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RH精炼工艺培训教材2009年04月目 录第一章 炉外精炼概况 41.1、炉外精炼技术的发展历程 41.2、国内炉外精炼技术的发展 61.3、炉外精炼技术的发展前景 101.4、各国主要炉外精炼方法和装备 12第二章 RH工作原理 132.1、RH法工作原理 132.2、RH法钢液运动特性 162.3、RH法的特征参数 16第三章 RH生产工艺 19 3.1、真空冶金基础 203.2、RH处理目的及功能 223.3、RH处理模式 233.4、RH脱氢 243.5、RH脱碳 273.6、RH对N的控制 293.7、RH轻处理工艺 313.8、RH夹杂物去除 31第四章 RH作业指导 32 4.1、RH温度管理 324.2、RH合金化与成分调整 354.3、RH环流气控制 374.4、吹氧化学升温计算 384.5、强制脱碳吹氧量计算 39第一章 炉外精炼概况随着科学技术的发展，对炼钢的生产率、钢的成本、钢的纯净度以及使用性能，都提出了越来越高的要求。传统的炼钢设备和炼钢工艺难以满足用户越来越高的要求。20世纪60年代，在世界范围内，传统的炼钢方法发生了根本性的变化，即由原来单一设备初炼及精炼的一步炼钢法，变成由传统炼钢设备初炼，然后在炉外精炼的二步炼钢法。因此，炉外精炼也称为二次精炼。炉外精炼技术是指在冶炼炉（转炉，电炉）生产钢水的基础上，以更加经济、有效的方法，改善钢水的物理与化学性能的冶金技术。它包括：在钢水包中，对钢水的温度、成分、气体、有害元素与夹杂进行进一步的调整、净化，达到洁净、均匀、稳定的目的；在中间包中促进气体与夹杂上浮，稳定全浇铸过程的钢水温度（也称中间包冶金）；在结晶器中去除钢中夹杂，促进形核，均匀结晶。因此，经济有效的炉外精炼技术，不仅是钢铁产品最终质量保证的最重要的基础，也使生产流程变得时间更短、更能有效衔接匹配，从而更加高效化、紧凑化。炉外精炼技术与氧气转炉、超高功率电炉、连铸一起被誉为钢铁生产具有流程革命意义的四大技术，它们之间互相依存、互相促进，奠定了现代钢铁生产稳固的技术基础。1.1、炉外精炼技术的发展历程钢水的炉外精炼早在20世纪30、40年代就显示了其在提高质量、扩大品种方面的作用。如最早在30年代就开始应用的合成渣洗精炼钢水技术，至今仍被应用。40年代初就有了真空模铸的报道。50年代中后期，由于大功率的蒸汽喷射泵技术的突破，相继发明了钢包内钢水提升脱气法（DH）和循环脱气法（RH）。20世纪60年代和70年代，是钢水炉外精炼多种方法发明的繁荣时期，这与纯净钢生产概念的提出，各工业、建筑、军事、交通行业对钢材质量和性能提出了越来越高的要求，以及连铸生产工艺的稳定和连铸品种扩大的强烈要求是密切相关的。这个时期，炉外精炼技术的发展发生了三方面的根本变化：第一，钢水精炼最初的目的是为了解决冶炼炉不能顺利生产高质量品种，它已逐步成为大部分品种生产和全面提高质量的不可缺少的手段。第二，炉外精炼技术不仅可以减少硫等有害元素及氢、氧、氮等有害气体及夹杂物，使连铸坯生产工艺更加稳定，减少工艺与质量事故，而且越来越显示出协调生产节奏、优化衔接的关键作用。新日铁大分厂实行全连铸生产，其生产初期全部钢水进行RH处理，对确保全连铸生产的质量与工艺稳定起到了重要的保证作用。也就是说，炉外精炼的迅速发展，在很大程度上是适应了连铸生产飞速发展的需要，并反过来确实促进了连铸生产的优化。第三，炉外精炼形成了真空和非真空两大系列不同功能的系统技术。这个时期真空处理方法有：用于超低碳不锈钢生产的VOD-VAD技术；用于生产不锈钢、轴承钢的ASEA-SKF技术；用于超低碳钢生产的RH-OB技术等。非真空处理方法有：用于低碳不锈钢生产的氩氧精炼炉AOD；配合超高功率电炉生产，替代电炉还原期，对钢水进行精炼的LF钢包炉技术及后来配套发展起来的VD技术；喷射冶金技术；合金包芯线技术；还有加浸渍罩的吹氩技术CAS等。20世纪80年代至今，炉外精炼技术已成为现代钢铁生产流程水平与钢铁产品高质量水平的标志，它的发展也朝着功能更全、效率更高、冶金效果更佳的方向迅速完善。这一时期主要发展起来的代表技术有钢水RH-KTB（相似的还有RH-MFP，RH-OB等）。炉外精炼技术发展的主要原因有两个：（1）它与连铸生产的迅速发展紧密相关。它不仅适应了连铸生产对优质钢水的严格要求，大大提高了铸坯的质量，而且在温度、成分及时间节奏的匹配上起到了重要的协调和完善作用，即定时、定温、定品质地提供连铸钢水，成为稳定连铸生产的关键因素。