RH真空精煉工藝與裝備技術(shù)的發(fā)展

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),#,1,RH,真空精煉工藝與裝備技術(shù)的發(fā)展,劉 瀏,鋼鐵研究總院,2,匯報(bào)內(nèi)容,1.RH,發(fā)展與應(yīng)用,2.RH,單元反應(yīng)與基本工藝,3.RH,多功能精煉技術(shù),4.RH,高效化生產(chǎn)技術(shù),5.RH,工藝優(yōu)化,6.RH,典型鋼種處理,3,RH,發(fā)展與應(yīng)用,4,RH,的發(fā)展歷史,RH,精煉技術(shù)是,1959,年德國(guó),Rheinstahl,和,Hutlenwerke,公司聯(lián)合開發(fā)成功的。,RH,將真空精煉與鋼水循環(huán)流動(dòng)結(jié)合起來，具有處理周期短，生產(chǎn)能力大，精煉效果好等優(yōu)點(diǎn)，適合冶煉周期短，生產(chǎn)能力大的轉(zhuǎn)爐工廠采用。,RH,

2、發(fā)展到今天，大體分為三個(gè)發(fā)展階段：,（,1,）發(fā)展階段（,1968,年,1980,年）：,RH,裝備技術(shù)在全世界廣泛采用。,（,2,）多功能,RH,精煉技術(shù)的確立（,1980,年,2000,年）：,RH,技術(shù)幾乎達(dá)到盡善盡美的地步。,表,1 RH,工藝技術(shù)的進(jìn)步,工藝指標(biāo),鋼水純凈度,/,10,-6,鋼水溫度 脫碳速度常數(shù) 溫度波動(dòng),補(bǔ)償量,/Kc/min,-1,C S T.O P N H,技術(shù)水平,20 10 15 20 20 1.0 26.3 0.35 5,（,3,）極低碳鋼的冶煉技術(shù)（,2000,年,）：為了解決極低碳鋼（,C1010,-6,）精煉的技術(shù)難題，需要進(jìn)一步克服鋼水的靜壓力，

3、以提高熔池脫碳速度。,5,RH,成為最主要的爐外精煉設(shè)備,目前，,RH,已成為世界上最主要的爐外精煉設(shè)備。其特點(diǎn)是：精煉功能強(qiáng)、處理能力大、處理周期短、處理后鋼水的潔凈度水平高，因此在世界上廣泛的應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐煉鋼廠，并成為生產(chǎn)低碳冷軋鋼板所必須的爐外精煉設(shè)施。和其它真空精煉設(shè)備相比，,RH,的處理時(shí)間最短，處理后鋼水的潔凈度最高。從投資成本比較，現(xiàn)代,RH,比傳統(tǒng),RH,略有增加，但和其它真空精煉設(shè)備相比，投資成本約高出,50%,。但其操作成本低于傳統(tǒng),RH,，與,VD,爐大體相當(dāng)。,現(xiàn)代,RH,傳統(tǒng),RH,VD,VOD,DH,真空鋼包爐,碳含量,/,10,-6,15,20,0.05-1.0,5

4、0,30-40,40-50,最大脫碳速率,/min,-1,0.35,0.10.15,0,0.20,0.08,0.09,脫碳時(shí)間,/min,13,15,無(wú)脫碳功能,40-50,15-20,20,脫氫能力,/,10,-6,1.0,1.5,2.0,2.0,2.0,2.0,鋼中,T.O/,10,-6,15,25,10,30,30,30,脫硫率,/%,40-60,0,80-90,80-90,70-85,80-90,化學(xué)加熱,有,無(wú),無(wú),有,無(wú),無(wú),相對(duì)投資成本,1,0.8-0.9,0.5-0.6,0.6-0.7,0.4-0.5,0.3-0.4,相對(duì)操作成本,1.1,1.2,1.0,1.2,0.9,0.8

