今天，二級冶金單元代表了初級煉鋼工藝和液態鋼連鑄工藝之間的多功能可用的連接。真空脫氣是一個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施的原因。

在新建的鋼鐵廠中，真空脫氣設施被考慮并整合到鋼鐵生產線中?，F有工廠也有安裝真空處理設施的趨勢，以便為鋼鐵廠提供機會，擴大產品結構，更靈活地應對鋼鐵市場形勢。

自20世紀50年代以來，一些真空技術已經被開發出來，用于脫氣目的。這些技術包括DH（Dormund Hoerder）脫氣、RH（Ruhrstahl Heraeus）脫氣、真空罐脫氣（VTD）、真空電弧脫氣（VAD）和真空感應熔化（VIM）。在目前情況下，RH脫氣和VTD工藝通常用于鋼的大規模生產，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的鋼種嚴格決定的。在大多數情況下，相對于VTD來說，RH脫氣的安裝更占優勢，特別是對于大熱度的鋼廠來說，因為它的混合性能好，脫碳和脫氣的周期短，導致每天有大量的熱度處理。由于循環時間短，RH脫氣工藝每天可以處理大量的加熱。此外，由于在該過程中實現了良好的混合性能，無論鋼包的大小，都可以實現較短的處理時間。

相對濕度脫氣技術于20世紀50年代末在德國首次推出，在那里開發并安裝了第一個相對濕度脫氣設備。RH脫氣工藝是以Ruhrstahl和Heraeus命名的，這個工藝最初就是在那里開發的。從那時起，在RH脫氣設備上做了很多工藝改進。這些改進包括安裝氧氣噴槍，擴大呼吸管和容器的直徑，以及應用粉末注射法進行脫硫。Kuwabara介紹了RH脫氣設備脫碳的綜合型號，考慮了真空壓力、提升氣體流速、容器和呼吸管的直徑。據報道，在RH脫氣設備中，達到碳含量低于20ppm（百萬分之一）所需的時間可以在15分鐘內完成。

當配備一個額外的頂桿時，RH脫氣被稱為RH-TOP脫氣。RH脫氣和RH-TOP脫氣設備（圖1）采用真空再循環工藝原理，特別適用于在經濟上有利的條件下生產碳含量很低的鋼種。RH脫氣設備的主要功能是去除氫氣，自然和強制脫碳，對鋼液進行化學加熱，以及精確調整鋼液的化學分析和溫度。這些活動是在真空條件下進行的。低氫含量是生產高強度鋼種和用于石油和天然氣工業的鋼種的主要先決條件。相對濕度脫氣技術可以在很短的真空時間內達到非常低的氫含量。

圖1 RH和RH-TOP脫氣設備的切面圖

作為液態鋼二次精煉的工具，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，因而具有大多數應用。它被廣泛用于生產超低碳鋼、軸承鋼、管線鋼、彈簧鋼和硅鋼等。

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

RH循環脫氣工藝已經在全球大量的鋼鐵熔煉車間證明了其大多數適用性，可以在較短的分接時間內進行操作，覆蓋的熱量大小可達400噸。在RH脫氣設備中的真空處理所生產的鋼滿足了對高鋼質的要求。為了實現這一目標，液態鋼被允許在真空室中循環，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鋼能夠在盡可能的范圍內脫氣。這個過程需要可靠的真空設備，能夠在多塵的環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呼吸器（上腿和下腿）的真空室。當惰性氣體被吹到鋼液中時，鋼液在真空室和鋼包之間的循環輸送被強制進行。脫氣過程主要發生在液體內部，在真空室和氣泡表面的金屬飛濺處，其中涉及復雜的化學反應和運輸現象。圖2顯示了該過程的原理和容器的內襯以及其他部分的過程。

圖2 相對濕度脫氣過程

工藝發展

當最初引入RH工藝時，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，第一個成果并不像預期的那樣成功。20世紀60年代初，蒸汽噴射器真空泵的應用使其達到足夠低的壓力，導致氫氣含量低于1ppm。從那時起，相對濕度脫氣工藝在真空條件、反應容器的設計和幾何形狀（尺寸和形狀）、呼吸管的截面和相對濕度脫氣設備的能力方面不斷得到發展。

