RH精炼工艺及技术发展.DOC

RH精炼工艺及技术发展
2007年7月6日

目 录

一．RH精炼基本情况
1．RH精炼工作原理 ………………………………………………………2
2．RH精炼工艺简述……………………………………………………… 3
二、RH精炼技术的发展及国内现状………………………………………3
1．RH精炼技术的发展 ……………………………………………………3
2．RH精炼技术装备的国内现状………………………………………… 4
三、RH精炼吹氧、喷粉技术的发展 …………………………………… 7
1．RH吹氧脱碳及相关技术的发展 ………………………………………7
2. RH喷粉技术及其发展………………………………………………… 9
3．RH技术冶金功能的比较……………………………………………… 11
四、RH精炼技术的展望 ………………………………………………… 12

RH精炼工艺及技术发展
当前，国内外的钢铁冶炼工艺技术发展突飞猛进，很多新工艺、新技术在新建炼钢项目上得到了很好的应用，如铁水预处理技术、复吹转炉副枪与溅渣护炉技术、钢水炉外精炼技术(LF、RH、CAS、VD、VOD等工艺)等。RH法是一种重要的炉外精炼方法，具有处理周期短、生产能力大、精炼效果好、容易操作等一系列优点，在炼钢生产中获得了广泛应用。到目前为止，RH已经由原来单一的脱气设备转变为包含真空脱碳、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等多功能的炉外精炼设备。而且随着技术的进步和精炼功能的扩展，在生产超低碳钢方面表现出了显著的优越性，是现代化钢厂中必不可少的炉外处理装置。

吹氩
吹氧
一、RH精炼的基本情况
1、RH精炼工作原理RH装置是以最早开发此项工艺的两家德国公司Ruhstahl及Heraeus的名字命名的。它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、水冷弯头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。当真空槽抽真空时，钢水表面的大气压与真空槽内的压差迫使钢水朝浸渍管里流动。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或氮气，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。脱气的钢水由于重力的关系再经下降管流入钢包，就此不断循环反复。同时，进入真空槽在低压环境状态下的钢水，还进行一系列的冶金反应，比如碳氧反应。为满足钢种要求、精确控制钢水成份，通常，RH处理中还需进行合金化处理。铁合金材料经高位料仓、称量料斗、皮带机、真空加料系统、合金溜槽，在真空状态下通过真空槽进入钢水，完成合金化工艺。
2.RH精炼工艺流程简述
