RH多功能真空精炼工艺与装备技术的发展与瞻望

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：L c L C k dtdC ⋅=- （1） )exp(t k C C c L L ⋅-⋅= （2） )(min )/1/1(601-⋅+=ραc c k Q w k （3）k c 为RH 的表观脱碳速度常数，k c 主要决定于RH 内钢水循环流量Q 和体积传质系数αk 。

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Q g 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φ300×56mm 的椭圆形插入管代替φ300mm 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● 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]）：3/13/43/1H D Q K Q u G ⋅⋅⋅∝ （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αk （=传质系数×反应界面积）。

RH 的体积传质系数与以下因素有关：● αk 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αk 值提高[15]；● 改变吹氩方式也利于提高αk值：如在300tRH 的真空室底部增设8支φ2mm 吹Ar 管吹氩（Q A =800Nl/min ），使αk 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]：48.117.132.0V V C Q A k ⋅⋅∝α （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，k c = 0.1min -1。

扩大上升管直径增加环流后，达到k c = 0.15min -1。

进一步改进吹Ar 方式使αk 值增大，k c = 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αk 的影响图3 RH 钢水循环流量Q 和体积传质系数αk 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(ρ/ρ0)/t (min -1)，如图4所示[17]。

当R=0.3min -1、Q G =1500Nl/min 变化到R=0.54min -1、Q G =1000Nl/min 时，使240tRH 的脱碳速度常数k c 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k c 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] = (Al 2O 3) + 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 ）：CaO sat O Al a S a P S ⋅=⋅)/(%)(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%(Al 2O 3)+10%(SiO 2)[18]。

RH 喷粉通常采用图5 KTB 法与普通RH 脱 碳速度的比较[7]CaO+CaF 2系脱硫剂，该种粉剂的脱硫分配比可按正式计算[19]：L a = (%S)/[%S] = 1260-25(%Al 2O 3) – 75(%SiO 2)±250 （8） 钢水脱硫速度为：}][%]{[%][%e s S S k VA dt S d --=，根据高桥等人的测定[20]：k s = 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+CaF 2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P 2O 5含量接近3CaO ·P 2O 5或4CaO ·P 2O 5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Al 2O 3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：outT in T T dt O d dt O d dt O d ⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=-][][][ （9） 式中：inT dt O d ⎪⎭⎫ ⎝⎛][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。

outT dt O d ⎪⎭⎫ ⎝⎛][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(t O O k i tt T o =比钢包吹氩（GI ）工艺大约提高1倍[18]。

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：T o outT O k dt O d ][][⋅-=⎪⎭⎫ ⎝⎛ （10） k o 为表观脱氧速度常数（s -1）。

令k = k V + k L （下标V 表示真空槽，L 表示钢包）。

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 = N 0·exp （-α·D ） （11）式中：D 为夹杂物的半径；N 为夹杂物的数量（l/kg ）；N 0、α为常数。