱硫剂，该种粉剂的脱硫分配比可按下式计算：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(%SiO

26、2)250钢水脱硫速度为：钢水脱硫速度为：根据高桥等人的测定：根据高桥等人的测定：ks=0.27m/min。采用采用RH喷粉脱硫的主要优点是：喷粉脱硫的主要优点是：（1）脱硫效率高。）脱硫效率高。（2）顶渣影响小，与钢水间的传质速度大幅度）顶渣影响小，与钢水间的传质速度大幅度降低。降低。CaOsatOAlaSaPS)/(%)(3/132RH喷粉钢包喷粉粉剂消耗量与脱硫效率的关系粉剂消耗量与脱硫效率的关系 渣中渣中FeO+MnOFeO+MnO含量对渣含量对渣钢间硫的分配比的影响钢间硫的分配比的影响%esSSkVAdtSd34RH脱硫实际操作中需讨论的问题脱硫实际操作中需讨论的问题 脱硫剂的选择脱

27、硫剂的选择o 选择选择CaO-CaFCaO-CaF2 2脱硫率脱硫率最高最高o CaOCaO与与CaFCaF2 2比例以比例以6 6：4 4为宜为宜不同不同CaOCaO系渣的系渣的CsCs35 对钢包渣的要求对钢包渣的要求 加拿大某钢厂的加拿大某钢厂的RHRH脱硫数据显示脱硫数据显示o 钢包渣中氧势越高，硫分配比越低钢包渣中氧势越高，硫分配比越低36o 钢水回硫量随钢渣氧势的升高而增大钢水回硫量随钢渣氧势的升高而增大37o 钢渣中钢渣中FeO+MnOFeO+MnO应应5%(0.05%。处理过程中保持处理过程中保持Als0.05%，可保证可保证O6010-6。若。若OB升温后，延长搅拌时间升温后

28、，延长搅拌时间25min，可保证可保证O3010-6。吹氧过程、加铝量对吹氧过程、加铝量对RH-OBRH-OB升温效果的影响升温效果的影响61热补偿技术热补偿技术RH-KTBRH-KTB法法 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炉气的二次燃烧提供热量，补偿精炼过程中的温降。采用热量，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工艺后，转炉出钢温度比传统RH降低降低26.3

29、。由于。由于KTB提高了提高了RH表观脱碳速度常数，在保证相同的脱碳时间的条件下，表观脱碳速度常数，在保证相同的脱碳时间的条件下，可使初始碳含量从可使初始碳含量从0.025%提高到提高到0.05%。在脱碳过程中实现二次燃烧，可将炉气。在脱碳过程中实现二次燃烧，可将炉气二次燃烧率从二次燃烧率从3%提高到提高到60%，进一步补偿了热量。，进一步补偿了热量。KTBKTB热补偿的能量平衡热补偿的能量平衡与传统与传统RHRH相比相比KTBKTB热补偿所带来的温热补偿所带来的温降减少值降减少值项项 目目补偿温度补偿温度/百分比百分比/%提高初始碳含量提高初始碳含量1.26二次燃烧热量二次燃烧热量7.839

30、铝氧化热量铝氧化热量7.939.5减少精炼过程温降减少精炼过程温降3.115.5总计总计20100 采用采用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水过氧化，保证吹氧结束后钢水O75010-6。在此基础上，通过自然脱碳使脱。在此基础上，通过自然脱碳使脱碳结束后钢水碳结束后钢水O20010-6，可以保证精炼钢水具有良好的洁净度。，可以保证精炼钢水具有良好的洁净度。62RH-MFB精炼过程钢水温度预测精炼过程钢水温度预测从图a可以看出RH-MFB精炼过程中热量传递通过以下三种途径完成:(a

31、)碳氧反应，产生气体带走热量；(b)钢水循环流动，温度混匀;(c)通过耐材散热。预测模型与实测温度相比平均误差只有3.4，可以通过预测模型指导RH-MFB精炼过程的温度补偿。a.RH-MFB精炼过程钢水传热过程b.RH-MFB精炼过程温度预测值与实测值63加铝、吹氧对加铝、吹氧对RH-MFB的温度补偿的温度补偿如图a所示：对于300t的钢包，每加入300kg铝可以减少温降22-24；如图b所示：对于300t的钢包，每吹入300m3氧气可以减少温降10左右；a.加 铝量与钢水降温关系b.吹氧量钢水传热过程64尽量减少尽量减少RH处理过程的加铝吹氧提温处理过程的加铝吹氧提温危害：增加Al2O3夹杂

