真空精炼技术的发展

真空精炼技术大致分为RH和VD两种，其中RH、VD和DH技术被广泛使用，如图1所示。1961年安装在八幡制铁所（现在的日本制铁）的DH炉是日本第一台真空精炼设备。尽管DH技术在日本得到了广泛的应用，但DH技术与RH技术相比存在着一些缺点，如使用升降式真空容器、设备复杂、脱气能力较小。1998年，新日铁发展了REDA技术，弥补了DH技术的不足。REDA技术被用于超低碳钢和不锈钢的生产，在生产高纯不锈钢时，比VOD精炼工艺更为有效。本文介绍了几种真空精炼技术的发展情况。

RH技术

RH精炼炉于1963年首次安装在日本富士制铁广畑厂（现在的日本制铁广畑厂），是世界第二台RH设备。从1970年代末到1980年代后期，日本的钢铁生产工艺迅速发展，连铸在凝固过程中取代了模铸，在这种情况下，RH技术也进入了快速发展阶段，包括以下几点：

①在采用铝镇静钢脱气和脱氧生产铝镇静钢宽厚板的过程中，增加超声波检测。

②一般钢种的精炼采用RH技术，利用其高效的真空脱碳和搅拌能力，以降低转炉负荷。

③RH技术被应用于超低碳钢的生产，提高生产率和改善产品质量。

在RH精炼过程中，钢液的循环是由浸没管（通气管）提供的氩气引起的，利用的是气举原理。实际工厂循环率的测量使用金的同位素Au作为示踪剂和加入铜。将Kuwabara 团队分析的合金连续添加时成分变化的结果与其他公司的报告数据进行比较，提出了式（1），计算结果和RH设备实际测量结果一致。

Q=11.4G^1/3D^4/3{In（P₁/P₂）}^1/3                   （1）

式中，Q为钢液循环流量，t/min；G为氩气流量，NL/min；D为上升管直径，mm；P1、P2分别为大气压力和真空室压力，Pa。

真空精炼脱碳主要有以下两个目的：①在不锈钢生产中，在抑制[Cr]氧化的同时，在低碳范围内脱碳；②汽车面板用超低碳钢的批量生产。

许多有关超低碳钢的研究是从20世纪80年代开始进行的。特别是RH工艺在超低碳范围内脱碳，以及在转炉中使用脱磷铁水，大批量生产超低碳钢和不锈钢，为技术进步作出了重要贡献。

Sumita等人建立了一个假定连续平衡的脱碳模型，该模型近似于在RH环境下钢包和真空容器之间的完美融合。利用该模型分析了操作条件对脱碳的影响，如图2所示。

[C]=[C]₀exp（-Kt）       （2）

K_c=(Q/V){ak/(Q+ak)}    （3）

式中，[C]0为初始含碳量；Q为循环速率，t/min；V为钢包内容积，m³；ak为脱碳容量系数，m³/min， K为脱碳表观速率常数，min-1。

分析结果如下：

①90%的脱碳在真空室中进行，剩余的10%在上部通气管中进行。

②在低碳区，即[C]≤40ppm，脱碳速率停滞，ak≤10m³/min，K≤0.15min^-1。真空室脱碳速率控制步骤是脱碳反应传质与循环速率的混合条件。

近年来，RH设备具备了更高的循环速率和更短的混合时间。Kato等人的研究表明，在钢包内的钢水中不存在浓度分布不均匀的死区。当[C] >40ppm时，速率控制步骤包括（i）真空室钢液表面气泡成核速率和（ii）气泡生长与浮选分离速率。在[C]≤40ppm的低碳区，（ii）为速率控制步骤。因此，要加快超低碳钢在RH工艺流程中的脱碳速度，有以下重要措施：

① 通过增加RH排气量，快速提高脱碳初期的真空度。

② 提高钢水的循环速率。

③ 在脱碳后期对钢水表面进行强力搅拌。

RH-OB 技术由日本制铁室兰厂开发，致力于促进RH过程中不锈钢脱碳。双重分层风口设置在真空室的底部，喷射的氧气由氧枪的内管供应，油雾由氧枪的外管提供。控制脱碳、升温和吹氧完成后的RH处理时间，对该工艺中吹氧产生的夹杂物的合理浮选和去除具有重要意义。

RH-KTB 氧气顶吹法是在川崎钢铁千叶厂发展起来的，顶枪与钢水表面之间的距离是1.6-4.5m，结合碳含量控制目标来控制氧枪位置高度，给钢水表面吹氧进行脱碳。RH-KTB技术的作用如下：

