RH真空精炼技术的发展.pptx

1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。2钢钢铁铁冶冶炼炼工工艺艺路路线线3大型联合企业冶炼工艺流程4特殊钢厂冶炼工艺路线脱硫5短流程钢厂冶炼工艺路线6RH 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Hutlenwerke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（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。7RH的工作原理的工作原理 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。RH装置示意图8RH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 mbar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工艺流程工艺流程 10RH工艺过程描述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14RH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15RH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。16RH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。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：循环流量与驱动气体流量之间的关系17RH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。18100t100t钢包钢包RH年处理能力的估算年处理能力的估算 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: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。19RH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20RHRH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21真空脱碳真空脱碳-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：不同真空条件的碳氧平衡曲线22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：右图显示了RH脱碳时脱碳量与脱氧量的关系23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：24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值提高。值提高。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：25 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。不同插入管内径的脱碳曲线不同插入管内径的脱碳曲线26 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 27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，脱碳速度常最初的工况，脱碳速度常数数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。进一步改进吹。进一步改进吹ArAr方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RHRH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和体积传质和体积传质系数系数 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 28深脱碳处理深脱碳处理 需需要要深深脱脱碳碳的的钢钢种种,指指含含碳碳量量0.010%0.010%的的钢钢种种。这这类类钢钢种种在在转转炉炉中中并并不不将将CC吹吹炼炼到到最最低低极极限限，为为了了保保留留一一定定的的残残余余锰锰及及金金属属收收得得率率，通通常常转转炉炉吹吹炼炼到到CC0.050.05左左右右即即出出钢钢，出出钢钢时时只只进进行行少少量量的的锰锰合合金金化化及及极极弱弱的的脱脱氧氧,保保持持钢钢水水中中自自由由氧氧在在600ppm600ppm以以上上。这这种种处处理理的的特特点点是是在在50mbar50mbar至至200mbar200mbar压压力力下下，先先进进行行真真空空脱脱碳碳，最最后后在在1.33mbar1.33mbar下下完完成成成成分分调调整整及及钢钢水水纯纯净净化化处处理理。此此类类钢钢种种处处理理前前的的先先行行处处理理通通常常是是先先行行加加铝铝或或先先行行升升温温。当当钢钢水水氧氧含含量量不不足足，以以致致仅仅依依靠靠自自然然脱脱碳碳不不能能使使碳碳降降到到目目标标值值以以下下或或者者转转炉炉出出钢钢碳碳过过高高（0.060.06）时时，则则经经用用顶顶枪枪吹吹氧氧进进行行强强制制脱脱碳碳。当当脱脱碳碳到到目目标标值值以以下下时时，需需加加入入微微量量元元素素（如如IFIF钢钢需需加加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。29深脱碳操作深脱碳操作30RH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。31RH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，尽可能使真应用防止喷溅及电极加热技术，尽可能使真空室不结瘤，控制脱碳过程中从真空室结瘤空室不结瘤，控制脱碳过程中从真空室结瘤残钢的增碳；残钢的增碳；在脱碳期加入冷却废钢。由于真空处理过程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，尤其是脱碳中温降较有规律，尤其是脱碳1010分钟以后温分钟以后温降更显规律性，因此冷却废钢最晚可在处理降更显规律性，因此冷却废钢最晚可在处理至至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，根据冷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，采用在脱碳期加入合金却废钢增碳的道理，采用在脱碳期加入合金的技术，以防止合金增碳的发生。的技术，以防止合金增碳的发生。32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33RH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硫剂的选择o 选择选择CaO-CaFCaO-CaF2 2脱硫率脱硫率最高最高oCaOCaO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CsCs34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35o 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36o 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，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60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。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。61RH-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)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62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63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。