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RH真空精炼原理及工艺简介

孙利顺

（唐山钢铁股份有限公司技术中心唐山邮编063016）

摘 要：本文简要分析了RH真空处理的钢水循环“气泡泵”原理、真空脱气原理、真空脱氧原理、真空脱碳原理与合金化原理，介绍了本处理、轻处理、深脱碳处理等处理模式。

关 键 词：真空精炼；气体；夹杂物

1  钢中的气体、非金属夹杂物及其对钢质量的影响

钢中除了含有各种常规元素和合金元素外，还含有微量的气体(氢、氮和氧)及非金属夹杂物。由于氧在钢中与合金元素结合成各种类型的氧化物以非金属夹杂物形式存在于钢中，所以钢中的气体通常是指溶解在钢中的氢和氮，其含量大致波动在1—100ppm之间。虽然钢中气体和非金属夹杂物的含量不高，但对钢的质量和性能会产生较大影响，甚至导致钢材报废。

1．1  氢对钢质量的影响

钢中含氢有害无利，它对钢的不良影响主要表现在以下几个方面；

(1)氢脆。氢脆是氢对钢的机械性能不良影响的重要表现。随着钢中含氢量的增加，钢的强度特别是塑性和韧性将显著下降，使钢变脆，称为氢脆。氢脆随钢强度的增高而加剧，因此对高强度钢来说，氢脆尤为突出，高强度钢平均含氢量不到1ppm就可能出现氢脆。

(2)白点。氢以氢原子形式溶解在钢中，在钢液中的溶解度比在固态钢中大得多。当温度下降时，氢在钢中的溶解度降低，氢原子便扩散到显微孔隙、夹杂物附近或晶界间，结合成氢分子(2[H]={H2})。氢分子在该处不断地聚集，同时产生巨大的压力，当其聚集压力超过该处钢的强度极限时，产生裂纹，使钢的机械性能(特别是塑性)降低，甚至断裂。裂纹的部位常呈银白色圆点，称为白点。

(3)钢中含有较多的氢还会使钢锭产生点状偏析，以及使钢锭上涨或产生内部疏松。

1．2  氮对钢质量的影响

氮对钢质量的影啊表现为不良和有益两个方面。不良影响主要表现在以下几个方面：

(1)氮使钢产生时效硬化。氮在低温下它是过饱和状态，必然从钢中析出。但是钢中的氮不是以气体存在，而是呈弥散的固态氮化物缓慢地从钢中析出，逐渐地改变着钢地性能，使钢的强度和硬度增加，塑性和冲击韧性显著降低，这种现象称为老化或时效。。老化时还引起磁导性降低，电阻增大。

(2)钢中含氮是导致蓝脆的主要原因。所谓蓝脆是指在250—450℃这个温度范围内钢的强度升高，冲击韧性降低；由于钢在这个温度下加热时，表面发蓝而得名。

(3)钢液中含氮高时还会导致钢锭疏松甚至产生气泡，如果皮下气泡距钢锭表面太近，热轧时容易引起开裂使钢锭报废。

(4)在氮和氢同时存在的条件下，使氢的腐蚀更加剧烈，这是由于氮能生成比碳化物更稳定的氮化物，使碳从碳化物中分解出来。从而加快了氢和碳的反应。

1．3  氧对钢质量的影响

氧在钢中主要以FeO形式存在。氧对钢性能的影响即破坏钢锭的合理结构，降低钢的机械性能(如钢的塑性、韧性)，残留在钢中的FeO能同钢中的FeS形成910℃的低熔点共晶体(机械混合物)，分布在晶界上，从而加剧硫对钢的热脆性。

1．4  非金届夹杂物对钢质量的影响

钢中非金属夹杂物按其化学成分不同可分为氧化物、硫化物、氮化物等，而以氧化物(如FeO，SiO2，Al2O3)，硫化物(主要是FeS，MnS)以及它们组成的各种不同成分的硅酸盐等复杂化合物，占钢中夹杂物的绝大部分。按钢中夹杂物来源可分为内在夹杂物和外来夹杂物两类。内在夹杂物是钢水在熔炼和冷凝过程中物理化学反应生成的、未能从钢水中排除的反应生成物，如MnO、SiO2、MnS、TiN等，这是钢中非金属夹杂物的主要部分。外来夹杂物是在熔炼、出钢和浇铸过程中落入和混入钢水的耐火材料和炉渣(如与生铁、废钢等一起进入炉内的非金属物质)。

钢中非金属夹杂物所占数量或总体积虽然不多，但它们在钢中呈独立存在，与钢本身性质完全不同，它破坏了钢的基体的连续性，造成了组织上的不均匀，从而降低了钢的强度、塑性、韧性，使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏。