以日本为例，1973年连铸比为26%，精炼比为4.4%；1983年连铸比超过75%，精炼比达48%；1985年连铸比为90%，精炼比迅速增至65.9%；1989年连铸比达95%，精炼比为73.4%（真空精炼比高达54.6%）。（2）与调整产品结构、优化企业生产的专业化进程紧密结合。超低碳、超深冲、超低磷、硫的优质钢材生产必须采用包括炉外精炼技术在内的优化工艺流程，这是炉外精炼技术迅速发展的另一个重要原因。1.2、国内炉外精炼技术的发展我国炉外精炼技术始于20世纪50年代中后期，包括：利用高碱度合成渣在出钢过程对钢水脱硫，用于冶炼轴承钢；用钢包脱气（VD）和DH真空处理装置精炼电工硅钢等钢种。60年代中期至70年代，我国特钢企业和机电、军工行业钢水精炼技术的应用和开发有了一定的发展，并引进了一批真空精炼设备，如大冶、武钢的RH，北京重型机器厂的ASEA-SKF，抚顺钢厂的VOD，还试制了一批国产的真空处理设备，钢水吹氩精炼也在首钢等企业投入了生产应用。80年代，国产的LF钢包精炼炉、合金包芯线喂线设备、喷射冶金等钢水精炼技术得到了初步的发展，这期间宝钢引进了现代化的大型RH装置（并进而实现了RH-OB的生产应用）。国内精炼技术的发展应用在开发高质量的钢材品种和优化钢铁生产中发挥了重要的作用。可以认为，80年代是我国炉外精炼技术发展奠定基础的时期，从一些先进的示范工厂的实践中，看清楚了炉外精炼技术对推动我国钢铁工业生产优化的重大作用。20世纪90年代初，与世界发展趋势相同，我国炉外精炼技术也随连铸生产的增长和对钢铁产品质量日益严格的要求，得到了迅速的发展。不仅装备数量增加，处理量也由过去的占钢水的2%以下，持续增长，到1998年已均达20% 以上。具体情况如表 1-1所示。表1-1 我国炉外精炼处理比的情况年份199019911992199319941995199619971998钢水精炼比（%）2.682.8210.0612.013.013.515.517.520.21991年召开的全国首次炉外精炼技术工作会议，明确了“立足产品，合理选择，系统配套，强调在线”的发展炉外精炼技术的指导思想。立足产品是指在选择炉外精炼方法时，最根本的是从企业生产的产品质量要求（主要是用户要求）为基本出发点，确定哪些产品需要进行何种炉外精炼，同时认真分析工艺特点，明确基本工艺流程。合理选择是指在选择炉外精炼方法时，要首先明确各种炉外处理方法所具备的功能，结合产品要求，做到功能对口。其次是考虑企业炼钢生产工艺方式与生产规模、衔接匹配的合理性、经济性。还要根据产品要求和工艺特点分层次地选择相应的炉外精炼方法，并合理地搞好工艺布置。系统配套是指要严格按照系统工程的要求，确保在设计和施工中，主体设备配套齐全，装备水平符合要求；严格按各工序间的配套要求，使前后工序配套完善，保证炉外精炼功能的充分发挥；一定要重视相关技术和原料的配套要求，确保炉外精炼工序的生产过程能正常、持续地进行。强调在线是指在合理选择处理方法的前提下，要从加强经营管理入手，把炉外精炼技术纳入分品种的生产工艺规范中去，保证在生产中正常运行；也是指在加强设备维修的前提下，确保设备完好，保证设计规定的功能要求，确保作业率；还意味着要充分发挥设备潜力，达到或超过设计能力。这些指导思想对我国从“八五”开始直至现在炉外处理技术的发展起到了重要的推动作用。进入新世纪，适应连铸生产和产品结构调整的要求，炉外精炼技术得到迅速发展。钢水精炼中RH多功能真空精炼发展迅速，另外LF炉不但在电炉厂而且在转炉厂也大量采用，并配套有高效精炼渣。到2003年，包括RH、LF在内的主要钢水精炼技术，均具备了完全立足国内并可参与国际竞争的水平。50多年来，我国炉外精炼技术发展取得了显著的成绩，主要有：广大钢铁企业领导和技术人员对炉外精炼技术在钢铁生产中的作用和地位逐渐提高了认识，并越来越在企业技改和生产组织中成为工作的重点。这种认识源于企业流程优化、生产顺行、高效低耗，尤其是市场对钢材产品的品种质量日益提高的要求，因而是深刻的，也是下一步发展的重要前提。形成一支有一定水平的设计、生产与设备制造的工程技术队伍，有一批具有自主知识产权并具有相当水平的科技成果，具备了各种炉外精炼技术深入开发研究和工程总承包的能力。炉外精炼技术相关配套设备、材料同步发展，基本满足了国内各类炉外精炼设备的不同层次的需要。形成了一批“高炉铁水预处理复吹转炉钢水精炼连铸”或“电炉钢水精炼连铸”的现代化工艺流程，有强大的示范作用。