低碳鋼在RH工序碳粒脫氧的生產(chǎn)實(shí)踐

張素芳，史湘東，秦建亮

（天津天鐵冶金集團(tuán)熱軋板公司，河北涉縣056404）

低碳鋼在RH工序碳粒脫氧的生產(chǎn)實(shí)踐

張素芳，史湘東，秦建亮

（天津天鐵冶金集團(tuán)熱軋板公司，河北涉縣056404）

對低碳鋼RH工序碳粒脫氧工藝進(jìn)行了論述。通過理論分析與實(shí)際工藝方案的設(shè)計(jì)，對RH工序碳粒脫氧工藝過程的到站溫度、真空度、環(huán)流氣體流量、吹氧等環(huán)節(jié)進(jìn)行了有效控制。與原單純使用鋁脫氧的工藝比較，有效降低了合金成本，減少了夾雜物含量，提高了鋼水純凈度。

真空脫碳；碳脫氧；真空度；富余氧

1 引言

低碳鋼是天鐵熱軋板公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要品種之一，該鋼種的原生產(chǎn)工藝為在轉(zhuǎn)爐進(jìn)行低碳出鋼，轉(zhuǎn)爐出鋼后采用少量中碳錳鐵進(jìn)行預(yù)脫氧，LF爐進(jìn)行溫度調(diào)整，RH爐利用鋁制品脫除富余氧后再進(jìn)行脫氧合金化。生產(chǎn)過程中完全采用鋁進(jìn)行鋼渣脫氧控制，沒有充分利用鋼中的碳氧關(guān)系，因此脫氧劑及合金使用量較大，鋼種冶煉成本較高，通過工藝優(yōu)化，采用在RH工序進(jìn)行碳粒脫氧的生產(chǎn)實(shí)踐，降低了合金成本，減少了夾雜物含量，提高了鋼水純凈度。

2 低碳鋼生產(chǎn)工藝流程及主要裝備

2.1 工藝流程

天鐵熱軋RH低碳鋼的生產(chǎn)工藝流程為：高爐鐵水→鐵水預(yù)處理→180 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉→LF加熱→RH真空精煉處理→板坯連鑄。

2.2 主要裝備

天鐵熱軋煉鋼系統(tǒng)裝備主要包括：1座1 300 t的混鐵爐和1座倒罐站為煉鋼供應(yīng)鐵水。2座鐵水脫硫設(shè)施對鐵水硫含量進(jìn)行控制，為下一道工序提供優(yōu)質(zhì)的鐵水，減輕煉鋼的負(fù)荷。2座180 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，進(jìn)行冶煉（粗煉）作業(yè)。2座LF精煉爐和1座三車五位RH精煉爐，對粗煉的鋼水進(jìn)行凈化，不斷提高鋼水質(zhì)量和鋼水純凈度，為冶煉高附加值產(chǎn)品提供了設(shè)備方面的保障。

3 RH工序碳粒脫氧實(shí)施方案

低碳鋼轉(zhuǎn)爐采用高拉碳（0.05%～0.07%）出鋼，RH工序在脫碳后的富余游離氧采用碳粒進(jìn)行脫除至0.025%，然后進(jìn)行脫氧合金化，RH工序通過加入碳粒與鋼水自身的氧充分反應(yīng)，起到碳粒代替部分鋁脫氧的作用，達(dá)到節(jié)省脫氧劑的目的，從而降低煉鋼成本。

3.1 RH處理前的碳氧含量

考慮到真空度波動(dòng)，過程補(bǔ)氧及升溫等異常情況時(shí)的鋼種煉成率，因此對RH脫碳終點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)控制在鋼中碳為0.01%。