①减少了温降和边缘处理工作量。

②增大脱碳率（增大容量系数）。

③在转炉吹炼结束时，尽可能增加碳的含量，降低出钢温度和全铁量（%T.Fe）。

RH-MFB （RH多功能烧嘴）由日本制铁广畑厂开发，它可以从顶部喷枪供应氧气和液化天然气，而耐火材料和钢水在处理期间和等待时间被加热。RH-PTB是住友金属（现在的日本制铁）和歌山厂研制的一种用于生产超低硫、低碳钢的喷吹技术，其特点是在[C]≤40ppm的范围内喷吹铁矿粉进行脱碳。研究认为，在钢液中夹带分散的铁矿粉，增加了反应界面面积，起到了氧源的作用，同时也为CO气泡提供了形核条件。

在川崎钢铁千叶厂（现在的JFE钢铁千叶厂），氢气和氩气的混合气体从循环气体喷嘴喷入，检查了超低碳钢的脱碳行为，发现氢曾经溶解进入钢液，在低碳区域内脱碳，由氢提供形核的脱气现象。研究了喷入氢气的效果，发现在[C]≤15ppm的超低碳区，脱碳率提高，达到超低碳要求。

Okuyama等人和Sumi等人进行了冷模型试验，研究了减压下拉瓦尔喷嘴的氧气喷射行为，并将测量的射流动态与数值分析结果进行了比较。

脱氮反应受化学成分的影响，尤其是表面活性元素的影响。已知，表观脱氮速率常数由[N]二级反应表示，随[O]和[S]的增加而降低，[O]比[S]更有效。脱氮速率的控制步骤是钢液表面吸附氮的去除率和N2 （g）的解吸。

在RH工艺中，氮气的吸收和去除是同时进行的，因为空气从通气管的裂缝中泄漏出来。因此，要尽量减少因漏气引起的氮气吸收。以下技术可以减少氮气的吸收：

① 在转炉内不脱氧出钢。

② 增加循环（Ar）气体的流量。

③ 改进管路和法兰处的氩气密封性能。

④ 不使用法兰管路。

其他的案例也有被报道。Mukawa等人研究了在循环气体（Ar）中混合CO气体以促进氮气脱除。Yano等人报道了不脱氧出钢、抑制法兰部分气体泄漏和应用密封中间包作为预防吸氮的对策。

此外，还考察了渣的脱氮效果（非真空的脱氮方法）。使用CaO-Al₂O₃渣并控制其化学成分，提高渣的容氮能力，从而提高氮去除率。Yamaguchi等人进行了渣中的氮进入到气相而被除去的研究，还进行了钢液中的氮进入渣中的基础研究。

Arai等人开发了PERM技术（压力升降法），以促进浮选去除夹杂物。利用氮气在常压和减压下溶解度的差异，可以产生氮气气泡。这项技术被应用于生产碳钢和不锈钢的50t VOD炉以及生产轴承钢的250t RH炉上。氧去除率提高了一倍以上，板坯中总氧含量和夹杂物平均尺寸均有所降低。

在真空室内添加脱硫剂对钢水进行脱硫的技术由Mizukami等人、Sato等人和Soejima等人研发。川崎钢铁水岛厂（现在的JFE钢铁仓敷厂）和日本制铁大分厂研究喷入脱硫剂的脱硫技术。

VOD技术

VOD技术于1967年由德国公司开发，日本第一台VOD设备于1968年安装在日新钢铁公司，用于不锈钢精炼。发展案例包括：利用VOD技术生产超低碳钢和超低氮不锈钢，使用单孔喷嘴替换多孔透气砖的KTG技术等。此外，还研究了氧化剂粉末喷吹对脱氮的促进作用。

VCR技术

在不锈钢精炼中，可以用AOD法对高碳钢水进行脱碳，但是AOD在低碳范围内脱碳率较低，因此最终含碳量达不到超低碳要求。虽然引入大量Ar气体可以降低CO气体分压，但这会增加成本。日本大同特殊钢公司开发了VCR技术，这是一种改良的AOD技术，具有真空精炼功能。该公司于1991年开始在不锈钢生产中使用70t的AOD-VCR炉，如图3所示。

VCR工艺的特点是利用炉渣中的溶解氧和氧化物，在真空条件下不吹氧进行脱碳。新日铁在1996年引入了V-AOD不锈钢精炼工艺。该工艺在减压（[C]≤0.6%）条件下吹氧（不稀释气体），改善了脱碳条件，缩短了精炼时间，降低了渣中铬还原需要的硅合金的消耗量。

内容来源：http://www.worldmetals.com.cn/