在产品结构的优化调整，促进洁净钢、合金钢、低合金钢的生产中，炉外精炼起到了不可替代的重要作用，是优质高效、节能降耗、降低生产成本的可靠保证。虽然成绩显著，但还有很多问题，如钢水精炼比仍不高，不但与发达工业国家相比差距较大，而且也与连铸生产的快速发展很不适应，已经明显地影响了连铸生产的优化和完善，也成为我国关键品种生产的一个瓶颈。又如在我国特有的中、小冶炼炉占很大比例的条件下，中小钢厂炉外精炼还没有广泛应用。还有我们拥有的高水平炉外精炼装备，因技术的消化吸收与攻关研究和国外相比存在明显的差距，不能充分发挥其功能与生产效率等。这都是必须加强和改进的。1.3、炉外精炼技术的发展前景从炉外处理技术的发展过程中可以看出其发展和完善的四个主要特点，即：（1）多功能化。多功能化是指由单一功能的炉外精炼设备发展成为多种精炼功能的设备和将各种不同功能的装置组合到一起建立综合处理站。如LF-VD、CAS-OB、RH-OB、RH-KTB，上述装置中分别配了喂合金线（铝线）、合金包芯线（Ca-Si、Fe-Ti、C粉等）等。这种多功能化的特点，不仅适应了不同品种生产的需要，提高了炉外精炼设备的适应性，还提高了设备的利用率、作业率，缩短了流程，在生产中发挥了更加灵活、全面的作用。（2）相关技术不断得到开发和完善。这主要有高寿命精炼用耐火材料及热喷补技术和装备；适用于钢包精炼的高供气强度底吹元件；纯净钢炉外精炼所需要的痕量元素分析技术；以炉外精炼为重点的计算机生产管理、物流控制技术等。它们已变成炉外精炼系统工程技术中不可分割的重要组成部分。（3）炉外精炼技术的发展是为了实现钢铁生产优质高效、节能降耗的目标。炉外精炼技术发展的这一特点是在不断争议中逐渐地形成的。优质的特点最容易为人们所接受，高效的特点在提高整个生产流程的生产效率、朝紧凑化方向的发展过程中也逐渐地被人们认识到。但节能降耗的特点，至今在各个钢厂的生产实践中仍有不同程度的差别和争议。例如，对于全部钢水RH真空处理的生产实践，其经济性和可行性仍是不少人争议的内容。但毫无疑问的是，炉外精炼技术已成为现代钢铁生产先进水平的主要标志。（4）炉外精炼技术的发展具有不断促进钢铁生产流程优化重组、不断提高过程自动控制和冶金效果在线监测水平的显著特点。例如：LF钢包精炼技术促进了超高功率电炉生产流程的优化；AOD、VOD实现了不锈钢生产流程优质、低耗、高效化的变革等。突出的流程优化重组的实例说明了这一技术发展的重要作用。50多年来，炉外精炼技术已发展成为门类齐全、功能独到、系统配套、效益显著的钢铁生产主流技术，发挥着重要的作用。但炉外精炼技术仍处在不断完善与发展之中。未来10年之内，炉外精炼技术仍将在以下的几个重点方面取得进展：中间包冶金及结晶器冶金技术将逐渐显示其对最终钢铁产品质量优化的重要意义；电磁冶金技术对炉外精炼技术的发展将起到积极的推动作用；配套同步发展辅助技术，包括冶炼炉准确的终点控制技术、工序衔接技术智能化等；无污染的精炼技术及过程的环保技术。1.4、各国主要炉外精炼方法和装备为了满足多品种的需要，新建精炼装置向多功能方向发展。目前各种精炼装置各有所长，没有一种精炼装置能满足各种工艺目的。各种主要精炼装置采用的手段与目的，如表1-2所示。表1-2 主要精炼装置采用的手段与目的工艺精炼手段主要冶金功能造渣真空搅拌喷吹加热合金化调温去除夹杂脱气脱氧脱碳脱硫钢包吹氩CAS-OBLFRH-KTBVOD目前世界上炉外精炼设备发展很快，据不完全统计，总数已超过一千多台。从炉外精炼设备的发展情况看，具有加热功能、投资较少的LF钢包炉发展最快，RH循环脱气装置精炼的钢水质量最具保证。各工厂的炉外精炼设备详细的情况如下（国内数据统计到2002年，国外数据统计到1999年）。1.4.1、国内精炼设备概况（表1-3）表1-3 国内精炼设备概况序号企业名称精炼设备名称及容量数量/台1宝钢RH-OB 300t1RH-MFB 300t1RH-KTB 250t1LF/VD 150t22鞍钢LF 100t2；200t13RH 200t13武钢LF 150t；250t3VD（双工位） 100t1RH 80t；300t2RH-KTB 80t14攀钢LF 160t1RH-MFB 160t15天津钢管公司LF 80t2；210t13VD 80t11.4.2、日本精炼设备概况（表1-4）表1-4 日本精炼设备概况序号企业名称精炼设备名称及容量数量/台1川崎制铁千叶厂RH 85t；230t2VOD 160t1川崎制铁水岛厂ASEA-SKF 100t1RH 180t；250t；180t；250t42神户制钢LF 240t1ASEA-SKF 90t2RH 240t23日新制钢RH 180t1VAD 80t1VOD 75t14住友金属鹿岛厂LF 270t1RH 270t21.4.3、韩国精炼设备概况（表1-5）表1-5 韩国精炼设备概况序号企业名称精炼设备名称及容量数量/台1浦项制铁LF 320t2RH 300t32浦项光阳LF 130t2RH 250t；265t2第二章 RH工作原理2.1、RH法工作原理RH法的基本结构如图2-1所示。