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今天，二級(jí)冶金單元代表了初級(jí)煉鋼工藝和液態(tài)鋼連鑄工藝之間的多功能可用的連接。真空脫氣是一個(gè)重要的二次煉鋼工藝。該工藝最初用于從鋼液中去除氫氣，但目前也用于二次精煉，并已成為日益重要的二次煉鋼工藝。較低的氫和氮含量、超低的碳含量、超低的硫含量、較低的總氧含量以及鋼的清潔度是在鋼熔煉車間安裝真空處理設(shè)施的原因。

在新建的鋼鐵廠中，真空脫氣設(shè)施被考慮并整合到鋼鐵生產(chǎn)線中。現(xiàn)有工廠也有安裝真空處理設(shè)施的趨勢，以便為鋼鐵廠提供機(jī)會(huì)，擴(kuò)大產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，更靈活地應(yīng)對(duì)鋼鐵市場形勢。

自20世紀(jì)50年代以來，一些真空技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)出來，用于脫氣目的。這些技術(shù)包括DH（Dormund Hoerder）脫氣、RH（Ruhrstahl Heraeus）脫氣、真空罐脫氣（VTD）、真空電弧脫氣（VAD）和真空感應(yīng)熔化（VIM）。在目前情況下，RH脫氣和VTD工藝通常用于鋼的大規(guī)模生產(chǎn)，以減少鋼液中的氣體和碳含量。RH脫氣或VTD的選擇是由鋼廠生產(chǎn)的鋼種嚴(yán)格決定的。在大多數(shù)情況下，相對(duì)于VTD來說，RH脫氣的安裝更占優(yōu)勢，特別是對(duì)于大熱度的鋼廠來說，因?yàn)樗幕旌闲阅芎?，脫碳和脫氣的周期短，?dǎo)致每天有大量的熱度處理。由于循環(huán)時(shí)間短，RH脫氣工藝每天可以處理大量的加熱。此外，由于在該過程中實(shí)現(xiàn)了良好的混合性能，無論鋼包的大小，都可以實(shí)現(xiàn)較短的處理時(shí)間。

相對(duì)濕度脫氣技術(shù)于20世紀(jì)50年代末在德國首次推出，在那里開發(fā)并安裝了第一個(gè)相對(duì)濕度脫氣設(shè)備。RH脫氣工藝是以Ruhrstahl和Heraeus命名的，這個(gè)工藝最初就是在那里開發(fā)的。從那時(shí)起，在RH脫氣設(shè)備上做了很多工藝改進(jìn)。這些改進(jìn)包括安裝氧氣噴槍，擴(kuò)大呼吸管和容器的直徑，以及應(yīng)用粉末注射法進(jìn)行脫硫。Kuwabara介紹了RH脫氣設(shè)備脫碳的綜合型號(hào)，考慮了真空壓力、提升氣體流速、容器和呼吸管的直徑。據(jù)報(bào)道，在RH脫氣設(shè)備中，達(dá)到碳含量低于20ppm（百萬分之一）所需的時(shí)間可以在15分鐘內(nèi)完成。

當(dāng)配備一個(gè)額外的頂桿時(shí)，RH脫氣被稱為RH-TOP脫氣。RH脫氣和RH-TOP脫氣設(shè)備（圖1）采用真空再循環(huán)工藝原理，特別適用于在經(jīng)濟(jì)上有利的條件下生產(chǎn)碳含量很低的鋼種。RH脫氣設(shè)備的主要功能是去除氫氣，自然和強(qiáng)制脫碳，對(duì)鋼液進(jìn)行化學(xué)加熱，以及精確調(diào)整鋼液的化學(xué)分析和溫度。這些活動(dòng)是在真空條件下進(jìn)行的。低氫含量是生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼種和用于石油和天然氣工業(yè)的鋼種的主要先決條件。相對(duì)濕度脫氣技術(shù)可以在很短的真空時(shí)間內(nèi)達(dá)到非常低的氫含量。

圖1 RH和RH-TOP脫氣設(shè)備的切面圖

作為液態(tài)鋼二次精煉的工具，RH脫氣工藝由于具有多種冶金功能，如真空脫氣、脫碳、去除夾雜物、脫氮和去除夾雜物等，因而具有大多數(shù)應(yīng)用。它被廣泛用于生產(chǎn)超低碳鋼、軸承鋼、管線鋼、彈簧鋼和硅鋼等。

