RH精煉工藝培訓教材

RH精煉工藝培訓教材2009年04月目錄第一章爐外精煉概況4、爐外精煉技術的發(fā)展歷程41.2、國內(nèi)爐外精煉技術的發(fā)展6、爐外精煉技術的發(fā)展前景10、各國主要爐外精煉方法和裝備12第二章RH工作原理132.1、RH法工作原理132.2、RH法鋼液運動特性162.3、RH法的特征參數(shù)16第三章RH生產(chǎn)工藝193.1、真空冶金基礎203.2、RH處理目的及功能223.3、RH處理模式233.4、RH脫氫243.5、RH脫碳273.6、RH對[N]的控制29、RH輕處理工藝313.8、RH夾雜物去除31第四章RH作業(yè)指導324.1、RH溫度管理324.2、RH合金化與成分調(diào)整354.3、RH環(huán)流氣控制374.4、吹氧化學升溫計算384.5、強制脫碳吹氧量計算39第一章爐外精煉概況隨著科學技術的發(fā)展，對煉鋼的生產(chǎn)率、鋼的成本、鋼的純凈度以及使用性能，都提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的煉鋼設備和煉鋼工藝難以滿足用戶越來越高的要求。20世紀60年代，在世界范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的煉鋼方法發(fā)生了根本性的變化，即由原來單一設備初煉及精煉的一步煉鋼法，變成由傳統(tǒng)煉鋼設備初煉，然后在爐外精煉的二步煉鋼法。因此，爐外精煉也稱為二次精煉。爐外精煉技術是指在冶煉爐（轉(zhuǎn)爐，電爐）生產(chǎn)鋼水的基礎上，以更加經(jīng)濟、有效的方法，改善鋼水的物理與化學性能的冶金技術。它包括：在鋼水包中，對鋼水的溫度、成分、氣體、有害元素與夾雜進行進一步的調(diào)整、凈化，達到潔凈、均勻、穩(wěn)定的目的；在中間包中促進氣體與夾雜上浮，穩(wěn)定全澆鑄過程的鋼水溫度（也稱中間包冶金）；在結(jié)晶器中去除鋼中夾雜，促進形核，均勻結(jié)晶。因此，經(jīng)濟有效的爐外精煉技術，不僅是鋼鐵產(chǎn)品最終質(zhì)量保證的最重要的基礎，也使生產(chǎn)流程變得時間更短、更能有效銜接匹配，從而更加高效化、緊湊化。爐外精煉技術與氧氣轉(zhuǎn)爐、超高功率電爐、連鑄一起被譽為鋼鐵生產(chǎn)具有流程革命意義的四大技術，它們之間互相依存、互相促進，奠定了現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)穩(wěn)固的技術基礎。1.1、爐外精煉技術的發(fā)展歷程鋼水的爐外精煉早在20世紀30、40年代就顯示了其在提高質(zhì)量、擴大品種方面的作用。如最早在30年代就開始應用的合成渣洗精煉鋼水技術，至今仍被應用。40年代初就有了真空模鑄的報道。50年代中后期，由于大功率的蒸汽噴射泵技術的突破，相繼發(fā)明了鋼包內(nèi)鋼水提升脫氣法（DH）和循環(huán)脫氣法（RH）。20世紀60年代和70年代，是鋼水爐外精煉多種方法發(fā)明的繁榮時期，這與純凈鋼生產(chǎn)概念的提出，各工業(yè)、建筑、軍事、交通行業(yè)對鋼材質(zhì)量和性能提出了越來越高的要求，以及連鑄生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定和連鑄品種擴大的強烈要求是密切相關的。這個時期，爐外精煉技術的發(fā)展發(fā)生了三方面的根本變化：第一，鋼水精煉最初的目的是為了解決冶煉爐不能順利生產(chǎn)高質(zhì)量品種，它已逐步成為大部分品種生產(chǎn)和全面提高質(zhì)量的不可缺少的手段。第二，爐外精煉技術不僅可以減少硫等有害元素及氫、氧、氮等有害氣體及夾雜物，使連鑄坯生產(chǎn)工藝更加穩(wěn)定，減少工藝與質(zhì)量事故，而且越來越顯示出協(xié)調(diào)生產(chǎn)節(jié)奏、優(yōu)化銜接的關鍵作用。新日鐵大分廠實行全連鑄生產(chǎn)，其生產(chǎn)初期全部鋼水進行RH處理，對確保全連鑄生產(chǎn)的質(zhì)量與工藝穩(wěn)定起到了重要的保證作用。也就是說，爐外精煉的迅速發(fā)展，在很大程度上是適應了連鑄生產(chǎn)飛速發(fā)展的需要，并反過來確實促進了連鑄生產(chǎn)的優(yōu)化。第三，爐外精煉形成了真空和非真空兩大系列不同功能的系統(tǒng)技術。這個時期真空處理方法有：用于超低碳不銹鋼生產(chǎn)的VOD-VAD技術；用于生產(chǎn)不銹鋼、軸承鋼的ASEA-SKF技術；用于超低碳鋼生產(chǎn)的RH-OB技術等。非真空處理方法有：用于低碳不銹鋼生產(chǎn)的氬氧精煉爐AOD；配合超高功率電爐生產(chǎn)，替代電爐還原期，對鋼水進行精煉的LF鋼包爐技術及后來配套發(fā)展起來的VD技術；噴射冶金技術；合金包芯線技術；還有加浸漬罩的吹氬技術CAS等。20世紀80年代至今，爐外精煉技術已成為現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)流程水平與鋼鐵產(chǎn)品高質(zhì)量水平的標志，它的發(fā)展也朝著功能更全、效率更高、冶金效果更佳的方向迅速完善。這一時期主要發(fā)展起來的代表技術有鋼水RH-KTB（相似的還有RH-MFP，RH-OB等）。