高效率低成本的RH生产技术

付中华 刘向东 艾磊 吴令 行开新

RH真空精炼具有脱碳、脱氧、喷粉脱硫、脱氢、脱氮，以及温度和成分调整等冶金功能，是生产洁净钢、高品质钢种的重要工序，可以大规模生产轴承钢、齿轮钢、帘线钢、优质弹簧钢、石油套管、不锈钢等高品质高附加值钢种。

RH生产过程主要包括脱碳、脱氧、升温、脱气、合金化。其中，脱碳、脱气速率对RH生产周期有很大影响。真空度对脱碳和脱气反应有较大影响，热力学上影响脱碳和脱气的可行性，真空条件使钢液反应热力学条件充足，而RH钢液循环流量影响钢水反应动力学条件，两者结合，钢液脱碳、脱氢等反应容易发生。

钢水循环流量是指单位时间内循环进入真空室的钢液重量，该指标对脱碳、脱气速率有非常重要的影响。一般钢水循环流量越大，反应动力学条件越好，脱碳、脱气反应速率越快。影响环流量的因素包括环流气流量，浸渍管内径，真空槽内压力。

RH高效率、低成本、精细化生产是未来冶炼优特钢等高附加值钢种的发展方向。以下主要介绍RH高效、低成本生产技术，包括氩氧共吹循环驱动工艺技术、一体式浸渍管技术和RH冶金生产模型。

氩氧共吹循环驱动工艺技术

传统RH精炼使用的钢液循环气体为氮气和氩气，两者相互切换：RH待机时应用氮气吹入循环气体管道，防止管道堵塞；RH处理时应用氩气对钢液进行驱动循环，保证温度和成分的均匀化。其中，氩气消耗与氩气流量有关，钢液循环速率也与氩气流量有关。氩气流量越大，钢液循环速率越快，氩气消耗越大。因此，氩气消耗与钢液循环速率（RH冶炼效率）成为一对技术矛盾。另外，传统RH精炼利用顶枪吹氧进行脱碳和升温，氧气利用率较低。再者，脱碳速率是影响RH冶炼周期的重要因素，提高脱碳速率有利于RH冶炼效率的提高。

采用氩氧共吹循环驱动工艺技术，可以提高氧气利用率，减少氩气消耗，增强循环效果，降低冶炼成本。

该生产工艺的具体步骤如下：步骤一，在RH处于待机状态时，循环气体使用氮气吹入；步骤二，进入RH脱碳及升温阶段时，钢液循环气体可以采用氧气吹入或氧氩共吹的方式进行钢液循环；步骤三，进入RH脱氧阶段时，循环气体使用氩气吹入方式进行钢液循环；步骤四，进入RH合金化阶段时，循环气体使用氩气吹入方式进行钢液循环；步骤五，RH生产结束，进入步骤一。

进入RH脱碳或升温阶段时，由于循环气体加入氧气后与钢液中的碳或铝发生反应，氧气直接与钢液接触并发生反应，氧气利用率比顶枪吹氧的氧气利用率有所提高。而且在脱碳阶段，氧气作为循环气体与钢液中碳反应生成CO，1Nm3O2反应生成2Nm3CO，体积膨胀了一倍，有利于钢液的循环，增强了钢液的提升能力，加快了RH脱碳速率，缩短RH生产时间，有利于低碳钢和超低碳钢种的生产。同时，该工艺技术由于氧气替代或部分替代吹氩量和顶枪吹氧量，降低了氩气的消耗，提高氧气利用率，同时降低氧枪操作频率，甚至无需顶枪吹氧工艺，简化了生产装置与工艺。而且该工艺技术使用吹氧驱动钢液循环工艺使RH脱碳高效率进行，在转炉出钢时可以提高转炉终点碳含量，有利于转炉终点合金收得率的提高。

