RH真空精炼技术

1RH精炼技术现代纯净钢生产工艺流程在纯净钢生产中，RH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RH精炼。2钢铁冶炼工艺路线3大型联合企业冶炼工艺流程4铁水脱硫转炉复吹CAS-OB板坯连铸产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板坯连铸产品IF钢电工用钢石油管线钢低温用钢超深冲钢LF5特殊钢厂冶炼工艺路线废钢生铁DRI/HBIUHP电炉铁水脱硅脱磷转炉复吹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AODSS-VODRH-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短流程钢厂冶炼工艺路线6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/HBIUHP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1RH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℃CST.OPNH技术水平≤20≤10≤15≤20≤20≤1.026.30.35≤±5（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。RH的工作原理钢液真空循环原理类似于“气泡泵”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。8RH装置示意图RH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0.67mbar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。9RH工艺流程10RH工艺过程描述•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。11RH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。12RH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。13RH精炼车间示意图RH设备示意图RH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。15RH真空室示意图RH法主要的工艺参数•处理容量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VT，t=Tc/VT。•循环因数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。16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。RH法主要的工艺参数•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。33.005.1GdaW33.005.1GdaW17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RH法主要的工艺参数•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。18100T钢包RH年处理能力的估算RH年处理能力的估算：式中：P:年处理能力:平均炉处理能力,100t:平均处理周期,36min:LD－LF－RH－CC--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。193216024330THP1235.49%5.99%85%85366024330001PHTRH精炼的主要冶金功能•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20RH精炼的主要冶金功能21RH真空精炼的冶金功能真空脱碳-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22不同真空条件的碳氧平衡曲线脱碳与脱氧的关系][75.01612OOC23RH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：右图显示了RH脱碳时脱碳量与脱氧量的关系24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)exp(tkCCcLL)(min)/1/1(601cckQwkRH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：循环流量Q的计算值与实测值的比较•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：3/13/43/1HDQKQuG25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）。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。KojiYMAMGUCHI总结100t~260tRH的实际生产数据提出以下关联式：48.117.132.0VVCQAk脱碳影响因素的分析•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。o循环量Q与插入管内径d4/3成正比。插入管供气流量90Nm3/h05010015020025030035005101520处理时间(min)[C](ppm)550mm650mm720mm750mm26不同插入管内径的脱碳曲线•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27插入管内径750mm0501001502002500246810121416处理时间(min)[C](ppm)60Nm3/h90Nm3/h120Nm3/h150Nm3/h28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，脱碳速度常数K=0.1min-1。扩大上升管直径增加环流后，达到K=0.15min-1。进一步改进吹Ar方式使传质系数k值增大，K=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。KTB法与普通RH脱碳速度的比较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K和吹Ar流量对脱碳速度的影响深脱碳处理需要深脱碳的钢种,指含碳量≤0.010%的钢种。这类钢种在转炉中并不将[C]吹炼到最低极限，为了保留一定的残余锰及金属收得率，通常转炉吹炼到[C]～0.05％左右即出钢，出钢时只进行少量的锰合金化及极弱的脱氧,保持钢水中自由氧在600ppm以上。这种处理的特点是在50mbar至200mbar压力下，先进行真空脱碳，最后在1.33mbar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碳过高（≥0.06％）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IF钢需加Ti或V、Nb等）及最终调整化学微量元素含量。29深脱碳操作30RH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，调节气体流量必须由小到大，防止喷溅。•钢水温度