RH真空精炼工艺与装备技术的发展

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,1,RH,真空精炼工艺与装备技术的发展,刘 浏,钢铁研究总院,2,汇报内容,1.RH,发展与应用,2.RH,单元反应与基本工艺,3.RH,多功能精炼技术,4.RH,高效化生产技术,5.RH,工艺优化,6.RH,典型钢种处理,3,RH,发展与应用,4,RH,的发展历史,RH,精炼技术是,1959,年德国,Rheinstahl,和,Hutlenwerke,公司联合开发成功的。,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。,RH,发展到今天，大体分为三个发展阶段：,（,1,）发展阶段（,1968,年,1980,年）：,RH,装备技术在全世界广泛采用。,（,2,）多功能,RH,精炼技术的确立（,1980,年,2000,年）：,RH,技术几乎达到尽善尽美的地步。,表,1 RH,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,）极低碳钢的冶炼技术（,2000,年,）：为了解决极低碳钢（,C1010,-6,）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。,5,RH,成为最主要的炉外精炼设备,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，现代,RH,比传统,RH,略有增加，但和其它真空精炼设备相比，投资成本约高出,50%,。但其操作成本低于传统,RH,，与,VD,炉大体相当。,现代,RH,传统,RH,VD,VOD,DH,真空钢包炉,碳含量,/,10,-6,15,20,0.05-1.0,50,30-40,40-50,最大脱碳速率,/min,-1,0.35,0.10.15,0,0.20,0.08,0.09,脱碳时间,/min,13,15,无脱碳功能,40-50,15-20,20,脱氢能力,/,10,-6,1.0,1.5,2.0,2.0,2.0,2.0,钢中,T.O/,10,-6,15,25,10,30,30,30,脱硫率,/%,40-60,0,80-90,80-90,70-85,80-90,化学加热,有,无,无,有,无,无,相对投资成本,1,0.8-0.9,0.5-0.6,0.6-0.7,0.4-0.5,0.3-0.4,相对操作成本,1.1,1.2,1.0,1.2,0.9,0.8,表,1,各种真空精炼方法的技术比较,6,RH,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。,RH,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）和同时要求超低碳、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）,RH,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）可以选择,RH,也可以选择,LF-VD,（或,LF-RH,）。而对于不锈钢冶炼,VOD,是最佳的冶炼设备，但日本许多钢厂也采用,RH,取代,VOD,生产不锈钢。,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,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,S,B,r,EL/%,超低碳钢,IF,钢,要求同时降低钢中,C,、,N,和,T.O,C20,N20,S50,T.O20,d,S,40,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=1.5,RH,450,800,0.9,26,低合金,高强度钢,X80,X100,超低硫精炼，严格控制钢中夹杂物和钢材组织结构,S10,P80,O20,N50,H1,LF-RH,LF-VD,550,690,21,高级电工钢,35W230,要求同时降低,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,N25,RH,P,1.5/50,(W/kg),2.20,B,50,(T),1.68,超纯铁素体不锈钢,409L,444,严格控制钢中,C,、,N,和,S,的含量，降低晶间腐蚀,C+N120,S+N80,VOD,RH,220,400,1.4,30,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.O10,7,7,现代,RH,与传统,RH,的技术差别,RH,诞生至今,50,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,RH,精炼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,RH,最初具备脱碳功能时，处理终点的最低碳含量为,0.01%,，需要处理时间,30min,。而今天，,RH,脱碳终点碳含量可以达到,0.0015%,以下，最低碳含量达到,3,10,-6,，而所需要的脱碳时间仅为,15min,。,90,年代初期，日本开发了,RH,顶吹氧工艺（,RH-KTB,），对,RH,精炼工艺的发展起到了重要的促进作用，标志着现代,RH,精炼装备的诞生。和传统,RH,相比，现代,RH,的主要技术特点是：,高效化是,RH,技术发展的主要趋势：,回顾,RH,的发展历史，对比现代,RH,与传统,RH,的技术差别，可以证明,RH,高效化是半个世纪以来,RH,精炼技术发展的重要方向。研究开发,RH,高效化的主要技术措施是：,RH,快速精炼技术的发展；,提高,RH,高作业率的工艺装备技术；,RH,自动化与计算机控制技术。,采用,RH,吹氧，提高了粗炼钢水碳含量,(,从,0.025%,提高到,0.06%),，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；,通过提高抽气能力和循环气体流量，提高了,RH,反应速度；,采用喷粉工艺实现钢水深脱硫（,S 10,-6,）。