RH钢包台车在受包位接收由行车吊来的待处理钢水，受包后钢包台车开到保温剂投入位，加入铝渣，或直接开至真空槽下方的处理位置，由人工判定钢液面高度，随后顶升钢包至预定高度。进行测温、取样、定氧及测渣层厚度等操作。钢包被液压缸继续顶升，将真空槽的浸渍管浸入钢水并到预定的深度。与此同时，上升浸渍管以预定的流量吹入氩气。随着浸渍管完全浸入钢液，真空阀打开，真空泵启动。各级真空泵根据预先设定的抽气曲线进行工作。真空脱氢处理：在规定时间及规定低压条件下持续进行循环脱气操作，以达到脱氢的目标值。真空脱碳处理(低碳或超低碳等级钢水)：循环脱气将持续一定时间以达到脱碳的目标值。在脱碳过程中，钢水中的碳和氧反应形成一氧化碳并通过真空泵排出。如钢中氧含量不够，可通过顶枪吹氧提供氧气。脱碳结束时，钢水通过加铝进行脱氧。钢水脱氧后，合金料通过真空加料系统加入真空槽。对钢水进行测温、定氧和确定化学成份。钢水处理完毕，真空阀关闭，真空泵系统依次停泵，同时真空槽复压，重新处于大气压状态，钢包下降至钢包台车。上升浸渍管自动由吹氩切换为吹氮。钢包台车开至加保温剂工位，吹氩喂丝并投入保温剂。钢包台车开到钢水接受跨，行车把钢包吊运至连铸大包回转台。
二、RH精炼技术的发展及国内现状
1、 RH精炼技术的发展
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，生产能力大的转炉钢厂采用。RH发展到今天，大体分为3个发展阶段。
（1）启用阶段（1968-1980年）：RH装备技术在全世界广泛采用。根据1976年统计，世界共计投入生产的RH设备有448台。随着转炉大型化的发展，RH也实现了大型化，世界上最大的RH精炼设备为360t。
（2）多功能RH精炼技术的确立（1980-2000年）：这一时期RH的技术发展趋势主要是：
1）优化RH工艺设备参数，扩大处理能力；
2）开发多功能RH精炼工艺和装备，使RH具有脱硫、脱磷等功能；
3）开发RH热补偿和升温技术；
4）实现全部钢水进RH真空处理。
经过这一时期，RH技术几乎达到尽善尽美的地步。日本在这一时期对RH的技术发展做出重要贡献，先后开发出RH-OB法、RH-PB法和KTB法等著名新工艺。
（3）接近反应极限的真空精炼技术（2000年-今）：为了解决极低碳钢（w(C) ≤10×10-6 ）10ppm的精炼难题，需要进一步克服钢水的静压力，以提高脱碳速度。因为在极低碳区，真空度已不再决定反应的热力学条件，而反应钢水深度（即钢水静压力）则决定了反应速度。由于反应层越来越浅，如何扩大反应界面是提高反应速度的限制环节，解决这一问题，日本川崎公司采用喷吹氢气向钢水增氢，进而利用真空脱氢产生的微气泡提高脱碳的反应面积，达到深度脱碳的目标。日本新日铁公司研究开发的REDA工艺采用直筒型浸泽罩代替DH浸泽管进行真空处理，使钢水的循环流量大幅度提高，解决了极低碳钢的精炼困难。采用上述2种工艺，RH可以生产w(C)=3×10-6的极低碳钢。
2、 RH精炼技术装备的国内现状
近年来，我国钢铁企业普遍对钢水炉外精炼技术的应用较为重视，投入大量资金上先进的炉外精炼技术装备，炉外精炼已经不再是特大型钢铁企业或特钢企业的专利品。炉外精炼在提高钢材产品质量、扩大品种、提高炼钢生产能力、保障连铸顺行、降低成本、优化炼钢生产工艺等方面发挥着极其重要的作用，甚至成为限制性环节。而RH真空处理又是炉外精炼领域的一个突出典型，是炼钢厂拓展钢材品种、提升产品质量的关键技术装备。国内主要大型钢厂RH装备情况见表1:

表1 主要大型钢厂RH装备台数及容量
厂名
容量(t) / 座
台数
备注
宝钢
300t /5座
5
5号RH采用三工作位式
鞍钢
200t /1座 ，260t / 2座
3

武钢
90t / 2座，300t / 1座
3
经RH处理品种达350以上
太钢
80t / 1座，180t / 1座
2
180t，RH07年5月刚投产
本钢
150t / 1座 ，150t / 1座
2
2号RH采用双工作位式
攀钢
160t / 2 座
2
2号RH正做施工图设计中
中钢
150t / 2座，250t / 2座
4

济钢
150t t / 1座
1
正在开工建设中
沙钢
180t t / 2座
2

马钢
120t t / 1座，300t /1座
2
300 t，RH刚刚投产不久
唐钢
150 t / 1座
1
河北第一个
迁钢
210 t / 1座
1
首钢第一个
莱钢
130 t / 1座
1
正在调试过程中

重点钢铁企业近几年RH装备技术发展状况：
（1）宝钢在产品研发、生产和技改计划中，一直将满足市场和客户需求摆在首位，努力挖潜提高品种钢生产能力，加大高附加值产品的生产规模。公司生产的O5板、镀锡板、DI材、中高牌号电工钢、耐高温高压锅炉管；X系列管线钢、钢帘线等重点品种钢的质量和各项技术经济指标已经达到世界一流水平。特别是在宝钢炼钢厂的升级换代和系列技术改造中，将提升自主的RH工艺技术和生产能力摆在十分重要的位置，经过历时几年的系列改造，宝钢RH技术和装备在生产中已高效应用，并已具备自主集成和成套输出能力。
1985年宝钢投产的第一套RH真空循环脱气装置，是宝钢一期工程投资上马的设备。2004年，宝钢分公司对其进行了全方位的技术改造，涉及真空槽系统、真空泵系统、顶枪系统、预热枪系统等。它的成功改造，大大提高了钢水的循环速度以及炉外精炼的生产效率，对提高“双高”产品比例以及提升企业综合竞争力做出重要贡献。
宝钢的第二套RH真空循环脱气装置于 1999年投入生产，宝钢在该装置上采用自主技术集成和自主创新的工艺技术，共开发了17个子系统，形成了具有自主知识产权的炉外精炼核心工艺技术。该RH真空循环脱气装置除真空系统、顶枪系统以及预热枪系统等关键设备从国外引进外，其余设备均由我国自行制造。该项目曾荣获2004年度国家科学技术进步二等奖。
宝钢的第三套RH真空循环脱气装置是1998年投产的。前两套 RH真空循环脱气装置生产的主要产品是连铸的高级别管线钢、超低碳钢及模铸的钢帘线、模具钢、T91、油井钻杆钢以及其他高附加值钢种，而第三套RH真空循环脱气装置生产的主要产品则是硅钢。2004年，这3套RH真空循环脱气装置的产量分别为164万吨、229万吨和200万吨，真空比达到56.7％。
宝钢4号RH装置由真空系统、顶枪及预热枪系统等17个系统组成，真空泵系统末级将采用水环泵形式，顶枪及预热枪系统的燃气将采用焦炉煤气方案。
宝钢5号RH真空精练采用“三工位”的布置形式，实现了钢水的交替处理，大大缩短了待机时间。真空系统采用四级蒸汽喷射泵，增大循环气体流量等技术手段，提高了钢水的循环速度。通过采用多功能顶枪技术，提高了脱碳处理的效率，并可进行钢水脱硫处理。
（2）鞍钢目前有3座RH精炼装备。其中二炼钢有1座RH-TB，三炼钢有2座。2005年8月，鞍钢建成的真空处理装置RH,也是第2座RH真空处理装置，最大单炉处理容量达到260吨。2006年6月份，国内、国际钢材市场开始出现价格双双回升、走势趋同的良好发展态势,2007年2月国内钢铁生产继续保持适度增长，钢材市场需求旺盛，钢铁企业产销两旺,国际钢材市场全面启动，钢材需求转旺，库存明显消化，价格强劲反弹,国际市场价格明显上涨，国内外钢材价差扩大。鞍钢紧紧抓住有利机会，再次购建第三座RH—TB真空精练炉，力在拓展公司的品种，提高市场竞争力，其主要进行超低碳钢、管线钢等专用钢材的生产。
