RH真空爐在鋼鐵精煉中的應用及維護

王志鵬

摘要：本文結合實際應用總結了近些年來RH二次精煉技術的發展及應用，并且指出了未來RH真空精煉技術的主要發展方向和趨勢，RH精煉技術主要包括深度脫碳、脫硫、除氣、脫磷、除氧，取出夾雜物、熱補償等幾個方面，未來RH精煉爐的發展方向是將吹氧、噴粉和加熱進行一體化設計。在此基礎上進而闡述了RH真空精煉的發展和設備維護。

關鍵詞：RH法；真空精煉爐；二次精煉；設備維護

1.前言

RH精煉全稱是RH真空循環脫氣精煉法，起源于上世紀五十年代末德國，由Rheinstahl和Hutlenwerke公司聯合研發的；而真空技術真正在煉鋼上的使用是在1952年，目的是為了解決含硅量2%的硅鋼在澆注時產生的冒渣現象，研究發現鋼中含有的氫和氮是產生冒渣而無法完成澆注或軋制產生廢品的主要原因。

由于KH法具有處理周期短、生產能力大、精煉效果好、易操作等優勢已發展成為潔凈鋼生產的重要工藝。迄今為止，RH精煉技術主要經過了三個發展階段：

1）發展階段（1968-1980）：這一時期，RH真空精煉技術在世界各地有著廣泛的應用，數據顯示截止到上世紀70年代共計投入RH設備488臺套，隨著轉爐煉鋼技術的進步，RH也實現了大型化，其中最的RH精煉設備為360噸。

2）RH精煉技術多功能化時期（1980-2000），在這一時期RH技術主要實現了工藝參數的優化，脫硫、脫磷技術的擴展，并且開發了RH熱補償和升溫技術，進一步完善了氫的處理技術。

3）高純碳鋼的冶煉技術（2000年至今），在這一階段RH技術主要實現了鋼水靜壓力技術的克服，進一步提高了熔池脫碳技術，最早采用的技術是向鋼水中吹氫，進一步通過微氣泡提高脫碳的反應面積，實現深度脫碳。

2.RH精煉技術

RH精煉技術主要包括五個方面的工藝內容：真空脫碳、脫硫與脫磷、脫氧與夾雜物上浮、脫氫與脫氮、熱補償工藝。這五個方面的工藝技術對于RH精煉效率和鋼材質量有著重要影響，因此需要不斷進行探索和研究。

真空脫碳：雖然RH精煉中各種化學反應的速度取決于金屬側各元素的傳質系數，但是提高循環流量和體積傳質系數、提高抽氣速率、吹氧和改變吹氬方式可以提高脫碳效率。

脫硫與脫磷：傳統的RH精煉技術主要包括脫碳和脫氣，采用PB噴粉技術后，可以在RH設備內進行渣一鋼反應，實現脫硫和脫磷的目的。

脫氧與夾雜物上浮技術：RH精煉主要采用鋁進行脫氧，使脫氧夾雜物多為細小的A1203。

脫氫與脫氮技術：RH脫氫速度很快，如果采用RH噴粉工藝，由于鋼水中彌散著大量細小的固體顆粒，能夠大大增強鋼水中氣泡異相型核，利于脫氫反應；鋼水脫氮速度不決定于鋼水中氮的傳質系數，主要取決于界面化學反應速度。

熱補償工藝：RH處理過程中鋼水溫度會有所下降，下降量與鋼包容量有關，因此采用熱補償工藝可以彌補RH處理過程中的溫度損失，目前常用的熱補償方法主要有：RH-OB法（依靠吹氧進行化學升溫）和RH-KTB法（采用吹氧脫碳和二次燃燒技術）。RH-KTB法能夠精確控制吹氧量和吹氧時間可以避免鋼水過渡氧化，并保證精煉鋼水的潔凈度。

3.RH精煉裝備技術發展及維護

為了保證RH精煉設備的生產效率并縮短處理周期，RH裝備技術需要在以下幾個方面進行改進和優化，主要集中在生產裝備技術的改進和設備的維護。

3.1RH高效化生產裝備技術

提高真空室的高度：數據表明，1957年-1987年，RH真空室的高度從5m上升至10m，這樣做主要能夠為精煉反應速度提供足夠的反應空間；保證真空條件下吹氧和二次燃燒；改善真空室內部的工作條件，尤其是上部空間，從而減少結冷鋼。