32、物量；增加RH处理时间，影响与连铸的匹配。美国内陆钢铁公司生产超深冲钢RH的吹氧提温率 由过去的35减少到目前的10左右。措施：严格控制前工序碳、氧、温度；前期OB强制脱碳(内陆钢铁方法)；工艺控制模型；炉气在线分析、动态控制。65RH精炼初期钢水温度较高时，需要加入一定的废钢使钢水温度符合要求，如图a所示对于300t的钢包，冷却效果为每吨冷却材降温7左右；如图b所示对于300t的钢包，低锰的加入量为400-500kg，钢水降温不超过0.8。冷却材及加低锰对冷却材及加低锰对RH-MFB的温度调节的温度调节a.加 冷却材量与钢水降温关系b.加低锰量钢水传热过程钢水降温量/66真空室内壁初温对钢水

33、温度影响真空室内壁初温对钢水温度影响 如上图可知，真空室预热温度对钢水温降影响较大。真空室预热温度从700 上升到1300，真空室预热温度每提高100，钢水平均温度上升6。67单嘴炉的发展单嘴炉的发展 第一座单嘴炉在1976年由北京科技大学张鉴教授开发，在大连钢厂进行工业试验。1992年北京科技大学成国光等人在长城特钢，应用单嘴精炼炉冶炼轴承钢，进一步完善了单嘴精炼炉生产工艺。1999年日本八幡钢铁厂开发了REDA(Revolutionary degassing activator)单嘴精炼炉如右图，并取得了较好的工业效果。REDA单嘴精炼炉示意图68单嘴精炼炉工作原理单嘴精炼炉工作原理单嘴精

34、炼炉把单嘴精炼炉把RH RH 的上升管与下降管合二为一改为直的上升管与下降管合二为一改为直筒状吸嘴，并采用钢包底部偏心吹气方式，如右图筒状吸嘴，并采用钢包底部偏心吹气方式，如右图所示。所示。单嘴精炼炉采用偏心钢包底部吹气，偏心吹入的气单嘴精炼炉采用偏心钢包底部吹气，偏心吹入的气体的上升驱动力主要是浮力，同时上升气泡还受到体的上升驱动力主要是浮力，同时上升气泡还受到了真空室负压的抽引作用。由于偏心吹气的原因，了真空室负压的抽引作用。由于偏心吹气的原因，在气液两相区附近充满了大量气体，使得两相区内在气液两相区附近充满了大量气体，使得两相区内的密度远小于钢液密度。主要因这两种驱动力的作的密度远小于钢

35、液密度。主要因这两种驱动力的作用，以及气液两相区密度较小，使得钢液随吹入气用，以及气液两相区密度较小，使得钢液随吹入气体与上浮气泡作上升运动至真空室内自由表面处，体与上浮气泡作上升运动至真空室内自由表面处，这样就形成了上升流股。钢液上升到真空室内液体这样就形成了上升流股。钢液上升到真空室内液体表面处，由于受到后继流股的作用，会沿钢液表面表面处，由于受到后继流股的作用，会沿钢液表面向远离两相区方向运动，同时钢液内气体含量不断向远离两相区方向运动，同时钢液内气体含量不断减小（受真空泵抽真空的影响）液体密度变大，由减小（受真空泵抽真空的影响）液体密度变大，由于受自身重力的作用向下流动，到达钢包底部附

36、近于受自身重力的作用向下流动，到达钢包底部附近补充了被上升流股带走的钢液，这样就形成了下降补充了被上升流股带走的钢液，这样就形成了下降流股。流股。单嘴精炼炉示意图69武钢单嘴炉精炼效果武钢单嘴炉精炼效果 武钢三炼钢单嘴精炼炉如图a所示，图b为脱碳效果，可以看出单嘴精炼炉的脱碳效果是较好的，混匀时间较短，脱碳速度较快，最终碳含量为17ppm。a.武钢三炼钢单嘴精炼炉b.武钢三炼钢单嘴精炼炉脱碳效果70日本日本REDA单嘴炉精炼效果单嘴炉精炼效果日本八幡厂日本八幡厂 对对175t REDA 175t REDA 进行了大量的工业规模试验，结果发现：进行了大量的工业规模试验，结果发现：进行了进行了20

