世界最早最先进的RH法真空脱气工艺

RH法真空脱气工艺
RH法是德国鲁尔钢铁公司（RuhrstahlA·G）和海拉斯公司（HeraeusAG）两家公司57年共同发明的，故简称RH法。第一台RH设备1959年在德国Thyssn(蒂森)公司的Hattingen厂建成。日本也是较早重视RH法发展的国家，1963年新日铁公司建成世界上第二台RH设备。现在日本五大钢铁公司（新日铁、住友、钢管、神户、川崎）转炉钢水的RH处理比率70％以上。RH法近十几年来在我国发展也很快，我国的一部分钢厂也选用了RH装置，大冶钢厂1968年投产第一台，宝钢分别于1985年和1999年投产了两台RH装置，武钢分别于1979年至1990年投产了四台RH装置，最大容量是宝钢1985年12月投产的一台300吨RH装置。
RH真空处理工艺以其操作简便、处理量大、生产效率高的特点不断发展，在原来脱氢的基础上又开发了脱碳、脱氧、吹氧升温、喷粉脱硫和成分控制等功能，使改进后的RH法能进行多种冶金操作，使其发展成为多功能的真空精炼方法，RH法的功能和精炼的钢种范围不断扩大，更好地满足了钢种和提高钢材质量的要求。尤其适合和现在的连铸法配合使用，由于连铸法铸出的钢坯凝固速度快，不利于夹杂物上浮，所以对钢水的洁净度要求更为严格，同时连铸的操作时间长并连续进行，对钢水的成分均匀性要求也较高，RH精炼法正好满足了这些要求。因此，RH精炼技术已经越来越重要，在炉外精炼中逐渐占主导地位。被人们公认为是最优秀的钢液真空精炼方法。
RH法的冶金功能
早期RH真空精炼是以脱氢为主要目的而发展起来的，随着RH真空精炼的实践和RH真空精炼技术的发展，它的冶金功能得到充分的发展，扩展到十余项冶金功能如图所示。
RH法的设备
RH法的设备由脱气主体设备、水处理设备、电气设备、仪表设备所组成。而主体设备又由如下设备构成：真空室及附属设备、气体冷却器、真空排气装置、合金称量台车及加料装置、真空室移动台车、真空室固定装置、真空室下部槽及浸渍管更换台车及专用工器具、浸渍管修补台车、电极加热装置（煤气加热）、钢包液压升降装置、钢包台车、测温取样装置、脱气附属设备、管道设备等。
一、RH真空室及附属设备：
真空室是进行钢水脱气处理的真空容器，包括真空室、排气口切断阀以及回转式窥视窗，真空室安放在真空室移送台车上。
（1）RH真空室构造：RH真空室形状如图3-2所示，真空室外壳为钢板围焊成的圆筒状结构，内衬耐火砖。真空室下部有两根用耐火材料制成的可以插入钢液的浸渍管，也称升降管，其中一根为钢液的上升管，另一根为钢液下降管，浸渍管的上半部外侧为钢管结构。真空处理时钢液沿上升管进入真空室，沿下降管返回钢包。真空室中部有加热孔，上部有连接真空泵抽气孔，顶部为合金添加孔，可以在真空状态下向真空室内加合金。RH真空精炼过程的冶金反应主要在RH真空室内进行，因此，熔池反应的表面积决定了RH真空精炼冶金反应(如RH真空脱碳反应)的反应速度。随着初炼炉的容量的不断增大，RH真空室的直径与高度也逐步增大和增高。
排气口切断阀的作用是为了防止真空室移动时真空室内热气向外扩散。窥视窗用于监视真空室内钢水环流状态及合金投入状况。
（2）气体冷却器:由排气口伸缩接头、中间管道、气体冷却器、切断阀箱、联络管所组成。在真空室内，从钢水中抽出的排气通过排气口伸缩接头、中间管道导入2台气体冷却器。排气通过气体冷却器时降低了温度，另外捕集了灰尘。接着排气经过切断阀箱、联络管被导入真空排气装置。切断阀箱是切断真空室和真空排气装置的设备。当真空室采用氮气进行复压时，关闭切断阀箱即可保护N2氛围并捕集灰尘。