增大鋼水的循環流量：鋼水的循環流量決定了RH的反應速度，而流量與下降面積成比例的，可以通過增加浸漬管或者采用橢圓形浸漬管以及增加下降管的面積等一系列措施能夠有效解決鋼水的循環流量，提高RH反應速度。

提高抽氣能力、增大吹氬量并優化吹氬工藝：改進蒸汽噴射泵不僅能夠降低能耗還能夠改善冷卻效果增大抽氣能力，使得脫碳時間大大降低，研究表明，吹氬量的增加RH脫碳的體積傳質系數也會相應的增大，脫碳效果也越好。

增加多功能吹氧槍：RH一般采用頂部吹氧工藝，一方面提高了脫碳速度，另一方面可以大大降低真空室上部耐火材料壁面溫度，防止鋼水結瘤。采用RH噴粉工藝能夠促進鋼水脫磷、脫硫實現鋼的精煉，并且提高了RH脫氣能力。

3.2RH裝備維護

定期點檢和維護能夠提高RH真空室的使用壽命進而提高RH作業率和處理能力。

真空室的維護和改進：除了日常保養維修外，將真空室頂部的結構進行改進，修改為圓頂，壽命大大提高，比原先處理量提高了近7萬噸；

提高耐火材料的抗侵蝕能力：可以對RH底部槽的耐火材料進行材質優化，通過改進Cr/MgO的混合率，能夠制造出不同耐火磚型。進一步進行抗熱震（極冷極熱）試驗后選取合適的耐火磚，通過耐火材料的優化，并且結合高效化RH生產工藝和終點控制技術，從而實現了RH處理周期的縮短；

定期維護RH浸漬管：真正影響RH使用壽命的環節往往是浸漬管，研究發現導致金子管損壞的主要原因是內部耐火材料鋼殼溫度過高造成的，超過1000qC后往往會導致鋼殼的膨脹變形，使微裂紋變大，當值耐火材料層產生縱向裂紋，越大直徑的浸漬管，由于鋼殼變形所導致的裂紋開裂更大，最終會導致耐火層產生剝落，是浸漬管失效。最容易產生裂紋的位置在耐火材料曾和打結層，一旦進入鋼水就會導致浸漬管壽命降低，因此采用兩個浸漬管輪流修補和交錯耐火磚型以及MgO材料噴補技術，能夠大大提高使用壽命，除此以外，還需要對于浸漬管進行霧冷，這樣能夠使浸漬管的變形量減少10mm，且表面應力為壓力。

3.3RH高效精煉控制技術

為了實現高效化精煉，本公司對于3號RH系統（年產量為40萬噸）控制技術進行了研究分析，主要實現鋼水中碳含量、RH作業率和終點精度的控制技術，從而開發出了一種RH在線動態監控系統。該系統包括以下幾個重要的組成部分：

1）取樣系統：該子系統的作用就是保證從RH設備廢氣中連續不斷的抽取樣本至分析器中，系統壓力約為0.01乇，RH系統進行真空脫碳時的壓力為15乇（5min），十分鐘后變為1乇，較高的真空度是保證氣體樣本獲得的重要前提。

2）分析系統，采用質譜儀每6秒就會將廢氣中的CO、CO2、N2、O2以及惰性氣體進行數據分析，并進行保存，并且能夠時刻校準不同成分氣體的相對含量；

3）數據采集系統：RH真空精煉設備工藝參數控制器采用的是16bit的多路模數轉換器，通過串口通信的方式傳輸到控制器和計算機；

4）操作控制系統：能夠根據所采樣的成分變化進行模型計算并且對于熔池中的含碳量和溫度進行預報，并且可以進行遠程控制，保證了操作人員的安全性。

4.結論

1）經過近半個世紀的發展和進步，RH真空精煉技術已經得以完善，未來該技術的主要發展方向是功能期權化、高效化和高服役周期；

2）RH真空精煉技術的主要有工藝有：真空除氣與超低碳、超低氮鋼精煉、噴粉脫硫、脫磷技術、脫氧與夾雜物上浮技術以及吹氧熱補償技術；

3）RH真空設備技術發展和設備維護的關鍵是在于研究開發多功能的噴氧槍，實現吹氧、噴粉以及熱補償的功能一體化，從而實現高效化生產和設備高服役壽命。