今天，二级冶金单元代表了初级炼钢工艺和液态钢连铸工艺之间的多功能可用的连接。真空脱气是一个重要的二次炼钢工艺。该工艺最初用于从钢液中去除氢气，但目前也用于二次精炼，并已成为日益重要的二次炼钢工艺。较低的氢和氮含量、超低的碳含量、超低的硫含量、较低的总氧含量以及钢的清洁度是在钢熔炼车间安装真空处理设施的原因。

在新建的钢铁厂中，真空脱气设施被考虑并整合到钢铁生产线中。现有工厂也有安装真空处理设施的趋势，以便为钢铁厂提供机会，扩大产品结构，更灵活地应对钢铁市场形势。

自20世纪50年代以来，一些真空技术已经被开发出来，用于脱气目的。这些技术包括DH（Dormund Hoerder）脱气、RH（Ruhrstahl Heraeus）脱气、真空罐脱气（VTD）、真空电弧脱气（VAD）和真空感应熔化（VIM）。在目前情况下，RH脱气和VTD工艺通常用于钢的大规模生产，以减少钢液中的气体和碳含量。RH脱气或VTD的选择是由钢厂生产的钢种严格决定的。在大多数情况下，相对于VTD来说，RH脱气的安装更占优势，特别是对于大热度的钢厂来说，因为它的混合性能好，脱碳和脱气的周期短，导致每天有大量的热度处理。由于循环时间短，RH脱气工艺每天可以处理大量的加热。此外，由于在该过程中实现了良好的混合性能，无论钢包的大小，都可以实现较短的处理时间。

相对湿度脱气技术于20世纪50年代末在德国首次推出，在那里开发并安装了第一个相对湿度脱气设备。RH脱气工艺是以Ruhrstahl和Heraeus命名的，这个工艺最初就是在那里开发的。从那时起，在RH脱气设备上做了很多工艺改进。这些改进包括安装氧气喷枪，扩大呼吸管和容器的直径，以及应用粉末注射法进行脱硫。Kuwabara介绍了RH脱气设备脱碳的综合型号，考虑了真空压力、提升气体流速、容器和呼吸管的直径。据报道，在RH脱气设备中，达到碳含量低于20ppm（百万分之一）所需的时间可以在15分钟内完成。

当配备一个额外的顶杆时，RH脱气被称为RH-TOP脱气。RH脱气和RH-TOP脱气设备（图1）采用真空再循环工艺原理，特别适用于在经济上有利的条件下生产碳含量很低的钢种。RH脱气设备的主要功能是去除氢气，自然和强制脱碳，对钢液进行化学加热，以及精确调整钢液的化学分析和温度。这些活动是在真空条件下进行的。低氢含量是生产高强度钢种和用于石油和天然气工业的钢种的主要先决条件。相对湿度脱气技术可以在很短的真空时间内达到非常低的氢含量。

图1 RH和RH-TOP脱气设备的切面图

作为液态钢二次精炼的工具，RH脱气工艺由于具有多种冶金功能，如真空脱气、脱碳、去除夹杂物、脱氮和去除夹杂物等，因而具有大多数应用。它被广泛用于生产超低碳钢、轴承钢、管线钢、弹簧钢和硅钢等。

RH脱气设备通常由一个耐火材料内衬的块状或分体式容器组成，在容器底部装有两个耐火材料内衬的呼吸孔，与真空泵相连。其他组件包括液压或机械容器或钢包提升系统（如果是RH-TOP）、多功能顶部吹气枪以及测量和采样系统。真空下的材料添加是通过一个真空料斗系统来完成的。容器、呼吸器和顶部的耐火材料维修和预热可以在单独的机架上进行。该设计的特点是单容器安装（容器提升系统）、快速容器交换（钢包提升系统）或双联容器安装以提高可用性。

RH循环脱气工艺已经在全球大量的钢铁熔炼车间证明了其大多数适用性，可以在较短的分接时间内进行操作，覆盖的热量大小可达400吨。在RH脱气设备中的真空处理所生产的钢满足了对高钢质的要求。为了实现这一目标，液态钢被允许在真空室中循环，压力的大幅下降使其分解成最小的部分。表面积的增加使液态钢能够在尽可能的范围内脱气。这个过程需要可靠的真空设备，能够在多尘的环境和高温的条件下吸出非常大的流量。

RH脱气过程取决于将钢液从钢包中吸到装有两个呼吸器（上腿和下腿）的真空室。当惰性气体被吹到钢液中时，钢液在真空室和钢包之间的循环输送被强制进行。脱气过程主要发生在液体内部，在真空室和气泡表面的金属飞溅处，其中涉及复杂的化学反应和运输现象。图2显示了该过程的原理和容器的内衬以及其他部分的过程。

图2 相对湿度脱气过程

工艺发展

当最初引入RH工艺时，主要目的是减少钢液中的氢气含量。由于容器中的真空度不足，第一个成果并不像预期的那样成功。20世纪60年代初，蒸汽喷射器真空泵的应用使其达到足够低的压力，导致氢气含量低于1ppm。从那时起，相对湿度脱气工艺在真空条件、反应容器的设计和几何形状（尺寸和形状）、呼吸管的截面和相对湿度脱气设备的能力方面不断得到发展。