（3）真空排气装置:主要有蒸气增压泵、蒸气喷射泵，并附带起动用蒸气喷射泵、冷凝器、雾滴分离器、密封水槽组成。蒸气通过增压泵及喷射泵的喷嘴的时候，即将蒸气的压力能转变为动能，从而高速喷射的蒸气抽吸在真空室内所产生的排气，依靠冷凝器将蒸气进行凝缩，然后被下一级喷射泵再次吸入，反复多次后用雾滴分离器除去水份后排入大气。在冷凝器里使用过的冷却水汇集在密封水槽内，再用返送泵送往水处理设备。另外，混入在冷却水中的排气可从密封水槽通过排气配管排入大气中。
排气时间：当真空室内耐火材料完全干燥，系统漏气量（换算为常温空气）在15kg/h以下时，从大气压力下降至1Pa的时间在5分钟内。
到达真空度：0.1Pa以下。但是抽气量（换算为常温空气）为100kg/h的时候。
蒸气：最小0.7MPa饱和蒸气（在B泵E泵的喷嘴前）
冷却水：压力0.2MPa以上，温度：最高33℃
（4）驱动气体的进气方式RH真空精炼过程中，为了使钢液循环，需向上升管内的钢液中输送驱动气体（一般为氩气）。输送驱动气体的喷嘴的结构和位置对钢液的循环特性有影响，因此，要求气体喷嘴结构设计和材质选择上要合理。最初采用的是多孔扩散环。扩散环一般采用高铝耐火材料，在1600oC以上烧成，孔径为2mm，其特征是：孔径太小，加工困难，使用寿命短，喷孔容易堵塞，需拆掉插入管才能更换扩散环。后来扩散环改进成环形板，此时两板缝隙形成进气环。其特征是加工工艺较多孔扩散环容易些，但因为环形砖较薄(厚度为20mm)，在烧结过程中容易变形。
现在多使用在上升管的衬砖内埋设钢管的喷嘴结构，围绕上升管圆周布置单层若干个喷嘴，如图3-3所示。喷嘴在上升管高度方向上的位置对钢液循环流量有较大的影响，喷嘴位置越低，钢液循环流量就越大。如果喷嘴位于上升管高度的中间，则钢液循环流量仅为喷嘴位于液面时的三分之二。因此喷嘴应尽量布置在靠近钢水的一侧，让上升管充分得到利用，这样少量的驱动气体可以得到大的循环量，但由于耐火材料方面的原因，不能将喷嘴位置布置的太低。一般情况下喷嘴应布置在上升管底部的三分之一处。
二、真空室的预热方式
为了减少精炼脱气过程中的钢液温降和防止喷溅钢液滴粘结在真空室内壁上，保证RH真空精炼的顺利进行，RH真空室不但要对新砌筑的真空室预热干燥，并且要处理前将真空室预热到一定的温度，而且要在精炼的间隙时间及其精炼过程中对RH真空室进行加热保温，使RH真空室内衬的温度基本保持不变，从而减少精炼过程中钢水温度的损失，并使钢水成分稳定。
生产实践证明，为了防止在真空室内形成结瘤，真空室内衬的温度应保持在1400oC以上。否则，在内壁上易形成结瘤使真空精炼不能顺利进行。真空室内出现结瘤时，真空度产生波动，增加合金的消耗量，并影响钢的成分和温度的控制。
RH真空室的热损失主要是抽气口的辐射热损失、真空室外壳的散热损失、循环管的热损失和提升气体的热损失与冷却水的热损失等。其中抽气口和外壳的散热损失约占其总热损失的70％。真空室的热损失是不可避免的。为此，就必须采用适当的加热措施来补偿这种热损失。为了减少抽气口的辐射热损失，为了防止真空室移动时真空室内热气向外扩散，设置排气口切断阀。为了加强切断阀的隔热作用，挡板上有复合隔热耐火材料，使热损失降低在允许的限度之内。为了减小真空室外壳的散热损失，就必须设法降低外壳的表面温度，选用隔热性能较好的耐火材料做隔热层，或是适当增加内衬厚度。不管采取什么样的措施，真空室的热损失是不可避免的。为此，就必须采用适当的加热措施来补偿这种热损失。
目前真空室的预热方式有两种，通过位于真空室中部的加热孔喷入气体（煤气居多）或者液体燃料加热方式和插入石墨电极加热或者两者配合使用。
（1）煤气预热方式
采用气体或液体燃料通过预热孔喷入燃料燃烧的方式，这种系统一般是用来烘烤真空室的内衬。采用煤气预热系统其优点是结构简单、节省电能，与电能相比，燃气是比较便宜的能源。因此，这种预热方式比较经济。但是，处理过程中及间隙时间(短时)不能加热，因而真空室的温度不稳定；加热过程中真空室处在氧化气氛，会氧化残钢，形成流渣，侵蚀耐火材料，并影响钢水成分的控制及钢水的质量，真空室温度低，易形成结瘤。