爐外精煉技術發(fā)展的主要原因有兩個：（1）它與連鑄生產(chǎn)的迅速發(fā)展緊密相關。它不僅適應了連鑄生產(chǎn)對優(yōu)質(zhì)鋼水的嚴格要求，大大提高了鑄坯的質(zhì)量，而且在溫度、成分及時間節(jié)奏的匹配上起到了重要的協(xié)調(diào)和完善作用，即定時、定溫、定品質(zhì)地提供連鑄鋼水，成為穩(wěn)定連鑄生產(chǎn)的關鍵因素。以日本為例，1973年連鑄比為26%，精煉比為4.4%；1983年連鑄比超過75%，精煉比達48%；1985年連鑄比為90%，精煉比迅速增至65.9%；1989年連鑄比達95%，精煉比為73.4%（真空精煉比高達54.6%）。（2）與調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)的專業(yè)化進程緊密結(jié)合。超低碳、超深沖、超低磷、硫的優(yōu)質(zhì)鋼材生產(chǎn)必須采用包括爐外精煉技術在內(nèi)的優(yōu)化工藝流程，這是爐外精煉技術迅速發(fā)展的另一個重要原因。1.2、國內(nèi)爐外精煉技術的發(fā)展我國爐外精煉技術始于20世紀50年代中后期，包括：利用高堿度合成渣在出鋼過程對鋼水脫硫，用于冶煉軸承鋼；用鋼包脫氣（VD）和DH真空處理裝置精煉電工硅鋼等鋼種。60年代中期至70年代，我國特鋼企業(yè)和機電、軍工行業(yè)鋼水精煉技術的應用和開發(fā)有了一定的發(fā)展，并引進了一批真空精煉設備，如大冶、武鋼的RH，北京重型機器廠的ASEA-SKF，撫順鋼廠的VOD，還試制了一批國產(chǎn)的真空處理設備，鋼水吹氬精煉也在首鋼等企業(yè)投入了生產(chǎn)應用。80年代，國產(chǎn)的LF鋼包精煉爐、合金包芯線喂線設備、噴射冶金等鋼水精煉技術得到了初步的發(fā)展，這期間寶鋼引進了現(xiàn)代化的大型RH裝置（并進而實現(xiàn)了RH-OB的生產(chǎn)應用）。國內(nèi)精煉技術的發(fā)展應用在開發(fā)高質(zhì)量的鋼材品種和優(yōu)化鋼鐵生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用?？梢哉J為，80年代是我國爐外精煉技術發(fā)展奠定基礎的時期，從一些先進的示范工廠的實踐中，看清楚了爐外精煉技術對推動我國鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化的重大作用。20世紀90年代初，與世界發(fā)展趨勢相同，我國爐外精煉技術也隨連鑄生產(chǎn)的增長和對鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量日益嚴格的要求，得到了迅速的發(fā)展。不僅裝備數(shù)量增加，處理量也由過去的占鋼水的2%以下，持續(xù)增長，到1998年已均達20%以上。具體情況如表1-1所示。表1-1我國爐外精煉處理比的情況年份199019911992199319941995199619971998鋼水精煉比（%）1991年召開的全國首次爐外精煉技術工作會議，明確了“立足產(chǎn)品，合理選擇，系統(tǒng)配套，強調(diào)在線”的發(fā)展爐外精煉技術的指導思想。立足產(chǎn)品是指在選擇爐外精煉方法時，最根本的是從企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量要求（主要是用戶要求）為基本出發(fā)點，確定哪些產(chǎn)品需要進行何種爐外精煉，同時認真分析工藝特點，明確基本工藝流程。合理選擇是指在選擇爐外精煉方法時，要首先明確各種爐外處理方法所具備的功能，結(jié)合產(chǎn)品要求，做到功能對口。其次是考慮企業(yè)煉鋼生產(chǎn)工藝方式與生產(chǎn)規(guī)模、銜接匹配的合理性、經(jīng)濟性。還要根據(jù)產(chǎn)品要求和工藝特點分層次地選擇相應的爐外精煉方法，并合理地搞好工藝布置。系統(tǒng)配套是指要嚴格按照系統(tǒng)工程的要求，確保在設計和施工中，主體設備配套齊全，裝備水平符合要求；嚴格按各工序間的配套要求，使前后工序配套完善，保證爐外精煉功能的充分發(fā)揮；一定要重視相關技術和原料的配套要求，確保爐外精煉工序的生產(chǎn)過程能正常、持續(xù)地進行。強調(diào)在線是指在合理選擇處理方法的前提下，要從加強經(jīng)營管理入手，把爐外精煉技術納入分品種的生產(chǎn)工藝規(guī)范中去，保證在生產(chǎn)中正常運行；也是指在加強設備維修的前提下，確保設備完好，保證設計規(guī)定的功能要求，確保作業(yè)率；還意味著要充分發(fā)揮設備潛力，達到或超過設計能力。這些指導思想對我國從“八五”開始直至現(xiàn)在爐外處理技術的發(fā)展起到了重要的推動作用。進入新世紀，適應連鑄生產(chǎn)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的要求，爐外精煉技術得到迅速發(fā)展。鋼水精煉中RH多功能真空精煉發(fā)展迅速，另外LF爐不但在電爐廠而且在轉(zhuǎn)爐廠也大量采用，并配套有高效精煉渣。到2003年，包括RH、LF在內(nèi)的主要鋼水精煉技術，均具備了完全立足國內(nèi)并可參與國際競爭的水平。