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RH真空精炼工艺与装备技术的发展.pptx
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1、1RHRH真空精炼工艺与装备技术的发展真空精炼工艺与装备技术的发展 刘刘 浏浏钢铁研究总院钢铁研究总院2汇报内容汇报内容1.RH1.RH发展与应用发展与应用2.RH2.RH单元反应与基本工艺单元反应与基本工艺3.RH3.RH多功能精炼技术多功能精炼技术4.RH4.RH高效化生产技术高效化生产技术5.RH5.RH工艺优化工艺优化6.RH6.RH典型钢种处理典型钢种处理3RHRH发展与应用发展与应用4RHRH的发展历史的发展历史 RH RH精炼技术是精炼技术是19591959年德国年德国RheinstahlRheinstahl和和HutlenwerkeHutlenwerke公司联合开发成公司联合开
2、发成功的。功的。RHRH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。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。RHRH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 1)发展阶段()发展阶段(19681968年年19801980年):年):RHRH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 2)多功能)多功能RHRH精炼技术的确立(精炼技术的确立(19801980年年20002000年):年):RH
3、RH技术几乎达到技术几乎达到尽善尽美的地步。尽善尽美的地步。表表1 RH1 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(C1010C1010-6-6)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。5RHRH成为最主要的炉外精炼设备
4、成为最主要的炉外精炼设备 目前,目前,RH已成为世界上最主要的炉外精炼设备。其特点是:精炼功能强、处已成为世界上最主要的炉外精炼设备。其特点是:精炼功能强、处理能力大、处理周期短、处理后钢水的洁净度水平高,因此在世界上广泛的应用理能力大、处理周期短、处理后钢水的洁净度水平高,因此在世界上广泛的应用于转炉炼钢厂,并成为生产低碳冷轧钢板所必须的炉外精炼设施。和其它真空精于转炉炼钢厂,并成为生产低碳冷轧钢板所必须的炉外精炼设施。和其它真空精炼设备相比,炼设备相比,RH的处理时间最短,处理后钢水的洁净度最高。从投资成本比较,的处理时间最短,处理后钢水的洁净度最高。从投资成本比较,现代现代RH比传统比传
5、统RH略有增加,但和其它真空精炼设备相比,投资成本约高出略有增加,但和其它真空精炼设备相比,投资成本约高出50%。但其操作成本低于传统。但其操作成本低于传统RH,与,与VD炉大体相当。炉大体相当。现代现代RH传统传统RHVDVODDH真空钢包炉真空钢包炉碳含量碳含量/10-615200.05-1.05030-4040-50最大脱碳速率最大脱碳速率/min-10.350.10.1500.200.080.09脱碳时间脱碳时间/min1315无脱碳功能无脱碳功能40-5015-2020脱氢能力脱氢能力/10-61.01.52.02.02.02.0钢中钢中T.O/10-6152510303030脱硫率
6、脱硫率/%40-60080-9080-9070-8580-90化学加热化学加热有有无无无无有有无无无无相对投资成本相对投资成本10.8-0.90.5-0.60.6-0.70.4-0.50.3-0.4相对操作成本相对操作成本1.11.21.01.20.90.8表表1 各种真空精炼方法的技术比较各种真空精炼方法的技术比较6RHRH适合各种高品质钢的精炼要求适合各种高品质钢的精炼要求 新一代钢铁材料的发展趋势是:超洁净、高均匀和微细组织结构控制。新一代钢铁材料的发展趋势是:超洁净、高均匀和微细组织结构控制。RH可以满足各可以满足各类高品质钢材洁净度的要求。对于同时要求超低碳、超低硫的钢种(如电工硅钢
7、)和同时要类高品质钢材洁净度的要求。对于同时要求超低碳、超低硫的钢种(如电工硅钢)和同时要求超低碳、超低氮的钢种(如求超低碳、超低氮的钢种(如IF钢)以及同时要求低碳、低硅的钢种(如涂镀钢板)钢)以及同时要求低碳、低硅的钢种(如涂镀钢板)RH是是唯一最佳的精炼设备。而对于要求氧、硫含量的钢种(如低合金高强度钢和特殊钢)可以选唯一最佳的精炼设备。而对于要求氧、硫含量的钢种(如低合金高强度钢和特殊钢)可以选择择RH也可以选择也可以选择LF-VD(或(或LF-RH)。而对于不锈钢冶炼)。而对于不锈钢冶炼VOD是最佳的冶炼设备,但日本是最佳的冶炼设备,但日本许多钢厂也采用许多钢厂也采用RH取代取代VO
