炉外精炼课件2014

炉外精炼,王宝奇,1炉外精炼概述,所谓炉外精炼，就是将在转炉或电炉内初炼的钢液倒入钢包或专用容器内进行脱氧、脱硫、脱碳、去气、去除非金属夹杂物和调整钢液成分及温度以达到进一步冶炼目的的炼钢工艺。即将在常规炼钢炉中完成的精炼任务，如去除杂质（包括不需要的元素、气体和夹杂）、调整和均匀成分和温度的任务，部分或全部地移到钢包或其它容器中进行，变一步炼钢法为二步炼钢。炉外精炼也称作二次精炼（SecondRefining）、二次炼钢（Secondarysteelmaking）、二次冶金（SecondaryMetallurgy）和钢包冶金（LadleMetallurgy）。,1炉外精炼概述,1.1炉外精炼出现和发展的原因1.1.1传统炼钢存在的问题1）电炉的还原期钢液吸气严重电炉的还原期为吸气过程，使钢中气体增加，影响钢的质量。对于防止大断面合金结构钢和大锻件钢最敏感的缺陷白点来说，要求把钢中的氢降低到2.53.0ppm以下。这在电炉冶炼的氧化期，经过激烈而均匀的碳-氧沸腾是完全可以达到的。但是，紧接着的还原期，却又使钢中的氢回升到57ppm，而出钢、浇注后则几乎回复到熔清时的水平。,1炉外精炼概述,2）出钢、浇注过程钢液二次氧化严重电炉氧化期脱碳过程夹杂物的去除，还原期的脱氧及其夹杂物的上浮均比较彻底。但在出钢、浇注过程中，由于钢液与大气接触，气体及O急剧升高，影响钢的质量。在出钢过程中，如果钢液与大气接触达到平衡的话，O就会回复到脱氧前的水平（100200ppm），给浇注带来恶劣的后果。,1炉外精炼概述,3）电炉还原期的变压器利用率非常低电炉的还原期钢液基本上处于保温与调温的状态，因而电炉的还原过程需要的电功率很低（仅为变压器额定功率的1/31/6），而且时间很长（约1/3），使变压器利用率非常低，而且生产率低、成本高。尤其超高功率电炉技术的出现，高功率、强化用氧使废钢迅速熔化、氧化，但钢液的还原仍然要在低功率、长时间下运行，这大大降低了超高功率电炉的功率利用率，显然这是不合理的。,1炉外精炼概述,4）电炉炼钢的品种受限制社会发展对钢材质量要求日益苛刻：如纯净度高，各向异性小，合金成分范围窄等方面。其中对钢的纯净度要求，即钢中C、S、P、T.O、N、H杂质总量达到l00ppm。如此低的杂质含量，用传统电炉炼钢方法根本达不到的。对于有些超低C、S、N等纯净钢种也不能冶炼。另外，生产低碳高铬不锈钢时，铬的烧损严重、炉体寿命低等，使得炼钢成本大为提高。,1炉外精炼概述,5）转炉炼钢法去硫困难传统的炼钢方法中，转炉炼钢法钢中的气体含量低，但存在炼钢过程去硫困难，对铁水中的硫等要求特别严格（常要求铁水进行炉外处理），以及出钢沉淀脱氧，钢中夹杂物多，使得所炼钢种受到限制。,1炉外精炼概述,6）转炉炼钢难以进行精确成分调整转炉炼钢仅主要采用包内沉淀脱氧，合金的收得率波动很大，产品成分范围较宽。同钢种的不同炉号性能差别较大，不利于钢材加工(轧制和机械加工)工艺的自动化，也不利于使钢材达到最佳性能的配合。7）转炉炼钢难以进行中、高合金钢生产由于转炉采用包内合金化，同时后续无加热手段，直接影响成分的均匀化，甚至无法进行高熔点合金的熔化，加之质量要求方面的原因，使其难以进行中高合金钢的生产。,1炉外精炼概述,1.2炉外精炼的主要目的和任务炼钢技术的发展，在提高钢的质量方面，总是向着降低钢中的有害杂质和非金属夹杂物含量、改善夹杂物的形态和分布、使钢的化学成分均匀、精确控制过程温度、使之能适合后部工序生产要求的方向发展；在经济方面是向着提高生产率、降低原材料、能源和劳动力消耗方向发展；在工业方面，则要求尽量提高生产多钢种的适应能力。炉外精炼在严格控制条件下要完成下列任务：1）降低钢中氧、硫、氢、氮和非金属夹杂物含量，改变夹杂物形态，以提高钢的纯净度，改善钢的机械性能；,1炉外精炼概述,2）深脱碳，用于生产低碳或超低碳钢，可将碳脱到极低的水平；3）微调合金成分，把合金成分控制在很窄的范围内，并使其分布均匀，尽量降低合金的消耗，提高合金收得率。4）调整钢水温度到浇铸所要求的范围内，最大限度地减小包内钢水的温度梯度；完成上述任务能达到提高质量、扩大品种、降低消耗和成本、缩短冶炼时间、提高生产率、协调好炼钢和连铸生产的配合等目的。但是，到目前为止，还没有任何一种炉外精炼方法能完成上述所有任务，某一种方法只能完成其中一项或几项任务。由于各厂条件和冶炼钢种的不同，一般是根据不同需要配备一两种炉外精炼设备。,1炉外精炼概述,1.3炉外处理的基本手段炉外精炼的手段包括：搅拌、真空、添加精炼剂、加热（调温）以及过滤。通过这几种精炼手段的不同组合，为完成某种精炼任务创造最佳热力学和动力学条件，构成功能不同的炉外精炼设备。,搅拌对反应器中的金属液进行搅拌，是炉外精炼的最基本、最重要的手段。搅拌可改善冶金反应动力学条件，强化反应体系的传质和传热，加速冶金反应，均匀钢液成分和温度，有利于夹杂物聚合长大和上浮排除。搅拌的效果通常用反应器内的均匀混合时间来反映。反应器内的均匀混合时间除了与搅拌强度有关外，还与搅拌方式、熔池的几何形状等均有关。搅拌方法：吹气搅拌和电磁搅拌。,1炉外精炼概述,1、气体搅拌底吹氩底吹氩是通过安装在钢包底部一定位置的透气砖吹入氩气。