RH脫碳過程反應(yīng)方程：

理論上每脫碳0.01%需要消耗0.0133%的氧。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于與鋼水接觸基本沒有碳質(zhì)材料，因此沒有進(jìn)碳源。但與鋼水接觸的鋼渣及空氣等都含有大量的氧，會在反應(yīng)過程中不斷向鋼中進(jìn)氧，因此實(shí)際上RH脫碳碳粒耗氧量并未達(dá)到理論水平，目前熱軋公司實(shí)際生產(chǎn)中RH脫碳0.01%，平均耗氧量為0.0085%，進(jìn)入RH前，到RH平均氧含量為576.42×10-6，到RH平均碳含量為0.045%。

3.2 RH處理工藝方案

RH處理是指在開啟增壓泵的條件下使RH真空室保持在較低的真空度，在真空條件下，由于一氧化碳的分壓降低，鋼水中的平衡碳氧積變低，在常壓下達(dá)到平衡的碳氧反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，從而達(dá)到碳粒脫氧的目的。

根據(jù)到站的鋼水碳氧含量確定是否進(jìn)行吹氧操作，若需要首先進(jìn)行吹氧操作，然后進(jìn)行RH處理操作，循環(huán)氣體調(diào)整至40 m3，開啟增壓泵保持真空度在8 kPa以下，循環(huán)氣體由40 m3調(diào)整至120 m3，保持6 min以上后進(jìn)行定氧操作；根據(jù)鋼水的游離氧含量進(jìn)行碳粒脫氧，加入碳粒進(jìn)行碳粒脫氧操作，調(diào)整真空度在8 kPa，循環(huán)氣體調(diào)整至80 m3，加入碳粒采用少批量多批次的方法進(jìn)行，每批加入量在15～20 kg。一批加完后，待反應(yīng)平穩(wěn)后加入下一批碳粒，保證碳粒脫氧至終點(diǎn)游離氧在0.025%；根據(jù)工藝要求調(diào)整溫度后，進(jìn)行脫氧合金化操作；保持真空度在8 kPa以下，循環(huán)氣體調(diào)整至120 m3，保持純脫氣操作不小于6 min，保證鋼水成分、溫度均勻；冶煉結(jié)束破空，加入保溫劑保溫，將鋼包車開至吊包位，等待上連鑄澆注。

4 RH工序碳粒脫氧工藝的過程控制

在進(jìn)行碳粒脫氧過程中，碳粒脫氧與到站溫度、真空度、環(huán)流氣體流量和吹氧控制有關(guān)。

4.1 溫度控制

考慮到RH的生產(chǎn)過程和等待時(shí)間的溫降和鋁脫氧的升溫情況，要求達(dá)到RH的溫度控制在1 620°C比較合適。當(dāng)?shù)竭_(dá)RH時(shí)的溫度低于要求的溫度時(shí)，采用吹氧的方法，熱軋RH吹氧100 m3能夠升溫10°，為了保證鋼水質(zhì)量，要求吹氧量不得超過200 m3。RH工序向鋼水中吹氧100 m3能夠向鋼中提供0.055%的游離氧，要求鋼水中的游離氧控制在 0.08%以下，當(dāng)吹氧后的游離氧超過了0.08%時(shí)，可以適當(dāng)加入部分鋁進(jìn)行脫除，防止游離氧過多，反應(yīng)過于激烈，產(chǎn)生事故，當(dāng)溫度高于RH溫度時(shí)，可以利用廢鋼進(jìn)行調(diào)整溫度。

4.2 吹氧量控制

鋼中存在的游離氧對脫碳的影響非常大，如果鋼中的游離氧不足，達(dá)到目標(biāo)碳含量所需的脫碳時(shí)間會很長。如果脫碳后鋼中游離氧低，雖然低碳含量也能被達(dá)到，但脫碳驅(qū)動(dòng)力將下降，脫碳反應(yīng)將變得很慢，因此脫碳后鋼中0.02%～0.04%的游離氧是必需的。如果鋼中沒有足夠的游離氧，則額外的氧必須被吹入以補(bǔ)充鋼中游離氧。補(bǔ)充游離氧按照吹氧100 m3能夠向鋼種提供0.055%的游離氧來控制。在進(jìn)行碳粒脫氧的過程中，脫出0.01%碳需要0.0085%游離氧量來進(jìn)行計(jì)算。