该技术也适用于单嘴精炼炉冶炼，对于炼钢生产有如下好处：一是提高氧气利用率，减少氧气和氩气消耗，降低冶炼成本；二是增强钢水循环效果，提高脱碳速率，减少冶炼时间；三是有利于生产低碳和超低碳钢种；四是减少氧枪操作，降低氧枪使用频率，延长氧枪寿命；五是当脱碳需求量不太大时，可以替代和去除顶枪吹氧工艺，简化工艺和设备系统；六是非常适用于VD改造RH精炼项目，改造时无需增加氧枪设备；七是有利于钢水在转炉进行高碳出钢作业，提高转炉终点合金收得率。

RH一体式浸渍管技术

浸渍管直径越大，单位时间内的钢液循环流量越高，传质效果越好，脱碳、脱气等反应速率越快。由于RH处理时，浸渍管需插入钢液内部，浸渍管受钢包直径限制。浸渍管分为上升管和下降管，两管道之间留有一定的缝隙，该种分体式浸渍管没能充分利用管道空间，浸渍管内径较小，如图1所示。一体式浸渍管将上升管和下降管连接起来，并缩小内管耐材厚度，使浸渍管内径增大，如图2所示。浸渍管内径由500mm增大到600mm，同等条件下（环流气流量和真空度相同），钢水循环流量提高了27.5%。

传统浸渍管与一体式浸渍管的浸渍管内径及钢液循环流量对比如表1所示。

内径越大，钢液循环流量越大，脱碳、脱气反应速率越快，RH生产效率越高。某钢厂2015年120t RH投产，由于钢包属于瘦长型钢包，钢包内径小，限制了浸渍管内径的设计尺寸。传统浸渍管内径设计仅为370mm，使用一体式浸渍管后，内径设计达到450mm。循环流量在不增加提升气流量的情况下，提高钢水循环流量29.8%，脱氢处理时间从保证值要求的20分钟缩短到12分22秒。

RH冶金生产模型

RH冶金生产模型包括静态计算模型和动态预 模型，详见图3。

如图3所示，静态计算模型包括静态脱碳模块、静态升温模块和合金成本优化模块，不同模块的计算功能不同。静态脱碳模块：计算脱碳吹氧量、脱碳时间、脱氧加碳量等。静态升温模块：计算脱氧剂量、升温用铝量、升温吹氧量等。合金成本优化模块：计算各种合金（如硅铁、铬铁、锰铁等）的加入量、合金成本等。

在获得钢水初始化学成分、温度、设备状态等信息后，工作人员启动静态模型计算以指导操作工生产。

动态预 模型包括动态碳氧预 模块、动态温度预 模块、动态脱气模块及动态成分预 模块。动态预 模型用于预测当前时刻碳、氧、锰、氢等成分及钢液温度的数值。动态模型在炉次生产开始后预测各变量随时间变化的趋势，根据操作工实时操作情况实时预 当前时刻各变量数值。

某钢厂210t RH冶金生产模型应用结果的数据如表2所示。从表2可知，RH生产过程中预 值与实际值误差较小。应用RH冶金生产模型可以减少RH生产成本，稳定生产质量，具有以下优点：

一是合金成本优化模块应用成本最优算法，以合金成本最低来优化组合合金类型及重量，减少合金消耗，使合金加入成本最低。

二是氧预 模型及温度预 模型的应用可以减少定氧定温次数，减少定氧和定温探头消耗。

三是碳氧准确性预 可以使操作工准确把握脱氧时机，使钢水碳准确达到目标，且使脱氧加铝量减少，减少夹杂物数量，减少铝等脱氧剂消耗。

四是实现钢水成分和温度的稳定性生产。

结论

RH是生产纯净钢、高附加值钢的重要精炼工序，高效率、低成本、精细化控制是RH的主要发展方向。

氩氧共吹循环驱动工艺技术应用氩气和氧气共吹方式驱动钢液循环，有利于增强循环效果、提高碳氧反应速率、减少氩气消耗、提高氧气利用率、降低冶炼成本。

与分体式浸渍管相比，一体式浸渍管增大了浸渍管内径，提高钢液循环流量，使RH脱氧、脱气反应速率提高，有利于RH高效生产。

RH冶金生产模型有利于钢水成分和温度的稳定控制，一方面，降低合金成本，减少定氧、定温次数，降低RH生产成本；另一方面，减少夹杂物生成数量，有利于钢水质量控制。