64RH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/65真空室内壁初温对钢水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。66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67单嘴精炼炉工作原理单嘴精炼炉工作原理单嘴精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，如右图所筒状吸嘴，并采用钢包底部偏心吹气方式，如右图所示。示。单嘴精炼炉采用偏心钢包底部吹气，偏心吹入的气体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了真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，在气液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，使得两相区内的密度远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用，以及气小于钢液密度。主要因这两种驱动力的作用，以及气液两相区密度较小，使得钢液随吹入气体与上浮气泡液两相区密度较小，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，这样就形成了上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表面处，由于受到升流股。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，会沿钢液表面向远离两相区方向运后继流股的作用，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减小（受真空泵抽真空动，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，由于受自身重力的作用向下的影响）液体密度变大，由于受自身重力的作用向下流动，到达钢包底部附近补充了被上升流股带走的钢流动，到达钢包底部附近补充了被上升流股带走的钢液，这样就形成了下降流股。液，这样就形成了下降流股。单嘴精炼炉示意图68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69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2020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70单嘴精炼炉与单嘴精炼炉与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71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。72RH精炼钢包内钢液流场分布精炼钢包内钢液流场分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。73RH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RH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，能炉，能耗降低耗降低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作业率具有重要作业率具有重要意义。意义。74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.75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。76RH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。77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79RH控制模型控制模型 RHRH模模型型是是建建立立在在RHRH真真空空精精炼炼冶冶金金机机理理的的基基础础上上，结结合合现现代代自自动动控控制制技技术术，采采用用先先进进的的算算法法开开发发的的成成套套过过程程控控制制模模型型。RHRH模模型型包括：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。80静态脱碳模型静态脱碳模型静静态态脱脱碳碳模模型型的的主主要要功功能能是是预预测测处处理理过过程程中中随随真真空空度度的的逐逐步步下下降，钢液中碳含量和游离氧含量的变化规律。降，钢液中碳含量和游离氧含量的变化规律。静静态态脱脱碳碳模模型型由由预预报报模模块块和和推推定定模模块块组组成成。预预报报模模块块根根据据每每一一炉炉处处理理开开始始获获得得的的初初始始碳碳、游游离离氧氧含含量量、钢钢液液温温度度和和真真空空排排气气模模式式等等信信息息，在在处处理理初初期期即即给给操操作作人人员员提提供供为为达达到到一一定定目目标标碳碳含含量量所所必必须须的的处处理理时时间间和和吹吹氧氧操操作作等等综综合合指指导导信信息息；推推定定模模块块是是在在得得到到钢钢水水基基本本信信息息和和操操作作量量信信息息(如如吹吹氧氧量量、铝铝材材投投人人量量等等)以以后后，推推算算处处理理结结束束时时的的碳碳含含量量和和游游离离氧氧含含量量。两两个个模模块块的的综综合使用能够逐渐优化合使用能够逐渐优化RHRH的操作工艺。的操作工艺。静静态态脱脱碳碳模模型型是是从从冶冶金金学学碳碳氧氧平平衡衡原原理理出出发发，在在一一定定的的假假设设基基础础上上建建立立的的模模型型。RHRH真真空空脱脱碳碳是是钢钢液液中中的的碳碳和和游游离离氧氧反反应应的的过过程程，在在真真空空度度和和温温度度一一定定的的情情况况下下，如如果果脱脱碳碳反反应应达达到到平平衡衡，碳碳含含量量和和游游离离氧氧含含量量的的乘乘积积为为一一常常数数；同同时时假假定定参参与与脱脱碳碳反反应应的的氧氧的的固固定定百百分分比比来来自自于于钢钢液液，而而其其他他部部分分来来自自于于钢钢渣渣中中金金属属氧氧化化物物的的被被还还原原，则则钢钢液液中中碳碳和和游游离离氧氧含含量量的的下下降降遵遵从从特特定定的的比例关系，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。81静态脱碳模型静态脱碳模型Y.KitaY.Kita模型模型 在在此此模模型型中中假假设设RHRH处处理理时时脱脱碳碳反反应应发发生生在在三三个个地地点点：氩氩气气表表面面；COCO气气泡泡表表面面；钢钢液液自自由由表表面面。该该模模型型认认为为COCO气气体体表表面面的的脱脱碳碳量量相相对对与与其其他他位位置置是是很很小小的的，可可以以忽忽略略不不计计，所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）氩氩气气泡泡表表面面的的脱脱碳碳。在在这这种种情情况况下下，假假设设所所有有氩氩气气泡泡都都是是球球状状，随随着着钢钢液液循循环环而而上上浮浮，并并且且都都参参加加脱脱碳碳反反应应。在在这这里里认认为为氧氧的的传传质质是是非非限限制制环节。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82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83脱碳数学模型模拟结果脱碳数学模型模拟结果84RH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。动动态态脱脱碳碳模模型型是是基基于于分分析析碳碳及及抽抽真真空空产产生生的的废废气气信信息息，结结合合自自适适应应控控制制技技术术实实时时预预报报钢钢水水碳碳含含量量的的模模型型。该该模模型型可可以以大大大提高如质谱仪、红外分析仪等设备的利用率和实际效果大提高如质谱仪、红外分析仪等设备的利用率和实际效果模模型型在在画画面面上上实实时时显显示示真真空空脱脱碳碳过过程程的的许许多多相相关关信信息息，并并在在画画面面上上动动态态演演示示整整个个过过程程。为为操操作作人人员员更更好好地地实实时时控控制制RH真真空空脱脱碳碳过过程程提提供供较较为为详详细细的的参参考考，并并可可以以优优化化RH脱脱碳碳工工艺。艺。85RHRH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