2  RH真空处理的意义

随着氧气顶吹转炉几十年的发展，该种炼钢法的生产节奏、钢的冶炼品种与质量等都己基本挖掘到极限。而现代工业的发展，对钢的产量、品种和质量等又提出了越来越高的要求，这就迫使炼钢工作者寻求新的炼钢工艺，于是产生了炉外精炼法(即二次冶炼)。炉外精炼是把由炼钢转炉初炼的钢水倒入钢包或专用容器内进一步精炼的一种方法，即把全部冶炼任务只由转炉完成的一步炼钢法，转变为转炉只承担熔化、粗脱碳、去磷、初调成分及温度等初炼任务，然后通过二次精炼，完成脱气、脱硫、脱磷、脱碳、合金微调、温度调整等功能的分步炼钢法，从而大大地缩短了转炉的冶炼周期，提高了钢的质量，并能生产出用一步炼钢法不能生产的某些钢种(如超低碳钢等)。实现了高效、低耗、优质和多品种的最佳化生产。炉外精炼法起始于二十世纪50年代初期，80年代后获得了迅速发展。

RH真空处理是众多的炉外精炼法中的一种，它是1957年由原西德鲁尔(Ruhrstahl)和海拉斯(Heraeus)钢厂联合研制的真空循环脱气精炼法，取两公司名称的首字母简称而来。

RH真空处理的主要任务是脱气，并通过钢水循环使得非金属夹杂物上浮、均匀钢水成分和温度，同时通过物料添加系统使其具有脱氧、脱碳、脱硫、脱磷、成分微调等多项冶金功能。RH工艺是与十九世纪以来迅猛发展的炼钢技术(特别是转炉炼钢)密切相关的一种二次冶金技术。

RH真空处理既是转炉充分发挥效率的可靠保证，又是为连铸提供优质钢水、稳定连铸生产的重要手段，同时在转炉与连铸之间起着重要的缓冲作用。

3  RH真空处理原理分析

3．1  RH处理原理概述

在RH真空处理装置中，钢液的真空脱气在一个砌有耐火砖衬的真空室中进行。真空室的底部有两个用耐火材料制成的可插入钢液中的插入管，将插入管插入钢液，对真空室抽真空形成负差，在大气压力的作用下使钢液由插入管进入真空室。当向其中一根插入管(上升管)中通入驱动气体(惰性气体Ar)，利用气泡泵的原理就能使钢包中的钢液上升，经真空室然后在重力的作用下从下降管回流入钢包而不断使钢水产生循环；同时，提升气体的另一个作用是使钢水在上升插入管内上升的过程中产生沸腾而大幅增加钢液与气相(上升插入管内钢水中的Ar气泡、真空室内的气体)的接触面积，由于气相中H2、N2的分压极低，溶解于钢液中的〔H〕、〔N〕便从钢液中逸出而进入气相。在钢水循环的过程中，非金属夹杂物由于浮力的作用而上浮，钢水的成分和温度场分布得更加均匀，同时通过物料添加系统加入脱氧剂、脱硫脱磷剂、合金等使其具有脱氧、脱硫、脱磷，成分微调等多项冶金功能。

3．2  钢水循环“气泡泵”原理

由于真空室内外的压差，钢水从插入管上升进入真空室内，钢水上升的理论高度约1470mm，钢水同时受上升管驱动气体(一般为氢)的作用，像喷泉一样涌入真空室。此时，真空室内的状态平衡受到破坏，为了保证平衡，部分钢水从下降管回到钢包中。就这样，钢水受压差和驱动气体的作用不断从上升管涌入真空室内，并经下降管回到桶内，周而复始，实现了钢水循环。

钢水真空循环原理类似于“气泡泵”(见图1)。当真空室底部的两个插入管插入钢水时，真空室抽成真空，大气和真空室之间形成压力差，钢水就从两个管子上升到与压差相等的高度，即循环高度B；但要实现钢水循环，还必须从上升管内输入驱动气体，驱动气体由于受热膨胀，以及压力由P1降低到P2而引起等温膨胀，即上升管内钢水与气体混合物密度降低，从而驱动钢水上升。按能量守衡定律，气体膨胀功(A气体)等于被输送钢水上升所需的功(A钢木)与钢水和气体混合物克服上升过程中摩擦阻力所作的功(A损失)之和，即：

