RH精炼技术的应用与发展

　　RH法是一种重要的炉外精炼方法,具有处理周期短、生产能力大、精炼效果好、容易操作等一系列优点,在炼钢生产中获得了广泛应用。到目前为止, RH已经由原来单一的脱气设备转变为包含真空脱碳、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等多功能的炉外精炼设备。而且随着技术的进步和精炼功能的扩展,在生产超低碳钢方面表现出了显著的优越性,是现代化钢厂中一种重要的炉外处理装置。

　　1　RH精炼技术的开发与应用

　　最初开发应用RH的主要目的是对钢水脱氢,防止钢中白点的产生,因此,RH处理仅限于大型锻件用钢、厚板钢、硅钢、轴承钢等对气体有较严格要求的钢种,应用范围很有限。

　　20世纪80年代,随着汽车工业对钢水质量的要求日益严格,RH技术得到迅速发展。这一时期RH技术发展的主要特点如下:

　　(1)优化工艺、设备参数,扩大处理能力;

　　(2)开发多功能的精炼工艺和装备;

　　(3)开发钢水热补偿和升温技术;

　　(4)完善工艺设备,纳入生产工艺在线生产,逐年提高钢水真空处理比例。

　　采用RH工艺能够达到以下效果：

　　(1)脱氢。经循环处理后,脱氧钢可脱w(H)约65%,未脱氧钢可脱w(H)约70%;使钢中的w(H)降到2×10-6以下。统计分析发现,最终氢含量近似地与处理时间成直线关系,因此,如果适当延长循环时间,氢含量还可以进一步降低。

　　(2)脱氧。循环处理时,碳有一定的脱氧作用,特别是当原始氧含量较高,如处理未脱氧的

　　钢,这表明钢中溶解氧的脱除,主要是依靠真空下碳的脱氧作用;如RH法处理未脱氧的超低碳钢,w(O)可由(200～500)×10-6降到(80～300)×10-6,处理各种含碳量的镇静钢,w(O)可由(60～250)×10-6降到(20～60)×10-6。

　　(3)去氮。与其他各种真空脱气法一样,RH法的脱氮量也是不大的。当钢中原始含氮量较低时,如w(N)<50×10-6,处理前后氮含量几乎没有变化。当w(N)>100×10-6时,脱氮率一般只有10%～20%。

　　(4)脱气钢的质量高。真空循环脱气法处理用钢、高强钢、各种碳素和合金结构钢、轴承钢、工具钢、不锈钢、电工钢、深冲钢等。钢液经处理后可提高纯净度,使纵向和横向机械性能均匀,提高延伸率、断面收缩率和冲击韧性。对于一些要求热处理的钢种,脱气处理后一般可缩短热处理时间。

　　(5)经济效果好。采用RH工艺后,可以缩短生产周期,提高收得率,节约脱氧剂及合金元

　　素,改善钢质量,而且脱气处理后一般可缩短热处理时间,获得较好的经济效果。实践证明,真空脱气不会增加每吨钢的生产成本,对于一些钢种还会明显地降低成本。

　　RH工艺能够准确控制和迅速达到预先规定的冶金目标(这对连续浇铸来说十分必要),温度损失小,故在超低碳深冲钢的生产方面发挥着极为重要的作用。至20世纪90年代中期,RH真空精炼处理水平和配套技术已达到相当完善和成熟,容量从几十吨至340t,有130余套设备投入使用[2],韩国浦项、日本新日铁、德国蒂森克虏伯等国外钢铁公司都采用了RH装置。

　　日本在RH技术日趋完善的过程中作出了重要贡献。1963年日本引进RH真空精炼技术

　　后,在脱氢的基础上又开发了脱碳、脱氧、吹氧升温、喷粉脱硫和成分控制等功能,使改进后的RH法能进行多种冶金操作,更好地满足了扩大处理钢种范围、提高钢材质量的要求。

　　1965年,我国大冶钢厂从原西德引进了70tRH装置[3],循环式真空脱气处理的优势逐渐得到认识,武钢、宝钢、攀钢等多家钢铁企业也相继采用了该项技术,至2002年,我国RH装置台数及处理能力见表1[4,5]。