5、,表,1,各種真空精煉方法的技術(shù)比較,6,RH,適合各種高品質(zhì)鋼的精煉要求,新一代鋼鐵材料的發(fā)展趨勢(shì)是：超潔凈、高均勻和微細(xì)組織結(jié)構(gòu)控制。,RH,可以滿足各類高品質(zhì)鋼材潔凈度的要求。對(duì)于同時(shí)要求超低碳、超低硫的鋼種（如電工硅鋼）和同時(shí)要求超低碳、超低氮的鋼種（如,IF,鋼）以及同時(shí)要求低碳、低硅的鋼種（如涂鍍鋼板）,RH,是唯一最佳的精煉設(shè)備。而對(duì)于要求氧、硫含量的鋼種（如低合金高強(qiáng)度鋼和特殊鋼）可以選擇,RH,也可以選擇,LF-VD,（或,LF-RH,）。而對(duì)于不銹鋼冶煉,VOD,是最佳的冶煉設(shè)備，但日本許多鋼廠也采用,RH,取代,VOD,生產(chǎn)不銹鋼。,表,2,各種高品質(zhì)鋼的性能和潔凈度要求

6、及其相適應(yīng)的精煉方法,鋼 類,代表,鋼種,技術(shù)特點(diǎn),純凈度要求,10,-6,精煉,工藝,性能指標(biāo),S,B,r,EL/%,超低碳鋼,IF,鋼,要求同時(shí)降低鋼中,C,、,N,和,T.O,C20,N20,S50,T.O20,d,S,40,低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼,TIRP,鋼,準(zhǔn)確控制成份、夾雜物和組織結(jié)構(gòu)，保證表面質(zhì)量,C0.2,Si0.03,Mn=1.5,RH,450,800,0.9,26,低合金,高強(qiáng)度鋼,X80,X100,超低硫精煉，嚴(yán)格控制鋼中夾雜物和鋼材組織結(jié)構(gòu),S10,P80,O20,N50,H1,LF-RH,LF-VD,550,690,21,高級(jí)電工鋼,35W230,要求同時(shí)降低,C,、,N,含

7、量和,S,含量，精確控制成份和析出物形態(tài),C24,S+N30,Si2.62.9%,S10,N25,RH,P,1.5/50,(W/kg),2.20,B,50,(T),1.68,超純鐵素體不銹鋼,409L,444,嚴(yán)格控制鋼中,C,、,N,和,S,的含量，降低晶間腐蝕,C+N120,S+N80,VOD,RH,220,400,1.4,30,特殊鋼（軸承鋼）,GCr15,嚴(yán)格控制鋼中,T.O,含量、夾雜物和碳化物析出，提高疲勞壽命,T.O10,7,7,現(xiàn)代,RH,與傳統(tǒng),RH,的技術(shù)差別,RH,誕生至今,50,多年的歷史中，,RH,精煉工藝與裝備技術(shù)不斷發(fā)展，形成的現(xiàn)代,RH,精煉工藝與裝備技術(shù)完全不

8、同于傳統(tǒng)的,RH,，其最大特點(diǎn)是進(jìn)一步增加了精煉功能（從單純脫氣和脫氧發(fā)展到脫碳、脫硫與調(diào)溫），并使處理周期大幅度縮短。例如，,1970,年,RH,最初具備脫碳功能時(shí)，處理終點(diǎn)的最低碳含量為,0.01%,，需要處理時(shí)間,30min,。而今天，,RH,脫碳終點(diǎn)碳含量可以達(dá)到,0.0015%,以下，最低碳含量達(dá)到,3,10,-6,，而所需要的脫碳時(shí)間僅為,15min,。,90,年代初期，日本開發(fā)了,RH,頂吹氧工藝（,RH-KTB,），對(duì),RH,精煉工藝的發(fā)展起到了重要的促進(jìn)作用，標(biāo)志著現(xiàn)代,RH,精煉裝備的誕生。和傳統(tǒng),RH,相比，現(xiàn)代,RH,的主要技術(shù)特點(diǎn)是：,高效化是,RH,技術(shù)發(fā)展的主要趨