优点：均匀钢水温度、成分和去除夹杂物的效果好，设备简单，操作灵便，不需占用固定操作场地，可在出钢过程或运输途中吹氩。还可与其它技术配套组成新的炉外精炼方式。缺点：透气砖有时易堵塞，与钢包寿命不同步。,1炉外精炼概述,顶吹氩顶吹氩是通过吹氩枪从钢包上部浸入钢水进行吹氩搅拌。要求设立固定吹氩站，该方法操作稳定也可喷吹粉剂。但顶吹氩搅拌效果不如底吹氩好。吹氩搅拌对金属液所作的功氩气在出口处因温度升高产生的体积膨胀功Wt氩气在金属液中因浮力所做的功Wb氩气从出口前的压力降至出口压力时的膨胀功Wp氩气吹入时的动能We其中前两项占主要部分，后两项可忽略。,1炉外精炼概述,增加吹氩流量，增大钢液的深度均可提高氩气对钢液的搅拌能。2、电磁搅拌对钢水施加一个交变磁场，当磁场以一定速度切割钢液时，会产生感应电势，这个电势可在钢液中产生感应电流J，载流钢液与磁场的相互作用产生电磁力f，从而驱动钢液运动，达到搅拌钢液的目的。电磁搅拌能主要决定于磁场强度。而要增大磁场强度，必须增大输入感应线圈中的电流。,3、循环搅拌典型的循环搅拌:RH、DH。又称吸吐搅拌。在后面讲。,常用钢包搅拌系统示意图,真空当反应生成物为气体时，通过减小反应体系的压力抽真空，可以使反应向着生成气态物质的方向移动。因此，在真空下，钢液将进一步脱气、脱碳及脱氧。向钢液中吹入氩气，从钢液中上浮的每个小气泡都相当一个“小真空室”，气泡内的H2、N2及CO等分压接近于零，钢中的H、N以及碳氧反应产物CO将向小气泡中扩散并随之上浮排除。因此，吹氩对钢液具有“气洗”作用。采用专门的真空装置，将钢液置于真空环境中精炼，可以降低钢中气体、碳及氧含量。,添加精炼剂炉外精炼中金属液的精炼剂一类为以钙的化合物（CaO或CaC2）为基的粉剂或合成渣，另一类为合金元素如Ca、Mg、Al、Si及稀土元素等。将这些精炼剂加入钢液中，可起到脱硫、脱氧、去除夹杂物、夹杂物变性处理以及合金成分调整的作用。添加方法:合成渣洗法、喷吹法和喂线法。,渣洗法是在出钢时利用钢流的冲击作用使钢包中的合成渣与钢液混合，精炼钢液。喷吹法是用载气（Ar）将精炼粉剂流态化，形成气固两相流，经过喷枪，直接将精炼剂送入钢液内部。由于精炼粉剂粒度小，进入钢液后，与钢液的接触面积大大增加。因此，可以显著提高精炼效果。,喂丝法：是将易氧化、比重轻的合金元素置于低碳钢包芯线中，通过喂丝机将其送入钢液内部。喂丝法优点：可防止易氧化的元素被空气和钢液面上的顶渣氧化，准确控制合金元素添加数量，提高和稳定合金元素的利用率；添加过程无喷溅，避免了钢液再氧化；精炼过程温降小；设备投资少；处理成本低。,合金的喂入与喷粉工艺示意图,加热钢液在进行炉外精炼时，有热量损失，会造成温度下降。若炉外精炼方法具有加热升温功能，可避免高温出钢和保证钢液正常浇铸，增加炉外精炼工艺的灵活性，在精炼剂用量，钢液处理最终温度和处理时间均可自由选择，以获得最佳的精炼效果。常用的加热方法有电加热和化学加热。电加热是将电能转变成热能来加热钢液的。这种加热方式主要有电弧加热和感应加热。化学加热是利用放热反应产生的化学热来加热钢液的。常用的方法有硅热法、铝热法和CO二次燃烧法。化学加热需吹入氧气，与硅、铝、CO反应，才能产生热量。,钢包加热系统工艺示意图,1炉外精炼概述,过滤：随着技术的进步出现的一种新的精炼手段，如利用陶瓷过滤器将中间包内钢液中的氧化物夹杂等过滤掉。,1.4炉外精炼方法的分类,1.4炉外精炼方法的分类（1）真空处理真空滴流脱气法真空吹氩法（VD）真空提升脱气法（DH）真空循环脱气法（RH）（2）钢包精炼法钢包吹氩CAS法（CASOB法和IRUT法）ASEASKF法VAD法LF(V)法,（3）不锈钢液的精炼真空脱碳法（VOD）氩氧精炼法（AOD）RH-OB法CLU法（4）固定料的添加方法喷射冶金喂丝法（WF）,尽管炉外精炼方法多达几十种，但比较普遍的、常用的并不多，针对不同钢种、不同流程，采用不同的炉外精炼方法，常见钢种的配置如下：合结钢：EAF（EBT）（或BOF）LF炉连铸轴承钢：EAF（EBT）（或BOF）LF炉VD连铸EAF（EBT）（或BOF）LF炉RH连铸不锈钢：EAF或BOFVOD（LF炉）连铸EAF或BOFAOD（LF炉）连铸EAF或BOFAODVOD（LF炉）连铸,常用的炉外精炼方法,2真空处理的作用,2.钢液的真空处理的作用钢液真空处理的目的是去除钢液内的气体和氧、夹杂物，是提高钢水质量的重要途径。提高脱气程度氢和氮在各种状态的钢中都有一定的溶解度，溶解过程吸热，故溶解度随温度的升高而增加。气态的氢和氮向钢液溶解，达到平衡时，其平衡常数为温度的函数，温度越高，平衡常数愈大，钢液愈容易吸气。在一定温度下，氢和氮在钢液中的溶解度与其分压力的关系还符合Sieverts平方根定律，即与其分压力平方根成正比。因此，在真空环境下，可将气体在钢液中的溶解度显著降低，在有利的动力学条件下，将促使气体从钢液中逸出。,实践证明，氢比较好脱，不管采用哪种真空熔炼和处理都能保持良好的脱氢效果。但是脱氮比较困难，各种脱气方法的脱氮效果都不甚理想，究其原因：氮的扩散系数比氢小，钢种的氮主要呈氮化物状态存在，自由状态的氮很少，自由状态的氮也能扩散，但是氮的离子半径为1.11010cm，而氢的离子半径为1013cm，氮比氢大两个数量级，因此氮的扩散速度比氢小得多。