37、20多多minmin的精炼处理后，碳含量已经低于的精炼处理后，碳含量已经低于10ppm10ppm；日本八幡把由日本八幡把由350t DH 350t DH 改造成改造成REDAREDA，并对，并对REDA REDA 进行了规模化工业生进行了规模化工业生产试验，发现在真空泵抽气能力为产试验，发现在真空泵抽气能力为1600kg/h 1600kg/h 与真空度为与真空度为1torr 1torr 条件条件下，处理下，处理3030分钟后的钢中碳含量为分钟后的钢中碳含量为3ppm3ppm。175t REDA 175t REDA 工业条件脱碳结果350t REDA 350t REDA 的脱碳性能71单嘴精炼炉

38、与单嘴精炼炉与RH对比对比 由上图可以看出单嘴精炼炉与RH 有如下区别：单嘴精炼炉把RH 的上升管与下降管合并为单一的圆筒状吸嘴；单嘴精炼炉采用偏心炉底吹气，使钢液在钢包内和单嘴内形成循环；单嘴精炼炉选取钢包底部吹Ar，RH 在上升管内吹Ar。单嘴炉与RH装置对比单嘴炉与RH吹气方式对比72混匀时间的比较混匀时间的比较 可以明显看出单嘴精炼炉内的钢液循环速率高于RH，说明在单嘴精炼炉内的钢液搅拌情况要比RH 中强烈的多，原因可能因为搅拌气体是从较深位置吹入的，所以气体流股的上升路径较长，还有就是由气泡浮力产生的驱动能量能直接作用于钢包内的液体。73RH精炼钢包内钢液流场分布精炼钢包内钢液流场分

39、布数值模拟流畅分布物理模拟流畅分布钢液从下落管以较大流速流向包底，在左右分别形成两个循环流。74RH高效化生产的装备技术高效化生产的装备技术 C10-6提高真空室高度提高真空室高度增大环流量增大环流量提高抽气能力提高抽气能力 台湾中钢公司将台湾中钢公司将160tRH的蒸汽喷射泵抽气能力由的蒸汽喷射泵抽气能力由300kg/h增大为增大为400kg/h后，并将吹氩量由后，并将吹氩量由600Nl/min提高到提高到680Nl/min，使终点碳含量由使终点碳含量由305010-6降低到降低到3010-6以下，脱碳时间由以下，脱碳时间由20min缩短到缩短到15min。美国内陆钢铁厂将美国内陆钢铁厂将R

40、H的六级蒸汽喷射泵改造为五级蒸汽的六级蒸汽喷射泵改造为五级蒸汽喷射泵喷射泵/水环泵系统后，冷却水消耗量由水环泵系统后，冷却水消耗量由21t/炉减少到炉减少到5t/炉，炉，能耗降低能耗降低73%。增大吹氩量，优化吹氩工艺增大吹氩量，优化吹氩工艺增设多功能氧枪增设多功能氧枪 增设具有增设具有RHRH顶吹氧、喷粉和烘烤三大功能的多功能顶吹氧、喷粉和烘烤三大功能的多功能氧枪，对改善氧枪，对改善RHRH操作，提高精炼效率和操作，提高精炼效率和RHRH作业率具有重作业率具有重要意义。要意义。75利用旋流提高利用旋流提高RH精炼效率精炼效率 李宝宽等人利用水模型试验研究在上升管中使用轴流式和六片平直叶片式叶

41、轮，产生旋流对提高RH精炼效率的作用水模型实验研究表明:在RH装置上升管中施加旋流，无论是采用六片平直式叶轮还是轴流式叶轮，均可增加系统的循环流量.但当输人功率相同时，轴流式叶轮要比六片平直叶式叶轮产生旋流后的系统循环流量大.76旋流对气泡分布的影响旋流对气泡分布的影响可视化观察表明:没有施加旋流时，气泡主要贴近上升管壁面上浮，因而管壁侧填充气泡空位的液体缺乏.当施加旋流时，气泡被推移至上升管的中心线附近，因而气泡流过的空位四周均为液体，能充分填充空位，有助于系统循环流量提高。77RH长寿化装备技术长寿化装备技术改进真空室顶部结构改进真空室顶部结构提高提高RHRH浸渍管的使用寿命浸渍管的使用寿