9、勢(shì)：,回顧,RH,的發(fā)展歷史，對(duì)比現(xiàn)代,RH,與傳統(tǒng),RH,的技術(shù)差別，可以證明,RH,高效化是半個(gè)世紀(jì)以來,RH,精煉技術(shù)發(fā)展的重要方向。研究開發(fā),RH,高效化的主要技術(shù)措施是：,RH,快速精煉技術(shù)的發(fā)展；,提高,RH,高作業(yè)率的工藝裝備技術(shù)；,RH,自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。,采用,RH,吹氧，提高了粗煉鋼水碳含量,(,從,0.025%,提高到,0.06%),，降低了處理溫降；,通過擴(kuò)大真空室內(nèi)徑，增加高度，擴(kuò)大浸漬管直徑，進(jìn)一步提高鋼水循環(huán)流量；,通過提高抽氣能力和循環(huán)氣體流量，提高了,RH,反應(yīng)速度；,采用噴粉工藝實(shí)現(xiàn)鋼水深脫硫（,S 10,-6,）。,8,RH單元反應(yīng)與基本工藝,9,真

10、 空 脫 碳,RH,內(nèi)的脫碳速度主要決定于鋼液中碳的擴(kuò)散。低碳區(qū)碳的傳質(zhì)是反應(yīng)速度的限制性環(huán)節(jié)：,RH,鋼水循環(huán)流量,Q=,鋼水循環(huán)流速,上升管截面積，根據(jù)前人對(duì),RH,鋼水循環(huán)流量的測(cè)定結(jié)果表明：,循環(huán)流量,Q,的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較,增加吹氬流量,Q,g,使,RH,的循環(huán)流量增大；,擴(kuò)大上升管直徑使循環(huán)流量,Q,增大；,增加浸入管的插入深度也會(huì)使循環(huán)流量變大。,總結(jié)以上研究，,RH,內(nèi)鋼水的循環(huán)流量可以表示為：,10,真 空 脫 碳,RH,精煉中發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速度決定于金屬側(cè)各元素的傳質(zhì)系數(shù)，根據(jù),Shigeru,的研究證明，在整個(gè),RH,精煉過程中各元素的傳質(zhì)系數(shù)基本保持不變，

11、但反應(yīng)界面積隨時(shí)間發(fā)生明顯變化。為了方便描述各種反應(yīng)速度，常采用體積傳質(zhì)系數(shù),k,（,=,傳質(zhì)系數(shù),反應(yīng)界面積）。,鋼水含碳量和吹,Ar,方式對(duì),RH,脫碳過程的體積傳質(zhì)系數(shù),k,的影響,RH,的體積傳質(zhì)系數(shù)與以下因素有關(guān)：,k,和鋼水碳含量成正比；,增加鋼水的循環(huán)流量,Q,使,k,值提高；,改變吹氬方式利于提高,k,值：如在,300tRH,的真空室底部增設(shè),8,支,2mm,吹,Ar,管吹氬（,QA=800Nl/min,），使,k,值提高。,Koji YMAMGUCHI,總結(jié),100t,260tRH,的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)提出以下關(guān)聯(lián)式：,11,脫 氫,RH,脫氫效率很高，處理脫氧鋼水，脫氫效,率,H

12、,65%,；處理弱脫氧鋼水，由于劇烈的,C-O,反應(yīng)使,70%,。,RH,的,H,值決定于循環(huán)次數(shù)（,N,）,。,RH,處理后鋼水含,H,量為：,式中：,N,為鋼水循環(huán)次數(shù)。為保證良好的脫氫效,果，要求：,由于,RH,的真空度很高，脫氫速度可表示為：,經(jīng)測(cè)定對(duì),200tRH,，吹,Ar,流量為,20002500Nl/min,時(shí)，,kH,為,0.16min,-1,。增大吹,Ar,流量使,kH,值提高。如對(duì),340tRH,，吹,Ar,量從,0,增加到,2500Nl/min,時(shí)，,kH,可提高,1,倍。,采用,RH,噴粉工藝后，由于鋼水中存在大量細(xì)小彌散的固體粉劑，明顯增強(qiáng)了鋼水中氣泡異相形核的能力

