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1.1、炉外精炼技术的发展历程
钢水的炉外精炼早在20世纪30、40年代就显示了其在提高质量、扩大品种方面的作用。
如最早在30年代就开始应用的合成渣洗精炼钢水技术，至今仍被应用。
40年代初就有了真空模铸的报道。
50年代中后期，由于大功率的蒸汽喷射泵技术的突破，相继发明了钢包内钢水提升脱气法（DH）和循环脱气法（RH）。
20世纪60年代和70年代，是钢水炉外精炼多种方法发明的繁荣时期，这与纯净钢生产概念的提出，各工业、建筑、军事、交通行业对钢材质量和性能提出了越来越高的要求，以及连铸生产工艺的稳定和连铸品种扩大的强烈要求是密切相关的。
这个时期，炉外精炼技术的发展发生了三方面的根本变化：
第一，钢水精炼最初的目的是为了解决冶炼炉不能顺利生产高质量品种，它已逐步成为大部分品种生产和全面提高质量的不可缺少的手段。
第二，炉外精炼技术不仅可以减少硫等有害元素及氢、氧、氮等有害气体及夹杂物，使连铸坯生产工艺更加稳定，减少工艺与质量事故，而且越来越显示出协调生产节奏、优化衔接的关键作用。
新日铁大分厂实行全连铸生产，其生产初期全部钢水进行RH处理，对确保全连铸生产的质量与工艺稳定起到了重要的保证作用。
也就是说，炉外精炼的迅速发展，在很大程度上是适应了连铸生产飞速发展的需要，并反过来确实促进了连铸生产的优化。
第三，炉外精炼形成了真空和非真空两大系列不同功能的系统技术。
这个时期真空处理方法有：
用于超低碳不锈钢生产的VOD-VAD技术；
用于生产不锈钢、轴承钢的ASEA-SKF技术；
用于超低碳钢生产的RH-OB技术等。
非真空处理方法有：
用于低碳不锈钢生产的氩氧精炼炉AOD；
配合超高功率电炉生产，替代电炉还原期，对钢水进行精炼的LF钢包炉技术及后来配套发展起来的VD技术；
喷射冶金技术；
合金包芯线技术；
还有加浸渍罩的吹氩技术CAS等。
20世纪80年代至今，炉外精炼技术已成为现代钢铁生产流程水平与钢铁产品高质量水平的标志，它的发展也朝着功能更全、效率更高、冶金效果更佳的方向迅速完善。
这一时期主要发展起来的代表技术有钢水RH-KTB（相似的还有RH-MFP，RH-OB等）。
炉外精炼技术发展的主要原因有两个：
（1）它与连铸生产的迅速发展紧密相关。
它不仅适应了连铸生产对优质钢水的严格要求，大大提高了铸坯的质量，而且在温度、成分及时间节奏的匹配上起到了重要的协调和完善作用，即定时、定温、定品质地提供连铸钢水，成为稳定连铸生产的关键因素。
以日本为例，1973年连铸比为26%，精炼比为4.4%；
1983年连铸比超过75%，精炼比达48%；
1985年连铸比为90%，精炼比迅速增至65.9%；
1989年连铸比达95%，精炼比为73.4%（真空精炼比高达54.6%）。
（2）与调整产品结构、优化企业生产的专业化进程紧密结合。
超低碳、超深冲、超低磷、硫的优质钢材生产必须采用包括炉外精炼技术在内的优化工艺流程，这是炉外精炼技术迅速发展的另一个重要原因。
1.2、国内炉外精炼技术的发展
我国炉外精炼技术始于20世纪50年代中后期，包括：
利用高碱度合成渣在出钢过程对钢水脱硫，用于冶炼轴承钢；
用钢包脱气（VD）和DH真空处理装置精炼电工硅钢等钢种。
60年代中期至70年代，我国特钢企业和机电、军工行业钢水精炼技术的应用和开发有了一定的发展，并引进了一批真空精炼设备，如大冶、武钢的RH，北京重型机器厂的ASEA-SKF，抚顺钢厂的VOD，还试制了一批国产的真空处理设备，钢水吹氩精炼也在首钢等企业投入了生产应用。
80年代，国产的LF钢包精炼炉、合金包芯线喂线设备、喷射冶金等钢水精炼技术得到了初步的发展，这期间宝钢引进了现代化的大型RH装置（并进而实现了RH-OB的生产应用）。
国内精炼技术的发展应用在开发高质量的钢材品种和优化钢铁生产中发挥了重要的作用。
可以认为，80年代是我国炉外精炼技术发展奠定基础的时期，从一些先进的示范工厂的实践中，看清楚了炉外精炼技术对推动我国钢铁工业生产优化的重大作用。