1600时扩散系数DH（0.90.8）103cm2s，DN3.8105cm2s，所以但在钢中的溶解度比氢高15倍。氮与某些元素作用生成氮化物，要脱除氮化物中的氮，则气相压力（真空度）必须小于氮化物的分解压，而这些氮化物在1600下的分解压都比较低，如1600时氮化铝的分解压为106atm101.3Pa。,使碳还原固体金属氧化物能力提高在冶金工业中，用碳作为金属氧化物的还原剂不仅价格便宜来源广泛。但是在大气状态下用碳作还原剂时被还原的金属要渗碳，因此不可能得到含碳很低的金属和铁合金。而在真空状态下，碳和氧的亲和力随气相压力的降低而增加，使碳的还原能力大大提高，因此可以得到含碳很低的金属和铁合金。,3炉外精炼技术原理,实现钢液中真空碳脱氧在常压下碳的脱氧能力很弱，必须使用强脱氧剂（如：硅、铝）进行终脱氧，但在真空下碳的脱氧能力显著增强。1600时不同压力下碳脱氧能力和锰、硅、铝脱氧能力的比较，如图所示。由图可见，在真空下碳的脱氧能力达到了和硅、铝相当的水平。,但是真空下碳氧热力学平衡关系只在气液相界面上才有效。在气液相界面上脱氧产物CO能从液面排出到气体中，此时反应的平衡受气相中CO分压力的影响。但在钢液内部，CO气泡生成要克服较大的能垒，包括液体静压力、毛细管压力、气相总压力。从动力学角度看，钢液面上的气相压力（真空室低压）远比钢液深度造成的静压力和气泡承受的毛细管压力小得多。在液滴和气相之间的交界面上，CO气体以分子形式直接从液相挥发到气相中，不受钢液静压力和毛细管压力的作用，有利于碳脱氧。因此，在这些界面上的C、O值可以降低到热力学值的水平，此时控制碳氧反应速度的将是钢液中的碳和氧向气液相界面的传质速度。,当使钢液分散通过真空时，如真空倒包法，真空浇铸法，RH等碳脱氧的作用就截然不同。由于钢液进入真空室后炸裂成无数小液滴，有人估计液滴直径为110310mm范围内。液滴在真空室自由降落的时间大约为0.51秒，液滴内部也处于剧烈流动状态，氧的传质速率大大增加，脱氧效果显著。,3炉外精炼技术原理,气液相界面越大，钢液体积越小，钢液含氧越高，钢液中氧的传质系数越大，脱氧速率就越快。所以在钢液中平静状态下碳脱氧速率不大。通过搅拌措施，使气液相界面扩大，可大大提高真空碳脱氧的作用。向钢液吹入惰性气体后形成很多小气泡，这些小气泡内的CO含量很少，钢液中的碳和氧能在气泡表面结合成CO而进入气泡内。直到气泡中的CO分压达到与钢液中的C、O相平衡的数值为止。这就是吹氩脱气脱氧的理论依据。在真空条件下精炼的钢液中吹氩搅拌和吹氩循环钢液的各种方法，氩气泡除起搅拌和循环作用外，同时还有这种脱气和碳脱氧作用。通过真空碳脱氧，由于其产物不污染钢液，可减少钢中的氧化物夹杂，提高钢的纯净度。,3真空精炼方法真空精炼包括钢液滴流脱气法（1950年，德国）、真空提升脱气法DH、真空循环脱气法RH。3.1真空滴流脱气法钢液滴流脱气法使钢液以流束状注入置于真空室内的容器中，由于真空室压力急剧降低，使流股松散膨胀，并散开成一定角度以滴状降落，脱气表面积增大，有利于气体的逸出。目前采用的有以下几种：把钢水由一个钢包注入真空室内的另一个钢包的倒包法；把钢水注入真空室内的锭模中的真空浇铸法；出钢到真空室内的钢水包中的出钢脱气法及真空滴流保护渣处理法等。,经真空滴流处理后，钢液H、O含量下降，非金属夹杂物含量降低。滴流处理的主要问题是钢液温降比较大，小容量钢包尤为突出。为了保证充分脱气与合适的浇注温度，钢液需过热100左右。即提高出钢温度100左右。如采用真空浇注，出钢温度可以低些，但真空浇注设备利用率低。采用出钢过程真空处理法，温降稍小一些。这种方法主要是用于生产大锻件的机械制造厂。,3.2真空提升脱气法DHDH真空提升脱气法是1956年德国多特蒙特（Dortmund）和蒙特尔（Horder）冶金联合公司首先发明使用的，简称DH法。如图53所示，由真空室（钢壳内衬耐火材料）及提升机构，加热装置（电极加热装置或喷燃气，喷油加热），合金料仓（真空下密封加料），抽气系统等组成。,DH法脱气工作原理根据压力平衡原理，借助于真空室与钢包之间的相对运动，将钢液经吸嘴分批吸入真空室内进行脱气处理的。处理时将真空室下部的吸嘴插入钢液内，真空室抽成真空后其内外形成压力差，钢液沿吸嘴上升到真空室内的压差高度，如果室内压力为13.366Pa，则提升钢液约1.48m。由于真空作用室内的钢液沸腾形成液滴，大大增加气液相界面积，钢中的气体由于真空作用而被脱除。当钢包下降或真空室提升时脱气后的钢液重新返回到钢包内。当钢包下降或真空室下降时又有一批钢液进入真空室进行脱气，这样钢液一批一批地进入真空室直至处理结束为止。,DH法的操作工艺准备：处理前根据钢种和出钢量确定配加的合金种类和数量，并预先加入到料仓内，根据钢水量和钢包尺寸选定每次吸入的钢水量，调整好升降行程和极限位置，吸嘴前装好挡渣帽，将真空室加热。处理：将盛有钢液的钢包送到处理位置后测温、取样并将吸嘴插入钢液内，然后启动真空泵抽气，当真空室压力降至1.333104Pa时升降机构开始自动升降，进入真空室的钢液在低压作用下开始脱气反应，产生激烈的沸腾和喷溅。脱气后钢液回流到钢包内产生剧烈的搅拌和混匀。这样反复进行30多次左右的升降，全部钢液经3次循环，真空度稳定到极限值，然后加入合金，再升降几次待合金充分混匀后取样测温送去浇注。