RH脫氣設(shè)備通常由一個(gè)耐火材料內(nèi)襯的塊狀或分體式容器組成，在容器底部裝有兩個(gè)耐火材料內(nèi)襯的呼吸孔，與真空泵相連。其他組件包括液壓或機(jī)械容器或鋼包提升系統(tǒng)（如果是RH-TOP）、多功能頂部吹氣槍以及測量和采樣系統(tǒng)。真空下的材料添加是通過一個(gè)真空料斗系統(tǒng)來完成的。容器、呼吸器和頂部的耐火材料維修和預(yù)熱可以在單獨(dú)的機(jī)架上進(jìn)行。該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是單容器安裝（容器提升系統(tǒng)）、快速容器交換（鋼包提升系統(tǒng)）或雙聯(lián)容器安裝以提高可用性。

RH循環(huán)脫氣工藝已經(jīng)在全球大量的鋼鐵熔煉車間證明了其大多數(shù)適用性，可以在較短的分接時(shí)間內(nèi)進(jìn)行操作，覆蓋的熱量大小可達(dá)400噸。在RH脫氣設(shè)備中的真空處理所生產(chǎn)的鋼滿足了對(duì)高鋼質(zhì)的要求。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，液態(tài)鋼被允許在真空室中循環(huán)，壓力的大幅下降使其分解成最小的部分。表面積的增加使液態(tài)鋼能夠在盡可能的范圍內(nèi)脫氣。這個(gè)過程需要可靠的真空設(shè)備，能夠在多塵的環(huán)境和高溫的條件下吸出非常大的流量。

RH脫氣過程取決于將鋼液從鋼包中吸到裝有兩個(gè)呼吸器（上腿和下腿）的真空室。當(dāng)惰性氣體被吹到鋼液中時(shí)，鋼液在真空室和鋼包之間的循環(huán)輸送被強(qiáng)制進(jìn)行。脫氣過程主要發(fā)生在液體內(nèi)部，在真空室和氣泡表面的金屬飛濺處，其中涉及復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和運(yùn)輸現(xiàn)象。圖2顯示了該過程的原理和容器的內(nèi)襯以及其他部分的過程。

圖2 相對(duì)濕度脫氣過程

工藝發(fā)展

當(dāng)最初引入RH工藝時(shí)，主要目的是減少鋼液中的氫氣含量。由于容器中的真空度不足，第一個(gè)成果并不像預(yù)期的那樣成功。20世紀(jì)60年代初，蒸汽噴射器真空泵的應(yīng)用使其達(dá)到足夠低的壓力，導(dǎo)致氫氣含量低于1ppm。從那時(shí)起，相對(duì)濕度脫氣工藝在真空條件、反應(yīng)容器的設(shè)計(jì)和幾何形狀（尺寸和形狀）、呼吸管的截面和相對(duì)濕度脫氣設(shè)備的能力方面不斷得到發(fā)展。

RH脫氣工藝在脫碳方面的應(yīng)用最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代末。今天，使用這種工藝可以獲得低于20ppm的極低的最終碳含量，這是生產(chǎn)汽車板的需要。在脫氣過程中添加合金元素的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得更高的鐵合金產(chǎn)量，并且由于沒有空氣和避免金屬渣的反應(yīng)，鋼的化學(xué)分析的精度很高。

進(jìn)一步的發(fā)展是在RHO、RH-OB、RH-KTB、RH-MESID和MFB工藝中的RH脫氣處理中使用氣態(tài)氧。在MFB工藝中，RH脫氣設(shè)備配備了一個(gè)多功能燃燒器（MFB）。MFB是一種設(shè)備，使燃料和氧氣能夠從插入真空室的單一噴槍中吹出。它使熱量在真空處理期間和待機(jī)時(shí)都能保留在真空室中。這減少了金屬在真空室中的附著力，同時(shí)使在加工過程中通過吹氧的方式生產(chǎn)超低碳鋼成為可能。這些工藝的目的是加速脫碳反應(yīng)，通過鋁熱反應(yīng)重新加熱鋼液，重新熔化頭骨，通過在脫碳期間將產(chǎn)生的一氧化碳?xì)怏w轉(zhuǎn)化為二氧化碳?xì)怏w使容器保持高溫，并在處理之間加熱耐火襯里容器。最近，一些RH-TOP噴槍被用于將粉末吹入鋼液中，以將硫或碳含量降低到最低水平。今天，所有這些工藝，除了RH-OB，都被稱為RH-TOP脫氣工藝。