42、命提高耐火材料抗侵蚀能力提高耐火材料抗侵蚀能力 改造为圆顶，寿命超过真空改造为圆顶，寿命超过真空室上部槽。室上部槽。RH月处理量超过月处理量超过70000吨。吨。通过耐火材料的优化，并结合采用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高效化生产工艺和完善RH终点控制技术，终点控制技术，缩短缩短RH的处理周期等技术措施，使的处理周期等技术措施，使RH底部槽寿命从底部槽寿命从1993年年1200炉提高到炉提高到1997年年2628炉，并创造了世界纪录。炉，并创造了世界纪录。采用浸渍管冷却技术，使浸渍管的平均寿采用浸渍管冷却技术，使浸渍管的平均寿命达到命达到320次。次。美国国家钢铁公司

43、大湖厂采用两个浸渍管美国国家钢铁公司大湖厂采用两个浸渍管轮流修补、交错砖型和用轮流修补、交错砖型和用MgO材料进行喷补材料进行喷补三项技术，也使浸渍管的寿命超过三项技术，也使浸渍管的寿命超过180炉。炉。78近几年国外近几年国外RH的主要技术参数的主要技术参数和性能指标和性能指标新日本钢铁公司新日本钢铁公司川崎钢铁川崎钢铁公公 司司日本钢管日本钢管公公 司司住友金属住友金属工业公司工业公司宝宝 钢钢RH设备参数设备参数名古屋钢铁名古屋钢铁厂厂2号号RH君津钢铁君津钢铁厂厂RH大分钢铁大分钢铁厂厂1号号RH水岛钢铁水岛钢铁厂厂4号号RH福山钢铁福山钢铁厂厂3号号RH鹿岛钢铁鹿岛钢铁厂厂2号号RH

44、炼钢厂炼钢厂吹吹O2方式方式OBOBOBKTBOBOBOB钢水容量，钢水容量，t270305340250250250300循环管内径，循环管内径，mm730650600750580750550循环气体量，循环气体量，l/min30002500400050005000500012001400抽气量抽气量 67Pa下下(kg/h)26.7Pa下下135016600100711682952877010001350015000-1500-950目标目标C10-6101718151512700050处理时间，处理时间，min1522181515152025日本日本RH冶炼效果冶炼效果80RH控制模型控制

45、模型 RH RH模型是建立在模型是建立在RHRH真空精炼冶金机理的基真空精炼冶金机理的基础上，结合现代自动控制技术，采用先进础上，结合现代自动控制技术，采用先进的算法开发的成套过程控制模型。的算法开发的成套过程控制模型。RHRH模型模型包括：包括：1.1.静态脱碳模型静态脱碳模型;2.2.动态脱碳模型动态脱碳模型;3.3.温度推定模型温度推定模型;4.4.合金最小成本及成分预报模型。合金最小成本及成分预报模型。81静态脱碳模型静态脱碳模型 静态脱碳模型的静态脱碳模型的主要功能主要功能是预测处理过程中随真空度的逐步下是预测处理过程中随真空度的逐步下降，钢液中碳含量和游离氧含量的变化规律。降，钢液

46、中碳含量和游离氧含量的变化规律。静态脱碳模型由预报模块和推定模块静态脱碳模型由预报模块和推定模块组成组成。预报模块根据每一。预报模块根据每一炉处理开始获得的初始碳、游离氧含量、钢液温度和真空排气炉处理开始获得的初始碳、游离氧含量、钢液温度和真空排气模式等信息，在处理初期即给操作人员提供为达到一定目标碳模式等信息，在处理初期即给操作人员提供为达到一定目标碳含量所必须的处理时间和吹氧操作等综合指导信息；推定模块含量所必须的处理时间和吹氧操作等综合指导信息；推定模块是在得到钢水基本信息和操作量信息是在得到钢水基本信息和操作量信息(如吹氧量、铝材投人量如吹氧量、铝材投人量等等)以后，推算处理结束时的碳

47、含量和游离氧含量。两个模块以后，推算处理结束时的碳含量和游离氧含量。两个模块的综合使用能够逐渐优化的综合使用能够逐渐优化RHRH的操作工艺。的操作工艺。静态脱碳模型是从冶金学静态脱碳模型是从冶金学碳氧平衡原理碳氧平衡原理出发，在一定的假设基出发，在一定的假设基础上建立的模型。础上建立的模型。RHRH真空脱碳是钢液中的碳和游离氧反应的过真空脱碳是钢液中的碳和游离氧反应的过程，在真空度和温度一定的情况下，如果脱碳反应达到平衡，程，在真空度和温度一定的情况下，如果脱碳反应达到平衡，碳含量和游离氧含量的乘积为一常数；同时假定参与脱碳反应碳含量和游离氧含量的乘积为一常数；同时假定参与脱碳反应的氧的固定百