RH脱气工艺在脱碳方面的应用最早出现在20世纪70年代末。今天，使用这种工艺可以获得低于20ppm的极低的最终碳含量，这是生产汽车板的需要。在脱气过程中添加合金元素的优点是可以获得更高的铁合金产量，并且由于没有空气和避免金属渣的反应，钢的化学分析的精度很高。

进一步的发展是在RHO、RH-OB、RH-KTB、RH-MESID和MFB工艺中的RH脱气处理中使用气态氧。在MFB工艺中，RH脱气设备配备了一个多功能燃烧器（MFB）。MFB是一种设备，使燃料和氧气能够从插入真空室的单一喷枪中吹出。它使热量在真空处理期间和待机时都能保留在真空室中。这减少了金属在真空室中的附着力，同时使在加工过程中通过吹氧的方式生产超低碳钢成为可能。这些工艺的目的是加速脱碳反应，通过铝热反应重新加热钢液，重新熔化头骨，通过在脱碳期间将产生的一氧化碳气体转化为二氧化碳气体使容器保持高温，并在处理之间加热耐火衬里容器。最近，一些RH-TOP喷枪被用于将粉末吹入钢液中，以将硫或碳含量降低到最低水平。今天，所有这些工艺，除了RH-OB，都被称为RH-TOP脱气工艺。

基本上，RH脱气和RH-TOP脱气工艺的发展，重要的是（i）通过改进真空泵、呼吸器设计、容器设计，改善脱碳条件，加快脱碳和脱气速度；（ii）提高铁合金添加速度。(iii) 通过为合金化或线材添加等活动安装专门的站台，将这些活动从RH处理中分离出来，以及 (iv) 优化工厂布局，以减少钢包运输时间和喷管浸泡时间对周期的影响。

相对湿度脱气设备的概念

相对湿度脱气工艺的一个独特的特点是，可以合理地建立各种工厂概念，以适应钢铁熔炼车间的具体布局，所需的周期时间，以及满足可用性要求。表1中给出了一系列可供RH脱气设备考虑的设计标准。

RH脱气设备的周期时间、冶金能力和常规的高质量生产取决于（i）RH脱气设备的概念，（ii）将RH脱气设备嵌入钢铁熔炼车间的工艺流程中。(iii) 相对湿度容器的设计，(iv) 真空系统和相对湿度脱气设备其他部件的性能，(v) 耐火材料的定期维护，(vi) 炉渣调节和炉渣冶金，(vii) 整体稳定的生产条件，和(viii) 自动化系统。图3显示了典型的基本概念和RH脱气设备的主要组成部分。

图3 相对湿度脱气设备的典型基本概念和主要部件

相对湿度脱气设备通常配备2级自动化系统。2级自动化系统包括硬件、系统软件和应用软件，是在冶金型号的基础上实现的。2级应用软件和型号软件被设计成可独立执行的程序。应用软件向型号提供来自不同来源的数据，并接收计算出的型号数据。应用软件和型号软件之间的通信是通过数据库表实现的，数据库表为型号提供输入数据并接收型号的输出。另一方面，Level-2收集所有处理数据，用于传输和热力报告的生成。第二级自动化主要由一个单一的对话来操作，这个对话通常被设计成伴随着过程观察，并提供设定点数据，在第一级自动化上执行。2级自动化只需要操作员的少量输入。

RH脱气过程的特点

该过程主要包括一个有耐火材料内衬的圆柱形反应容器，该容器的底部有两根钢管连接。反应容器的上部衬有耐火粘土/氧化铝砖，下部衬有氧化铝/镁石砖。两根钢管是进水口和出水口。两者的内部都是完全由氧化铝耐火材料衬砌的，但只有下部的外部有耐火材料涂层。进气口鼻孔装有一些气体注入管，这些管道在下部分一到两层排列，平均分布在圆周上。反应容器的设计使钢液通过进气管道上升，并在脱气后通过出气管道落回钢包中。反应容器的顶部设有排气设备，以及用于添加铁合金的设施，还有观察和控制窗口。

RH脱气设备通常用于真空处理和低碳钢等级的长序列脱碳。RH脱气工艺的冶金和操作特点包括(i)快速脱碳至低于20ppm，(ii)脱氢和脱氮，(iii)使用价格较低的高碳铁合金，(iv)对杀死和未杀死的热量进行化学加热，(v)提高钢的非金属夹杂物的清洁度，以及(vi)良好的成分控制。

顶吹枪系统安装在RH脱气容器的上方，结合了多种功能。吹氧速度为2000牛顿/小时至4000牛顿/小时，安装的燃烧器容量为2兆瓦至4兆瓦，是该工艺的典型设计特点。为了进行工艺监督，长枪可以配备一个电视摄像机。此外，顶吹喷枪还可以配备吹粉功能，以便对钢液进行深度脱硫。RH-TOP脱气工艺功能包括：（i）吹氧强制脱碳和化学加热；（ii）通过气体/氧气燃烧加热RH容器的耐火材料；（iii）吹粉脱硫；（iv）通过使用氧气喷射器快速去除头骨；（v）通过外部点火设施先进点火。