5.3.4DH法主要工艺参数的选定DH法主要工艺参数有：钢液吸入量、升降次数、循环因数、停顿时间、升降速度、提升行程等。合理确定这些参数对真空室的设计，确定工艺制度对达到满意的脱气效果有重要意义。,DH法的实际效果（1）脱氢：效果较好，可由处理前的（2.56.5）ppm降低到（1.02.5）ppm。当处理未脱氧钢时从熔池底部产生大量CO气泡，有利于脱氢反应的进行。（2）脱氧：处理未经预脱氧钢液可使氧降低5590，还可以降低非金属夹杂物4050，合金在真空下加入，收得率高达95以上，并且成分和温度均匀。（3）脱氮：效果较差，当钢中氮含量低（3040ppm）时短时间处理几乎无变化，当氮含量高于100ppm时，脱氮量可达（2030）ppm。（4）脱碳：真空处理时，由于碳氧反应降低了碳含量，因此DH法可生产超低碳钢（C0.002）。总之，经DH处理后钢中的氢、氮、氧及非金属夹杂物都有相当的减少，钢材内外部缺陷也明显减少，各种性能也得到了提高。,DH法的主要优缺点优点：进入真空室内的钢液由于气相压力的降低产生激烈的沸腾，脱其表面积增大，脱气效果较好，适用于大量钢液的脱气处理，可以用比较小的真空室处理大吨位的钢液；可以对真空室进行烧烤加热，因此处理过程中钢液温降小。由于激烈的沸腾还具有较大的脱碳能力，可以生产含碳0.002的低碳钢。处理过程中可以加合金，在真空室内合金元素的收得率高。由于这一系列的优点，使DH法得到了发展。缺点：设备比较复杂，投资和操作费用都比较高。,3.3真空循环脱气法（RH法）3.3.1RH法的产生及发展概况RH法是德国鲁尔（RuhrstahlA.G）钢铁公司和海拉斯公司（HeraeusAG）两家公司57年共同发明的，故简称RH法。现在日本五大钢铁公司（新日铁、住友、钢管、神户、川崎）转炉钢水的RH处理比率70以上。RH法在我国发展也很快，大冶钢厂1968年投产第一台，宝钢分别于1985年和1999年投产了两台RH装置，武钢分别于1979年至1990年投产了四台RH装置，最大容量是宝钢1985年12月投产的一台300吨RH装置。全国相继建成了15台RH多功能真空精炼炉，在未来的一段时间内将会有更多的RH真空精炼法建成投产。,在现代化钢铁生产长流程中，高炉铁水炉外预处理转炉顶底复合吹炼RH真空精炼或CASOB精炼连铸连轧或连铸铸坯热送直接轧制，是现代转炉炼钢生产的最佳工艺流程。3.3.2RH法的设备RH法的设备由脱气主体设备、水处理设备、电气设备、仪表设备所组成。而主体设备又由如下设备构成：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、真空室移动台车、真空室固定装置、真空室下部槽及、浸渍管更换台车及专用工器具、浸渍管修补台车、电极加热装置（煤气加热）、钢包液压升降装置、钢包台车、测温取样装置、脱气附属设备、管道设备、RHOB装置等。,3.3.3RH法的循环脱气工作原理和冶金功能钢液真空循环原理钢液真空循环原理类似于“气泡泵”的作用，如图所示。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100150mm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（所谓的循环高度）。此时钢液并不循环，为了使钢液循环，与此同时从上升管下部约三分之一处吹入氩气，氩气进入上升管内的钢液以后由于受热膨胀，在上升管内瞬间产生大量的气泡核，由于该气泡受热膨胀和压力降低时体积成百倍的增大，钢液比重变小；又由于氩气泡内的氢气和氮气的压力为0，所以钢液内溶解的气体向氩气泡内扩散，膨胀的气体驱动钢液以约5m/s的速度上升，呈喷泉状喷入真空室内。气泡进入真空室后破裂，钢液被碎裂成小的液滴，使脱气面积大大增加（2030倍），气体自钢液内析出被真空泵抽走，大大加速了脱气进程。而脱气后的钢液汇集到真空室底部，由于重量的差异，经下降管以12m/s的速度返回到钢包内。未经脱气的钢液又不断从上升管进入真空室脱气，周而复始，从而形成连续循环过程。如此反复循环n（24）次后达到脱气目的，脱气过程结束。,3.3.4主要工艺参数的选定RH法的主要工艺参数有处理容量、循环因数、脱气时间、循环流量、真空度及工作真空度下的抽气能力。处理容量V处理容量V：指被处理的钢液量。RH处理容量的上限在理论上说是无限的，处理容量的下限则取决于处理过程中的温降情况。一般认为，在炉内处理时不应小于10吨；在钢包内处理时，不应小于30吨；当容量小于30吨时，温降显著。目前已建成的RH装置最大容量为300吨。分批处理是RH法的主要特点，因此用同一套RH装置可以在大致相同的时间内处理不同容量的钢液，这一特点为RH装置的设计、制造和选用提高了方便。根据RH法的操作经验和计算以及我国炼钢炉系列等情况，可用四种不同真空室和抽气系统就可以处理下列范围的钢液：1030吨，30120吨，120200吨，200300吨。,处理时间处理时间：指钢包在RH工位停留时间。该时间的大部分在进行真空脱气，所以脱气时间略小于处理时间。为了使钢液充分脱气，需要保证足够的脱气时间，即处理时间。处理时间取决于允许的钢液温降和处理过程中钢液的平均降温速度(/min)。