基本上，RH脫氣和RH-TOP脫氣工藝的發(fā)展，重要的是（i）通過改進(jìn)真空泵、呼吸器設(shè)計(jì)、容器設(shè)計(jì)，改善脫碳條件，加快脫碳和脫氣速度；（ii）提高鐵合金添加速度。(iii) 通過為合金化或線材添加等活動(dòng)安裝專門的站臺(tái)，將這些活動(dòng)從RH處理中分離出來，以及 (iv) 優(yōu)化工廠布局，以減少鋼包運(yùn)輸時(shí)間和噴管浸泡時(shí)間對(duì)周期的影響。

相對(duì)濕度脫氣設(shè)備的概念

相對(duì)濕度脫氣工藝的一個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)是，可以合理地建立各種工廠概念，以適應(yīng)鋼鐵熔煉車間的具體布局，所需的周期時(shí)間，以及滿足可用性要求。表1中給出了一系列可供RH脫氣設(shè)備考慮的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

RH脫氣設(shè)備的周期時(shí)間、冶金能力和常規(guī)的高質(zhì)量生產(chǎn)取決于（i）RH脫氣設(shè)備的概念，（ii）將RH脫氣設(shè)備嵌入鋼鐵熔煉車間的工藝流程中。(iii) 相對(duì)濕度容器的設(shè)計(jì)，(iv) 真空系統(tǒng)和相對(duì)濕度脫氣設(shè)備其他部件的性能，(v) 耐火材料的定期維護(hù)，(vi) 爐渣調(diào)節(jié)和爐渣冶金，(vii) 整體穩(wěn)定的生產(chǎn)條件，和(viii) 自動(dòng)化系統(tǒng)。圖3顯示了典型的基本概念和RH脫氣設(shè)備的主要組成部分。

圖3 相對(duì)濕度脫氣設(shè)備的典型基本概念和主要部件

相對(duì)濕度脫氣設(shè)備通常配備2級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)。2級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)包括硬件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，是在冶金型號(hào)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。2級(jí)應(yīng)用軟件和型號(hào)軟件被設(shè)計(jì)成可獨(dú)立執(zhí)行的程序。應(yīng)用軟件向型號(hào)提供來自不同來源的數(shù)據(jù)，并接收計(jì)算出的型號(hào)數(shù)據(jù)。應(yīng)用軟件和型號(hào)軟件之間的通信是通過數(shù)據(jù)庫表實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)庫表為型號(hào)提供輸入數(shù)據(jù)并接收型號(hào)的輸出。另一方面，Level-2收集所有處理數(shù)據(jù)，用于傳輸和熱力報(bào)告的生成。第二級(jí)自動(dòng)化主要由一個(gè)單一的對(duì)話來操作，這個(gè)對(duì)話通常被設(shè)計(jì)成伴隨著過程觀察，并提供設(shè)定點(diǎn)數(shù)據(jù)，在第一級(jí)自動(dòng)化上執(zhí)行。2級(jí)自動(dòng)化只需要操作員的少量輸入。

RH脫氣過程的特點(diǎn)

該過程主要包括一個(gè)有耐火材料內(nèi)襯的圓柱形反應(yīng)容器，該容器的底部有兩根鋼管連接。反應(yīng)容器的上部襯有耐火粘土/氧化鋁磚，下部襯有氧化鋁/鎂石磚。兩根鋼管是進(jìn)水口和出水口。兩者的內(nèi)部都是完全由氧化鋁耐火材料襯砌的，但只有下部的外部有耐火材料涂層。進(jìn)氣口鼻孔裝有一些氣體注入管，這些管道在下部分一到兩層排列，平均分布在圓周上。反應(yīng)容器的設(shè)計(jì)使鋼液通過進(jìn)氣管道上升，并在脫氣后通過出氣管道落回鋼包中。反應(yīng)容器的頂部設(shè)有排氣設(shè)備，以及用于添加鐵合金的設(shè)施，還有觀察和控制窗口。