50多年來，我國爐外精煉技術發(fā)展取得了顯著的成績，主要有：●廣大鋼鐵企業(yè)領導和技術人員對爐外精煉技術在鋼鐵生產(chǎn)中的作用和地位逐漸提高了認識，并越來越在企業(yè)技改和生產(chǎn)組織中成為工作的重點。這種認識源于企業(yè)流程優(yōu)化、生產(chǎn)順行、高效低耗，尤其是市場對鋼材產(chǎn)品的品種質(zhì)量日益提高的要求，因而是深刻的，也是下一步發(fā)展的重要前提?！裥纬梢恢в幸欢ㄋ降脑O計、生產(chǎn)與設備制造的工程技術隊伍，有一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)并具有相當水平的科技成果，具備了各種爐外精煉技術深入開發(fā)研究和工程總承包的能力?！駹t外精煉技術相關配套設備、材料同步發(fā)展，基本滿足了國內(nèi)各類爐外精煉設備的不同層次的需要?！裥纬闪艘慌案郀t→鐵水預處理→復吹轉(zhuǎn)爐→鋼水精煉→連鑄”或“電爐→鋼水精煉→連鑄”的現(xiàn)代化工藝流程，有強大的示范作用?！裨诋a(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，促進潔凈鋼、合金鋼、低合金鋼的生產(chǎn)中，爐外精煉起到了不可替代的重要作用，是優(yōu)質(zhì)高效、節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本的可靠保證。雖然成績顯著，但還有很多問題，如鋼水精煉比仍不高，不但與發(fā)達工業(yè)國家相比差距較大，而且也與連鑄生產(chǎn)的快速發(fā)展很不適應，已經(jīng)明顯地影響了連鑄生產(chǎn)的優(yōu)化和完善，也成為我國關鍵品種生產(chǎn)的一個瓶頸。又如在我國特有的中、小冶煉爐占很大比例的條件下，中小鋼廠爐外精煉還沒有廣泛應用。還有我們擁有的高水平爐外精煉裝備，因技術的消化吸收與攻關研究和國外相比存在明顯的差距，不能充分發(fā)揮其功能與生產(chǎn)效率等。這都是必須加強和改進的。1.3、爐外精煉技術的發(fā)展前景從爐外處理技術的發(fā)展過程中可以看出其發(fā)展和完善的四個主要特點，即：（1）多功能化。多功能化是指由單一功能的爐外精煉設備發(fā)展成為多種精煉功能的設備和將各種不同功能的裝置組合到一起建立綜合處理站。如LF-VD、CAS-OB、RH-OB、RH-KTB，上述裝置中分別配了喂合金線（鋁線）、合金包芯線（Ca-Si、Fe-Ti、C粉等）等。這種多功能化的特點，不僅適應了不同品種生產(chǎn)的需要，提高了爐外精煉設備的適應性，還提高了設備的利用率、作業(yè)率，縮短了流程，在生產(chǎn)中發(fā)揮了更加靈活、全面的作用。（2）相關技術不斷得到開發(fā)和完善。這主要有高壽命精煉用耐火材料及熱噴補技術和裝備；適用于鋼包精煉的高供氣強度底吹元件；純凈鋼爐外精煉所需要的痕量元素分析技術；以爐外精煉為重點的計算機生產(chǎn)管理、物流控制技術等。它們已變成爐外精煉系統(tǒng)工程技術中不可分割的重要組成部分。（3）爐外精煉技術的發(fā)展是為了實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效、節(jié)能降耗的目標。爐外精煉技術發(fā)展的這一特點是在不斷爭議中逐漸地形成的。優(yōu)質(zhì)的特點最容易為人們所接受，高效的特點在提高整個生產(chǎn)流程的生產(chǎn)效率、朝緊湊化方向的發(fā)展過程中也逐漸地被人們認識到。但節(jié)能降耗的特點，至今在各個鋼廠的生產(chǎn)實踐中仍有不同程度的差別和爭議。例如，對于全部鋼水RH真空處理的生產(chǎn)實踐，其經(jīng)濟性和可行性仍是不少人爭議的內(nèi)容。但毫無疑問的是，爐外精煉技術已成為現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)先進水平的主要標志。（4）爐外精煉技術的發(fā)展具有不斷促進鋼鐵生產(chǎn)流程優(yōu)化重組、不斷提高過程自動控制和冶金效果在線監(jiān)測水平的顯著特點。例如：LF鋼包精煉技術促進了超高功率電爐生產(chǎn)流程的優(yōu)化；AOD、VOD實現(xiàn)了不銹鋼生產(chǎn)流程優(yōu)質(zhì)、低耗、高效化的變革等。突出的流程優(yōu)化重組的實例說明了這一技術發(fā)展的重要作用。50多年來，爐外精煉技術已發(fā)展成為門類齊全、功能獨到、系統(tǒng)配套、效益顯著的鋼鐵生產(chǎn)主流技術，發(fā)揮著重要的作用。但爐外精煉技術仍處在不斷完善與發(fā)展之中。未來10年之內(nèi)，爐外精煉技術仍將在以下的幾個重點方面取得進展：●中間包冶金及結(jié)晶器冶金技術將逐漸顯示其對最終鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)化的重要意義；●電磁冶金技術對爐外精煉技術的發(fā)展將起到積極的推動作用；●配套同步發(fā)展輔助技術，包括冶煉爐準確的終點控制技術、工序銜接技術智能化等；●無污染的精煉技術及過程的環(huán)保技術。1.4、各國主要爐外精煉方法和裝備為了滿足多品種的需要，新建精煉裝置向多功能方向發(fā)展。目前各種精煉裝置各有所長，沒有一種精煉裝置能滿足各種工藝目的。各種主要精煉裝置采用的手段與目的，如表1-2所示。