为了弥补处理时的温降，出钢温度比不处理的钢种要高出2030。又由于处理后的钢液含气量及夹杂物含量的减少使钢液粘度下降，因此开浇温度可比未处理的同钢种钢降低2030。所以处理时允许的温降大约4050。所以处理时间就决定于脱气时的平均降温速度。而降温速度主要与处理容量、钢包和真空室的预热温度、处理时加入的添加剂的种类和数量以及渣层厚度、包衬材料的导热系数等因素有关。其中钢包和真空室的预热温度，特别是真空室的预热温度，对温降速度影响最大。因此，为了保证足够的脱气时间，真空室要充分预热。,循环因数是指处理过程中循环钢液的当量次数，即通过真空室的总钢液量与处理容量之比。,式中t为处理时间，min；W为循环流量，吨分；V为钢包容量。在实际生产中，为了保证钢液充分脱气，u一般取5。,循环流量W：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和驱动气体流量。对于镇静钢，W与上升管内径和驱动气体量之间存在以下关系：,式中a常数，镇静钢a0.02（测定值）；d-上升管直径；cm；Go通过上升管的驱动气体量，升min；当45时，根据处理容量要求的脱气时间确定W值：,循环流量与处理容量的关系处理容量V，t30120120200200300循环流量t/min152530404060真空度真空度：指RH处理时真空室内可以达到并且保持的最小压力。对于一般钢种（对气体含量的要求不高）并不需要太高的真空度，通常控制在几百Pa范围内。经验表明，如果能把钢中的氢降到1.5ppm以下，也就是低于铁素体中的溶解度极限，即可完全排除引起白点的敏感性。,从热力学角度考虑，真空度达310Pa即能满足要求。考虑动力学条件和其他因素的影响，真空度选在1366Pa。3.3.5RH法精炼工艺技术RH法真空处理分为本处理和轻处理，本处理是指在高真空度（气压0.27KPa）下，以去除钢液中氢、氧（脱氧产物）为目的的真空脱气处理。一般本处理的脱氢率在50左右，最大可达70，H的去除率与RH处理前H含量有关，RH处理H始与高炉铁水和转炉矿石使用量都有关系，要求RH处理H始4ppm。,3.3.5.1RH法精炼工艺过程精炼前的准备：真空室烘烤、电、压缩空气、水蒸汽、冷却水的供应，驱动气体和反应气体的准备以及合金料斗的准备。确认准备工作完好后即可投入运行，停止烘烤，在升降管口套上挡渣帽，在真空室上装合金料斗，同时，初炼炉出钢，钢包运至升降台车，在钢包中测温取样，然后降下真空室，将升降管插入钢液内，深度不小于150200mm，启动真空泵，随着真空室压力的降低，钢液沿着升降管上升，当向上升管吹入驱动气体，真空室压力降到2613KPa时，钢液明显地经过真空室循环，并在真空室内喷溅，表面积显著增大，从而加速脱气过程，脱气后的钢液汇集到真空室底部，在重力作用下，以12m/s的速度返回钢包，冲击未脱气的钢液，使其相互搅拌和混合，经过若干次循环后，可将钢液内的气体降到相当低的水平。循环初期每隔10min测温、取样一次，接近处理终点时每隔5min测温、取样一次，根据取样分析结果，如需补加合金料，可操作自动控制的料斗，在不破坏真空度的条件下，以恒定的加料速度将合金料加入真空室内，料加完后再循环几分钟，以保证成分温度均匀，处理完毕后，在关闭真空泵提升真空室的同时，再测温取样，成分合格后将钢包移出进行浇注。,3.3.5.2RH法真空脱碳RH除脱气功能外,还具有真空脱碳功能。根据碳氧平衡原理，当降低钢液面上CO气相压力时，促进碳氧反应，达到脱碳目的。脱碳量和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一种十分有效的手段，当钢液中含氧量降低某一数值时，则含碳量也相应降低一定数值，它们之间存在以下关系：,若钢液在真空脱碳前碳氧积值为2.5103，则当原始含碳量为C0时，其原始含氧量为：,假定在真空脱碳后，钢液中残余含氧量较之原始含氧量可以忽略不计，那么最大可能的脱碳量为：,所以，只有当钢液原始含碳量较低时，才有希望大幅度的降低钢液中碳含量（与原始含碳量相比较）。例如，当钢中含碳量为0.2时，在大气压条件下，钢液中含氧量仅为0.0125，最大可能的脱碳量仅为0.0094相当于原始含碳量的4.09；而当钢液原始含碳量为0.08时，原始含氧量0.0312，此时最大可能脱碳量为0.023，相当于原始含碳量的30；当钢液中钢液原始含碳量为0.04时，钢液中的氧可以脱去全部含碳量，并且有0.009的氧过剩；随着钢液中钢液原始含碳量的继续降低到小于0.04时，经RH真空脱碳后，钢液中过剩的氧增加。但实际中并不能将钢液中的碳全部脱去，这主要是因为受脱碳速度和钢液温度等条件的制约。RH真空脱碳时脱碳量与原始碳含量的关系如图517所示。真空脱碳量与脱氧量的关系如图518所示。,3.3.5.5RH法的合金化和成分微调（1）对合金的要求1）合金的粒度RH真空精炼用合金的粒度应有利于合金在钢水中迅速熔化混合，由于RH真空精炼时温度比转炉出钢时低，颗粒度过大的合金难以熔化；但RH真空精炼又有其特殊性，受被抽气体的影响，颗粒小的合金在真空室内易被气流带走，特别是在RH真空精炼前期，钢水中的气体发生量大，更易将小颗粒合金抽入真空管道，从而影响成分命中率，对真空管网带来损害。