（2）石墨电极加热系统
德国迈索公司所承建的大部分RH和RH－0B装置，都采用石墨电极加热系统加热真空室。一般是采用直流电，也可采用交流电。当需要对真空室加热时，将石墨电极通过加热孔插入真空室内进行加热。输入真空室的功率与石墨电极的物理状态有关，如石墨电极的直径、长度和电流密度。采用石墨电极加热的缺点是生产费用较高。
目前广泛采用煤气预热和电极加热保温方式，其优点如下：
①处理过程中及间隙时间可以加热保温；
②加热温度高而且稳定；
③真空室在加热过程中为中性气氛；
④可以减少过程温降，提高耐火材料使用寿命，从而提高RH设备的作业率。
三、铁合金称量和加料装置:
随着RH真空精炼冶金功能的发展，转炉炼钢脱氧合金化和成分微调的任务转移到RH真空精炼炉来完成，因此要求RH配备一套完整的合金加料系统。其控制部分已发展到用计算机控制加料的配料、称量、添加的全过程，有的用计算机控制RH真空精炼的全过程。
RH真空精炼过程中钢液在真空室和钢包中得到强烈搅拌，对合金加料和混匀非常有利。为了完成脱氧合金化及对某些成分进行微调，要求合金加料系统能够准确、迅速、均匀地将所需合金加入到钢水中。
合金加料系统主要由高位料仓、合金切出装置、合金称量装置以及合金加料装置所组成。合金料由自卸汽车运到供料站，经斗式提升机及皮带运输机装满高位料仓。料仓分为三组，其中两组料仓下设称量斗，均装有电子秤，一个称料斗供称量少量的铁合金(微调用)，另一个称量斗则供称量大量铁合金之用。废钢、铝和碳分别装入另一组料仓，经电磁振动给料器或旋转给料器加入真空室。
在铁合金料仓的下部设置有合金切出装置。在此装置上设有可以调节下料量的滑动闸板及电磁振动给料器。排放出的合金投放在称量台车上，依靠它称出规定数量的铁合金。称好的合金移送到斜皮带机上，然后利用皮带输送机投加到合金加料斗内。称量台车、斜皮带机、加料斗分为两条加料系统。无论哪台称量台车发生故障时使用另外一台也能进行合金称量。投放在合金料斗内的铁合金，利用给料仓内的电磁给料器或者旋转给料器进行排料，再通过溜槽伸缩接头、溜槽切断阀从真空室上盖投入口加入到真空室内。合金加料装置具有在钢水脱气过程中能随时投加铁合金的功能。
旋转给料器旋转给料器广泛地应用于RH真空精炼炉，其中以碳、铝添加采用旋转给料器较多。旋转给料器的结构如图3-4所示。采用旋转给料器时，事先应按照合金料的密度、粒度、测量旋转给料器在一定旋转速度下，每格(或每转)加入合金料的质量。在添加合金时，根据工艺要求，计算出需要添加的合金重量，再换算成所需添加格数(转数)，预先进行设定，即可自动加入。也有事先按工艺要求称量所需合金，装入可密封的料仓内，再在适当的时候，经旋转给料器全量加入钢水中。此种加料方法的优点是能定量均匀地将合金加入钢水中，对均匀成分有利。
真空料斗和真空电磁振动给料器合金添加装置安装在真空室的顶端，主要是一个真空料斗。真空料斗和真空电磁振动给料器的结构如图3-5所示。此种方法普遍地应用于RH真空精炼装置。脱氧合金化时，预先按工艺要求，称量需要的合金，经称量斗送入真空料斗，再将真空料斗密封好，然后抽真空，开启真空料斗的出口，将合金料卸入真空给料器上，连续均匀地将合金加入真空室中。
四、RH真空室支撑装置
RH真空室的支撑形式对设备的作业率、合金添加能力、工艺设备的布置、设备占地面积等有直接影响。RH真空室的支撑方式有真空室旋转升降方式，真空室垂直升降方式和真空室固定不动钢包升降方式3种支撑方式。
（1）真空室旋转升降形式，真空室可上下升降和左右旋转，钢包可设置1～2个精炼工位（地面或地坑）。其优点是结构紧凑，基建费用低；设备总高度低，当吊车空间受到限制时也可采用；真空室下部及浸渍管的维修操作容易，不需要吊车和特殊修理车；由于可设有两个工位，可连续处理两钢包钢水，所需设备费用低。缺点是添加合金系统与真空室连接，真空泵系统连接的管道结构复杂，需要有防止系统漏气的措施。