式中  V1—驱动气体按压力P1，计算的体积，m3；

P1—驱动气体的压力，Pa；

P2—真空室内压力，Pa；

V0—准状态下驱动气体体积，m3；

T1—驱动气体的温度，K；

T2—钢水的温度，K；

R—气体常数，8．314J／(K·mol)；

A钢水=M·H·g；

式中M—从上升管进入真空室内的钢水量，kg；

H—钢水的提升高度，m；

g—重力加速度，9．81m／s2；

实际上，A损失很小，A气体右边第二项值也很小，可以忽略不计，则有：

可见，钢水的提升高度与驱动气体流量、压力和真空度有密切关系。

3．3  真空脱气原理

RH脱气方式有三种：在上升管中，钢液向氢气泡中脱气；在真空室内，钢液通过自由表面脱气；在真空室内氢气泡的破裂使钢水呈飞散的液滴而进入脱气。气体在钢液内的溶解度与系统的压力有关，氢和氮在钢中的溶解度服从平方根定律，即

冶金过程的各种化学反应都向平衡态方向自发进行。气体在钢中的溶解与化学反应相似，抽真空降低系统内的气体分压Pe和PN，将引起平衡移动，使钢中的气体含量[H]和[N]降低。所以要达到一定的脱气效果，就得造成一定的真空度。

溶解在钢液中的气体向气相的迁移过程由以下步骤所组成：

(1)溶解在钢液中的气体原子通过扩散和对流迁移到钢液—气相界面；

(2)气体原子由溶解状态转变为表面吸附状态：

(3)表面吸附的气体原子彼此相互作用，生成气体分子：

(4)气体分子从钢液表面脱附；

(5)气体分子扩散进入气相，并被真空泵抽出。

在炼钢温度和一定真空度下，步骤(2)、(3)、(4)、(5)进行的相当迅速，脱气速度主要取决于步骤(1)，即溶解在钢中的气体原子向液一气相界面的迁移。因此，在抽真空的同时应加强钢液搅拌，加快脱气过程。

3．4  真空脱氧原理

在常压下碳的脱氧能力很弱，必须使用强脱氧剂(Si、Al等)脱氧，在真空条件下，碳的脱氧能力显著提高，因为碳氧反应生成CO气体，其反应式为：

[C]+[O]=CO

抽真空降低系统内CO的分压PCO，使化学平衡向着生成CO的方向移动，增强碳的脱氧能力，钢中的碳和氧含量降低。在真空条件下，碳的脱氧能力达到和硅、铝相当的水平，并且碳的脱氧产物为CO气体，可以从钢液中排除，不会形成非金属夹杂物滞留在钢中影响钢的质量。CO气体上浮过程中搅拌钢液造成沸腾，对脱氢和脱氮创造更为有利的条件。

总之，利用真空处理，可以使己经达到平衡的脱气、脱碳和脱氧反应继续进行，从而提高钢的质量。真空度越高，各项反应的气体分压越低，反应进行的越充分。

3．5  真空脱碳原理

当钢水中碳的质量分数小于0．015％时，利用转炉或电炉冶炼再降低碳含量己不可能，而现在利用RH真空脱碳使其成为可能，可使钢水中碳的质量分数降到0．002％以下。真空条件下，脱碳与脱氧是相互联系的，其区别在于；利用碳脱氧和利用氧脱碳。真空脱碳是利用钢水中氧或真空下吹氧得以实现。当碳的质量分数为0．03％~0．05％时，在未合金化的钢水中，溶解氧足以把碳降低到一定水平。处理后碳含量与处理前碳含量和处理时间是相关的。驱动气体的作用在于加速碳、氧反应，提高脱碳速度和缩短处理时间。在整个处理过程中，氧含量应保持足够高的水平。

3．6  合金化原理

据放射性同位素的研究结果，当在真空室内添加相当于钢水量0．5％的合金时，只需半个循环，其合金元素在钢包中就可混合均匀。一般来讲，混合状况的好坏取决于如下因素。

(1)合金添加速度。添加合金时必须对添加速度进行控制，否则短时间内加得过多，会造成钢水温度的降低使环流破坏或形成合金元素分布不均匀，一旦分布不均匀，短时间内难以使之混合均匀。加得太慢又使加料时间过长，对生产不利。最大的添加速度取决于RH的钢说循环流量。一般为钢水循环流量的2％~4％。

(2)添加角度。真空条件下合金的添加是通过真空室内壁上一个倾斜的溜槽进行的。合金在真空室内的最佳落点应在上升管附近，因为该处钢水运动剧烈，最有利于合金在钢水中的混合。

