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六 RH 精炼技术的发展

洁净钢炉外精炼技术

洁净钢生产技术高级研讨会

中国金属学会炼钢分会2006 年 12 月 ,深圳

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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（ [C]≤10×10-6 ）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。

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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：

LcL Ck

dt

dC )exp( tkCC cLL )(min

)/1/1(

60 1

cc kQwk

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 Qg 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：

3/13/43/1 HDQKQ uG

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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：

48.117.132.0VV CQAk

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提高 RH脱碳速度的工艺措施 （ 1）提高循环流量和体积传质系数。如图，千叶厂 RH最初的工况， kc = 0.1min-1 。扩大上升管直径增加环流后，达到 kc = 0.15min-1 。进一步改进吹 Ar方式使 k 值增大， kc = 0.2min-1 。 （ 2）提高抽气速率。定义 RH 真空系统的抽气速度常数 R： R=-ln(/0)/t (min-1)。 （ 3）吹氧。采用 KTB 顶吹氧工艺，提高了 RH前期脱碳速度，使表观脱碳速度常数 kc 从 0.21min-1 提高到 0.35min-1 。 （ 4）改变吹 Ar方式。实验证明，在 RH真空室的下部吹入大约 1/4的氩气，可使 RH的脱碳速度提高大约 2倍。

KTB 法与普通 RH 脱碳速度的比较RH钢水循环流量 Q和体积传质系数 k 对脱碳速度的影

响

RH抽气速度 R和吹 Ar 流量对脱碳速度的影响

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脱 硫对铝脱氧钢水，脱硫反应为： 3(CaO) + 2[Al] + 3[S] = (Al2O3) + 3(CaS)

钢水脱硫效率主要决定于钢中铝含量和炉渣指数（ S·P ）：

当（ S·P ） = 0.1 时，渣—钢间硫的分配比最大（ 400

~600 ）。因此，脱硫渣的最佳组成是： 60%(CaO)+ 25%

(Al2O3)+10%(SiO2) 。 RH喷粉通常采用 CaO+CaF2 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(%Al2O3) – 75(%SiO2)±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。

CaOsatOAl aSaPS )/(%)( 3/1

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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

}][%]{[%][%

es SSkV

A

dt

Sd

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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 [P]≤20×10-6 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 P2O5 含量接近 3CaO·P2O5或 4Ca

O·P2O5 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

8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 Al2O3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 out

T

in

TT

dt

Od

dt

Od

dt

Od

][][][

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 [O]T≤10×10-6 。 RH精炼过程中氧化物夹杂的排出速度可以表示为：

)/][

][ln( tO

Ok

it

tT

o

渣中 FeO+MnO含量和脱氧速度常数 k间的关系To

out

T Okdt

Od][

][

9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除。因此，精炼过程中钢水夹杂物的数量可采用浅野等人提出的表达式描述： N = N0·exp （ -·D ） 式中： D 为夹杂物的半径； N 为夹杂物的数量（ l/kg ）； N=、为常数。钢水氧含量的变化表达式如下：

RH精炼过程中 T[O]的行为 ko和搅拌能量的关系

0

306 )exp(6

310][

32

dDDNDM

MOT oP

OAl

0.50

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NK-PERM 法 为了提高 RH 的脱氧效率，日本NKK 公司开发了一种通过钢包脱气处理去除夹杂物的新方法，称为 NK-

PERM法。该工艺的技术原理是：首先将可熔气体（如 N2、 H2 ）强行熔解到钢水中，然后进行真空精炼，再降压过程中过饱和气体在悬浮的微细夹杂物表面形成气泡，气泡与夹杂物上浮到液面迅速与钢水分离。通过 250t RH 工业试验，该工艺获得良好的冶金效果，细小夹杂物的去除效率明显提高。 采用 RH喷粉工艺，使链状 Al2O3夹杂与 CaO粉剂形成低熔点 CaO·Al2O3夹杂，利于上浮排除。采用 RH喷粉工艺后， Al2O3夹杂含量明显降低。

NK-PERM处理后夹杂物分布的变化情况

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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 2000~2500Nl/min 时， kH 为 0.1

6min-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

N

if W

QHH

1][%][%

3~2

NW

Q

][%][%

Hkdt

HdH

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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： kN = 15.9fN2/(1+173aO+52aS+17aN)2 。

2][%)(][%

NkV

A

dt

NdN

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

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RH 脱氮效率及强化脱氮工艺措施 RH 的脱氮效率（ N ）比较低，并和初始氮含量有关：当初始 [N]=100×10-6

时， N≈20% ；对于较低的初始氮含量， RH 处理基本不脱氮。其原因主要是： （ 1 ）钢中氮的溶解度高，约是氢的 15倍。 （ 2 ）钢中硫、氧等表面活性元素含量的增加，使钢水脱氮速度降低。 （ 3 ） RH 浸入管漏气造成钢水吸氮。