RH脫氣設(shè)備通常用于真空處理和低碳鋼等級(jí)的長序列脫碳。RH脫氣工藝的冶金和操作特點(diǎn)包括(i)快速脫碳至低于20ppm，(ii)脫氫和脫氮，(iii)使用價(jià)格較低的高碳鐵合金，(iv)對(duì)殺死和未殺死的熱量進(jìn)行化學(xué)加熱，(v)提高鋼的非金屬夾雜物的清潔度，以及(vi)良好的成分控制。

頂吹槍系統(tǒng)安裝在RH脫氣容器的上方，結(jié)合了多種功能。吹氧速度為2000牛頓/小時(shí)至4000牛頓/小時(shí)，安裝的燃燒器容量為2兆瓦至4兆瓦，是該工藝的典型設(shè)計(jì)特點(diǎn)。為了進(jìn)行工藝監(jiān)督，長槍可以配備一個(gè)電視攝像機(jī)。此外，頂吹噴槍還可以配備吹粉功能，以便對(duì)鋼液進(jìn)行深度脫硫。RH-TOP脫氣工藝功能包括：（i）吹氧強(qiáng)制脫碳和化學(xué)加熱；（ii）通過氣體/氧氣燃燒加熱RH容器的耐火材料；（iii）吹粉脫硫；（iv）通過使用氧氣噴射器快速去除頭骨；（v）通過外部點(diǎn)火設(shè)施先進(jìn)點(diǎn)火。

通過RH脫氣工藝，可以生產(chǎn)出最經(jīng)濟(jì)的甚至是獨(dú)一無二的大批量鋼材質(zhì)量。在較短的處理時(shí)間內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)極低的碳和氫含量。只有最小的溫度損失。不需要特殊的排渣措施、鋼包自由板、或多孔塞?；瘜W(xué)成分可以被精確調(diào)整。擴(kuò)展的產(chǎn)品組合、高質(zhì)量的產(chǎn)品、提高生產(chǎn)率和最小化的鋼包維護(hù)是進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)。

RH真空脫氣過程通常不會(huì)達(dá)到平衡，氫氣、碳和氮的去除量受動(dòng)力學(xué)因素的制約。脫碳機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜，因?yàn)榉磻?yīng)動(dòng)力學(xué)同時(shí)取決于循環(huán)速度和脫碳速度。浴液的混合對(duì)脫碳也有影響。

由于RH脫氣過程是基于鋼包和RH容器之間的鋼液交換，鋼液循環(huán)的速度決定了冶金反應(yīng)的速度和假設(shè)有確定的冶金目標(biāo)的過程的時(shí)間。鋼液循環(huán)取決于設(shè)備的幾何形狀，如噴管的直徑、設(shè)備的半徑，以及提升氣嘴的位置和數(shù)量。在1,600攝氏度時(shí)，設(shè)計(jì)假設(shè)的液態(tài)鋼密度為每立方米6.94噸。施加在鋼包表面的大氣壓力使呼吸器中的鋼水在深真空條件下上升到1.45米左右的氣壓高度。圖3顯示了RH脫氣過程中鋼液真空處理的機(jī)制。

圖3 在RH工藝中對(duì)鋼液進(jìn)行真空處理的機(jī)制

汽車和其他外露板材以及電氣行業(yè)的板材（如變壓器）是由RH/RH-TOP脫氣設(shè)備處理的液態(tài)鋼生產(chǎn)的典型最終產(chǎn)品。

操作步驟

下面描述了RH脫氣過程中的各種操作步驟。反應(yīng)容器首先被預(yù)熱到所需的溫度，根據(jù)工廠的要求，溫度通常在900攝氏度到1500攝氏度之間變化。

脫氣過程開始時(shí)，用鋼包車將裝有液態(tài)鋼的鋼包移動(dòng)到處理位置，反應(yīng)容器被降低或鋼包被提升到所需的水平，使呼吸器淹沒在鋼中。脫氣過程是在兩個(gè)分叉器充分浸入鋼液后開始的。在通氣管浸入之前，惰性氣體，通常是氬氣，開始在通氣管的氣體管道中注入。氬氣作為一種提升氣體，提高進(jìn)入進(jìn)氣管的鋼液速度。