RH脫氣工藝在脫碳方面的應用最早出現在20世紀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，這是生產汽車板的需要。在脫氣過程中添加合金元素的優點是可以獲得更高的鐵合金產量，并且由于沒有空氣和避免金屬渣的反應，鋼的化學分析的精度很高。

進一步的發展是在RHO、RH-OB、RH-KTB、RH-MESID和MFB工藝中的RH脫氣處理中使用氣態氧。在MFB工藝中，RH脫氣設備配備了一個多功能燃燒器（MFB）。MFB是一種設備，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時都能保留在真空室中。這減少了金屬在真空室中的附著力，同時使在加工過程中通過吹氧的方式生產超低碳鋼成為可能。這些工藝的目的是加速脫碳反應，通過鋁熱反應重新加熱鋼液，重新熔化頭骨，通過在脫碳期間將產生的一氧化碳氣體轉化為二氧化碳氣體使容器保持高溫，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脫氣工藝的發展，重要的是（i）通過改進真空泵、呼吸器設計、容器設計，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安裝專門的站臺，將這些活動從RH處理中分離出來，以及 (iv) 優化工廠布局，以減少鋼包運輸時間和噴管浸泡時間對周期的影響。

相對濕度脫氣設備的概念

相對濕度脫氣工藝的一個獨特的特點是，可以合理地建立各種工廠概念，以適應鋼鐵熔煉車間的具體布局，所需的周期時間，以及滿足可用性要求。表1中給出了一系列可供RH脫氣設備考慮的設計標準。

RH脫氣設備的周期時間、冶金能力和常規的高質量生產取決于（i）RH脫氣設備的概念，（ii）將RH脫氣設備嵌入鋼鐵熔煉車間的工藝流程中。(iii) 相對濕度容器的設計，(iv) 真空系統和相對濕度脫氣設備其他部件的性能，(v) 耐火材料的定期維護，(vi) 爐渣調節和爐渣冶金，(vii) 整體穩定的生產條件，和(viii) 自動化系統。圖3顯示了典型的基本概念和RH脫氣設備的主要組成部分。

圖3 相對濕度脫氣設備的典型基本概念和主要部件

相對濕度脫氣設備通常配備2級自動化系統。2級自動化系統包括硬件、系統軟件和應用軟件，是在冶金型號的基礎上實現的。2級應用軟件和型號軟件被設計成可獨立執行的程序。應用軟件向型號提供來自不同來源的數據，并接收計算出的型號數據。應用軟件和型號軟件之間的通信是通過數據庫表實現的，數據庫表為型號提供輸入數據并接收型號的輸出。另一方面，Level-2收集所有處理數據，用于傳輸和熱力報告的生成。第二級自動化主要由一個單一的對話來操作，這個對話通常被設計成伴隨著過程觀察，并提供設定點數據，在第一級自動化上執行。2級自動化只需要操作員的少量輸入。

RH脫氣過程的特點

該過程主要包括一個有耐火材料內襯的圓柱形反應容器，該容器的底部有兩根鋼管連接。反應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。兩根鋼管是進水口和出水口。兩者的內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。反應容器的設計使鋼液通過進氣管道上升，并在脫氣后通過出氣管道落回鋼包中。反應容器的頂部設有排氣設備，以及用于添加鐵合金的設施，還有觀察和控制窗口。

RH脫氣設備通常用于真空處理和低碳鋼等級的長序列脫碳。RH脫氣工藝的冶金和操作特點包括(i)快速脫碳至低于20ppm，(ii)脫氫和脫氮，(iii)使用價格較低的高碳鐵合金，(iv)對殺死和未殺死的熱量進行化學加熱，(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。

頂吹槍系統安裝在RH脫氣容器的上方，結合了多種功能。吹氧速度為2000牛頓/小時至4000牛頓/小時，安裝的燃燒器容量為2兆瓦至4兆瓦，是該工藝的典型設計特點。為了進行工藝監督，長槍可以配備一個電視攝像機。此外，頂吹噴槍還可以配備吹粉功能，以便對鋼液進行深度脫硫。RH-TOP脫氣工藝功能包括：（i）吹氧強制脫碳和化學加熱；（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）通過外部點火設施先進點火。