（2）真空室上下升降形式，真空室可上下升降，处理时用钢包车运输钢包到真空室下方，通过真空室下降将真空室浸渍管插入钢液内。其优点是当钢包容量较大时，由于用液压方式升降钢包的设备增大，所以适于采用真空室上下升降装置。可适用于当设置液压缸用地坑困难时的钢厂采用。缺点是真空室上下升降需要大的升降设备；抽气管道与真空室的结合处较复杂。
（3）真空室固定不动钢包升降形式，钢包车上装有液压升降装置或其它方式使钢包升降。处理时用钢包车运输钢包到工位后再用液压缸升起钢包将真空室浸渍管插入钢包。其优点是加合金装置和真空室结合处固定不动，操作、维护方便；冷却水，吹氩管，加热煤气管道及线路固定，便于操作和维护；抽气系统在内的全部装置固定，易于防止泄漏、维修；在真空室四周有简单固定框架，便于清理粘钢粘渣等作业。缺点是安装占用面积大，基建费用高，真空室底部及浸渍管更换、修补操作有些不便，需单独设置专用修理平车。
三种支撑形式各有其优缺点，采用何种支撑形式，应根据企业的具体情况来决定。从设备的维护、操作的稳定性考虑，采用真空室固定不动钢包升降形式的比较合适。
（4）钢包液压升降装置由液压缸、液压设备、升降框架、导轨及钢包承受台所组成。本装置为使装载于钢包台车上的钢包进行升降的装置。当满载的钢包台车位于固定的处理位置时，通过操作液压设备，地坑内的油缸在油压的作用下，随即带动升降框架一起顶升，当与钢包承受台接触后托起钢包继续顶升，直到浸渍管插入钢包液面深度达到要求时才停止顶升。在脱气过程中油压装置一直维持钢包在这一位置附近。处理结束后再次操作油压设备，降下钢包，使钢包下落到钢包台车上后油缸继续下降至停止位置。
五、RH真空室的更换形式
为了提高RH真空处理的作业率，需要有2～3个真空室交替使用，以便把使用坏的真空室更换下来维修，并及时把新的真空室换到工作位置。目前真空室更换方式可以分为双室平移式如图3-6所示，转盘旋转式和三室平移式。采用双室平移式的较多。如我国宝钢和武钢三炼钢的RH装置均为双室平移式真空室更换形式。
（1）真空室移送台车用于装载真空室，可在脱气处理工位与加热修补位置间移动。操作场所分为现场和操作室两处，采用自动和手动走行操作模式。台车上还装载着部分煤气加热设备。台车停止依靠设置在厂房平台上的行程开关。
（2）真空室固定装置为了防止真空处理过程中真空室的振动，在真空室两侧的厂房构架上共固定安装4只气动顶压装置。真空室停放在处理工位后，四只气缸通气后同时伸顶住真空室托座，即可起到固定作用。真空室在移动之前必须先缩回气缸顶头。
第三节RH法钢液真空循环原理
钢液真空循环原理类似于“气泡泵”的作用，如图3-7所示。当进行真空脱气处理时，将真空室下部的两根浸渍管插入钢液内100~150mm的深度后，启动真空泵将真空室抽成真空，于是真空室内、外形成压差，钢液便从两根浸渍管中上升到压差相等的高度（所谓的循环高度）。此时钢液并不循环，为了使钢液循环，与此同时从上升管下部约三分之一处吹入驱动气体（一般为氩气），该气体进入上升管内的钢液以后由于受热膨胀和压力降低，引起等温膨胀，在上升管内瞬间产生大量的气泡核，由于该气泡受热膨胀和压力降低而使体积成百倍的增大，钢液比重变小；又由于氩气泡内的氢气和氮气的压力为零，所以钢液内溶解的气体向氩气泡内扩散，膨胀的气体驱动钢液以约5m/s的速度上升，成喷泉状喷入真空室内。气泡进入真空室后破裂，钢液被破碎成小的液滴，使脱气表面积大大增加(20—30倍)，加速了脱气过程，气体自钢液内析出被真空泵抽走，大大的加速了脱气进程。而脱气后的钢液汇集到真空室底部，由于重量的差异，经下降管以1～2m/s的速度返回到钢包内。未经脱气的钢液又不断从上升管进入真空室脱气，周而复始，从而形成连续循环过程。如此反复循环n（2～4）次后达到脱气目的，脱气过程结束。