48、分比来自于钢液，而其他部分来自于钢渣中金属的氧的固定百分比来自于钢液，而其他部分来自于钢渣中金属氧化物的被还原，则钢液中碳和游离氧含量的下降遵从特定的氧化物的被还原，则钢液中碳和游离氧含量的下降遵从特定的比例关系，由以上两个规律综合可以求得平衡碳和平衡氧含量。比例关系，由以上两个规律综合可以求得平衡碳和平衡氧含量。82静态脱碳模型静态脱碳模型Y.KitaY.Kita模型模型 在此模型中假设在此模型中假设RHRH处理时脱碳反应处理时脱碳反应发生在三个地点：氩气表面；发生在三个地点：氩气表面；COCO气气泡表面；钢液自由表面。该模型认泡表面；钢液自由表面。该模型认为为COCO气体表面的脱碳量相对与

49、其他气体表面的脱碳量相对与其他位置是很小的，可以忽略不计，所位置是很小的，可以忽略不计，所以只考虑其他两处的脱碳。以只考虑其他两处的脱碳。1 1）氩气泡表面的脱碳。在这种情况下，）氩气泡表面的脱碳。在这种情况下，假设所有氩气泡都是球状，随着钢假设所有氩气泡都是球状，随着钢液循环而上浮，并且都参加脱碳反液循环而上浮，并且都参加脱碳反应。在这里认为氧的传质是非限制应。在这里认为氧的传质是非限制环节。环节。2 2）真空室内钢液自由表面的脱碳。）真空室内钢液自由表面的脱碳。速率表达式为：速率表达式为：预测结果如右图所示预测结果如右图所示实测值与计算值的比较)%100(100%RTKKOKMWdtAKK

50、MCKOCdLiCCFeVLCCcoip83静态脱碳模型静态脱碳模型村建一郎模型 通过对RH脱碳反应各部位：1）真空室内钢液表面；2）氩气泡；3）真空室内钢液本体的脱碳速度的分析，定量估算其总脱碳量。在实际的RH操作条件下，钢液中O通常较C高，所以，不认为钢中氧的传质为限制环节。因此脱碳速度是由钢中碳的传质、气象界面化学反应和气相内传质等综合因素来限制。Koji Yamaguchi模型 该模型进行了一定的假设：钢包和真空室中的钢液完全混合；脱碳反应只在真空室中进行；气液界面的碳、氧浓度和真空室中的CO分压保持平衡；脱碳反应速率由碳、氧传质限制；脱碳机理如右图所示。脱碳反应机理示意图84脱碳数学

51、模型模拟结果脱碳数学模型模拟结果85RH精炼动态脱碳模型精炼动态脱碳模型 动态脱碳模型主要功能是动态脱碳模型主要功能是根据废气中根据废气中COCO，COCO2 2 等气等气体的在线分析值、初始碳体的在线分析值、初始碳分析值和废气流量，实时分析值和废气流量，实时预报钢水中碳含量。预报钢水中碳含量。动态脱碳模型是基于分析碳及抽真空产生的废气信息，结动态脱碳模型是基于分析碳及抽真空产生的废气信息，结合自适应控制技术实时预报钢水碳含量的模型。该模型可合自适应控制技术实时预报钢水碳含量的模型。该模型可以大大提高如质谱仪、红外分析仪等设备的利用率和实际以大大提高如质谱仪、红外分析仪等设备的利用率和实际效果

52、效果模型在画面上实时显示真空脱碳过程的许多相关信息，并模型在画面上实时显示真空脱碳过程的许多相关信息，并在画面上动态演示整个过程。为操作人员更好地实时控制在画面上动态演示整个过程。为操作人员更好地实时控制RH真空脱碳过程提供较为详细的参考，并可以优化真空脱碳过程提供较为详细的参考，并可以优化RH脱脱碳工艺。碳工艺。86RHRH精炼动态脱碳模型应用精炼动态脱碳模型应用 台湾中钢公司台湾中钢公司2号号RH每年生产每年生产IF钢和电工钢钢和电工钢40万吨，要求精确的万吨，要求精确的控制钢中碳含量，为了提高控制钢中碳含量，为了提高RH的作的作业率和终点控制精度该厂通过连续业率和终点控制精度该厂通过连续