表1-2主要精煉裝置采用的手段與目的工藝精煉手段主要冶金功能造渣真空攪拌噴吹加熱合金化調(diào)溫去除夾雜脫氣脫氧脫碳脫硫鋼包吹氬●●●CAS-OB●●●●●●●LF●●●●●●●RH-KTB●●●●●●●●VOD●●●●●●●目前世界上爐外精煉設備發(fā)展很快，據(jù)不完全統(tǒng)計，總數(shù)已超過一千多臺。從爐外精煉設備的發(fā)展情況看，具有加熱功能、投資較少的LF鋼包爐發(fā)展最快，RH循環(huán)脫氣裝置精煉的鋼水質(zhì)量最具保證。各工廠的爐外精煉設備詳細的情況如下（國內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計到2002年，國外數(shù)據(jù)統(tǒng)計到1999年）。、國內(nèi)精煉設備概況（表1-3）表1-3國內(nèi)精煉設備概況序號企業(yè)名稱精煉設備名稱及容量數(shù)量/臺1寶鋼RH-OB300t1RH-MFB300t1RH-KTB250t1LF/VD150t22鞍鋼LF100t×2；200t×13RH200t13武鋼LF150t；250t3VD（雙工位）100t1RH80t；300t2RH-KTB80t14攀鋼LF160t1RH-MFB160t15天津鋼管公司LF80t×2；210t×13VD80t1、日本精煉設備概況（表1-4）表1-4日本精煉設備概況序號企業(yè)名稱精煉設備名稱及容量數(shù)量/臺1川崎制鐵千葉廠RH85t；230t2VOD160t1川崎制鐵水島廠ASEA-SKF100t1RH180t；250t；180t；250t42神戶制鋼LF240t1ASEA-SKF90t2RH240t23日新制鋼RH180t1VAD80t1VOD75t14住友金屬鹿島廠LF270t1RH270t2、韓國精煉設備概況（表1-5）表1-5韓國精煉設備概況序號企業(yè)名稱精煉設備名稱及容量數(shù)量/臺1浦項制鐵LF320t2RH300t32浦項光陽LF130t2RH250t；265t2第二章RH工作原理2.1、RH法工作原理RH法的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。它由吸入和排除鋼水的浸漬管和真空槽以及真空排氣裝置所組成。處理鋼水時，先將兩個浸漬管浸入到鋼水中，使鋼包和真空室形成真空。這時，從一個浸漬管吹入氣體（氬氣或氮氣）。鋼水被吹入真空槽內(nèi)并飛濺。鋼水在真空室內(nèi)脫氣后，因鋼水自重從另一側(cè)的浸漬管流回到鋼包內(nèi)。這樣，鋼水不斷地從鋼包進入真空室，然后又從真空室返回到鋼包內(nèi)，形成連續(xù)不斷地環(huán)流，直到真空室內(nèi)的真空狀態(tài)被破壞，回到1個大氣壓為止。連續(xù)不斷進入真空室的鋼水在真空狀態(tài)下被不斷地脫氣處理。圖2-1RH真空裝置基本結(jié)構(gòu)RH法鋼液運動特性RH流場的描述多在水模型中加入示蹤劑攝影的方法進行。這些實驗的結(jié)果證實，RH法的攪拌機能是十分有效的。下降管內(nèi)流出的鋼液流股可以穿透鋼包內(nèi)的鋼液而到達底部，鋼包內(nèi)基本無死區(qū)存在。除了用示蹤劑對RH法的鋼包內(nèi)鋼液流態(tài)進行研究外，許多人還力圖用數(shù)值計算法，根據(jù)湍流控制方法對處理過程中的鋼包內(nèi)的速度分布進行定量描述。該方法雖然在計算的過程中作了一些簡化（主要是假設為二維流場），但對于流場的定量分析以及過程中的反應的預測和研究還是有一定意義的。RH法的特征參數(shù)處理容量、循環(huán)因數(shù)、處理時間、循環(huán)流量、真空度，真空泵的抽氣能力等參數(shù)都是循環(huán)脫氣法在設計和操作時應考慮的主要工藝參數(shù)。.1處理容量處理容量指的是被處理鋼液的重量。對于RH法，其處理量的上限在理論上是沒有限制的。而處理容量的下限，即RH法處理的最小容量，則取決于處理過程中溫降的情況。當處理容量小于30噸時，鋼液的溫降相當顯著。為保證一定的開澆溫度，只有提高出鋼溫度或縮短處理時間，而這兩種辦法都會使處理的效果降低。.2處理時間鋼包在RH工位的停留時間稱為處理時間。該時間的絕大部分一直在進行真空脫氣，所以脫氣時間略短于處理時間。為了使鋼液充分脫氣，就要保證有足夠的脫氣時間。鋼水通過一定時間的真空脫氣處理，氣體含量及夾雜物都能不同程度的減少。.3循環(huán)因數(shù)循環(huán)因數(shù)μ即循環(huán)次數(shù)，是處理過程中通過真空室的總鋼液量與處理容量Q之比。可用下式表示：μ=w·式中w—循環(huán)流量，t/mint—脫氣時間，min在脫氣條件（循環(huán)流量、驅(qū)動氣體流量、真空度）一定時，返回鋼包的鋼液氣體含量也就一定。這樣，循環(huán)開始后，進入真空室的鋼液氣體含量主要取決于已脫氣鋼液返回鋼包后與鋼包中鋼液混合的狀況。為了使氫含量較高的鋼液有效的脫氫，例如要求最終氫含量小于2ppm，則循環(huán)因數(shù)必須取5或5以上。.4循環(huán)流量單位時間內(nèi)通過真空室的鋼液成為循環(huán)流量。它的大小主要決定于上升管直徑和驅(qū)動氣體的流量。循環(huán)流量與驅(qū)動氣體、上升管內(nèi)徑的關系式如下：ω=α·d·G式中α——常熟d——上升管內(nèi)徑，cmG——驅(qū)動氣體流量，l/min循環(huán)流量是RH設備特性和工藝的重要參數(shù)，因此人們對它進行了大量的研究。