,8,RH单元反应与基本工艺,9,真 空 脱 碳,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速度的限制性环节：,RH,钢水循环流量,Q=,钢水循环流速,上升管截面积，根据前人对,RH,钢水循环流量的测定结果表明：,循环流量,Q,的计算值与实测值的比较,增加吹氩流量,Q,g,使,RH,的循环流量增大；,扩大上升管直径使循环流量,Q,增大；,增加浸入管的插入深度也会使循环流量变大。,总结以上研究，,RH,内钢水的循环流量可以表示为：,10,真 空 脱 碳,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系数，根据,Shigeru,的研究证明，在整个,RH,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速度，常采用体积传质系数,k,（,=,传质系数,反应界面积）。,钢水含碳量和吹,Ar,方式对,RH,脱碳过程的体积传质系数,k,的影响,RH,的体积传质系数与以下因素有关：,k,和钢水碳含量成正比；,增加钢水的循环流量,Q,使,k,值提高；,改变吹氩方式利于提高,k,值：如在,300tRH,的真空室底部增设,8,支,2mm,吹,Ar,管吹氩（,QA=800Nl/min,），使,k,值提高。,Koji YMAMGUCHI,总结,100t,260tRH,的实际生产数据提出以下关联式：,11,脱 氢,RH,脱氢效率很高，处理脱氧钢水，脱氢效,率,H,65%,；处理弱脱氧钢水，由于剧烈的,C-O,反应使,70%,。,RH,的,H,值决定于循环次数（,N,）,。,RH,处理后钢水含,H,量为：,式中：,N,为钢水循环次数。为保证良好的脱氢效,果，要求：,由于,RH,的真空度很高，脱氢速度可表示为：,经测定对,200tRH,，吹,Ar,流量为,20002500Nl/min,时，,kH,为,0.16min,-1,。增大吹,Ar,流量使,kH,值提高。如对,340tRH,，吹,Ar,量从,0,增加到,2500Nl/min,时，,kH,可提高,1,倍。,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，明显增强了钢水中气泡异相形核的能力，有利于脱氢反应。,RH,喷粉法和,RH,法处理钢的氢含量对比,12,脱 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速度。务川进等人通过实验研究发现，随钢中,%O,和,%S,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计算真空脱氮速度：,式中：,k,N,=15.9fN,2,/(1+173a,O,+52a,S,+17a,N,),2,。,a,吸氮,b,脱氮,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,与实测值的比较,13,RH多功能精炼技术,14,脱 硫,对铝脱氧钢水，脱硫反应为：,3(CaO)+2Al+3S=(Al,2,O,3,)+3(CaS),钢水脱硫效率主要决定于钢中铝含量和炉渣指数（,SP,）：,当（,SP,）,=0.1,时，渣,钢间硫的分配比最大（,400600,）。因此，脱硫渣的最佳组成是：,60%(CaO)+25%(Al,2,O,3,)+10%(SiO,2,),。,RH,喷粉通常采用,CaO+CaF,2,系脱硫剂，该种粉剂的脱硫分配比可按下式计算：,La=(%S)/%S=1260-25(%Al,2,O,3,)75(%SiO,2,)250,钢水脱硫速度为：,，根据高桥等人的测定：,ks=0.27m/min,。,采用,RH,喷粉脱硫的主要优点是：,（,1,）脱硫效率高。,（,2,）顶渣影响小，与钢水间的传质速度大幅度,降低。,RH,喷粉,钢包喷粉,粉剂消耗量与脱硫效率的关系,渣中,FeO+MnO,含量对渣,钢间硫的分配比的影响,15,脱,磷,将,RH,吹氧工艺与喷粉工艺相结合可以实现,RH,脱磷。在,RH,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,230tRH,采用,OB/PB,工艺，可生产,P2010,-6,的超低磷钢。,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有提高。根据,RH-PB,处理中取出的粉剂颗粒，经,X,光衍射分析的结果绘出右图。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，使脱磷效率提高。如图所示，上浮粉剂颗粒中,P,2,O,5,含量接近,3CaOP,2,O,5,或,4CaOP,2,O,5,的理论极限。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能力的影响,RH-PB,工艺中粉剂颗粒的脱磷效果比较,logC,P,=log(%P)/(a,P,O,5/2),16,脱氧与夹杂物上浮,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,Al,2,O,3,夹杂，,RH,精炼过程中钢水氧含量的变化,可以表示为：,RH,处理钢水中夹杂物的形貌和成份,RH,精炼中，炉渣传氧决定于渣中,(%FeO)+(%MnO),含量。由于,RH,有效地避免了卷渣，顶渣对钢水的氧化大为减弱。,RH,的表观脱氧速度常数,比钢包吹氩（,GI,）工艺大约提高,1,倍。若,RH,处理前控制渣中,(%FeO)+(%MnO)1%,，处理后钢中,OT1010,-6,。,RH精炼过程中氧化物夹杂的排出速度可以表示为：,渣中,FeO+MnO,含量和脱氧速度常数,k,间的关系,17,夹杂物尺寸对去除的影响,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