20世纪90年代初，与世界发展趋势相同，我国炉外精炼技术也随连铸生产的增长和对钢铁产品质量日益严格的要求，得到了迅速的发展。
不仅装备数量增加，处理量也由过去的占钢水的2%以下，持续增长，到1998年已均达20%以上。
具体情况如表1-1所示。
表1-1我国炉外精炼处理比的情况
年份
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
钢水精炼比（%）
2.68
2.82
10.06
12.0
13.0
13.5
15.5
17.5
20.2
1991年召开的全国首次炉外精炼技术工作会议，明确了“立足产品，合理选择，系统配套，强调在线”的发展炉外精炼技术的指导思想。
立足产品是指在选择炉外精炼方法时，最根本的是从企业生产的产品质量要求（主要是用户要求）为基本出发点，确定哪些产品需要进行何种炉外精炼，同时认真分析工艺特点，明确基本工艺流程。
合理选择是指在选择炉外精炼方法时，要首先明确各种炉外处理方法所具备的功能，结合产品要求，做到功能对口。
其次是考虑企业炼钢生产工艺方式与生产规模、衔接匹配的合理性、经济性。
还要根据产品要求和工艺特点分层次地选择相应的炉外精炼方法，并合理地搞好工艺布置。
系统配套是指要严格按照系统工程的要求，确保在设计和施工中，主体设备配套齐全，装备水平符合要求；
严格按各工序间的配套要求，使前后工序配套完善，保证炉外精炼功能的充分发挥；
一定要重视相关技术和原料的配套要求，确保炉外精炼工序的生产过程能正常、持续地进行。
强调在线是指在合理选择处理方法的前提下，要从加强经营管理入手，把炉外精炼技术纳入分品种的生产工艺规范中去，保证在生产中正常运行；
也是指在加强设备维修的前提下，确保设备完好，保证设计规定的功能要求，确保作业率；
还意味着要充分发挥设备潜力，达到或超过设计能力。
这些指导思想对我国从“八五”开始直至现在炉外处理技术的发展起到了重要的推动作用。
进入新世纪，适应连铸生产和产品结构调整的要求，炉外精炼技术得到迅速发展。
钢水精炼中RH多功能真空精炼发展迅速，另外LF炉不但在电炉厂而且在转炉厂也大量采用，并配套有高效精炼渣。
到2003年，包括RH、LF在内的主要钢水精炼技术，均具备了完全立足国内并可参与国际竞争的水平。
50多年来，我国炉外精炼技术发展取得了显著的成绩，主要有：
●广大钢铁企业领导和技术人员对炉外精炼技术在钢铁生产中的作用和地位逐渐提高了认识，并越来越在企业技改和生产组织中成为工作的重点。
这种认识源于企业流程优化、生产顺行、高效低耗，尤其是市场对钢材产品的品种质量日益提高的要求，因而是深刻的，也是下一步发展的重要前提。
●形成一支有一定水平的设计、生产与设备制造的工程技术队伍，有一批具有自主知识产权并具有相当水平的科技成果，具备了各种炉外精炼技术深入开发研究和工程总承包的能力。
●炉外精炼技术相关配套设备、材料同步发展，基本满足了国内各类炉外精炼设备的不同层次的需要。
●形成了一批“高炉→铁水预处理→复吹转炉→钢水精炼→连铸”或“电炉→钢水精炼→连铸”的现代化工艺流程，有强大的示范作用。
●在产品结构的优化调整，促进洁净钢、合金钢、低合金钢的生产中，炉外精炼起到了不可替代的重要作用，是优质高效、节能降耗、降低生产成本的可靠保证。
虽然成绩显著，但还有很多问题，如钢水精炼比仍不高，不但与发达工业国家相比差距较大，而且也与连铸生产的快速发展很不适应，已经明显地影响了连铸生产的优化和完善，也成为我国关键品种生产的一个瓶颈。
又如在我国特有的中、小冶炼炉占很大比例的条件下，中小钢厂炉外精炼还没有广泛应用。
还有我们拥有的高水平炉外精炼装备，因技术的消化吸收与攻关研究和国外相比存在明显的差距，不能充分发挥其功能与生产效率等。
这都是必须加强和改进的。
1.3、炉外精炼技术的发展前景
从炉外处理技术的发展过程中可以看出其发展和完善的四个主要特点，即：
（1）多功能化。