以下就各種參數(shù)的影響情況進行討論。（a）氣體流量研究結(jié)果表明，氣體流量增大時，環(huán)流量也增大，但當氣體流量增大到一定程度時，環(huán)流量會達到飽和。（b）環(huán)流管內(nèi)徑環(huán)流管徑增大時，使環(huán)流截面積增大，從而減小鋼液循環(huán)流動的阻力，提高驅(qū)動氣體的抽引效率。所以，環(huán)流管徑增大，環(huán)流量亦隨之顯著增大。（c）吹入氣體深度許多研究結(jié)果都表明，環(huán)流量與吹入氣體深度的平方根成正比。當然，在吹氣深度很小時，上升管由于氣泡行程太短，氣液間混合不好，使換流量顯著減小，和吹入深度的平方根不成比例?？傊?，較大的吹入氣體深度，有利于氣泡的分散和膨脹，使其作用于液體的時間和形成加長，從而更充分地發(fā)揮驅(qū)動氣體的抽引效率，增大換流量。綜上所述，提高環(huán)流量的途徑有：增大吹入氣體流量；增大環(huán)流管內(nèi)徑；在可能的條件下增大吹入氣體深度。.5真空度真空度處于真空狀態(tài)下的氣體的稀薄程度稱為真空度，通常用氣體的壓強來表示。壓強值的單位很多，國際單位制中壓強的基本單位是Pa（帕）。為了方便起見，人們通常把低于大氣壓的整個真空度范圍劃分成幾段。真空范圍的劃分國際上通常采用如下辦法：粗真空＜（760～1）×中真空度＜（1～10-3）×高真空＜（10-3～10-7）×超高真空＜10-7×.6工作泵抽氣能力工作泵抽氣能力大小，應根據(jù)處理的鋼種、處理容量、脫氣時間、循環(huán)流量以及處理過程中鋼液脫氣規(guī)律來確定。真空循環(huán)脫氣過程中，氣體的析出速率是不同的。在處理前期由于鋼液原始含氣量大，而后期氣體析出量大為減少。如果按脫氣高峰來考慮真空泵的抽氣能力，則所選真空泵的抽氣能力會偏大，而按整個脫氣時間的平均脫氣量來考慮，則抽氣能力又偏低。比較合理的方法，是按脫氣過程中鋼液脫氣規(guī)律來考慮真空泵的抽氣能力。第三章RH生產(chǎn)工藝循環(huán)脫氣法工藝是一種用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼的鋼水二次精煉工藝。整個鋼水冶金反應是在砌有耐火襯的真空槽內(nèi)進行的。真空槽的下部是兩個帶耐火襯的浸漬管，上部裝有熱彎管，氣體由熱彎管經(jīng)氣體冷卻器至真空泵系統(tǒng)。鋼水處理前，先將浸漬管浸入待處理的鋼包鋼水中。與真空槽連通的兩個浸漬管，一個為上升管、一個為下降管。由于上升管不斷向鋼液吹入氬氣，吹入的氣體受熱膨脹，從而驅(qū)動鋼液不斷上升，流經(jīng)真空槽鋼水中的氬氣、氫氣、一氧化碳等氣體在真空狀態(tài)下被抽走。脫氣的鋼水由于自身重力的作用再經(jīng)下降管流入鋼包，就此不斷循環(huán)反復。3.1、真空冶金基礎3鋼中的氣體鋼中包含著一定量的元素，它們在通常狀態(tài)下，是以氣態(tài)形式出現(xiàn)的，這些元素是氫、氧、氮，通常稱為鋼中的氣體。氫→｛H2｝→2[H]氮→｛N2｝→2[N]氧→｛O2｝→2[O]鋼中氣體既可少量溶于鋼中形成固溶體，部分也可存在于板坯等氣泡或氣孔中，也可與鋼中其它元素形成氧化物、氮化物等以夾雜物形態(tài)出現(xiàn)。鋼中的氣體在絕大多數(shù)情況下將導致鋼材性能惡化乃至報廢。因而現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)中，必須把氣體去除到規(guī)定的數(shù)值之下。在煉鋼生產(chǎn)中，鋼中的氣體主要來自：●入爐原材料●爐氣及各種吹入氣體●鐵合金●出鋼及澆注過程中周圍氣氛●與鋼水相接觸的各種材料等由于常規(guī)的煉鋼工藝，其鋼水總是與上方的爐氣等相接觸，因而總有部分氣體溶入鋼中，引起鋼中氣體含量增加。3去氣途徑現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)中，去氣途徑主要有三種：●利用粗煉鋼階段脫碳反應所產(chǎn)生的強烈沸騰，將鋼中溶解的氣體排除。其原理是基于脫碳過程中產(chǎn)生的無數(shù)CO氣泡中氫、氮的分壓PH2、PN2為零，也即每個氣泡類似于一個小的真空泵，隨脫碳過程進行，鋼中溶解的氣體不斷向氣泡擴散，并排至爐氣中?！翊等攵栊詺怏wAr其原理同上。但這兩種方法，由于受到沸騰程度及上方氣氛限制，及其后操作因素的影響，最終成品氣體仍無法達到很低程度?！裾婵仗幚碚婵仗幚硎菍撘褐糜谡婵障?，基于下述均方根定律，隨壓力下降，使鋼中氣體不斷被抽走并使之降到很低的水平。S=K式中：Ps為分壓；S為氣體溶解度；K為常熟此方法的優(yōu)點是由于熔池上方始終保持很高的真空度，因而最終的氣體含量可控制到很低的水平。3真空脫氣物理化學基礎真空脫氣反應研究主要是兩個方面：一是脫氣反應的熱力學；二是脫氣反應的動力學。熱力學是研究脫氣反應的方向、反應條件、反應最終能達到的平衡濃度也即脫氣的程度。就真空脫氫、脫氮及碳脫氧而言，由于反應產(chǎn)物是氣體，故按熱力學平衡原理，隨氣相壓力不斷降低，脫氣反應將不斷進行，直至達到某一壓力時，達到新的平衡狀態(tài)。因而可以說降低氣相壓力是推進真空脫氣反應的原動力。動力學是研究脫氣反應的速度，達到平衡狀態(tài)（確切地說是達到接近平衡狀態(tài)）所需的時間。