　　RH精炼技术的发展方向是多功能化,除脱气功能外,还增加了真空脱碳、脱硫、成分微调和钢水热补偿等多种功能,为了加速脱碳,还出现了多种真空下吹氧强制脱碳技术。RH真空吹氧技术的发展经历了RH-O, RH-OB, RH-KTB,RH-MFB4个主要阶段[6],此后,在RH-OB,RH-KTB设备的基础上增加了喷粉功能,使其既具有RH通常功能,又有脱硫、脱磷和改变非金属夹杂物形态的功能。

　　2　RH吹氧脱碳及相关技术的发展

　　RH真空精炼过程中,主要靠钢水中的氧进行脱碳,脱碳反应方程式如下:

　　[C]+[O]=CO (1)

　　脱碳反应动力学可用式(2)描述:

　　Ct=C0exp(-Kc·t) (2)

　　Kc=(W/V)·[AK/(W+AK)] (3)

　　式(2～3)中,t为时间,min;Ct为t时间的碳质量分数,%;Co为处理前的碳质量分数,%;Kc为反应速率常数,min-1;W为钢水环流量,t/min;V为钢水的体积,m3;AK为脱碳反应的容积常数,m3/s。

　　当w(C)<0.003%时,W>>AK,脱碳过程出现停滞趋势[7]。通过增大吹氩流量和环流速度,可使脱碳速率常数Kc增大,进一步降低碳含量。

　　2.1　RH-O真空吹氧技术

　　1969年德国蒂森钢铁公司亨利希钢厂开发了RH-O技术[8],首次用钢质水冷氧枪从真空室顶部向真空室内循环着的钢水表面吹氧以强化脱碳冶炼低碳不锈钢,既缩短了冶炼周期又降低了脱碳过程中铬的氧化损失。但在工业生产中RH-O技术暴露出以下问题:氧枪结瘤严重,因氧枪动密封不良而使氧枪枪位无法调整。这些问题一时无法解决,而当时VOD精炼技术能较好地满足不锈钢生产的要求,所以RH-O技术未能得到广泛运用。

　　2.2　RH-OB真空吹氧技术

　　1972年新日铁室兰厂根据VOD生产不锈钢的原理,开发了RH-OB真空吹氧技术[9]。使用真空吹氧精炼技术可进行强制脱碳、加铝吹氧升高钢水温度、生产铝镇静钢等,减轻了转炉负担,提高了转炉作业率,缩短了冶炼时间,降低了脱氧铝耗。

　　RH-OB真空吹氧技术在20世纪80年代得到了较快发展,但也存在不足:吹氧喷嘴寿命低,降低了RH设备的作业率;喷溅严重,增加了RH真空室的结瘤，延长了清除结瘤及辅助作业时间,要求增加RH真空泵的能力。这些问题,阻碍了RH-OB真空吹氧技术的进一步发展[6]。

2.3　RH-KTB真空吹氧技术

　　1986年日本原川崎钢铁公司(现已和NKK重组为JEE公司)在传统的RH基础上,成功地

　　开发了RH顶吹氧(RH-KTB)技术,将RH技术的发展推向一个新阶段。RH装置上采用KTB技术[10],在脱碳反应受氧气供给速率支配的沸腾处理前半期,向真空槽内的钢水液面吹入氧气,增

　　大氧气供给量,因而可在[O]较低的水平下大大加速脱碳。在钢中w(C)>0.03%的高碳浓度区,KTB法的脱碳速率常数Kc=0.35,比常规RH法大;在钢中w(C)>0.01%的范围内,主要由吹氧来控制脱碳反应,脱碳速度随着[O]的增加而增加;而在钢中w(C)≤0.01%下吹氧的意义就不大了。因此,使用RH-KTB法,转炉出钢钢水w(C)可由0.03%提高到0.05%,并可以用高碳铁合金代替低碳铁合金作为RH合金化的原料。