多功能化是指由单一功能的炉外精炼设备发展成为多种精炼功能的设备和将各种不同功能的装置组合到一起建立综合处理站。
如LF-VD、CAS-OB、RH-OB、RH-KTB，上述装置中分别配了喂合金线（铝线）、合金包芯线（Ca-Si、Fe-Ti、C粉等）等。
这种多功能化的特点，不仅适应了不同品种生产的需要，提高了炉外精炼设备的适应性，还提高了设备的利用率、作业率，缩短了流程，在生产中发挥了更加灵活、全面的作用。
（2）相关技术不断得到开发和完善。
这主要有高寿命精炼用耐火材料及热喷补技术和装备；
适用于钢包精炼的高供气强度底吹元件；
纯净钢炉外精炼所需要的痕量元素分析技术；
以炉外精炼为重点的计算机生产管理、物流控制技术等。
它们已变成炉外精炼系统工程技术中不可分割的重要组成部分。
（3）炉外精炼技术的发展是为了实现钢铁生产优质高效、节能降耗的目标。
炉外精炼技术发展的这一特点是在不断争议中逐渐地形成的。
优质的特点最容易为人们所接受，高效的特点在提高整个生产流程的生产效率、朝紧凑化方向的发展过程中也逐渐地被人们认识到。
但节能降耗的特点，至今在各个钢厂的生产实践中仍有不同程度的差别和争议。
例如，对于全部钢水RH真空处理的生产实践，其经济性和可行性仍是不少人争议的内容。
但毫无疑问的是，炉外精炼技术已成为现代钢铁生产先进水平的主要标志。
（4）炉外精炼技术的发展具有不断促进钢铁生产流程优化重组、不断提高过程自动控制和冶金效果在线监测水平的显著特点。
例如：
LF钢包精炼技术促进了超高功率电炉生产流程的优化；
AOD、VOD实现了不锈钢生产流程优质、低耗、高效化的变革等。
突出的流程优化重组的实例说明了这一技术发展的重要作用。
50多年来，炉外精炼技术已发展成为门类齐全、功能独到、系统配套、效益显著的钢铁生产主流技术，发挥着重要的作用。
但炉外精炼技术仍处在不断完善与发展之中。
未来10年之内，炉外精炼技术仍将在以下的几个重点方面取得进展：
●中间包冶金及结晶器冶金技术将逐渐显示其对最终钢铁产品质量优化的重要意义；
●电磁冶金技术对炉外精炼技术的发展将起到积极的推动作用；
●配套同步发展辅助技术，包括冶炼炉准确的终点控制技术、工序衔接技术智能化等；
●无污染的精炼技术及过程的环保技术。
1.4、各国主要炉外精炼方法和装备
为了满足多品种的需要，新建精炼装置向多功能方向发展。
目前各种精炼装置各有所长，没有一种精炼装置能满足各种工艺目的。
各种主要精炼装置采用的手段与目的，如表1-2所示。
表1-2主要精炼装置采用的手段与目的
工艺
精炼手段
主要冶金功能
造渣
真空
搅拌
喷吹
加热
合金
化
调温
去除
夹杂
脱气
脱
氧
碳
硫
钢包吹氩
●
CAS-OB
LF
RH-KTB
VOD
目前世界上炉外精炼设备发展很快，据不完全统计，总数已超过一千多台。
从炉外精炼设备的发展情况看，具有加热功能、投资较少的LF钢包炉发展最快，RH循环脱气装置精炼的钢水质量最具保证。
各工厂的炉外精炼设备详细的情况如下（国内数据统计到2002年，国外数据统计到1999年）。
1.4.1、国内精炼设备概况（表1-3）
表1-3国内精炼设备概况
序号
企业名称
精炼设备名称及容量
数量/台
1
宝钢
RH-OB300t
RH-MFB300t
RH-KTB250t
LF/VD150t
2
鞍钢
LF100t×
2；
200t×
3
RH200t
武钢
LF150t；
250t
VD（双工位）100t
RH80t；
300t
RH-KTB80t
4
攀钢
LF160t
RH-MFB160t
5
天津钢管公司
LF80t×
210t×
VD80t
1.4.2、日本精炼设备概况（表1-4）
表1-4日本精炼设备概况
川崎制铁千叶厂
RH85t；
230t
VOD160t
川崎制铁水岛厂
ASEA-SKF100t
RH180t；
250t；
180t；
神户制钢
LF240t
ASEA-SKF90t
RH240t
日新制钢
RH180t
VAD80t
VOD75t
住友金属鹿岛厂
LF270t
RH270t
1.4.3、韩国精炼设备概况（表1-5）