在達(dá)到呼吸管所需的浸入深度后，通過真空泵系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)容器進(jìn)行抽空，該系統(tǒng)通過關(guān)閉的管道（排氣）與反應(yīng)容器相連。真空（負(fù)壓）被創(chuàng)造出來，液態(tài)鋼被吸入兩個(gè)呼吸器中。注入混合氣體中的氬氣增加了上肢呼吸器中的壓力。這種壓力使液態(tài)鋼在分叉器中產(chǎn)生循環(huán)。 現(xiàn)在可以進(jìn)行冶金處理步驟，如脫氣、吹氧、調(diào)整化學(xué)分析和溫度。根據(jù)鋼液的過熱度，可以在脫氣結(jié)束后進(jìn)行合金添加。

反應(yīng)容器中的鋼液經(jīng)過脫氣后，通過出口噴管流回鋼包。脫氣后的鋼水比鋼包中的鋼水略低。由密度差產(chǎn)生的浮力（較冷的脫氣鋼液的密度大于鋼包中的熱鋼液的密度）攪動(dòng)鋼水。鋼液在反應(yīng)容器中的循環(huán)速度控制脫氣。循環(huán)速度取決于升降機(jī)的氬氣量和真空度。循環(huán)時(shí)間通常在20至30分鐘之間。根據(jù)其大小，RH脫氣設(shè)備有能力循環(huán)每分鐘85噸至135噸的鋼液。

當(dāng)確定鋼液的化學(xué)成分并發(fā)現(xiàn)其令人滿意時(shí)，將脫氣機(jī)的通氣管從鋼液中取出，關(guān)閉氬氣，并在上肢通氣管中引入氮?dú)?，以防止注射管結(jié)冰。然后，脫氣操作完成，鋼包被轉(zhuǎn)移到后處理或接管位置。

在生產(chǎn)過程中，操作人員由一個(gè)工藝自動(dòng)化系統(tǒng)指導(dǎo)。該系統(tǒng)使用一些數(shù)學(xué)型號(hào)來預(yù)測冶金參數(shù)并建立設(shè)定點(diǎn)，例如，根據(jù)不同的接收參數(shù)和加工時(shí)間循環(huán)計(jì)算鋼的溫度，通過確定接收的鋼樣和在加工過程中添加的材料來計(jì)算化學(xué)成分。還為脫氣功能的狀態(tài)創(chuàng)建預(yù)測和設(shè)定點(diǎn)，如根據(jù)初始含量、脫氣時(shí)間、真空壓力曲線、提升氣體速率和其他因素去除氫氣和氮?dú)?，通過循環(huán)確定鋼的碳和氧含量確定脫碳狀態(tài)，并為各種功能設(shè)定點(diǎn)，如吹氧、真空和提升氣體模式等。

此外，Level-2系統(tǒng)與前面和后面的單元的生產(chǎn)計(jì)劃和工藝自動(dòng)化以及實(shí)驗(yàn)室相連接，以便向操作人員提供所有相關(guān)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)跟蹤從一級(jí)系統(tǒng)和工藝型號(hào)中收集所有相關(guān)數(shù)據(jù)，以創(chuàng)建不同的熱量和生產(chǎn)報(bào)告。所有這些數(shù)據(jù)都儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中，使系統(tǒng)為未來的數(shù)據(jù)應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

相對(duì)濕度脫氣設(shè)備的可用性

除了較短的周期時(shí)間，RH脫氣設(shè)備的可用性也是需要考慮的，以利于鋼鐵熔煉車間的生產(chǎn)計(jì)劃。最關(guān)鍵的是維護(hù)呼吸器所需的時(shí)間。在處理完一連串的六次加熱后，噴管需要進(jìn)行中間維護(hù)（脫脂，和耐火材料槍擊）。根據(jù)具體的熔渣和處理?xiàng)l件以及可用的工具，維護(hù)工作需要20分鐘到60分鐘。更頻繁的維護(hù)工作會(huì)使噴管的使用壽命延長。 經(jīng)過60次加熱到300次加熱后，同樣取決于處理?xiàng)l件以及耐火材料的質(zhì)量和耐火板的設(shè)計(jì)，耐火板需要更換。每隔2到3次，需要對(duì)耐火材料進(jìn)行進(jìn)一步維護(hù)，主要是在底部區(qū)域。在今天的RH脫氣廠中，為了減少工廠的停工時(shí)間，容器被交換以更換通氣孔和容器維護(hù)。