實際研究中，通常將每個脫氣反應分隔為幾個步驟，并把其中最慢的過程稱為反應的限制性環(huán)節(jié)，然后通過理論推導與實驗相結(jié)合的方式，確定限制性環(huán)節(jié)的速度計算式，由此即可確定脫氣反應的時間。真空脫氣反應通?？煞譃橐韵聨讉€步驟：●被去除元素擴散至反應界面●發(fā)生反應就脫氫、脫氮而言，反應是指從原子狀態(tài)轉(zhuǎn)向分子狀態(tài)；對脫碳，脫氧反應是指碳氧反應生成一氧化碳氣體。●反應產(chǎn)物氣體去除研究表明這三個過程中，第一步最慢，是脫氣反應的限制性環(huán)節(jié)。RH處理目的及功能RH處理的主要目的是真空脫碳、脫氣、脫氧、調(diào)節(jié)鋼水溫度和化學成分。RH處理方法主要有本處理、輕處理和吹氧脫碳等。不同的處理方法對應不同的RH處理功能，可以達到不同的冶金效果。RH本處理主要功能為脫氫、成分溫度調(diào)整及促使夾雜物上浮；RH輕處理除了成分溫度調(diào)整及促使夾雜物上浮功能外，可以通過先行脫碳的方式降低鋼中的[O],節(jié)省合金并提高鋼水的純凈度；頂槍吹氧功能主要是強制脫碳冶煉超低碳鋼、吹氧化學升溫及噴粉脫硫；對成分[Ca]有要求的鋼種，RH通過喂CaSi線對鋼水進行改變夾雜物形態(tài)的處理。根據(jù)RH處理的必要性（鋼種技術條件要求）將RH的適應鋼種分為如下幾類：項目定義鋼種RH指定鋼種制造工藝上必須經(jīng)過RH處理的鋼種本處理型、吹氧脫碳型等RH準指定鋼種RH處理后對成本質(zhì)量有利的鋼種，也可根據(jù)情況不經(jīng)過RH處理輕處理型、鎮(zhèn)靜鋼RH處理模式.1輕處理模式輕處理是指在6～26Kpa較低真空度下進行成分、溫度調(diào)整的處理方式?；究煞譃槲疵撗蹁撍妮p處理模式和完全脫氧鋼水的輕處理模式兩種。完全脫氧鋼水的輕處理模式工藝比較簡單，只是成分和溫度的調(diào)整。下面重點介紹未脫氧鋼水的輕處理模式。在RH真空狀態(tài)下，利用碳氧反應降低鋼水中的游離氧濃度可以節(jié)省脫氧所需的合金鋁、同時碳脫氧提高了鋼水的純凈度。鋼水在轉(zhuǎn)爐鋼包中不進行完全脫氧，在RH工序?qū)︿撍M行真空處理，在一定真空度下，碳氧發(fā)生反應立即產(chǎn)生CO氣體，CO氣體通過槽體和排氣管被抽走。通過抽真空降低了碳氧反應的平衡，鋼水中的游離氧因和鋼水中的碳反應得以減少，這樣脫氧所需的合金鋁可以減少并保持在較低的水平。同時鋁加入量減少導致脫氧所產(chǎn)生的夾雜物也相應減少，有利于鋼水的純凈。.2本處理模式本處理是指在低真空度（氣壓小于0.27Kpa）下，以去除鋼水中的氫、氧（脫氧生成物）為目的的真空脫氣處理方式。鋼水按通常處理在轉(zhuǎn)爐進行完全脫氧，在出鋼過程中可以添加部分合金，RH真空處理開始后真空度快速下降，高真空在約3～5min達到，同時調(diào)整環(huán)流氣量增加反應界面積以提高脫氫能力。合金添加要盡量在處理前期進行，在達到高真空后即進行快速合金添加。通過一定時間的高真空處理，鋼水中的氫含量基本可降低到2ppm以下。、RH脫氫氫能微量溶解于鐵中，其溶解量主要取決于溫度及壓力，在常壓常溫下最大溶解度約為1.5ppm，當實際的溶解量超過其溶解度是，氫將析出，形成“白點”等缺陷。白點在200℃因而一些重要的鋼種，如厚板鋼、抗HIC鋼、合金含量較高的優(yōu)質(zhì)鋼，都必須經(jīng)過真空脫氣處理。.1脫氫熱力學鋼液真空脫氫或氫在鋼液中溶解可用下式表示：1/2H2=[H]氫濃度服從Sievert定律，該定律可定量確定在不同溫度和壓力下鋼中的氫含量。[%H]=K[H]K[H]為平衡常數(shù)在不同的溫度、壓力下，鋼中氫溶解度會發(fā)生變化，有如下關系：（a）在溫度一定下，[H]隨壓力降低而降低。（b）在一定壓力下，[H]隨溫度升高而增大，但在二次精煉中，壓力對[H]含量影響遠超過溫度。.2脫氫動力學●脫氫過程及限制性環(huán)節(jié)脫氫反應可看做按以下三步來完成：（a）[H]原子向反應界面擴散（b）[H]原子生成H2（c）反應產(chǎn)物H2進入氣相中研究表明：上述三步中，第一步氫原子向界面擴散是脫氫過程中速度最慢，是真空脫氫的限制性環(huán)節(jié)?！裼绊懨摎渌俣纫蛩匮芯勘砻鱎H處理過程中，脫氫反應主要發(fā)生在以下三個區(qū)域：（a）真空室熔池表面（b）氣泡與金屬界面（環(huán)流Ar氣泡，CO氣泡）（c）真空室熔池內(nèi)部不同研究者對反應發(fā)生的主要區(qū)域雖有不同的看法，但就影響脫氫速度而言，主要有下列因素：（a）擴散系數(shù)。氫的擴散速度遠大于氮的擴散速度，故就動力學而言脫氫易于脫氮。（b）氣泡大小及數(shù)量。氣泡直徑越小，數(shù)量越多，沸騰越激烈，其反應界面積就越大，脫氫速度就越快?！裼绊懨摎湫Ч墓に囈蛩兀╝）原始氫含量轉(zhuǎn)爐鋼在正常的生產(chǎn)條件下，原始氫含量在3ppm左右。經(jīng)RH真空處理15～20min，即可講鋼液中[H]降至2ppm以下。（b）原材料、合金的影響使用潮濕的原材料、合金時，鋼種氫含量明顯升高。（c）耐材的影響。鋼包、真空室耐材，對氫含量也有明顯影響，在使用前耐材需經(jīng)嚴格烘烤。RH脫碳含碳小于0.015%的鋼種，在常規(guī)的初煉爐、電弧爐是無法生產(chǎn)的，而這些低碳鋼種，主要是工作上應用極為廣泛的IF鋼等。當今真空脫碳法已成為生產(chǎn)IF鋼之類的冷軋鋼板不可缺少的工藝環(huán)節(jié)。其最終成品碳含量可達到20ppm以下。