它由吸入和排除钢水的浸渍管和真空槽以及真空排气装置所组成。处理钢水时，先将两个浸渍管浸入到钢水中，使钢包和真空室形成真空。这时，从一个浸渍管吹入气体（氩气或氮气）。钢水被吹入真空槽内并飞溅。钢水在真空室内脱气后，因钢水自重从另一侧的浸渍管流回到钢包内。这样，钢水不断地从钢包进入真空室，然后又从真空室返回到钢包内，形成连续不断地环流，直到真空室内的真空状态被破坏，回到1个大气压为止。连续不断进入真空室的钢水在真空状态下被不断地脱气处理。图2-1 RH真空装置基本结构2.2 RH法钢液运动特性RH流场的描述多在水模型中加入示踪剂摄影的方法进行。这些实验的结果证实，RH法的搅拌机能是十分有效的。下降管内流出的钢液流股可以穿透钢包内的钢液而到达底部，钢包内基本无死区存在。除了用示踪剂对RH法的钢包内钢液流态进行研究外，许多人还力图用数值计算法，根据湍流控制方法对处理过程中的钢包内的速度分布进行定量描述。该方法虽然在计算的过程中作了一些简化（主要是假设为二维流场），但对于流场的定量分析以及过程中的反应的预测和研究还是有一定意义的。2.3 RH法的特征参数处理容量、循环因数、处理时间、循环流量、真空度，真空泵的抽气能力等参数都是循环脱气法在设计和操作时应考虑的主要工艺参数。2.3.1 处理容量处理容量指的是被处理钢液的重量。对于RH法，其处理量的上限在理论上是没有限制的。而处理容量的下限，即RH法处理的最小容量，则取决于处理过程中温降的情况。当处理容量小于30吨时，钢液的温降相当显著。为保证一定的开浇温度，只有提高出钢温度或缩短处理时间，而这两种办法都会使处理的效果降低。2.3.2 处理时间钢包在RH工位的停留时间称为处理时间。该时间的绝大部分一直在进行真空脱气，所以脱气时间略短于处理时间。为了使钢液充分脱气，就要保证有足够的脱气时间。 钢水通过一定时间的真空脱气处理，气体含量及夹杂物都能不同程度的减少。2.3.3 循环因数 循环因数即循环次数，是处理过程中通过真空室的总钢液量与处理容量Q之比。可用下式表示： =w 式中w循环流量，t/min t脱气时间，min在脱气条件（循环流量、驱动气体流量、真空度）一定时，返回钢包的钢液气体含量也就一定。这样，循环开始后，进入真空室的钢液气体含量主要取决于已脱气钢液返回钢包后与钢包中钢液混合的状况。为了使氢含量较高的钢液有效的脱氢，例如要求最终氢含量小于2ppm，则循环因数必须取5或5以上。2.3.4 循环流量单位时间内通过真空室的钢液成为循环流量。它的大小主要决定于上升管直径和驱动气体的流量。循环流量与驱动气体、上升管内径的关系式如下：=d1.5G0.33式中常熟 d上升管内径， cm G驱动气体流量，l/min循环流量是RH设备特性和工艺的重要参数，因此人们对它进行了大量的研究。以下就各种参数的影响情况进行讨论。（a）气体流量研究结果表明，气体流量增大时，环流量也增大，但当气体流量增大到一定程度时，环流量会达到饱和。（b）环流管内径环流管径增大时，使环流截面积增大，从而减小钢液循环流动的阻力，提高驱动气体的抽引效率。所以，环流管径增大，环流量亦随之显著增大。（c）吹入气体深度许多研究结果都表明，环流量与吹入气体深度的平方根成正比。当然，在吹气深度很小时，上升管由于气泡行程太短，气液间混合不好，使换流量显著减小，和吹入深度的平方根不成比例。 总之，较大的吹入气体深度，有利于气泡的分散和膨胀，使其作用于液体的时间和形成加长，从而更充分地发挥驱动气体的抽引效率，增大换流量。 综上所述，提高环流量的途径有：增大吹入气体流量；增大环流管内径；在可能的条件下增大吹入气体深度。2.3.5 真空度 真空度处于真空状态下的气体的稀薄程度称为真空度，通常用气体的压强来表示。压强值的单位很多，国际单位制中压强的基本单位是Pa（帕）。为了方便起见，人们通常把低于大气压的整个真空度范围划分成几段。真空范围的划分国际上通常采用如下办法：粗真空 （7601）133.3Pa中真空度 （110-3）133.3Pa高真空 （10-310-7）133.3Pa超高真空 10-7133.3Pa2.3.6 工作泵抽气能力 工作泵抽气能力大小，应根据处理的钢种、处理容量、脱气时间、循环流量以及处理过程中钢液脱气规律来确定。 