13、，有利于脫氫反應(yīng)。,RH,噴粉法和,RH,法處理鋼的氫含量對(duì)比,12,脫 氮,鋼水脫氮速度不決定于鋼中氮的傳質(zhì)系數(shù)，主要決定于界面化學(xué)反應(yīng)速度。務(wù)川進(jìn)等人通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨鋼中,%O,和,%S,含量的增加，鋼水吸氮（或脫氮）速度降低（或增高）。因此，通常采用二級(jí)反應(yīng)式近似計(jì)算真空脫氮速度：,式中：,k,N,=15.9fN,2,/(1+173a,O,+52a,S,+17a,N,),2,。,a,吸氮,b,脫氮,真空度、表面活性元素含量對(duì)鋼水吸氮和脫氮的影響,脫氮速度常數(shù)計(jì)算值,與實(shí)測(cè)值的比較,13,RH多功能精煉技術(shù),14,脫 硫,對(duì)鋁脫氧鋼水，脫硫反應(yīng)為：,3(CaO)+2Al+3S=(Al,

14、2,O,3,)+3(CaS),鋼水脫硫效率主要決定于鋼中鋁含量和爐渣指數(shù)（,SP,）：,當(dāng)（,SP,）,=0.1,時(shí)，渣,鋼間硫的分配比最大（,400600,）。因此，脫硫渣的最佳組成是：,60%(CaO)+25%(Al,2,O,3,)+10%(SiO,2,),。,RH,噴粉通常采用,CaO+CaF,2,系脫硫劑，該種粉劑的脫硫分配比可按下式計(jì)算：,La=(%S)/%S=1260-25(%Al,2,O,3,)75(%SiO,2,)250,鋼水脫硫速度為：,，根據(jù)高橋等人的測(cè)定：,ks=0.27m/min,。,采用,RH,噴粉脫硫的主要優(yōu)點(diǎn)是：,（,1,）脫硫效率高。,（,2,）頂渣影響小，與鋼

15、水間的傳質(zhì)速度大幅度,降低。,RH,噴粉,鋼包噴粉,粉劑消耗量與脫硫效率的關(guān)系,渣中,FeO+MnO,含量對(duì)渣,鋼間硫的分配比的影響,15,脫,磷,將,RH,吹氧工藝與噴粉工藝相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn),RH,脫磷。在,RH,吹氧脫碳期同時(shí)噴吹石灰粉可以達(dá)到理想的脫磷效果。如日本新日鐵名古屋廠,230tRH,采用,OB/PB,工藝，可生產(chǎn),P2010,-6,的超低磷鋼。,粉劑中,(%CaO)20%,時(shí)，爐渣脫磷能力最強(qiáng)。提高真空度使?fàn)t渣脫磷能力略有提高。根據(jù),RH-PB,處理中取出的粉劑顆粒，經(jīng),X,光衍射分析的結(jié)果繪出右圖。由于,RH,噴粉避免了頂渣的影響，延長(zhǎng)了粉劑與鋼水直接反應(yīng)的時(shí)間，使脫磷效率提高

16、。如圖所示，上浮粉劑顆粒中,P,2,O,5,含量接近,3CaOP,2,O,5,或,4CaOP,2,O,5,的理論極限。遠(yuǎn)高于鐵水預(yù)處理或轉(zhuǎn)爐脫磷效率。,粉劑配比和真空度對(duì)爐渣脫磷能力的影響,RH-PB,工藝中粉劑顆粒的脫磷效果比較,logC,P,=log(%P)/(a,P,O,5/2),16,脫氧與夾雜物上浮,RH,精煉通常采用鋁脫氧工藝，生成的脫氧夾雜物大多為細(xì)小的,Al,2,O,3,夾雜，,RH,精煉過程中鋼水氧含量的變化,可以表示為：,RH,處理鋼水中夾雜物的形貌和成份,RH,精煉中，爐渣傳氧決定于渣中,(%FeO)+(%MnO),含量。由于,RH,有效地避免了卷渣，頂渣對(duì)鋼水的氧化大為減弱。,RH,的表觀脫氧速度常數(shù),比鋼包吹氬（,GI,）工藝大約提高,1,倍。若,RH,處理前控制渣中,(%FeO)+(%MnO)1%,，處理后鋼中,OT1010,-6,。,RH精煉過程中氧化物夾雜的排出速度可以表示為：,渣中,FeO+MnO,含量和脫氧速度常數(shù),k,間的關(guān)系,17,夾雜物尺寸對(duì)去除的影響,鋼中夾雜物的上浮決定于夾雜物的尺寸：大顆粒夾雜上浮去除，而小顆粒夾雜通過碰撞聚合后才能上浮去