强化 RH 脱氮的工艺措施•提高真空度和抽气速度；•尽量降低钢中氧、硫含量；

进行脱碳后镇静处理时△ N和初始 N含量的关系

时间（ min ）

l/n（%-1）

•采用浸入管吹氩密封技术；•采用喷粉工艺。

喷粉时间和钢水氮含量的关系

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热补偿技术—— RH-OB 法 依靠加 Al 吹氧进行化学升温： Al + 3/4O2 = 1/2Al2O3 HAl = -32.186kJ/kgAl△ 160tRH 采用 OB法升温工艺，供 O2强度为 1100Nm3/h 。采用普通 RH 处理，精炼过程温降 80~90℃；采用 OB法工艺吹氧 20min ，耗 Al 1.7kg/t ，处理过程基本不降温；吹氧 40m

in ，耗 Al 4kg/t ，处理后钢水温度可提高 50℃。 为避免 OB法升温过程中钢中 C、 Si、Mn 的烧损，要求严格控制 [Al]s>0.05% 。处理过程中保持 [Al]s>0.05% ，可保证 [O]≤60×10-6 。若 OB

升温后，延长搅拌时间 25min ，可保证 [O]≤30×10-6 。 吹氧过程、加铝量对 RH-OB升温效果的影响

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热补偿技术—— RH-KTB 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 RH 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 CO 炉气的二次燃烧提供热量，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 RH

降低 26.3℃。由于 KTB 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，可使初始碳含量从 0.025% 提高到 0.05% 。在脱碳过程中实现二次燃烧，可将炉气二次燃烧率从 3% 提高到 60% ，进一步补偿了热量。

KTB 热补偿的能量平衡

与传统 RH相比 KTB 热补偿所带来的温降减少值

项 目 补偿温度 /℃ 百分比 /%

提高初始碳含量 1.2 6

二次燃烧热量 7.8 39

铝氧化热量 7.9 39.5

减少精炼过程温降 3.1 15.5

总计 20 100

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，避免钢水过氧化，保证吹氧结束后钢水 [O]<750×10-6 。在此基础上，通过自然脱碳使脱碳结束后钢水 [O]<200×10-6 ，可以保证精炼钢水具有良好的洁净度。

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RH 高效化生产的装备技术

[C]×10-6

提高真空室高度 增大环流量

提高抽气能力 台湾中钢公司将 160tRH 的蒸汽喷射泵抽气能力由 300kg/h 增大为 400kg/h后，并将吹氩量由 600Nl/min提高到 680Nl/min ，使终点碳含量由 30~50×10-6降低到 30×10-6 以下，脱碳时间由 20min缩短到 15min 。 美国内陆钢铁厂将 RH 的六级蒸汽喷射泵改造为五级蒸汽喷射泵 / 水环泵系统后，冷却水消耗量由 21t/炉减少到 5t/ 炉，能耗降低 73% 。

增大吹氩量，优化吹氩工艺

增设多功能氧枪 增设具有 RH顶吹氧、喷粉和烘烤三大功能的多功能氧枪，对改善 RH操作，提高精炼效率和 RH作业率具有重要意义。

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近几年国外 RH的主要技术参数和性能指标

新日本钢铁公司 川崎钢铁公 司

日本钢管公 司

住友金属工业公司 宝 钢

RH 设备参数 名古屋钢铁厂 2号 RH

君津钢铁厂 RH

大分钢铁厂 1号 RH

水岛钢铁厂 4号 RH

福山钢铁厂 3号 RH

鹿岛钢铁厂 2号 RH

炼钢厂

吹 O2 方式 OB OB OB KTB OB OB OB

钢水容量， t 270 305 340 250 250 250 300

循环管内径， mm

730 650 600 750 580 750 550

循环气体量， l/min

3000 2500 4000 5000 5000 5000 1200~1400

抽气量 67Pa 下(kg/h) 26.7Pa下

135016600

100711682

9528770

100013500

15000-

1500-

950

目标 [C]×10-6 10 17 18 15 15 12 7000≤50

处理时间， min 15 22 18 15 15 15 20~25

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RH长寿化装备技术改进真空室顶部结构 提高 RH浸渍管的使用寿命

提高耐火材料抗侵蚀能力

改造为圆顶，寿命超过真空室上部槽。 RH 月处理量超过 70000吨。

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 RH终点控制技术，缩短 RH 的处理周期等技术措施，使 RH 底部槽寿命从 1993 年 1200 炉提高到 1997 年 2628 炉，并创造了世界纪录。

• 采用浸渍管冷却技术，使浸渍管的平均寿命达到 320次。• 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 MgO材料进行喷补三项技术，也使浸渍管的寿命超过 180

炉。

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RH 精炼控制技术 台湾中钢公司 2号 RH每年生产 IF 钢和电工钢 40万吨，要求精确的控制钢中碳含量，为了提高 RH 的作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 RH 在线过程动态监控和控制系统。该控制系统有四个子系统，主要包括：取样系统、气体分析系统、数据采集系统、操作控制系统。