4.3 真空度控制

真空度是在處理過程中，真空室內(nèi)可以達(dá)到并且能夠保持的最低壓力。對于低碳鋼種輕處理來說，進(jìn)行脫碳過程中，循環(huán)氣體流量為40 m3，當(dāng)真空度達(dá)到8 kPa以下時(shí)，循環(huán)氣體調(diào)整至120 m3；進(jìn)行碳粒脫氧過程中，防止反應(yīng)激烈，真空度調(diào)整至8 kPa，循環(huán)氣體流量調(diào)整到60 m3，進(jìn)行碳粒脫氧操作；脫氧合金化完成后，真空度調(diào)整至8 kPa以下，環(huán)氣體流量調(diào)整到120 m3。

4.4 環(huán)流量控制

在RH處理時(shí),特別是真空度快速下降的脫碳初期,循環(huán)氣體流量設(shè)定值為40 m3/h。若設(shè)定值太大，一方面將妨礙真空度上升的速度，另一方面鋼水飛濺嚴(yán)重，易粘冷鋼；真空度穩(wěn)定后，適當(dāng)增加環(huán)流氣流量至120 m3/h，以增加反應(yīng)的界面積，從而提高脫碳的速度；脫碳結(jié)束后，再將環(huán)流氣流量至60 m3/h，進(jìn)行碳粒脫氧操作，分批加入所需碳粒進(jìn)行脫氧，然后進(jìn)行脫氧合金化，最后適當(dāng)增加環(huán)流氣流量至120 m3/h，以加速成分的均勻及夾雜物的有效上浮去除。根據(jù)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際工藝要求，不同處理階段采用不同的流量設(shè)定。

5 碳粒脫氧工藝的實(shí)施效果

5.1 碳粒脫氧工藝的實(shí)施情況

實(shí)際生產(chǎn)過程中RH脫碳后游離氧含量對比見圖1。通過圖1可以看出，RH脫碳后的氧含量在0.035%以上，RH碳粒脫氧后的游離氧含量在0.025%左右，真空精煉中采用碳粒進(jìn)行脫氧操作時(shí)，當(dāng)需要加入碳粒較多時(shí)，一次加入會使真空內(nèi)鋼水液面上漲較快，不注意時(shí)液面會超過合金下料口，還會造成噴濺造成事故，因此在操作過程中要小批量多批次加入。加入一批碳粉后，待液面恢復(fù)正常后再加入第二批。經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)總結(jié)出每批量碳粉加入量為15～20 kg較為合適。

5.2 提高了轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量

在轉(zhuǎn)爐操作方面，由于中碳鋼冶煉數(shù)量相對較多，終點(diǎn)碳含量在0.07%時(shí)命中率相對較高，采用碳粒脫氧工藝后，可以使低碳鋼終點(diǎn)碳含量與中碳鋼的終點(diǎn)碳含量控制水平一致，提高了終點(diǎn)命中率。將生產(chǎn)過程實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行對比，如表1所示。

圖1 生產(chǎn)過程中各工藝脫碳后氧含量

表1 原脫氧工藝與現(xiàn)脫氧工藝轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)與到RH前的變化/%

對于碳含量變化，采用現(xiàn)工藝與原工藝相比，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳提高0.020%，但RH處理前碳含量僅提高了0.005%。這主要是因?yàn)樘岣叱鲣撎己亢螅诔鲣摷癓F爐加熱過程中，由于環(huán)境進(jìn)氧使碳氧積加大，因此在此過程中一直存在脫碳反應(yīng)。

5.3 碳粒脫氧工藝降低生產(chǎn)過程Al2O3

鋁脫氧的脫氧產(chǎn)物Al2O3為高熔點(diǎn)物質(zhì)，在鋼液中呈固態(tài)。雖然大部分脫氧產(chǎn)物會上浮，但會有部分脫氧產(chǎn)物殘留在鋼中形成夾雜物。脫氧產(chǎn)物生成量越大，鋼中所殘余的Al2O3夾雜物越多，因此減少脫氧鋁量是提高鋼水純凈度的有效措施。