表1-5韩国精炼设备概况
浦项制铁
LF320t
RH300t
浦项光阳
LF130t
RH250t；
265t
第二章RH工作原理
2.1、RH法工作原理
RH法的基本结构如图2-1所示。
它由吸入和排除钢水的浸渍管和真空槽以及真空排气装置所组成。
处理钢水时，先将两个浸渍管浸入到钢水中，使钢包和真空室形成真空。
这时，从一个浸渍管吹入气体（氩气或氮气）。
钢水被吹入真空槽内并飞溅。
钢水在真空室内脱气后，因钢水自重从另一侧的浸渍管流回到钢包内。
这样，钢水不断地从钢包进入真空室，然后又从真空室返回到钢包内，形成连续不断地环流，直到真空室内的真空状态被破坏，回到1个大气压为止。
连续不断进入真空室的钢水在真空状态下被不断地脱气处理。
图2-1RH真空装置基本结构
2.2RH法钢液运动特性
RH流场的描述多在水模型中加入示踪剂摄影的方法进行。
这些实验的结果证实，RH法的搅拌机能是十分有效的。
下降管内流出的钢液流股可以穿透钢包内的钢液而到达底部，钢包内基本无死区存在。
除了用示踪剂对RH法的钢包内钢液流态进行研究外，许多人还力图用数值计算法，根据湍流控制方法对处理过程中的钢包内的速度分布进行定量描述。
该方法虽然在计算的过程中作了一些简化（主要是假设为二维流场），但对于流场的定量分析以及过程中的反应的预测和研究还是有一定意义的。
2.3RH法的特征参数
处理容量、循环因数、处理时间、循环流量、真空度，真空泵的抽气能力等参数都是循环脱气法在设计和操作时应考虑的主要工艺参数。
2.3.1处理容量
处理容量指的是被处理钢液的重量。
对于RH法，其处理量的上限在理论上是没有限制的。
而处理容量的下限，即RH法处理的最小容量，则取决于处理过程中温降的情况。
当处理容量小于30吨时，钢液的温降相当显著。
为保证一定的开浇温度，只有提高出钢温度或缩短处理时间，而这两种办法都会使处理的效果降低。
2.3.2处理时间
钢包在RH工位的停留时间称为处理时间。
该时间的绝大部分一直在进行真空脱气，所以脱气时间略短于处理时间。
为了使钢液充分脱气，就要保证有足够的脱气时间。
钢水通过一定时间的真空脱气处理，气体含量及夹杂物都能不同程度的减少。
2.3.3循环因数
循环因数μ即循环次数，是处理过程中通过真空室的总钢液量与处理容量Q之比。
可用下式表示：
μ=w·
式中w—循环流量，t/min
t—脱气时间，min
在脱气条件（循环流量、驱动气体流量、真空度）一定时，返回钢包的钢液气体含量也就一定。
这样，循环开始后，进入真空室的钢液气体含量主要取决于已脱气钢液返回钢包后与钢包中钢液混合的状况。
为了使氢含量较高的钢液有效的脱氢，例如要求最终氢含量小于2ppm，则循环因数必须取5或5以上。
2.3.4循环流量
单位时间内通过真空室的钢液成为循环流量。
它的大小主要决定于上升管直径和驱动气体的流量。
循环流量与驱动气体、上升管内径的关系式如下：
ω=α·
d1.5·
G0.33
式中α——常熟
d——上升管内径，cm
G——驱动气体流量，l/min
循环流量是RH设备特性和工艺的重要参数，因此人们对它进行了大量的研究。
以下就各种参数的影响情况进行讨论。
（a）气体流量
研究结果表明，气体流量增大时，环流量也增大，但当气体流量增大到一定程度时，环流量会达到饱和。
（b）环流管内径
环流管径增大时，使环流截面积增大，从而减小钢液循环流动的阻力，提高驱动气体的抽引效率。
所以，环流管径增大，环流量亦随之显著增大。
（c）吹入气体深度
许多研究结果都表明，环流量与吹入气体深度的平方根成正比。
当然，在吹气深度很小时，上升管由于气泡行程太短，气液间混合不好，使换流量显著减小，和吹入深度的平方根不成比例。
总之，较大的吹入气体深度，有利于气泡的分散和膨胀，使其作用于液体的时间和形成加长，从而更充分地发挥驱动气体的抽引效率，增大换流量。
综上所述，提高环流量的途径有：
增大吹入气体流量；
增大环流管内径；
在可能的条件下增大吹入气体深度。
2.3.5真空度