所以，真空精炼用合金的粒度以315mm为宜。2）合金烘烤：如果合金加入量超过3，就应当进行烘烤，烘烤好的合金直接加入钢包，以免烧坏皮带。大部分钢厂合金都不进行烘烤通过加料系统加入真空室中。3）合金中杂质尽量低。,（2）合金加入速度一定的RH真空精炼设备有一定的循环量，加入合金时，必须对加入速度进行控制，短时间内加入的太多，会造成钢水温度的降低，致使钢水凝固，甚至破坏环流。加合金时钢水降温不能大于40，加入合金使钢水温度升高，不能高于50，控制加入速度，对于加入大量合金尤为重要，一般FeSi75为循环量的4，武钢二炼钢厂为1200Kgmin，加铝和碳等不超过循环量的1.5，其它合金不能超过循环量的2。但恒尼西厂在RH设备上只对钢水的成分进行调整，加入量都比较小，一般不需要对加入速度进行控制。,（3）加入合金的时间RH真空脱碳完毕或在真空条件下利用碳脱去部分氧后，或当真空度低于6600Pa以后，即可按钢种目标成分的要求加入适量的合金进行脱氧、合金化或成分微调。一般情况下，只要钢水开始良好循环，就可以开始加入第一批合金。但不同的合金应当在不同的时间内添加完毕；难熔化的合金应当在精炼结束前10min以内加完；如铬铁、钒铁、锰铁、氮化硅铁等；易氧化的合金，如铝丸、钛铁、硼铁等不宜过早地加入，应当在结束前3min内加完，提高收得率及成分命中率；对脱碳钢来说，合金的添加时间应当在脱碳结束以后加铝脱氧并进行合金化,以防合金氧化。对于在真空条件下利用碳脱氧的钢来说，则应视钢中碳含量和钢液温度高低来决定合金加入时间。,（4）成分的混合为使添加的合金元素在钢包中混合均匀，加入合金后应循环一次为好。RH真空精炼过程中，添加各类合金时，能否在钢包中混合均匀，取决于钢水循环速度和合金添加速度。大量的实践表明，RH合金化的速度为：75硅铁为0.75Simin，锰铁的添加速度为0.5Mnmin。过快的添加速度会导致成分分布不均匀或堵塞钢水环流。当合金添加结束时，钢水循环必须延长2min以上的时间，以达到完全均匀化的效果。对于添加大量的增碳剂时应延长更长的时间。,（5）合金加入量的计算方法合金加入量的计算公式为：合金加入量（目标值加合金前钢中含量）钢水量（收得率合金成分含量）铝的加入量受钢中含氧量和加入量多少的影响而不同。当加入量较少时应当根据钢中含氧量决定。（6）合金收得率RH真空脱碳以后，钢中含氧量大幅度降低，降低的幅度与降碳量有关。由于加合金并不直接与钢渣接触，因此合金元素的收得率要比转炉炉后脱氧合金化高而且稳定。但RH真空条件下，合金后收得率还与合金粒度有关，过小的合金易被吸入真空管道，影响收得率。,（7）成分微调要控制钢中各元素的含量在较窄的范围之内波动，RH真空精炼为成分微调提供了良好的条件。钢水经过炉后脱氧合金化和吹氩搅拌，钢水中的氧得以降低，同时钢渣的氧化性也有所降低。因此回收率稳定。要使钢中某元素达到预定目标值，在成分微调时必须具备以下条件：及时地采集有代表性的合格试样；迅速地将试样传递给快速分析室；有一套快速、准确地反映真实值的分析仪器；迅速、准确地向现场传递分析值；有一套能迅速、准确地称量所需要添加合金的称量系统；有一套能迅速、准确、均匀地把合金加入钢水的加料系统；,3.3.5.3RH法的冶金效果RH法优越的脱气、脱氧、脱碳和合金化条件，使得RH真空精炼能取得较好的冶金效果。脱氢：效果明显，由于从上升管吹入驱动气体，在上升管内生成大量气泡核，进入真空室的钢液又被喷射成极细小的液滴，大大增加了钢液脱气的表面积，有利于脱气的进行。通常RH法的脱氢率可达5080。脱氧钢约为65，未脱氧钢约为70，处理20分钟后，钢水中的氢含量可降至2ppm以下。如果延长时间提高钢水的循环速度可降至1ppm以下。脱碳：RH真空脱碳，能使钢中的含碳量降到0.0015以下，满足超低碳钢的要求。,脱氧：RH处理时，碳有一定的脱氧作用，钢液中溶解的氧主要依靠真空下碳的脱氧作用。用RH处理未脱氧的超低碳钢，氧含量可由（200500）ppm降到（80300）ppm。处理含碳镇静钢，氧含量可由（60250）ppm降到2060ppm。RH真空精炼后（有渣精炼）TO含量可不高于20ppm，如和LF法配合，钢水TO可降到10ppm以下。脱氮：与其它真空脱气方法一样，RH真空精炼时脱氮比较困难，脱氮率比较低。当原始含氮量较低时，如氮含量小于50ppm，处理前后几乎没有变化，当氮含量大于100ppm时，脱氮率只有1020。但在强脱氧、大氩气流量、确保真空度条件下，也能使钢水的含氮量降低20左右。,脱硫：向真空室内添加脱硫剂，能使钢水的含硫量降到0.00120.0015，如采用RH内喷射法和RHPB法能保证稳定地冶炼S0.001的钢，某些钢种可以降到0.0005以下。添加钙：向RH真空室内添加钙合金，其收得率能达到16，钢水中的Ca可达到0.001左右。成分控制：为改善碳、锰、硅对低合金钢淬火均匀性的影响，向RH真空室内多次加入合金，可将碳、锰、硅的成分精度控制在0.15的水平。对低碳钢中的碳含量也可通过RH的电子计算机综合控制使C0.003。,在弱脱氧钢中，RH进行成分微调，可使钢中铝含量控制在0.00015水平。对于含氮在0.007左右的中碳镇静钢，可通过把驱动气体换成N2的方式，能使N的精度控制在0.0005范围内。