真空循环脱气过程中，气体的析出速率是不同的。在处理前期由于钢液原始含气量大，而后期气体析出量大为减少。如果按脱气高峰来考虑真空泵的抽气能力，则所选真空泵的抽气能力会偏大，而按整个脱气时间的平均脱气量来考虑，则抽气能力又偏低。比较合理的方法，是按脱气过程中钢液脱气规律来考虑真空泵的抽气能力。第三章 RH生产工艺循环脱气法工艺是一种用于生产优质钢的钢水二次精炼工艺。整个钢水冶金反应是在砌有耐火衬的真空槽内进行的。真空槽的下部是两个带耐火衬的浸渍管，上部装有热弯管，气体由热弯管经气体冷却器至真空泵系统。钢水处理前，先将浸渍管浸入待处理的钢包钢水中。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，吹入的气体受热膨胀，从而驱动钢液不断上升，流经真空槽钢水中的氩气、氢气、一氧化碳等气体在真空状态下被抽走。脱气的钢水由于自身重力的作用再经下降管流入钢包，就此不断循环反复。3.1、真空冶金基础3.1.1 钢中的气体 钢中包含着一定量的元素，它们在通常状态下，是以气态形式出现的，这些元素是氢、氧、氮，通常称为钢中的气体。 氢H22H 氮N22N 氧O22O钢中气体既可少量溶于钢中形成固溶体，部分也可存在于板坯等气泡或气孔中，也可与钢中其它元素形成氧化物、氮化物等以夹杂物形态出现。 钢中的气体在绝大多数情况下将导致钢材性能恶化乃至报废。因而现代钢铁生产中，必须把气体去除到规定的数值之下。在炼钢生产中，钢中的气体主要来自： 入炉原材料 炉气及各种吹入气体 铁合金 出钢及浇注过程中周围气氛 与钢水相接触的各种材料等由于常规的炼钢工艺，其钢水总是与上方的炉气等相接触，因而总有部分气体溶入钢中，引起钢中气体含量增加。3.1.2 去气途径 现代钢铁生产中，去气途径主要有三种： 利用粗炼钢阶段脱碳反应所产生的强烈沸腾，将钢中溶解的气体排除。其原理是基于脱碳过程中产生的无数CO气泡中氢、氮的分压PH2、PN2为零，也即每个气泡类似于一个小的真空泵，随脱碳过程进行，钢中溶解的气体不断向气泡扩散，并排至炉气中。 吹入惰性气体Ar 其原理同上。但这两种方法，由于受到沸腾程度及上方气氛限制，及其后操作因素的影响，最终成品气体仍无法达到很低程度。真空处理 真空处理是将钢液置于真空下，基于下述均方根定律，随压力下降，使钢中气体不断被抽走并使之降到很低的水平。 S=K 式中：Ps为分压；S为气体溶解度；K为常熟此方法的优点是由于熔池上方始终保持很高的真空度，因而最终的气体含量可控制到很低的水平。3.1.3 真空脱气物理化学基础 真空脱气反应研究主要是两个方面：一是脱气反应的热力学；二是脱气反应的动力学。 热力学是研究脱气反应的方向、反应条件、反应最终能达到的平衡浓度也即脱气的程度。 就真空脱氢、脱氮及碳脱氧而言，由于反应产物是气体，故按热力学平衡原理，随气相压力不断降低，脱气反应将不断进行，直至达到某一压力时，达到新的平衡状态。因而可以说降低气相压力是推进真空脱气反应的原动力。动力学是研究脱气反应的速度，达到平衡状态（确切地说是达到接近平衡状态）所需的时间。实际研究中，通常将每个脱气反应分隔为几个步骤，并把其中最慢的过程称为反应的限制性环节，然后通过理论推导与实验相结合的方式，确定限制性环节的速度计算式，由此即可确定脱气反应的时间。真空脱气反应通常可分为以下几个步骤： 被去除元素扩散至反应界面 发生反应 就脱氢、脱氮而言，反应是指从原子状态转向分子状态；对脱碳，脱氧反应是指碳氧反应生成一氧化碳气体。 反应产物气体去除 研究表明这三个过程中，第一步最慢，是脱气反应的限制性环节。3.2 RH处理目的及功能 RH处理的主要目的是真空脱碳、脱气、脱氧、调节钢水温度和化学成分。RH处理方法主要有本处理、轻处理和吹氧脱碳等。不同的处理方法对应不同的RH处理功能，可以达到不同的冶金效果。RH本处理主要功能为脱氢、成分温度调整及促使夹杂物上浮；RH轻处理除了成分温度调整及促使夹杂物上浮功能外，可以通过先行脱碳的方式降低钢中的O,节省合金并提高钢水的纯净度；顶枪吹氧功能主要是强制脱碳冶炼超低碳钢、吹氧化学升温及喷粉脱硫；对成分Ca有要求的钢种，RH通过喂CaSi线对钢水进行改变夹杂物形态的处理。