通过RH脱气工艺，可以生产出最经济的甚至是独一无二的大批量钢材质量。在较短的处理时间内，可以实现极低的碳和氢含量。只有最小的温度损失。不需要特殊的排渣措施、钢包自由板、或多孔塞。化学成分可以被精确调整。扩展的产品组合、高质量的产品、提高生产率和最小化的钢包维护是进一步的优点。

RH真空脱气过程通常不会达到平衡，氢气、碳和氮的去除量受动力学因素的制约。脱碳机制相当复杂，因为反应动力学同时取决于循环速度和脱碳速度。浴液的混合对脱碳也有影响。

由于RH脱气过程是基于钢包和RH容器之间的钢液交换，钢液循环的速度决定了冶金反应的速度和假设有确定的冶金目标的过程的时间。钢液循环取决于设备的几何形状，如喷管的直径、设备的半径，以及提升气嘴的位置和数量。在1,600摄氏度时，设计假设的液态钢密度为每立方米6.94吨。施加在钢包表面的大气压力使呼吸器中的钢水在深真空条件下上升到1.45米左右的气压高度。图3显示了RH脱气过程中钢液真空处理的机制。

图3 在RH工艺中对钢液进行真空处理的机制

汽车和其他外露板材以及电气行业的板材（如变压器）是由RH/RH-TOP脱气设备处理的液态钢生产的典型最终产品。

操作步骤

下面描述了RH脱气过程中的各种操作步骤。反应容器首先被预热到所需的温度，根据工厂的要求，温度通常在900摄氏度到1500摄氏度之间变化。

脱气过程开始时，用钢包车将装有液态钢的钢包移动到处理位置，反应容器被降低或钢包被提升到所需的水平，使呼吸器淹没在钢中。脱气过程是在两个分叉器充分浸入钢液后开始的。在通气管浸入之前，惰性气体，通常是氩气，开始在通气管的气体管道中注入。氩气作为一种提升气体，提高进入进气管的钢液速度。

在达到呼吸管所需的浸入深度后，通过真空泵系统对反应容器进行抽空，该系统通过关闭的管道（排气）与反应容器相连。真空（负压）被创造出来，液态钢被吸入两个呼吸器中。注入混合气体中的氩气增加了上肢呼吸器中的压力。这种压力使液态钢在分叉器中产生循环。 现在可以进行冶金处理步骤，如脱气、吹氧、调整化学分析和温度。根据钢液的过热度，可以在脱气结束后进行合金添加。

反应容器中的钢液经过脱气后，通过出口喷管流回钢包。脱气后的钢水比钢包中的钢水略低。由密度差产生的浮力（较冷的脱气钢液的密度大于钢包中的热钢液的密度）搅动钢水。钢液在反应容器中的循环速度控制脱气。循环速度取决于升降机的氩气量和真空度。循环时间通常在20至30分钟之间。根据其大小，RH脱气设备有能力循环每分钟85吨至135吨的钢液。

当确定钢液的化学成分并发现其令人满意时，将脱气机的通气管从钢液中取出，关闭氩气，并在上肢通气管中引入氮气，以防止注射管结冰。然后，脱气操作完成，钢包被转移到后处理或接管位置。

在生产过程中，操作人员由一个工艺自动化系统指导。该系统使用一些数学型号来预测冶金参数并建立设定点，例如，根据不同的接收参数和加工时间循环计算钢的温度，通过确定接收的钢样和在加工过程中添加的材料来计算化学成分。还为脱气功能的状态创建预测和设定点，如根据初始含量、脱气时间、真空压力曲线、提升气体速率和其他因素去除氢气和氮气，通过循环确定钢的碳和氧含量确定脱碳状态，并为各种功能设定点，如吹氧、真空和提升气体模式等。

此外，Level-2系统与前面和后面的单元的生产计划和工艺自动化以及实验室相连接，以便向操作人员提供所有相关的数据。数据跟踪从一级系统和工艺型号中收集所有相关数据，以创建不同的热量和生产报告。所有这些数据都储存在数据库中，使系统为未来的数据应用做好准备。

相对湿度脱气设备的可用性

除了较短的周期时间，RH脱气设备的可用性也是需要考虑的，以利于钢铁熔炼车间的生产计划。最关键的是维护呼吸器所需的时间。在处理完一连串的六次加热后，喷管需要进行中间维护（脱脂，和耐火材料枪击）。根据具体的熔渣和处理条件以及可用的工具，维护工作需要20分钟到60分钟。更频繁的维护工作会使喷管的使用寿命延长。 经过60次加热到300次加热后，同样取决于处理条件以及耐火材料的质量和耐火板的设计，耐火板需要更换。每隔2到3次，需要对耐火材料进行进一步维护，主要是在底部区域。在今天的RH脱气厂中，为了减少工厂的停工时间，容器被交换以更换通气孔和容器维护。