升温：在RH真空吹氧时，由于铝的氧化放热，能使钢水获得4min的升温效果。适用范围较广，同一设备能处理不同容量的钢液，也可以在电弧炉或感应炉内进行。处理钢种范围广，如IF钢、超低碳钢、低氮钢、锻造用钢、高强钢、结构钢、轴承钢、工具钢、不锈钢、电工钢、准沸腾钢等。,3.3.5.4超低碳钢精炼超低碳钢是指钢中C100ppm的纯净钢，除常规的化学成分必须严格按标准控制外，对钢中N、O等气体、夹杂也有严格要求，需要特别注意后道工序的增C、吸N及二次氧化。某厂超低碳钢生产要点：（1）浸渍管口径不小于650mm，目标真空度0.10KPa，环流气状况良好；（2）处理结束加低碳颗粒保温剂；（3）加铝调整成分时，须考虑Fe-Ti合金中铝的含量；（4）通氧方式根据具体情况选用合适的顶枪模式；（5）冶炼本钢种前安排两炉低碳铝镇静钢进行真空室清洗；（6）钢包在浇注本钢种前两炉浇注的是低碳铝镇静钢，同时包口、包底严禁有残钢、残渣余留；（7）冷却剂和低碳锰铁应在脱碳前期加入，加铝完全脱氧后不可加冷却剂；（8）脱碳过程中严禁加铝，尽量避免脱碳结束后的顶枪升温。如需进行顶枪强制脱碳，环流开始后即可进行；（9）脱碳结束加铝脱氧后到脱气终了时间保证10min以上；（10）要求纯脱气时间大于5min。,3.2.5.7RH轻处理工艺1977年，日本新日铁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的搅拌、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、成分调整到适于连铸的工艺要求。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产生反应生成CO气泡，以减少氧的含量，然后再加少量的脱氧剂就能生产出类似于沸腾钢的钢，即准沸腾钢。这种钢不用硅脱氧，准沸腾钢的典型化学成分如表614所示。铝的用量限制在一定范围内，为了准确地控制铝的含量，通常利用定氧仪来测定钢中的含氧量，然后再视情况决定添加铝含量。RH轻处理工艺过程中钢水中碳和氧的变化关系如图523所示。,RH轻处理工艺的优点：可以降低脱氧剂的消耗量。在采用RH轻处理工艺法时，转炉出钢时钢水的碳含量较高，自由氧含量较低，这种自由氧在RH轻处理中还要进一步降低，因此所需的脱氧剂就很少。同时，进行RH轻处理时，由于真空室的脱碳反应可以降低钢水中碳含量，因此可以提高氧气转炉的终点碳，从而提高了钢水的余锰量，锰铁的消耗量也降低了。可以缩短真空处理的时间，提高RH真空精炼设备能力和降低生产成本。采用RH轻处理工艺时，其精炼时间可以缩短一半，从而大大的降低了精炼费用，提高了RH精炼工艺的灵活性。提高终点碳含量，渣中总铁含量也相应的降低了，从而不但可以降低炉渣对转炉内衬的浸蚀，提高转炉内衬的使用寿命，而且可以提高钢水的收得率。目前，这种轻处理法已被成功地应用在对未脱氧钢或半脱氧钢进行脱碳、调整成分和温度，处理时间为12min，真空室内的压力为401.3KPa。,3.3.5.8RH法真空深度脱硫在RH真空处理过程中经合金溜槽向真空室加入脱硫剂可以实现深度脱硫。（1）RH真空深度脱硫的工艺参数1）对钢包中钢渣的要求RH深度脱硫时，不仅要求覆盖在包内钢液面上的炉渣厚度薄，而且还要求炉渣的碱度高和（FeO）含量小，提高对硫的吸收能力。高碱度的炉渣在RH钢液循环接触过程中直接参与脱硫反应。因此，转炉冶炼终点炉渣应达到以下要求：碱度为34，（FeO）含量不超过10。在出钢过程中采取挡渣措施，保证包中渣层厚度不大于100mm。最好在出钢过程中向包中添加一定量的石灰以增加钢渣的硫化能力。2）对脱硫剂的要求脱硫剂的配比CaOCaF2系脱硫剂的脱硫能力较强。CaF2的脱硫能力很小，加入萤石的作用是降低CaO的熔点，增加脱硫产物的扩散速度。CaO和CaF2的配比以60：40为宜，过多的CaF2会加剧对耐火材料的侵蚀。,石灰应选择活性石灰作为脱硫剂。脱硫剂的粒度：脱硫剂细化可以增加脱硫反应的速度，但对于RH真空精炼来说，其颗粒度过细，易被真空泵吸进真空管网，降低脱硫效果，所以脱硫剂的粒度以35mm为宜。脱硫剂的防潮，以防钢液吸收氢和氧。3）深度脱硫的时机RH深度脱硫的时机应当是在钢液深度脱氧以后，即钢中加铝脱氧并使钢中含铝量达到一定量后。因此，RH深度脱硫的时机选择在完成脱氧和合金化后2min进行。过早地加入脱硫剂会延长脱硫剂与真空室炉衬的接触时间，加剧炉衬的侵蚀。,4）搅拌时间脱硫剂经合金溜槽加入到RH真空室内与乳化了的钢液混合后经下降管流到钢包中，在混合搅拌过程中进行脱硫反应，其搅拌效果强，使脱硫剂迅速散开，这就增加了脱硫剂与钢液的混合，故脱硫速度很快。从脱硫剂添加到RH真空室内开始到脱硫反应达到预期目的为止共需搅拌35min。这与顶喷CaO系复合脱硫剂的脱硫速度相同。5）真空室的密封RH真空深度脱硫在RH真空室内进行，避免了空气中的氧对脱硫反应的抑制和回硫。但是，由于钢液在真空室内呈乳化状态，一旦有空气进入，其危害更大。因此，应当注意真空室的密封，防止空气进入真空室内。