根据RH处理的必要性（钢种技术条件要求）将RH的适应钢种分为如下几类：项目定义钢种RH指定钢种制造工艺上必须经过RH处理的钢种本处理型、吹氧脱碳型等RH准指定钢种RH处理后对成本质量有利的钢种，也可根据情况不经过RH处理轻处理型、镇静钢3.3 RH处理模式3.3.1 轻处理模式 轻处理是指在626Kpa较低真空度下进行成分、温度调整的处理方式。基本可分为未脱氧钢水的轻处理模式和完全脱氧钢水的轻处理模式两种。完全脱氧钢水的轻处理模式工艺比较简单，只是成分和温度的调整。下面重点介绍未脱氧钢水的轻处理模式。 在RH真空状态下，利用碳氧反应降低钢水中的游离氧浓度可以节省脱氧所需的合金铝、同时碳脱氧提高了钢水的纯净度。钢水在转炉钢包中不进行完全脱氧，在RH工序对钢水进行真空处理，在一定真空度下，碳氧发生反应立即产生CO气体，CO气体通过槽体和排气管被抽走。通过抽真空降低了碳氧反应的平衡，钢水中的游离氧因和钢水中的碳反应得以减少，这样脱氧所需的合金铝可以减少并保持在较低的水平。 同时铝加入量减少导致脱氧所产生的夹杂物也相应减少，有利于钢水的纯净。3.3.2 本处理模式 本处理是指在低真空度（气压小于0.27Kpa）下，以去除钢水中的氢、氧（脱氧生成物）为目的的真空脱气处理方式。钢水按通常处理在转炉进行完全脱氧，在出钢过程中可以添加部分合金，RH真空处理开始后真空度快速下降，高真空在约35min达到，同时调整环流气量增加反应界面积以提高脱氢能力。合金添加要尽量在处理前期进行，在达到高真空后即进行快速合金添加。通过一定时间的高真空处理，钢水中的氢含量基本可降低到2ppm以下。3.4、RH脱氢氢能微量溶解于铁中，其溶解量主要取决于温度及压力，在常压常温下最大溶解度约为1.5ppm，当实际的溶解量超过其溶解度是，氢将析出，形成“白点”等缺陷。 白点在200左右形成，含Mn、Cr、Ni较高的合金钢，对白点极为敏感，而一般的低碳钢则不易形成。含白点的钢材，由于内部包含无数细微裂缝，使钢塑性急剧下降，大部分将报废。 因而一些重要的钢种，如厚板钢、抗HIC钢、合金含量较高的优质钢，都必须经过真空脱气处理。3.4.1 脱氢热力学 钢液真空脱氢或氢在钢液中溶解可用下式表示： 1/2H2=H 氢浓度服从Sievert定律，该定律可定量确定在不同温度和压力下钢中的氢含量。 %H=KH KH为平衡常数在不同的温度、压力下，钢中氢溶解度会发生变化，有如下关系： （a）在温度一定下，H随压力降低而降低。 （b）在一定压力下， H随温度升高而增大，但在二次精炼中，压力对H含量影响远超过温度。3.4.2 脱氢动力学 脱氢过程及限制性环节 脱氢反应可看做按以下三步来完成： （a）H原子向反应界面扩散 （b）H原子生成H2 （c）反应产物H2进入气相中 研究表明：上述三步中，第一步氢原子向界面扩散是脱氢过程中速度最慢，是真空脱氢的限制性环节。影响脱氢速度因素 研究表明RH处理过程中，脱氢反应主要发生在以下三个区域： （a）真空室熔池表面 （b）气泡与金属界面（环流Ar 气泡，CO气泡） （c）真空室熔池内部不同研究者对反应发生的主要区域虽有不同的看法，但就影响脱氢速度而言，主要有下列因素： （a）扩散系数。氢的扩散速度远大于氮的扩散速度，故就动力学而言脱氢易于脱氮。 （b）气泡大小及数量。气泡直径越小，数量越多，沸腾越激烈，其反应界面积就越大，脱氢速度就越快。影响脱氢效果的工艺因素 （a）原始氢含量 转炉钢在正常的生产条件下，原始氢含量在3ppm左右。经RH真空处理1520min，即可讲钢液中H降至2ppm以下。 （b）原材料、合金的影响 使用潮湿的原材料、合金时，钢种氢含量明显升高。 （c）耐材的影响。钢包、真空室耐材，对氢含量也有明显影响，在使用前耐材需经严格烘烤。3.5 RH脱碳 含碳小于0.015%的钢种，在常规的初炼炉、电弧炉是无法生产的，而这些低碳钢种，主要是工作上应用极为广泛的IF钢等。当今真空脱碳法已成为生产IF钢之类的冷轧钢板不可缺少的工艺环节。其最终成品碳含量可达到20ppm以下。 RH处理过程中，真空下的脱碳是通过钢中的溶解氧或外加的氧源来进行的。众所周知，当初炼炉如转炉吹炼过程中，当吹止碳达到0.03%左右时，钢中的溶解氧已达到相当高的数值。此溶解氧已足以将碳降至几十ppm以下的水平，但最终含碳量是取决于初始碳含量及真空处理时间。 在钢液中吹入提升气体则可产生大量的气泡核心，加速一氧化碳反应。3.5.1 脱碳热力学 真空下碳、氧反应如下式所示：C + O = CO平衡常数与温度之间关系的公式很多，常用的有：lgKC=+2.003lgKC=+2.205lgKC=+1.643真空脱碳是在真空室压力很低，高真空的状态下进行。真空脱碳为了达到较低含碳量需要较长的处理时间。 