（3）武钢有3座RH真空装置，其中二炼钢厂两座，处理能力均为90T，三炼钢一座，最大处理能力为300T 。二炼钢厂的两台RH真空处理装置,1号RH配置KTB顶枪系统和WPB喷粉系统;根据公司产品定位和市场需求,为了优化产品结构,降低生产成本,提高产品市场竞争能力,2005年3月,2号RH新增一套MFB顶枪装置。改造后的2号RH-MFB顶枪装置具有处理及非处理的在线加热、去除真空室结瘤、吹氧脱碳、钢水加铝升温功能。武钢二炼钢厂现生产钢种多达450个,其中经RH精炼的钢种达350个,二炼钢厂已成为武钢品种钢生产基地。
（4）2006年11月15日，唐钢一钢轧厂新建成的RH精炼炉开始真空循环处理，也成为河北省历史上第一包经RH精炼炉冶炼的高质量钢水。唐钢RH精炼炉设计生产汽车制造、家用电气和石油化工等领域所需要的优质钢板150万吨，采用了具有国际先进水平的真空循环抽气、豪华双工位设置、五级组合真空泵等先进技术。
三、RH精炼吹氧、喷粉技术的发展
1、RH吹氧脱碳及相关技术的发展
RH真空精炼过程中，主要靠钢水中的氧进行脱碳，脱碳反应方程式如下：
[Ｃ]+[Ｏ]=ＣＯ(1)脱碳反应动力学可用式(2)描述：Ｃｔ=Ｃoｅｘｐ(-Ｋｃ·ｔ)(2)Ｋｃ=(Ｗ/Ｖ)·[ＡＫ/(Ｗ+ＡＫ)](3)式(2～3)中，ｔ为时间，min；Ｃｔ为ｔ时间的碳质量分数，%；Ｃｏ为处理前的碳质量分数，%；Ｋｃ为反应速率常数，min-1；Ｗ为钢水环流量，ｔ/min；Ｖ为钢水的体积，ｍ3；ＡＫ为脱碳反应的容积常数，ｍ3/ｓ。当ｗ(Ｃ)<0.003%时，Ｗ ＡＫ，脱碳过程出现停滞趋势。通过增大吹氩流量和环流速度，可使脱碳速率常数Ｋｃ增大，进一步降低碳含量。
（1） RH-O真空吹氧技术
1969年德国蒂森钢铁公司亨利希钢厂开发了RH-O技术，首次用钢质水冷氧枪从真空室顶部向真空室内循环着的钢水表面吹氧以强化脱碳冶炼低碳不锈钢，既缩短了冶炼周期又降低了脱碳过程中铬的氧化损失。但在工业生产中RH-O技术暴露出以下问题：氧枪结瘤严重，因氧枪动密封不良而使氧枪枪位无法调整。这些问题一时无法解决，而当时VOD精炼技术能较好地满足不锈钢生产的要求，所以RH-O技术未能得到广泛运用。
（2）RH-OB真空吹氧技术
1972年新日铁室兰厂根据VOD生产不锈钢的原理，开发了RH-OB真空吹氧技术。使用真空吹氧精炼技术可进行强制脱碳、加铝吹氧升高钢水温度、生产铝镇静钢等，减轻了转炉负担，提高了转炉作业率，缩短了冶炼时间，降低了脱氧铝耗。
RH-OB真空吹氧技术在20世纪80年代得到了较快发展，但也存在不足：吹氧喷嘴寿命低，降低了RH设备的作业率；喷溅严重，增加了RH真空室的结瘤，延长了清除结瘤及辅助作业时间，要求增加RH真空泵的能力。这些问题，阻碍了RH-OB真空吹氧技术的进一步发展。
（3）RH-KTB真空吹氧技术
1986年日本原川崎钢铁公司(现已和NKK重组为JEE公司)在传统的RH基础上，成功地开发了RH顶吹氧(RH-KTB)技术，将RH技术的发展推向一个新阶段。RH装置上采用KTB技术，在脱碳反应受氧气供给速率支配的沸腾处理前半期，向真空槽内的钢水液面吹入氧气，增大氧气供给量，因而可在[Ｏ]较低的水平下大大加速脱碳。在钢中ｗ(Ｃ)>0.03%的高碳浓度区，KTB法的脱碳速率常数Ｋｃ=0.35，比常规RH法大；在钢中ｗ(Ｃ)>0.01%的范围内，主要由吹氧来控制脱碳反应，脱碳速度随着[Ｏ]的增加而增加；而在钢中ｗ(Ｃ)≤0.01%下吹氧的意义就不大了。因此，使用RH-KTB法，转炉出钢钢水ｗ(Ｃ)可由0.03%提高到0.05%，并可以用高碳铁合金代替低碳铁合金作为RH合金化的原料。