通過RH脫氣工藝，可以生產出最經濟的甚至是獨一無二的大批量鋼材質量。在較短的處理時間內，可以實現極低的碳和氫含量。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成分可以被精確調整。擴展的產品組合、高質量的產品、提高生產率和最小化的鋼包維護是進一步的優點。

RH真空脫氣過程通常不會達到平衡，氫氣、碳和氮的去除量受動力學因素的制約。脫碳機制相當復雜，因為反應動力學同時取決于循環速度和脫碳速度。浴液的混合對脫碳也有影響。

由于RH脫氣過程是基于鋼包和RH容器之間的鋼液交換，鋼液循環的速度決定了冶金反應的速度和假設有確定的冶金目標的過程的時間。鋼液循環取決于設備的幾何形狀，如噴管的直徑、設備的半徑，以及提升氣嘴的位置和數量。在1,600攝氏度時，設計假設的液態鋼密度為每立方米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制。

圖3 在RH工藝中對鋼液進行真空處理的機制

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

操作步驟

下面描述了RH脫氣過程中的各種操作步驟。反應容器首先被預熱到所需的溫度，根據工廠的要求，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，用鋼包車將裝有液態鋼的鋼包移動到處理位置，反應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，提高進入進氣管的鋼液速度。

在達到呼吸管所需的浸入深度后，通過真空泵系統對反應容器進行抽空，該系統通過關閉的管道（排氣）與反應容器相連。真空（負壓）被創造出來，液態鋼被吸入兩個呼吸器中。注入混合氣體中的氬氣增加了上肢呼吸器中的壓力。這種壓力使液態鋼在分叉器中產生循環。 現在可以進行冶金處理步驟，如脫氣、吹氧、調整化學分析和溫度。根據鋼液的過熱度，可以在脫氣結束后進行合金添加。

反應容器中的鋼液經過脫氣后，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）攪動鋼水。鋼液在反應容器中的循環速度控制脫氣。循環速度取決于升降機的氬氣量和真空度。循環時間通常在20至30分鐘之間。根據其大小，RH脫氣設備有能力循環每分鐘85噸至135噸的鋼液。

當確定鋼液的化學成分并發現其令人滿意時，將脫氣機的通氣管從鋼液中取出，關閉氬氣，并在上肢通氣管中引入氮氣，以防止注射管結冰。然后，脫氣操作完成，鋼包被轉移到后處理或接管位置。

在生產過程中，操作人員由一個工藝自動化系統指導。該系統使用一些數學型號來預測冶金參數并建立設定點，例如，根據不同的接收參數和加工時間循環計算鋼的溫度，通過確定接收的鋼樣和在加工過程中添加的材料來計算化學成分。還為脫氣功能的狀態創建預測和設定點，如根據初始含量、脫氣時間、真空壓力曲線、提升氣體速率和其他因素去除氫氣和氮氣，通過循環確定鋼的碳和氧含量確定脫碳狀態，并為各種功能設定點，如吹氧、真空和提升氣體模式等。

此外，Level-2系統與前面和后面的單元的生產計劃和工藝自動化以及實驗室相連接，以便向操作人員提供所有相關的數據。數據跟蹤從一級系統和工藝型號中收集所有相關數據，以創建不同的熱量和生產報告。所有這些數據都儲存在數據庫中，使系統為未來的數據應用做好準備。

相對濕度脫氣設備的可用性

除了較短的周期時間，RH脫氣設備的可用性也是需要考慮的，以利于鋼鐵熔煉車間的生產計劃。最關鍵的是維護呼吸器所需的時間。在處理完一連串的六次加熱后，噴管需要進行中間維護（脫脂，和耐火材料槍擊）。根據具體的熔渣和處理條件以及可用的工具，維護工作需要20分鐘到60分鐘。更頻繁的維護工作會使噴管的使用壽命延長。 經過60次加熱到300次加熱后，同樣取決于處理條件以及耐火材料的質量和耐火板的設計，耐火板需要更換。每隔2到3次，需要對耐火材料進行進一步維護，主要是在底部區域。在今天的RH脫氣廠中，為了減少工廠的停工時間，容器被交換以更換通氣孔和容器維護。