RH處理過程中，真空下的脫碳是通過鋼中的溶解氧或外加的氧源來進行的。眾所周知，當初煉爐如轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，當吹止碳達到0.03%左右時，鋼中的溶解氧已達到相當高的數(shù)值。此溶解氧已足以將碳降至幾十ppm以下的水平，但最終含碳量是取決于初始碳含量及真空處理時間。在鋼液中吹入提升氣體則可產(chǎn)生大量的氣泡核心，加速一氧化碳反應。.1脫碳熱力學真空下碳、氧反應如下式所示：[C]+[O]=CO平衡常數(shù)與溫度之間關系的公式很多，常用的有：lgKC=lgKC=lgKC=真空脫碳是在真空室壓力很低，高真空的狀態(tài)下進行。真空脫碳為了達到較低含碳量需要較長的處理時間。就超低碳鋼冶煉而言，為達到既能高速脫碳，又能確保脫碳終了具有較低的含氧水平，通常對脫碳初始的熱力學條件有較嚴格的限制。初始碳氧存在幾種情況：（a）原始氧過高。脫碳終了剩余氧過多，還原劑消耗增加。（b）原始碳含量過高，氧含量低。需要進行強制吹氧脫碳。.2脫碳動力學熱力學所提出的反應平衡值是一個理想數(shù)值，在實際生產(chǎn)中噢噢那個重要的是要知道反應速度、影響因素及在最短的時間內(nèi)，達到接近理想的平衡值。真空脫碳與脫氮相同，反應的限制性環(huán)節(jié)是擴散過程。對于RH反應過程熔池脫碳速度可以表示為：[C]t=[C]o*exp（-Kc*t）式中Kc為表觀脫碳速度常數(shù)，其大小決定于熔池含碳量，隨著熔池含碳量的降低Kc減小。隨著碳含量的變化RH脫碳速度分為三個階段：（1）高碳區(qū)([C]≥20010-6)：熔池脫碳速度決定于氧的傳遞，隨著供氧強度的提高Kc值增加。（2）低碳區(qū)(10~2010-6≤[C]<20010-6)：熔池脫碳速度決定于鋼水中碳的傳質(zhì)速度，由鋼水循環(huán)流量Q與體積傳質(zhì)系數(shù)ak所決定。（3）超低碳區(qū)([C]<10~2010-6)：熔池脫碳速度決定于界面反應速度，增加反應界面是提高該區(qū)域脫碳速率的主要措施。圖3-2RH脫碳速度Kc與[C]的關系RH對[N]的控制氮主要以化合物形態(tài)存在于鋼中，溶解狀態(tài)的氮很少。氮在鋼中的作用是雙重的，在一定條件下，氮被認為是一種重要的合金元素，常以合金或滲入的方法加入鋼中以提高鋼的硬度強度，抗蝕性等，但氮在鋼中也有不利的一面，影響鋼的性能。就轉(zhuǎn)爐鋼而言，大部分是低碳鋼，氮的有害影響尤為突出，某些特殊鋼種如IF鋼氮含量要求小于30ppm。.1脫氮熱力學鋼液中的溶解氮遵守Sievert定律，可用下式表示：1/2N2=[N][%N]=K[N]K[N]為平衡常數(shù)氮在鋼中溶解度隨分壓下降而下降，但遠高于氫的溶解度?！窈辖鹪貙Φ阡撝腥芙舛鹊挠绊懀╝）凡能與氮形成氮化物的合金元素如V、Cr、Nb、Mn特別是Ti等將提高氮在鋼中的溶解度。（b）其它元素如Si、C、Ni等存在將降低氮在鋼中溶解度。.2脫氮動力學脫氮的動力學過程與氫相同，其限制性環(huán)節(jié)是氮在金屬中的擴散。但實際的脫氮速率及效果遠低于脫氫速率，原因是：（a）氮在鋼液中擴散系數(shù)小于氫的擴散系數(shù)。（b）氮在鋼中與其它合金元素形成穩(wěn)定的氮化物，而這些氮化物，在煉鋼溫度下，分解壓力都很低。（c）脫氮受到表面活性元素氧和硫的影響。.3脫氮效率RH脫氮效率遠低于脫氫效率。原始氮含量低時，RH處理過程氮含量基本沒有變化，氮含量高時，脫氮效率約為10～30%，總的脫氮效率波動在0～30%之間。當原始氮含量低于25ppm時，如果RH操作不當，甚至會引起增氮現(xiàn)象。.4影響最終氮含量的因素（a）原始氮含量控制由于真空脫氮效果較差，目前生產(chǎn)低氮鋼時，主要靠控制前工序轉(zhuǎn)爐出鋼氮含量，在RH處理過程中保持少量脫氮或避免增氮。（b）適當延長真空時間，脫氮效率提高，但改善并不顯著。（c）保持真空室的密封，防止漏氣。RH輕處理工藝1977年，日本新日本鋼鐵公司大分廠研究出了一種新的RH處理工藝，叫RH輕處理工藝。RH輕處理工藝就是利用RH的循環(huán)、脫碳功能，在低真空條件下，對未脫氧鋼水進行短時間處理，同時將鋼水溫度、成分調(diào)整到適于連續(xù)鑄鋼的工藝要求。這種工藝的特點是，轉(zhuǎn)爐鋼水在RH真空室內(nèi)的低真空度下，使鋼水中的[C]和[O]產(chǎn)生反應，形成CO氣泡，以減少氧的含量，然后再加少量的脫氧劑。RH輕處理工藝的優(yōu)點是可以降低脫氧劑的消耗量。在采用RH輕處理法時，轉(zhuǎn)爐出鋼時鋼水中的碳含量較高，自由氧含量比較低，自由氧在RH輕處理中會進一步降低，因此所需的脫氧劑就很少。同時，在進行RH輕處理時，由于真空中的脫碳反應可以降低鋼水中碳的含量，因此可以提高氧氣轉(zhuǎn)爐的終點碳，從而提高了鋼水的殘錳量，錳鐵的消耗量也降低了。RH輕處理工藝的第二個優(yōu)點是提高終點碳含量，渣中總鐵含量也相應降低了，從而不但可以降低爐渣對轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯的侵蝕，提高轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯的使用壽命，而且可以提高鋼水的收得率。RH夾雜物去除鋼中存在的非金屬化合物，如氧化物、硫化物、氮化物等都以獨立相存在，統(tǒng)稱為非金屬夾雜物。