53、测量废气成份和流量，开发出一种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。在线过程动态监控和控制系统。该控制系统有四个子系统，主要包该控制系统有四个子系统，主要包括：括：取样系统、气体分析系统、数取样系统、气体分析系统、数据采集系统、操作控制系统。据采集系统、操作控制系统。RHRH脱碳在线终点控制系统示意图脱碳在线终点控制系统示意图 该项控制技术用于该项控制技术用于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（提高，如冶炼超低碳钢（C2010-6）时，预报终点碳的平均偏差为）时，预报终点碳的平均偏差为1.910-6。

54、同时，大大改善了终点目标含碳量的命中率，冶炼。同时，大大改善了终点目标含碳量的命中率，冶炼IF钢和电工钢和电工钢时目标碳含量的命中率从钢时目标碳含量的命中率从90.4%提高到接近提高到接近100%。根据脱碳期间获得。根据脱碳期间获得的监控数据进一步改善吹氩工艺，提高了的监控数据进一步改善吹氩工艺，提高了RH脱碳速度，使脱碳速度，使RH脱碳脱碳16min后钢液中的碳含量降低到后钢液中的碳含量降低到1010-6以下。以下。87RH精炼温度模型精炼温度模型温度模型的主要功能有：(1)根据处理开始时的首次测温信息预报钢水温度的变化趋势；(2)根据RH处理中的测温信息、实际合金投人量、吹氧量以及操作工设

55、定的信息，实时推定钢水温度变化；(3)操作人员根据温度预报值，可以有效地对处理过程进行控制，提高处理终了温度的命中率；(4)在已镇静钢水获取第1个测温信息后，计算需要增加的冷材量或吹氧量。温度模型是建立在人工智能技术与冶金学机理基础上的混合模型，由3个子模型构成，包括人工智能模型、冶金机理模型、信息管理模型。8889合金最小成本模型及成分预报模型合金最小成本模型及成分预报模型合金最小成本模型根据生产计划及钢种要求计算成本最低的合金投入组合及投人量，需要添加的元素量由目标出钢成分、钢水初始成分、各元素收得率以及钢水量等决定。主要功能有：(1)操作工可以对各参数进行人工设定修正，如各元素目标成分、

56、初始成分、收得率及合金投入限制量等；(2)可以屏蔽指定的若干元素的成分约束，忽略其成分要求，使之适应特定情况下的求解；(3)允许操作工设定一种或几种合金量，模型可对其余的合金继续作最小成本计算。下面是合金模型LP部分的数学描述：式中，Cj 为合金j 的单价；Xj为合金j 的投人量；Aij为合金 j中元素 i(1，2，m)的含有率；Bi 为元素i的需要量；Bum 为元素i的需要量上限；Blm 为元素i的需要量下限；Xset 为合金设定投入量，Xlim为合金使用限制量；m为合金中的各种元素；n为所用的各种合金；c1，c2，c 1，n,，用于某些合金有设定投入量和使用限制量时的特殊约束表达式中。90

57、高级别钢种生产工艺流程高级别钢种生产工艺流程传统工艺：EAF/BOF-（LF）-VD，在新建的钢厂中多采用：EAF/BOF-LF-RH工艺；两种工艺的优点如下表所示VD真空精炼过程，是一个渣洗的过程，钢渣充分接触，为钢渣反应提供了很好的动力学条件，但处理结束后钢渣完全分离需要较长时间，是现代高效炼钢越来越不可接受的。而RH的高效恰恰满足了现代炼钢高效的需要。91结结 论论 （1 1）经过四十多年的发展，）经过四十多年的发展，RHRH工艺与装备技术已发展到日臻工艺与装备技术已发展到日臻完善的地步，今后完善的地步，今后RHRH技术的主要发展方向是实现多功能化、高效技术的主要发展方向是实现多功能化、

58、高效化和长寿化。化和长寿化。（2 2）RHRH多功能精炼工艺主要包括：真空脱碳与超低碳钢冶炼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。氧与夹杂物上浮技术和吹氧进行热补偿工艺。（3 3）实现）实现RHRH多功能化的技术关键是研究开发多功能氧枪，将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。备长寿化的目标。（4 4）RHRH装备技术的进步集中体现在高效化生产、设备长寿化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。和终点智能控制等方面。92