8、D生产不锈钢。生产不锈钢。表表2 各种高品质钢的性能和洁净度要求及其相适应的精炼方法各种高品质钢的性能和洁净度要求及其相适应的精炼方法钢 类代表钢种技术特点纯净度要求10-6精炼工艺性能指标SBrEL/%超低碳钢IF钢要求同时降低钢中C、N和T.OC20,N20,S50,T.O20,dS40低碳铝镇静钢 TIRP钢准确控制成份、夹杂物和组织结构,保证表面质量C0.2,Si0.03,Mn=1.5RH4508000.926低合金高强度钢X80X100超低硫精炼,严格控制钢中夹杂物和钢材组织结构S10,P80O20,N50,H1LF-RHLF-VD55069021高级电工钢35W230 要求同时降低
9、C、N含量和S含量,精确控制成份和析出物形态C24,S+N30 Si2.62.9%S10,N25RHP1.5/50(W/kg)2.20B50(T)1.68超纯铁素体不锈钢409L444严格控制钢中C、N和S的含量,降低晶间腐蚀C+N120S+N80VODRH2204001.430特殊钢(轴承钢)GCr15严格控制钢中T.O含量、夹杂物和碳化物析出,提高疲劳寿命T.O1077现代现代RHRH与传统与传统RHRH的技术差别的技术差别 RH诞生至今诞生至今50多年的历史中,多年的历史中,RH精炼工艺与装备技术不断发展,形成的现代精炼工艺与装备技术不断发展,形成的现代RH精炼精炼工艺与装备技术完全不同
10、于传统的工艺与装备技术完全不同于传统的RH,其最大特点是进一步增加了精炼功能(从单纯脱气,其最大特点是进一步增加了精炼功能(从单纯脱气和脱氧发展到脱碳、脱硫与调温),并使处理周期大幅度缩短。例如,和脱氧发展到脱碳、脱硫与调温),并使处理周期大幅度缩短。例如,1970年年RH最初具备最初具备脱碳功能时,处理终点的最低碳含量为脱碳功能时,处理终点的最低碳含量为0.01%,需要处理时间,需要处理时间30min。而今天,。而今天,RH脱碳终点脱碳终点碳含量可以达到碳含量可以达到0.0015%以下,最低碳含量达到以下,最低碳含量达到3 10-6,而所需要的脱碳时间仅为,而所需要的脱碳时间仅为15min。
11、90年代初期,日本开发了年代初期,日本开发了RH顶吹氧工艺(顶吹氧工艺(RH-KTB),对),对RH精炼工艺的发展起到了重精炼工艺的发展起到了重要的促进作用,标志着现代要的促进作用,标志着现代RH精炼装备的诞生。和传统精炼装备的诞生。和传统RH相比,现代相比,现代RH的主要技术特点的主要技术特点是:是:高效化是高效化是RH技术发展的主要趋势:技术发展的主要趋势:回顾回顾RH的发展历史,对比现代的发展历史,对比现代RH与传统与传统RH的技术差别,可以证明的技术差别,可以证明RH高效高效化是半个世纪以来化是半个世纪以来RH精炼技术发展的重精炼技术发展的重要方向。研究开发要方向。研究开发RH高效化的
12、主要技术高效化的主要技术措施是:措施是:RH快速精炼技术的发展;快速精炼技术的发展;提高提高RH高作业率的工艺装备技术;高作业率的工艺装备技术;RH自动化与计算机控制技术。自动化与计算机控制技术。采用采用RH吹氧,提高了粗炼钢水碳含量吹氧,提高了粗炼钢水碳含量(从从0.025%提高到提高到0.06%),降低了处理温降;,降低了处理温降;通过扩大真空室内径,增加高度,扩大浸渍管直径,进一步提高钢水循环流量;通过扩大真空室内径,增加高度,扩大浸渍管直径,进一步提高钢水循环流量;通过提高抽气能力和循环气体流量,提高了通过提高抽气能力和循环气体流量,提高了RH反应速度;反应速度;采用喷粉工艺实现钢水深
13、脱硫(采用喷粉工艺实现钢水深脱硫(S 10-6)。)。8RHRH单元反应与基本工艺单元反应与基本工艺9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: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
14、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:10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基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
15、了方便描述各种反应本保持不变,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速度,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
16、室底部增设8 8支支 2mm2mm吹吹ArAr管吹氩(管吹氩(QA=800Nl/minQA=800Nl/min),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:11脱脱 氢氢 RH脱氢效率很高,处理脱氧钢水,脱氢效脱氢效率很高,处理脱氧钢水,脱氢效率率 H65%;处理弱脱氧钢水,由于剧烈的;处理弱脱氧钢水,由于剧烈的C-O反应使反应使70%。RH的的 H 值决定于循环次数(值决定于循环次数(N)。RH处理后钢水含处理后钢水含H量为:量为:式中:式