它們在鋼中存在的形態(tài)可以以簡單的化合物形態(tài)或者復合物形態(tài)出現(xiàn)。鋼中非金屬夾雜物的存在，破壞了鋼的基體連續(xù)性，造成了鋼的組織不均勻，導致鋼的韌性和塑性降低等，因而絕大部分鋼種對夾雜物有嚴格的控制要求。.1夾雜物來源RH處理過程中夾雜物主要來自：（1）脫氧劑、合金、冷卻劑及喂線等外來添加劑。（2）鋼包中的熔渣，耐火材料。（3）前期初煉爐帶入的夾雜。（4）澆注及凝固過程中二次氧化。.2RH處理過程中夾雜物去除途徑RH處理過程中夾雜物去除方式或途徑是由鋼液自身運動規(guī)律所決定的。RH處理中夾雜物去除主要途徑有：（a）部分夾雜物通過處理過程中鋼液環(huán)流攪拌動力促使夾雜物微粒間相碰撞聚集成較大顆粒上浮至渣中，或加快單個夾雜物顆粒上浮至渣中。（b）部分夾雜物去除是通過熔池內(nèi)上升的氣泡，夾雜物吸附于氣泡表面后被下降管中下降的鋼液帶至鋼包爐渣表面。第四章RH作業(yè)指導RH溫度管理精煉結(jié)束的鋼水溫度合適與否是決定連鑄順行的首要因素，同時它又在很大程度上決定了連鑄坯的質(zhì)量，過高和過低的鋼水溫度都會帶來一定的危害。因此對精煉的溫度進行有效管理并制定合理的溫度制度，為連鑄提供合適而嚴格的鋼水溫度，對改善連鑄澆鑄性能和提高板坯質(zhì)量具有非常重要的意義。.1RH溫度管理為了精煉能給連鑄提供合適而嚴格的鋼水溫度，在RH工序的溫度管理上需注意以下幾點：（a）做好鋼包的預熱和周轉(zhuǎn)管理鋼包熱狀態(tài)影響著鋼水溫降的每個過程，因此采取嚴格的鋼包烘烤預熱制度、堅持紅包周轉(zhuǎn)、鋼包加蓋等措施以確保把鋼包對鋼水溫降的影響減少到最小。（b）改進完善生產(chǎn)調(diào)度管理，縮短鋼水周轉(zhuǎn)周期。（c）真空槽保證足夠的烘烤溫度。（d）提高操作水平，穩(wěn)定地控制RH終點溫度。（e）在鋼包內(nèi)加入合適的保溫劑。（f）縮短精煉結(jié)束至連鑄開澆的時間。.2RH溫度制度建立符合客觀實際、科學的溫度制度并嚴格實施是確保連鑄生產(chǎn)順行、質(zhì)量穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。（a）連鑄工序溫度制度TCC=TTD+T1+T2+T3式中：TCC—連鑄開澆前鋼水溫度TTD—中間包目標溫度T1—大包到中間包溫降T2—回轉(zhuǎn)臺上大包等待補正溫度T3—從RH到連鑄回轉(zhuǎn)臺吊運過程溫降（b）RH工序溫度制度TR=TS/T+T4+T5式中：TR—RH處理前目標溫度TS/T—到達連鑄回轉(zhuǎn)臺的目標溫度T4—從RH到連鑄回轉(zhuǎn)臺吊運過程溫降T5—RH處理過程溫降（T5=T標+T補）T標—RH處理過程標準溫降T補—RH處理過程補正溫度（c）轉(zhuǎn)爐工序溫度制度TLD=TR+T6+T7式中：TLD—鋼包目標溫度TR—RH處理前目標溫度T6—從轉(zhuǎn)爐到RH吊運過程溫降T補—鋼包狀況補正溫度.3液相線溫度計算連鑄的過程實際上就是鋼水在一特定時間內(nèi)完成由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟倪^程，因此準確知道某鋼種的液相線溫度（即開始凝固溫度），對理想地完成這個過程十分重要，同時它又是確定中間包溫度的基礎。鋼的液相線溫度在冶煉和澆注過程中是一個關鍵參數(shù)，是保證鑄坯內(nèi)部質(zhì)量（特別是中心偏析、夾雜物）和穩(wěn)定澆鑄操作的基礎。對連鑄而言，鋼水澆注時中間包溫度是由鋼液的液相線溫度和過熱度兩方面決定的，用鋼種的液相線溫度可以計算澆鑄溫度，而且其它重要的溫度如出鋼溫度、鋼包溫度、二次精煉后溫度都是在此基礎上進行推算的。根據(jù)鋼中元素含量可以計算出該鋼種的液相線溫度值。RH合金化與成分調(diào)整在真空脫氣處理過程中進行合金元素的添加，不管用散裝料還是用塊狀料，與轉(zhuǎn)爐出鋼或鋼包吹氬攪拌情況的合金添加對比有以下優(yōu)點：●合金基本不和渣反應●合金直接加入鋼水，合金收得率高●鋼水能快速均勻混合●合金成分可以控制在較窄的范圍.1鐵合金質(zhì)量管理（a）鐵合金種類及成分在脫氣處理中，添加的合金種類隨處理鋼種所要求成分的不同而不同，添加合金的目的是為了調(diào)整鋼水中的合金成分以滿足鋼種的目標要求。（b）鐵合金粒度鐵合金的顆粒度根據(jù)鐵合金的比重有所不同，顆粒度過小易被真空抽走進入排氣管道，顆粒度過大則不易溶解。（c）合金干燥合金添加到真空槽內(nèi)和轉(zhuǎn)爐出鋼時添加到鋼包兩種情況下，鋼水中的氫分壓是不同的，雖然在真空處理過程中添加大量的合金增氫不多，但一定要保證合金的干燥，以防止合金含有的水分對氫含量的影響，含水分的合金有的可能會造成精煉終點氫偏高，甚至出格。.2鐵合金收得率及加入量真空槽內(nèi)基本上無鋼包渣，同時槽內(nèi)為非氧化性氣氛，因此在RH處理過程中能得到較高且較穩(wěn)定的合金收得率。但還需考慮進入鋼水中的其它氧源，如部分鋼包渣、鋼包的耐材、槽內(nèi)氧化性冷鋼等對合金收得率的影響。除此之外，小顆粒合金材料在真空排氣過程中容易從排氣管道被抽走從而降低其收得率。因此，為了防止被吸入排氣管道，必須保證合金一定的顆粒度，特別是對于比重較輕的合金材料如碳和鋁合金。針對完全脫氧鋼而言，RH合金添加時合金的參考收得率可以參考表4-1：表4-1主要合金RH收得率合金名稱RH收得率（%）HC