应用RH-KTB技术，在KTB脱碳的同时，脱碳反应生成的CO气体在真空槽内二次燃烧放出热量，可补偿脱碳精炼中钢液的温度损失，可降低转炉的出钢温度；不需要延长精炼时间，可获得高的脱碳速度；在转炉出钢终点ｗ(Ｃ)>0.05%的情况下冶炼超低碳钢，脱碳过程中不会发生强烈喷溅，减少了RH-OB工艺中的氩气的消耗；使用灵活，操作简便。虽然RH-KTB技术也有其不足之处(如增加了氧枪及其控制系统，要求真空室有更高的高度)，但在现有的真空吹氧技术中仍不失为佼佼者。
（4）RH-MFB多功能喷嘴技术
1992年日本新日铁公司广畑厂在日本原川崎公司开发RH-KTB精炼技术之后，为降低初炼炉的出钢温度以及脱碳的需要，开发了多功能喷嘴的RH顶吹氧技术。其冶金功能与KTB精炼技术相近，另外可喷吹铁矿石粉以加速脱碳，还可在精炼过程中吹入一定量的天然气使之燃烧达到加热钢水的目的。
2、 RH喷粉技术及其发展
RH喷粉技术是在RH-OB和RH-KTB设备的基础上增加了喷粉技术，实现了脱硫、脱磷和改变非金属夹杂物形态的功能。
（1）RH-PB法
1987年新日铁名古屋厂研制成功RH-PB法。它利用RH-OB法真空室下部的吹氧喷嘴将粉剂通过OB喷嘴吹入钢液，进行脱气、脱硫以及冶炼超低磷钢的精炼。RH真空室下部一般有两个喷嘴，可以通过切换阀门改变为吹氧或喷粉。加铝可使钢水升温，速度达8～10℃/min，脱硫率能达70%～80%；同时，还具有良好的脱氢效果，不会影响传统的RH真空脱氧能力，更无吸氮之忧。采用RH-PB法时，吹入并分布在钢水中的溶剂形成的溶渣颗粒具有很强的脱硫能力，提高了脱硫效率。因此使用少于传统方法中的熔剂也能达到很高的脱硫率。
（2）RH-PTB喷粉法
1994年日本住友金属工业公司和歌山厂研制开发了RH-PTB喷粉法。该法利用水冷顶枪进行喷粉，粉剂输送较流畅，喷嘴不易堵塞；不使用耐火材质的浸入式喷粉枪，操作成本较低；无钢水阻力，载气耗量小。
此法冶炼超低硫钢喷吹ＣａＯ－ＣａＦ2系粉剂，冶炼极低碳钢喷吹铁矿石粉剂。用RH-PTB法喷粉时，喷粉速度为100～130ｋｇ/min，约喷吹10min。当ＣａＯ－ＣａＦ2粉剂用量为5ｋｇ/ｔ时，可使钢中ｗ(Ｓ)降到5×10-6以下；当用量为8ｋｇ/ｔ时，可得ｗ(Ｓ)=(1.3～2.9)×10-6的超低硫钢，此时脱硫率大于90%。同时，钢中ｗ(Ｎ)也由20×10-6降到15×10-6。
喷铁矿粉时，喷粉速度为20～60ｋｇ/ｍｉｎ，喷吹约10min。喷粉后消除了一般RH中ｗ(Ｃ)<30×10-6时脱碳的停滞现象，处理后ｗ(Ｃ)可降到30×10-6。
（3）　MESID技术
1994年比利时西德玛(SIDMAR)钢铁公司研制成功MESID技术，MESID喷枪用脉冲气流工作，从而减少氧气流对真空室内钢液面的影响。可向溶池表面喷吹用于脱硫的固体混合料，还可加热真空室的耐火材料或保温。
3、RH技术冶金功能的比较
40多年来，ＲＨ精炼技术取得了巨大进展，由起初单一的脱气设备发展成为包含真空脱气、脱碳、吹氧脱碳、喷粉脱硫、温度补偿、均匀温度和成分等的一种多功能炉外精炼设备。各类RH多功能处理方法的冶金功能比较见表2。
表2　RH多功能处理方法的冶金功能比较
装置
开发年份
开发厂家
主要功能
使用钢种
处理效果ｗＢ/10-6
备注
Ｈ
Ｎ
Ｏ
Ｃ
Ｓ
Ｐ
RH
1959
德国鲁尔钢铁公司和海拉尔公司
真空脱氢,减少夹杂,均匀成分、温度
含氢量要求严格钢种,主要是低碳钢、超低碳深冲钢、硅钢等
<2
<40
20～40