17、中:N为钢水循环次数。为保证良好的脱氢效为钢水循环次数。为保证良好的脱氢效果,要求:果,要求:由于由于RH的真空度很高,脱氢速度可表示为:的真空度很高,脱氢速度可表示为:经测定对经测定对200tRH,吹,吹Ar流量为流量为20002500Nl/min时,时,kH为为0.16min-1。增大吹增大吹Ar流量使流量使kH值提高。如对值提高。如对340tRH,吹,吹Ar量从量从0增加到增加到2500Nl/min时,时,kH可提高可提高1倍。倍。采用采用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
18、脱氢反应。增强了钢水中气泡异相形核的能力,有利于脱氢反应。RHRH喷粉法和喷粉法和RHRH法处理钢的氢含量对比法处理钢的氢含量对比12脱脱 氮氮 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,随钢中速度。务川进等人通过实验研究发现,随钢中%O%O和和%S%S含量的增加,钢含量的增加,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:计算真空脱氮速度:式中:式中:kN=15.9fN2/(1+1
19、73aO+52aS+17aN)2。a a 吸氮吸氮 b b 脱氮脱氮真空度、表面活性元素含量对钢水吸氮和脱氮的影响真空度、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脱氮速度常数计算值与实测值的比较与实测值的比较 13RHRH多功能精炼技术多功能精炼技术14脱脱 硫硫对铝脱氧钢水,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
20、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(%SiO2)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。RH喷粉钢包喷粉
21、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15脱脱 磷磷 将将RH吹氧工艺与喷粉工艺相结合可以实现吹氧工艺与喷粉工艺相结合可以实现RH脱磷。在脱磷。在RH吹氧脱碳期同时喷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采用采用OB/PB工工艺,可生产艺,可生产P2010-6的超低磷钢。的超低磷钢。粉剂中粉剂中(%CaO)20%时,炉渣脱磷能力最强。提高真空度使炉渣脱磷能力略时,炉渣脱磷能力最强。提高真空度使炉
22、渣脱磷能力略有提高。根据有提高。根据RH-PB处理中取出的粉剂颗粒,经处理中取出的粉剂颗粒,经X光衍射分析的结果绘出右图。光衍射分析的结果绘出右图。由于由于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,上浮粉剂颗粒中提高。如图所示,上浮粉剂颗粒中P2O5含量接近含量接近3CaOP2O5或或4CaOP2O5的理论的理论极限。远高于铁水预处理或转炉脱磷效率。极限。远高于铁水预处理或转炉脱磷效率。粉剂配比和真空度对炉渣脱磷粉剂配比和真空度对炉渣脱磷能力的影响能力的影响 RH-PBRH-PB工艺中粉剂
23、颗粒的脱磷工艺中粉剂颗粒的脱磷效果比较效果比较logCP=log(%P)/(aPO5/2)16脱氧与夹杂物上浮脱氧与夹杂物上浮 RH 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AlAl2 2O O3 3夹杂,夹杂,RHRH精炼过程中钢水氧含量的变化精炼过程中钢水氧含量的变化可以表示为:可以表示为:RHRH处理钢水中夹杂物的形貌和成份处理钢水中夹杂物的形貌和成份 RH RH精炼中,炉渣传氧决定于渣中精炼中,炉渣传氧决定于渣中(%FeO)+(%FeO)+(%MnO)(%MnO)含量。由于含量。由于RHRH有效地避免了卷渣,顶渣对有效
24、地避免了卷渣,顶渣对钢水的氧化大为减弱。钢水的氧化大为减弱。RHRH的表观脱氧速度常数的表观脱氧速度常数 比钢包吹氩(比钢包吹氩(GIGI)工艺大约提高)工艺大约提高1 1倍。倍。若若RHRH处理前控制渣中处理前控制渣中(%FeO)+(%MnO)1%(%FeO)+(%MnO)1%,处理,处理后钢中后钢中OT1010OT1010-6-6。RHRH精炼过程中氧化物夹精炼过程中氧化物夹杂的排出速度可以表示为:杂的排出速度可以表示为:渣中渣中FeO+MnOFeO+MnO含量和脱氧速度含量和脱氧速度常数常数k k间的关系间的关系17夹杂物尺寸对去除的影响夹杂物尺寸对去除的影响 钢中夹杂物的上浮决定于夹杂
25、物的尺寸:大颗粒夹杂上浮去除,而小颗粒夹杂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:人提出的表达式描述:N=N0exp(-D)式中:式中:D为夹杂物的半径;为夹杂物的半径;N为夹杂物的数量(为夹杂物的数量(l/kg););为常数。为常数。钢水氧含量的变化表达式如下:钢水氧含量的变化表达式如下:RHRH精炼过程中精炼过程中TOTO的行为的行为koko和搅拌能量的关系和搅拌能量的关系0.5018NK-PERMN
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