真空度处于真空状态下的气体的稀薄程度称为真空度，通常用气体的压强来表示。
压强值的单位很多，国际单位制中压强的基本单位是Pa（帕）。
为了方便起见，人们通常把低于大气压的整个真空度范围划分成几段。
真空范围的划分国际上通常采用如下办法：
粗真空＜（760～1）×
133.3Pa
中真空度＜（1～10-3）×
高真空＜（10-3～10-7）×
超高真空＜10-7×
2.3.6工作泵抽气能力
工作泵抽气能力大小，应根据处理的钢种、处理容量、脱气时间、循环流量以及处理过程中钢液脱气规律来确定。
真空循环脱气过程中，气体的析出速率是不同的。
在处理前期由于钢液原始含气量大，而后期气体析出量大为减少。
如果按脱气高峰来考虑真空泵的抽气能力，则所选真空泵的抽气能力会偏大，而按整个脱气时间的平均脱气量来考虑，则抽气能力又偏低。
比较合理的方法，是按脱气过程中钢液脱气规律来考虑真空泵的抽气能力。
第三章RH生产工艺
循环脱气法工艺是一种用于生产优质钢的钢水二次精炼工艺。
整个钢水冶金反应是在砌有耐火衬的真空槽内进行的。
真空槽的下部是两个带耐火衬的浸渍管，上部装有热弯管，气体由热弯管经气体冷却器至真空泵系统。
钢水处理前，先将浸渍管浸入待处理的钢包钢水中。
与真空槽连通的两个浸渍管，一个为上升管、一个为下降管。
由于上升管不断向钢液吹入氩气，吹入的气体受热膨胀，从而驱动钢液不断上升，流经真空槽钢水中的氩气、氢气、一氧化碳等气体在真空状态下被抽走。
脱气的钢水由于自身重力的作用再经下降管流入钢包，就此不断循环反复。
3.1、真空冶金基础
3.1.1钢中的气体
钢中包含着一定量的元素，它们在通常状态下，是以气态形式出现的，这些元素是氢、氧、氮，通常称为钢中的气体。
氢→｛H2｝→2[H]
氮→｛N2｝→2[N]
氧→｛O2｝→2[O]
钢中气体既可少量溶于钢中形成固溶体，部分也可存在于板坯等气泡或气孔中，也可与钢中其它元素形成氧化物、氮化物等以夹杂物形态出现。
钢中的气体在绝大多数情况下将导致钢材性能恶化乃至报废。
因而现代钢铁生产中，必须把气体去除到规定的数值之下。
在炼钢生产中，钢中的气体主要来自：
●入炉原材料
●炉气及各种吹入气体
●铁合金
●出钢及浇注过程中周围气氛
●与钢水相接触的各种材料等
由于常规的炼钢工艺，其钢水总是与上方的炉气等相接触，因而总有部分气体溶入钢中，引起钢中气体含量增加。
3.1.2去气途径
现代钢铁生产中，去气途径主要有三种：
●利用粗炼钢阶段脱碳反应所产生的强烈沸腾，将钢中溶解的气体排除。
其原理是基于脱碳过程中产生的无数CO气泡中氢、氮的分压PH2、PN2为零，也即每个气泡类似于一个小的真空泵，随脱碳过程进行，钢中溶解的气体不断向气泡扩散，并排至炉气中。
●吹入惰性气体Ar
其原理同上。
但这两种方法，由于受到沸腾程度及上方气氛限制，及其后操作因素的影响，最终成品气体仍无法达到很低程度。
●真空处理
真空处理是将钢液置于真空下，基于下述均方根定律，随压力下降，使钢中气体不断被抽走并使之降到很低的水平。
S=K
式中：
Ps为分压；
S为气体溶解度；
K为常熟
此方法的优点是由于熔池上方始终保持很高的真空度，因而最终的气体含量可控制到很低的水平。
3.1.3真空脱气物理化学基础
真空脱气反应研究主要是两个方面：
一是脱气反应的热力学；
二是脱气反应的动力学。
热力学是研究脱气反应的方向、反应条件、反应最终能达到的平衡浓度也即脱气的程度。
就真空脱氢、脱氮及碳脱氧而言，由于反应产物是气体，故按热力学平衡原理，随气相压力不断降低，脱气反应将不断进行，直至达到某一压力时，达到新的平衡状态。
因而可以说降低气相压力是推进真空脱气反应的原动力。
动力学是研究脱气反应的速度，达到平衡状态（确切地说是达到接近平衡状态）所需的时间。
实际研究中，通常将每个脱气反应分隔为几个步骤，并把其中最慢的过程称为反应的限制性环节，然后通过理论推导与实验相结合的方式，确定限制性环节的速度计算式，由此即
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