RH脱碳在线终点控制系统示意图

该项控制技术用于 RH终点控制获得良好的效果：首先终点控制精度提高，如冶炼超低碳钢（ [C]≤20×10-6 ）时，预报终点碳的平均偏差为 1.9×10-6 。同时，大大改善了终点目标含碳量的命中率，冶炼 IF 钢和电工钢时目标碳含量的命中率从 90.4% 提高到接近 100% 。根据脱碳期间获得的监控数据进一步改善吹氩工艺，提高了 RH 脱碳速度，使 RH 脱碳16min后钢液中的碳含量降低到 10×10-6 以下。

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IF钢精炼工艺技术• 要求钢中 C+N<50×10-6 ，进而 C+N<20×10-6 ；• 为了保证良好的表面质量，要求钢中 T.O 含量 <30×10-6 ；• 为了提高深冲性能，要求严格控制钢中微合金化元素 Ti、 Nb、 B

的含量。

浸渍管吹氩密封示意图

采用强脱碳技术，以提高 RH 的脱碳速度和降低处理终点碳含量。通常采用扩大浸渍管直径、提高吹氩量和抽气速度等措施，可在 15min 内将钢水碳含量降低到 10×1

0-6 。进一步降低含碳量可在 RH 吹氧脱碳期吹入

IF钢的质量要求

氩气

空气

H2 ，增加钢液中的氢含量。当 RH 进行深脱碳时，随着真空度的降低，过饱和的氢在夹杂物表面析出，增加了脱碳反应界面，使脱碳速度提高。采用这一工艺可生产 [C]=3×10-6 的超低碳钢。 为了提高 RH 的脱氮能力，采用如图所示的浸渍管吹氩密封技术，降低精炼过程中钢水吸氮量，可以生产出 [N]=10×10-6 的超低氮钢。 为了提高 IF 钢的表面质量，要求在转炉出钢过程中对炉渣进行改质处理，降低炉渣的氧化性。通过炉渣改质处理后，渣中 FeO+MnO<7% ，可保证 R

H 处理后钢水 [O]<30×10-6 。

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管线钢精炼工艺

目前，日本管线钢的纯净度水平可以达到 [S]≤5×10-6 ，[P]≤50×10-6 ， T[O]≤20×10-6 ， [H]≤1.5×10-6 。

日本主要钢厂管线钢生产工艺与 S、T.O 控制水平

钢 厂 工 艺 (S)10-6

川崎 RH-PB ≤10

新日铁 RH-Injection 5

君津钢厂 LF 炉 ≤10

住友 V-KIP ≤ 5

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新、旧工艺流程的比较

其特点是： 采用多种二次精炼工位进行钢水炉外精炼，工艺流程复杂，生产周期长，消耗高，成本高。

传统管线钢生产工艺流程 管线钢生产新工艺流程

其特点是：•采用转炉铁水“三脱”预处理工艺；•采用少渣吹炼技术；•采用多功能 RH精炼技术。

和传统管线钢生产流程相比，新流程在保证同样钢水洁净度的条件下，精炼周期缩短 50%，生产能力大幅度提高，生产成本降低 60%。

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电工钢精炼工艺

电工钢生产新流程与传统流程的比较

采用多功能 RH精炼工艺与转炉匹配可以大幅度地减化工艺流程。避免精炼过程中的二次氧化，使生产效率大幅度提高。从图中可以看出，由于精炼工艺的简化，使电工钢的精炼周期缩短 40%，并使精炼过程的能量消耗减少 26%。

RH顶吹喷粉时粉剂消耗量对钢中硫、氮含量的影响

在 RH操作后期采用喷粉工艺可实现同时脱硫、脱氮。 RH终点氮和硫含量决定于粉剂的消耗量，随着粉剂消耗量的增加终点硫和氮含量降低。当粉剂消耗量为 6~7kg 时， RH 精炼终点的 [N]<15×10-

6 ， [S]<3×10-6 。 由于采用了 RH喷粉同时脱硫、脱氮的新工艺，可以稳定生产出 [C]<15×10-6 ， [S]<5×10-6 ， [N]<15×10-6 的超纯净电工钢。

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结 论 （ 1）经过四十多年的发展， RH工艺与装备技术已发展到日臻完善的地步，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。 （ 2） 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、喷粉脱磷、脱硫技术、脱氧与夹杂物上浮技术和吹氧进行热补偿工艺。 （ 3）实现 RH 多功能化的技术关键是研究开发多功能氧枪，将吹氧、喷粉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。 （ 4） RH装备技术的进步集中体现在高效化生产、设备长寿化和终点智能控制等方面。 （ 5） RH 多功能精炼工艺与转炉相结合，生产 IF钢、管线钢、电工钢和高合金钢不仅可以大幅度缩短精炼时间，降低生产成本，而且能进一步提高钢水纯净度，保证产品质量。

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