为钢液脱氢开发,迅速将氢降至远低于白点敏感极限范围
RH-OB
1972
日本新日铁公司
同ＲＨ,并可吹氧脱碳、加热钢水
同ＲＨ,可生产不锈钢,多用于超低碳钢的处理
<2
<40
20～40
≤35

为钢液升温而开发
RH-MFB
1992
日本新日铁公司
同ＲＨ,并可喷粉脱硫、磷和吹氧脱碳
同ＲＨ,可用于超低硫、磷钢的处理
<1.5
<40
<30
<20

喷嘴既可喷粉,又可吹氧
RH-KTB
1986
日本川崎钢铁公司
同ＲＨ,并可加速脱碳,补偿热损失
同ＲＨ,多用于超低碳钢、ＩＦ钢、硅钢的处理
<1.5
<40
<30
<20

快速脱碳至超低碳范围,二次燃烧补偿热损失
RH-PB
1987
日本新日铁公司
同ＲＨ,并可喷粉脱硫、磷
同ＲＨ,主要用于超低硫、磷等钢种的处理
<1.5
<40

<10
<20
从ＰＢ孔喷入粉剂
RH-PTB
1994
日本住友金属工业公司
同ＲＨ,并可喷粉脱硫、磷
同ＲＨ,主要用于超低硫、磷钢的处理
<1.5
<40
<30
<20

从ＫＴＢ喷枪喷入粉剂
MESID
1994
比利时西德玛钢铁公司
同ＲＨ,并可喷粉
同ＲＨ,主要用于超深冲钢、超纯净钢处理
<1.5
<20

<15

快速脱碳至低碳范围
四、RH精炼技术的展望
1、40多年来，RH及RH多功能精炼技术在国内外得到了广泛应用和迅速发展，其喷吹气体和粉剂的实用技术在一定程度上已经确立，今后RH技术的主要发展方向是实现多功能化、高效化和长寿化。RH多功能精炼工艺主要包括：真空脱碳与超低碳钢冶炼技术、真空脱气与超低氮钢精炼技术、喷吹脱磷、脱硫技术、脱氧与加杂物上浮技术和吹氧进行热补偿工艺。实现RH多功能的技术关键是研究开发多功能氧枪，将喷氧和钢水热补偿等功能集为一体，达到高效化生产和设备长寿化的目标。RH装备技术的进步集中体现在高效化生产、设备长寿化和重点智能控制等方面。
2、随着我国大型钢铁企业不断从国外引进先进RH精炼设备与工艺技术，我们发现各厂家的RH主体设备的差别很小，操作技术，消耗指标和最后的保证值都相差不大，更多的则关注是如何发挥RH的设备使用率上。目前，我国钢铁企业普遍采用高效连铸技术装备，连铸机拉速越来越快，出现了连铸生产环节等待炉外精炼环节的状况，限制了连铸机的生产效率。所以在选择RH装置时多在布置上做文章。典型的几个布置方案，如快速更换式，大包回转台式，双工位和三工位式。
快速更换式结构特征：钢包(或钢包车)升降装置，单处理位，单真空系统，双真空室台车三个车位，双烘烤预备。快速换真空室，这样省去换罐占用的处理时间，以提高RH作业率。这样布置的RH处理周期大约30——50min。
大包回转台式：大包回转台，钢包升降，单处理位，双真空室车三个车位，双烘烤预备，快速换真空室，另外的好处是：可以减少吊车占用时间。缺点是：吸嘴维修还是要在处理位进行，占用处理时间。这样布置的RH处理周期大约30—45min。
双工位结构特征：双钢包升降装置，单液压站，双处理位转换使用，单真空系统，双钢包车，双真空室车四个车位，利用双枪烘烤，快速换真空室，也省去换罐占用的处理时间，提高了作业率。但在换其中一个真空室时，需要8小时左右的时间烘烤加热，这时相当于单工位的。这样布置的RH处理周期大约20—40min。
3、目前由于国内钢铁产能释放、市场供需矛盾突出、国内外市场价格差异增大、国内出口退税政策以及国外贸易壁垒等多个方面的影响，提高产品附加值将是我国钢铁企业的努力方向，而RH正是这个问题解决的直接杀手锏。
钢铁冶炼洁净钢的发展一直在要求增加钢水炉外精炼能力。目前宝钢一炼钢RH处理比为53％左右，国外强势钢铁企业RH处理比一般高于70％，有的甚至达到90％以上。可见，提高RH的处理能力和处理比，是我国钢铁企业生产精品钢材，替代进口，最大化的满足国内市场需要，实现企业经济效益最大化和社会效益最佳化的有效途径。
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