　　应用RH-KTB技术,在KTB脱碳的同时,脱碳反应生成的CO气体在真空槽内二次燃烧放出

　　热量,可补偿脱碳精炼中钢液的温度损失,可降低转炉的出钢温度;不需要延长精炼时间,可获得高的脱碳速度;在转炉出钢终点w(C)>0.05%的情况下冶炼超低碳钢,脱碳过程中不会发生强烈喷溅,减少了RH-OB工艺中的氩气的消耗[6];使用灵活,操作简便。虽然RH-KTB技术也有其不足之处(如增加了氧枪及其控制系统,要求真空室有更高的高度),但在现有的真空吹氧技术中仍不失为佼佼者。

　　2.4　RH-MFB多功能喷嘴技术

　　1992年日本新日铁公司广畑厂在日本原川崎公司开发RH-KTB精炼技术之后,为降低初炼炉的出钢温度以及脱碳的需要,开发了多功能喷嘴的RH顶吹氧技术[11]。其冶金功能与KTB精炼技术相近,另外可喷吹铁矿石粉以加速脱碳,还可在精炼过程中吹入一定量的天然气使之燃烧达到加热钢水的目的。

　　3　RH喷粉技术及其发展

　　RH喷粉技术是在RH-OB,RH-KTB设备的基础上增加了喷粉技术,实现了脱硫、脱磷和改

　　变非金属夹杂物形态的功能。

　　3.1　RH-PB法

　　1987年新日铁名古屋厂研制成功RH-PB法[12]。它利用RH-OB法真空室下部的吹氧喷嘴将粉剂通过OB喷嘴吹入钢液,进行脱气、脱硫以及冶炼超低磷钢的精炼。RH真空室下部一般有两个喷嘴,可以通过切换阀门改变为吹氧或喷粉。加铝可使钢水升温,速度达8～10℃/min,脱硫率能达70%～80%;同时,还具有良好的脱氢效果,不会影响传统的RH真空脱氧能力,更无吸氮之忧[13]。采用RH-PB法时,吹入并分布在钢水中的溶剂形成的溶渣颗粒具有很强的脱硫能力,提高了脱硫效率。因此使用少于传统方法中的熔剂也能达到很高的脱硫率。

　　3.2　RH-PTB喷粉法

　　1994年日本住友金属工业公司和歌山厂研制开发了RH-PTB喷粉法[14]。该法利用水冷顶枪进行喷粉,粉剂输送较流畅,喷嘴不易堵塞;不使用耐火材质的浸入式喷粉枪,操作成本较低;无钢水阻力,载气耗量小。

　　此法冶炼超低硫钢喷吹CaO-CaF2系粉剂,冶炼极低碳钢喷吹铁矿石粉剂。用RH-PTB法

　　喷粉时,喷粉速度为100～130kg/min,约喷吹10min。当CaO-CaF2粉剂用量为5kg/t时,可使钢中w(S)降到5×10-6以下;当用量为8kg/t时,可得w(S)=(1.3～2.9)×10-6的超低硫钢,此时脱硫率大于90%。同时,钢中w(N)也由20×10-6降到15×10-6。喷铁矿粉时,喷粉速度为20～60kg/min,喷吹约10min。喷粉后消除了一般RH中w(C)<30×10-6时脱碳的停滞现象,处理后w(C)可降到30×10-6。

　　3.3　MESID技术

　　1994年比利时西德玛(SIDMAR)钢铁公司研制成功MESID技术,MESID喷枪用脉冲气流

　　工作,从而减少氧气流对真空室内钢液面的影响[15]。可向溶池表面喷吹用于脱硫的固体混合料,还可加热真空室的耐火材料或保温。

　　4　RH技术冶金功能的比较

　　40多年来,RH精炼技术取得了巨大进展,由起初单一的脱气设备发展成为包含真空脱气、脱碳、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等的一种多功能炉外精炼设备。各类RH多功能处理方法的冶金功能比较见表2。

　　5　结语

　　40多年来,RH及RH多功能精炼技术在国内外得到了广泛应用和迅速发展,其喷吹气体和粉剂的实用技术在一定程度上已经确立,但在RH综合精炼实用技术及依据上仍有许多待解决问题。随着钢材纯净度的日益提高,要求真空处理的钢种逐渐增多,真空精炼技术的应用将更加普遍,而日本新改建的炼钢厂已明确提出全部钢水进行真空处理的发展目标。因此,真空精炼技术将会进一步发展。

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