(3)合金粒度。RH真空处理用合金，其粒度的大小由以下因素确定：其一有利于合金在钢水中的混合，过大的合金，由于RH真空处理时温度比转炉出钢时低，则难以熔化，从这个意义上讲，颗粒小的合金是有利的。但RH真空处理又有其特殊性，它在真空室内受被抽气体的影响，颗粒小的合金易被气流带走，甚至进入粉尘分离器中，特别是在RH真空处理前期，钢水中气体发生量大，更易将小颗粒合金抽入真空管道，从而影响成分命中率，对真空管网带来损害。一般RH真空处理用的合金粒度以3~15mm为宜。

(4)合金本身的理化性质。合金本身的熔化性能、氧化性能、合金化时的吸热与放热、挥发特性、扩散与传质特性及其密度，对合金的均匀化都有影响。由于RH真空处理是一个降温过程，处理时间都有严格的限制，因此合金的种类、添加地点、数量及合金化时间，都要跟据合金本身的理化性质合理选择，才能确保合金化的均匀性。

(5)均匀化时间。合金化主要在RH处理后期进行。当最后一批合金加入后，究竟循环多长时间才能保证合金元素的均匀性呢?最精确的方法是通过放射性同位素(Ri)来确定各种合金元素的均匀化时间。而在实际生产中，通常按下式确定均匀化时间：

t=2W/U

式中t—均匀化时间，min；

W—水量，t；

U—钢流循环量，t／min。

3  RH精炼工艺及操作

RH设备和操作随着实际应用不断发展，从单一的脱氢处理发展为充分利用真空下的碳氧反应，于是出现了轻处理、本处理、深脱碳等处理方式。

3．1  RH轻处理模式

(1)轻处理的目的

利用真空状态下的碳氧反应可使钢水中碳和氧同步下降这一原理，转炉在生产低碳铝镇静钢时适当提高终点碳，出钢时钢包内按沸腾钢脱氧强度脱氧，这样渣中氧化铁降低，金属收得率提高，停吹时钢水残锰提高，并可用高碳锰铁代替中碳锰铁。通过RH轻处理，使碳、氧同步下降，减轻了转炉脱碳负担，其脱氧产物(一氧化碳气泡)不污染钢水，而且上浮过程中使钢水纯净度大大提高，最后仅用少量铝终脱氧，铝收得率高达70％以上而且十分稳定钢水纯净度的提高，消除了连铸堵水口事故。

(2)轻处理的操作要点

-轻处理是在67~266mbar的低真空度下对钢水温度、成分进行调整，根据真空槽内钢水沸腾情况适当调整真空度；

-环流气体流量由小(最大流量的60％)到大(最大流量的80％)；

-当真空槽内钢水沸腾情况逐渐微弱时加铝终脱氧，加铝后钢水继续环流3分钟以上；

-低碳铝镇静钢轻处理中的脱碳量约为0．04％，当转炉出钢[C]过高时，可以用顶枪吹氧脱碳。

3．2  RH本处理模式

(1)本处理的目的

RH脱氢处理是RH最传统最成熟的处理工艺，又称本处理。本处理的操作是在0．67mbar的真空度下，使钢水以最大环流速度处理一定时间，使氢降到2ppm以下。

(2)本处理的操作要点

-钢包应连续使用5炉以上，出钢时耐材表面温度应在1000℃以上；

-处理前钢水成分在目标成分中下限，钢水温度不可过低；

-真空槽和浸渍管应处理3次以上，才能进行本处理；

-真空泵启动后应在4分钟内达到工作真空度，应采用预抽真空方式；

-处理前要检查设备、顶枪、各密封圈的冷却、法兰等不得有漏水；

-合金微调后继续在最低压力下处理5分钟以上。

3．3  RH深脱碳处理模式

(1)深脱碳处理的目的

具有优异深冲性能的高品质冷轧薄钢板是最主要的高附加值产品，而钢中固溶碳量严重影响冷轧钢板深冲性能。同样，碳在高牌号无取向电工钢中也是导致磁性能恶化的主要元素。因此，要求RH处理要在尽可能短的时间内把W(C)降至很低范围(30ppm以下)。

(2)深脱碳处理的操作要点

-确保最大的环流速度，即浸渍管及真空室状况良好；

-不得使用含碳钢包覆盖剂；

-要求转炉控制好出钢温度，尽量避免RH升温造成处理时间过长：

-采取措施消除真空槽壁凝结的冷钢，或处理超低碳钢前3炉不处理中高碳钢，而应处理低碳铝镇静钢。

4  结论

RH真空处理功能强大，已经成为生产不同纯净钢种必不可少的炉外精炼方式之一。

参 考 文 献：

[1]   张春霞，刘浏，杜挺．RH-KTB及其RH真空精炼方法，炼钢，1996，12(1)：53～59

[2]   徐曾启，炉外精炼冶金工业出版社1994．6

[3]   张鉴，炉外精炼的理论与实践1999．