RH真空深度脱硫的效果RH真空深度脱硫的实践证明，钢中含铝量足以与脱硫反应产生的氧相结合，并有一定剩余时采用CaOCaF2脱硫剂进行深度脱硫可以获得超低硫钢，钢中硫含量可以降低到0.001左右，最高脱硫效率达到80以上。,RH的精炼功能如下：,1）真空脱碳在25min处理周期内可生产出C0.002的超低碳钢水。2）真空脱气可生产H0.00015，N0.002的纯净钢水。3）脱硫RH附加喷粉装置（RH-PB）处理后可生产出S0.001的超低硫钢水。4）脱磷经RH喷粉处理（RH-PB），可生产出P0.002的超低磷钢。5）升温采用RH-KTB技术，可降低转炉出钢温度26；采用RH-OB法加铝吹氧提温，钢水最大升温速度可达8min。6）均匀钢水温度可保持连铸中间包钢水温度波动不大于5。7）均匀钢水成分和去除夹杂物生产出TO0.0015的超纯净钢。,RH真空处理工艺以其操作简便、处理量大、生产效率高的特点不断发展，在原来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，发展成为多功能的真空精炼方法，更好地满足了钢种和提高钢材质量的要求，尤其适合和现在的连铸法配合使用，由于连铸法铸出的钢坯凝固速度快，不利于夹杂物上浮，所以对钢水的洁净度要求更为严格，同时连铸的操作时间长并连续进行，对钢水成分均匀性要求也较高，RH精炼法正好满足了这些要求。因此，RH精炼技术在炉外精炼中逐渐占主导地位。被人们公认为是最优秀的钢液真空精炼方法。实践证明，RH真空精炼技术是提高产品质量、降低成本、扩大生产品种、提高炼钢生产能力、保证连铸顺行、优化炼钢生产工艺流程的重要手段。,4钢包精炼法,钢包炉通常都具有真空、搅拌、加热等三种以上的精炼手段。并且这些手段都是独立的、可以控制的。精炼的目的一方面是为了提高钢水质量，另一方面是谋求提高生产率和降低炉钢成本，将电弧炉的还原精炼任务全部移至炉外的钢包进行。钢包炉在精炼功能方面具有如下特点：具有良好的脱气条件。一般都具有真空和搅拌条件，钢包底吹氩气搅拌和电磁搅拌。真空和钢液内上浮的氩气泡为脱气提供了良好的热力学条件。能够准确的调整钢液温度。加热钢液时，通过调节输入功率来控制钢液的升温速度。此外精炼过程中钢包内衬充分蓄热，这样在浇注过程中钢液降温缓慢，能保持在规定的温度范围内。钢液的成分均匀稳定。因为搅拌贯穿整个精练过程，所以成分均匀稳定。可以加渣料造还原渣精炼，充分地脱氧，脱硫，精炼低硫钢种。优越的合金化条件。由于具有加热手段，精炼过程中的合金加入量原则上不受限制。在真空条件下加入易氧化的合金，其收得率高且稳定，可以把钢液成分控制在较窄的规格范围内。钢包精炼法在不同程度上都可以完成脱氧、脱气、脱碳、脱硫，提高纯净度、合金化等项任务。,钢包炉精炼法,典型的钢包炉精炼法有三种：钢包吹氩技术、LF（ASEA-SKF）、VAD法。4.1钢包吹氩技术起初的常压钢包吹氩，即在普通钢包底部开一孔，并安装一个耐火材料的多孔透气塞，氩气通过透气塞吹入钢包中可促使钢中夹杂物迅速上浮，使钢液成分和温度均匀化。然而这种简单的钢包吹氩存在一些不足：吹氩时钢包上面的炉渣被吹开，钢水暴露于空气，造成钢水的二次氧化；渣中不稳定氧化物及变价氧化物继续与钢水作用；钢水冲刷耐火材料，不断带入外来夹杂物。为了克服简单钢包吹氩的上述缺陷，采取钢包带浸渍罩及封顶盖或在密闭炉体内吹氩精炼装置。,钢包炉精炼法,4.2保护罩加合成渣吹氩法1965年，日本新日铁公司开发出带钢包盖加合成渣吹氩精炼的CAB法（CappedArgonBubbling），其示意图如下。合成渣成分：CaO：SiO2：Al2O340：40：20。这种合成渣熔点低、流动性及吸收夹杂物能力强。改进后的钢包吹氩法有以下优点：吹氩时钢液不与空气接触，避免二次氧化；浮出夹杂物被合成渣吸附和溶解，不会返回钢中；钢液在包盖下，大大减少降温。当前几乎各钢厂，特别是有连铸机的钢厂均采用钢包吹氩处理钢液。吹氩压力为0.20.6MPa，吹氩时间26min，对20t的钢包吹氩量为0.10.3m3min。宝钢300t钢包吹氩强度曾达1.5m3min；德国胡金根厂225t钢包脱硫处理，加顶渣后吹氩强度达到2.7m3min。,钢包炉精炼法,当合成渣中(FeO)12，采用优质耐火材料时，钢包吹氩可使钢中氧含量达0.0020.004，最大夹杂物小于20um。由于不在炉内及出钢时加铝终脱氧，而在吹氩处理时由罩内加入，避免出钢时吸氮，经处理钢中N可降低2030。钢包吹氩时，为防止二次氧化污染钢液，以在钢液面上不形成强烈沸腾为准。同时挡渣出钢时，钢液表面应覆盖炭化稻壳或酸化石墨保温覆盖材料。钢包吹氩降温在2030之间，因无补偿热源，炼钢炉出钢温度必须提高30，增加炼钢炉热负荷。CAB法最大优点是没备简单，操作方便。主要用于普通钢生产，连铸前使钢液成分及温度均匀，消除大颗粒夹杂，精炼钢水纯净度不高。,钢包炉精炼法,4.3封闭式吹氩成分微调法成分调整密封吹氩的CAS法(CompositionAdjustmentbySealedArgonBubbting)是用来在钢包内对钢液中合金元素含量进行调整的方法。如图所示，首先利用钢包底吹氩排开钢包顶渣，然后将由耐火材料保护的浸渍罩插入钢包内吹氩口的上方，并挡掉炉渣，在罩内可加入各种合金元素进行微合金化。钢液受底部吹氩搅拌，成分与温度迅速均匀，在密闭条件下受氩气保护的合金收