中包的全氧絕大部分是Al2O3中的氧，而中包全氧與鑄坯內(nèi)的夾雜物含量的關(guān)系見圖2。采用碳脫氧工藝與原脫氧工藝相比，每爐約減少100 kg鋁量，平均每爐減少脫氧產(chǎn)物近146 kg，較大幅度地提高了鋼水純凈度。

圖2 中包全氧與鑄坯中夾雜物的關(guān)系

5.4 碳粒脫氧工藝成本情況

通過碳粒脫氧工藝的實(shí)施，鋼中錳含量的配加由低碳錳鐵改用中碳錳鐵，降低成本16.5元/t，平均每爐減少用鋁151 kg，增加碳粉37 kg，降低成本7.11元/t。

表2和表3為冶煉過程中隨意抽取的現(xiàn)工藝和原工藝連續(xù)數(shù)據(jù)。

從隨意抽取的數(shù)據(jù)可以看出碳粒用量比原工藝增加了37 kg，鋁的用量減少了151 kg，而且鋁粉的價(jià)格遠(yuǎn)高于碳粒的價(jià)格，說明采用部分碳粒脫氧成本運(yùn)行良好。

6 結(jié)束語

RH工序碳粒脫氧工藝的實(shí)施，使得低碳鋼的生產(chǎn)成本得到了較大幅度的降低，同時(shí)由于脫氧鋁量的減少使鋼水純凈度有了很大的提高，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量提升，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

表2 碳粒脫氧現(xiàn)工藝生產(chǎn)連續(xù)數(shù)據(jù) /kg

轉(zhuǎn)爐出鋼氧含量偏高爐次，在RH爐進(jìn)行碳粒脫氧處理。在低真空條件下，利用碳粒消耗鋼水中多余游離氧進(jìn)行碳氧反應(yīng)，保證了處理結(jié)束氧含量降至0.025%，用碳粒脫氧產(chǎn)物不會污染鋼水，提高了鋼水的純凈度。

利用RH輕處理的脫碳能力，有效提高了轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量，基本不改變轉(zhuǎn)爐的操作模式，提升了煉鋼轉(zhuǎn)爐的終點(diǎn)命中率。

RH脫碳后采用碳粒進(jìn)行脫氧至0.025%，降低了鋁制品的消耗，同時(shí)錳含量配加由低碳錳鐵改用中碳錳鐵，降低了合金消耗。

由于采用碳粒氧工藝可極大地減少采用鋁質(zhì)材料的脫氧劑，因此鋼中Al2O3的降低可有效降低中包水口堵塞的幾率。

表3 僅用鋁脫氧原工藝生產(chǎn)連續(xù)數(shù)據(jù) /kg

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《天津冶金》編輯部

Production Practice of Granulated Carbon Deoxidization for Low Carbon Steel during RH Process

ZHANG Su-fang,SHI Xiang-dong and QIN Jian-liang
(Plate Hot Rolling Co.,Ltd.,Tianjin Tiantie Metallurgy Group,She County,Hebei Province 056404,China)

The granulated carbon deoxidization process for low carbon steel at RH process is expounded. Theoretical analysis is made and actual process plan designed.Critical links of granulated carbon deoxidization process at RH process are effectively controlled such as arriving temperature,vacuum degree, circulation gas flow and oxygen blowing.Compared with original decarburization process only with aluminum, alloy cost is effectively lowered and inclusion content reduced.Steel cleanliness is improved as well.

RH vacuum decarburization;carbon deoxidization;vacuum degree;enriched oxygen

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.06.001

2014-06-12

2014-06-24

張素芳（1983—），女，工程師，主要從事技術(shù)質(zhì)量工作。