就超低碳钢冶炼而言，为达到既能高速脱碳，又能确保脱碳终了具有较低的含氧水平，通常对脱碳初始的热力学条件有较严格的限制。 初始碳氧存在几种情况： （a）原始氧过高。脱碳终了剩余氧过多，还原剂消耗增加。 （b）原始碳含量过高，氧含量低。需要进行强制吹氧脱碳。3.5.2 脱碳动力学 热力学所提出的反应平衡值是一个理想数值，在实际生产中噢噢那个重要的是要知道反应速度、影响因素及在最短的时间内，达到接近理想的平衡值。 真空脱碳与脱氮相同，反应的限制性环节是扩散过程。 对于RH反应过程熔池脱碳速度可以表示为：Ct=Co*exp（-Kc*t）式中Kc为表观脱碳速度常数，其大小决定于熔池含碳量，随着熔池含碳量的降低Kc减小。随着碳含量的变化RH脱碳速度分为三个阶段：（1）高碳区(C20010-6)：熔池脱碳速度决定于氧的传递，随着供氧强度的提高Kc值增加。（2）低碳区(102010-6C20010-6)：熔池脱碳速度决定于钢水中碳的传质速度，由钢水循环流量Q与体积传质系数ak所决定。（3）超低碳区( C102010-6)：熔池脱碳速度决定于界面反应速度，增加反应界面是提高该区域脱碳速率的主要措施。图3-2 RH脱碳速度Kc与C的关系3.6 RH对N的控制 氮主要以化合物形态存在于钢中，溶解状态的氮很少。氮在钢中的作用是双重的，在一定条件下，氮被认为是一种重要的合金元素，常以合金或渗入的方法加入钢中以提高钢的硬度强度，抗蚀性等，但氮在钢中也有不利的一面，影响钢的性能。就转炉钢而言，大部分是低碳钢，氮的有害影响尤为突出，某些特殊钢种如IF钢氮含量要求小于30ppm。3.6.1 脱氮热力学 钢液中的溶解氮遵守Sievert定律，可用下式表示： 1/2N2=N %N=KN KN为平衡常数 氮在钢中溶解度随分压下降而下降，但远高于氢的溶解度。合金元素对氮在钢中溶解度的影响 （a）凡能与氮形成氮化物的合金元素如V、Cr、Nb、Mn特别是Ti等将提高氮在钢中的溶解度。 （b）其它元素如Si、C、Ni等存在将降低氮在钢中溶解度。3.6.2 脱氮动力学 脱氮的动力学过程与氢相同，其限制性环节是氮在金属中的扩散。但实际的脱氮速率及效果远低于脱氢速率，原因是： （a）氮在钢液中扩散系数小于氢的扩散系数。 （b）氮在钢中与其它合金元素形成稳定的氮化物，而这些氮化物，在炼钢温度下，分解压力都很低。 （c）脱氮受到表面活性元素氧和硫的影响。3.6.3 脱氮效率 RH脱氮效率远低于脱氢效率。原始氮含量低时，RH处理过程氮含量基本没有变化，氮含量高时，脱氮效率约为1030%，总的脱氮效率波动在030%之间。当原始氮含量低于25ppm时，如果RH操作不当，甚至会引起增氮现象。3.6.4 影响最终氮含量的因素 （a）原始氮含量控制 由于真空脱氮效果较差，目前生产低氮钢时，主要靠控制前工序转炉出钢氮含量，在RH处理过程中保持少量脱氮或避免增氮。 （b）适当延长真空时间，脱氮效率提高，但改善并不显著。（c）保持真空室的密封，防止漏气。3.7 RH轻处理工艺1977年，日本新日本钢铁公司大分厂研究出了一种新的RH处理工艺，叫RH轻处理工艺。RH轻处理工艺就是利用RH的循环、脱碳功能，在低真空条件下，对未脱氧钢水进行短时间处理，同时将钢水温度、成分调整到适于连续铸钢的工艺要求。这种工艺的特点是，转炉钢水在RH真空室内的低真空度下，使钢水中的C和O产生反应，形成CO气泡，以减少氧的含量，然后再加少量的脱氧剂。RH轻处理工艺的优点是可以降低脱氧剂的消耗量。在采用RH轻处理法时，转炉出钢时钢水中的碳含量较高，自由氧含量比较低，自由氧在RH轻处理中会进一步降低，因此所需的脱氧剂就很少。同时，在进行RH轻处理时，由于真空中的脱碳反应可以降低钢水中碳的含量，因此可以提高氧气转炉的终点碳，从而提高了钢水的残锰量，锰铁的消耗量也降低了。RH轻处理工艺的第二个优点是提高终点碳含量，渣中总铁含量也相应降低了，从而不但可以降低炉渣对转炉内衬的侵蚀，提高转炉内衬的使用寿命，而且可以提高钢水的收得率。3.8 RH夹杂物去除 钢中存在的非金属化合物，如氧化物、硫化物、氮化物等都以独立相存在，统称为非金属夹杂物。它们在钢中存在的形态可以以简单的化合物形态或者复合物形态出现。 钢中非金属夹杂物的存在，破坏了钢的基体连续性，造成了钢的组织不均匀，导致钢的韧性和塑性降低等，因而绝大部分钢种对夹杂物有严格的控制要求。3.8.1 夹杂物来源 RH处理过程中夹杂物主要来自： （1）脱氧剂、合金、冷却剂及喂线等外来添加剂。 （2）钢包中的熔渣，耐火材料。 （3）前期初炼炉带入的夹杂。 （4）浇注及凝固过程中二次氧化。3.8.2 RH处理过程中夹杂物去除途径 RH处理过程中夹杂物去除方式或途径是由钢液自身运动规律所决定的。RH处理中夹杂物去除主要途径有： （a）部分夹杂物通过处理过程中钢液环流搅拌动力促使夹杂物微粒间相碰撞聚集成较大颗粒上浮至渣中，或加快单个夹杂物颗粒上浮至渣中。 （b）部分夹杂物去除是通过熔池内上升的气泡，夹杂物吸附于气泡表面后被下降管中下降的钢液带至钢包炉渣表面。第四章 RH作业指导4.1 RH温度管理 精炼结束的钢水温度合适与否是决定连铸顺行的首要因素，同时它又在很大程度上决定了连铸坯的质量，过高和过低的钢水温度都会带来一定的危害。因此对精炼的温度进行有效管理并制定合理的温度制度，为连铸提供合适而严格的钢水温度，对改善连铸浇铸性能和提高板坯质量具有非常重要的意义。4.1.1 RH温度管理 为了精炼能给连铸提供合适而严格的钢水温度，在RH工序的温度管理上需注意以下几点： （a）做好钢包的预热和周转管理 钢包热状态影响着钢水温降的每个过程，因此采取严格的钢包烘烤预热制度、坚持红包周转、钢包加盖等措施以确保把钢包对钢水温降的影响减少到最小。（b）改进完善生产调度管理，缩短钢水周转周期。 （c）真空槽保证足够的烘烤温度。 （d）提高操作水平，稳定地控制RH终点温度。 （e）在钢包内加入合适的保温剂。 （f）缩短精炼结束至连铸开浇的时间。4.1.2 RH温度制度 建立符合客观实际、科学的温度制度并严格实施是确保连铸生产顺行、质量稳定的重要环节。 （a）连铸工序温度制度 TCC=TTD+T1+T2+T3 式中：TCC连铸开浇前钢水温度 TTD中间包目标温度 T1大包到中间包温降 T2回转台上大包等待补正温度 T3从RH到连铸回转台吊运过程温降（b）RH工序温度制度 TR=TS/T+T4+T5 式中：TRRH处理前目标温度 TS/T到达连铸回转台的目标温度 T4从RH到连铸回转台吊运过程温降 T5RH处理过程温降（T5=T标+T补） T标RH处理过程标准温降 T补RH处理过程补正温度（c）转炉工序温度制度 TLD=TR+T6+T7 式中：TLD钢包目标温度 TRRH处理前目标温度 T6从转炉到RH吊运过程温降 T补钢包状况补正温度4.1.3 液相线温度计算 连铸的过程实际上就是钢水在一特定时间内完成由液相转变为固相的过程，因此准确知道某钢种的液相线温度（即开始凝固温度），对理想地完成这个过程十分重要，同时它又是确定中间包温度的基础。钢的液相线温度在冶炼和浇注过程中是一个关键参数，是保证铸坯内部质量（特别是中心偏析、夹杂物）和稳定浇铸操作的基础。对连铸而言，钢水浇注时中间包温度是由钢液的液相线温度和过热度两方面决定的，用钢种的液相线温度可以计算浇铸温度，而且其它重要的温度如出钢温度、钢包温度、二次精炼后温度都是在此基础上进行推算的。根据钢中元素含量可以计算出该钢种的液相线温度值。4.2 RH合金化与成分调整 在真空脱气处理过程中进行合金元素的添加，不管用散装料还是用块状料，与转炉出钢或钢包吹氩搅拌情况的合金添加对比有以下优点： 合金基本不和渣反应 合金直接加入钢水，合金收得率高 钢水能快速均匀混合 合金成分可以控制在较窄的范围4.2.1 铁合金质量管理 （a）铁合金种类及成分 在脱气处理中，添加的合金种类随处理钢种所要求成分的不同而不同，添加合金的目的是为了调整钢水中的合金成分以满足钢种的目标要求。 （b）铁合金粒度 铁合金的颗粒度根据铁合金的比重有所不同，颗粒度过小易被真空抽走进入排气管道，颗粒度过大则不易溶解。（c）合金干燥 合金添加到真空槽内和转炉出钢时添加到钢包两种情况下，钢水中的氢分压是不同的，虽然在真空处理过程中添加大量的合金增氢不多，但一定要保证合金的干燥，以防止合金含有的水分对氢含量的影响，含水分的合金有的可能会造成精炼终点氢偏高，甚至出格。4.2.2 铁合金收得率及加入量真空槽内基本上无钢包渣，同时槽内为非氧化性气氛，因此在RH处理过程中能得到较高且较稳定的合金收得率。但还需考虑进入钢水中的其它氧源，如部分钢包渣、钢包的耐材、槽内氧化性冷钢等对合金收得率的影响。除此之外，小颗粒合金材料在真空排气过程中容易从排气管道被抽走从而降低其收得率。因此，为了防止被吸入排气管道，必须保证合金一定的颗粒度，特别是对于比重较轻的合金材料如碳和铝合金。针对完全脱氧钢而言，RH合金添加时合金的参考收得率可以参考表4-1：表4-1 主要合金RH收得率合金名称RH收得率（%）HCFeMn90LCFeMn95FeSi90增碳剂95B-Al